國(guó)家大劇院暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)方案

國(guó)家大劇院暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)方案時(shí)間：2008-5-50:00來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布評(píng)論國(guó)家大劇院工程位于長(zhǎng)安街人民大會(huì)堂西側(cè)（見(jiàn)圖1），采用的是法國(guó)著名建筑師安德魯?shù)脑O(shè)計(jì)方案，由法國(guó)ADP公司和SETIC公司分別完成建筑和結(jié)構(gòu)、機(jī)電初步設(shè)計(jì)，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院完成施工圖設(shè)計(jì)。

劇院部分建筑面積約為15萬(wàn)平方米，地下車(chē)庫(kù)面積約4.5萬(wàn)平方米。

中區(qū)包括三大建筑實(shí)體：歌劇院（O區(qū)）、戲劇場(chǎng)（T區(qū)）、音樂(lè)廳(C區(qū))，均處于鈦合金和玻璃的圓形殼體之下,劇場(chǎng)之間為共用的公共大廳，地下設(shè)有設(shè)備機(jī)房及各劇院的技術(shù)用房等。中區(qū)圓形建筑周?chē)h(huán)繞著人工湖，觀(guān)眾通過(guò)人工湖下的通道進(jìn)入公共大廳。圓形建筑和人工湖之間－12.00m標(biāo)高處設(shè)置了室外消防通道（F區(qū)），通道上設(shè)有標(biāo)高為－3.08m和－7.00m兩層的人員疏散天橋。

北區(qū)（N區(qū)）人工湖下為主要水下入口通廊、商店及汽車(chē)庫(kù)。

南區(qū)人工湖下S1-S3區(qū)為南入口水下通廊、多功能廳、職工餐廳等。熱力和制冷機(jī)房設(shè)在地下S4區(qū)，地下S5區(qū)設(shè)有總排風(fēng)排煙機(jī)房和廢氣煙氣總出口。一

冷熱源及空調(diào)水系統(tǒng)1.1概況空調(diào)水系統(tǒng)如圖2和圖3。國(guó)家大劇院冷熱源用量和設(shè)備選擇如下：

由于內(nèi)區(qū)辦公等風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)需全年供冷，冷卻塔冬季使用，所以在制冷機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置冷卻水集水箱，集中補(bǔ)水，以防止冬季市政水及塔底集水盤(pán)內(nèi)存水凍結(jié)，室外管道采取電伴熱措施。

冬季使用冷卻塔制冷,采用與冷水機(jī)組并聯(lián)的板式換熱器及2臺(tái)冷卻水循環(huán)泵（1備1用）供應(yīng)冷源水，可節(jié)省制冷電能?？照{(diào)采暖冷熱水為四管制系統(tǒng),變流量運(yùn)行；冷熱水各設(shè)3個(gè)二級(jí)泵系統(tǒng)，分別為風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)、空氣處理機(jī)組系統(tǒng)、輻射地板系統(tǒng)。其中風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)冷水系統(tǒng)全年使用，風(fēng)機(jī)盤(pán)管（包括少量散熱器）熱水系統(tǒng)和熱輻射地板系統(tǒng)冬季全天運(yùn)行，以保證冬季夜間值班采暖的需要。冷熱輻射地板系統(tǒng)分別需要大約18/21℃冷水和45/35℃的熱水，設(shè)置三通水溫調(diào)節(jié)閥，使7℃冷水和60℃熱水分別與各系統(tǒng)回水混合調(diào)節(jié)到需要的冷水和熱水水溫?？照{(diào)冷熱水系統(tǒng)分別采用閉式氣壓罐定壓，各設(shè)置補(bǔ)水調(diào)節(jié)水箱和2臺(tái)補(bǔ)水泵（其中各有一臺(tái)備用），補(bǔ)水泵受系統(tǒng)壓力控制啟停，當(dāng)水系統(tǒng)受熱膨脹后，壓力高于停泵壓力時(shí)，膨脹管道上的電磁閥打開(kāi)，使膨脹水量回收到補(bǔ)水箱。1.2冬季冷卻塔制冷分析1.2.1冷卻水和室外空氣的熱量交換命較長(zhǎng)且節(jié)電的高壓噴霧加濕器。當(dāng)用于內(nèi)區(qū)時(shí)，處理后的新風(fēng)溫度較低，加濕率可能很低，但如前所述，為消除一部分室內(nèi)余濕，新風(fēng)濕度要求也較低。高壓噴霧加濕器用水量和排污量都較大（用水量和加濕量之比約為3∶1），但可以作為中水回收利用。三個(gè)劇場(chǎng)觀(guān)眾廳采用了椅下送風(fēng)上部回風(fēng)的氣流組織方式，以置換通風(fēng)理論作為設(shè)計(jì)理論指導(dǎo)，已在另文介紹。

