劇場內(nèi)舞臺和觀眾廳空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

楊紹陽 訾潔 田野

同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

0 引言

本工程為市民演藝中心，劇場滿場座位916 個，其中池座746 座，二層樓座170 座，屬于以戲曲、會議、文藝演出為主的多功能廳堂。觀眾廳有效容積約6500 m3，相應(yīng)的每座容積為8.4 m3/座。劇場舞臺開口尺寸：20 m×7 m，舞臺包括主舞臺、側(cè)舞臺、后臺。臺唇呈圓弧形伸出臺口線外。音控室、燈控室設(shè)于池座后墻的中部。

1 負(fù)荷計(jì)算

如圖1 所示，觀眾廳和劇場部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)較少，主要負(fù)荷為人員、新風(fēng)、燈光、設(shè)備這四個部分。

圖1 劇場建筑平面圖

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》可確定人員、新風(fēng)等條件，觀眾廳人員密度PF（人/m2）＞1.0，估每人最小新風(fēng)量取11 m3/h，舞臺部分人員密度PF（人/m2）≤0.4，每人最小新風(fēng)量取40 m3/h。但劇場部分有大量的燈光設(shè)備，會帶來強(qiáng)烈的輻射和對流熱，具體燈光負(fù)荷計(jì)算可參考以下兩種方式：

1）根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》9.3.5 章節(jié)，白熾燈和熒光燈的散熱量Q（kW）分別按式（1）、（2）計(jì)算：

式中：N 為燈具安裝功率，kW；n1同時使用系數(shù)，視不同場所使用情況而定；n2為鎮(zhèn)流器散熱系數(shù)，鎮(zhèn)流器裝在室內(nèi)時取1.2，裝在吊頂內(nèi)時取1.0；n3為安裝系數(shù)，明裝時為1.0，暗裝且燈罩上部有小孔，利用自然通風(fēng)散熱于頂棚內(nèi)時，取0.5～0.6，暗裝而罩上無孔時，視頂棚內(nèi)通風(fēng)情況取0.6～0.8。

或根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》20.8 章節(jié)要求[1]：照明設(shè)備散熱形成的計(jì)算時刻冷負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)燈具的種類和安裝情況分別計(jì)算。

2）根據(jù)《中小型劇場舞臺燈光設(shè)計(jì)》06D704-2；3.2.1 章節(jié)提供的觀眾容量選取劇場規(guī)模：

中、小型劇場建筑規(guī)模按觀眾容量分為：801～1200 座、300～800 座。

再根據(jù)3.3 章節(jié)選取燈光散熱量：

①中、小劇場舞臺燈光的用電量約為180～240 kW。根據(jù)各劇場的實(shí)際情況而定（此數(shù)值可供前期設(shè)計(jì)參考）。

②中、小劇場燈光散熱量約為120～168 kW（可作為提供給空調(diào)專業(yè)的參考值）[2]。

本工程觀眾廳916 座，屬于中型劇場，冷負(fù)荷指標(biāo)為318 W/m2，其中人體負(fù)荷占比為40%，新風(fēng)負(fù)荷占比40%，照明負(fù)荷占比15%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占比5%。

舞臺冷負(fù)荷指標(biāo)為408 W/m2，其中人體負(fù)荷占比17%，新風(fēng)負(fù)荷占比14%，照明設(shè)備負(fù)荷占比65%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷占比4%。

2 空調(diào)形式

2.1 觀眾廳

從衛(wèi)生和減少冷負(fù)荷考慮，可采用均勻的下送風(fēng)方式（座椅送風(fēng)等）。自下而上送風(fēng)，對室內(nèi)空氣進(jìn)行置換，經(jīng)處理進(jìn)入室內(nèi)的空氣，先經(jīng)過人體后向上排出，帶走燈光與上部熱量，但由于下部送風(fēng)溫差不宜太大，此外腳部和頭部之間的溫差必須小于3 ℃，故送風(fēng)量不能減少[3]。

觀眾廳空調(diào)形式采用座椅送風(fēng)。為減小送風(fēng)溫差，采用二次回風(fēng)系統(tǒng)。送風(fēng)溫差取5 ℃。圖2 為觀眾廳二次回風(fēng)焓濕圖。

