九棵树(上海)未来艺术中心空调设计及专题研究

上海市建工设计研究总院有限公司 朱金鸣 昂 超 朱黎明 刘雪燕

1 工程概况

九棵树(上海)未来艺术中心(见图1)位于上海奉贤区奉浦大道，总占地面积为12.0万m2，总建筑面积7.2万m2，其中艺术中心主体为地下1层、地上5层结构，包括1个1 200座的主剧场、1个500座的多功能剧场、1个300座的主题剧场、1个艺术展览及创作中心，以及配套附属功能用房，2017年10月开始建设，2019年7月竣工完成并投入使用。

图1 九棵树(上海)未来艺术中心实景

九棵树项目是全国首座森林剧院，3个剧场融合了多功能演出等功能，尤其是1 200座大剧场采用了“可变混响”系统，改善了传统剧场建筑声学无法解决的声场不均匀技术难题，具备了每个座位都能享受音效的“VIP”功能。

2 剧场建筑空调冷热负荷特点分析

空调冷热负荷依据模型进行计算与分析，建筑模型因子分析主要包括剧场各区域功能要求与热工参数等条件。

剧场各季节与时段空调冷热负荷的分布具有间歇性、集中性与提前性等特点，空调冷热负荷为非连续性的，主要来自于人员、新风、灯光等。透过玻璃与围护结构等直接获得的太阳辐射量较少，夏季潜热负荷相对较大，显热负荷相对较小，因此热湿比也小。由于整个工程除了剧场以外还有其他辅助建筑，在选择冷热主机等设备时需要充分考虑空调冷热负荷的时间分布及部分负荷的使用状况，以达到最佳的运行与节能效果。

空调设计日逐时冷热负荷及空调冷热负荷率的时间分布如图2～5所示。设计日夏季总冷负荷综合最大值约为7 200 kW，冬季总热负荷综合最大值约为3 800 kW。

图2 设计日逐时冷负荷

图3 设计日逐时热负荷

图4 空调冷负荷率的时间分布

图5 空调热负荷率的时间分布

3 空调冷热源方案比较与分析

根据空调动态冷热负荷计算分析结果及冷热负荷各季节与时段分布，为体现系统的可靠性、先进性、实用性及运行节能与环保性，对空调冷热源方案初投资运行费用进行分析与比较，如表1所示。

经过对空调冷负荷特点与经济性等内容的分析与比较，冰蓄冷系统对于剧场建筑有一定的适用性，但系统相对复杂，另外受投资及施工安装周期等因素的影响，最后实施了方案1，目前运行良好，满足使用要求。

空调热源系统相对简单成熟，自动化程度高、可靠性好、初投资少，满足锅炉大气污染物排放标准(二氧化硫排放质量浓度限值50 mg/m3的要求)。

表1 空调冷热源配置与初投资、运行费用对比分析

4 空调水系统

空调水系统采用冷热转换的两管制一级泵水系统，控制各个环路水平方向作用半径，统一相同功能的分路，空调冷水系统根据负荷变化，采用压差旁通变流量运行，空调热水系统根据负荷变化，热水泵采用变频运行,空调冷热源水系统见图6。

5 剧场室内气流组织分析与对策

针对剧场等区域特点，为了使室内温度、湿度、空气流速、噪声等满足人体舒适度与环境等要求，对气流组织的影响因素进行了模拟分析，在送风射流及回风布置时，采用不同的送、回风方式，如图7所示。

图6 空调冷热源水系统图

图7 1 200座剧场风系统图

5.1 空调房间气流组织模拟分析

采用Fluent-Airpak软件，基于有限体积法，模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热及污染情况、舒适度等[1]，并依照ISO 7730：2005标准提供的舒适度、预计平均热感觉指数PMV、预计不满意者的百分数PPD等衡量室内空气品质(IAQ)的技术指标，分析气流运动情况及整个求解区域内的流场状况。CFD模型见图8。

图8 1 200座剧场CFD模拟分析模型

以1 200座剧场为例进行分析，1 200座剧场采用座椅送风方式及二次回风系统，每个座位的送风量为50～100 m3/h，送风柱内气流流速为1 m/s，送风风速≤0.25 m/s，送风温差较小(Δt=2～5 ℃)，每个座位送风量通过计算得出。夏季楼座每个座位送风量通常比池座大，主要原因是楼座位于观众厅上部，池座的一部分热量及观众厅顶部的热量会转移到楼座，而冬季状况正好相反，通过空调机组风机变频，增减风量来实现。

