上海某游乐项目剧院的暖通设计技术

刘芳周鹏

同济大学建筑设计研究院（集团)有限公司

1 项目概况

本项目的剧院主要由一个1 229座观众大厅、主舞台与侧台及后台排演厅、公共服务空间、交通辅助用房等组成，总建筑面积6 422.59m2，地上2层，局部三层（2-3轴观众公共卫生间及上方区域），地上建筑面积5 741.61m2，地下1层，地下建筑面积680.98 m2。剧院的功能需求为兼顾白天主题乐园的轮场演出和夜晚的正式的综合演出。

本项目的空调冷冻水集中能源站连接管网供应。冷冻水供水来自冷源中心6.7℃；冷冻水回水来自空气处理机组的冷盘管17.8℃；风机盘管的冷盘管15.0℃；全新风处理机组的冷盘管21.1℃；厨房补风处理机组26.7℃；

从集中能源换热站供应到各个单体建筑冷冻水管热力入口处安装BTU能量计或具有比例积分流量计，进行现场EMS能源监控。

本项目空调热水由集中能源站连接管网供应，由循环水泵将热水输送至各单体的空调箱及风机盘管等空调末端。集中能源站的一次热水供/回水温度87.8℃/65.6℃，空调末端二次侧的热水供/回水温度为60℃/50℃。

剧院所有区域均采用全空气系统，所有风机均配置变频控制装置。其中剧院观众厅为座椅下送风型式，室内气流组织形式为下送上回方式，采用多区域送风空调机组，池座和楼座设置不同的送风温度；剧院舞台为上送下回方式，门厅为上送下回方式。除BOH区域及控制室外其余区域全空气空调系统均采用双风机和板式显热交换器空调机组。冬、夏季利用排风中的冷（热）量预冷（或预热）引入的新风，过渡季可采用全新风运行，板式显热回收段设置过渡季旁通，利用自然的免费能源。BOH区域24小时连续运行的电气设备用房独立设置全空气系统，独立处理电气设备用房的余热。全空气空调机组及新风机组安装初效过滤装置（G4）及中效除尘净化装置(F7)，人员密集场所设置杀菌、空气净化装置，以保证室内空气品质的要求。空调末端水系统均为四管制，异程式；各区域回水主干管上均设置水力平衡阀和温控电动两通阀（风机盘管为开关型）。

本工程设有能源管理系统（EMS），空调系统末端空气处理机组和通风系统设备的运行状况、故障报警及启停控制均可在该系统中显示和操作，另可根据室内设定的空气参数值控制相关机组的运行，以实现室内空气温度控制、湿度控制及一氧化碳/二氧化碳含量控制的要求。

2 CFD模拟技术在剧场中的运用

FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。通过该软件的运用，可以实现以下模拟目标值：

（1）原设计系统的评估：利用CFD软件模拟，研究原设计空调系统气流组织情况下的空间内的温、湿度场及速度场的分布特性。

（2）空调方案效果的预测：利用CFD软件，对剧场内的空气速度场、温度场分布进行模拟，预测不同空调方案的气流组织的效果，以确保提供合适的室内环境。

（3）空调气流组织优化：利用CFD软件模拟，对空调气流组织方式进行优化，通过调整气流组织方式、改变风量及其他有关措施及时解决所发现的问题，以达到符合要求的空调效果。

（4）末端设备优化：结合空调风口的结构形式和送风状态参数，对空调系统的送、回风的风口气流分布特性进行研究。

（5）空调系统节能：对空调系统的经济运行模式进行研究，探讨空调满负荷率和部分负荷率情况下的变风量运行方式，确定影响空调效果以及能耗的主要因素，并结合空调系统的运行模式，提出最优化的经济运行模式。

在最初的设计中采用的是普通的矩形风口。舞台的排风口设置在舞台的两侧（空间位置位于送风口的外侧），舞台的排风补风口设于舞台的前方靠近观众区的一侧。具体模型建图2.1：

