国家大剧院暖通空调的设计方案

国家大剧院暖通空调的设计方案时间：2008-5-50:00来源：互联网发布评论国家大剧院工程位于长安街人民大会堂西侧（见图1），采用的是法国著名建筑师安德鲁的设计方案，由法国ADP公司和SETIC公司分别完成建筑和结构、机电初步设计，北京市建筑设计研究院完成施工图设计。

剧院部分建筑面积约为15万平方米，地下车库面积约4.5万平方米。

中区包括三大建筑实体：歌剧院（O区）、戏剧场（T区）、音乐厅(C区)，均处于钛合金和玻璃的圆形壳体之下,剧场之间为共用的公共大厅，地下设有设备机房及各剧院的技术用房等。中区圆形建筑周围环绕着人工湖，观众通过人工湖下的通道进入公共大厅。圆形建筑和人工湖之间－12.00m标高处设置了室外消防通道（F区），通道上设有标高为－3.08m和－7.00m两层的人员疏散天桥。

北区（N区）人工湖下为主要水下入口通廊、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。一

冷热源及空调水系统1.1概况空调水系统如图2和图3。国家大剧院冷热源用量和设备选择如下：

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，所以在制冷机房内设置冷却水集水箱，集中补水，以防止冬季市政水及塔底集水盘内存水冻结，室外管道采取电伴热措施。

冬季使用冷却塔制冷,采用与冷水机组并联的板式换热器及2台冷却水循环泵（1备1用）供应冷源水，可节省制冷电能。空调采暖冷热水为四管制系统,变流量运行；冷热水各设3个二级泵系统，分别为风机盘管系统、空气处理机组系统、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（包括少量散热器）热水系统和热辐射地板系统冬季全天运行，以保证冬季夜间值班采暖的需要。冷热辐射地板系统分别需要大约18/21℃冷水和45/35℃的热水，设置三通水温调节阀，使7℃冷水和60℃热水分别与各系统回水混合调节到需要的冷水和热水水温。空调冷热水系统分别采用闭式气压罐定压，各设置补水调节水箱和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，膨胀管道上的电磁阀打开，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冷却水和室外空气的热量交换命较长且节电的高压喷雾加湿器。当用于内区时，处理后的新风温度较低，加湿率可能很低，但如前所述，为消除一部分室内余湿，新风湿度要求也较低。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利用。三个剧场观众厅采用了椅下送风上部回风的气流组织方式，以置换通风理论作为设计理论指导，已在另文介绍。

2.2复杂高大空间国家大剧院建筑总高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的外围公共区域组成一个高大空间(中庭)，见图6。在三个剧场各层外部均有一些敞开式公共活动平台，需要空调保证温度，这些公共区域（包括地下一层）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，影响壳体中的温度分布、气流组织和负荷大小。为确保空调负荷计算和气流组织的合理，我们采用了两种计算方法。

2.2.1采用冷负荷系数法首先根据建筑功能以及空调系统布置的需要，把壳体下部的高大空间划分为若干区域，并将围护结构外形简化为东、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)的规则多面体。并根据椭球形状把外壳总面积大致按一定比例分配给各面外墙。然后根据冷负荷系数法编制EXCEL电算表格计算。

2.2.2采用清华大学的建筑热环境设计模拟软件包DeSTII首先建立建筑模型，在DeST界面内按照建筑的尺寸和形状输入外墙、内墙、门窗，描述建筑的拓扑结构。图7为DeST建立建筑模型过程中的一个图片。

然后设定计算参数，对作息模式、热扰分配模式、各区域之间通风换气量进行设定；并对不同的各区域之间通风换气量的假设值进行试算分析，力求输入符合实际的设定值；利用DeSTII得出全年逐时负荷计算结果。为进一步分析室内温度场和风速场，采用DeST计算结果中全楼冷负荷最大值出现时刻的参数和送风量，利用计算流体力学（CFD）软件Phoenix进行模拟计算，图8为歌剧院北侧公共区温度场分布图。