2.2復(fù)雜高大空間國(guó)家大劇院建筑總高46.3米，總體外觀(guān)為一半橢球形殼體，殼體下部及三個(gè)劇場(chǎng)各層的外圍公共區(qū)域組成一個(gè)高大空間(中庭)，見(jiàn)圖6。在三個(gè)劇場(chǎng)各層外部均有一些敞開(kāi)式公共活動(dòng)平臺(tái)，需要空調(diào)保證溫度，這些公共區(qū)域（包括地下一層）與中庭上方非空調(diào)區(qū)域直接相連，冷熱空氣在接觸面上會(huì)發(fā)生攙混，影響殼體中的溫度分布、氣流組織和負(fù)荷大小。為確?？照{(diào)負(fù)荷計(jì)算和氣流組織的合理，我們采用了兩種計(jì)算方法。

2.2.1采用冷負(fù)荷系數(shù)法首先根據(jù)建筑功能以及空調(diào)系統(tǒng)布置的需要，把殼體下部的高大空間劃分為若干區(qū)域，并將圍護(hù)結(jié)構(gòu)外形簡(jiǎn)化為東、東南、南、西南、西、西北、北、東北、水平屋面等九面外墻(含鈦合金和玻璃體)的規(guī)則多面體。并根據(jù)橢球形狀把外殼總面積大致按一定比例分配給各面外墻。然后根據(jù)冷負(fù)荷系數(shù)法編制EXCEL電算表格計(jì)算。

2.2.2采用清華大學(xué)的建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬軟件包DeSTII首先建立建筑模型，在DeST界面內(nèi)按照建筑的尺寸和形狀輸入外墻、內(nèi)墻、門(mén)窗，描述建筑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖7為DeST建立建筑模型過(guò)程中的一個(gè)圖片。

然后設(shè)定計(jì)算參數(shù)，對(duì)作息模式、熱擾分配模式、各區(qū)域之間通風(fēng)換氣量進(jìn)行設(shè)定；并對(duì)不同的各區(qū)域之間通風(fēng)換氣量的假設(shè)值進(jìn)行試算分析，力求輸入符合實(shí)際的設(shè)定值；利用DeSTII得出全年逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。為進(jìn)一步分析室內(nèi)溫度場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)，采用DeST計(jì)算結(jié)果中全樓冷負(fù)荷最大值出現(xiàn)時(shí)刻的參數(shù)和送風(fēng)量，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Phoenix進(jìn)行模擬計(jì)算，圖8為歌劇院北側(cè)公共區(qū)溫度場(chǎng)分布圖。

2.2.3計(jì)算方法的比較和結(jié)論兩種方法計(jì)算出的總空調(diào)負(fù)荷值相差大約10%，較為接近。但個(gè)別區(qū)域的負(fù)荷卻相差較大，有的甚至相差一倍多。其原因可能是冷負(fù)荷系數(shù)法沒(méi)有考慮相鄰房間之間的影響和人員、燈光的作息模式及其對(duì)周?chē)h(huán)境的熱擾分配模式對(duì)負(fù)荷的影響，考慮這些因素所輸入的設(shè)定值是計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。通過(guò)計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：冷負(fù)荷系數(shù)法等常規(guī)計(jì)算手段，也可以用于復(fù)雜空間的負(fù)荷計(jì)算，并作為選擇空調(diào)設(shè)備的依據(jù)。DeSTII等模擬計(jì)算工具，在進(jìn)一步完善之前，可作為建筑全年節(jié)能運(yùn)行調(diào)節(jié)的分析依據(jù)。DeSTII計(jì)算結(jié)果表明，全年最大負(fù)荷段出現(xiàn)的時(shí)間很短，約15小時(shí)。從節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用的角度，可不按照最大負(fù)荷選擇空調(diào)設(shè)備，但空調(diào)設(shè)備的不保證小時(shí)數(shù)還有待確定。通常空調(diào)設(shè)備大部分時(shí)間是運(yùn)行在低負(fù)荷工況下，所以在進(jìn)行空調(diào)和自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性。

