國家大劇院暖通空調(diào)的方案對策

1、-. z.國家大劇院暖通空調(diào)的設計方案時間：2008-5-5 0:00來源：互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布評論國家大劇院工程位于長安街人民大會堂西側（見圖1），采用的是法國著名建筑師安德魯?shù)脑O計方案，由法國ADP公司和SETIC公司分別完成建筑和結構、機電初步設計，市建筑設計研究院完成施工圖設計。劇院部分建筑面積約為15萬平方米，地下車庫面積約4.5萬平方米。中區(qū)包括三大建筑實體：歌劇院（O區(qū)）、戲劇場（T區(qū)）、音樂廳(C區(qū))，均處于鈦合金和玻璃的圓形殼體之下, 劇場之間為共用的公共大廳，地下設有設備機房及各劇院的技術用房等。中區(qū)圓形建筑周圍環(huán)繞著人工湖，觀眾通過人工湖下的通道進入公共大廳。圓形建筑和人工湖之間1

2、2.00m標高處設置了室外消防通道（F區(qū)），通道上設有標高為3.08 m和7.00 m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、商店及汽車庫。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。熱力和制冷機房設在地下S4區(qū)，地下S5區(qū)設有總排風排煙機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。國家大劇院冷熱源用量和設備選擇如下：由于區(qū)辦公等風機盤管系統(tǒng)需全年供冷，冷卻塔冬季使用，所以在制冷機房設置冷卻水集水箱，集中補水，以防止冬季市政水及塔底集水盤存水凍結，室外管道采取電伴熱措施。冬季使用冷卻塔制冷, 采用與冷水機組并聯(lián)的板式換熱器

3、及2臺冷卻水循環(huán)泵（1備1用）供應冷源水，可節(jié)省制冷電能?？照{(diào)采暖冷熱水為四管制系統(tǒng), 變流量運行；冷熱水各設3個二級泵系統(tǒng)，分別為風機盤管系統(tǒng)、空氣處理機組系統(tǒng)、輻射地板系統(tǒng)。其中風機盤管空調(diào)冷水系統(tǒng)全年使用，風機盤管（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，各設置補水調(diào)節(jié)水箱和2臺補水泵（其中各有一臺備用），補水泵受系統(tǒng)壓力控制啟停，當水系統(tǒng)受熱膨脹后，壓力高于停

4、泵壓力時，膨脹管道上的電磁閥打開，使膨脹水量回收到補水箱。1.2 冬季冷卻塔制冷分析冷卻水和室外空氣的熱量交換水在冷卻塔的冷卻主要是蒸發(fā)散熱和傳導散熱，冷卻水的溫降如下式：t=(QZ+Q*)/G =(W.+ Q* )/G式中：QZ 水蒸發(fā)帶走的熱量Q*空氣與水通過傳導方式的顯熱交換熱量W 水的蒸發(fā)量水蒸發(fā)時吸收的汽化潛熱G 冷卻水流量當冷卻塔出水溫度與空氣濕球溫度接近，即冷幅很小時，水在冷卻塔的冷卻降溫主要靠水蒸發(fā)時吸收汽化潛熱QZ，水和空氣的顯熱交換量Q*可忽略不計。按照夏季水溫和氣溫條件設計制造的冷卻塔溫降t5，如流量不變，冬季隨著氣溫的降低，水分子的運動動能減小，分子擴散能力降低，即水蒸

5、發(fā)量W減少，帶走的熱量QZ將有所減少，如想獲得與夏季相同的冷卻量和水溫降，就必須加大空氣和出水的溫差，靠顯熱交換獲得冷卻量Q*。圖4為美國*冷卻塔在流量不變的情況下隨室外濕球溫度變化的冷卻特性。從圖中可看出，當室外濕球溫度為24時，冷卻塔出水溫度如要達到27.5（冷幅3.5），可達到標準的5溫降，進水溫度為32.5。冬季當室外濕球溫度達到1（干球約5）時，蒸發(fā)傳熱QZ減少；如流量不變且仍要求水5溫降，則冷卻塔出水溫度達12.5（冷幅為11.5），進水溫度為17.5，15的平均水溫與5的室外干球溫度有約10的溫差傳熱Q*，總冷卻熱量不變，但12.5/17.5的水溫作為冷源水，溫度顯然偏高。冬季當

