剧院暖通设计方案样本.docx

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剧院暖通设计方案样本

XX剧院暖通设计方案

XX剧院工程位于长安街附近，采用是法国知名建筑师设计方案，由法国两个知名公司分别完毕建筑和构造、机电初步设计，某建筑设计研究院完毕施工图设计。

　　剧院某些建筑面积约为15万平方米，地下车库面积约4.5万平方米。

　　中区涉及三大建筑实体：

歌剧院（O区）、戏剧场（T区）、音乐厅（C区），均处在钛合金和玻璃圆形壳体之下，剧场之间为共用公共大厅，地下设有设备机房及各剧院技术用房等。

中区圆形建筑周边环绕着人工湖，观众通过人工湖下通道进入公共大厅。

圆形建筑和人工湖之间－12.00m标高处设立了室外消防通道（F区），通道上设有标高为－3.08m和－7.00m两层人员疏散天桥。

　　北区（N区）人工湖下为重要水下入口通廊、商店及汽车库。

　　南区人工湖下S1-S3区为南入口水下通廊、多功能厅、职工餐厅等。

热力和制冷机房设在地下S4区，地下S5区设有总排风排烟机房和废气烟气总出口。

1冷热源及空调水系统

1.1概况

　　空调水系统如图2和图3。

　　XX剧院冷热源用量和设备选取如下：

夏季总冷负荷

15000kW

离心式冷水机组

1100RT　　4台

螺杆式冷水机组

300RT　　1台

小负荷时使用

逆流式冷却塔

820m3/h　　4组

逆流式冷却塔

230m3/h　　1组

小负荷时使用

冬季总热负荷

10000kw

热源

市政130/70℃高温热水

即热式热互换器

4台

　　由于内区办公等风机盘管系统需全年供冷，冷却塔冬季使用，因此在制冷机房内设立冷却水集水箱，集中补水，以防止冬季市政水及塔底集水盘内存水冻结，室外管道采用电伴热办法。

　　冬季使用冷却塔制冷，采用与冷水机组并联板式换热器及2台冷却水循环泵（1备1用）供应冷源水，可节约制冷电能。

　　空调采暖冷热水为四管制系统，变流量运营；冷热水各设3个二级泵系统，分别为风机盘管系统、空气解决机组系统、辐射地板系统。

其中风机盘管空调冷水系统全年使用，风机盘管（涉及少量散热器）热水系统和热辐射地板系统冬季全天运营，以保证冬季夜间值班采暖需要。

冷热辐射地板系统分别需要大概18/21℃冷水和45/35℃热水，设立三通水温调节阀，使7℃冷水和60℃热水分别与各系统回水混合调节到需要冷水和热水水温。

　　空调冷热水系统分别采用闭式气压罐定压，各设立补水调节水箱和2台补水泵（其中各有一台备用），补水泵受系统压力控制启停，当水系统受热膨胀后，压力高于停泵压力时，膨胀管道上电磁阀打开，使膨胀水量回收到补水箱。

1.2冬季冷却塔制冷分析

1.2.1冷却水和室外空气热量互换

　　水在冷却塔内冷却重要是蒸发散热和传导散热，冷却水温降如下式：

　　Δt=（QZ+QX）/G

　　　=（W.γ+QX）/G

　　式中：

QZ—水蒸发带走热量

　　　　　QX—空气与水通过传导方式显热互换热量

　　　　　W—水蒸发量

　　　　　γ—水蒸发时吸取汽化潜热

　　　　　G—冷却水流量

　　当冷却塔出水温度与空气湿球温度接近，即冷幅很小时，水在冷却塔内冷却降温重要靠水蒸发时吸取汽化潜热QZ，水和空气显热互换量QX可忽视不计。

　　按照夏季水温和气温条件设计制造冷却塔温降Δt＝5℃，如流量不变，冬季随着气温减少，水分子运动动能减小，分子扩散能力减少，即水蒸发量W减少，带走热量QZ将有所减少，如想获得与夏季相似冷却量和水温降，就必要加大空气和出水温差，靠显热互换获得冷却量QX。

　　图4为美国某冷却塔在流量不变状况下随室外湿球温度变化冷却特性。

从图中可看出，当室外湿球温度为24℃时，冷却塔出水温度如要达到27.5℃（冷幅3.5℃），可达到原则5℃温降，进水温度为32.5℃。

　　冬季当室外湿球温度达到1℃（干球约5℃）时，蒸发传热QZ减少；如流量不变且仍规定水5℃温降，则冷却塔出水温度达12.5℃（冷幅为11.5℃），进水温度为17.5℃，15℃平均水温与5℃室外干球温度有约10℃温差传热QX，总冷却热量不变，但12.5/17.5℃水温作为冷源水，温度显然偏高。

