46暖调HV&AC2021年第51卷第1期
f l H工溟
模拟分析研究
同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司李晨玉&王健A王颖曾刚摘要为解决暖通设计中普遍存在的舞台下部演员活动区温度常常得不到保障的问题，采用CFD计算流体力学方法，对上海市某歌剧厅舞台空间的空调系统进行了数值模拟计算，并 设计了一种台仓加热系统。分析了4种工况下舞台演员活动区温度和风速的分布情况。结果 表明：是否考虑辐射作用会对结果产生一定的影响，考虑辐射作用的结果更接近真实情况；台仓加热系统在运行1h后温度基本达到稳定，可以很好地改善冬季舞台下部演员活动区热舒适 性差的问题。 关键词舞台台仓加热系统热舒适辐射作用CFD数值模拟
Study and sim ulation analysis on im proved stage
sp ace therm al com fort
By Li Chenyu^ , Wang Jion，Wong Ymg and Zeng Gong
Abstract In order to solve a common problem that the temperature of the actor’s activity area is often not guaranteed in stage HVAC design, simulates the air conditioning system of an opera hall in Shanghai by CFD method, and designs a understage heating system. Analyses the temperature and wind speed distribution of the stage actors' activity area under four working conditions. The results show that the radiation effect will have a certain impact on the results, and the result considering the effect of radiation is closer to the real situation. The temperature is basically stable after one hour's operation of understage heating system, which can well improve the thermal comfort of the actors' activity area at the lower part of the stage in winter.
Keywords stage, understage heating system, thermal comfort, radiation effect, CFD numerical simulation
★Architecture Design & Research Institute of Tongji University (Group) Co., Ltd., Shanghai, China
〇引言
随着经济、科技、文化的发展，人们日益增长的 物质文化、精神文明需求使得我国近年来剧场类建
筑迅速增多，而舞台工艺这一专业也逐步进人到了 空调设计任务书当中[1]。舞台是剧场建筑设计的 一大重点与难点，而如何保障舞台上的演员热舒适 性更是近年来亟待解决的问题。以上海市某歌剧 厅舞台空间为例，设计了一种台仓加热系统.利用 CFD数值模拟方法快速简便、准确有效、成本较低 的优点，分析舞台空间的热舒适性并进行优化设 计，以供相关设计人员参考。
1项目概况
1.1舞台简介
某歌剧院项目位于上海市.歌剧厅舞台为品字 型镜框式固定舞台，由主舞台、左右侧舞台和后舞台 组成。主舞台宽28. 00 m，进深20. 00 m，高27. 73 m；左侧舞台宽20. 00 m，进深17. 00〜23. 00 m.高14.00 m；右侧舞台宽20. 00 m，进深14.00〜21. 00 m，高14.00 m；后舞台宽18.00 m，进深17.00 m，高15.00 m。主舞台台仓深11. 10 m(自舞台面算起）。歌剧厅舞台平面图如图1所示。
☆李晨玉，女，1990年5月生，硕士，工程师
A王健(通信作者）