座椅送风时，冬(夏)季送风温度不宜过高(低)，一次回风系统用再热器来解决送风问题，不符合节能原则，二次回风系统则采用在表冷器后与回风再混合的办法来代替再热器以节约能量。但二次回风会适当增加风管数量与截面面积，给风管布置带来一定的困难。

1 200座剧场的部分模拟结果如图9、10所示。根据模拟结果适当调整各个区域的送风量及送回风口的布置等。

图9 1 200座剧场不同截面夏季空气温度云图

图10 1 200座剧场不同截面冬季空气温度云图

模拟分析结果为优化设计提供了依据，如空调机组除了采用常规的二级过滤器外，为同时满足PM2.5过滤要求，大小剧场采用均布CO2监控传感器，对室内空气进行监控，并同步控制新风，保证室内空气品质。

5.2 剧场全年新风运行模式

冬夏季新风量首先满足人员需求，过渡季可采用全新风运行，实际运行新风量是随时间与温度变化的，按照监测的CO2浓度、室内温度及风量平衡等条件，变频控制空调机组风机的风量。观众区、舞台区与其他辅助区域的空调风系统及排风系统原则上按区域分开独立设置，同时需要满足夏季预冷、冬季预热及冬季内区过热时送冷等各种运行工况。由于该工程空调水系统采用的是两管制，经过计算与分析，部分区域在很少时段内存在需要同时供冷与供热的需求，主要采用增加新风量的方式来解决。为避免室内过于干燥，需要有加湿措施。

5.3 剧场防排烟系统

结合规范要求，剧场建筑可参照中庭标准进行防排烟系统设计，该项目设计采用机械排烟与补风的方式并与平时送排风(热)系统兼用。

6 降噪、减振与隔振方法

6.1 空调通风设备的选择

空调与通风等设备除满足基本使用功能外，还要满足噪声控制要求。风机的选择尤为重要，应遵循以下原则[2]：

1) 避免风机在低效率区工作，当风机在低效率下工作时，产生的噪声远比额定工况时大；

2) 选择前向型叶片风机；

3) 减少风机并联使用时间，并限制风机出口风速；

4) 控制风机转速，当风机转速增加1倍时，风机声功率级约增加15 dB。

6.2 气体与固体传声消声措施

空调与通风噪声的产生不外乎气体与固体传声2种形式，气体噪声主要用风速进行控制，并采取减少阻挡等其他措施。

固体传声除了满足以上风机产品选择要求外，空调机组吸声降噪也是重要环节，该工程采取以下措施：

1) 空调机组的风机段和回风段采用有一定穿孔率的穿孔板作为吸声层；

2) 利用吸声性能良好的玻璃棉作为吸声材料，吸声材料兼作空调机组保温材料，经济性好。

用8倍频程声功率逐项对比该工程选择的空调机组风量及风机，风机段和回风段内壁采用孔径2.5～3.8 mm、穿孔率20%～30%的穿孔板，吸声面兼作箱体保温层，内衬超细离心玻璃棉，厚度为80～100 mm。

组合式空调机组各消声倍频程的插入损失如表2所示。在空调机房内，采用优化措施前后机组外部测试的噪声值变化不明显，而机组内部噪声变化非常明显，如图11所示，空调机组内部风机噪声的变化同时可以影响整个风管系统。

表2 组合式空调机组(消声后)插入损失[3](1)新晃空调设备有限公司.空调机组、风机测试数据(内部测试报告)，2018

图11 空调机房与机组优化前后实测噪声对比(2)华东建筑设计研究院有限公司声学及剧院专项设计研究所. 上海九棵树未来艺术中心剧场噪声测试报告(内部测试报告)，2019-07-14

按声功率选择风机。皮带传动风机的电动机更易产生机械疲劳损伤而产生传动噪声，增大声源与振源(电动机)振幅强度。风机较高出口风速也较易引发后续送风管内湍流振动和气流噪声，因此需要均衡综合评定风机性能。

皮带及皮带盘也是影响风机噪声的重要环节，根据实践，其产生的影响可达3～5 dB，对该工程舞台及观众区空调机组风机的皮带与皮带盘进行了调整与优化。

风机选型参考工程流体力学实用原则，利用风机性能曲线选择风机，将同系列而不同规格风机的全压、功率、转速与流量的关系表示在同一张对数坐标图上构成曲线，风机的工作范围一般规定为设计点最高效率的90%以上的区段。