　　冬季当室外湿球温度达到1℃时，如想获得低温冷源水，水温降只能是2℃左右，出水温度约为7.2℃，可作为冷源水使用；这时温差传热很小，蒸发传热和总传热量都减小。

但大剧院工程内区风机盘管所需冷量正好与冷却水流量不变时一种冷却塔2℃温降时冷却量基本吻合，因此仍采用夏季使用冷却水循环泵作为冷源水循环泵，2台泵和2台塔各一备一用。

　　当冬季气温更低而规定冷源水温度不变时，就重要靠温差传热了。

为防冻采用管道电伴热办法使水温不低于5℃。

1.2.2冬季内区供冷和空调冷水温度

　　虽然采用7.2/9.2℃冷却水作为冷源，通过板式换热器，也只能互换出约9/14℃空调冷水，与夏季规定7/12℃冷水有差距；与否在室外干湿球温度更低时才干使用冷却水作为冷源水，或内区风机盘管要按照9/14℃水温加大选型呢？

这就需要分析全年供冷内区夏季和冬季状况。

　　图5右边为夏季风机盘管送风状态点SX与解决后新风FX点（假设新风解决到房间等焓状态）混合至OX点送入室内。

由于室内NX点温湿度设定值较冬季高（例如25℃、60％），风机盘管出风状态点SX温度也较冬季高（约为15℃），与7℃冷水进水（tw1）温度差达到8℃。

　　冬季状况见图5左。

人员灯光等全热负荷冬季与夏季相等，由于内区需在冬季送冷，温湿度设定值定得偏低反而费能，这和外区供热状况正好相反；但冬季由于人员衣着热阻较高，室温设定值又必要比夏季低（例如将冬季室内状态定为21℃、55％）。

如果新风可以直接解决到室内状态点Nd，风机盘管出风状态即为Sd，其温度约为11℃，与7℃冷水进水（tw1）温差为4℃；如按夏季工况选用风机盘管，由于风、水温度差减小，传热量减小，被解决空气湿球温度也比夏季低，去湿和冷却能力都减少，在风量一定期理论上冬季是满足不了冷量需要。

如果冷水温度提高到9/14℃（tw1’/tw2’），风机盘管出风状态Sd与冷水进水温差只有2℃，超过暖通规范规定数值，更是难以达到。

　　此时咱们想到与否能运用新风承担一某些热湿负荷。

如果内外区没有分别设立新风解决机组，新风送风状态普通按外区规定解决到Fd点（例如20℃，30％），风机盘管可干工况运营将室内空气解决到Sd’点，与新风混合至Od点送入室内。

风机盘管承担冷量可减少，出风状态Sd’点温度和与冷水进水温差

也可相应加大。

设计中咱们尽量为内区单独设立新风解决机组，运营中可运用新风做冷源，恰当减少送风温湿度，达到节约风机盘管冷量目。

　　此外，如风机盘管选取过大，虽然在低档风量运营时依然过冷，水路控制阀频繁开闭，房间温度时高时低很不舒服。

因而，本工程内区按照对冷却去湿不利冬季室内（风机盘管进风）状态、7/12℃原则冷水温度、高档风量选用风机盘管，选用时假设风机盘管承担所有室内冷负荷；但是，实际运用新风消除了一某些室内热湿负荷，因此虽然在冷水温度略有提高时，所选用风机盘管仍能消除余下室内显热余热。

夏季室内温度提高，风水换热增强；且人员散湿量增长，热湿比有所减小，在全热负荷不变状况下，所需风量减小；因此风机盘管中档风量基本能满足夏季设计负荷。

　　值得提出是，国产风机盘管样本在不同进风和进水参数下散热量数值不全。

室温最低限高达24或25℃，高限28℃在设计中也很少采用，这与当前原则越来越高建筑室内环境规定是不相适应，且不能满足冬季室温选用规定。

进水温度高限也只有7℃，设计中也不够用，只能由设计人员进行估算。

　　至于冷水温度可提高到什么限度，即室外什么干湿球温度下可以使用冷却塔制冷，要看新风承担热湿负荷限度，以及使用时冷负荷实际状况，要在运营中摸索拟定停开冷水机组、使用冷却塔制冷室外气温转换点。