200092上海市杨浦区四平路1230号同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司
E-mail：wangjiantjad®
收稿日期：2020-03-29
修回日期：2020-06-28
2021(1)李晨玉，等：改辫舞台空间热舒适的模拟分析研究47
I.2空调系统简介
歌剧厅舞台采用定风量一次回风全空气系统，主舞台向下30°侧送风，左右侧舞台顶送风，回风 采用墙体底部侧回风的气流组织形式。
为保证冬季舞台地板温度符合人体热舒适性 要求，设计一种台仓加热系统，在台仓内紧贴台仓 顶板送40 €热风，使舞台地板温度升高。
2分析内容与评价标准
21主要分析内容
在夏季，由主舞台侧送、侧舞台上送的冷空气自然下降，热舒适性要求较容易得到满足。而 冬季，受热气流上升的影响，下部演员活动区的 温度常得不到保障，这是近年来舞台暖通设计中 一直未解决的问题。因此，仅对冬季工况进行重 点分析。
在原设计基础上，模拟分析舞台区的温度和速 度分布情况，对人员活动区的舒适度进行分析，并 对比辐射对室内舒适度的影响。
若人员活动区温度达不到要求，拟在主舞台台 仓内设置一种加热系统，即将热空气送人台仓，在 演出前对舞台地面进行加热，起到地暖的作用。因此，模拟共分为4个工况，见表1。
表1各工况对比
定风量空调系统台仓内加热系统辐射影响
工况1有无无
工况2有无有
工况3有有无
工况4有有有
注：1)工况2舞台地板温度为工况1模拟所得的舞台地板平均温度；电动液控闸阀
2)工况4舞台地板温度为工况3模拟所得的舞台地板平均温
度。
各工况主要分析的内容为：
1)距舞台地板1.5 m高度处室内空气的平均 温度；
2)距舞台地板1.5 m高度处室内空气的平均 风速；
3)舞台地板的平均温度；
4)歌剧厅舞台室内温度的竖直分布情况。
2.2评价标准
JGJ 57—2016《剧场建筑设计规范》表10. 2. 3
规定，歌剧厅舞台冬季室内设计温度为18〜22 C，
平均风速为〇. 1〜〇.2 m/s[2];《全国民用建筑工程
设计技术措施暖通空调•动力》（2009年版）表
1.2.2和表5. 4. 2 - 1规定，歌剧厅舞台冬季的室
内设计温度为16〜20 C，室内活动区的允许气流
速度为0.2 m/s[3]。综合上述2种室内设计参数
的规定，拟将冬季室内设计温度的范围设定为16〜
22 X：，气流平均速度定为不大于0.2 m/s。
3技术方法
使用软件划十算流体动力学软件STAR-CCM+。
3. 1建筑模型
由于歌剧厅舞台的空调系统与观众厅分开设
置，且观众厅的气流组织形式还需根据工艺要求进
行二次深化设计，故暂不考虑观众厅空调系统的影
响。后舞台主要为候场时使用，表演时会利用反声
板将其与主舞台隔开，因此模拟分析时仅考虑主舞
台及左右2个侧舞台。简化后建立的舞台模型如
图2所示。
图2歌剧厅舞台模型
3.2边界条件
歌剧厅舞台的冬季室内设计温度为20 X：，其
周边相邻房间主要为楼梯间、耳光室、卫生间和走
廊等，其温度按照值班温度5 °C考虑，室外环境温
度为上海市冬季空气调节室外计算温度一2. 2
C[4]。主舞台和侧舞台送风温度为25‘C。
忽略人体散热和灯光散热，以最不利条件进行
模拟计算。模拟分析的入口、出口边界条件，壁面
边界条件的具体设置见表2和表
3。
48
暖通空调HV&AC 2021年第51卷第1期
工程设计
表2
入口、出口边界条件
主舞台
左/右侧舞台
台仓送风速度八111/8)3. 003. 173. 00送风温度厂C 25
2540回风速度/(m /s ) 1.321. 50回风温度/‘C光栅单元
20
20
4模拟结果分析
4.1原设计方案图3显示了原设计方案歌剧厅舞台剖面温度
场、风速场。
原设计方案不考虑辐射影响时，热空气从顶部
表3壁面边界条件
屋面
外墙舞台内墙舞台地板与后舞台相连 的反声板
与观众席相连 的虚拟边界台仓内墙台仓地面
主要材料材质真空绝热板+
岩棉板+混凝岩棉板+混凝木地板
多孔吸声材料
钢筋混凝土土砌块土砌块环境温度AC -2.2
-
2.2空调消声器
5.0
5.0
5.05. 0传热系数八…/0.40. 60.8 3.0 3.0绝热
0.8
3.0
(m 2 • K ))表面发射率
0. 80
0. 80
0. 80
0. 84
0. 35
台地板的平均温度设为9. 2 X ：进行模拟。歌剧厅舞 台1. 5 m 高度处的平均温度为19. 2 C ，较工况1降 低了 1.6 C ，但仍在冬季室内设计温度范围内；1.5
