维普资讯 http://www.cqvip.com 第２０卷第９期 武汉科技学院学报 Ｖｏ１．２０ ＮＯ．９ ２００７年９月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＷＵＨＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｓｅｐ．２００７ 强光照射对影剧院舞台空调温度的影响 程向东，卢纪军 （武汉科技学院环境与城建学院，湖北武汉４３００７３） 摘要：现代影剧院建筑中常常使用许多照明光源。在大功率人工光照条件下，舞台处的温度变化会 加剧。本文通过不稳定传热计算方法，讨论了边界条件中考虑光辐射的情况，导出了具有光照条件下 舞台空气温度热平衡的方程组，并对一个具有一面外墙及照度及最大照明功率为１６０ＫＷ的舞台进行了 数值计算，从结果可知在计算条件下室温会很快升高到一个新的数值。本文建议在建筑设计及建筑设 备配套时，应针对建筑光照的具体特点，应采取适当建筑方案及相对节能的空调措施。 关键词：数值计算；差分方法；空调负荷；节能措施 中图分类号：ＴＢ６５７．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—５１６０（２００７）－－００３９－－０３ ｌ强光照射对舞台空调效果的影响 在采用空调的建筑中，夏季空调负荷主要由通过门、窗、墙、天花、地面的传热负荷及通过玻璃窗的传热 负荷及太阳辐射透射负荷组成，还有设备及照明负荷。本文主要讨论照明对影剧院建筑物舞台温度的影响，进 而讨论对强光对空调负荷的影响。 剧院观众厅的照明负荷一般比较小，约为５．１０Ｗ／ｍ 。电影院观众厅在放映时不开灯，所以不考虑照明负荷。 剧院舞台光照明容量大，一般安装功率为１５０．３４０ＫＷ…。舞台为灯光最高负荷持续的时间不长，同时出现最大 照明功率为２００ＫＷ左右的持续时间约为２０．３０ｍｉｎ。通常舞台的主体高度为１８－２４ｍ，进深为１６－２０ｍ，当舞台宽 在４０、５０米之间时，按上述值可以折算出灯源照度为每平方米为１８０Ｗ左右。 ２ 建筑内部光照条件内部空气的热平衡 本文采用如下图１的结构讨论舞台。舞台外墙及屋面采 用常用的建筑材料构成并且不透光。光源在室内３米以上均 ［＝＝＝Ｉ＝＝＝＝＝］Ｌ—— ——————一 匀布置，考虑到对称因素，假设只有一面导热外墙。将不同 照度及色温的灯归一为荧光灯以简化模型，采用的灯管为高 压钠灯（即图中的日光灯）。房间装有空调系统，其稳定冷量 为Ｑ０（ｗ）。 Ｑ 设墙体内表面及舞台地面吸热系数为Ｐ ，日光灯总安装 虚线以下为人活动区 功率为Ｐ（ｗ），墙体传人的热量为Ｑｗ，为玻璃分隔板传人 的热量Ｑ ，空调瞬时制冷量为Ｑ。（ｗ），外墙传热系数为 图１舞台光照温升计算用图 Ｋ （Ｗ／ｍ２）。电能．光能转换效率为Ｅ（Ｗ／Ｗ），空气对流换热系 数为ｃ【（ｗ／ｍ２），热容为Ｃａ（Ｊ／ｋｇ 。Ｃ）， 口’ Ｂ’ ｗ’ Ｚ分别为空气、 墙体的温度，对舞台空气温度的变化有下式 收稿日期：２００７．－０８—０６ 作者简介：程向东（１９６５．），男，讲师，研究方向：冷暖空调设备 维普资讯 http://www.cqvip.com 武汉科技学院学报 ２０ｏ７年 成立： ｃ ：Ｑ ＋Ｑ。一Ｑ。 （１） 当房间处于变温阶段时，可以算作是常热流情况。 墙面传热的热平衡（按一维处理） 墙： ｄｔｗ＝￣－（２ ｄｔｗ） ｄ‘２ （３） 带辐射换热的边界条件 根据对流与换辐射共同作用【３】的内表面，具有如下的边界条件： ｄｔｗ＝Ｐ ｗ Ｊ ｗ＋ （ｆ 一ｆ ） 式中Ｗ和ｊ是分别代表内墙表面Ｗ，Ｊｗ为其它面对计算墙面的辐射热量，Ｊｗ为计算表面收到的光辐射能量 （ⅣＩｍ ）； ３ 数学解析 为简化计算，假设内表面热辐射互相平衡， ， 亍０。仅墙体的温度随时间改变。外墙环境温度为常数。冷 量开始Ｑ０时与表面对流热平衡且恒定不变，计算表面温度不变。（１）一（３）式中，通过以下关系联系在一起 ａｆ＝ （ 一ｔ ） （４） ｉ代表计算面。整理后得如下关系式： ３．１空气热平衡方程式： Ｃ＝ ｄｔａ＝￣２＇Ｆｗ（ｆ ｗｆ ） （５） 初始条件为：ｔ ＝ｔ ： ＝２６。