2空调采暖通风方案

2.1普通空调区域

　　除机房等附属房间外，考虑到建筑原则和北京室外空气质量，空气解决机组均设立了初效和中效2级过滤。

　　为充分运用室外空气作为冷源，全空气系统均采用了设回风机双风机空气解决机组，过渡季可使用全新风，冬季可调节新风量，对于存在大量内区国家大剧院工程，其节能效果较为明显。

　　剧院观众厅、乐池、排练厅、录音室、演播室等空调区域，由于较高原则舒服度规定，以及乐器对温湿度，特别是湿度严格规定，设立了全空气空调系统。

夏季均采用了控制露点温度再依照室内负荷变化进行二次加热方案，冬季采用可以较精准控制加湿量电蒸汽加湿器。

　　公共休息厅廊等人员不经常停留大空间为全空气空调系统。

因夏季无湿度规定，不设立再热盘管。

考虑到冬季如湿度过高，壳体和水下通廊玻璃易结露，因此不设立加湿器。

　　办公管理、会客接待、化妆等小空间空调区域，其温湿度规定不严格，为控制灵活，采用风机盘管加新风系统。

因考虑到人员长期停留，新风空调机组设立了价格较便宜、使用寿命较长且节电高压喷雾加湿器。

当用于内区时，解决后新风温度较低，加湿率也许很低，但如前所述，为消除一某些室内余湿，新风湿度规定也较低。

高压喷雾加湿器用水量和排污量都较大（用水量和加湿量之比约为3∶1），但可以作为中水回收运用。

三个剧场观众厅采用了椅下送风上部回风气流组织方式，以置换通风理论作为设计理论指引，已在另文简介。

2.2复杂高大空间

　　XX剧院建筑总高46.3米，总体外观为一半椭球形壳体，壳体下部及三个剧场各层外围公共区域构成一种高大空间（中庭），见图6。

在三个剧场各层外部均有某些敞开式公共活动平台，需要空调保证温度，这些公共区域（涉及地下一层）与中庭上方非空调区域直接相连，冷热空气在接触面上会发生搀混，影响壳体中温度分布、气流组织和负荷大小。

为保证空调负荷计算和气流组织合理，咱们采用了两种计算办法。

图6XX剧院正面剖视图

2.2.1采用冷负荷系数法

　　一方面依照建筑功能以及空调系统布置需要，把壳体下部高大空间划分为若干区域，并将围护构造外形简化为东、东南、南、西南、西、西北、北、东北、水平屋面等九面外墙（含钛合金和玻璃体）规则多面体。

并依照椭球形状把外壳总面积大体按一定比例分派给各面外墙。

然后依照冷负荷系数法编制EXCEL电算表格计算。

2.2.2采用某大学建筑热环境设计模仿软件包DeSTII

　　一方面建立建筑模型，在DeST界面内按照建筑尺寸和形状输入外墙、内墙、门窗，描述建筑拓扑构造。

图7为DeST建立建筑模型过程中一种图片。

图7DeST描述建筑界面

　　然后设定计算参数，对作息模式、热扰分派模式、各区域之间通风换气量进行设定；并对不同各区域之间通风换气量假设值进行试算分析，力求输入符合实际设定值；运用DeSTII得出全年逐时负荷计算成果。

　　为进一步分析室内温度场和风速场，采用DeST计算成果中全楼冷负荷最大值浮现时刻参数和送风量，运用计算流体力学（CFD）软件Phoenix进行模仿计算，图8为歌剧院北侧公共区温度场分布图。

