譚立民

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200000)

1 工程概況

上海嘉定保利大劇院位于上海市嘉定新城中心區(qū)，白銀路與裕民南路交界處，北隔白銀路與規(guī)劃中的嘉定新城商務(wù)中心區(qū)對(duì)望，西以裕民南路為界，南側(cè)為塔秀路，東南方向面臨遠(yuǎn)香湖。保利大劇院為地下1層、地上6層的高層建筑，建筑高度為32.6 m，總建筑面積50 194 m2。地下室主要功能為庫(kù)房、車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房，地上主要由一個(gè)1 500座大劇院、一個(gè)400座多功能廳、化妝間、配套辦公、餐廳及排練廳等組成。

圖1 保利大劇院效果圖

圖2 設(shè)計(jì)日建筑逐時(shí)負(fù)荷分布圖

2 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

2.1 空調(diào)冷熱負(fù)荷

本建筑空調(diào)總冷負(fù)荷為3 730 kW，總熱負(fù)荷為2 170 kW。該建筑逐時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷見(jiàn)圖2。

2.2 冷源系統(tǒng)

本工程按冰蓄冷空調(diào)分量蓄冰模式設(shè)計(jì)，雙工況螺桿式冷水機(jī)組和盤(pán)管為串聯(lián)方式，制冷機(jī)組位于盤(pán)管上游。

2.2.1 冷源系統(tǒng)主要設(shè)備

1)制冷機(jī)組：本工程選用可在空調(diào)和制冰兩種工況下運(yùn)行的雙工況制冷機(jī)組。經(jīng)計(jì)算需配備2臺(tái)空調(diào)工況下制冷容量350 RT，制冰工況下制冷容量242 RT的雙工況螺桿式冷水機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組用電功率228 kW。

2)蓄冰裝置：本工程設(shè)計(jì)采用蓄冷冰盤(pán)管，選用5臺(tái)內(nèi)融冰盤(pán)管式蓄冰裝置，單臺(tái)盤(pán)管蓄冰量為380 RT，總蓄冰量可達(dá)4 140 RTH；

3)制冷板式換熱器：板式換熱器將蓄冰系統(tǒng)的乙二醇回路與空調(diào)系統(tǒng)回路隔離。板式換熱器水側(cè)進(jìn)出口溫度為13/6℃，乙二醇側(cè)進(jìn)出口溫度為3.5/11℃，本工程選用2臺(tái)換熱量為1 850 kW的板式換熱器；

4)水泵：經(jīng)計(jì)算水泵的型號(hào)和數(shù)量選用如表1。

5)冷卻塔：選2臺(tái)方型橫流式低噪音冷卻塔，單臺(tái)冷卻塔水流量300 m3/h。

表1 冷源水泵配置參數(shù)表

2.2.2 冰蓄冷系統(tǒng)工作模式

本工程冰蓄冷系統(tǒng)采用串聯(lián)循環(huán)回路方式，在此設(shè)計(jì)流程回路中，雙工況主機(jī)與蓄冰裝置、制冷板式換熱器、乙二醇泵等設(shè)備組成冰蓄冷系統(tǒng)，根據(jù)氣候特點(diǎn)和空調(diào)實(shí)際需求，蓄冰系統(tǒng)可按以下幾種工作模式運(yùn)行：

1)兩臺(tái)主機(jī)制冰：在 22：00～6：00 期間，兩臺(tái)雙工況主機(jī)制冰蓄冷3 872 RTH。

2)主機(jī)與融冰聯(lián)合供冷：當(dāng)設(shè)計(jì)日或負(fù)荷較大時(shí)，選用該模式提供冷量，出口溫度由系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷分配確定工況運(yùn)行。

3)融冰單獨(dú)供冷：此時(shí)不開(kāi)主機(jī)，冷量由融冰提供，此模式可在春秋過(guò)渡季節(jié)或冷負(fù)荷較小期間運(yùn)行。

