上海某游樂項目劇院的暖通設計技術

劉芳周鵬

同濟大學建筑設計研究院（集團)有限公司

1 項目概況

本項目的劇院主要由一個1 229座觀眾大廳、主舞臺與側(cè)臺及后臺排演廳、公共服務空間、交通輔助用房等組成，總建筑面積6 422.59m2，地上2層，局部三層（2-3軸觀眾公共衛(wèi)生間及上方區(qū)域），地上建筑面積5 741.61m2，地下1層，地下建筑面積680.98 m2。劇院的功能需求為兼顧白天主題樂園的輪場演出和夜晚的正式的綜合演出。

本項目的空調(diào)冷凍水集中能源站連接管網(wǎng)供應。冷凍水供水來自冷源中心6.7℃；冷凍水回水來自空氣處理機組的冷盤管17.8℃；風機盤管的冷盤管15.0℃；全新風處理機組的冷盤管21.1℃；廚房補風處理機組26.7℃；

從集中能源換熱站供應到各個單體建筑冷凍水管熱力入口處安裝BTU能量計或具有比例積分流量計，進行現(xiàn)場EMS能源監(jiān)控。

本項目空調(diào)熱水由集中能源站連接管網(wǎng)供應，由循環(huán)水泵將熱水輸送至各單體的空調(diào)箱及風機盤管等空調(diào)末端。集中能源站的一次熱水供/回水溫度87.8℃/65.6℃，空調(diào)末端二次側(cè)的熱水供/回水溫度為60℃/50℃。

劇院所有區(qū)域均采用全空氣系統(tǒng)，所有風機均配置變頻控制裝置。其中劇院觀眾廳為座椅下送風型式，室內(nèi)氣流組織形式為下送上回方式，采用多區(qū)域送風空調(diào)機組，池座和樓座設置不同的送風溫度；劇院舞臺為上送下回方式，門廳為上送下回方式。除BOH區(qū)域及控制室外其余區(qū)域全空氣空調(diào)系統(tǒng)均采用雙風機和板式顯熱交換器空調(diào)機組。冬、夏季利用排風中的冷（熱）量預冷（或預熱）引入的新風，過渡季可采用全新風運行，板式顯熱回收段設置過渡季旁通，利用自然的免費能源。BOH區(qū)域24小時連續(xù)運行的電氣設備用房獨立設置全空氣系統(tǒng)，獨立處理電氣設備用房的余熱。全空氣空調(diào)機組及新風機組安裝初效過濾裝置（G4）及中效除塵凈化裝置(F7)，人員密集場所設置殺菌、空氣凈化裝置，以保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求。空調(diào)末端水系統(tǒng)均為四管制，異程式；各區(qū)域回水主干管上均設置水力平衡閥和溫控電動兩通閥（風機盤管為開關型）。

本工程設有能源管理系統(tǒng)（EMS），空調(diào)系統(tǒng)末端空氣處理機組和通風系統(tǒng)設備的運行狀況、故障報警及啟停控制均可在該系統(tǒng)中顯示和操作，另可根據(jù)室內(nèi)設定的空氣參數(shù)值控制相關機組的運行，以實現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度控制、濕度控制及一氧化碳/二氧化碳含量控制的要求。

2 CFD模擬技術在劇場中的運用

FLUENT是目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一。通過該軟件的運用，可以實現(xiàn)以下模擬目標值：

（1）原設計系統(tǒng)的評估：利用CFD軟件模擬，研究原設計空調(diào)系統(tǒng)氣流組織情況下的空間內(nèi)的溫、濕度場及速度場的分布特性。

（2）空調(diào)方案效果的預測：利用CFD軟件，對劇場內(nèi)的空氣速度場、溫度場分布進行模擬，預測不同空調(diào)方案的氣流組織的效果，以確保提供合適的室內(nèi)環(huán)境。

（3）空調(diào)氣流組織優(yōu)化：利用CFD軟件模擬，對空調(diào)氣流組織方式進行優(yōu)化，通過調(diào)整氣流組織方式、改變風量及其他有關措施及時解決所發(fā)現(xiàn)的問題，以達到符合要求的空調(diào)效果。

（4）末端設備優(yōu)化：結(jié)合空調(diào)風口的結(jié)構(gòu)形式和送風狀態(tài)參數(shù)，對空調(diào)系統(tǒng)的送、回風的風口氣流分布特性進行研究。

（5）空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能：對空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行模式進行研究，探討空調(diào)滿負荷率和部分負荷率情況下的變風量運行方式，確定影響空調(diào)效果以及能耗的主要因素，并結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的運行模式，提出最優(yōu)化的經(jīng)濟運行模式。

在最初的設計中采用的是普通的矩形風口。舞臺的排風口設置在舞臺的兩側(cè)（空間位置位于送風口的外側(cè)），舞臺的排風補風口設于舞臺的前方靠近觀眾區(qū)的一側(cè)。具體模型建圖2.1：

