高聲學(xué)歌劇院空調(diào)系統(tǒng)降噪技術(shù)研究與實施

王文熙

上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

為了達(dá)到舒適性和聲學(xué)效果的完美統(tǒng)一，高聲學(xué)歌劇院類的建筑通常對場內(nèi)的氣流組織分布及隔聲降噪措施有著極高的要求。在實施高標(biāo)準(zhǔn)要求的過程中，空調(diào)系統(tǒng)作為歌劇院內(nèi)不可或缺的系統(tǒng)之一，其作用是不可估量的。對于機電安裝過程更是如此，由于部分大型設(shè)備（如空調(diào)箱中的風(fēng)機）在運行時會產(chǎn)生劇烈的振動，因此稍有疏忽就可能造成系統(tǒng)運行噪聲過大等問題，而盲目地實施各類降噪措施容易導(dǎo)致系統(tǒng)的風(fēng)量、冷量、水量或電力負(fù)荷量不滿足建筑功能需求，從而嚴(yán)重影響人們的視聽體驗。因此，在機電系統(tǒng)的施工過程中，應(yīng)充分研究結(jié)合人員體驗，兼顧系統(tǒng)降噪，以尋求最佳解決辦法，避免工程成本及工期損失，進而滿足場所內(nèi)高水準(zhǔn)的要求。而高聲學(xué)歌劇院混響時間較長，對劇場的升學(xué)性能要求較高，隨著聲音的豐滿度上升，聲音的清晰度會相應(yīng)的降低，而環(huán)境噪聲，尤其是空調(diào)系統(tǒng)的噪聲干擾是高聲學(xué)歌劇院遇到的主要環(huán)境噪聲源頭。選擇解決空調(diào)系統(tǒng)噪聲的方式方法也特別重要，尤其是風(fēng)口的形式、風(fēng)場的均勻布置、渦流的處理等。

近幾年來，風(fēng)管隔聲氈在大型劇院中的使用越來越普遍，但缺乏良好的施工工藝作指導(dǎo)，先前的研究已初步給出了隔聲氈的施工方法[1-2]，但當(dāng)時的研究只圍繞如何排除隔聲氈與風(fēng)管間的氣泡展開，并未對粘貼牢固性作出分析，故本文在此基礎(chǔ)上作了優(yōu)化工藝的敘述，并通過試驗的方式兼顧膠水的性能與價格，采用經(jīng)濟的措施進一步防止隔聲氈粘貼后，管道在投入運營后的掉落。此外，數(shù)字化技術(shù)在施工領(lǐng)域逐漸發(fā)揮出不可估量的作用，數(shù)字化仿真預(yù)測也運用在機電工程實施前的各種深化設(shè)計指導(dǎo)中，但對于劇院類建筑的模擬計算大部分局限于校核設(shè)計的流速、溫度或濕度參數(shù)[3]，且仿真中常會忽視建筑的其他復(fù)核對溫度場的影響，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果偏離實際，更無法深層次發(fā)現(xiàn)具體問題發(fā)生的區(qū)域和提供改善意見。本文采用了數(shù)字化計算流體力學(xué)數(shù)值仿真的技術(shù)，對建設(shè)前期的風(fēng)管內(nèi)部氣流、池座內(nèi)部氣流、劇院內(nèi)部氣流的流動和溫度影響展開了仿真模擬，仿真結(jié)果除了能指導(dǎo)現(xiàn)場的深化設(shè)計和調(diào)試工作外，還對設(shè)計工況下劇院內(nèi)可能存在的渦流區(qū)位置進行了分析，以進一步發(fā)現(xiàn)和解決問題。最后，傳統(tǒng)工程中對于消聲器和減振器的選擇均存在盲目性，先前的工程介紹了隔振墊和隔振器的選擇方案，但忽視了隔振效率，故本文將對此進行適當(dāng)?shù)难a充說明。

本文選取的研究對象為上海音樂學(xué)院歌劇院項目，項目建筑總面積為32 536.02 m2，其中17 546.64 m2為地下建筑面積，14 989.38 m2為地上建筑面積，3層為地下，5層為地上。根據(jù)建筑要求，NR17為部分地區(qū)的聲學(xué)要求，與國內(nèi)同類建筑類型相比，NR20為目前最高的聲學(xué)要求，聲學(xué)要求越低，施工就更為嚴(yán)格，建筑難度就更大。因此，在機電安裝各專業(yè)施工過程中，必須嚴(yán)格遵守設(shè)計要求，作為具有豐富經(jīng)驗的大型機電承包商，必須優(yōu)化和完善以前的建筑材料和技術(shù)工藝，從而使項目的質(zhì)量得到保證。

1 空調(diào)系統(tǒng)降噪關(guān)鍵技術(shù)