6、室外濕球溫度達到1時，如想獲得低溫的冷源水，水溫降只能是2左右，出水溫度約為7.2，可作為冷源水使用；這時溫差傳熱很小，蒸發(fā)傳熱和總傳熱量都減小。但大劇院工程區(qū)風機盤管所需冷量恰好與冷卻水流量不變時一個冷卻塔2溫降時的冷卻量基本吻合，所以仍采用夏季使用的冷卻水循環(huán)泵作為冷源水循環(huán)泵，2臺泵和2臺塔各一備一用。當冬季氣溫更低而要求的冷源水溫度不變時，就主要靠溫差傳熱了。為防凍采用管道電伴熱措施使水溫不低于5。冬季區(qū)供冷和空調(diào)冷水溫度即使采用7.2/9.2的冷卻水作為冷源，通過板式換熱器，也只能交換出約9/14的空調(diào)冷水，與夏季要求的7/12冷水有差距；是否在室外干濕球溫度更低時才能使用冷卻水作為

7、冷源水，或區(qū)風機盤管要按照9/14水溫加大選型呢？這就需要分析全年供冷的區(qū)夏季和冬季的狀況。圖5右邊為夏季風機盤管送風狀態(tài)點S*與處理后的新風F*點（假設新風處理到房間的等焓狀態(tài)）混合至O*點送入室。由于室N*點溫濕度設定值較冬季高（例如25、60），風機盤管出風狀態(tài)點S*溫度也較冬季高（約為15），與7的冷水進水（tw1）的溫度差達到8。冬季狀況見圖5左。人員燈光等全熱負荷冬季與夏季相等，由于區(qū)需在冬季送冷，溫濕度設定值定得偏低反而費能，這和外區(qū)供熱的情況正好相反；但冬季由于人員衣著熱阻較高，室溫設定值又必須比夏季低（比如將冬季室狀態(tài)定為21、55）。如果新風能夠直接處理到室狀態(tài)點Nd，風機

8、盤管出風狀態(tài)即為Sd，其溫度約為11，與7的冷水進水（tw1）溫差為4；如按夏季工況選用風機盤管，由于風、水溫度差減小，傳熱量減小，被處理的空氣濕球溫度也比夏季低，去濕和冷卻能力都降低，在風量一定時理論上冬季是滿足不了冷量需要的。如果冷水溫度提高到9/14（tw1/ tw2），風機盤管出風狀態(tài)Sd與冷水進水溫差只有2，超過暖通規(guī)規(guī)定的數(shù)值，更是難以達到的。此時我們想到是否能利用新風負擔一部分熱濕負荷。如果外區(qū)沒有分別設置新風處理機組，新風送風狀態(tài)一般按外區(qū)的要求處理到Fd點（例如20，30%），風機盤管可干工況運行將室空氣處理到Sd點，與新風混合至Od點送入室。風機盤管負擔冷量可減少，出風狀態(tài)

9、Sd點的溫度和與冷水的進水溫差也可相應加大。設計中我們盡量為區(qū)單獨設置新風處理機組，運行中可利用新風做冷源，適當降低送風溫濕度，達到節(jié)省風機盤管冷量的目的。另外，如風機盤管選擇過大，即使在低檔風量運行時仍然過冷，水路控制閥頻繁開閉，房間溫度時高時低很不舒適。因此，本工程區(qū)按照對冷卻去濕不利的冬季室（風機盤管進風）狀態(tài)、7/12的標準冷水溫度、高檔風量選用風機盤管，選用時假設風機盤管負擔所有室冷負荷；但是，實際利用新風消除了一部分室熱濕負荷，所以即使在冷水溫度略有提高時，所選用的風機盤管仍能消除余下的室顯熱余熱。夏季室溫度提高，風水換熱增強；且人員散濕量增加，熱濕比有所減小，在全熱負荷不變的情況

