保利大剧院空调系统设计及优化

2014-07-06谭立民

建筑设计管理 2014年3期

谭立民

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200000)

1 工程概况

上海嘉定保利大剧院位于上海市嘉定新城中心区，白银路与裕民南路交界处，北隔白银路与规划中的嘉定新城商务中心区对望，西以裕民南路为界，南侧为塔秀路，东南方向面临远香湖。保利大剧院为地下1层、地上6层的高层建筑，建筑高度为32.6 m，总建筑面积50 194 m2。地下室主要功能为库房、车库及设备用房，地上主要由一个1 500座大剧院、一个400座多功能厅、化妆间、配套办公、餐厅及排练厅等组成。

图1 保利大剧院效果图

图2 设计日建筑逐时负荷分布图

2 空调冷热源系统

2.1 空调冷热负荷

本建筑空调总冷负荷为3 730 kW，总热负荷为2 170 kW。该建筑逐时空调冷负荷见图2。

2.2 冷源系统

本工程按冰蓄冷空调分量蓄冰模式设计，双工况螺杆式冷水机组和盘管为串联方式，制冷机组位于盘管上游。

2.2.1 冷源系统主要设备

1)制冷机组：本工程选用可在空调和制冰两种工况下运行的双工况制冷机组。经计算需配备2台空调工况下制冷容量350 RT，制冰工况下制冷容量242 RT的双工况螺杆式冷水机组，每台机组用电功率228 kW。

2)蓄冰装置：本工程设计采用蓄冷冰盘管，选用5台内融冰盘管式蓄冰装置，单台盘管蓄冰量为380 RT，总蓄冰量可达4 140 RTH；

3)制冷板式换热器：板式换热器将蓄冰系统的乙二醇回路与空调系统回路隔离。板式换热器水侧进出口温度为13/6℃，乙二醇侧进出口温度为3.5/11℃，本工程选用2台换热量为1 850 kW的板式换热器；

4)水泵：经计算水泵的型号和数量选用如表1。

5)冷却塔：选2台方型横流式低噪音冷却塔，单台冷却塔水流量300 m3/h。

表1 冷源水泵配置参数表

2.2.2 冰蓄冷系统工作模式

本工程冰蓄冷系统采用串联循环回路方式，在此设计流程回路中，双工况主机与蓄冰装置、制冷板式换热器、乙二醇泵等设备组成冰蓄冷系统，根据气候特点和空调实际需求，蓄冰系统可按以下几种工作模式运行：

1)两台主机制冰：在 22：00～6：00 期间，两台双工况主机制冰蓄冷3 872 RTH。

2)主机与融冰联合供冷：当设计日或负荷较大时，选用该模式提供冷量，出口温度由系统根据负荷分配确定工况运行。

3)融冰单独供冷：此时不开主机，冷量由融冰提供，此模式可在春秋过渡季节或冷负荷较小期间运行。

4)主机单独供冷：该模式下，主机负责大楼的全部冷负荷。

5)主机边制冰边供冷：该模式下，主机在制冰的同时满足大楼的部分冷负荷。

笔者在文献[1]中分析了本项目中冰蓄冷空调制冷机容量的选择及系统的运行策略。

2.3 热源系统

本项目热源采用2台无压燃气热水机组(单台制热量为1 400 kW)，通过2组板式换热机组向空调系统提供热水，一次水供回水温度为95～70℃。本项目选用3台流量为53 m3/h、扬程为19 m的热水锅炉循环泵(2用1备)。二次水供回水温度为60～50℃，配置变频热水循环泵。常压热水机组设置在地下1层，锅炉的热效率高于89%。

表2 无压燃气热水机组参数表

3 空调水系统及风系统设计

3.1 空调水系统

冷热源均通过不同板换机组供给用户，水系统为二管制异程式系统，末端空调箱设置比例式电动平衡两通阀(动态)，风机盘管设置开关式动态二通平衡阀。空调末端水系统供回水温度：夏季6～13℃，冬季60～50℃。空调热水系统采用膨胀水箱定压。

3.2 空调风系统

对剧院舞台、观众厅、多功能厅、进口门厅等高大空间采用全空气系统，空气处理机组(AHU)均带有混合、过滤、消声、冷却去湿、加热、湿膜加湿、风机、消声等功能段。且上述空间送排风机均采用变频调速电机，可实现过渡季节的全新风运行。

1)剧院：舞台及观众厅的空调机组均设在地下空调机房内。舞台分为两个空调系统，每个空调系统送风量为38 000 m3/h。舞台送风方式为喷口侧送和旋流风口上送相结合方式，根据需要可通过风管上的电动调节阀关闭侧送喷口转换为全部旋流风口上送方式。喷口采用可调角度风口，以便调节送风方向。

