高聲學歌劇院空調系統(tǒng)降噪技術研究與實施

王文熙

上海市安裝工程集團有限公司 上海 200080

為了達到舒適性和聲學效果的完美統(tǒng)一，高聲學歌劇院類的建筑通常對場內的氣流組織分布及隔聲降噪措施有著極高的要求。在實施高標準要求的過程中，空調系統(tǒng)作為歌劇院內不可或缺的系統(tǒng)之一，其作用是不可估量的。對于機電安裝過程更是如此，由于部分大型設備（如空調箱中的風機）在運行時會產生劇烈的振動，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致系統(tǒng)的風量、冷量、水量或電力負荷量不滿足建筑功能需求，從而嚴重影響人們的視聽體驗。因此，在機電系統(tǒng)的施工過程中，應充分研究結合人員體驗，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，進而滿足場所內高水準的要求。而高聲學歌劇院混響時間較長，對劇場的升學性能要求較高，隨著聲音的豐滿度上升，聲音的清晰度會相應的降低，而環(huán)境噪聲，尤其是空調系統(tǒng)的噪聲干擾是高聲學歌劇院遇到的主要環(huán)境噪聲源頭。選擇解決空調系統(tǒng)噪聲的方式方法也特別重要，尤其是風口的形式、風場的均勻布置、渦流的處理等。

近幾年來，風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，先前的研究已初步給出了隔聲氈的施工方法[1-2]，但當時的研究只圍繞如何排除隔聲氈與風管間的氣泡展開，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，數字化技術在施工領域逐漸發(fā)揮出不可估量的作用，數字化仿真預測也運用在機電工程實施前的各種深化設計指導中，但對于劇院類建筑的模擬計算大部分局限于校核設計的流速、溫度或濕度參數[3]，且仿真中常會忽視建筑的其他復核對溫度場的影響，導致預測結果偏離實際，更無法深層次發(fā)現具體問題發(fā)生的區(qū)域和提供改善意見。本文采用了數字化計算流體力學數值仿真的技術，對建設前期的風管內部氣流、池座內部氣流、劇院內部氣流的流動和溫度影響展開了仿真模擬，仿真結果除了能指導現場的深化設計和調試工作外，還對設計工況下劇院內可能存在的渦流區(qū)位置進行了分析，以進一步發(fā)現和解決問題。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的補充說明。

本文選取的研究對象為上海音樂學院歌劇院項目，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。根據建筑要求，NR17為部分地區(qū)的聲學要求，與國內同類建筑類型相比，NR20為目前最高的聲學要求，聲學要求越低，施工就更為嚴格，建筑難度就更大。因此，在機電安裝各專業(yè)施工過程中，必須嚴格遵守設計要求，作為具有豐富經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工藝，從而使項目的質量得到保證。

1 空調系統(tǒng)降噪關鍵技術

本工程采用座位送風技術，將風管布置于歌劇院池座底部的空腔內，氣流從風管側面的出風口流出，通過座位處預留的送風口將氣流送至劇場內。由于氣流組織無法實現可視化，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經驗后，采用模擬仿真技術對流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）進行計算，在工程前期對歌劇院內氣流組織進行模擬預測，所得到的結果將為今后的施工和調試提供參考。

由于劇院內池座形狀不規(guī)則，整體模型比較復雜，從而使后續(xù)建模和網格劃分較困難，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

為使模擬結果更精確，在模型頂部增加部分照明負荷，風口送風和室內溫度分別設置為18.0 ℃和32.4 ℃，風口送風速度根據設計要求設為0.75 m/s。本次模擬分兩部分來進行，先對池座內部氣流組織進行模擬，再對劇場內溫度場進行模擬。經過對池座內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 池座內氣流速度分布

