九棵樹(上海)未來藝術中心空調設計及專題研究

上海市建工設計研究總院有限公司 朱金鳴 昂 超 朱黎明 劉雪燕

1 工程概況

九棵樹(上海)未來藝術中心(見圖1)位于上海奉賢區奉浦大道，總占地面積為12.0萬m2，總建筑面積7.2萬m2，其中藝術中心主體為地下1層、地上5層結構，包括1個1 200座的主劇場、1個500座的多功能劇場、1個300座的主題劇場、1個藝術展覽及創作中心，以及配套附屬功能用房，2017年10月開始建設，2019年7月竣工完成并投入使用。

圖1 九棵樹(上海)未來藝術中心實景

九棵樹項目是全國首座森林劇院，3個劇場融合了多功能演出等功能，尤其是1 200座大劇場采用了“可變混響”系統，改善了傳統劇場建筑聲學無法解決的聲場不均勻技術難題，具備了每個座位都能享受音效的“VIP”功能。

2 劇場建筑空調冷熱負荷特點分析

空調冷熱負荷依據模型進行計算與分析，建筑模型因子分析主要包括劇場各區域功能要求與熱工參數等條件。

劇場各季節與時段空調冷熱負荷的分布具有間歇性、集中性與提前性等特點，空調冷熱負荷為非連續性的，主要來自于人員、新風、燈光等。透過玻璃與圍護結構等直接獲得的太陽輻射量較少，夏季潛熱負荷相對較大，顯熱負荷相對較小，因此熱濕比也小。由于整個工程除了劇場以外還有其他輔助建筑，在選擇冷熱主機等設備時需要充分考慮空調冷熱負荷的時間分布及部分負荷的使用狀況，以達到最佳的運行與節能效果。

空調設計日逐時冷熱負荷及空調冷熱負荷率的時間分布如圖2～5所示。設計日夏季總冷負荷綜合最大值約為7 200 kW，冬季總熱負荷綜合最大值約為3 800 kW。

圖2 設計日逐時冷負荷

圖3 設計日逐時熱負荷

圖4 空調冷負荷率的時間分布

圖5 空調熱負荷率的時間分布

3 空調冷熱源方案比較與分析

根據空調動態冷熱負荷計算分析結果及冷熱負荷各季節與時段分布，為體現系統的可靠性、先進性、實用性及運行節能與環保性，對空調冷熱源方案初投資運行費用進行分析與比較，如表1所示。

經過對空調冷負荷特點與經濟性等內容的分析與比較，冰蓄冷系統對于劇場建筑有一定的適用性，但系統相對復雜，另外受投資及施工安裝周期等因素的影響，最后實施了方案1，目前運行良好，滿足使用要求。

空調熱源系統相對簡單成熟，自動化程度高、可靠性好、初投資少，滿足鍋爐大氣污染物排放標準(二氧化硫排放質量濃度限值50 mg/m3的要求)。

表1 空調冷熱源配置與初投資、運行費用對比分析

4 空調水系統

空調水系統采用冷熱轉換的兩管制一級泵水系統，控制各個環路水平方向作用半徑，統一相同功能的分路，空調冷水系統根據負荷變化，采用壓差旁通變流量運行，空調熱水系統根據負荷變化，熱水泵采用變頻運行,空調冷熱源水系統見圖6。

5 劇場室內氣流組織分析與對策

針對劇場等區域特點，為了使室內溫度、濕度、空氣流速、噪聲等滿足人體舒適度與環境等要求，對氣流組織的影響因素進行了模擬分析，在送風射流及回風布置時，采用不同的送、回風方式，如圖7所示。

圖6 空調冷熱源水系統圖

圖7 1 200座劇場風系統圖

5.1 空調房間氣流組織模擬分析

采用Fluent-Airpak軟件，基于有限體積法，模擬通風系統的空氣流動、空氣品質、傳熱及污染情況、舒適度等[1]，并依照ISO 7730：2005標準提供的舒適度、預計平均熱感覺指數PMV、預計不滿意者的百分數PPD等衡量室內空氣品質(IAQ)的技術指標，分析氣流運動情況及整個求解區域內的流場狀況。CFD模型見圖8。

圖8 1 200座劇場CFD模擬分析模型

以1 200座劇場為例進行分析，1 200座劇場采用座椅送風方式及二次回風系統，每個座位的送風量為50～100 m3/h，送風柱內氣流流速為1 m/s，送風風速≤0.25 m/s，送風溫差較小(Δt=2～5 ℃)，每個座位送風量通過計算得出。夏季樓座每個座位送風量通常比池座大，主要原因是樓座位于觀眾廳上部，池座的一部分熱量及觀眾廳頂部的熱量會轉移到樓座，而冬季狀況正好相反，通過空調機組風機變頻，增減風量來實現。