m 高度处的平均风速为0. 19 m /s ，无变化。4.2优化设计方案
图4显示了优化方案歌剧厅舞台剖面温度场、 风速场。
U H /V 10
13
16
19
22
25
b 工况2温度场
d 工况2速度场
注：工况1不考虑辐射影响，工况2考虑辐射影响。
图3原设计方案歌剧厅舞台剖面温度场、风速场
送风口向下送出，与冷空气混合使舞台室内温度升 高，由于热空气向上升，室内出现了上热下冷的现
象。舞台地板附近温度仅为9.2 C ，温度过低，人 员于舞台上活动时的舒适性差。但1.5 m 高度处 人员活动区基本符合冬季室内设计温度要求，平均 温度为20. 8 X ：，比冬季室内设计温度20. 0 ~C 高 0. 8 °C ;1.5 m 高度处的平均风速为0. 19 m /s ，在 冬季室内设计平均速度范围内。
以工况1模拟结果为基础，考虑辐射影响，将舞
温度/■〇 10 13 16 19 22 25开关信号
c 工况3速度场
速度/(m /s )0
d 工况4速度场注：工况3不考虑辐射影响，工况4考虑辐射影响。
图4
优化方案歌剧厅舞台剖面温度场、
风速场
2021(1)李晨玉，等：改善舞台空间热舒适的模拟分析研究49
为提高舞台地板温度，使人员于舞台上活动时
的舒适性较好，增加台仓送风加热系统。经计算分
析，系统为维持舞台地板温度所需总送风量为
10 800 m3/h，送风温度为40'C，送风速度为3 m/s。
热空气从顶部送风口向下送出，与冷空气混合
使舞台室内温度升高。由于热空气向上升，室内出
现了上热下冷的现象，但有台仓内加热系统的热空
气对舞台底部进行加热，舞台内温度竖直分布变得 较为均勻，底部与顶部温差大大减小。主舞台地板 的平均温度为24. 5 °C，对比无台仓加热系统升高 了 15. 3 X：，人员于舞台上活动时的舒适性非常好。舞台1.5 m高度处的平均温度有所升高，为21. 1°C，比冬季室内设计温度20. 0 "C高1. 1C;1. 5 m 高度处的平均风速为〇. 20 m/s，仍在冬季室内设 计气流平均速度范围内。
以工况3模拟结果为基础，考虑辐射影响，将 舞台地板的平均温度设为24. 5 C进行模拟。歌剧 厅舞台1.5 m高度处的平均温度为21. 0 C，较工 况1仅降低了 〇. 1°C;1. 5 m高度处的平均风速为 0. 17 m/s，降低了 0.03 m/s。
台仓加热系统增加的总热负荷约为31.4 kW，在 提高舞台地板热舒适性的同时，台仓内的温度也大大 升高，顶部温度更是达到33 C以上，如图5所示。
温度/■〇10.0 14.6 19.2 23.828.433.0
im m
图5优化方案舞台台仓剖面温度云图
4.3预热时间
台仓加热系统对改善舞台地板热舒适性效果 明显，采用非稳态方法分析该加热系统的最佳预热 时间，模拟时长为2 h，计算步频为5 。图6显示了台仓顶板平均温度变化曲线。由图6可知，模 拟运行到第20 000步，即约1h时，台仓顶板(舞台 地板)平均温度基本达到如图7所示的稳定状态。5结论
演出人员在舞台上进行表演时，对舞台空间的 热舒适性要求较高，特别是冬季赤脚表演时，这一 直是舞台暖通设计中的重点难点问题。结合上海 市某歌剧厅舞台案例，提出了一种台仓加热系统并 验证了其有效性，为这一重难点问题提供了一种解
图6台仓顶板平均温度变化曲线
图7歌剧厅舞台地板温度分布云图
决思路，主要得到以下结论：
1)歌剧厅舞台仅采用原定风量一次回风全空 气系统时，舞台1.5 m高度处平均温度约为19〜21
'C，平均风速均小于0. 2 m/s，基本能够满足相关标
准规范中的室内设计参数要求。但舞台地板表面温
度较低，仅有约9 X：，人员活动区的舒适度并不高。
2)考虑辐射影响后，舞台空间整体温度较未考 虑辐射时更加均匀并有所降低，对风速影响较小。
3)设计一种台仓加热系统，在台仓内紧贴台 仓顶板送40X：热风.能使歌剧厅舞台地板的平均
温度大大升高，足以达到24.5 I：，且舞台内温度竖
直分布变得较为均匀，改善了室内上热下冷现象，
更加符合人体热舒适性要求。
4)台仓加热系统开机运行约1h后，舞台地板平 均温度基本达到稳定。因此，仅需在演出前提前l h
开启该加热系统，就能保证演出人员的热舒适性。
5)台仓加热系统会造成其内部温度过高，在 实际设计使用该系统时，需考虑其对台仓内部工作
活动、机械系统等的影响。
塑料保鲜盒参考文献：
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