圖3 池座內氣流流向分布

由圖2可以看出，風管口的氣流充分擴散在池座內部，但由于缺少氣流的補充，在2根風管之間及風口下部的區(qū)域流速較低，因此在實際的深化設計過程中，應盡可能減小無風口側的相鄰風管間距。對圖3進行分析，可以發(fā)現在池座內一共形成3個明顯的渦流區(qū)，其中兩風管間的渦流區(qū)是由于此區(qū)域沒有送風口，且與周邊區(qū)域的氣流速度相差較大所導致的，而兩側的渦流區(qū)同樣是由于區(qū)域內流速較小所造成的。為了盡可能縮小渦流區(qū)面積，讓流場分布更合理，可通過減小風管、風口間距及調節(jié)吹風角度來解決。

對劇場內溫度場進行模擬，經分析可以得出劇場內由于風口數量較多且分布均勻，因此整體的溫度場分布較均勻，室內的舒適性較好，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、貼敷金屬風管表面可有效阻止管壁振動等優(yōu)點，被廣泛應用于風管的隔聲降噪技術中。在實施過程中，隔聲氈往往存在脫落的現象，在一定程度上影響了降噪的效果。一方面主要是由于風管管壁與隔聲氈之間存在微小空隙，造成隔聲氈與風管本體的黏結性較差；另一方面是風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管本體上，最終導致隔聲氈脫落。經過實踐與研究，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，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：清理風管表面的灰塵→隔聲氈下料→隔聲氈滿刷膠水→風管表面滿刷膠水→粘貼隔聲氈，并用刮刀平整隔聲氈內的氣泡→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牢固性造成影響，本文根據隔聲氈施工工藝，研究了選擇的膠水及其建筑環(huán)境影響的黏結牢固性。如表1所示，在測試中選擇的3項主要膠水標準為：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，風管中5個部分的任何一部分存在質量缺陷，則外界質量可被視為對膠水黏附的強度產生了不利影響，試驗結束。

圖5 不同種類膠水的黏結牢固性試驗

將3種膠水對風管本體的黏結強度進行比較，試驗表明膠水2和膠水3能夠滿足試驗要求，通過比較二者的經濟性，證實在通風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

在整個風管系統(tǒng)中，除了隔聲氈的施工質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)的降噪效果產生一定影響。在先前的項目中，對于風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計圖中給定的型號來進行采購與安裝；若圖紙中沒有標明型號，項目方就會憑借以往經驗進行選型采購。以上2種選型過程，都無法對其性能參數進行校核與優(yōu)化，從而有可能導致系統(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，將所得結果與廠家提供的彈簧減振器參數表進行比對選型，確保隔振降噪效果，節(jié)約建設成本。

在原模型中，ZP100為歌劇院空調系統(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與設計要求，發(fā)現以前提供的消聲器不能滿足設計要求。以上問題在項目小組發(fā)現后，通過多方溝通比對，找到了符合本項目聲學設計要求的消聲器，隨即向建設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部，且尺寸更大，外部還需設置保溫棉，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，性能檢測參數如表2所示。

表2 超強降噪阻性消聲器的檢測參數

4 結語

本項目以上海音樂學院歌劇院機電工程建設為研究背景，展開了滿足高聲學要求的空調系統(tǒng)降噪施工關鍵技術研究，通過對池座內氣流組織的仿真、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)化選型以及送風套管的精準定位等關鍵環(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的聲學建設標準，其中管弦樂排演教室測試數據在空調開和關的工況下為NR16和NR15，高于設計要求的NR17標準，得到的結論如下：

1）利用數字化仿真模型進行劇院內氣流組織預測分析，驗證了座椅下送風技術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管間距、風口位置及風口吹風角度等措施可以更好解決池座內氣流的不均勻性。

2）風管隔聲氈鍍鋅鋼條的外包形式可以提高隔聲氈與導管體的連接性能，解決風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要求和觀感要求，對于空調系統(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，對民用建筑內消聲減振的機電安裝工程有指導意義，特別在劇院數字化仿真領域提供了一定借鑒，可進一步推動行業(yè)的前進步伐，具有很好的社會和經濟效益。