劇場內舞臺和觀眾廳空調系統(tǒng)設計分析

楊紹陽 訾潔 田野

同圓設計集團有限公司

0 引言

本工程為市民演藝中心，劇場滿場座位916 個，其中池座746 座，二層樓座170 座，屬于以戲曲、會議、文藝演出為主的多功能廳堂。觀眾廳有效容積約6500 m3，相應的每座容積為8.4 m3/座。劇場舞臺開口尺寸：20 m×7 m，舞臺包括主舞臺、側舞臺、后臺。臺唇呈圓弧形伸出臺口線外。音控室、燈控室設于池座后墻的中部。

1 負荷計算

如圖1 所示，觀眾廳和劇場部分外圍護結構較少，主要負荷為人員、新風、燈光、設備這四個部分。

圖1 劇場建筑平面圖

根據《公共建筑節(jié)能設計標準》和《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》可確定人員、新風等條件，觀眾廳人員密度PF（人/m2）＞1.0，估每人最小新風量取11 m3/h，舞臺部分人員密度PF（人/m2）≤0.4，每人最小新風量取40 m3/h。但劇場部分有大量的燈光設備，會帶來強烈的輻射和對流熱，具體燈光負荷計算可參考以下兩種方式：

1）根據《實用供熱空調設計手冊》9.3.5 章節(jié)，白熾燈和熒光燈的散熱量Q（kW）分別按式（1）、（2）計算：

式中：N 為燈具安裝功率，kW；n1同時使用系數，視不同場所使用情況而定；n2為鎮(zhèn)流器散熱系數，鎮(zhèn)流器裝在室內時取1.2，裝在吊頂內時取1.0；n3為安裝系數，明裝時為1.0，暗裝且燈罩上部有小孔，利用自然通風散熱于頂棚內時，取0.5～0.6，暗裝而罩上無孔時，視頂棚內通風情況取0.6～0.8。

或根據《實用供熱空調設計手冊》20.8 章節(jié)要求[1]：照明設備散熱形成的計算時刻冷負荷，應根據燈具的種類和安裝情況分別計算。

2）根據《中小型劇場舞臺燈光設計》06D704-2；3.2.1 章節(jié)提供的觀眾容量選取劇場規(guī)模：

中、小型劇場建筑規(guī)模按觀眾容量分為：801～1200 座、300～800 座。

再根據3.3 章節(jié)選取燈光散熱量：

①中、小劇場舞臺燈光的用電量約為180～240 kW。根據各劇場的實際情況而定（此數值可供前期設計參考）。

②中、小劇場燈光散熱量約為120～168 kW（可作為提供給空調專業(yè)的參考值）[2]。

本工程觀眾廳916 座，屬于中型劇場，冷負荷指標為318 W/m2，其中人體負荷占比為40%，新風負荷占比40%，照明負荷占比15%，圍護結構負荷占比5%。

舞臺冷負荷指標為408 W/m2，其中人體負荷占比17%，新風負荷占比14%，照明設備負荷占比65%，圍護結構負荷占比4%。

2 空調形式

2.1 觀眾廳

從衛(wèi)生和減少冷負荷考慮，可采用均勻的下送風方式（座椅送風等）。自下而上送風，對室內空氣進行置換，經處理進入室內的空氣，先經過人體后向上排出，帶走燈光與上部熱量，但由于下部送風溫差不宜太大，此外腳部和頭部之間的溫差必須小于3 ℃，故送風量不能減少[3]。

觀眾廳空調形式采用座椅送風。為減小送風溫差，采用二次回風系統(tǒng)。送風溫差取5 ℃。圖2 為觀眾廳二次回風焓濕圖。

圖2 觀眾廳二次回風焓濕圖

經計算，新風量：10109 m3/h，一次回風量：22724 m3/h，二次回風量：22326 m3/h，總送風量：55159 m3/h。

本工程送風溫度為20 ℃，送風溫差5 ℃，每個座位的送風量約為65 m3/H。此時應注意出風氣流和噪聲，經處理后的空氣以約低于0.2 m/s 的風速從風口送出，以避免吹風感。

