某5D劇場暖通空調方案設計

鄧京

【摘要】本文以某5D劇場為例，介紹了5D劇場的演出方式及其暖通空調系統設計的特點、難點及解決方法，強調空調風系統與排風系統的控制必須納入整個演出程序控制系統。

【關鍵詞】高大空間;演出方式;空調冷負荷;CFD模擬;空調通風系統自動控制

【中圖分類號】TU831.7

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）08-0090-03

隨著科技的進步，增強現實（AR）與混合現實（MR）技術更多地運用到現場演出中，給觀眾帶來了更為直觀的視覺和聽覺沖擊，讓觀眾身臨其境。這些高科技的運用，也對劇場設計提出了更高要求，特別是暖通專業，空調、通風設計直接關乎演出的成敗。本文結合某5D劇場實例對其暖通空調設計方案進行探討。

1.項目簡介

1.1演出方式

區別于傳統的3D、4D影院，5D劇場系加入增強現實（AR）與混合現實（MR）技術，通過音響矩陣、3D成像、舞臺數控機械矩陣、投影、數控矩陣道具、藝術裝置、3D威亞特效等技術，將視覺、音樂、聲效、數控機械道具、游客互動體驗等藝術手法融為一體，以營造環境演出的方式讓游客恍如身臨其境。

1.2項目概況

本項目劇場演出廳為圓柱形建筑，直徑約39m，高16m，面積約1194m2，地上一層為演出廳，地下一層為設備層，層高4m。

2.項目設計特點和難點

（1）高大空間，舞臺和觀眾座位融為一體，高度為16m，直徑約39m，好的氣流組織難以實現。

（2）舞臺頂部為鋼結構，布置大量的舞臺機械、威亞、道具吊桿、工作馬道、燈具、音箱等，使空調系統無法立足，且吊桿道具、威亞等不得在演出時被吹動，使空調風系統設計難上加難[1]。

（3）舞臺地面中心有升降舞臺，四周有升降座椅，地面上還要展示燈光投影，使地板空調送風成為泡影。

（4）屋面為鋼結構，其耐火極限很難滿足排煙機房要求，因建筑造型需要，屋面又無法布置排煙機房，鋼屋架下部各種鋼構件及吊裝格柵密布，導致機械排煙系統很難實施[2]。

（5）舞臺周邊布置6m高環形LED屏幕，再加之舞臺數控機械矩陣、3D威亞、音響、燈光等，設備發熱量遠高于普通劇院，空調負荷，主要是顯熱負荷高[3]。

（6）演出中根據劇情要求有煙霧釋放，有輕煙也有重煙，要求在演出結束后80s內排凈，對排風系統要求高。

3.空調設計

3.1空調負荷

演出廳空調總冷負荷約416kW，其中建筑外圍護結構冷負荷42.52kW，空調冷負荷占比10.2%;新風負荷為20kW（每場人數100人），空調冷負荷占比4.8%;其余人體、設備、照明空調冷負荷353.6kW，空調冷負荷占比85%。說明演藝廳空調冷負荷大頭來自設備、照明，而LED屏幕空調負荷約213kW，占空調冷負荷的51%，應引起格外的重視。

外圍護結構、燈光、音響、威亞、舞臺機械等冷負荷柱狀圖見下圖1。

3.2空調新風系統設計

劇場演出廳不同于傳統劇院，其舞臺和觀眾座位是融為一體的，演出廳高度為16m，周邊設環形LED屏幕一圈，高度約6m，環形屏幕與外墻間留有1.5m的環形檢修通道，在7m高處沿外墻設有環形馬道[4]。

結合項目的實際情況，空調系統頂送風和地板送風均無法實施，唯一可行的就是利用環形馬道和LED屏幕之間的1m空隙布置噴口，采用噴口送風，空調送風管吊裝于環形馬道之下。由于風管也采用環形布置，考慮到風管制作方便及美觀，風管沿長度方向不變徑，每個出風支管上設風量調節閥，以保持風口出風量均勻。經和演藝公司協商，在環形屏幕底座與地面間留30cm環形縫隙用于回風，形成側送下回的氣流組織。

根據空調負荷，演出廳共設4套空調送風系統，對稱布置，4臺組合式空調機集中設置在地下層空調機房內，組合式空調機風量33000m3/h，冷量182.4kW。

根據演出需要，所有組合式空調機均采用變頻風機，新風管徑按100%新風量考慮，新風管及回風總管均設置電動風閥，以適應演出時不同風量的需求。

由于演藝廳高達16m，為了防止演出時室外光線進出，影響燈光效果，演藝廳外墻不能采用常開百葉，因此常規的分層空調難以實現。為確保空調送風效果，利用Flunt軟件對氣流組織進行了模擬，結果如下：

