剧场内舞台和观众厅空调系统设计分析

2021-08-29杨绍阳訾洁田野

建筑热能通风空调 2021年7期

杨绍阳訾洁田野

同圆设计集团有限公司

0 引言

本工程为市民演艺中心，剧场满场座位916 个，其中池座746 座，二层楼座170 座，属于以戏曲、会议、文艺演出为主的多功能厅堂。观众厅有效容积约6500 m3，相应的每座容积为8.4 m3/座。剧场舞台开口尺寸：20 m×7 m，舞台包括主舞台、侧舞台、后台。台唇呈圆弧形伸出台口线外。音控室、灯控室设于池座后墙的中部。

1 负荷计算

如图1 所示，观众厅和剧场部分外围护结构较少，主要负荷为人员、新风、灯光、设备这四个部分。

图1 剧场建筑平面图

根据《公共建筑节能设计标准》和《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》可确定人员、新风等条件，观众厅人员密度PF（人/m2）＞1.0，估每人最小新风量取11 m3/h，舞台部分人员密度PF（人/m2）≤0.4，每人最小新风量取40 m3/h。但剧场部分有大量的灯光设备，会带来强烈的辐射和对流热，具体灯光负荷计算可参考以下两种方式：

1）根据《实用供热空调设计手册》9.3.5 章节，白炽灯和荧光灯的散热量Q（kW）分别按式（1）、（2）计算：

式中：N 为灯具安装功率，kW；n1同时使用系数，视不同场所使用情况而定；n2为镇流器散热系数，镇流器装在室内时取1.2，装在吊顶内时取1.0；n3为安装系数，明装时为1.0，暗装且灯罩上部有小孔，利用自然通风散热于顶棚内时，取0.5～0.6，暗装而罩上无孔时，视顶棚内通风情况取0.6～0.8。

或根据《实用供热空调设计手册》20.8 章节要求[1]：照明设备散热形成的计算时刻冷负荷，应根据灯具的种类和安装情况分别计算。

2）根据《中小型剧场舞台灯光设计》06D704-2；3.2.1 章节提供的观众容量选取剧场规模：

中、小型剧场建筑规模按观众容量分为：801～1200 座、300～800 座。

再根据3.3 章节选取灯光散热量：

①中、小剧场舞台灯光的用电量约为180～240 kW。根据各剧场的实际情况而定（此数值可供前期设计参考）。

②中、小剧场灯光散热量约为120～168 kW（可作为提供给空调专业的参考值）[2]。

本工程观众厅916 座，属于中型剧场，冷负荷指标为318 W/m2，其中人体负荷占比为40%，新风负荷占比40%，照明负荷占比15%，围护结构负荷占比5%。

舞台冷负荷指标为408 W/m2，其中人体负荷占比17%，新风负荷占比14%，照明设备负荷占比65%，围护结构负荷占比4%。

2 空调形式

2.1 观众厅

从卫生和减少冷负荷考虑，可采用均匀的下送风方式（座椅送风等）。自下而上送风，对室内空气进行置换，经处理进入室内的空气，先经过人体后向上排出，带走灯光与上部热量，但由于下部送风温差不宜太大，此外脚部和头部之间的温差必须小于3 ℃，故送风量不能减少[3]。

观众厅空调形式采用座椅送风。为减小送风温差，采用二次回风系统。送风温差取5 ℃。图2 为观众厅二次回风焓湿图。

图2 观众厅二次回风焓湿图

经计算，新风量：10109 m3/h，一次回风量：22724 m3/h，二次回风量：22326 m3/h，总送风量：55159 m3/h。

本工程送风温度为20 ℃，送风温差5 ℃，每个座位的送风量约为65 m3/H。此时应注意出风气流和噪声，经处理后的空气以约低于0.2 m/s 的风速从风口送出，以避免吹风感。

2.2 舞台

舞台分为主舞台和侧舞台，主舞台部分宜采用喷口侧送风，侧舞台部分可根据具体情况设置上送旋流风口或侧送百叶。

舞台部分高20 m，应按高大建筑物分层空调设计，根据《实用供热空调设计手册》22.6.2 章节，夏季分层空调冷负荷计算可采用经验系数法，即对分层空调建筑物按全室空调进行冷负荷计算，然后乘以经验系数a。a=空调区分层空调冷负荷/全室空调冷负荷，常由特定性质的高大建筑物经实测与计算得出，通常a=0.5～0.85。当缺乏数据时，可取a=0.7。

则，取70%室内冷负荷为空调区冷负荷，根据焓湿图（图3）：

图3 舞台一次回风焓湿图

经计算得：新风量为7277 m3/h，一次回风量为41236 m3/h，总送风量为48513 m3/h。

观众厅和舞台的送排风口布置及气流组织如图4所示。

图4 观众厅和舞台的送排风口布置及气流组织

观众厅座椅送风土建静压箱内宜设保温层，一是防止结露，二是提高送风空气质量。土建静压箱宜考虑安装检修空间，净空高度最小处0.7～1 m 为宜[4]。

3 非空调区域通风量的确定

3.1 排风量计算

根据《实用供热空调设计手册》P1732，按照要求排除的非空调区余热量，计算通风量：

主要问题在于如何选择△tp。首先根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A 查济南夏季通风室外计算温度tw=30.9 ℃。

排风温度tp在《实用供热空调设计手册》中无明确计算方法。仅在公式后有以下说明：

非空调区换气次数不宜大于3 次/h。有条件时可以充分利用空调系统多余的低温排风量（包括建筑的其他空调系统）来排除上部空间热量，此时通风量可适当减少。

如图5 所示，本工程喷口送风高度为12 m，则空调区高度为12 m，非空调区高度为8 m。如按3 次换气次数计算，排风量为13000 m3/h。则反算△tp=12 ℃。即tp=tw+△tp=42.9 ℃。

