国家大剧院观众厅空调系统和气流组织方式的设计和分析

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国家大剧院观众厅空调系统和气流组织方式的设计和分析

国家大剧院作为我国重要的文化地标,其观众厅空调系统和气流组织方式的设计需兼顾艺术表演的高要求与观众的舒适体验。由于建筑独特的壳体结构和内部空间布局复杂,设计中采用了分区送风、低温送风及置换通风等先进技术。

首先,为确保演出期间舞台与观众区温湿度适宜且互不干扰,系统采用分层空调技术,将观众席与舞台区域独立控制。通过精确计算热负荷与湿负荷,合理布置送、回风口位置,以实现均匀稳定的气流分布。

其次,在气流组织方面,利用置换通风原理资料员工作总结报告,从底部缓慢送出低温空气,形成自然上升流动,有效避免了传统空调可能出现的吹风感和温度分层问题。同时结合全空气系统,引入新风稀释室内污染物浓度,保证空气质量。

此外,为了降低能耗并提升环保性能,设计中融入智能化控制系统,根据实时负载调整运行参数,既满足不同季节、时段的需求变化,又减少了不必要的能源浪费。这种科学合理的空调系统和气流组织方式,不仅提升了观众厅的舒适性,也为大型公共建筑的绿色节能设计提供了典范。

由于冬季室温较低,人员显热散热量较大,热湿比较 大,一定送风量下,送风温差较大(见图3),因此首先按冬 季状态确定送风量。计算步骤如下: a)计算冬季过程 ·根据下部热湿负荷量和允许最大送风温差(△t冬= 4C)确定冬季送风状态点S,计算消除工作区全热负荷所 需总送风量; ·根据上部负荷量和送风量计算冬季回(排)风状态 点Hd; ·根据最小新风量和送风量确定冬季新回风混合状 态点Cd; ·根据送风量计算观众厅满场时的最小加热量和加 湿量,并按照不满场时室内最小负荷确定空气处理机组加 热器加热量和加湿器加湿量。 b)计算夏季过程 ·根据冬季确定的总送风量和下部热湿负荷量确定 夏季送风状态点S和送风温差△t夏(<4C),以及机器露 点L; ·根据上部负荷量和送风量确定夏季回(排)风状态 点Hx; ·根据新风和送风量确定夏季混合点C; ·根据送风量和混合点C、露点L,计算空气处理机 组冷却量: ·根据送风量计算观众厅满场时的最小再热量,并按 照不满场时室内最为荷确定空气处理机组再热器加热量。

暖通空调HV&AC2003年第33卷第3期

c)风口布置和风量分配 ·由于土建结构的限制,一些座椅下不能设送风器, 可设在地面或地面附近侧墙处,但也不能保证每个观众都 有理想的送风器和送风量;因地面高差而受热压影响不同 不同高度的楼座和池座的每个座椅应采用不同的送风量; 送风器布置后,应考虑以上因素确定送风器的送风量及对 总送风量进行分配。 ·有条件时,用CFD计算软件校核整个观众厅的温 度场,如不满意,应重新调整和分配送风量,并确定各区域 的空气处理机组的装机容量

3.4房间温湿度自动控制

变风量调节基本可满足室内恒温恒湿的要求,而且由 于送风量减少,可大大减少冷却量和再热量,还可以节省风 机功率,是一种节能并可行的控制方法。但缺点是控制复 杂且不够精确、风量调节范围小,而且考虑到在演出时,如 观众为半场而舞台灯光负荷较大时,上部回排风量减少,灯 光处温度将升高,技术层环境将变得恶劣。因此设计标准 较高的国家大剧院工程没有采用。 b)定露点、定风量、变送风温度调节 如图4所示,无论热湿负荷按比例减少即=e

还是<,或 E">E,由于送 风量不变,送 风差减小, 再热量都需加 大,控制室内 湿度恒定时室 温有所降低, 控制室内温度 恒定时室内湿 度有所降低。

对温度的变化较为敏感,决定采用定风量、变送风温度、控 制室温恒定的方案。根据计算,相对湿度降低一般不会超 过10%,在湿度降低超过允许范围时,仍可通过加湿维持 室内恒湿。此方案的缺点是再热的冷热抵消加大,甚至有 去湿和加湿抵消的能耗。选择再热盘管时,其加热能力应 考虑室内热量减少的情况,按照实际负荷减少到设计负荷 的30%左右确定。 冬季热湿负荷减小时,通过增加加热量和加湿量控制 室内状态点恒定。同样按设计负荷的30%左右选择加热 器和加湿器容量,当室内无负荷预开空气处理机组时,室温 最多也只比设计负荷时低1C左右,随着人员和灯光负荷 的增加,很快就会达到室内设计状态

3.4.2风阀和水阀的调节方案

由于采用了双风机和四管制空调系统,空气处理机组 可以方便地通过调节新回风比和空调冷热水的流量来控制 室内温湿度,由于在冬季调节新风量和过渡季采用全新风 减少了能耗。风阀和水阀动作状态如图5所示

随李皆(%外烧们)变化的水润开闭状态转换点 ★葡风阀状态变化的水润开团状态转换点

图5”风阀和水拿界气得样发化的

目控要求如下: a)风阀季节转换和新风量调节 ·夏季:新风阀最小开度、回风阀最大开度,新风量最 小; · 春秋季:新风阀最大开度、回风阀最小开度,采用全 新风; · 冬季:根据室内温度控制新、回、排风阀开度,调节 新风量。 b)换热盘管水路阀门的季节转换 ·冷却器:冬季关断冷却器冷水二通阀,夏季和春秋 季投入运行; ·再热器:冬季关断再热器二通阀,夏季和春秋季投 入运行; ·加热器:夏季和春秋季关断加热器二通阀,冬季新 风阀达到最小开度时.加热器二通阀投入运行