2.2.4克服熱壓影響的措施殼體下公共空間受熱壓影響出現(xiàn)上下溫度不均勻的現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)負(fù)荷和室溫，以及設(shè)計(jì)送風(fēng)狀態(tài)下，最高處的休息廳溫度為27℃左右時(shí)，底層溫度只有21℃左右（見(jiàn)圖8）。因此在6.00m標(biāo)高及其以上層設(shè)冷輻射地板，夏季彌補(bǔ)上部冷量的不足。－7.00m和0.00m標(biāo)高的地面設(shè)制了熱輻射地板，冬季彌補(bǔ)下部熱量不足，并兼做夜間值班采暖。輻射地板各分集水器總回水管設(shè)置了室內(nèi)溫度控制的二通閥，以避免室內(nèi)溫度過(guò)高或過(guò)低。

2.3演奏區(qū)和舞臺(tái)空調(diào)

2.3.1音樂(lè)廳演奏區(qū)音樂(lè)廳演奏區(qū)不同于劇場(chǎng)舞臺(tái)，位置在觀(guān)眾廳下部，與觀(guān)眾廳席為一個(gè)區(qū)域。演奏區(qū)演出時(shí)處于燈光輻射之下，樂(lè)隊(duì)（≤120人）和合唱隊(duì)（≤180人）人員眾多，熱負(fù)荷計(jì)算數(shù)值很大。由于整個(gè)音樂(lè)廳采用的空調(diào)送風(fēng)方式為椅下設(shè)置送風(fēng)口，上部回風(fēng)，而每個(gè)椅子的送風(fēng)量是按照一個(gè)觀(guān)眾的散熱量計(jì)算的，理論上演奏區(qū)應(yīng)單獨(dú)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)消除余熱余濕，這也與我國(guó)現(xiàn)行劇場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范相符。但在演奏區(qū)下部設(shè)置送風(fēng)口要求風(fēng)速較小，面積較大，建筑專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)有困難，聲學(xué)設(shè)計(jì)人員也認(rèn)為地面和墻面如開(kāi)口則影響聲音的反射。與我們合作的國(guó)外暖通專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員也介紹說(shuō)法國(guó)的類(lèi)似工程演奏區(qū)都不設(shè)空調(diào)，我們了解了日本的一些工程演奏區(qū)也多數(shù)不設(shè)空調(diào)。除設(shè)置風(fēng)口困難外，歸納起來(lái)國(guó)外音樂(lè)廳演奏區(qū)不設(shè)空調(diào)的理由有以下幾點(diǎn)：1）演員不希望低溫空氣和即使是很低速的吹風(fēng)感，法方設(shè)計(jì)人員介紹說(shuō)：“演員寧肯在汗水里熬著，也不愿意接受冷空氣”。2）雖然演出時(shí)燈光輻射熱較大，但不能立即被送風(fēng)消除，對(duì)地面等的輻射熱轉(zhuǎn)化成對(duì)流形式的冷負(fù)荷后峰值有所衰減、時(shí)間有所延遲，對(duì)短時(shí)間的演出影響不大。3）椅下送風(fēng)基本符合置換通風(fēng)原理，理論上前幾排的低溫送風(fēng)的一部分可以靠重力作用在地面如同湖水一樣向演奏區(qū)流淌，使演奏區(qū)溫度有所降低。但與上述理由矛盾的是，演奏區(qū)的負(fù)荷是客觀(guān)存在的，如將這些負(fù)荷分?jǐn)偟揭蜗?，?shì)必增加椅下送風(fēng)口的送風(fēng)量，在送風(fēng)口面積有一定限制的情況下，出風(fēng)速度加大，使人腿部有吹冷風(fēng)感；而且大風(fēng)量帶來(lái)冷量較大，座椅附近溫度有可能低于設(shè)計(jì)溫度，使觀(guān)眾感到寒冷。而且置換通風(fēng)形成的空氣湖流淌的距離不可能太大，碰到高于最前排地面40cm的舞臺(tái)臺(tái)面的遮擋后會(huì)折返，因此，過(guò)于加大椅下送風(fēng)量的方法不可行。至于整個(gè)空間受熱壓的影響，對(duì)演奏區(qū)的降溫效果更是難以計(jì)算。為驗(yàn)證理論分析，我們采用CFD技術(shù)對(duì)音樂(lè)廳的氣流組織進(jìn)行了模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用演員背后墻面即演出區(qū)后墻的溫度場(chǎng)視圖作出如下分析。演奏區(qū)不設(shè)空調(diào)的計(jì)算結(jié)果如圖9?？梢钥闯?，演奏區(qū)后部（合唱隊(duì)員所在處）溫度高達(dá)約34℃，該溫度區(qū)域?qū)挾确秶s7－8m。