4)主機(jī)單獨(dú)供冷：該模式下，主機(jī)負(fù)責(zé)大樓的全部冷負(fù)荷。

5)主機(jī)邊制冰邊供冷：該模式下，主機(jī)在制冰的同時(shí)滿(mǎn)足大樓的部分冷負(fù)荷。

筆者在文獻(xiàn)[1]中分析了本項(xiàng)目中冰蓄冷空調(diào)制冷機(jī)容量的選擇及系統(tǒng)的運(yùn)行策略。

2.3 熱源系統(tǒng)

本項(xiàng)目熱源采用2臺(tái)無(wú)壓燃?xì)鉄崴畽C(jī)組(單臺(tái)制熱量為1 400 kW)，通過(guò)2組板式換熱機(jī)組向空調(diào)系統(tǒng)提供熱水，一次水供回水溫度為95～70℃。本項(xiàng)目選用3臺(tái)流量為53 m3/h、揚(yáng)程為19 m的熱水鍋爐循環(huán)泵(2用1備)。二次水供回水溫度為60～50℃，配置變頻熱水循環(huán)泵。常壓熱水機(jī)組設(shè)置在地下1層，鍋爐的熱效率高于89%。

表2 無(wú)壓燃?xì)鉄崴畽C(jī)組參數(shù)表

3 空調(diào)水系統(tǒng)及風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 空調(diào)水系統(tǒng)

冷熱源均通過(guò)不同板換機(jī)組供給用戶(hù)，水系統(tǒng)為二管制異程式系統(tǒng)，末端空調(diào)箱設(shè)置比例式電動(dòng)平衡兩通閥(動(dòng)態(tài))，風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)置開(kāi)關(guān)式動(dòng)態(tài)二通平衡閥?？照{(diào)末端水系統(tǒng)供回水溫度：夏季6～13℃，冬季60～50℃?？照{(diào)熱水系統(tǒng)采用膨脹水箱定壓。

3.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

對(duì)劇院舞臺(tái)、觀眾廳、多功能廳、進(jìn)口門(mén)廳等高大空間采用全空氣系統(tǒng)，空氣處理機(jī)組(AHU)均帶有混合、過(guò)濾、消聲、冷卻去濕、加熱、濕膜加濕、風(fēng)機(jī)、消聲等功能段。且上述空間送排風(fēng)機(jī)均采用變頻調(diào)速電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)過(guò)渡季節(jié)的全新風(fēng)運(yùn)行。

1)劇院：舞臺(tái)及觀眾廳的空調(diào)機(jī)組均設(shè)在地下空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)。舞臺(tái)分為兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為38 000 m3/h。舞臺(tái)送風(fēng)方式為噴口側(cè)送和旋流風(fēng)口上送相結(jié)合方式，根據(jù)需要可通過(guò)風(fēng)管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉側(cè)送噴口轉(zhuǎn)換為全部旋流風(fēng)口上送方式。噴口采用可調(diào)角度風(fēng)口，以便調(diào)節(jié)送風(fēng)方向。

觀眾廳分兩個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，觀眾廳池座空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為50 000 m3/h。觀眾廳樓座空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為25 000 m3/h。送風(fēng)方式為“坐椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)”方式，每個(gè)座位的送風(fēng)量為45 m3/h，送風(fēng)柱內(nèi)氣流流速為1 m/s，送風(fēng)孔風(fēng)速為≤0.25 m/s，回風(fēng)為上回方式。

2)多功能廳：空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為36 000 m3/h。由于多功能廳有多種坐椅變化方式，且采用可變吊頂，故采用條形噴口側(cè)送及側(cè)下回方式。

3)入口門(mén)廳：空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為30 000 m3/h。空進(jìn)廳采用地板送風(fēng)空調(diào)形式。