根據(jù)排煙要求，采用觀察兩分鐘以后整個空間的風速分布來確定舞臺排煙效果的好壞。本模擬采用動態(tài)模擬的方式，設定時間步長為5s，因為只考慮舞臺的排煙效果，模擬計算過程中并未考慮能量方程。

圖2 .1舞臺排煙模型1

計算結(jié)果如下：

我們選取Y方向（舞臺縱向）上的不同截面來對比兩個工況的分布情況，在這里只列出最為典型且最具代表性的距離幕布1500mm處的風速分布情況如圖2.2和圖2.3：

圖2 .2工況1 Y=1500處的風速分布

圖2 .3工況2 Y=1500處的風速分布

從模擬結(jié)果我們可以得到以下結(jié)論：

（1）兩個工況下，舞臺表演區(qū)域的風速普遍都比較低，一般都不超過0.4m/s;

（2）由于工況1換次的次數(shù)是工況2的兩倍，工況1的風速分布要明顯好于工況2，與模擬結(jié)果吻合。

（3）在模擬結(jié)束后，通過繼續(xù)的非穩(wěn)態(tài)計算，將時間推至4分鐘，結(jié)果與之前2分鐘的結(jié)果并無明顯差異。

可以看出，模擬結(jié)果完全達不到實際的排風要求，這是由以下原因造成。首先，送風口、排風口、補風口都在舞臺的兩側(cè)，氣流從送風口吹出后，氣流運行不遠，就被排風口吸回，形成了氣流短路。另外，送風口采用的是普通矩形散流器，由于風口較高，不可能將氣流輸送到舞臺的表演區(qū)域，達不到擾亂氣流的目的。在空調(diào)工況下時，也不可能產(chǎn)生良好的結(jié)果。

因此，我們將原來位于舞臺兩側(cè)的排風口移至舞臺后方上空，避免形成氣流的短路。

新模型如下：

圖2 .4舞臺排煙模型2

此次排風模擬采用3個工況，換氣次數(shù)分別定為4次/h、6次/h和8次/h。

具體風量分配見表1：

表1 風量分配表

計算結(jié)果如下：

圖2 .5工況1距地面1m風速分布

圖2 .6工況1地面風速分布

由于風量較小，補風口吹入室內(nèi)的風量很小，不難看出，補風口周圍流速較低，整個空間的速度分布也并不理想。

圖2 .7工況2距地面1m風速分布

圖2 .8工況2地面風速分布

由于風量的加大，可以明顯的看到補風口處風的吹出，并且，整個空間的氣流分布也要好于工況1.

圖2 .9工況3距地面1m的風速分布

圖2 .10工況3地面的風速分布

隨著風量的繼續(xù)加大，補風口處吹出的風對整個舞臺區(qū)域的氣流產(chǎn)生了巨大的影響，整個空間的氣流由于補風口風量的加大而加大。

不難看出，工況3的風速分布最利于舞臺煙霧的排出，而工況2雖然比工況3的風速稍微低了一點，但是仍然有較好的風速分布。工況1由于補風口風速過小，整個空間的氣流并未活躍起來。所以，相對于工況2、工況3來說，工況1氣流組織較差，不利于空間煙氣的排出。綜合考慮到能耗，空調(diào)、風機容量等因素，最后確定工況2，即6次/h的換氣次數(shù)作為最終的設計參數(shù)。

觀眾區(qū)域夏季送風溫度19℃，冬季送風溫度28℃，室內(nèi)負荷嚴格參照所提供的負荷計算書，建立模型如下：

圖2 .11觀眾區(qū)模型

圖2 .12夏季溫度分布中區(qū)

經(jīng)過模擬計算，得到如下結(jié)果：

夏季的溫度分布基本都處于比較合理的范圍之內(nèi)，樓座的溫度要比一層觀眾區(qū)溫度稍高些。一層的溫度一般為23℃左右，樓座的溫度則為25℃左右，這與送風口的設置，以及冷空氣下沉等因素有關，從圖中可以看到溫度分層的趨勢。

本研究所做的工作和得到的結(jié)論有：

（1）通過建立舞臺的排風模型對舞臺的排風工況進行模擬，并比較了不同工況下排風效果的好壞程度，最后確定兩側(cè)上送下補，舞臺后部上方排風的形式，換氣次數(shù)6次/h，補風量和送風量相等，均為3次/h；

（2）模擬舞臺的空調(diào)工況，對舞臺夏季和冬季的空調(diào)效果進行分析，最后確定送風量為40 000m3/h；

圖2 .13夏季溫度分布左區(qū)

圖2 .14夏季溫度分布右區(qū)