10、下，所需風量減小；所以風機盤管中檔風量基本能滿足夏季設計負荷。值得提出的是，國產(chǎn)風機盤管樣本在不同進風和進水參數(shù)下的散熱量數(shù)值不全。室溫最低限高達24或25，高限28在設計中也很少采用，這與目前標準越來越高的建筑室環(huán)境要不相適應的，且不能滿足冬季的室溫選用要求。進水溫度高限也只有7，設計中也不夠用，只能由設計人員進行估算。至于冷水溫度可提高到什么程度，即室外什么干濕球溫度下可以使用冷卻塔制冷，要看新風負擔熱濕負荷的程度，以及使用時冷負荷的實際情況，要在運行中摸索確定停開冷水機組、使用冷卻塔制冷的室外氣溫轉換點。二空調(diào)采暖通風方案 2.1 一般空調(diào)區(qū)域除機房等附屬房間外，考慮到建筑標準和室外空氣

11、質(zhì)量，空氣處理機組均設置了初效和中效2級過濾。為充分利用室外空氣作為冷源，全空氣系統(tǒng)均采用了設回風機的雙風機空氣處理機組，過渡季可使用全新風，冬季可調(diào)節(jié)新風量，對于存在大量區(qū)的國家大劇院工程，其節(jié)能效果較為明顯。劇院觀眾廳、樂池、排練廳、錄音室、演播室等空調(diào)區(qū)域，由于較高標準的舒適度要求，以及樂器對溫濕度，尤其是濕度的嚴格要求，設置了全空氣空調(diào)系統(tǒng)。夏季均采用了控制露點溫度再根據(jù)室負荷變化進行二次加熱的方案，冬季采用能夠較精確控制加濕量的電蒸汽加濕器。公共休息廳廊等人員不經(jīng)常停留的大空間為全空氣空調(diào)系統(tǒng)。因夏季無濕度要求，不設置再熱盤管?？紤]到冬季如濕度過高，殼體和水下通廊的玻璃易結露，所以不

12、設置加濕器。辦公管理、會客接待、化妝等小空間空調(diào)區(qū)域，其溫濕度要求不嚴格，為控制靈活，采用風機盤管加新風系統(tǒng)。因考慮到人員長期停留，新風空調(diào)機組設置了價格較便宜、使用壽命較長且節(jié)電的高壓噴霧加濕器。當用于區(qū)時，處理后的新風溫度較低，加濕率可能很低，但如前所述，為消除一部分室余濕，新風濕度要求也較低。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31），但可以作為中水回收利用。三個劇場觀眾廳采用了椅下送風上部回風的氣流組織方式，以置換通風理論作為設計理論指導，已在另文介紹。 2.2 復雜高大空間國家大劇院建筑總高46.3米，總體外觀為一半橢球形殼體，殼體下部及三個劇場各層的外圍公共區(qū)

13、域組成一個高大空間(中庭)，見圖6。在三個劇場各層外部均有一些敞開式公共活動平臺，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發(fā)生攙混，影響殼體中的溫度分布、氣流組織和負荷大小。為確?？照{(diào)負荷計算和氣流組織的合理，我們采用了兩種計算方法。采用冷負荷系數(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，并將圍護結構外形簡化為東、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)冷負荷系數(shù)法編制E*CEL電算表格計算。

14、采用清華大學的建筑熱環(huán)境設計模擬軟件包DeST II首先建立建筑模型，在DeST界面按照建筑的尺寸和形狀輸入外墻、墻、門窗，描述建筑的拓撲結構。圖7為DeST建立建筑模型過程中的一個圖片。然后設定計算參數(shù)，對作息模式、熱擾分配模式、各區(qū)域之間通風換氣量進行設定；并對不同的各區(qū)域之間通風換氣量的假設值進行試算分析，力求輸入符合實際的設定值；利用DeST II得出全年逐時負荷計算結果。為進一步分析室溫度場和風速場，采用DeST計算結果中全樓冷負荷最大值出現(xiàn)時刻的參數(shù)和送風量，利用計算流體力學（CFD）軟件Phoeni*進行模擬計算，圖8為歌劇院北側公共區(qū)溫度場分布圖。計算方法的比較和結論兩種方法計