2.2.3计算方法的比较和结论两种方法计算出的总空调负荷值相差大约10%，较为接近。但个别区域的负荷却相差较大，有的甚至相差一倍多。其原因可能是冷负荷系数法没有考虑相邻房间之间的影响和人员、灯光的作息模式及其对周围环境的热扰分配模式对负荷的影响，考虑这些因素所输入的设定值是计算结果是否准确的关键。通过计算分析可以得出以下结论：冷负荷系数法等常规计算手段，也可以用于复杂空间的负荷计算，并作为选择空调设备的依据。DeSTII等模拟计算工具，在进一步完善之前，可作为建筑全年节能运行调节的分析依据。DeSTII计算结果表明，全年最大负荷段出现的时间很短，约15小时。从节省投资和运行费用的角度，可不按照最大负荷选择空调设备，但空调设备的不保证小时数还有待确定。通常空调设备大部分时间是运行在低负荷工况下，所以在进行空调和自控系统设计时，要充分考虑系统的可调节性。

2.2.4克服热压影响的措施壳体下公共空间受热压影响出现上下温度不均匀的现象。在设计负荷和室温，以及设计送风状态下，最高处的休息厅温度为27℃左右时，底层温度只有21℃左右（见图8）。因此在6.00m标高及其以上层设冷辐射地板，夏季弥补上部冷量的不足。－7.00m和0.00m标高的地面设制了热辐射地板，冬季弥补下部热量不足，并兼做夜间值班采暖。辐射地板各分集水器总回水管设置了室内温度控制的二通阀，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，与观众厅席为一个区域。演奏区演出时处于灯光辐射之下，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的空调送风方式为椅下设置送风口，上部回风，而每个椅子的送风量是按照一个观众的散热量计算的，理论上演奏区应单独设置空调系统消除余热余湿，这也与我国现行剧场设计规范相符。但在演奏区下部设置送风口要求风速较小，面积较大，建筑专业设计有困难，声学设计人员也认为地面和墙面如开口则影响声音的反射。与我们合作的国外暖通专业设计人员也介绍说法国的类似工程演奏区都不设空调，我们了解了日本的一些工程演奏区也多数不设空调。除设置风口困难外，归纳起来国外音乐厅演奏区不设空调的理由有以下几点：1）演员不希望低温空气和即使是很低速的吹风感，法方设计人员介绍说：“演员宁肯在汗水里熬着，也不愿意接受冷空气”。2）虽然演出时灯光辐射热较大，但不能立即被送风消除，对地面等的辐射热转化成对流形式的冷负荷后峰值有所衰减、时间有所延迟，对短时间的演出影响不大。3）椅下送风基本符合置换通风原理，理论上前几排的低温送风的一部分可以靠重力作用在地面如同湖水一样向演奏区流淌，使演奏区温度有所降低。但与上述理由矛盾的是，演奏区的负荷是客观存在的，如将这些负荷分摊到椅下，势必增加椅下送风口的送风量，在送风口面积有一定限制的情况下，出风速度加大，使人腿部有吹冷风感；而且大风量带来冷量较大，座椅附近温度有可能低于设计温度，使观众感到寒冷。而且置换通风形成的空气湖流淌的距离不可能太大，碰到高于最前排地面40cm的舞台台面的遮挡后会折返，因此，过于加大椅下送风量的方法不可行。至于整个空间受热压的影响，对演奏区的降温效果更是难以计算。为验证理论分析，我们采用CFD技术对音乐厅的气流组织进行了模拟计算。根据计算结果，选用演员背后墙面即演出区后墙的温度场视图作出如下分析。演奏区不设空调的计算结果如图9。可以看出，演奏区后部（合唱队员所在处）温度高达约34℃，该温度区域宽度范围约7－8m。

如在演奏区后部上方的观众席两侧墙面的下部增加送风口，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人的机会不是很多，按照最大交响乐团120人的发热量情况又进行了计算，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的延迟和衰减因素的计算结果，再综合考虑前述演奏区不设空调送风的理由，且最大计算负荷出现的情况较少，所以不设空调的方案可以接受。实际运行效果则有待检验。

