地板送风在乌克兰国家大剧院空调改造中的应用

摘要：本文主要介绍乌克兰国家大剧院增加空调系统项目的设计思想，并结合该工程中地板送风的应用实例，对地板送风与置换通风的原理进行描述，说明了两者之间的差别。强调了置换通风的空调方式必须要有好的自控策略和控制系统来保证其运行效果。并用CFD技术对剧院观众厅的气流组织进行了数值模拟分析，证明地板送风的方式在剧院空调改造中具有很好的适用性，能很好地满足观众的舒适性要求。

关键词：地板送风 数值模拟 置换通风

1. 引言

乌克兰国家大剧院，位于乌克兰基辅市，属于国家历史保护性建筑。剧院观众厅和舞台的主体部分于1874年建造，1877年续建，1939年在剧院周边扩建了一些辅助用房，1984年加建了办公楼，总建筑面积8430m2。扩建后的观众厅和舞台处于剧院建筑物的中间，建筑物高度28米。观众厅与舞台面积为4300m2，观众厅主要是底层和二层，共有座位数780个，其中夹层有临时座位74个。剧院原设计了自然通风系统进行夏季降温，冬季为采暖系统，由于后来的逐年改扩建，原剧院周边已经被其它建筑包围，自然通风效果差，夏季剧院内闷热，空气质量很差。冬季原有的供暖系统也由于改扩建的原因达不到要求，冬季舞台温度较低，鉴于此种状况，乌克兰国家大剧院决定对剧院增加空调通风系统。

本文主要介绍了地板送风在剧院空调系统改造中的应用，并用CFD技术对剧院空调系统的气流组织进行了数值模拟。

2. 空调方案的确定

剧院主体建筑已有100多年的历史，承重结构处于保持状态，建筑防火级别很低，增加新的空调系统不仅要考虑结构与防火的安全因素，同时还要注意新增的任何设备都不能影响原剧院的音响效果，不能减少原有的建筑空间和座位数量，在这些各种因素的限制下，给空调设计带来了很多的约束。在详细现场考察的基础上，在结构鉴定专家和其他专业的支持和配合下，确定了地板送风的空调方案。

对于像影剧院、体育馆等大空间建筑来说，空间高，面积大，人员集中，人员多为坐姿，垂直方向的温度梯度较大，采用传统的混合通风系统存在系统管道多且截面大，不利于排除室内空气污染物、系统装机容量大等弊端。因此，从空调系统自身的特点来考虑，采用地板送风空调系统成为首选，其主要的原因还在于，地板送风的送风管道可以布置在地板下面，地面改造不影响建筑承重结构，不占用建筑空间，可以实施。

地板送风虽然是全空气空调系统形式之一，但应用于剧院建筑时，与传统的全空气系统比较，具有下述优点[1]，地板送风在空调房间内形成的热力分层,可减少工作区的空调耗冷量，风口速度很小，输送能耗低，送风直接与工作区空气掺混，只负责工作区负荷，通风效率高，空气品质好，舒适性高。可以实现增加空调系统后，能保持原有剧院内部的建筑风格，美观整洁，地板送风的空调方案得到了乌克兰剧院方的认可。

3. 空调设计参数及负荷

剧院位于乌克兰基辅市，北纬520，大气压990kPa。剧院暖通设计参数根据乌克兰2006年颁发的暖通设计规范见表1。

由于观众厅与舞台处于剧院中心，周边被办公室与附属用房包围，所以围护结构负荷很少，可以不予计入，夏季主要为人员与照明负荷，冬季主要为新风负荷，观众厅与舞台新风量为20m3/h·人(根据乌克兰国家剧院规范)，冷负荷见表2。

4. 空调冷热源

4.1 冷源

采用风冷涡旋式热泵机组3台，为夏季空调系统提供冷源。安装于排练厅外侧新设钢结构设备平台顶部，为确保剧院空调效果，机组为2用1备(制冷量：132x2=264kW)。夏季空调供/回水温度为7/12℃，供回水温差5℃，由于乌克兰过渡季(4月与10月)气温较低，此时风冷热泵机组工作在制热工况下(制热量：135x2=270 kW)，供/回水温度为45/40℃，供回水温差5℃。

4.2 热源

由原供暖换热站提供80/60℃冬季空调热水(二次热水)。

5. 空调系统布置

根据剧院建筑的现状，经过认真考察分析，确定把空调机组布置在剧院阁楼空间内，通过原有的从上至下的土建风道将处理过的空气送至地板下，通过可调节风量的风口送至室内。共设四个空气调节系统S—1至S—4和一个排风系统E—1，分别在冬、夏季为剧院的观众厅不同部位和舞台提供热风和冷风。系统示意图见图1。