Ｃ 墙体热平衡方程式 Ｐ ｗＣ ｗ’ 鲁＝ｄ－￣－（２ ａｔｗ） ｄｔ ｗ十 ‘ 一口 （ ： —边界条件为： 墙内表面处： ， ｒ ）＝ ｝ ａ，／－ 外墙外表面处：ｐ ｃ鲁＝一 鲁一 。（ｒ ：。一ｒ。） （５）（６）两式是忽略了其它影响因素后的，反映光辐射对外墙内表面温度及空气温度的影响，称为干扰。 可以通过差分法计算这一干扰量的大小。本文采用差分法。离散后的（５）、（６）式及其边界条件如下： 墙体温度显示格式差分 ｆ ｆ＝Ｆｏ（ｆ —Ｉ＋ｆ ｆ＋１）＋（１—２ Ｆｏ）ｆ ，Ｏ＝・—— 一 （７） ａ△，／－ △Ｘ 内边界： ， ｋ＋．…ｌ＝ ＋（１—２ Ｆ。一２ Ｆ。 ）ｒ ｋ ： ＋２，。（ｒ ｋ．…＋ ｆ ｒ ） 一，‘８ ）：３０＋ （ｉ＝ｏ，１，２……Ｎ） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第９期 外边界： 程向东，等：强光照射对影剧院舞台空调温度的影响 ４ｌ ｆ： ０：（１—２ Ｆ ０—２ Ｆ ０ Ｂ ｉ）ｔ ｋｌｆ；０＋２ Ｆ ０（ｔ ｋｌｆ；１＋Ｂ ｉｔ。） 内部空气温度显示格式差分 ｋ十ｌ。＝：， ； ！ —三一 ｋ －； ＋（，——・璺 ； ： ） 。ｋ （９） ｔ。（０）＝２６。Ｃ 上述式中，Ｍ 为空气的质量（ｋｇ）， Ｐ为外墙密度， 为外墙热容，Ｆ 为墙体内表面面积之和（ｉｎ ）。 Ａ ｆ为时问步长（Ｓ），Ａ 为节点节距（ｍ）， 上标ｋ表示第ｋ Ａ ｆ时刻，ｋ＝０，１，２，３……．Ｎ。 竺 九为墙体导热系数（Ｗ／ｍ）。 ４ 常数取值及计算结果 采用钠灯时，１ Ｗ转换效率约有７０个流明，考虑到舞台实际，按最大照明的８０％计算，为１６０ＫＷ左右。 灯光的安装功率与其辐射热的关系按７０％确定 引，通过查相关资料，各物性常数及计算常数如下： Ｆ＝ ７ ２０ｍ ，Ｆｎ＝１ Ｏ００ｍ Ｍ。＝４３ ２００ｋｇ，Ｃ ＝１．０ １ ＫＪ／ｋｇ．。Ｃ， ＝７．５Ｗ／ｍ。．０ Ｃ，Ｐ． ＝０．８０， Ｐ＝１ ６００００Ｗ，一砖墙，Ｐ：１ ８００ｋｇ／ｍ ， ＝０．８ １ ５Ｗ／ｍ ．０ Ｃ，Ｃ＝０８ ７９ ＫＪ／ｋｇ．０ Ｃ， ．ｄ：５．１ ５×１ ０～ｍ ／ ，等分节点数Ｎ＝Ｉ１，Ｂｉ：０．２２，Ｆｏ＝０．４５，时间步 △ｆ：３０ｓ。 图２地面附近气温（摄氏度） ８０．ＯＯ 室外温度ｔ。＝３ ５。Ｃ 。＝２２．５Ｗ／ｍ ．０ Ｃ。 本文作者通过一个自编的程序，用上述算式连续计算了５０个小时 的舞台附近空气温度变化过程，图２为１８００Ｓ以内的计算结果。 ６Ｏ・ｏ０ 想４０．００ ２Ｏ．０ｏ Ｏ，ＯＯ ５ 结果分析与结论 从以上结果可以看出，在原来的热平衡基础上，当灯光打开，经 。磊器誉器 时间（Ｘ６秒） 过２０多分钟后，室外空气温度３５℃时，原有的空气平衡温度从２６℃ 很快上升到一个新的平衡温度６２℃。也就是，如果空调不考虑灯光的影响，舞台温度将很快达到一个很高的温 度。严格上讲，这是不允许的。从结果可以看出，室温变化曲线是一条指数曲线。 为了消除这一不利影响，增加空调供冷量是必然的。从本文的分析来看，如果要将空气温度控制在２６￣Ｃ， 意味着要将更多的冷量投入到其中。 （１）从分析结果可以看出，新平衡空气温度比室外空气温度高３６￣Ｃ，如果适宜的温度为２６￣Ｃ，仅为了消除 灯光的影响，考虑最大灯光开始时间及房间热容，多加入的冷量的单位平方米的指标高达３００Ｗ以上。为了节 能，舞台甚至可以采用室外空气经过处理后直接送入，而不必再考虑其温度应在２６￣Ｃ的范围内。 （２）式（８）表明，可以通过减少内墙表面吸热率来减少室内温升。在实际工程中可以通过选择合适的内表 面建筑材料及其颜色来做到这一点。 （３）建议灯光选用上选择光源效率高的冷光源，可以大幅度减少空气温升以节能。 本文在分析过程中，略去室内空气自由流动对温度分布的影响，也没有考虑到内表面的吸放热过程蓄热系 数对空气温度变化的影响，不足之处还请专家指正。 参考文献： 【ｌ】李惠风，王鸿章．影剧院空调设计［Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，１９９１． 【２】朱斌，钱文斌，张延武．人工气候室热负荷的数学分析［Ｊ］．煤气与热力，２０００，（３） 【３】卢玫．移动物体导热和表面辐射耦合问题的数值计算［Ｊ１．工程热物理学报，２００３（４）