夏季，地面1.5m處（觀眾座位區）溫度場分布見下圖2，由圖可見該處溫度范圍基本控制在298K（25℃）以下。

夏季，地面6.5m標高處（噴口處）溫度場分布見圖3，由圖可見該處溫度范圍基本控制在299K（26℃）-298K（25℃）。

冬季，地面1.5m處（觀眾座位區）溫度場分布見圖4，由圖可見該處溫度范圍基本控制在293K（20℃）以上。

冬季，地面6.5m標高處（噴口處）溫度場分布見圖5，由圖可見該處溫度范圍基本控制在293K（20℃）-295K（22℃）。

CFD模擬結果顯示，夏季、冬季演出廳的溫度場均能滿足設計要求，說明演出廳的空調新風系統設計是切實可行的。

4.通風系統設計

根據劇情的需要，為了營造演出效果，在演出過程中會有輕煙施放，在演出的結尾會有重煙施放。結合建筑造型，設計在屋面設置了12個蓄煙倉，每個蓄煙倉側壁設置帶百葉的排風機，在演出結束時開啟快速排煙。在演出廳地面最低處設置了兩個排風口，通過設置在地下排風機房內的排風機，在演出結束時80s內，將重煙排凈，排風機風量，按39m直徑，地面蓄煙高度按1m計算。

5.消防排煙設計

考慮到演出廳屋面為鋼結構，其耐火極限很難達到排煙機房隔墻、地板要求，建筑造型又不允許在屋面設置排煙機房，因此機械排煙無法實施，只能采用自然排煙。消防排煙中空平板百葉分別設置在12.7m標高和屋面蓄煙倉，消防排煙中空平板百葉可開啟面積為60m2，最小清晰高度取2.72m，設計清晰高度：8.7m。消防排煙中空平板百葉平時常閉。

由于建筑不允許在3m以下外墻開窗，設計采用機械補風，補風機設置在地下補風機房內，機械補風量為：107920m3/h。

消防排煙窗自帶蓄電池（備用電源），設置在高位不方便直接開啟的消防排煙窗，設置距地面高度1.5m的手動開啟裝置（按鈕）。消防排煙窗與火災自動報警系統聯動，在60s內或小于煙氣充滿儲煙倉時間內開啟完畢。

補風機設置現場手動啟動、火災自動報警系統自動啟動，消防控制室手動啟動，任意消防排煙窗開啟連鎖補風機自動啟動。

6.空調、通風系統控制

區別于常規空調通風控制系統，演出廳不但具備常規空調水路控制系統外，還要結合演出過程對空調、通風系統進行控制。控制策略如下：

（1）組合式空調機送風機采用變頻風機，演出開始前，組合式空調機正常運行。

（2）演出過程中，當有吊桿道具、威亞出現時，組合式空調機采用變頻運行，減少送風量，以防止道具、威亞晃動，影響演出效果，吊桿道具、威亞收起時組合式空調機恢復正常運行。

（3）演出結束時，輕、重煙排風機開啟，此時部分組合式空調機全新風運行，進行補風，已達到風量平衡。設備選型時應注意排風機排風量與部分組合式空調機送風量的匹配。

此部分全部采用自動控制，因與演出過程密切相關，需要與演藝公司溝通協商，與燈光、道具、威亞等一道納入演出的控制程序。

7.結語

5D劇場暖通設計與3D、4D影院不同，演出廳內舞臺和觀眾座椅為一個空間，其空調冷負荷中燈光、設備、照明等空調冷負荷占比較大，特別是LED屏一項就占到51%，應引起足夠的重視;由于空調冷負荷中，顯熱負荷大，空調設備選型時，務必校核表冷器的顯熱冷量;排風系統很重要，排風機務必在規定的極短時間內將煙氣排凈，不能影響觀眾退場和下一場演出;空調送風系統、排風系統的自動控制與演出過程息息相關，它們的表現直接關系到演出效果，必須納入整個演出程序控制系統。

參考文獻

[1]中國建筑科學研究院，GB50736-2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S]，北京：中國建筑工業出版社，2012

[2]公安部四川消防總隊，GB51251-2017建筑防排煙系統技術標準[S]，北京：中國計劃出版社，2017

[3]陸耀慶，實用供熱空調設計手冊 第2版[S]，北京：中國建筑工業出版社，2008

[4]李惠風、白雪蓮、李昕原.觀演建筑空調設計[M]，北京：中國建筑工業出版社，2008

（作者單位：桂林市建筑設計研究院）