·夏季和过渡季根据冷却器后露点温度控制冷却器 水路二通阀开度,由室温控制再热器水路二通阀的开度; ·冬季当新风阀为最小开度时,根据室温控制加热器 水路二通阀的开度; ·根据室内湿度控制加湿器加湿量

前述的春夏秋冬季节仅是对室外状态的一种大致定性 的分类,实际上同一季节的一段时间内气候会有所反复,一 天内的室外温湿度也不稳定。因此应设定准确的室外状态 作为季节转换参数,以确定应投入运行的风阀和水阀类型 和开度。在转换点附近允许室温在一定范围内有所波动。 a)夏季:当室外值高于回排风值时,风阀水阀进 入夏季动作状态; b)过渡(春秋)季:当室外燃值低于回排风值,高于 夏季室内状态下的机器露点值时,风阀水阀进入过渡季 动作状态; c)冬季:当室外值低于夏季室内状态下的机器露点 燃值时.风阀水阀进入冬季动作状态

暖通空调HV&AC2003年第33卷第3期

为便于比较,假设空调系统设双风机,由回风机将多余 空气排出室外,并将回风送入空气处理机组。 图6为夏季3种空调方式的hd图比较。虚线为一般

上送风的 典型混风 式空调的 空气变化 过程①,为 简化分析, 不考虑分 层送风、利 用排风带 走灯光热 量等因素; 右侧实线 是置换通

风不限制室内的湿度,只满足室内温度要求的空气变化过 程②;左侧实线为要求恒温恒湿的剧院观众厅的置换通风 空气变化过程③。 图7为冬季hd图比较。虚线为一般上送风的混风式 空调空气变化过程①,实线为置换通风空气变化过程②,冬 季两种方式都要求加湿

混风方式 的送风温度较 低,置换通风 送风温度较 高,夏季分别 考虑约1.5C 和1C的风机 管道温升;冬 季相对于室温 虽然为全年送 冷,但考虑到 有可能环境温 度偏低,并为 简化计算.不

夏季置换通风不控制室内的湿度,只满足室内24C的 温度要求时(过程②),为人员舒适而要求较小的送风温差 送风状态点偏右,致使室内相对湿度较高。当室内负荷减 小时,送风和室内状态点更向右偏移,湿度更大。这就是一 般置换通风的室内空气状态。 要求恒温恒湿的剧场观众厅的夏季置换通风空气变化 过程(过程③),为消除余湿和满足较小的送风温差,需将空 气处理到低温低湿的机器露点,再二次加热到送风状态点。 根据房间负荷的变化调节二次加热量,使房间维持恒定的 温湿度。显而易见,空调器冷却量较大,还有冷热抵消的二 次加热的能耗 戏剧场采用以上方式在夏季设计参数下的计算值比较 见表3

观音桥a号地块拆迁安置房房屋建筑施工组织设计表3夏季空调方式比较

从表3可以看出: a)混风式空调方式的送风温差虽然约为置换通风空 调方式的3倍,但由于置换通风在工作区要带走的热量较 小,二者送风量相差并不多,风机能耗差值可忽略不计 b)表3计算的典型混风式空调方式①的冷却量是假 设包括观众厅上部技术层的灯光对流热量全部由回(排)风 带走,且不考虑温度梯度,全室均混合到24℃,这适用于一 般层高的办公室等空调系统。实际剧场观众厅常在上部技 术层设置排风,将多余风直接排出室外,并带走部分灯光对 流热量,其能耗比表3中的低,其数值取决于排风带走的热 量。这种方案与全部上部回(排)风的置换通风相比,由于 排风量较小,技术层环境温度将较高。 c)不控制湿度的置换通风方式②与混风方式①相比, 处理新风所用冷量小,能耗较低,新风比越大,降低能耗越 明显,但是以较高的室内相对湿度为代价的。 d)控制湿度的置换通风方式③,如能将空气直接处理 到理想的送风状态点S(例如采用二次回风),再经1C管 道温升后送入室内,由于处理新风所用冷量也比混风方式 小,总冷却量(496kW)小于混风方式;但如将空气处理到 机器露点,因存在冷热抵消的能耗,在设计参数下非但不节 能.反而比典型的混风式空调方式多耗能约30%。

冬季设计参数下的混风和置换通风计算值比较见表 从表4中看出置换通风空调所需加热量较大,其原因 如下:由于观众厅无外围护结构,需全年送冷,如只将回风 处理到送风状态,两种空调方式所需冷却量均为室内发热 量。由于有一定的新风量,空气处理机组的加热量相当于 将新风加热加湿至回风状态,再扣除房间的发热量。显然 由于置换通风的回风状态点H的值大于混风的回风状 态点N。的值,因此置换通风空调冬季所需加热量较大 新风比越大,多耗热能越明显。 冬季当室外值升高时,加热加湿量逐渐减少,直至为 零。由于混风空调需要的加热量少,所需加热的时间也短, 因此置换通风基趣季不仅在室外计算参数下耗热能较

暖通空调HV&AC2003年第33卷第3期

表4冬季空调方式比较

注:为便于比较所做的假设同夏季!

dgtj08-61-2018上海市基坑工程技术标准,整个冬季能耗也大

4.4全年制冷能耗比较和分析

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