图5 分层空调示意图

如根据温度梯度，来确定排风温度tp，参考《实用供热空调设计手册》9.1.2 章节，空调区的温度梯度较小，宜取0.5 ℃，则工作区温度为25 ℃，工作区高度为2 m，空调区与非空调区界面处温度为：25+0.5×(12-2)=30 ℃；非空调区温度梯度，宜取1.5 ℃，非空调区排风温度为：30+1.5×8=42 ℃。与上述3 次换气次数计算所得送风量相差较小。

但个人认为3 次换气次数较小，舞台上方左右两侧均有机械控制室，有相应人员在此操作，温度不宜太高，采用5 次换气，计算得到L=21500 m3/h，△tp=7.5 ℃，tp=38.3 ℃。较为合适。

总结，△tp宜为8～12 ℃，换气次数宜为3～5 次。

3.2 补风量计算

根据《实用供热空调设计手册》P1724，分层空调气流组织形式一般有两种[1]：

第一种空调区采用空调机组或集中系统送风，下部100%回风，非空调区上部散热量较大时，由高侧窗自然进风，屋顶机械排风，以排除上部热量，冬季屋顶排风机停止运行。此做法优点是：上部非空调区的排风，不需要利用空调排风的冷量。气流没有交叉。缺点是：如室内散逸有害气体与烟尘，容易使工作区污染上部进风量较大如采用屋顶排风器，数量多、投资大、密封差。

第二种空调区采用集中空调系统送风，下部80%回风，非空调区采用高侧窗自然进风并辅以20%空调排风进入非空调区，屋顶机械排风，以排除上部热量。此做法优点是：气流组织形式简单，设备费用较便宜。充分利用空调排风冷量排除上部热量。有害气体、烟尘向上排走，减少对工作区污染。缺点是：冬季会加大温度梯度，耗热量增加，气流交叉。

如上所述：当采用形式一时，下部100%回风，上部排风按100%补风。当采用形式二时，15%冷风上升至非空调区排除上部热量，5%的风量形成室内正压，下部80%回风。

本工程空调系统与形式2 类似，观众厅81%回风，剧场85%回风。

另舞台和观众厅的气流组织应整体考虑，舞台部分由于各种表演所需要的效果，空气舒适度和空气质量均低于观众厅部分，且由于在表演时舞台温度较高，剧场空间的气流组织应由观众厅向舞台流动，即观众厅的正压值应略高于舞台部分[5]，如图6。

图6 舞台和观众厅之间的空气流向

所以舞台上部非空调区补风量应略小于排风量，使舞台部分的正压值略低于观众厅。

具体风量可先按照观众厅的正压值计算所需要的风量L1，再用观众厅未回风的风量L2减去正压风量L1，剩余的风量L3可以由观众厅流动向舞台。舞台部分正压所需风量为L4，舞台未回风的风量L5减去正压风量L4，剩余的风量6 可通过舞台上方非空调区排风机排出；则舞台非空调区补风量为：排风机排风量L-观众厅多余风量L3-舞台多余风量L6。

注：根据某商场风量统计，如使空调区域产生5 Pa 正压，需空调区域0.7 次换气的风量。可做参考。

4 其他

1）舞台和剧场等大空间采用全空气系统时，应在过渡季时充分利用新风作为自然冷源，降低空调能耗，同时应在屋面上设过渡季排风风机，排风量应根据新风量进行计算，并可进行调节。剧场各类电气附属房间，如：声控室、灯控室、电视台转播室等，均设置分体空调。

2）剧场对噪声控制的要求较高，为达到规范所规定的噪声要求，在设计中采取了如下几个措施：

①空调机房内部降噪处理构造，采用墙体、顶棚处理后直接喷涂30 mm 厚硬质覆面无机纤维吸声材料，或采用穿孔硅钙板内填离心玻璃棉，外包密实玻璃丝布构造做法。空调机房内部空调机组进行减振处理：空调减振基础可采用100 mm 厚弹性聚乙烯交联减振垫层，上铺120 mm 厚钢筋混凝土板作为减振基础取代建筑预留的空调基础（或空调机组厂家配套高效的弹簧、橡胶减震器，有效的降低机组振动对楼地面的影响）。

②严格控制风管的风速，主风管风速控制在6 m/s 左右，支风管的风速控制在3.5 m/s 左右。在消声器的设计中宜采用两级消声，空调机组的送风管出口处设置一级消声，用以降低风机的空气动力噪声，消声器的形式为消声静压箱/消声器。在空调机房分隔墙外的送回风管上设置二级消声器，用以控制固体噪声以及风阀的再生噪声。由于通风空调中所用风机的噪声频率在200～800 Hz，主要噪声处于低频范围内，应采用抗性消声器，如：扩张式、共振式、微穿孔板式、消声静压箱[6]。

3）舞台排烟根据《剧场建筑设计规范》JGJ 57-2016 中8.4 防排烟章节，当舞台台塔高度小于12 m 时，可采用自然排烟措施，且排烟窗的净面积不应小子主舞台地面面积的5%。排烟窗应避免因锈蚀或冰冻而无法开启。在设置自动开启装置的同时，应设置于动开启装置。当舞台台塔高度等于或大于12 m时，应设机械排烟装置。其中并没有具体讲排烟量的算法，可根据《建筑防烟排烟系统技术标准》GB 51251-2017 进行设计。