15、算出的總空調(diào)負荷值相差大約10%，較為接近。但個別區(qū)域的負荷卻相差較大，有的甚至相差一倍多。其原因可能是冷負荷系數(shù)法沒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周圍環(huán)境的熱擾分配模式對負荷的影響，考慮這些因素所輸入的設定值是計算結果是否準確的關鍵。通過計算分析可以得出以下結論：冷負荷系數(shù)法等常規(guī)計算手段，也可以用于復雜空間的負荷計算，并作為選擇空調(diào)設備的依據(jù)。DeSTII等模擬計算工具，在進一步完善之前，可作為建筑全年節(jié)能運行調(diào)節(jié)的分析依據(jù)。DeSTII計算結果表明，全年最大負荷段出現(xiàn)的時間很短，約15小時。從節(jié)省投資和運行費用的角度，可不按照最大負荷選擇空調(diào)設備，但空調(diào)設備的不保證

16、小時數(shù)還有待確定。通?？照{(diào)設備大部分時間是運行在低負荷工況下，所以在進行空調(diào)和自控系統(tǒng)設計時，要充分考慮系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性?？朔釅河绊懙拇胧んw下公共空間受熱壓影響出現(xiàn)上下溫度不均勻的現(xiàn)象。在設計負荷和室溫，以及設計送風狀態(tài)下，最高處的休息廳溫度為27左右時，底層溫度只有21左右（見圖8）。因此在6.00m標高及其以上層設冷輻射地板，夏季彌補上部冷量的不足。7.00m和0.00m標高的地面設制了熱輻射地板，冬季彌補下部熱量不足，并兼做夜間值班采暖。輻射地板各分集水器總回水管設置了室溫度控制的二通閥，以避免室溫度過高或過低。 2.3 演奏區(qū)和舞臺空調(diào)音樂廳演奏區(qū)音樂廳演奏區(qū)不同于劇場舞臺，位置在觀

17、眾廳下部，與觀眾廳席為一個區(qū)域。演奏區(qū)演出時處于燈光輻射之下，樂隊（120人）和合唱隊（180人）人員眾多，熱負荷計算數(shù)值很大。由于整個音樂廳采用的空調(diào)送風方式為椅下設置送風口，上部回風，而每個椅子的送風量是按照一個觀眾的散熱量計算的，理論上演奏區(qū)應單獨設置空調(diào)系統(tǒng)消除余熱余濕，這也與我國現(xiàn)行劇場設計規(guī)相符。但在演奏區(qū)下部設置送風口要求風速較小，面積較大，建筑專業(yè)設計有困難，聲學設計人員也認為地面和墻面如開口則影響聲音的反射。與我們合作的國外暖通專業(yè)設計人員也介紹說法國的類似工程演奏區(qū)都不設空調(diào)，我們了解了日本的一些工程演奏區(qū)也多數(shù)不設空調(diào)。除設置風口困難外，歸納起來國外音樂廳演奏區(qū)不設空調(diào)的

18、理由有以下幾點：1）演員不希望低溫空氣和即使是很低速的吹風感，法方設計人員介紹說：演員寧肯在汗水里熬著，也不愿意接受冷空氣”。2）雖然演出時燈光輻射熱較大，但不能立即被送風消除，對地面等的輻射熱轉化成對流形式的冷負荷后峰值有所衰減、時間有所延遲，對短時間的演出影響不大。3）椅下送風基本符合置換通風原理，理論上前幾排的低溫送風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)的負荷是客觀存在的，如將這些負荷分攤到椅下，勢必增加椅下送風口的送風量，在送風口面積有一定限制的情況下，出風速度加大，使人腿部有吹冷風感；而且大風量帶來冷量較大，座椅附近

19、溫度有可能低于設計溫度，使觀眾感到寒冷。而且置換通風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的舞臺臺面的遮擋后會折返，因此，過于加大椅下送風量的方法不可行。至于整個空間受熱壓的影響，對演奏區(qū)的降溫效果更是難以計算。為驗證理論分析，我們采用CFD技術對音樂廳的氣流組織進行了模擬計算。根據(jù)計算結果，選用演員背后墻面即演出區(qū)后墻的溫度場視圖作出如下分析。演奏區(qū)不設空調(diào)的計算結果如圖9?？梢钥闯?，演奏區(qū)后部（合唱隊員所在處）溫度高達約34，該溫度區(qū)域?qū)挾葒s78m。如在演奏區(qū)后部上方的觀眾席兩側墻面的下部增加送風口，最高溫度下降不明顯，但寬度減少到5m左右（見圖10）?？紤]到樂隊和

