高声学歌剧院空调系统降噪技术研究与实施

王文熙

上海市安装工程集团有限公司 上海 200080

为了达到舒适性和声学效果的完美统一，高声学歌剧院类的建筑通常对场内的气流组织分布及隔声降噪措施有着极高的要求。在实施高标准要求的过程中，空调系统作为歌剧院内不可或缺的系统之一，其作用是不可估量的。对于机电安装过程更是如此，由于部分大型设备（如空调箱中的风机）在运行时会产生剧烈的振动，因此稍有疏忽就可能造成系统运行噪声过大等问题，而盲目地实施各类降噪措施容易导致系统的风量、冷量、水量或电力负荷量不满足建筑功能需求，从而严重影响人们的视听体验。因此，在机电系统的施工过程中，应充分研究结合人员体验，兼顾系统降噪，以寻求最佳解决办法，避免工程成本及工期损失，进而满足场所内高水准的要求。而高声学歌剧院混响时间较长，对剧场的升学性能要求较高，随着声音的丰满度上升，声音的清晰度会相应的降低，而环境噪声，尤其是空调系统的噪声干扰是高声学歌剧院遇到的主要环境噪声源头。选择解决空调系统噪声的方式方法也特别重要，尤其是风口的形式、风场的均匀布置、涡流的处理等。

近几年来，风管隔声毡在大型剧院中的使用越来越普遍，但缺乏良好的施工工艺作指导，先前的研究已初步给出了隔声毡的施工方法[1-2]，但当时的研究只围绕如何排除隔声毡与风管间的气泡展开，并未对粘贴牢固性作出分析，故本文在此基础上作了优化工艺的叙述，并通过试验的方式兼顾胶水的性能与价格，采用经济的措施进一步防止隔声毡粘贴后，管道在投入运营后的掉落。此外，数字化技术在施工领域逐渐发挥出不可估量的作用，数字化仿真预测也运用在机电工程实施前的各种深化设计指导中，但对于剧院类建筑的模拟计算大部分局限于校核设计的流速、温度或湿度参数[3]，且仿真中常会忽视建筑的其他复核对温度场的影响，导致预测结果偏离实际，更无法深层次发现具体问题发生的区域和提供改善意见。本文采用了数字化计算流体力学数值仿真的技术，对建设前期的风管内部气流、池座内部气流、剧院内部气流的流动和温度影响展开了仿真模拟，仿真结果除了能指导现场的深化设计和调试工作外，还对设计工况下剧院内可能存在的涡流区位置进行了分析，以进一步发现和解决问题。最后，传统工程中对于消声器和减振器的选择均存在盲目性，先前的工程介绍了隔振垫和隔振器的选择方案，但忽视了隔振效率，故本文将对此进行适当的补充说明。

本文选取的研究对象为上海音乐学院歌剧院项目，项目建筑总面积为32 536.02 m2，其中17 546.64 m2为地下建筑面积，14 989.38 m2为地上建筑面积，3层为地下，5层为地上。根据建筑要求，NR17为部分地区的声学要求，与国内同类建筑类型相比，NR20为目前最高的声学要求，声学要求越低，施工就更为严格，建筑难度就更大。因此，在机电安装各专业施工过程中，必须严格遵守设计要求，作为具有丰富经验的大型机电承包商，必须优化和完善以前的建筑材料和技术工艺，从而使项目的质量得到保证。

1 空调系统降噪关键技术

本工程采用座位送风技术，将风管布置于歌剧院池座底部的空腔内，气流从风管侧面的出风口流出，通过座位处预留的送风口将气流送至剧场内。由于气流组织无法实现可视化，工程中通常采用发烟试验来粗略判断气流的方向和速度，但此种方法的低精度和高污染性，往往会造成工程成本的增加。因此本工程在参考以往歌剧院类工程相关经验后，采用模拟仿真技术对流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）进行计算，在工程前期对歌剧院内气流组织进行模拟预测，所得到的结果将为今后的施工和调试提供参考。

由于剧院内池座形状不规则，整体模型比较复杂，从而使后续建模和网格划分较困难，模型计算量大且精度较低，因此本次仅选取整体剧场的1/3作为仿真模型进行研究，建模效果如图1所示。

图1 池座区模型

为使模拟结果更精确，在模型顶部增加部分照明负荷，风口送风和室内温度分别设置为18.0 ℃和32.4 ℃，风口送风速度根据设计要求设为0.75 m/s。本次模拟分两部分来进行，先对池座内部气流组织进行模拟，再对剧场内温度场进行模拟。经过对池座内部气流组织进行仿真计算，得到其流速分布如图2所示，流向分布如图3所示。

图2 池座内气流速度分布

图3 池座内气流流向分布

由图2可以看出，风管口的气流充分扩散在池座内部，但由于缺少气流的补充，在2根风管之间及风口下部的区域流速较低，因此在实际的深化设计过程中，应尽可能减小无风口侧的相邻风管间距。对图3进行分析，可以发现在池座内一共形成3个明显的涡流区，其中两风管间的涡流区是由于此区域没有送风口，且与周边区域的气流速度相差较大所导致的，而两侧的涡流区同样是由于区域内流速较小所造成的。为了尽可能缩小涡流区面积，让流场分布更合理，可通过减小风管、风口间距及调节吹风角度来解决。

对剧场内温度场进行模拟，经分析可以得出剧场内由于风口数量较多且分布均匀，因此整体的温度场分布较均匀，室内的舒适性较好，但在靠近舞台及墙面位置温度稍高，还有待进一步优化。