根据排烟要求，采用观察两分钟以后整个空间的风速分布来确定舞台排烟效果的好坏。本模拟采用动态模拟的方式，设定时间步长为5s，因为只考虑舞台的排烟效果，模拟计算过程中并未考虑能量方程。

图2 .1舞台排烟模型1

计算结果如下：

我们选取Y方向（舞台纵向）上的不同截面来对比两个工况的分布情况，在这里只列出最为典型且最具代表性的距离幕布1500mm处的风速分布情况如图2.2和图2.3：

图2 .2工况1 Y=1500处的风速分布

图2 .3工况2 Y=1500处的风速分布

从模拟结果我们可以得到以下结论：

（1）两个工况下，舞台表演区域的风速普遍都比较低，一般都不超过0.4m/s;

（2）由于工况1换次的次数是工况2的两倍，工况1的风速分布要明显好于工况2，与模拟结果吻合。

（3）在模拟结束后，通过继续的非稳态计算，将时间推至4分钟，结果与之前2分钟的结果并无明显差异。

可以看出，模拟结果完全达不到实际的排风要求，这是由以下原因造成。首先，送风口、排风口、补风口都在舞台的两侧，气流从送风口吹出后，气流运行不远，就被排风口吸回，形成了气流短路。另外，送风口采用的是普通矩形散流器，由于风口较高，不可能将气流输送到舞台的表演区域，达不到扰乱气流的目的。在空调工况下时，也不可能产生良好的结果。

因此，我们将原来位于舞台两侧的排风口移至舞台后方上空，避免形成气流的短路。

新模型如下：

图2 .4舞台排烟模型2

此次排风模拟采用3个工况，换气次数分别定为4次/h、6次/h和8次/h。

具体风量分配见表1：

表1 风量分配表

计算结果如下：

图2 .5工况1距地面1m风速分布

图2 .6工况1地面风速分布

由于风量较小，补风口吹入室内的风量很小，不难看出，补风口周围流速较低，整个空间的速度分布也并不理想。

图2 .7工况2距地面1m风速分布

图2 .8工况2地面风速分布

由于风量的加大，可以明显的看到补风口处风的吹出，并且，整个空间的气流分布也要好于工况1.

图2 .9工况3距地面1m的风速分布

图2 .10工况3地面的风速分布

随着风量的继续加大，补风口处吹出的风对整个舞台区域的气流产生了巨大的影响，整个空间的气流由于补风口风量的加大而加大。

不难看出，工况3的风速分布最利于舞台烟雾的排出，而工况2虽然比工况3的风速稍微低了一点，但是仍然有较好的风速分布。工况1由于补风口风速过小，整个空间的气流并未活跃起来。所以，相对于工况2、工况3来说，工况1气流组织较差，不利于空间烟气的排出。综合考虑到能耗，空调、风机容量等因素，最后确定工况2，即6次/h的换气次数作为最终的设计参数。

观众区域夏季送风温度19℃，冬季送风温度28℃，室内负荷严格参照所提供的负荷计算书，建立模型如下：

图2 .11观众区模型

图2 .12夏季温度分布中区

经过模拟计算，得到如下结果：

夏季的温度分布基本都处于比较合理的范围之内，楼座的温度要比一层观众区温度稍高些。一层的温度一般为23℃左右，楼座的温度则为25℃左右，这与送风口的设置，以及冷空气下沉等因素有关，从图中可以看到温度分层的趋势。

本研究所做的工作和得到的结论有：

（1）通过建立舞台的排风模型对舞台的排风工况进行模拟，并比较了不同工况下排风效果的好坏程度，最后确定两侧上送下补，舞台后部上方排风的形式，换气次数6次/h，补风量和送风量相等，均为3次/h；