20、合唱隊人員總數(shù)在300人的機會不是很多，按照最大交響樂團120人的發(fā)熱量情況又進行了計算，演奏區(qū)后排溫度降至32，該溫度寬度也減少到2m（見圖11）。以上是沒有考慮輻射熱量的延遲和衰減因素的計算結果，再綜合考慮前述演奏區(qū)不設空調(diào)送風的理由，且最大計算負荷出現(xiàn)的情況較少，所以不設空調(diào)的方案可以接受。實際運行效果則有待檢驗。歌劇院和戲劇場舞臺劇場舞臺一般沒有樂隊演出，溫濕度精度要求不高，夏季沒有采用定露點再熱的空調(diào)方案，僅控制舞臺溫度。地區(qū)冬季氣溫干燥，據(jù)反映空氣過于干燥對演出服裝有影響，且常發(fā)生領導上臺與演員握手時產(chǎn)生靜電的尷尬局面。因此冬季有必要對空氣進行加濕，為保證加濕效率，空氣處理機組中設

21、置了電蒸汽加濕器。舞臺空調(diào)最難以解決的問題是送風時幕布晃動。我們也曾試圖采用低速下送風的氣流組織方式，但由于舞臺本身構造和工藝要求復雜沒有成功。經(jīng)過調(diào)研，國外的一些劇場舞臺空調(diào)在演出時一般停止運行，只在預冷和幕間休息時使用。其原因除送風吹幕外，也有歌唱、舞蹈等演員喜熱不喜冷、不愿吹風的因素。因此，我們采用了舞臺設變速風機，并與側臺分設空氣處理機組的方案，側臺可在整個演出和休息期間保持舒適的室溫，舞臺因使用時間相對較短，有些僅是瞬間負荷，有延遲和衰減，靠預冷和間斷供冷，或在演出時減少送風量，降低風速，應基本可以滿足要求。 2.4 機房通風機房一般不需空調(diào)，只需通風換氣降溫即可。但一些有水管的機房

22、冬天為防凍需對室外空氣進行加熱，一些發(fā)熱量較大的機房夏季靠未經(jīng)過處理的新風消除余熱需要的風量較大，至使風機和風道過大，因此有必要為一些機房設置熱盤管或冷盤管進行空氣處理。變配電、熱力、制冷機房發(fā)熱量較大，為減少通風量和風道尺寸，夏季設置了冷卻盤管降溫，房間溫度設置在3537左右，即使在夏季采用直流式全新風系統(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)，如冬季不將冷盤管的水放空，室外新風直接經(jīng)過盤管送入室，冷盤管有凍結危險，寒冷的送風對人員和設備也都不利；熱力機房若冬季小負荷或停止運行時仍通風，機房水系統(tǒng)也有凍結危險；因此空氣處理機組設置了回風機，冬季利用溫暖的回風與寒冷的新風混

23、合至5以上送入室，夏季和過渡季采用全新風，比冬季設置加熱盤管的方案節(jié)省了能量。制冷機房因防止工質(zhì)泄漏所需最小新風量較大，冬季仍設置了加熱盤管。給排水機房采用直流式通風系統(tǒng)，為防止冬季水系統(tǒng)凍結，設置了加熱盤管?？照{(diào)通風機房電機基本上是置式，散熱量不大，所以僅在機房設置了排風機。因為設備均采用集中式監(jiān)控，除檢修外人員一般不在機房停留，所以排風機僅在設備檢修時使用, 從走廊進風，節(jié)省了平時大量排風時需要補新風的設備和管道。 2.5 總通風系統(tǒng)通風系統(tǒng)方案由于建筑外觀的要求，鈦合金和玻璃的圓形殼體上是不允許設置機械通風口的，因此整個建筑物的新風、排風，火災時的補風、排煙，都必須從下部引入或排出。為縮短新鮮空氣經(jīng)過潮濕的地下通道的路程，由較近的圓形殼體周圍和人工湖之間的室外消防通道（見圖1的F區(qū)）側墻上部引入新風和火災時的補風，為避免汽車尾氣被吸入室，消防通道側墻下部分散設置了多個排風口。中區(qū)和南區(qū)由各系統(tǒng)的排風機將排風或排煙分別送入結構基礎層中的總排風通路匯合，為避免骯臟的排風和高溫煙氣對建筑物的影響，再由較遠的建筑物東南側（S5區(qū)）地