（3）建立局部模型驗證座椅送風的空調(diào)效果，并對兩種工況下的溫濕度分布情況進行比較，得出兩種工況都能為人員提供舒適的環(huán)境，最后綜合考慮其他因素，確定選用送風柱直徑為250mm的座椅送風口；

（4）建立劇院觀眾區(qū)的整體模型，模擬舞臺整體的空調(diào)效果，得出座椅送風系統(tǒng)的設計可以滿足整個觀眾區(qū)人員的舒適度要求。

3 劇場送風方式

考慮到劇場觀眾廳樓座與池座的溫度分層現(xiàn)象，本項目采用了雙風道空調(diào)系統(tǒng)，通過調(diào)整出風溫度和濕度，最大限度的實現(xiàn)觀眾的舒適度及降低空調(diào)能耗。空調(diào)箱結(jié)構(gòu)功能段及控制原理圖如下：

4 REVIT 3D建筑信息技術在劇場中的運用

BIM（building information modeling）的全稱是建筑信息模型，該技術已經(jīng)在世界范圍的工程領域得到廣泛應用，并不斷發(fā)展，被中國政府列為“十二五”計劃重點攻關項目。BIM的技術核心是一個由計算機三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫信息在建筑全過程中動態(tài)變化調(diào)整，并可以及時準確的調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中包含的相關數(shù)據(jù)，加快決策進度、提高決策質(zhì)量，從而提高項目質(zhì)量，降低項目成本，增加項目利潤。

傳統(tǒng)的二維圖紙設計中，在結(jié)構(gòu)、水暖電等各專業(yè)設計圖紙匯總后，由總圖工程師人工發(fā)現(xiàn)和解決不協(xié)調(diào)問題，這將耗費建筑結(jié)構(gòu)設計師和安裝工程設計師大量時間和精力，影響工程進度和質(zhì)量。由于采用二維設計圖來進行會審，人為的失誤在所難免，使施工出現(xiàn)返工現(xiàn)象，造成建設投資的極大浪費，并且還會影響施工進度。

應用BIM技術進行三維管線的碰撞檢查，不但能夠徹底消除硬碰撞、軟碰撞，優(yōu)化工程設計，減少在建筑施工階段可能存在的錯誤損失和返工的可能性，而且優(yōu)化凈空，優(yōu)化管線排布方案。最后施工人員可以利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案，進行施工交底、施工模擬，提高施工質(zhì)量、同時也提高了與業(yè)主溝通的能力。

在該劇院的施工圖繪制過程中，運用REVIT軟件，由建筑專業(yè)首先建立土建三維信息模型，結(jié)構(gòu)進行梁和柱的配合建模，室內(nèi)設計專業(yè)建立吊頂模型。在外殼模型完成之后，水暖電專業(yè)按照二維圖紙信息在REVIT軟件中建模。各工種完成建模后，進行了綜合碰撞檢測，找到多處管線碰撞點。

以此為依據(jù)，各專業(yè)通過多次協(xié)商討論，進行了優(yōu)化調(diào)整管線的走向和尺寸，完成了吊頂凈空內(nèi)的優(yōu)化布置。并對管線穿墻留洞預埋工作進行了精確定位。

可在REVIT模型中對各層級各標高進行剪切，更為直觀地觀察到各空間內(nèi)的管線布置情況。下圖為上層大廳12米標高處所看到的建筑內(nèi)部管線。

5 總結(jié)

在該劇院的暖通設計中，方案階段運用到了能耗模擬軟件TRANE 7.0，得出下送風方式比上送風節(jié)能5%～10%。由于未參與方案設計，本文僅對初步及施工圖階段運用的新技術做了詳細介紹。

CFD技術的運用，對于舞臺特效排煙及空調(diào)效果進行了不同工況的模擬分析，最終確定出最佳的送排風口位置及換氣次數(shù)。在保證排煙效果的前提下，最大限度減少了風機能耗及空調(diào)補風能耗。并得出了舞臺空調(diào)送風參數(shù)及變風量運行的指導性建議。

“可視化”的三維數(shù)字建模技術（BIM）的運用，為建筑師、結(jié)構(gòu)工程師及水電暖工程師、開發(fā)商乃至最終用戶等各環(huán)節(jié)人員提供“模擬和分析”。使得各專業(yè)從管線綜合協(xié)調(diào)到室內(nèi)裝修配合，最大限度地利用了吊頂凈空，節(jié)約利用了空間。

隨著現(xiàn)代城市發(fā)展規(guī)模的擴大及速度的加快，建筑結(jié)構(gòu)和空間越來越復雜，對設計人員的挑戰(zhàn)也越來越大。因此有必要在設計過程中運用各種新型先進技術，完善設計人員的設計過程。從開始的方案到最終圖紙的完成，再到施工配合，建立完整的施工指導信息。真正實現(xiàn)節(jié)材、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水以及環(huán)保需求。