4)底層藝術(shù)品展示中心、第三層餐廳，第四層合唱排練廳、綜合排練廳及芭蕾舞排練廳均采用全空氣低速管道系統(tǒng)，旋流風(fēng)口上送下回方式。

5)辦公、化妝間等采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)。

6)貴賓休息、接待室及聲光控室等設(shè)置獨(dú)立的變冷媒流量的空調(diào)系統(tǒng)以滿(mǎn)足單獨(dú)運(yùn)行的要求。

4 節(jié)能設(shè)計(jì)

4.1 冷熱源系統(tǒng)

采用能效比較高的雙工況螺桿式冷水機(jī)組，螺桿式冷水機(jī)組的性能系數(shù)不低于4.81，熱源采用的2臺(tái)燃?xì)鉄崴畽C(jī)組熱效率＞89%，冷熱源機(jī)房采用群控方式。

4.2 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)采用大溫差設(shè)計(jì)，夏季供回水溫差為7℃，冬季為10℃。

4.3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用復(fù)合風(fēng)管，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.037 5 W/(m·K)，熱阻為 0.81 m2·K/W；空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)的單位風(fēng)量耗功率小于0.46；全空氣系統(tǒng)過(guò)渡季節(jié)可全新風(fēng)或50%新風(fēng)量運(yùn)行，以最大限度利用天然冷源。

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化

一般大型劇院建筑中觀眾廳池座和樓座空調(diào)系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)思路是采用坐椅下送風(fēng)的全空氣空調(diào)系統(tǒng)[2]，本工程經(jīng)過(guò)業(yè)主、設(shè)計(jì)院以及CFD項(xiàng)目組一道分析，提出“坐椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)”的氣流組織模式，并通過(guò)模擬驗(yàn)證了該送風(fēng)方式具有更好的氣流組織效果。

5.1 保利大劇院觀眾廳建筑概況

本工程室內(nèi)劇場(chǎng)看臺(tái)共3層，逐層推進(jìn)，劇場(chǎng)寬40 m，前后長(zhǎng)30 m，總高26 m左右。

5.2 CFD模擬技術(shù)路線(xiàn)

本工程利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)工具模擬比較了幾種室內(nèi)劇場(chǎng)氣流組織方式的運(yùn)行效果，并分析了最佳的送風(fēng)溫度，圖3為本工程CFD模擬所執(zhí)行的技術(shù)路線(xiàn)。

圖3 CFD模擬技術(shù)路線(xiàn)

5.3 幾種氣流組織方式的比較與分析

本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中共比較了“上送下回”、“坐椅送風(fēng)”及“坐椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)”3種氣流組織方式。

5.3.1 上送下回式

本工況下的設(shè)定條件為：送風(fēng)口均勻設(shè)置在劇場(chǎng)頂部，送風(fēng)溫度為20℃，總送風(fēng)量為99 000 m3/h；回風(fēng)口設(shè)置在劇院底部左右兩側(cè)和后側(cè)的墻壁上，第二、三層看臺(tái)的回風(fēng)口置于看臺(tái)后側(cè)的墻壁底部。

圖4為上送下回工況下劇場(chǎng)垂直溫度分布情況，室內(nèi)大部分區(qū)域的溫度處于21～23℃范圍內(nèi)，但由于第二層及第三層看臺(tái)的遮擋，室內(nèi)氣流分布不均勻，第三層看臺(tái)溫度較低，而第一層及第二層看臺(tái)后方區(qū)域空氣溫度較高，局部舒適性較差。同時(shí)由于此工況下空調(diào)送風(fēng)量大，引起室內(nèi)風(fēng)速較高，人員活動(dòng)區(qū)域會(huì)有較為明顯的吹風(fēng)感。

5.3.2 上送下回式

本工況下的設(shè)定條件為：送風(fēng)溫度為20℃，每個(gè)送風(fēng)口送風(fēng)量為45 m3/(h·P)，總送風(fēng)量為67 500 m3/h；回風(fēng)口分布于劇場(chǎng)的頂部，共設(shè)置14個(gè)回風(fēng)口。