如在演奏區(qū)后部上方的觀(guān)眾席兩側(cè)墻面的下部增加送風(fēng)口，最高溫度下降不明顯，但寬度減少到5m左右（見(jiàn)圖10）。

考慮到樂(lè)隊(duì)和合唱隊(duì)人員總數(shù)在300人的機(jī)會(huì)不是很多，按照最大交響樂(lè)團(tuán)120人的發(fā)熱量情況又進(jìn)行了計(jì)算，演奏區(qū)后排溫度降至32℃，該溫度寬度也減少到2m（見(jiàn)圖11）。

以上是沒(méi)有考慮輻射熱量的延遲和衰減因素的計(jì)算結(jié)果，再綜合考慮前述演奏區(qū)不設(shè)空調(diào)送風(fēng)的理由，且最大計(jì)算負(fù)荷出現(xiàn)的情況較少，所以不設(shè)空調(diào)的方案可以接受。實(shí)際運(yùn)行效果則有待檢驗(yàn)。

2.3.2歌劇院和戲劇場(chǎng)舞臺(tái)劇場(chǎng)舞臺(tái)一般沒(méi)有樂(lè)隊(duì)演出，溫濕度精度要求不高，夏季沒(méi)有采用定露點(diǎn)再熱的空調(diào)方案，僅控制舞臺(tái)溫度。北京地區(qū)冬季氣溫干燥，據(jù)反映空氣過(guò)于干燥對(duì)演出服裝有影響，且常發(fā)生領(lǐng)導(dǎo)上臺(tái)與演員握手時(shí)產(chǎn)生靜電的尷尬局面。因此冬季有必要對(duì)空氣進(jìn)行加濕，為保證加濕效率，空氣處理機(jī)組中設(shè)置了電蒸汽加濕器。舞臺(tái)空調(diào)最難以解決的問(wèn)題是送風(fēng)時(shí)幕布晃動(dòng)。我們也曾試圖采用低速下送風(fēng)的氣流組織方式，但由于舞臺(tái)本身構(gòu)造和工藝要求復(fù)雜沒(méi)有成功。經(jīng)過(guò)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外的一些劇場(chǎng)舞臺(tái)空調(diào)在演出時(shí)一般停止運(yùn)行，只在預(yù)冷和幕間休息時(shí)使用。其原因除送風(fēng)吹幕外，也有歌唱、舞蹈等演員喜熱不喜冷、不愿吹風(fēng)的因素。因此，我們采用了舞臺(tái)設(shè)變速風(fēng)機(jī)，并與側(cè)臺(tái)分設(shè)空氣處理機(jī)組的方案，側(cè)臺(tái)可在整個(gè)演出和休息期間保持舒適的室溫，舞臺(tái)因使用時(shí)間相對(duì)較短，有些僅是瞬間負(fù)荷，有延遲和衰減，靠預(yù)冷和間斷供冷，或在演出時(shí)減少送風(fēng)量，降低風(fēng)速，應(yīng)基本可以滿(mǎn)足要求。

2.4機(jī)房通風(fēng)機(jī)房一般不需空調(diào)，只需通風(fēng)換氣降溫即可。但一些有水管的機(jī)房冬天為防凍需對(duì)室外空氣進(jìn)行加熱，一些發(fā)熱量較大的機(jī)房夏季靠未經(jīng)過(guò)處理的新風(fēng)消除余熱需要的風(fēng)量較大，至使風(fēng)機(jī)和風(fēng)道過(guò)大，因此有必要為一些機(jī)房設(shè)置熱盤(pán)管或冷盤(pán)管進(jìn)行空氣處理。變配電、熱力、制冷機(jī)房發(fā)熱量較大，為減少通風(fēng)量和風(fēng)道尺寸，夏季設(shè)置了冷卻盤(pán)管降溫，房間溫度設(shè)置在35～37℃左右，即使在夏季采用直流式全新風(fēng)系統(tǒng)也不存在冷量損失。由于本工程采用的是完全的四管制空調(diào)水系統(tǒng)，如冬季不將冷盤(pán)管內(nèi)的水放空，室外新風(fēng)直接經(jīng)過(guò)盤(pán)管送入室內(nèi)，冷盤(pán)管有凍結(jié)危險(xiǎn)，寒冷的送風(fēng)對(duì)人員和設(shè)備也都不利；熱力機(jī)房若冬季小負(fù)荷或停止運(yùn)行時(shí)仍通風(fēng)，機(jī)房?jī)?nèi)水系統(tǒng)也有凍結(jié)危險(xiǎn)；因此空氣處理機(jī)組設(shè)置了回風(fēng)機(jī)，冬季利用溫暖的回風(fēng)與寒冷的新風(fēng)混合至5℃以上送入室內(nèi)，夏季和過(guò)渡季采用全新風(fēng)，比冬季設(shè)置加熱盤(pán)管的方案節(jié)省了能量。制冷機(jī)房因防止工質(zhì)泄漏所需最小新風(fēng)量較大，冬季仍設(shè)置了加熱盤(pán)管。給排水機(jī)房采用直流式通風(fēng)系統(tǒng)，為防止冬季水系統(tǒng)凍結(jié)，設(shè)置了加熱盤(pán)管。空調(diào)通風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)電機(jī)基本上是內(nèi)置式，散熱量不大，所以?xún)H在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置了排風(fēng)機(jī)。因?yàn)樵O(shè)備均采用集中式監(jiān)控，除檢修外人員一般不在機(jī)房?jī)?nèi)停留，所以排風(fēng)機(jī)僅在設(shè)備檢修時(shí)使用,從走廊進(jìn)風(fēng)，節(jié)省了平時(shí)大量排風(fēng)時(shí)需要補(bǔ)新風(fēng)的設(shè)備和管道。