2.2.3计算办法比较和结论

　　两种办法计算出总空调负荷值相差大概10%，较为接近。

但个别区域负荷却相差较大，有甚至相差一倍多。

其因素也许是冷负荷系数法没有考虑相邻房间之间影响和人员、灯光作息模式及其对周边环境热扰分派模式对负荷影响，考虑这些因素所输入设定值是计算成果与否精确核心。

　　通过计算分析可以得出如下结论：

　　冷负荷系数法等常规计算手段，也可以用于复杂空间负荷计算，并作为选取空调设备根据。

DeSTII等模仿计算工具，在进一步完善之前，可作为建筑全年节能运营调节分析根据。

　　DeSTII计算成果表白，全年最大负荷段浮现时间很短，约15小时。

从节约投资和运营费用角度，可不按照最大负荷选取空调设备，但空调设备不保证小时数尚有待拟定。

　　普通空调设备大某些时间是运营在低负荷工况下，因此在进行空调和自控系统设计时，要充分考虑系统可调节性。

2.2.4克服热压影响办法

　　壳体下公共空间受热压影响浮现上下温度不均匀现象。

在设计负荷和室

温，以及设计送风状态下，最高处休息厅温度为27℃左右时，底层温度只有21℃左右（见图8）。

因而在6.00m标高及其以上层设冷辐射地板，夏季弥补上部冷量局限性。

－7.00m和0.00m标高地面设制了热辐射地板，冬季弥补下部热量局限性，并兼做夜间值班采暖。

辐射地板各分集水器总回水管设立了室内温度控制二通阀，以避免室内温度过高或过低。

2.3演奏区和舞台空调

2.3.1音乐厅演奏区

　　音乐厅演奏区不同于剧场舞台，位置在观众厅下部，与观众厅席为一种区域。

演奏区表演时处在灯光辐射之下，乐队（≤120人）和合唱队（≤180人）人员众多，热负荷计算数值很大。

由于整个音乐厅采用空调送风方式为椅下设立送风口，上部回风，而每个椅子送风量是按照一种观众散热量计算，理论上演奏区应单独设立空调系统消除余热余湿，这也与国内现行剧场设计规范相符。

　　但在演奏区下部设立送风口规定风速较小，面积较大，建筑专业设计有困难，声学设计人员也以为地面和墙面如开口则影响声音反射。

与咱们合伙国外暖通专业设计人员也简介说法国类似工程演奏区都不设空调，咱们理解了日本某些工程演奏区也多数不设空调。

　　除设立风口困难外，归纳起来国外音乐厅演奏区不设空调理由有如下几点：

　　1）演员不但愿低温空气和虽然是很低速吹风感，法方设计人员简介说：

“演员宁肯在汗水里熬着，也不乐意接受冷空气”。

　　2）虽然表演时灯光辐射热较大，但不能及时被送风消除，对地面等辐射热转化成对流形式冷负荷后峰值有所衰减、时间有所延迟，对短时间表演影响不大。

　　3）椅下送风基本符合置换通风原理，理论上前几排低温送风一某些可以靠重力作用在地面犹如湖水同样向演奏区流淌，使演奏区温度有所减少。

　　但与上述理由矛盾是，演奏区负荷是客观存在，如将这些负荷分摊到椅下，势必增长椅下送风口送风量，在送风口面积有一定限制状况下，出风速度加大，使人腿部有吹冷风感；并且大风量带来冷量较大，座椅附近温度有也许低于设计温度，使观众感到寒冷。

并且置换通风形成空气湖流淌距离不也许太大，遇到高于最前排地面40cm舞台台面遮挡后会折返，因而，过于加大椅下送风量办法不可行。

至于整个空间受热压影响，对演奏区降温效果更是难以计算。

　　为验证理论分析，咱们采用CFD技术对音乐厅气流组织进行了模仿计算。

依照计算成果，选用演员背后墙面即表演区后墙温度场视图作出如下分析。

　　演奏区不设空调计算成果如图9。

可以看出，演奏区后部（合唱队员所在处）温度高达约34℃，该温度区域宽度范畴约7－8m。

　　如在演奏区后部上方观众席两侧墙面下部增长送风口，最高温度下降不明显，但宽度减少到5m左右（见图10）。

　　考虑到乐队和合唱队人员总数在300人机会不是诸多，按照最大交响乐团120人发热量状况又进行了计算，演奏区后排温度降至32℃，该温度宽度也减少到2m（见图11）。

　　以上是没有考虑辐射热量延迟和衰减因素计算成果，再综合考虑前述演奏区不设空调送风理由，且最大计算负荷浮现状况较少，因此不设空调方案可以接受。

实际运营效果则有待检查。

2.3.2歌剧院和戏剧场舞台

　　剧场舞台普通没有乐队表演，温湿度精度规定不高，夏季没有采用定露点再热空调方案，仅控制舞台温度。

　　此地区冬季气温干燥，据反映空气过于干燥对表演服装有影响，且常发生领导上台与演员握手时产生静电尴尬局面。

因而冬季有必要对空气进行加湿，为保证加湿效率，空气解决机组中设立了电蒸汽加湿器。

　　舞台空调最难以解决问题是送风时幕布晃动。

咱们也曾试图采用低速下送风气流组织方式，但由于舞台自身构造和工艺规定复杂没有成功。

通过调研，国内外某些剧场舞台空调在表演时普通停止运营，只在预冷和幕间休息时使用。

其因素除送风吹幕外，也有歌唱、舞蹈等演员喜热不喜冷、不肯吹风因素。

因而，咱们采用了舞台设变速风机，并与侧台分设空气解决机组方案，侧台可在整个表演和休息期间保持舒服室温，舞台因使用时间相对较短，有些仅是瞬间负荷，有延迟和衰减，靠预冷和间断供冷，或在表演时减少送风量，减少风速，应基本可以满足规定。