2.3.2歌剧院和戏剧场舞台剧场舞台一般没有乐队演出，温湿度精度要求不高，夏季没有采用定露点再热的空调方案，仅控制舞台温度。北京地区冬季气温干燥，据反映空气过于干燥对演出服装有影响，且常发生领导上台与演员握手时产生静电的尴尬局面。因此冬季有必要对空气进行加湿，为保证加湿效率，空气处理机组中设置了电蒸汽加湿器。舞台空调最难以解决的问题是送风时幕布晃动。我们也曾试图采用低速下送风的气流组织方式，但由于舞台本身构造和工艺要求复杂没有成功。经过调研，国内外的一些剧场舞台空调在演出时一般停止运行，只在预冷和幕间休息时使用。其原因除送风吹幕外，也有歌唱、舞蹈等演员喜热不喜冷、不愿吹风的因素。因此，我们采用了舞台设变速风机，并与侧台分设空气处理机组的方案，侧台可在整个演出和休息期间保持舒适的室温，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，或在演出时减少送风量，降低风速，应基本可以满足要求。

2.4机房通风机房一般不需空调，只需通风换气降温即可。但一些有水管的机房冬天为防冻需对室外空气进行加热，一些发热量较大的机房夏季靠未经过处理的新风消除余热需要的风量较大，至使风机和风道过大，因此有必要为一些机房设置热盘管或冷盘管进行空气处理。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，夏季设置了冷却盘管降温，房间温度设置在35～37℃左右，即使在夏季采用直流式全新风系统也不存在冷量损失。由于本工程采用的是完全的四管制空调水系统，如冬季不将冷盘管内的水放空，室外新风直接经过盘管送入室内，冷盘管有冻结危险，寒冷的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行时仍通风，机房内水系统也有冻结危险；因此空气处理机组设置了回风机，冬季利用温暖的回风与寒冷的新风混合至5℃以上送入室内，夏季和过渡季采用全新风，比冬季设置加热盘管的方案节省了能量。制冷机房因防止工质泄漏所需最小新风量较大，冬季仍设置了加热盘管。给排水机房采用直流式通风系统，为防止冬季水系统冻结，设置了加热盘管。空调通风机房内电机基本上是内置式，散热量不大，所以仅在机房内设置了排风机。因为设备均采用集中式监控，除检修外人员一般不在机房内停留，所以排风机仅在设备检修时使用,从走廊进风，节省了平时大量排风时需要补新风的设备和管道。

2.5总通风系统

2.5.1通风系统方案由于建筑外观的要求，钛合金和玻璃的圆形壳体上是不允许设置机械通风口的，因此整个建筑物的新风、排风，火灾时的补风、排烟，都必须从下部引入或排出。为缩短新鲜空气经过潮湿的地下通道的路程，由较近的圆形壳体周围和人工湖之间的室外消防通道（见图1的F区）侧墙上部引入新风和火灾时的补风，为避免汽车尾气被吸入室内，消防通道侧墙下部分散设置了多个排风口。中区和南区由各系统的排风机将排风或排烟分别送入结构基础层中的总排风通路汇合，为避免肮脏的排风和高温烟气对建筑物的影响，再由较远的建筑物东南侧（S5区）地下总排风口排出。排风口设置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的风压。北区排风排向建筑物北侧绿地处。

2.5.2排风系统的调节与控制由于室内各排风、排烟系统的风机之间，以及总排风机之间均为并联，为防止风流短路，风机出口设置了与风机联锁通断的电动调节阀。排风系统和压力变化示意如图12。各分支路的排风或排烟风机均按照房间排风口至排风机处的阻力确定其压力，其后的阻力由总排风机克服，各排风分支路阻力的不平衡，由各风机出口的调节阀调节。考虑到所有排风系统不可能全部同时使用，总排风机风量按照排风总量的80％左右计算，共设置了94000m3/h风机16台。

排风是一个由若干特性曲线不同或相同的风机，并联和串联组合而成的复杂系统。当分支路排风或排烟风机运行台数或风量有变化时，总排风机运行台数、风量应相应变化。由于大量空气处理机组是靠风阀调节新、回、排风比例，回风机风量基本恒定，因此不能采用计算机统计正在运行的排风或排烟风机的数量，以得出确切的排风总量。但如果能将总排风通路的静压维持在一个稳定的水平，正在运行的分支路排风机就可以稳定地工作。

当一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，风道特性和风机的