圖5為坐椅送風(fēng)工況下劇場(chǎng)垂直溫度分布情況示意圖，室內(nèi)大部分區(qū)域的溫度處于23～25℃的范圍內(nèi)，人員活動(dòng)區(qū)域的溫度處于23～24℃之間。與上送下回式相比，由于空調(diào)送風(fēng)直接送入人員活動(dòng)區(qū)域，送風(fēng)量較小。但由于1層看臺(tái)及2層看臺(tái)后側(cè)區(qū)域距離坐椅送風(fēng)口較遠(yuǎn)，因此溫度偏高，約為24～26℃，此區(qū)域內(nèi)舒適性較差。這也是純坐椅送風(fēng)方式常見(jiàn)的問(wèn)題。

圖4 上送下回工況劇場(chǎng)垂直溫度分布

5.3.3 坐椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)

本工況下的設(shè)定條件為：在上述坐椅送風(fēng)的基礎(chǔ)上，在第一層和第二層后側(cè)人行走道區(qū)域增設(shè)下送風(fēng)口，此工況下空調(diào)系統(tǒng)總送風(fēng)量約為70 000 m3/h。

從圖6可知，此工況下第一層和第二層后排區(qū)域的溫度維持在22～24℃，熱舒適性較以上兩種工況有明顯提高。

5.3.4 3種氣流組織方式的討論

表3列舉了3種氣流組織方式的對(duì)比情況。從中可以發(fā)現(xiàn)，兩種坐椅送風(fēng)的氣流組織方式的空調(diào)效果較好，室內(nèi)舒適性較高，空調(diào)送風(fēng)量小。且根據(jù)模擬結(jié)果，在坐椅送風(fēng)工況下，即使送風(fēng)溫度提高至22℃仍可以保證室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性，節(jié)能效果顯著。而“地板送風(fēng)+局部送風(fēng)”的氣流組織方式相較于常規(guī)坐椅送風(fēng)方式，風(fēng)量只需少量增加即可消除空調(diào)區(qū)域死角，進(jìn)一步提高室內(nèi)舒適度。

圖5 坐椅送風(fēng)工況劇場(chǎng)垂直溫度分布

圖6 坐椅送風(fēng)+局部送風(fēng)工況劇場(chǎng)垂直溫度分布

6 結(jié)論

1)保利大劇院項(xiàng)目冷源采用冰蓄冷空調(diào)，主機(jī)采用性能系數(shù)不低于4.81的雙工況螺桿式冷水機(jī)組，熱源采用熱效率大于89%的無(wú)壓燃?xì)鉄崴畽C(jī)組；舞臺(tái)、觀眾廳、多功能廳、餐廳及排練廳均采用全空氣系統(tǒng)，辦公、化妝間等空間采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管加新風(fēng)系統(tǒng)，貴賓休息、接待室及聲光控室等房間采用變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)。

表3 幾種氣流組織方式的比較

2)采用“地板送風(fēng)+局部頂送風(fēng)“的氣流組織方式，較上送下回方式，系統(tǒng)總送風(fēng)量由99 000 m3/h減小為70 000 m3/h，節(jié)能效果顯著。

3)坐椅送風(fēng)方式可提高送風(fēng)效率，模擬結(jié)果顯示，即使提高送風(fēng)溫度至22℃，人員活動(dòng)區(qū)溫度也可維持在23～24℃之間。

4)本項(xiàng)目采用“坐椅送風(fēng)+局部頂送風(fēng)”的氣流組織模式，模擬驗(yàn)證顯示，該種氣流組織方式有效解決了純看臺(tái)后側(cè)區(qū)域送風(fēng)不足、局部區(qū)域舒適性較差的問(wèn)題。

[1]譚立民,徐旭,張峻毅.劇院建筑冰蓄冷空調(diào)制冷機(jī)容量與運(yùn)行策略探討[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2011,30(4):84-86.

[2]楊毅,曹志剛,丁德等.夏熱冬冷地區(qū)大型劇場(chǎng)建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及分析[J].暖通空調(diào),2013,43(9):2-4.