座椅送風時，冬(夏)季送風溫度不宜過高(低)，一次回風系統用再熱器來解決送風問題，不符合節能原則，二次回風系統則采用在表冷器后與回風再混合的辦法來代替再熱器以節約能量。但二次回風會適當增加風管數量與截面面積，給風管布置帶來一定的困難。

1 200座劇場的部分模擬結果如圖9、10所示。根據模擬結果適當調整各個區域的送風量及送回風口的布置等。

圖9 1 200座劇場不同截面夏季空氣溫度云圖

圖10 1 200座劇場不同截面冬季空氣溫度云圖

模擬分析結果為優化設計提供了依據，如空調機組除了采用常規的二級過濾器外，為同時滿足PM2.5過濾要求，大小劇場采用均布CO2監控傳感器，對室內空氣進行監控，并同步控制新風，保證室內空氣品質。

5.2 劇場全年新風運行模式

冬夏季新風量首先滿足人員需求，過渡季可采用全新風運行，實際運行新風量是隨時間與溫度變化的，按照監測的CO2濃度、室內溫度及風量平衡等條件，變頻控制空調機組風機的風量。觀眾區、舞臺區與其他輔助區域的空調風系統及排風系統原則上按區域分開獨立設置，同時需要滿足夏季預冷、冬季預熱及冬季內區過熱時送冷等各種運行工況。由于該工程空調水系統采用的是兩管制，經過計算與分析，部分區域在很少時段內存在需要同時供冷與供熱的需求，主要采用增加新風量的方式來解決。為避免室內過于干燥，需要有加濕措施。

5.3 劇場防排煙系統

結合規范要求，劇場建筑可參照中庭標準進行防排煙系統設計，該項目設計采用機械排煙與補風的方式并與平時送排風(熱)系統兼用。

6 降噪、減振與隔振方法

6.1 空調通風設備的選擇

空調與通風等設備除滿足基本使用功能外，還要滿足噪聲控制要求。風機的選擇尤為重要，應遵循以下原則[2]：

1) 避免風機在低效率區工作，當風機在低效率下工作時，產生的噪聲遠比額定工況時大；

2) 選擇前向型葉片風機；

3) 減少風機并聯使用時間，并限制風機出口風速；

4) 控制風機轉速，當風機轉速增加1倍時，風機聲功率級約增加15 dB。

6.2 氣體與固體傳聲消聲措施

空調與通風噪聲的產生不外乎氣體與固體傳聲2種形式，氣體噪聲主要用風速進行控制，并采取減少阻擋等其他措施。

固體傳聲除了滿足以上風機產品選擇要求外，空調機組吸聲降噪也是重要環節，該工程采取以下措施：

1) 空調機組的風機段和回風段采用有一定穿孔率的穿孔板作為吸聲層；

2) 利用吸聲性能良好的玻璃棉作為吸聲材料，吸聲材料兼作空調機組保溫材料，經濟性好。

用8倍頻程聲功率逐項對比該工程選擇的空調機組風量及風機，風機段和回風段內壁采用孔徑2.5～3.8 mm、穿孔率20%～30%的穿孔板，吸聲面兼作箱體保溫層，內襯超細離心玻璃棉，厚度為80～100 mm。

組合式空調機組各消聲倍頻程的插入損失如表2所示。在空調機房內，采用優化措施前后機組外部測試的噪聲值變化不明顯，而機組內部噪聲變化非常明顯，如圖11所示，空調機組內部風機噪聲的變化同時可以影響整個風管系統。

表2 組合式空調機組(消聲后)插入損失[3](1)新晃空調設備有限公司.空調機組、風機測試數據(內部測試報告)，2018

圖11 空調機房與機組優化前后實測噪聲對比(2)華東建筑設計研究院有限公司聲學及劇院專項設計研究所. 上海九棵樹未來藝術中心劇場噪聲測試報告(內部測試報告)，2019-07-14

按聲功率選擇風機。皮帶傳動風機的電動機更易產生機械疲勞損傷而產生傳動噪聲，增大聲源與振源(電動機)振幅強度。風機較高出口風速也較易引發后續送風管內湍流振動和氣流噪聲，因此需要均衡綜合評定風機性能。

皮帶及皮帶盤也是影響風機噪聲的重要環節，根據實踐，其產生的影響可達3～5 dB，對該工程舞臺及觀眾區空調機組風機的皮帶與皮帶盤進行了調整與優化。

風機選型參考工程流體力學實用原則，利用風機性能曲線選擇風機，將同系列而不同規格風機的全壓、功率、轉速與流量的關系表示在同一張對數坐標圖上構成曲線，風機的工作范圍一般規定為設計點最高效率的90%以上的區段。

6.3 觀眾廳靜壓箱(倉)的噪聲控制

觀眾廳下部土建靜壓箱(倉)出風也是影響噪聲控制的重要環節，一般認為靜壓箱(倉)各個出風口的風速控制在1 m/s以內時，氣流噪聲就可以控制了，但實際情況并非如此。根據該工程的實踐經驗，應注意以下問題：

