济南某剧场通风空调系统设计

魏曙光

山东同圆设计集团有限公司

济南某剧场通风空调系统设计

魏曙光

山东同圆设计集团有限公司

本文从空调负荷分析计算、空调机组选型计算、气流组织设计等几个方面详细介绍了山东省会文化中心三馆项目群艺馆剧场空调系统设计，然后利用CFD数值模拟方法，对剧场气流组织进行数值模拟。最后介绍了剧场排烟系统、通风系统、消声隔振系统设计。

剧场空调负荷气流组织数值模拟噪声控制

山东省会文化中心三馆项目由美术馆、图书馆、群众艺术馆及配套用房组成，是第十届中国艺术节的主会场。三馆的建设将成为济南市最大的文化设施集群，与山东大剧院一起组成省会文化艺术中心。其中群众艺术馆中设有多功能剧场一个，剧场观众厅分两层，共设有750个座位，其中池座618个，楼座132个，按照乙等剧场的标准设计[1]。剧场属高大空间建筑物，人员密集，负荷强度大。空调负荷有效区所占剧场整体空间比值低，采用合理的气流组织方式以达到高效节能的目的显得尤为重要。本文通过空调负荷计算分析、空调系统选择计算、气流组织设计及模拟等几个方面详细介绍了此剧场通风空调系统的设计。

1 空调设计

1.1 室外气象参数

夏季空调室外计算干球温度34.7℃，夏季空调室外计算湿球温度26.8℃；冬季空调室外计算干球温度-7.7℃，冬季空调室外计算相对湿度53%，夏季室外风速2.8m/s，冬季室外风速2.9m/s。

1.2 室内设计参数

表1为室内设计参数。

1.3 空调负荷分析及计算

1）剧场观众区域空调负荷分析计算。剧场观众区域空调负荷具有以下几个特点：①剧场外围护结构很少，墙壁大量采用吸声材料使得围护结构隔热性更高，因此通过建筑围护结构传热所形成的冷热负荷非常小。②通过与剧场灯光设计公司交流和研究其提供的资料，查阅文献[2]得出：演出时灯光全部射向舞台，向观众区的灯光辐射近似为零，即观众厅上部、后部、两侧的面光、追光、耳光等辐射热均为舞台负荷。③剧场观众区域人员密度大、新风需求量大，人员负荷和新风负荷在整个空调负荷占有绝对比重。剧场观众区空调总冷负荷为213kW，其中人员和新风负荷为195kW，占总冷负荷的91%；空调总热负荷为165kW。

2）舞台区域负荷分析计算。对于舞台区域，需要按照分层空调系统进行设计。分层空调系统负荷计算冬夏季差别较大：夏季空调冷负荷由于冷空气具有下沉特点，计算值要比普通空调系统小；冬季空调热负荷，则仍需要按照全室采暖方式，与普通空调系统负荷计算方法相同。根据文献[3]夏季分层空调冷负荷计算可采用经验系数法，即对分层空调建筑物按全室空调进行冷负荷计算，然后乘以经验系数a。a=空调区分层空调冷负荷/全室空调冷负荷，常由特定性质的高大建筑物经实测与计算得出，通常a=0.5～0.85。当缺乏数据时，可取a=0.7。经计算舞台区空调总冷负荷为190kW；空调总热负荷为98kW。

1.4 空调系统设计

置换通风一般应用于高大空间，且要求室内冷负荷以人员、设备和灯具为主，人员多为坐姿，活动量较小[4]。剧场观众厅正符合此特点，因此观众厅采用置换通风的一种形式多孔柱脚座椅送风系统。座椅下送风为了送风气流分布均匀，观众无吹风感，满足人体舒适性要求，送风温度通常比室内设计温度低2～5℃[5]，如果采用一次回风和再热来实现会产生冷热抵消现象，浪费能源，因此本工程采用二次回风系统。二次回风夏季处理过程如图1。

依据座椅下送风特点，本工程送风温差取5℃，由焓湿图计算可得：观众厅二次回风系统总送风量46750m3/h，一次回风量为11540m3/h，二次回风量为20210m3/h，新风量为15000m3/h。空调机组制冷量为245kW。设计一套空气处理机组设于地下空调机房内。一次回风夏季处理过程如图2。

由焓湿计算可得：观众厅一次回风系统总送风量为31750m3/h，组合式空调机组制冷量为343kW，空调再热量为98kW。根据以上分析，采用二次回风系统比一次回风系统节能98kW。

