濟(jì)南某劇場(chǎng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏曙光

山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

濟(jì)南某劇場(chǎng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏曙光

山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

本文從空調(diào)負(fù)荷分析計(jì)算、空調(diào)機(jī)組選型計(jì)算、氣流組織設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了山東省會(huì)文化中心三館項(xiàng)目群藝館劇場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后利用CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)劇場(chǎng)氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬。最后介紹了劇場(chǎng)排煙系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、消聲隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

劇場(chǎng)空調(diào)負(fù)荷氣流組織數(shù)值模擬噪聲控制

山東省會(huì)文化中心三館項(xiàng)目由美術(shù)館、圖書館、群眾藝術(shù)館及配套用房組成，是第十屆中國(guó)藝術(shù)節(jié)的主會(huì)場(chǎng)。三館的建設(shè)將成為濟(jì)南市最大的文化設(shè)施集群，與山東大劇院一起組成省會(huì)文化藝術(shù)中心。其中群眾藝術(shù)館中設(shè)有多功能劇場(chǎng)一個(gè)，劇場(chǎng)觀眾廳分兩層，共設(shè)有750個(gè)座位，其中池座618個(gè)，樓座132個(gè)，按照乙等劇場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]。劇場(chǎng)屬高大空間建筑物，人員密集，負(fù)荷強(qiáng)度大?？照{(diào)負(fù)荷有效區(qū)所占劇場(chǎng)整體空間比值低，采用合理的氣流組織方式以達(dá)到高效節(jié)能的目的顯得尤為重要。本文通過(guò)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算分析、空調(diào)系統(tǒng)選擇計(jì)算、氣流組織設(shè)計(jì)及模擬等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了此劇場(chǎng)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 空調(diào)設(shè)計(jì)

1.1 室外氣象參數(shù)

夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度34.7℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度26.8℃；冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度-7.7℃，冬季空調(diào)室外計(jì)算相對(duì)濕度53%，夏季室外風(fēng)速2.8m/s，冬季室外風(fēng)速2.9m/s。

1.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表1為室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1.3 空調(diào)負(fù)荷分析及計(jì)算

1）劇場(chǎng)觀眾區(qū)域空調(diào)負(fù)荷分析計(jì)算。劇場(chǎng)觀眾區(qū)域空調(diào)負(fù)荷具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①劇場(chǎng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)很少，墻壁大量采用吸聲材料使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性更高，因此通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱所形成的冷熱負(fù)荷非常小。②通過(guò)與劇場(chǎng)燈光設(shè)計(jì)公司交流和研究其提供的資料，查閱文獻(xiàn)[2]得出：演出時(shí)燈光全部射向舞臺(tái)，向觀眾區(qū)的燈光輻射近似為零，即觀眾廳上部、后部、兩側(cè)的面光、追光、耳光等輻射熱均為舞臺(tái)負(fù)荷。③劇場(chǎng)觀眾區(qū)域人員密度大、新風(fēng)需求量大，人員負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷在整個(gè)空調(diào)負(fù)荷占有絕對(duì)比重。劇場(chǎng)觀眾區(qū)空調(diào)總冷負(fù)荷為213kW，其中人員和新風(fēng)負(fù)荷為195kW，占總冷負(fù)荷的91%；空調(diào)總熱負(fù)荷為165kW。

2）舞臺(tái)區(qū)域負(fù)荷分析計(jì)算。對(duì)于舞臺(tái)區(qū)域，需要按照分層空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。分層空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算冬夏季差別較大：夏季空調(diào)冷負(fù)荷由于冷空氣具有下沉特點(diǎn)，計(jì)算值要比普通空調(diào)系統(tǒng)??；冬季空調(diào)熱負(fù)荷，則仍需要按照全室采暖方式，與普通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算方法相同。根據(jù)文獻(xiàn)[3]夏季分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算可采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，即對(duì)分層空調(diào)建筑物按全室空調(diào)進(jìn)行冷負(fù)荷計(jì)算，然后乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a。a=空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷/全室空調(diào)冷負(fù)荷，常由特定性質(zhì)的高大建筑物經(jīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算得出，通常a=0.5～0.85。當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)，可取a=0.7。經(jīng)計(jì)算舞臺(tái)區(qū)空調(diào)總冷負(fù)荷為190kW；空調(diào)總熱負(fù)荷為98kW。