本工程采用座位送風(fēng)技術(shù)，將風(fēng)管布置于歌劇院池座底部的空腔內(nèi)，氣流從風(fēng)管側(cè)面的出風(fēng)口流出，通過座位處預(yù)留的送風(fēng)口將氣流送至劇場內(nèi)。由于氣流組織無法實現(xiàn)可視化，工程中通常采用發(fā)煙試驗來粗略判斷氣流的方向和速度，但此種方法的低精度和高污染性，往往會造成工程成本的增加。因此本工程在參考以往歌劇院類工程相關(guān)經(jīng)驗后，采用模擬仿真技術(shù)對流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）進行計算，在工程前期對歌劇院內(nèi)氣流組織進行模擬預(yù)測，所得到的結(jié)果將為今后的施工和調(diào)試提供參考。

由于劇院內(nèi)池座形狀不規(guī)則，整體模型比較復(fù)雜，從而使后續(xù)建模和網(wǎng)格劃分較困難，模型計算量大且精度較低，因此本次僅選取整體劇場的1/3作為仿真模型進行研究，建模效果如圖1所示。

圖1 池座區(qū)模型

為使模擬結(jié)果更精確，在模型頂部增加部分照明負(fù)荷，風(fēng)口送風(fēng)和室內(nèi)溫度分別設(shè)置為18.0 ℃和32.4 ℃，風(fēng)口送風(fēng)速度根據(jù)設(shè)計要求設(shè)為0.75 m/s。本次模擬分兩部分來進行，先對池座內(nèi)部氣流組織進行模擬，再對劇場內(nèi)溫度場進行模擬。經(jīng)過對池座內(nèi)部氣流組織進行仿真計算，得到其流速分布如圖2所示，流向分布如圖3所示。

圖2 池座內(nèi)氣流速度分布

圖3 池座內(nèi)氣流流向分布

由圖2可以看出，風(fēng)管口的氣流充分?jǐn)U散在池座內(nèi)部，但由于缺少氣流的補充，在2根風(fēng)管之間及風(fēng)口下部的區(qū)域流速較低，因此在實際的深化設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能減小無風(fēng)口側(cè)的相鄰風(fēng)管間距。對圖3進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在池座內(nèi)一共形成3個明顯的渦流區(qū)，其中兩風(fēng)管間的渦流區(qū)是由于此區(qū)域沒有送風(fēng)口，且與周邊區(qū)域的氣流速度相差較大所導(dǎo)致的，而兩側(cè)的渦流區(qū)同樣是由于區(qū)域內(nèi)流速較小所造成的。為了盡可能縮小渦流區(qū)面積，讓流場分布更合理，可通過減小風(fēng)管、風(fēng)口間距及調(diào)節(jié)吹風(fēng)角度來解決。

對劇場內(nèi)溫度場進行模擬，經(jīng)分析可以得出劇場內(nèi)由于風(fēng)口數(shù)量較多且分布均勻，因此整體的溫度場分布較均勻，室內(nèi)的舒適性較好，但在靠近舞臺及墻面位置溫度稍高，還有待進一步優(yōu)化。

2 隔聲氈施工工藝改良

隨著新型建筑材料的不斷發(fā)展，隔聲氈因密度大、自身不易振動、貼敷金屬風(fēng)管表面可有效阻止管壁振動等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)管的隔聲降噪技術(shù)中。在實施過程中，隔聲氈往往存在脫落的現(xiàn)象，在一定程度上影響了降噪的效果。一方面主要是由于風(fēng)管管壁與隔聲氈之間存在微小空隙，造成隔聲氈與風(fēng)管本體的黏結(jié)性較差；另一方面是風(fēng)管在貼完隔聲氈后還需粘貼保溫棉，而保溫棉與隔聲氈之間僅用保溫釘固定，且保溫釘沒有直接釘在風(fēng)管本體上，最終導(dǎo)致隔聲氈脫落。經(jīng)過實踐與研究，本次得到的優(yōu)化方案是：使用厚度為30 mm的鍍鋅鐵皮包裹在隔聲氈外側(cè)，不僅對隔聲氈起到加固作用，而且還可以在鐵皮上粘貼保溫釘，從而使絕緣棉粘貼失敗的問題得到解決，即隔聲氈施工工藝，如圖4所示。

圖4 隔聲氈施工工藝的優(yōu)化

隔聲氈的具體施工方法為：清理風(fēng)管表面的灰塵→隔聲氈下料→隔聲氈滿刷膠水→風(fēng)管表面滿刷膠水→粘貼隔聲氈，并用刮刀平整隔聲氈內(nèi)的氣泡→用木槌敲出剩余的不平部分→切掉邊角多余的隔聲氈→用厚30 mm的鍍鋅鋼條加固→清理隔聲氈表面的灰塵，放在干燥通風(fēng)條件好的地方。

在隔聲氈粘貼過程中，膠水本身的性能作為一個主要因素最終會對黏結(jié)牢固性造成影響，本文根據(jù)隔聲氈施工工藝，研究了選擇的膠水及其建筑環(huán)境影響的黏結(jié)牢固性。如表1所示，在測試中選擇的3項主要膠水標(biāo)準(zhǔn)為：價格較低的是膠水1，價格較高的是膠水3；膠水3價格高出膠水2的30%，是膠水1的2.5倍。