舞台区域采用独立空调系统，设计两套空调机组设于二层，总送风量为48000m3/h，采用分层空调、球形喷口和百叶送风口侧送，低处同侧集中回风系统形式。

1.5 气流组织设计

1）剧场观众区域气流组织设计。剧场观众区域采用置换通风的气流组织形式。本工程所选为多孔柱脚座椅送风口，送风口为一段直径为190mm的多孔钢管，下部连着具有调节和消声功能的入口装置，型号为TCD-B/190×200，单个送风口送风量为50m3/h。经处理后的空气以恒定温度徐徐送出，出小孔后风速很快衰减，至脚踝处风速极小，观众无吹风感，吸收人体散热散湿后进入观众厅上部。空气在上升过程中，部分风量通过设于剧场中部围护结构装饰格栅的回风口回风至空调机组，另一部分向上进入顶棚面广桥，在起到降温作用之后被屋顶排风机排出室外。整个观众区域为下送中回上排的气流组织形式，仅在人员区维护一个较为舒适的温湿度环境。此种气流组织形式可以有效减小系统负荷，达到良好的通风效果和节能效益。气流组织设计详见图3剧场空调系统流程图、图4剧场观众厅座椅送风剖面图。

2）舞台区域气流组织设计。舞台区域为通高建筑结构，舞台净高26.5m，采用分层空调设计，在舞台的南北两侧7.8m标高处设双层百叶送风口、9.2m标高处设温控可调式球型喷口进行空调送风，低处同侧设置集中回风，舞台顶部设排风机机械排风。百叶送风和球形喷口送风干管处设电动阀，与演出区幕布联动，落幕布时喷口送风关闭，百叶送风开启，幕布打开时喷口送风开启，百叶送风关闭，保证幕布在空调送风情况下不会摆动，不影响演出效果。

2 气流组织模拟

为验证设计效果，对座椅送风系统气流组织形式进行了CFD模拟，其中舞台针对两种送风方式进行了模拟：百叶侧送，喷口侧送，模拟结果如图5～8。

根据模拟结果分析，剧场内气流设计较为合理，观众区达到了置换通风效果；舞台区达到分层空调效果，节约空调运行能耗。

3 排烟系统设计

根据文献[1]规定，剧场观众厅排烟量按两种方法计算：①按照13次/h换气次数计算排烟量；②按照90m3/(m2h)计算排烟量，两者计算结果取大值。舞台区域、台仓区域排烟量按6次/h换气次数计算。对于本工程观众厅区域体积为11800m3、面积为700m2，按照13次/h换气次数计算所得排烟量为153400m3/h，按照90m3/(m2h)计算排烟量为63000m3/h，取两者大，选取4台风量为40000m3/h排烟风机。舞台区域体积为15500m3，按照6次/h换气次数计算排烟量为93000m3/h，选取4台风量为24000m3/h排烟风机。

4 消声降噪设计

剧场对噪声控制的要求较高，为达到规范所规定的噪声要求，在设计中采取了如下几个措施：①空调机房设于地下一层，不与剧场紧邻，机房内墙贴吸音材料，设多孔吸音板；空调机组设橡胶减震垫，消音隔振。②严格控制风管的风速，主风管风速控制在4～6m/s左右，支风管的风速控制在2～3.5m/s；回风利用围护结构风井作为回风静压箱进行回风，有效地降低回风风速。③在系统消声器的设计中采用二级消声，空调机组的送风管出口处设置一级消声，用以降低风机的空气动力噪声，消声器的形式为消声静压箱，静压箱内采用吸声性能良好的玻璃棉作为吸声材料，采用有一定穿孔率的穿孔板作为吸声层；在空调机房分隔墙外的送回风管上设置二级消声器，用以控制固体噪声以及风阀的再生噪声。

5 结论

1）根据设计的基本参数对观众厅的中轴剖面进行二维模拟，通过温度场和速度场的分析，验证了设计的合理性。人员所在区域温度均在25℃左右，且脚踝处速度均低于0.2m/s，符合规范要求。

2）观众厅采用二次回风系统与一次回风系统+再热相比，其节能效果更加明显。

3）剧场对噪声控制的要求较高，需要进行合理的噪声设计。

[1]中华人民共和国建设部.剧场建筑设计规范(JGJ57-2000)[S].北京:中国建筑工业出版社,2001

[2]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,2007

[3]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[4]孙敏生,王威,万水娥.国家大剧院观众厅空调系统和气流组织方式的设计和分析[J].暖通空调,2003,33(3):128-132

[5]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,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～），硕士，工程师；济南市高新区舜华路2000号舜泰广场11号楼四楼（250101）；E-mail:weisg1982@163.com