2 隔声毡施工工艺改良

随着新型建筑材料的不断发展，隔声毡因密度大、自身不易振动、贴敷金属风管表面可有效阻止管壁振动等优点，被广泛应用于风管的隔声降噪技术中。在实施过程中，隔声毡往往存在脱落的现象，在一定程度上影响了降噪的效果。一方面主要是由于风管管壁与隔声毡之间存在微小空隙，造成隔声毡与风管本体的黏结性较差；另一方面是风管在贴完隔声毡后还需粘贴保温棉，而保温棉与隔声毡之间仅用保温钉固定，且保温钉没有直接钉在风管本体上，最终导致隔声毡脱落。经过实践与研究，本次得到的优化方案是：使用厚度为30 mm的镀锌铁皮包裹在隔声毡外侧，不仅对隔声毡起到加固作用，而且还可以在铁皮上粘贴保温钉，从而使绝缘棉粘贴失败的问题得到解决，即隔声毡施工工艺，如图4所示。

图4 隔声毡施工工艺的优化

隔声毡的具体施工方法为：清理风管表面的灰尘→隔声毡下料→隔声毡满刷胶水→风管表面满刷胶水→粘贴隔声毡，并用刮刀平整隔声毡内的气泡→用木槌敲出剩余的不平部分→切掉边角多余的隔声毡→用厚30 mm的镀锌钢条加固→清理隔声毡表面的灰尘，放在干燥通风条件好的地方。

在隔声毡粘贴过程中，胶水本身的性能作为一个主要因素最终会对黏结牢固性造成影响，本文根据隔声毡施工工艺，研究了选择的胶水及其建筑环境影响的黏结牢固性。如表1所示，在测试中选择的3项主要胶水标准为：价格较低的是胶水1，价格较高的是胶水3；胶水3价格高出胶水2的30%，是胶水1的2.5倍。

表1 不同胶水的性能对比

每种黏附剂将5个不同规格的风管黏附起来，在连续48 h的黏附后进行测试（图5），以确保胶水完全黏附并使有机物从胶水中完全挥发。如果在48 h的试验期间，风管中5个部分的任何一部分存在质量缺陷，则外界质量可被视为对胶水黏附的强度产生了不利影响，试验结束。

图5 不同种类胶水的黏结牢固性试验

将3种胶水对风管本体的黏结强度进行比较，试验表明胶水2和胶水3能够满足试验要求，通过比较二者的经济性，证实在通风与管道工程中较为适合的是胶水2。

3 弹簧减振器和消声器的优化选型

在整个风管系统中，除了隔声毡的施工质量会影响到隔声效果外，弹簧减振支架与消声器的正确选择与否，也会对系统的降噪效果产生一定影响。在先前的项目中，对于风管支吊架弹簧减振器和消声器的选择，项目方通常会直接参照设计图中给定的型号来进行采购与安装；若图纸中没有标明型号，项目方就会凭借以往经验进行选型采购。以上2种选型过程，都无法对其性能参数进行校核与优化，从而有可能导致系统的隔声效果差、采购成本过高。

弹簧减振器的选型方案在与相关单位咨询沟通后得知，需要考虑隔振效率和承重量2个因素。以往工程一般只注意承重而忽视隔振效率，导致错误选型，影响效果。同时，选型还要充分考虑弹簧减振器的承重量，将所得结果与厂家提供的弹簧减振器参数表进行比对选型，确保隔振降噪效果，节约建设成本。

在原模型中，ZP100为歌剧院空调系统的消声器型号，但对比制造商提供的超强降噪消声器性能参数与设计要求，发现以前提供的消声器不能满足设计要求。以上问题在项目小组发现后，通过多方沟通比对，找到了符合本项目声学设计要求的消声器，随即向建设方提出建议将原有消声器改为超强消声器。与普通消声器相比，超强消声器中的消声片均布置在消声器内部，且尺寸更大，外部还需设置保温棉，对低、高频噪声的降噪效果更为显著，更换后的消声器总长为1 500 mm，性能检测参数如表2所示。

表2 超强降噪阻性消声器的检测参数

4 结语

本项目以上海音乐学院歌剧院机电工程建设为研究背景，展开了满足高声学要求的空调系统降噪施工关键技术研究，通过对池座内气流组织的仿真、施工中隔声毡施工方案的优化和测试、弹簧减振器和消声器的优化选型以及送风套管的精准定位等关键环节开展研究，制定了一系列具有针对性的施工工艺和方法，确保了歌剧院整体满足NR20的声学建设标准，其中管弦乐排演教室测试数据在空调开和关的工况下为NR16和NR15，高于设计要求的NR17标准，得到的结论如下：

1）利用数字化仿真模型进行剧院内气流组织预测分析，验证了座椅下送风技术有利于提高整体气流和温度场的均匀性，同时建议通过改变风管间距、风口位置及风口吹风角度等措施可以更好解决池座内气流的不均匀性。

2）风管隔声毡镀锌钢条的外包形式可以提高隔声毡与导管体的连接性能，解决风管隔声毡后期脱落的问题；同时本文比较了3种胶水的黏附强度，最终选择性价比最高的聚乙烯醇胶。

3）对消声减振的机电施工方案进行优化，具体为针对消声器选型和隔振支架的选取进一步合理化，使系统内的降噪效果得以提升，相比以往传统工程的施工有所突破。

剧院类建筑由于特殊的声学要求和观感要求，对于空调系统提出了很高的降噪和气流均匀性的要求。本文在收集了以往同类工程各种问题和吸取各类教训后，介绍了传统降噪减振施工工艺容易忽视的共性问题和解决方案，对民用建筑内消声减振的机电安装工程有指导意义，特别在剧院数字化仿真领域提供了一定借鉴，可进一步推动行业的前进步伐，具有很好的社会和经济效益。