1.4 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

置換通風(fēng)一般應(yīng)用于高大空間，且要求室內(nèi)冷負(fù)荷以人員、設(shè)備和燈具為主，人員多為坐姿，活動(dòng)量較小[4]。劇場(chǎng)觀眾廳正符合此特點(diǎn)，因此觀眾廳采用置換通風(fēng)的一種形式多孔柱腳座椅送風(fēng)系統(tǒng)。座椅下送風(fēng)為了送風(fēng)氣流分布均勻，觀眾無(wú)吹風(fēng)感，滿足人體舒適性要求，送風(fēng)溫度通常比室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度低2～5℃[5]，如果采用一次回風(fēng)和再熱來(lái)實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生冷熱抵消現(xiàn)象，浪費(fèi)能源，因此本工程采用二次回風(fēng)系統(tǒng)。二次回風(fēng)夏季處理過(guò)程如圖1。

依據(jù)座椅下送風(fēng)特點(diǎn)，本工程送風(fēng)溫差取5℃，由焓濕圖計(jì)算可得：觀眾廳二次回風(fēng)系統(tǒng)總送風(fēng)量46750m3/h，一次回風(fēng)量為11540m3/h，二次回風(fēng)量為20210m3/h，新風(fēng)量為15000m3/h?？照{(diào)機(jī)組制冷量為245kW。設(shè)計(jì)一套空氣處理機(jī)組設(shè)于地下空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。一次回風(fēng)夏季處理過(guò)程如圖2。

由焓濕計(jì)算可得：觀眾廳一次回風(fēng)系統(tǒng)總送風(fēng)量為31750m3/h，組合式空調(diào)機(jī)組制冷量為343kW，空調(diào)再熱量為98kW。根據(jù)以上分析，采用二次回風(fēng)系統(tǒng)比一次回風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能98kW。

舞臺(tái)區(qū)域采用獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)兩套空調(diào)機(jī)組設(shè)于二層，總送風(fēng)量為48000m3/h，采用分層空調(diào)、球形噴口和百葉送風(fēng)口側(cè)送，低處同側(cè)集中回風(fēng)系統(tǒng)形式。

1.5 氣流組織設(shè)計(jì)

1）劇場(chǎng)觀眾區(qū)域氣流組織設(shè)計(jì)。劇場(chǎng)觀眾區(qū)域采用置換通風(fēng)的氣流組織形式。本工程所選為多孔柱腳座椅送風(fēng)口，送風(fēng)口為一段直徑為190mm的多孔鋼管，下部連著具有調(diào)節(jié)和消聲功能的入口裝置，型號(hào)為TCD-B/190×200，單個(gè)送風(fēng)口送風(fēng)量為50m3/h。經(jīng)處理后的空氣以恒定溫度徐徐送出，出小孔后風(fēng)速很快衰減，至腳踝處風(fēng)速極小，觀眾無(wú)吹風(fēng)感，吸收人體散熱散濕后進(jìn)入觀眾廳上部。空氣在上升過(guò)程中，部分風(fēng)量通過(guò)設(shè)于劇場(chǎng)中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)裝飾格柵的回風(fēng)口回風(fēng)至空調(diào)機(jī)組，另一部分向上進(jìn)入頂棚面廣橋，在起到降溫作用之后被屋頂排風(fēng)機(jī)排出室外。整個(gè)觀眾區(qū)域?yàn)橄滤椭谢厣吓诺臍饬鹘M織形式，僅在人員區(qū)維護(hù)一個(gè)較為舒適的溫濕度環(huán)境。此種氣流組織形式可以有效減小系統(tǒng)負(fù)荷，達(dá)到良好的通風(fēng)效果和節(jié)能效益。氣流組織設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖3劇場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)流程圖、圖4劇場(chǎng)觀眾廳座椅送風(fēng)剖面圖。

2）舞臺(tái)區(qū)域氣流組織設(shè)計(jì)。舞臺(tái)區(qū)域?yàn)橥ǜ呓ㄖY(jié)構(gòu)，舞臺(tái)凈高26.5m，采用分層空調(diào)設(shè)計(jì)，在舞臺(tái)的南北兩側(cè)7.8m標(biāo)高處設(shè)雙層百葉送風(fēng)口、9.2m標(biāo)高處設(shè)溫控可調(diào)式球型噴口進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)，低處同側(cè)設(shè)置集中回風(fēng)，舞臺(tái)頂部設(shè)排風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)。百葉送風(fēng)和球形噴口送風(fēng)干管處設(shè)電動(dòng)閥，與演出區(qū)幕布聯(lián)動(dòng)，落幕布時(shí)噴口送風(fēng)關(guān)閉，百葉送風(fēng)開(kāi)啟，幕布打開(kāi)時(shí)噴口送風(fēng)開(kāi)啟，百葉送風(fēng)關(guān)閉，保證幕布在空調(diào)送風(fēng)情況下不會(huì)擺動(dòng)，不影響演出效果。

2 氣流組織模擬

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，對(duì)座椅送風(fēng)系統(tǒng)氣流組織形式進(jìn)行了CFD模擬，其中舞臺(tái)針對(duì)兩種送風(fēng)方式進(jìn)行了模擬：百葉側(cè)送，噴口側(cè)送，模擬結(jié)果如圖5～8。