圖2 觀眾廳二次回風(fēng)焓濕圖

經(jīng)計(jì)算，新風(fēng)量：10109 m3/h，一次回風(fēng)量：22724 m3/h，二次回風(fēng)量：22326 m3/h，總送風(fēng)量：55159 m3/h。

本工程送風(fēng)溫度為20 ℃，送風(fēng)溫差5 ℃，每個座位的送風(fēng)量約為65 m3/H。此時應(yīng)注意出風(fēng)氣流和噪聲，經(jīng)處理后的空氣以約低于0.2 m/s 的風(fēng)速從風(fēng)口送出，以避免吹風(fēng)感。

2.2 舞臺

舞臺分為主舞臺和側(cè)舞臺，主舞臺部分宜采用噴口側(cè)送風(fēng)，側(cè)舞臺部分可根據(jù)具體情況設(shè)置上送旋流風(fēng)口或側(cè)送百葉。

舞臺部分高20 m，應(yīng)按高大建筑物分層空調(diào)設(shè)計(jì)，根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》22.6.2 章節(jié)，夏季分層空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算可采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，即對分層空調(diào)建筑物按全室空調(diào)進(jìn)行冷負(fù)荷計(jì)算，然后乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a。a=空調(diào)區(qū)分層空調(diào)冷負(fù)荷/全室空調(diào)冷負(fù)荷，常由特定性質(zhì)的高大建筑物經(jīng)實(shí)測與計(jì)算得出，通常a=0.5～0.85。當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時，可取a=0.7。

則，取70%室內(nèi)冷負(fù)荷為空調(diào)區(qū)冷負(fù)荷，根據(jù)焓濕圖（圖3）：

圖3 舞臺一次回風(fēng)焓濕圖

經(jīng)計(jì)算得：新風(fēng)量為7277 m3/h，一次回風(fēng)量為41236 m3/h，總送風(fēng)量為48513 m3/h。

觀眾廳和舞臺的送排風(fēng)口布置及氣流組織如圖4所示。

圖4 觀眾廳和舞臺的送排風(fēng)口布置及氣流組織

觀眾廳座椅送風(fēng)土建靜壓箱內(nèi)宜設(shè)保溫層，一是防止結(jié)露，二是提高送風(fēng)空氣質(zhì)量。土建靜壓箱宜考慮安裝檢修空間，凈空高度最小處0.7～1 m 為宜[4]。

3 非空調(diào)區(qū)域通風(fēng)量的確定

3.1 排風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》P1732，按照要求排除的非空調(diào)區(qū)余熱量，計(jì)算通風(fēng)量：

主要問題在于如何選擇△tp。首先根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A 查濟(jì)南夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度tw=30.9 ℃。

排風(fēng)溫度tp在《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》中無明確計(jì)算方法。僅在公式后有以下說明：

非空調(diào)區(qū)換氣次數(shù)不宜大于3 次/h。有條件時可以充分利用空調(diào)系統(tǒng)多余的低溫排風(fēng)量（包括建筑的其他空調(diào)系統(tǒng)）來排除上部空間熱量，此時通風(fēng)量可適當(dāng)減少。

如圖5 所示，本工程噴口送風(fēng)高度為12 m，則空調(diào)區(qū)高度為12 m，非空調(diào)區(qū)高度為8 m。如按3 次換氣次數(shù)計(jì)算，排風(fēng)量為13000 m3/h。則反算△tp=12 ℃。即tp=tw+△tp=42.9 ℃。

圖5 分層空調(diào)示意圖

如根據(jù)溫度梯度，來確定排風(fēng)溫度tp，參考《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》9.1.2 章節(jié)，空調(diào)區(qū)的溫度梯度較小，宜取0.5 ℃，則工作區(qū)溫度為25 ℃，工作區(qū)高度為2 m，空調(diào)區(qū)與非空調(diào)區(qū)界面處溫度為：25+0.5×(12-2)=30 ℃；非空調(diào)區(qū)溫度梯度，宜取1.5 ℃，非空調(diào)區(qū)排風(fēng)溫度為：30+1.5×8=42 ℃。與上述3 次換氣次數(shù)計(jì)算所得送風(fēng)量相差較小。

