[摘要] 剧场、影剧院等高大空间建筑具有层高较高、空间体积大、使用功能多样化、人员短期
剧场、影剧院等高大空间建筑具有层高较高、空间体积大、使用功能多样化、人员短期密集、跨度大等特点。对剧场而言，集中空调系统庞大的电耗会增加剧场的日常经营成本。因此，对于剧场、影剧院等高大空间建筑必须选择实用有效的通风空调以及制冷方案，并且既要考虑前期的投资，也要考虑到长期的运行费用，以保证室内较高的空气质量和环境舒适性。本文结合工程实例探讨剧场空调系统设计方案。
一、工程概况
该剧场总建筑面积为5 600 m2，建筑总高度为19.678 m，可容纳观众1 219人。地上2层(±0.000以上)，半地下l层及人防工事1层。地下室主要为人防工事及停车库，并有设备机房、水泵房、消防水池等;1层为前厅、放映室、咖啡厅、观众厅地座、舞台、服装间、配电房、消防值班室、接待室、化妆间、厕所;2层为咖啡厅上空、观众厅地座上空和楼座、舞台上空、声控室、耳光室、化妆间、厕所。
二、剧场空调设计的特点
剧场空调设计时要注意考虑其建筑及使用功能上的特点。
(1)剧场建筑组成复杂，既有空间高大的观众厅，又有内部设施复杂的舞台，还有放映室、化妆间、接待室等大小、形状、用途各不相同的房间。
(2)剧场的主要厅室是间歇使用的，对空调系统运行时间和要求很不一致。如观众厅为间歇使用，每场使用2～3 h，场间为休息时间;而舞台、化妆问等是非连续、非全天、只集中在一段时间使用的;接待室等则是短时间有人停留。
(3)低纬度地区的剧场观众厅，建筑隔热良好时，空调负荷主要为人体散热负荷，可能全年需要送冷风，但观众少时又要防止室内过冷。
(4)剧场人员集中，新风量需求大，空调系统的新风比较其他类型建筑大。
(5)观众厅内人体散热负荷为主要空调负荷，热湿比小，为了满足客满时室内相对湿度较低的标准及换气次数的要求，需要送风在冷却减湿处理后作再热处理;而在夏季，热源往往不运行，所以直接利用冷凝器热量作再热热源有一定的节能意义。
(6)要求随着季节的变化能自动控制新风量，达到节能的效果。如在空调系统预冷、预热时间内可以完全关闭新风风门，停止供新风;在上座率不高时也应能减少新风量。
(7)设计时应考虑减少送风量的可能，满场时设计风量较大，应对系统分区或者采用变风量系统等。
观众厅、舞台是剧场建筑的主体，是观众停留的主要场所和演职人员活动的中心场所，也是空调系统的主要服务对象。观众厅、舞台的气流组织又对空调效果的优劣起着决定性作用。观众厅面积大、顶棚高、人员集中，而舞台则是更高大的空间，有复杂的布景、幕布、灯具及吊杠、天桥等，给空调送回风气流设计、送回风口布置等提出许多特殊要求。
三、剧场空调负荷计算
对于剧场舞台，可使用分层空调设计。分层空调是指仅对下部区域进行空调，而对上部区域不实施空调的空调方式。分层空调以送风V1中心作为分层面，将整个舞台在竖直方向分为两个区域，分层面以下的空间为空调区，分层面以上的空间为非空调区。
与全室空调相比，分层空调夏季可节省冷量30%左右，可减少初投资和运行能耗，但冬季空调并不节能。同时，只有当建筑物高度H≥10 m，建筑物体积>10 000 m3，空调区高度与空间高度之比h1/H≤1/2时，分层空调才经济合理。
分层空调负荷计算主要指的是夏季分层空调冷负荷计算，至于冬季，则必须按全室采暖方式进行计算，特别是在没有设置空气幕，而且空间上下温度很不均匀时，则必须按照竖直方向温度梯度来确定上部的气温，然后计算围护结构耗热量。
空调区夏季分层空调冷负荷计算，在进行规划设计估算时，可采用经验系数法，即对分层空调建筑物按全室空调方法进行冷负荷计算，然后乘以经验系数。a=空调区分层空调冷负荷/全室空调冷负荷，常由特定性质的高大建筑物经实测与计算得出，通常a=0.5～0.85，当缺乏数据时，可取a=0.7。
在满足使用要求的前提下，分层高度h1越小越节能，分层高度可由下式计算确定：
h 1=h+y+ha (1)
式中h——工作区高度，m;
y——射流竖直落差，m;
ha——安全值，一般舒适性空调可不考虑。
全室空调总冷负荷由以下各项冷负荷组成：外墙冷负荷、人员散热冷负荷、屋面冷负荷、照明冷负荷及新风冷负荷。
按各朝向外墙面积计算出外墙逐时冷负荷，其中的最大冷负荷即为外墙冷负荷。
剧场舞台灯光照明功率大，一般安装功率约为150~340 kW。但舞台灯光最大负荷的持续时间不长。为避免气流将灯光散热大量带人工作区，送风口应安装在灯具之下，回风口设在灯具之上。实际工程中常在面光部位(或小室)设机械或自然排风将部分热量直接排向室外。鉴于上述原因，剧院灯具发热量远小于安装功率下的发热量。