根據(jù)模擬結(jié)果分析，劇場(chǎng)內(nèi)氣流設(shè)計(jì)較為合理，觀眾區(qū)達(dá)到了置換通風(fēng)效果；舞臺(tái)區(qū)達(dá)到分層空調(diào)效果，節(jié)約空調(diào)運(yùn)行能耗。

3 排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[1]規(guī)定，劇場(chǎng)觀眾廳排煙量按兩種方法計(jì)算：①按照13次/h換氣次數(shù)計(jì)算排煙量；②按照90m3/(m2h)計(jì)算排煙量，兩者計(jì)算結(jié)果取大值。舞臺(tái)區(qū)域、臺(tái)倉(cāng)區(qū)域排煙量按6次/h換氣次數(shù)計(jì)算。對(duì)于本工程觀眾廳區(qū)域體積為11800m3、面積為700m2，按照13次/h換氣次數(shù)計(jì)算所得排煙量為153400m3/h，按照90m3/(m2h)計(jì)算排煙量為63000m3/h，取兩者大，選取4臺(tái)風(fēng)量為40000m3/h排煙風(fēng)機(jī)。舞臺(tái)區(qū)域體積為15500m3，按照6次/h換氣次數(shù)計(jì)算排煙量為93000m3/h，選取4臺(tái)風(fēng)量為24000m3/h排煙風(fēng)機(jī)。

4 消聲降噪設(shè)計(jì)

劇場(chǎng)對(duì)噪聲控制的要求較高，為達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的噪聲要求，在設(shè)計(jì)中采取了如下幾個(gè)措施：①空調(diào)機(jī)房設(shè)于地下一層，不與劇場(chǎng)緊鄰，機(jī)房?jī)?nèi)墻貼吸音材料，設(shè)多孔吸音板；空調(diào)機(jī)組設(shè)橡膠減震墊，消音隔振。②嚴(yán)格控制風(fēng)管的風(fēng)速，主風(fēng)管風(fēng)速控制在4～6m/s左右，支風(fēng)管的風(fēng)速控制在2～3.5m/s；回風(fēng)利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)井作為回風(fēng)靜壓箱進(jìn)行回風(fēng)，有效地降低回風(fēng)風(fēng)速。③在系統(tǒng)消聲器的設(shè)計(jì)中采用二級(jí)消聲，空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)管出口處設(shè)置一級(jí)消聲，用以降低風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲，消聲器的形式為消聲靜壓箱，靜壓箱內(nèi)采用吸聲性能良好的玻璃棉作為吸聲材料，采用有一定穿孔率的穿孔板作為吸聲層；在空調(diào)機(jī)房分隔墻外的送回風(fēng)管上設(shè)置二級(jí)消聲器，用以控制固體噪聲以及風(fēng)閥的再生噪聲。

5 結(jié)論

1）根據(jù)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)對(duì)觀眾廳的中軸剖面進(jìn)行二維模擬，通過(guò)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。人員所在區(qū)域溫度均在25℃左右，且腳踝處速度均低于0.2m/s，符合規(guī)范要求。

2）觀眾廳采用二次回風(fēng)系統(tǒng)與一次回風(fēng)系統(tǒng)+再熱相比，其節(jié)能效果更加明顯。

3）劇場(chǎng)對(duì)噪聲控制的要求較高，需要進(jìn)行合理的噪聲設(shè)計(jì)。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(JGJ57-2000)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001

[2]李惠風(fēng),王鴻章.影劇院空調(diào)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

[3]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[4]孫敏生,王威,萬(wàn)水娥.國(guó)家大劇院觀眾廳空調(diào)系統(tǒng)和氣流組織方式的設(shè)計(jì)和分析[J].暖通空調(diào),2003,33(3):128-132

[5]范存養(yǎng).大空間建筑空調(diào)設(shè)計(jì)及工程實(shí)錄[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004

The Des ign o f the Ven tila tion and A ir Cond ition ing Sys tem o f a Thea te r in Jinan

WEIShu-guang
Shandong Tongyuan Design Group Co.,Ltd.

In this paper,the design detailsofMuseum Cultural Center of Shandong Provincialwere introduced,and the air distribution of theaterwas simulated by CFD.Finally,the design of smoking evacuation system,ventilation system, noisevibration isolation system were introduced.

theater,air conditioning load,airdistribution,numericalsimulation,noise control

1003-0344（2014）03-082-3

2013-5-18

魏曙光（1982～），碩士，工程師；濟(jì)南市高新區(qū)舜華路2000號(hào)舜泰廣場(chǎng)11號(hào)樓四樓（250101）；E-mail:weisg1982@163.com