观众厅分两个空调系统，观众厅池座空调系统送风量为50 000 m3/h。观众厅楼座空调系统送风量为25 000 m3/h。送风方式为“坐椅送风+局部顶送风”方式，每个座位的送风量为45 m3/h，送风柱内气流流速为1 m/s，送风孔风速为≤0.25 m/s，回风为上回方式。

2)多功能厅：空调系统送风量为36 000 m3/h。由于多功能厅有多种坐椅变化方式，且采用可变吊顶，故采用条形喷口侧送及侧下回方式。

3)入口门厅：空调系统送风量为30 000 m3/h。空进厅采用地板送风空调形式。

4)底层艺术品展示中心、第三层餐厅，第四层合唱排练厅、综合排练厅及芭蕾舞排练厅均采用全空气低速管道系统，旋流风口上送下回方式。

5)办公、化妆间等采用风机盘管加新风系统。

6)贵宾休息、接待室及声光控室等设置独立的变冷媒流量的空调系统以满足单独运行的要求。

4 节能设计

4.1 冷热源系统

采用能效比较高的双工况螺杆式冷水机组，螺杆式冷水机组的性能系数不低于4.81，热源采用的2台燃气热水机组热效率＞89%，冷热源机房采用群控方式。

4.2 空调水系统

空调水系统采用大温差设计，夏季供回水温差为7℃，冬季为10℃。

4.3 空调风系统

设计采用复合风管，保温材料的导热系数为0.037 5 W/(m·K)，热阻为 0.81 m2·K/W；空调风系统的单位风量耗功率小于0.46；全空气系统过渡季节可全新风或50%新风量运行，以最大限度利用天然冷源。

5 设计优化

一般大型剧院建筑中观众厅池座和楼座空调系统的常规设计思路是采用坐椅下送风的全空气空调系统[2]，本工程经过业主、设计院以及CFD项目组一道分析，提出“坐椅送风+局部顶送风”的气流组织模式，并通过模拟验证了该送风方式具有更好的气流组织效果。

5.1 保利大剧院观众厅建筑概况

本工程室内剧场看台共3层，逐层推进，剧场宽40 m，前后长30 m，总高26 m左右。

5.2 CFD模拟技术路线

本工程利用计算流体力学(CFD)工具模拟比较了几种室内剧场气流组织方式的运行效果，并分析了最佳的送风温度，图3为本工程CFD模拟所执行的技术路线。

图3 CFD模拟技术路线

5.3 几种气流组织方式的比较与分析

本工程设计过程中共比较了“上送下回”、“坐椅送风”及“坐椅送风+局部顶送风”3种气流组织方式。

5.3.1 上送下回式

本工况下的设定条件为：送风口均匀设置在剧场顶部，送风温度为20℃，总送风量为99 000 m3/h；回风口设置在剧院底部左右两侧和后侧的墙壁上，第二、三层看台的回风口置于看台后侧的墙壁底部。

图4为上送下回工况下剧场垂直温度分布情况，室内大部分区域的温度处于21～23℃范围内，但由于第二层及第三层看台的遮挡，室内气流分布不均匀，第三层看台温度较低，而第一层及第二层看台后方区域空气温度较高，局部舒适性较差。同时由于此工况下空调送风量大，引起室内风速较高，人员活动区域会有较为明显的吹风感。

5.3.2 上送下回式

本工况下的设定条件为：送风温度为20℃，每个送风口送风量为45 m3/(h·P)，总送风量为67 500 m3/h；回风口分布于剧场的顶部，共设置14个回风口。

图5为坐椅送风工况下剧场垂直温度分布情况示意图，室内大部分区域的温度处于23～25℃的范围内，人员活动区域的温度处于23～24℃之间。与上送下回式相比，由于空调送风直接送入人员活动区域，送风量较小。但由于1层看台及2层看台后侧区域距离坐椅送风口较远，因此温度偏高，约为24～26℃，此区域内舒适性较差。这也是纯坐椅送风方式常见的问题。

图4 上送下回工况剧场垂直温度分布

5.3.3 坐椅送风+局部顶送风

本工况下的设定条件为：在上述坐椅送风的基础上，在第一层和第二层后侧人行走道区域增设下送风口，此工况下空调系统总送风量约为70 000 m3/h。

从图6可知，此工况下第一层和第二层后排区域的温度维持在22～24℃，热舒适性较以上两种工况有明显提高。

5.3.4 3种气流组织方式的讨论

表3列举了3种气流组织方式的对比情况。从中可以发现，两种坐椅送风的气流组织方式的空调效果较好，室内舒适性较高，空调送风量小。且根据模拟结果，在坐椅送风工况下，即使送风温度提高至22℃仍可以保证室内人员活动区域的热舒适性，节能效果显著。而“地板送风+局部送风”的气流组织方式相较于常规坐椅送风方式，风量只需少量增加即可消除空调区域死角，进一步提高室内舒适度。