1) 當土建靜壓箱(倉)不能遠離空調機房時，固體傳聲需要充分引起重視，必須采取有效的減振與隔振措施；

2) 當靜壓箱(倉)內有多個出風口時，盡管單個風口的噪聲可控，但需要考慮多個風口噪聲疊加的因素，布置時應盡量拉開距離，高低錯落，不在同一方向，減少互相干擾；

3) 如有條件，風管出風口應適當放大并做成銳口，風管與風口必須固定，避免振動；

4) 消聲器之間應保持一定的距離，消聲器的選擇應有針對性；

5) 靜壓箱(倉)四周內壁應貼吸聲材料。

以上如有一個環節沒有做好將影響噪聲的控制。圖12顯示了靜壓箱(倉)對上述內容進一步調整與優化前后的噪聲值對比，效果較明顯。

圖12 靜壓箱(倉)優化前后實測噪聲對比(3)新晃空調設備有限公司.空調機組、風機測試數據(內部測試報告)，2018

6.4 減振與隔振措施

1) 機房內做浮筑基礎，風機等傳動設備配減振基座及減振器；

2) 機房內壁面貼吸聲材料，做隔聲門；

3) 管道穿墻、穿樓板處用彈性材料進行密封，風管吊架采用彈簧吊架；

4) 當風管進入特殊要求的房間時，采用隔聲、隔振和柔性連接等手段，避免風管產生低頻振動；

5) 冷水機組與水泵等傳動設備配置必要的減振基座及減振器，對機房進行封閉，另外做墻面頂吸聲、隔聲處理及浮筑設備基礎，減少固體傳聲。

6.5 風道系統消聲

當室內聲壓級不能滿足室內允許噪聲標準時，應按其頻率所要求的消聲量來選擇消聲器，室內所需的消聲補償量ΔL[2]為

ΔL=L′A-LA

(1)

式中L′A為風口A聲級噪聲，dB；LA為室內平均A聲級噪聲，dB。

對噪聲控制要求較高的區域及房間，應對空調及通風氣流通過風管產生的噪聲及自然衰減量進行計算[2]：

Lw=10+50lgv+10lgS+Δβ

(2)

式中Lw為風管內氣流A聲級噪聲，dB；v為風管內的風速，m/s；S為風管斷面積，m2；Δβ為相應的倍頻帶聲功率級修正值(查表)，dB。

另外在消聲設計時除了應考慮通風機等設備產生的噪聲外，還應按倍頻帶計算風管系統配置的彎頭、三通等各種異形管件與閥門等產生的噪聲及噪聲自然衰減量，通常稱為氣體噪聲，包括氣流速度過快產生的再生噪聲。

按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[4]計算噪聲自然衰減量，對于直風管，當風速小于5 m/s時，可不計算氣流再生噪聲；風速小于8 m/s時，可不計算噪聲自然衰減量。

在布置風管時應嚴格遵守表3中風速的控制要求，并盡量利用風管走向變化來達到使噪聲自然衰減的目的，當一個系統服務多個房間時，在各支風管上加設消聲器。在系統消聲的設置上應合理并可兼用，布置的消聲器既能降低整個系統的噪聲，又能防止各房間之間的串聲。

表3 風管內的空氣流速[4-5]

無論舞臺、觀眾廳還是其他區域的噪聲，主要通過對空調風機、氣體傳聲與固體傳聲的噪聲進行控制，其中低頻段的噪聲控制尤為重要。該工程根據以上設計原則與條件，對所有空調風機產生噪聲與振動的設備和系統采取一系列有針對性的手段與措施，經過實際運行、測試與調整，取得了較好的效果。

圖13～15顯示了觀眾廳、舞臺整個系統進行多次調整的優化前后噪聲的對比(4)華東建筑設計研究院有限公司聲學及劇院專項設計研究所. 上海九棵樹未來藝術中心劇場噪聲測試報告(內部測試報告)，2019-07-14。

圖13 舞臺優化前后實測噪聲對比

圖14 觀眾廳(池座)優化前后實測噪聲對比

圖15 觀眾廳(樓座)優化前后實測噪聲對比

對噪聲控制有特殊要求的建筑有一定共性與適應性，但真正實施需要對建筑個性進行必要的深入研究與分析，可能還會涉及到更多的具體內容。

7 結語

該工程的設計、施工與安裝歷時2 a多，在國際通用工程總承包(EPC)管理模式下，無論在設計與施工安裝還是質量控制(包括投資控制)上，經過1 a多運行及專業優化調整，充分體現了較高的專業技術水平。在節能環保、空調系統、噪聲控制與配合可變混響調試等方面的內容可供同類工程參考與借鑒。