2.4机房通风

　　机房普通不需空调，只需通风换气降温即可。

但某些有水管机房冬天为防冻需对室外空气进行加热，某些发热量较大机房夏季靠未通过解决新风消除余热需要风量较大，至使风机和风道过大，因而有必要为某些机房设立热盘管或冷盘管进行空气解决。

　　变配电、热力、制冷机房发热量较大，为减少通风量和风道尺寸，夏季设立了冷却盘管降温，房间温度设立在35～37℃左右，虽然在夏季采用直流式全新风系统也不存在冷量损失。

由于本工程采用是完全四管制空调水系统，如冬季不将冷盘管内水放空，室外新风直接通过盘管送入室内，冷盘管有冻结危险，寒冷送风对人员和设备也都不利；热力机房若冬季小负荷或停止运营时仍通风，机房内水系统也有冻结危险；因而空气解决机组设立了回风机，冬季运用温暖回风与寒冷新风混合至5℃以上送入室内，夏季和过渡季采用全新风，比冬季设立加热盘管方案节约了能量。

制冷机房因防止工质泄漏所需最小新风量较大，冬季仍设立了加热盘管。

　　给排水机房采用直流式通风系统，为防止冬季水系统冻结，设立了加热盘管。

　　空调通风机房内电机基本上是内置式，散热量不大，因此仅在机房内设立了排风机。

由于设备均采用集中式监控，除检修外人员普通不在机房内停留，因此排风机仅在设备检修时使用，从走廊进风，节约了平时大量排风时需要补新风设备和管道。

2.5总通风系统

2.5.1通风系统方案

　　由于建筑外观规定，钛合金和玻璃圆形壳体上是不容许设立机械通风口，因而整个建筑物新风、排风，火灾时补风、排烟，都必要从下部引入或排出。

　　为缩短新鲜空气通过潮湿地下通道路程，由较近圆形壳体周边和人工湖之间室外消防通道（见图1F区）侧墙上部引入新风和火灾时补风，为避免汽车尾气被吸入室内，消防通道侧墙下某些散设立了各种排风口。

　　中区和南区由各系统排风机将排风或排烟分别送入构造基本层中总排风通路汇合，为避免肮脏排风和高温烟气对建筑物影响，再由较远建筑物东南侧（S5区）地下总排风口排出。

排风口设立了总排风机维持排风系统负压，并可减小室内各排风或排烟风机风压。

　　北区排风排向建筑物北侧绿地处。

2.5.2排风系统调节与控制

　　由于室内各排风、排烟系统风机之间，以及总排风机之间均为并联，为防止风流短路，风机出口设立了与风机联锁通断电动调节阀。

　　排风系统和压力变化示意如图12。

各分支路排风或排烟风机均按照房间排风口至排风机处阻力拟定其压力，其后阻力由总排风机克服，各排风分支路阻力不平衡，由各风机出口调节阀调节。

考虑到所有排风系统不也许所有同步使用，总排风机风量按照排风总量80％左右计算，共设立了94000m3/h风机16台。

　　排风是一种由若干特性曲线不同或相似风机，并联和串联组合而成复杂系统。

当分支路排风或排烟风机运营台数或风量有变化时，总排风机运营台数、风量应相应变化。

由于大量空气解决机组是靠风阀调节新、回、排风比例，回风机风量基本恒定，因而不能采用计算机记录正在运营排风或排烟风机数量，以得出确切排风总量。

但如果能将总排风通路静压维持在一种稳定水平，正在运营分支路排风机就可以稳定地工作。

　　当某些分支路排风机停止工作或风量减小时，风机出口阀门联锁关闭或关小，风道特性和风机并串联综合特性曲线都将发生变化，流量稍有减小、总排风通路内静压（负压）绝对值增长，此时压力传感器控制总排风机减少运营台数，直至静压值恢复到设定状态。

　　如风道特性变化不大而并联总排风机运营台数减少过多，会使单台风机风量增长过大而发生超负荷事故。

但此系统因设立了与总排风机联锁风阀，阀门关闭使风道局部阻力系数增长，单台风机工作点会向减少风量、提高风压方向移动，超负荷运营危险不大。

　　考虑到风量持续调节需要，以及每台风机只能调节到40％左右风量，有必要为少数总排风机（例如3－4台）配备变频调速装置，依照总排风通路内静压变化，调节风机运营台数和转速。