夏季室外空气比焓值比较大，新风的处理需要消耗比较多的能量，因此，新风量的选择既要考虑到人们的舒适要求，同时也要考虑节约能源。过去曾普遍规定一般空调房间每人最小新风量为30m3/(人·h)。考虑到剧场观众厅等场所人员密集且停留时间较短，为了节能可降低新风量标准。受污染影响，城市某些地区的室外空气CO2浓度可能超过0.03%，当剧场每人所占空间较小时，为冲淡观众厅内臭味所需新风量稍大于冲淡CO2所需要的新风量，以使人感觉空气新鲜，所以我国制定的有关电影院和剧场的两个建筑设计规范试行报批稿中均以新风量100m3/(人·h)为设计允许标准的下限。
观众席部分的热负荷特征是：人员密度约达1.8人/m2(办公室为0.1~0.2人/m2)，人体发热负荷大，故人体负荷的取值和计算应力求正确。此外，由于人员众多，新风负荷也随之而增加。剧场外墙虽大，但一般为无窗建筑，故夏季围护结构冷负荷并不大。观众席新风量占总风量的30%以_上，故应尽可能采用全热换热器及CO2新风控制等措施以减少能耗。日本某剧场(使用再热装置)在设计中采用全热换热器或不采用全热换热器时的冷负荷计算比较表明，使用全热换热器时可使新风负荷从总负荷组成中下降10%左右。
四、空气处理方案
4.1 观众厅和舞台空气处理方案
因为建筑规模大、换气量大，观众厅和舞台的空调系统一般采用全空气系统。
全空气系统有以下主要优点：
(1)空气过滤效果好。过滤器的过滤效率高，必要时可采用粗、中效两级过滤，确保空气中悬浮颗粒的浓度保持在卫生标准规定的范围。
(2)室内无凝结水和凝结水集水盘。避免了霉菌的产生，可以确保室内空气质量。同时也没有冷凝水渗漏问题，室内环境较好。
(3)通过调控，可以确保送风温度合适、气流分布均匀，具有较为理想的温度场和速度场。
(4)空调机组设在专门的机房内，噪声可以有效地控制在标准要求的水平。
(5)年运行费低。过渡季节里可利用室外空气的自然冷却能力进行降温处理，减少制冷机的开启时间，不仅减少了运行费用，而且司以提高室内空气质量。
但由于空气的比热容较小，需要用较多的空气才能达到消除余热余湿的目的，因此要求有较大断面的风道或较高的风速。本工程在观众厅和舞台采用一次回风式系统，即回风与室外新风在空气冷却器前混合，经处理后送人室内。
考虑到部分停止送风的可能性，可以将观众厅的前部和后部、上部和下部进行分区，以适应气流组织的需要或上座率的变化。当观众厅上座率减少时，观众一般集中在前部或后部，此时可停止部分分区的空调，达到节能的效果。
舞台应设单独的空调系统，以适应不同的空气参数要求。如冬戏夏演或相反时。
4.2 其他房间的空气处理方案
该建筑共有2层楼，其周边为化妆间、接待室、 声控室、咖啡厅及接待室等一般使用功能的房间，这些房间的空调方式采用风机盘管加独立新风系统。新风系统采用分层设置水平式，将新风处理至等比焓线上，经新风管道直接送人各房间，不承担室内负荷。房间采用二级吊顶，新风管从风机盘管侧面引出，新风下送入房间。风机盘管采用两管制，水系统 采用竖向系统，由于建筑总高度较小，可采用一泵到顶方式，不必采用分区。各房间不单独设排风系统，通过窗户缝隙渗透排风，厕所设排风扇排风。
这种空调方式布置灵活，各房间之间空气互不串通，可独立调节室温，冷量可由使用者调节，房间没人的时候可方便地关掉机组(关风机)，不影响其他房间使用，从而比其他系统节省运转费用。在过渡季节，可以关闭制冷系统、风机盘管和新风系统，采用开窗方式进行自然通风降温。独立的新风系统既提高了该系统调节和运转的灵活性，又能使进入风机盘管的供水温度适当提高，从而能使水管的结露现象得到改善。
五、方案选择与经济性分析
初步提出以下3种方案进行比较。方案1：水冷螺杆式机组+热水锅炉;方案2：风冷热泵式冷水机组;方案3：燃油直燃机组。根据计算得到的一些数据和根据经验进行初投资及运行费用估算得出，方案2为最经济方案，其初投资费用及总费用均最低。
风冷热泵机组的主机较贵，但其辅助设备比较简单，机房占用空间较小，省去了冷却水系统所必不可少的冷却塔、水泵、锅炉以及相应的管道等许多辅件。同时，风冷热泵及水泵可放置在屋顶，无需建造锅炉房，与方案1和方案3相比，少了几十万元的机房土建费。夏季可供冷，冬季可供热，且其热量直接取于室外空气，可以节省能量，有助于环保。但风冷热泵式机组的COP较低，当室外温度低于标准工况的温度时，风冷热泵能够提供的热量会有所下降，而且COP也会下降，特别是在冬季使用时还要考虑除霜所消耗的电能，使用中需要工作人员特别注意。
方案1初投资不高，运行费用不高，总费用也不高，为比较常用的空调方式，被广泛使用，但辅助设备比较复杂。
方案3虽然夏季能供冷、冬季可供热，但是初投资费用过高，冷却水系统设备费和水泵电费也较高，故淘汰该方案。
综上所述，对该建筑而言采用风冷热泵式冷水机组的方案是最经济合理的。
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