2.2 舞臺

舞臺分為主舞臺和側舞臺，主舞臺部分宜采用噴口側送風，側舞臺部分可根據具體情況設置上送旋流風口或側送百葉。

舞臺部分高20 m，應按高大建筑物分層空調設計，根據《實用供熱空調設計手冊》22.6.2 章節(jié)，夏季分層空調冷負荷計算可采用經驗系數法，即對分層空調建筑物按全室空調進行冷負荷計算，然后乘以經驗系數a。a=空調區(qū)分層空調冷負荷/全室空調冷負荷，常由特定性質的高大建筑物經實測與計算得出，通常a=0.5～0.85。當缺乏數據時，可取a=0.7。

則，取70%室內冷負荷為空調區(qū)冷負荷，根據焓濕圖（圖3）：

圖3 舞臺一次回風焓濕圖

經計算得：新風量為7277 m3/h，一次回風量為41236 m3/h，總送風量為48513 m3/h。

觀眾廳和舞臺的送排風口布置及氣流組織如圖4所示。

圖4 觀眾廳和舞臺的送排風口布置及氣流組織

觀眾廳座椅送風土建靜壓箱內宜設保溫層，一是防止結露，二是提高送風空氣質量。土建靜壓箱宜考慮安裝檢修空間，凈空高度最小處0.7～1 m 為宜[4]。

3 非空調區(qū)域通風量的確定

3.1 排風量計算

根據《實用供熱空調設計手冊》P1732，按照要求排除的非空調區(qū)余熱量，計算通風量：

主要問題在于如何選擇△tp。首先根據《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》附錄A 查濟南夏季通風室外計算溫度tw=30.9 ℃。

排風溫度tp在《實用供熱空調設計手冊》中無明確計算方法。僅在公式后有以下說明：

非空調區(qū)換氣次數不宜大于3 次/h。有條件時可以充分利用空調系統(tǒng)多余的低溫排風量（包括建筑的其他空調系統(tǒng)）來排除上部空間熱量，此時通風量可適當減少。

如圖5 所示，本工程噴口送風高度為12 m，則空調區(qū)高度為12 m，非空調區(qū)高度為8 m。如按3 次換氣次數計算，排風量為13000 m3/h。則反算△tp=12 ℃。即tp=tw+△tp=42.9 ℃。

圖5 分層空調示意圖

如根據溫度梯度，來確定排風溫度tp，參考《實用供熱空調設計手冊》9.1.2 章節(jié)，空調區(qū)的溫度梯度較小，宜取0.5 ℃，則工作區(qū)溫度為25 ℃，工作區(qū)高度為2 m，空調區(qū)與非空調區(qū)界面處溫度為：25+0.5×(12-2)=30 ℃；非空調區(qū)溫度梯度，宜取1.5 ℃，非空調區(qū)排風溫度為：30+1.5×8=42 ℃。與上述3 次換氣次數計算所得送風量相差較小。

但個人認為3 次換氣次數較小，舞臺上方左右兩側均有機械控制室，有相應人員在此操作，溫度不宜太高，采用5 次換氣，計算得到L=21500 m3/h，△tp=7.5 ℃，tp=38.3 ℃。較為合適。

總結，△tp宜為8～12 ℃，換氣次數宜為3～5 次。

3.2 補風量計算

根據《實用供熱空調設計手冊》P1724，分層空調氣流組織形式一般有兩種[1]：

第一種空調區(qū)采用空調機組或集中系統(tǒng)送風，下部100%回風，非空調區(qū)上部散熱量較大時，由高側窗自然進風，屋頂機械排風，以排除上部熱量，冬季屋頂排風機停止運行。此做法優(yōu)點是：上部非空調區(qū)的排風，不需要利用空調排風的冷量。氣流沒有交叉。缺點是：如室內散逸有害氣體與煙塵，容易使工作區(qū)污染上部進風量較大如采用屋頂排風器，數量多、投資大、密封差。

第二種空調區(qū)采用集中空調系統(tǒng)送風，下部80%回風，非空調區(qū)采用高側窗自然進風并輔以20%空調排風進入非空調區(qū)，屋頂機械排風，以排除上部熱量。此做法優(yōu)點是：氣流組織形式簡單，設備費用較便宜。充分利用空調排風冷量排除上部熱量。有害氣體、煙塵向上排走，減少對工作區(qū)污染。缺點是：冬季會加大溫度梯度，耗熱量增加，氣流交叉。

如上所述：當采用形式一時，下部100%回風，上部排風按100%補風。當采用形式二時，15%冷風上升至非空調區(qū)排除上部熱量，5%的風量形成室內正壓，下部80%回風。