表1 不同膠水的性能對比

每種黏附劑將5個不同規(guī)格的風(fēng)管黏附起來，在連續(xù)48 h的黏附后進行測試（圖5），以確保膠水完全黏附并使有機物從膠水中完全揮發(fā)。如果在48 h的試驗期間，風(fēng)管中5個部分的任何一部分存在質(zhì)量缺陷，則外界質(zhì)量可被視為對膠水黏附的強度產(chǎn)生了不利影響，試驗結(jié)束。

圖5 不同種類膠水的黏結(jié)牢固性試驗

將3種膠水對風(fēng)管本體的黏結(jié)強度進行比較，試驗表明膠水2和膠水3能夠滿足試驗要求，通過比較二者的經(jīng)濟性，證實在通風(fēng)與管道工程中較為適合的是膠水2。

3 彈簧減振器和消聲器的優(yōu)化選型

在整個風(fēng)管系統(tǒng)中，除了隔聲氈的施工質(zhì)量會影響到隔聲效果外，彈簧減振支架與消聲器的正確選擇與否，也會對系統(tǒng)的降噪效果產(chǎn)生一定影響。在先前的項目中，對于風(fēng)管支吊架彈簧減振器和消聲器的選擇，項目方通常會直接參照設(shè)計圖中給定的型號來進行采購與安裝；若圖紙中沒有標(biāo)明型號，項目方就會憑借以往經(jīng)驗進行選型采購。以上2種選型過程，都無法對其性能參數(shù)進行校核與優(yōu)化，從而有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的隔聲效果差、采購成本過高。

彈簧減振器的選型方案在與相關(guān)單位咨詢溝通后得知，需要考慮隔振效率和承重量2個因素。以往工程一般只注意承重而忽視隔振效率，導(dǎo)致錯誤選型，影響效果。同時，選型還要充分考慮彈簧減振器的承重量，將所得結(jié)果與廠家提供的彈簧減振器參數(shù)表進行比對選型，確保隔振降噪效果，節(jié)約建設(shè)成本。

在原模型中，ZP100為歌劇院空調(diào)系統(tǒng)的消聲器型號，但對比制造商提供的超強降噪消聲器性能參數(shù)與設(shè)計要求，發(fā)現(xiàn)以前提供的消聲器不能滿足設(shè)計要求。以上問題在項目小組發(fā)現(xiàn)后，通過多方溝通比對，找到了符合本項目聲學(xué)設(shè)計要求的消聲器，隨即向建設(shè)方提出建議將原有消聲器改為超強消聲器。與普通消聲器相比，超強消聲器中的消聲片均布置在消聲器內(nèi)部，且尺寸更大，外部還需設(shè)置保溫棉，對低、高頻噪聲的降噪效果更為顯著，更換后的消聲器總長為1 500 mm，性能檢測參數(shù)如表2所示。

表2 超強降噪阻性消聲器的檢測參數(shù)

4 結(jié)語

本項目以上海音樂學(xué)院歌劇院機電工程建設(shè)為研究背景，展開了滿足高聲學(xué)要求的空調(diào)系統(tǒng)降噪施工關(guān)鍵技術(shù)研究，通過對池座內(nèi)氣流組織的仿真、施工中隔聲氈施工方案的優(yōu)化和測試、彈簧減振器和消聲器的優(yōu)化選型以及送風(fēng)套管的精準(zhǔn)定位等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展研究，制定了一系列具有針對性的施工工藝和方法，確保了歌劇院整體滿足NR20的聲學(xué)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，其中管弦樂排演教室測試數(shù)據(jù)在空調(diào)開和關(guān)的工況下為NR16和NR15，高于設(shè)計要求的NR17標(biāo)準(zhǔn)，得到的結(jié)論如下：

1）利用數(shù)字化仿真模型進行劇院內(nèi)氣流組織預(yù)測分析，驗證了座椅下送風(fēng)技術(shù)有利于提高整體氣流和溫度場的均勻性，同時建議通過改變風(fēng)管間距、風(fēng)口位置及風(fēng)口吹風(fēng)角度等措施可以更好解決池座內(nèi)氣流的不均勻性。

2）風(fēng)管隔聲氈鍍鋅鋼條的外包形式可以提高隔聲氈與導(dǎo)管體的連接性能，解決風(fēng)管隔聲氈后期脫落的問題；同時本文比較了3種膠水的黏附強度，最終選擇性價比最高的聚乙烯醇膠。

3）對消聲減振的機電施工方案進行優(yōu)化，具體為針對消聲器選型和隔振支架的選取進一步合理化，使系統(tǒng)內(nèi)的降噪效果得以提升，相比以往傳統(tǒng)工程的施工有所突破。

劇院類建筑由于特殊的聲學(xué)要求和觀感要求，對于空調(diào)系統(tǒng)提出了很高的降噪和氣流均勻性的要求。本文在收集了以往同類工程各種問題和吸取各類教訓(xùn)后，介紹了傳統(tǒng)降噪減振施工工藝容易忽視的共性問題和解決方案，對民用建筑內(nèi)消聲減振的機電安裝工程有指導(dǎo)意義，特別在劇院數(shù)字化仿真領(lǐng)域提供了一定借鑒，可進一步推動行業(yè)的前進步伐，具有很好的社會和經(jīng)濟效益。