6.3 观众厅静压箱(仓)的噪声控制

观众厅下部土建静压箱(仓)出风也是影响噪声控制的重要环节，一般认为静压箱(仓)各个出风口的风速控制在1 m/s以内时，气流噪声就可以控制了，但实际情况并非如此。根据该工程的实践经验，应注意以下问题：

1) 当土建静压箱(仓)不能远离空调机房时，固体传声需要充分引起重视，必须采取有效的减振与隔振措施；

2) 当静压箱(仓)内有多个出风口时，尽管单个风口的噪声可控，但需要考虑多个风口噪声叠加的因素，布置时应尽量拉开距离，高低错落，不在同一方向，减少互相干扰；

3) 如有条件，风管出风口应适当放大并做成锐口，风管与风口必须固定，避免振动；

4) 消声器之间应保持一定的距离，消声器的选择应有针对性；

5) 静压箱(仓)四周内壁应贴吸声材料。

以上如有一个环节没有做好将影响噪声的控制。图12显示了静压箱(仓)对上述内容进一步调整与优化前后的噪声值对比，效果较明显。

图12 静压箱(仓)优化前后实测噪声对比(3)新晃空调设备有限公司.空调机组、风机测试数据(内部测试报告)，2018

6.4 减振与隔振措施

1) 机房内做浮筑基础，风机等传动设备配减振基座及减振器；

2) 机房内壁面贴吸声材料，做隔声门；

3) 管道穿墙、穿楼板处用弹性材料进行密封，风管吊架采用弹簧吊架；

4) 当风管进入特殊要求的房间时，采用隔声、隔振和柔性连接等手段，避免风管产生低频振动；

5) 冷水机组与水泵等传动设备配置必要的减振基座及减振器，对机房进行封闭，另外做墙面顶吸声、隔声处理及浮筑设备基础，减少固体传声。

6.5 风道系统消声

当室内声压级不能满足室内允许噪声标准时，应按其频率所要求的消声量来选择消声器，室内所需的消声补偿量ΔL[2]为

ΔL=L′A-LA

(1)

式中L′A为风口A声级噪声，dB；LA为室内平均A声级噪声，dB。

对噪声控制要求较高的区域及房间，应对空调及通风气流通过风管产生的噪声及自然衰减量进行计算[2]：

Lw=10+50lgv+10lgS+Δβ

(2)

式中Lw为风管内气流A声级噪声，dB；v为风管内的风速，m/s；S为风管断面积，m2；Δβ为相应的倍频带声功率级修正值(查表)，dB。

另外在消声设计时除了应考虑通风机等设备产生的噪声外，还应按倍频带计算风管系统配置的弯头、三通等各种异形管件与阀门等产生的噪声及噪声自然衰减量，通常称为气体噪声，包括气流速度过快产生的再生噪声。

按GB 50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[4]计算噪声自然衰减量，对于直风管，当风速小于5 m/s时，可不计算气流再生噪声；风速小于8 m/s时，可不计算噪声自然衰减量。

在布置风管时应严格遵守表3中风速的控制要求，并尽量利用风管走向变化来达到使噪声自然衰减的目的，当一个系统服务多个房间时，在各支风管上加设消声器。在系统消声的设置上应合理并可兼用，布置的消声器既能降低整个系统的噪声，又能防止各房间之间的串声。

表3 风管内的空气流速[4-5]

无论舞台、观众厅还是其他区域的噪声，主要通过对空调风机、气体传声与固体传声的噪声进行控制，其中低频段的噪声控制尤为重要。该工程根据以上设计原则与条件，对所有空调风机产生噪声与振动的设备和系统采取一系列有针对性的手段与措施，经过实际运行、测试与调整，取得了较好的效果。

图13～15显示了观众厅、舞台整个系统进行多次调整的优化前后噪声的对比(4)华东建筑设计研究院有限公司声学及剧院专项设计研究所. 上海九棵树未来艺术中心剧场噪声测试报告(内部测试报告)，2019-07-14。

图13 舞台优化前后实测噪声对比

图14 观众厅(池座)优化前后实测噪声对比

图15 观众厅(楼座)优化前后实测噪声对比

对噪声控制有特殊要求的建筑有一定共性与适应性，但真正实施需要对建筑个性进行必要的深入研究与分析，可能还会涉及到更多的具体内容。

7 结语

该工程的设计、施工与安装历时2 a多，在国际通用工程总承包(EPC)管理模式下，无论在设计与施工安装还是质量控制(包括投资控制)上，经过1 a多运行及专业优化调整，充分体现了较高的专业技术水平。在节能环保、空调系统、噪声控制与配合可变混响调试等方面的内容可供同类工程参考与借鉴。