本工程空調系統(tǒng)與形式2 類似，觀眾廳81%回風，劇場85%回風。

另舞臺和觀眾廳的氣流組織應整體考慮，舞臺部分由于各種表演所需要的效果，空氣舒適度和空氣質量均低于觀眾廳部分，且由于在表演時舞臺溫度較高，劇場空間的氣流組織應由觀眾廳向舞臺流動，即觀眾廳的正壓值應略高于舞臺部分[5]，如圖6。

圖6 舞臺和觀眾廳之間的空氣流向

所以舞臺上部非空調區(qū)補風量應略小于排風量，使舞臺部分的正壓值略低于觀眾廳。

具體風量可先按照觀眾廳的正壓值計算所需要的風量L1，再用觀眾廳未回風的風量L2減去正壓風量L1，剩余的風量L3可以由觀眾廳流動向舞臺。舞臺部分正壓所需風量為L4，舞臺未回風的風量L5減去正壓風量L4，剩余的風量6 可通過舞臺上方非空調區(qū)排風機排出；則舞臺非空調區(qū)補風量為：排風機排風量L-觀眾廳多余風量L3-舞臺多余風量L6。

注：根據某商場風量統(tǒng)計，如使空調區(qū)域產生5 Pa 正壓，需空調區(qū)域0.7 次換氣的風量。可做參考。

4 其他

1）舞臺和劇場等大空間采用全空氣系統(tǒng)時，應在過渡季時充分利用新風作為自然冷源，降低空調能耗，同時應在屋面上設過渡季排風風機，排風量應根據新風量進行計算，并可進行調節(jié)。劇場各類電氣附屬房間，如：聲控室、燈控室、電視臺轉播室等，均設置分體空調。

2）劇場對噪聲控制的要求較高，為達到規(guī)范所規(guī)定的噪聲要求，在設計中采取了如下幾個措施：

①空調機房內部降噪處理構造，采用墻體、頂棚處理后直接噴涂30 mm 厚硬質覆面無機纖維吸聲材料，或采用穿孔硅鈣板內填離心玻璃棉，外包密實玻璃絲布構造做法。空調機房內部空調機組進行減振處理：空調減振基礎可采用100 mm 厚彈性聚乙烯交聯(lián)減振墊層，上鋪120 mm 厚鋼筋混凝土板作為減振基礎取代建筑預留的空調基礎（或空調機組廠家配套高效的彈簧、橡膠減震器，有效的降低機組振動對樓地面的影響）。

②嚴格控制風管的風速，主風管風速控制在6 m/s 左右，支風管的風速控制在3.5 m/s 左右。在消聲器的設計中宜采用兩級消聲，空調機組的送風管出口處設置一級消聲，用以降低風機的空氣動力噪聲，消聲器的形式為消聲靜壓箱/消聲器。在空調機房分隔墻外的送回風管上設置二級消聲器，用以控制固體噪聲以及風閥的再生噪聲。由于通風空調中所用風機的噪聲頻率在200～800 Hz，主要噪聲處于低頻范圍內，應采用抗性消聲器，如：擴張式、共振式、微穿孔板式、消聲靜壓箱[6]。

3）舞臺排煙根據《劇場建筑設計規(guī)范》JGJ 57-2016 中8.4 防排煙章節(jié)，當舞臺臺塔高度小于12 m 時，可采用自然排煙措施，且排煙窗的凈面積不應小子主舞臺地面面積的5%。排煙窗應避免因銹蝕或冰凍而無法開啟。在設置自動開啟裝置的同時，應設置于動開啟裝置。當舞臺臺塔高度等于或大于12 m時，應設機械排煙裝置。其中并沒有具體講排煙量的算法，可根據《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》GB 51251-2017 進行設計。

5 總結

1）劇場內觀眾廳區(qū)域負荷明顯以人員和新風負荷為主，因此觀眾廳空調應以人員數量為基準調控系統(tǒng)更為合理，舞臺區(qū)域則明顯以燈光、設備散熱負荷為主，負荷更趨于穩(wěn)定。

2）劇場內觀眾廳采用座椅送風形式，二次回風系統(tǒng)可在滿足舒適性的同時減少空調能耗，舞臺區(qū)域燈光設備散熱集中在舞臺上部，則采用分層空調形式更為合理。