2.5總通風(fēng)系統(tǒng)

2.5.1通風(fēng)系統(tǒng)方案由于建筑外觀(guān)的要求，鈦合金和玻璃的圓形殼體上是不允許設(shè)置機(jī)械通風(fēng)口的，因此整個(gè)建筑物的新風(fēng)、排風(fēng)，火災(zāi)時(shí)的補(bǔ)風(fēng)、排煙，都必須從下部引入或排出。為縮短新鮮空氣經(jīng)過(guò)潮濕的地下通道的路程，由較近的圓形殼體周?chē)腿斯ずg的室外消防通道（見(jiàn)圖1的F區(qū)）側(cè)墻上部引入新風(fēng)和火災(zāi)時(shí)的補(bǔ)風(fēng)，為避免汽車(chē)尾氣被吸入室內(nèi)，消防通道側(cè)墻下部分散設(shè)置了多個(gè)排風(fēng)口。中區(qū)和南區(qū)由各系統(tǒng)的排風(fēng)機(jī)將排風(fēng)或排煙分別送入結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)層中的總排風(fēng)通路匯合，為避免骯臟的排風(fēng)和高溫?zé)煔鈱?duì)建筑物的影響，再由較遠(yuǎn)的建筑物東南側(cè)（S5區(qū)）地下總排風(fēng)口排出。排風(fēng)口設(shè)置了總排風(fēng)機(jī)維持排風(fēng)系統(tǒng)負(fù)壓，并可減小室內(nèi)各排風(fēng)或排煙風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓。北區(qū)排風(fēng)排向建筑物北側(cè)綠地處。

2.5.2排風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制由于室內(nèi)各排風(fēng)、排煙系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)之間，以及總排風(fēng)機(jī)之間均為并聯(lián)，為防止風(fēng)流短路，風(fēng)機(jī)出口設(shè)置了與風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖通斷的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。排風(fēng)系統(tǒng)和壓力變化示意如圖12。各分支路的排風(fēng)或排煙風(fēng)機(jī)均按照房間排風(fēng)口至排風(fēng)機(jī)處的阻力確定其壓力，其后的阻力由總排風(fēng)機(jī)克服，各排風(fēng)分支路阻力的不平衡，由各風(fēng)機(jī)出口的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)?？紤]到所有排風(fēng)系統(tǒng)不可能全部同時(shí)使用，總排風(fēng)機(jī)風(fēng)量按照排風(fēng)總量的80％左右計(jì)算，共設(shè)置了94000m3/h風(fēng)機(jī)16臺(tái)。

排風(fēng)是一個(gè)由若干特性曲線(xiàn)不同或相同的風(fēng)機(jī)，并聯(lián)和串聯(lián)組合而成的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)分支路排風(fēng)或排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)或風(fēng)量有變化時(shí)，總排風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)、風(fēng)量應(yīng)相應(yīng)變化。由于大量空氣處理機(jī)組是靠風(fēng)閥調(diào)節(jié)新、回、排風(fēng)比例，回風(fēng)機(jī)風(fēng)量基本恒定，因此不能采用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)正在運(yùn)行的排風(fēng)或排煙風(fēng)機(jī)的數(shù)量，以得出確切的排風(fēng)總量。但如果能將總排風(fēng)通路的靜壓維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，正在運(yùn)行的分支路排風(fēng)機(jī)就可以穩(wěn)定地工作。

當(dāng)一些分支路排風(fēng)機(jī)停止工作或風(fēng)量減小時(shí)，風(fēng)機(jī)出口閥門(mén)聯(lián)鎖關(guān)閉或關(guān)小，風(fēng)道特性和風(fēng)機(jī)的