但個人認(rèn)為3 次換氣次數(shù)較小，舞臺上方左右兩側(cè)均有機(jī)械控制室，有相應(yīng)人員在此操作，溫度不宜太高，采用5 次換氣，計(jì)算得到L=21500 m3/h，△tp=7.5 ℃，tp=38.3 ℃。較為合適。

總結(jié)，△tp宜為8～12 ℃，換氣次數(shù)宜為3～5 次。

3.2 補(bǔ)風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》P1724，分層空調(diào)氣流組織形式一般有兩種[1]：

第一種空調(diào)區(qū)采用空調(diào)機(jī)組或集中系統(tǒng)送風(fēng)，下部100%回風(fēng)，非空調(diào)區(qū)上部散熱量較大時，由高側(cè)窗自然進(jìn)風(fēng)，屋頂機(jī)械排風(fēng)，以排除上部熱量，冬季屋頂排風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。此做法優(yōu)點(diǎn)是：上部非空調(diào)區(qū)的排風(fēng)，不需要利用空調(diào)排風(fēng)的冷量。氣流沒有交叉。缺點(diǎn)是：如室內(nèi)散逸有害氣體與煙塵，容易使工作區(qū)污染上部進(jìn)風(fēng)量較大如采用屋頂排風(fēng)器，數(shù)量多、投資大、密封差。

第二種空調(diào)區(qū)采用集中空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)，下部80%回風(fēng)，非空調(diào)區(qū)采用高側(cè)窗自然進(jìn)風(fēng)并輔以20%空調(diào)排風(fēng)進(jìn)入非空調(diào)區(qū)，屋頂機(jī)械排風(fēng)，以排除上部熱量。此做法優(yōu)點(diǎn)是：氣流組織形式簡單，設(shè)備費(fèi)用較便宜。充分利用空調(diào)排風(fēng)冷量排除上部熱量。有害氣體、煙塵向上排走，減少對工作區(qū)污染。缺點(diǎn)是：冬季會加大溫度梯度，耗熱量增加，氣流交叉。

如上所述：當(dāng)采用形式一時，下部100%回風(fēng)，上部排風(fēng)按100%補(bǔ)風(fēng)。當(dāng)采用形式二時，15%冷風(fēng)上升至非空調(diào)區(qū)排除上部熱量，5%的風(fēng)量形成室內(nèi)正壓，下部80%回風(fēng)。

本工程空調(diào)系統(tǒng)與形式2 類似，觀眾廳81%回風(fēng)，劇場85%回風(fēng)。

另舞臺和觀眾廳的氣流組織應(yīng)整體考慮，舞臺部分由于各種表演所需要的效果，空氣舒適度和空氣質(zhì)量均低于觀眾廳部分，且由于在表演時舞臺溫度較高，劇場空間的氣流組織應(yīng)由觀眾廳向舞臺流動，即觀眾廳的正壓值應(yīng)略高于舞臺部分[5]，如圖6。

圖6 舞臺和觀眾廳之間的空氣流向

所以舞臺上部非空調(diào)區(qū)補(bǔ)風(fēng)量應(yīng)略小于排風(fēng)量，使舞臺部分的正壓值略低于觀眾廳。

具體風(fēng)量可先按照觀眾廳的正壓值計(jì)算所需要的風(fēng)量L1，再用觀眾廳未回風(fēng)的風(fēng)量L2減去正壓風(fēng)量L1，剩余的風(fēng)量L3可以由觀眾廳流動向舞臺。舞臺部分正壓所需風(fēng)量為L4，舞臺未回風(fēng)的風(fēng)量L5減去正壓風(fēng)量L4，剩余的風(fēng)量6 可通過舞臺上方非空調(diào)區(qū)排風(fēng)機(jī)排出；則舞臺非空調(diào)區(qū)補(bǔ)風(fēng)量為：排風(fēng)機(jī)排風(fēng)量L-觀眾廳多余風(fēng)量L3-舞臺多余風(fēng)量L6。