（2）模拟舞台的空调工况，对舞台夏季和冬季的空调效果进行分析，最后确定送风量为40 000m3/h；

图2 .13夏季温度分布左区

图2 .14夏季温度分布右区

（3）建立局部模型验证座椅送风的空调效果，并对两种工况下的温湿度分布情况进行比较，得出两种工况都能为人员提供舒适的环境，最后综合考虑其他因素，确定选用送风柱直径为250mm的座椅送风口；

（4）建立剧院观众区的整体模型，模拟舞台整体的空调效果，得出座椅送风系统的设计可以满足整个观众区人员的舒适度要求。

3 剧场送风方式

考虑到剧场观众厅楼座与池座的温度分层现象，本项目采用了双风道空调系统，通过调整出风温度和湿度，最大限度的实现观众的舒适度及降低空调能耗。空调箱结构功能段及控制原理图如下：

4 REVIT 3D建筑信息技术在剧场中的运用

BIM（building information modeling）的全称是建筑信息模型，该技术已经在世界范围的工程领域得到广泛应用，并不断发展，被中国政府列为“十二五”计划重点攻关项目。BIM的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，这些数据库信息在建筑全过程中动态变化调整，并可以及时准确的调用系统数据库中包含的相关数据，加快决策进度、提高决策质量，从而提高项目质量，降低项目成本，增加项目利润。

传统的二维图纸设计中，在结构、水暖电等各专业设计图纸汇总后，由总图工程师人工发现和解决不协调问题，这将耗费建筑结构设计师和安装工程设计师大量时间和精力，影响工程进度和质量。由于采用二维设计图来进行会审，人为的失误在所难免，使施工出现返工现象，造成建设投资的极大浪费，并且还会影响施工进度。

应用BIM技术进行三维管线的碰撞检查，不但能够彻底消除硬碰撞、软碰撞，优化工程设计，减少在建筑施工阶段可能存在的错误损失和返工的可能性，而且优化净空，优化管线排布方案。最后施工人员可以利用碰撞优化后的三维管线方案，进行施工交底、施工模拟，提高施工质量、同时也提高了与业主沟通的能力。

在该剧院的施工图绘制过程中，运用REVIT软件，由建筑专业首先建立土建三维信息模型，结构进行梁和柱的配合建模，室内设计专业建立吊顶模型。在外壳模型完成之后，水暖电专业按照二维图纸信息在REVIT软件中建模。各工种完成建模后，进行了综合碰撞检测，找到多处管线碰撞点。

以此为依据，各专业通过多次协商讨论，进行了优化调整管线的走向和尺寸，完成了吊顶净空内的优化布置。并对管线穿墙留洞预埋工作进行了精确定位。

可在REVIT模型中对各层级各标高进行剪切，更为直观地观察到各空间内的管线布置情况。下图为上层大厅12米标高处所看到的建筑内部管线。

5 总结

在该剧院的暖通设计中，方案阶段运用到了能耗模拟软件TRANE 7.0，得出下送风方式比上送风节能5%～10%。由于未参与方案设计，本文仅对初步及施工图阶段运用的新技术做了详细介绍。

CFD技术的运用，对于舞台特效排烟及空调效果进行了不同工况的模拟分析，最终确定出最佳的送排风口位置及换气次数。在保证排烟效果的前提下，最大限度减少了风机能耗及空调补风能耗。并得出了舞台空调送风参数及变风量运行的指导性建议。

“可视化”的三维数字建模技术（BIM）的运用，为建筑师、结构工程师及水电暖工程师、开发商乃至最终用户等各环节人员提供“模拟和分析”。使得各专业从管线综合协调到室内装修配合，最大限度地利用了吊顶净空，节约利用了空间。

随着现代城市发展规模的扩大及速度的加快，建筑结构和空间越来越复杂，对设计人员的挑战也越来越大。因此有必要在设计过程中运用各种新型先进技术，完善设计人员的设计过程。从开始的方案到最终图纸的完成，再到施工配合，建立完整的施工指导信息。真正实现节材、节地、节能、节水以及环保需求。