S—1、S—2为一次回风的全空气系统，室外新风与观众厅顶部回风混合经空气处理机组处理后，其中，S—1送入左侧观众厅由原土建管井改造后的通风管井中，S—2送入右侧通风管井中，再沿地沟风道送入观众厅地面、夹层和一层。观众厅地面采用地板送风，其送风平面图见图2。设计送风温度为20.0℃，空气以小于0.20m/s速度从地面风口送出，气流组织遵照地板送风的规律，具有一定动能的气流送出后，在工作区内与室内气流掺混，消除观众的余热余湿后，温度升高，在热压作用下不断上升，送风只负担工作区内负荷，不承担上部区域负荷，在工作区内温度分层现象不明显，但与非工作区温度梯度明显，非工作区负荷直接由排风带走。在观众厅空间形成上部热下部冷的热力分层现象，最后从观众厅顶端回风口排出。这种温度分层的空调送风方式能够提高观众周围的空气品质，充分保证了室内人员的舒适度，冷风直接与热源接触，通风换气效率高，在保证舒适度的同时能有效地降低能耗。

S—3负责为二层观众厅夏季送冷风，冬季送热风。室外新风与观众厅顶部回风混合后经空气处理机组处理后，沿观众厅顶部墙壁内土建风道送入二层，墙壁侧向顶部贴附送风，空气以2.47m/s的速度从风口送出，消除室内的余热余湿，最后从观众厅顶部回风口排出，见图1。

由于冬季舞台室温较低，因此，冬季舞台的辅助加热由S—4空调系统承担。20台立式明装风机盘管安装于舞台外墙能充分保证冬季舞台的热舒适性。

E—1排风系统由观众厅顶部的原有排风口取风，排风量为14000 m3/h，为新风总量的85%，以保持 剧场内新风排风平衡和空调房间正压。排风经排风管道，由5台风机排出室外。

6. 空调自控系统

6.1 自控系统的结构与组成

监控系统由网络控制器、现场级DDC控制器和现场控制设备组成，DDC控制器间通过通讯线连接构成通讯网络，并通过BCU和中央监控主机相连，实现系统集散式监控管理。

6.2 自控系统的功能

(1) 温湿度巡检，空调机组、冷水机组、排风机由中央监控主机事先监控。

(2) 水路三通调节阀根据设定的送风温度进行自动调节，新风阀和回风阀可依据室外空气焓值进行比例调节。

(3) 空调机组与排风机联锁，一对一运行。

(4) S—1空调系统的2台并联空调机组夏季可以实现如下控制：1台机组的冷水三通阀开启时，冷却除湿处理一次回风和新风；另1台三通阀关闭，新风与回风混合，不作处理；2台并联空调机组的空气再混合，实现送风温度等于或大于设定的送风温度。S—2系统控制同S—1。

(5) 送风温度设定值应根据室内温湿度、送风温差、舒适度经调试确定。

7. 观众厅气流组织的数值模拟

采用计算流体力学(CFD)软件PHOENICS对观众厅空调系统的气流组织进行了数值模拟研究，以验证地板送风空调系统的效果。

7.1 采用K-ε 双方程紊流模型，划分网格数目为73x64x48= 224256个，迭代收敛良好。温度场典型断面见图3。

从Y方向温度场可以看到明显的温度分层，前排较后排温度低1-2℃，这与回风气流的抽引有关，距座椅高度1m处温度在24℃左右，整体平均温度为26.7℃，回风口处温度约28-30℃，达到了地板送风的设计效果。

座椅处速度场典型断面如下：

从Y方向速度场可以看出空气从地面风口送出后，气流整体顺台阶向上，与厅内空气进行热湿交换后，由顶部回风口排出，空间基本无回流现象。在人脚踝处风速均小于0.2m/s,不会对人员造成吹风感，座椅上部风速最大为0.25m/s，达到了舒适性要求。

8. 系统设计体会与结论

地板送风与置换送风概念上是有差别的，地板送风口处的风速可以具有一定的动能，送风在工作区内与室内气流掺混，负担工作区内负荷，不承担非工作区内负荷在工作区内温度分层现象不明显，但与非工作区温度梯度明显，非工作区负荷直接由排风带走，这就是地板送风节能的原理。当地板送风出口风速减低到一定限度时，送风气流动能很小，此时地板送风就转化成了置换通风。通过这个项目的设计，使我们应该得到这样的结论：

(1) 地板送风的气流规律是由其出口风速决定的，设计中当采用地板送风上部回风的气流组织形式时，应该首先确定是地板送风方式，还是采用置换通风方式，才能对空调系统末端设备选型、气流组织计算、自动控制方案等做出正确的判断。

(2) 地板送风形式的置换通风的实现应该依赖于好的自控策略和可靠的自控系统。

参考文献

[1] Fred Bauman,P.E, Tom Webster,P.E. Outlook for Underfloor Air Distribution, ASHERAE Journal, 2001, (6).

[2] Sodec F,Cralg R. The Underfloor Air Supply System-the European Experience[J]. ASHERAE Transactions. 1990, 96(2):690-695.

[3] 孔琼香,俞炳丰. 办公楼地板送风系统应用于研究现状[J]. 暖通空调. 2004, 34(4):26 -31.

[4] 范存养. 大空间建筑空调设计及工程实录[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001.

[5] 陶文铨. 数值传热学(第2版)[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2001.