注：根據(jù)某商場風(fēng)量統(tǒng)計(jì)，如使空調(diào)區(qū)域產(chǎn)生5 Pa 正壓，需空調(diào)區(qū)域0.7 次換氣的風(fēng)量?？勺鰠⒖?。

4 其他

1）舞臺和劇場等大空間采用全空氣系統(tǒng)時，應(yīng)在過渡季時充分利用新風(fēng)作為自然冷源，降低空調(diào)能耗，同時應(yīng)在屋面上設(shè)過渡季排風(fēng)風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量應(yīng)根據(jù)新風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，并可進(jìn)行調(diào)節(jié)。劇場各類電氣附屬房間，如：聲控室、燈控室、電視臺轉(zhuǎn)播室等，均設(shè)置分體空調(diào)。

2）劇場對噪聲控制的要求較高，為達(dá)到規(guī)范所規(guī)定的噪聲要求，在設(shè)計(jì)中采取了如下幾個措施：

①空調(diào)機(jī)房內(nèi)部降噪處理構(gòu)造，采用墻體、頂棚處理后直接噴涂30 mm 厚硬質(zhì)覆面無機(jī)纖維吸聲材料，或采用穿孔硅鈣板內(nèi)填離心玻璃棉，外包密實(shí)玻璃絲布構(gòu)造做法?？照{(diào)機(jī)房內(nèi)部空調(diào)機(jī)組進(jìn)行減振處理：空調(diào)減振基礎(chǔ)可采用100 mm 厚彈性聚乙烯交聯(lián)減振墊層，上鋪120 mm 厚鋼筋混凝土板作為減振基礎(chǔ)取代建筑預(yù)留的空調(diào)基礎(chǔ)（或空調(diào)機(jī)組廠家配套高效的彈簧、橡膠減震器，有效的降低機(jī)組振動對樓地面的影響）。

②嚴(yán)格控制風(fēng)管的風(fēng)速，主風(fēng)管風(fēng)速控制在6 m/s 左右，支風(fēng)管的風(fēng)速控制在3.5 m/s 左右。在消聲器的設(shè)計(jì)中宜采用兩級消聲，空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)管出口處設(shè)置一級消聲，用以降低風(fēng)機(jī)的空氣動力噪聲，消聲器的形式為消聲靜壓箱/消聲器。在空調(diào)機(jī)房分隔墻外的送回風(fēng)管上設(shè)置二級消聲器，用以控制固體噪聲以及風(fēng)閥的再生噪聲。由于通風(fēng)空調(diào)中所用風(fēng)機(jī)的噪聲頻率在200～800 Hz，主要噪聲處于低頻范圍內(nèi)，應(yīng)采用抗性消聲器，如：擴(kuò)張式、共振式、微穿孔板式、消聲靜壓箱[6]。

3）舞臺排煙根據(jù)《劇場建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 57-2016 中8.4 防排煙章節(jié)，當(dāng)舞臺臺塔高度小于12 m 時，可采用自然排煙措施，且排煙窗的凈面積不應(yīng)小子主舞臺地面面積的5%。排煙窗應(yīng)避免因銹蝕或冰凍而無法開啟。在設(shè)置自動開啟裝置的同時，應(yīng)設(shè)置于動開啟裝置。當(dāng)舞臺臺塔高度等于或大于12 m時，應(yīng)設(shè)機(jī)械排煙裝置。其中并沒有具體講排煙量的算法，可根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB 51251-2017 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 總結(jié)

1）劇場內(nèi)觀眾廳區(qū)域負(fù)荷明顯以人員和新風(fēng)負(fù)荷為主，因此觀眾廳空調(diào)應(yīng)以人員數(shù)量為基準(zhǔn)調(diào)控系統(tǒng)更為合理，舞臺區(qū)域則明顯以燈光、設(shè)備散熱負(fù)荷為主，負(fù)荷更趨于穩(wěn)定。

2）劇場內(nèi)觀眾廳采用座椅送風(fēng)形式，二次回風(fēng)系統(tǒng)可在滿足舒適性的同時減少空調(diào)能耗，舞臺區(qū)域燈光設(shè)備散熱集中在舞臺上部，則采用分層空調(diào)形式更為合理。