国家大剧院暖通空调方案及节能措施

国家大剧院工程位于长安街人民大会堂西侧（见图1），采用的是法国著名建筑师安德鲁的设计方案，由法国ADP公司和SETIC公司分别完成建筑和结构、机电初步设计，北京市建筑设计研究院完成施工图设计。

剧院部分建筑面积约为15万平方米，地下车库面积约4.5万平方米。

中区包括三大建筑实体：歌剧院（O区）、戏剧场（T区）、音乐厅(C区)，均处于钛合金和玻璃的圆形壳体之下, 剧场之间为共用的公共大厅，地下设有设备机房及各剧院的技术用房等。中区圆形建筑周围环绕着人工湖，观众通过人工湖下的通道进入公共大厅。圆形建筑和人工湖之间－12.00m标高处设置了室外消防通道（F区），通道上设有标高为－3.08 m和－7.00 m两层的人员疏散天桥。

北区（N区）人工湖下为主要水下入口通廊、商店及汽车库。

南区人工湖下S1-S3区为南入口水下通廊、多功能厅、职工餐厅等。热力和制冷机房设在地下S4区，地下S5区设有总排风排烟机房和废气烟气总出口。

1 冷热源及空调水系统

空调水系统如图2和图3。

国家大剧院冷热源用量和设备选择如下：

由于内区办公等风机盘管系统需全年供冷，冷却塔冬季使用，所以在制冷机房内设置冷却水集水箱，集中补水，以防止冬季市政水及塔底集水盘内存水冻结，室外管道采取电伴热措施。

冬季使用冷却塔制冷, 采用与冷水机组并联的板式换热器及2台冷却水循环泵（1备1用）供应冷源水，可节省制冷电能。

空调采暖冷热水为四管制系统, 变流量运行；冷热水各设3个二级泵系统，分别为风机盘管系统、空气处理机组系统、辐射地板系统。其中风机盘管空调冷水系统全年使用，风机盘管（包括少量散热器）热水系统和热辐射地板系统冬季全天运行，以保证冬季夜间值班采暖的需要。冷热辐射地板系统分别需要大约18/21℃冷水和45/35℃的热水，设置三通水温调节阀，使7℃冷水和60℃热水分别与各系统回水混合调节到需要的冷水和热水水温。

空调冷热水系统分别采用闭式气压罐定压，各设置补水调节水箱和2台补水泵（其中各有一台备用），补水泵受系统压力控制启停，当水系统受热膨胀后，压力高于停泵压力时，膨胀管道上的电磁阀打开，使膨胀水量回收到补水箱。

1.2 冬季冷却塔制冷分析

1.2.1冷却水和室外空气的热量交换

水在冷却塔内的冷却主要是蒸发散热和传导散热，冷却水的温降如下式：

Δt=(QZ+QX)/G

=(W.γ+ QX )/G

式中：QZ —水蒸发带走的热量

QX—空气与水通过传导方式的显热交换热量

W —水的蒸发量

γ—水蒸发时吸收的汽化潜热

G — 冷却水流量

当冷却塔出水温度与空气湿球温度接近，即冷幅很小时，水在冷却塔内的冷却降温主要靠水蒸发时吸收汽化潜热QZ，水和空气的显热交换量QX可忽略不计。

按照夏季水温和气温条件设计制造的冷却塔温降Δt＝5℃，如流量不变，冬季随着气温的降低，水分子的运动动能减小，分子扩散能力降低，即水蒸发量W减少，带走的热量QZ将有所减少，如想获得与夏季相同的冷却量和水温降，就必须加大空气和出水的温差，靠显热交换获得冷却量QX。

图4为美国某冷却塔在流量不变的情况下随室外湿球温度变化的冷却特性。从图中可看出，当室外湿球温度为24℃时，冷却塔出水温度如要达到27.5℃（冷幅3.5℃），可达到标准的5℃温降，进水温度为32.5℃。 冬季当室外湿球温度达到1℃（干球约5℃）时，蒸发传热QZ减少；如流量不变且仍要求水5℃温降，则冷却塔出水温度达12.5℃（冷幅为11.5℃），进水温度为17.5℃，15℃的平均水温与5℃的室外干球温度有约10℃的温差传热QX，总冷却热量不变，但12.5/17.5℃的水温作为冷源水，温度显然偏高。

冬季当室外湿球温度达到1℃时，如想获得低温的冷源水，水温降只能是2℃左右，出水温度约为7.2℃，可作为冷源水使用；这时温差传热很小，蒸发传热和总传热量都减小。但大剧院工程内区风机盘管所需冷量恰好与冷却水流量不变时一个冷却塔2℃温降时的冷却量基本吻合，所以仍采用夏季使用的冷却水循环泵作为冷源水循环泵，2台泵和2台塔各一备一用。

当冬季气温更低而要求的冷源水温度不变时，就主要靠温差传热了。为防冻采用管道电伴热措施使水温不低于5℃。

1.2.2冬季内区供冷和空调冷水温度

即使采用7.2/9.2℃的冷却水作为冷源，通过板式换热器，也只能交换出约9/14℃的空调冷水，与夏季要求的7/12℃冷水有差距；是否在室外干湿球温度更低时才能使用冷却水作为冷源水，或内区风机盘管要按照9/14℃水温加大选型呢？这就需要分析全年供冷的内区夏季和冬季的状况。

图5右边为夏季风机盘管送风状态点SX与处理后的新风FX点（假设新风处理到房间的等焓状态）混合至OX点送入室内。由于室内NX点温湿度设定值较冬季高（例如25℃、60％），风机盘管出风状态点SX温度也较冬季高（约为15℃），与7℃的冷水进水（tw1）的温度差达到8℃。

冬季状况见图5左。人员灯光等全热负荷冬季与夏季相等，由于内区需在冬季送冷，温湿度设定值定得偏低反而费能，这和外区供热的情况正好相反；但冬季由于人员衣着热阻较高，室温设定值又必须比夏季低（比如将冬季室内状态定为21℃、55％）。如果新风能够直接处理到室内状态点Nd，风机盘管出风状态即为Sd，其温度约为11℃，与7℃的冷水进水（tw1）温差为4℃；如按夏季工况选用风机盘管，由于风、水温度差减小，传热量减小，被处理的空气湿球温度也比夏季低，去湿和冷却能力都降低，在风量一定时理论上冬季是满足不了冷量需要的。如果冷水温度提高到9/14℃（tw1’/ tw2’），风机盘管出风状态Sd与冷水进水温差只有2℃，超过暖通规范规定的数值，更是难以达到的。

此时我们想到是否能利用新风负担一部分热湿负荷。如果内外区没有分别设置新风处理机组，新风送风状态一般按外区的要求处理到Fd点（例如20℃，30％），风机盘管可干工况运行将室内空气处理到Sd’点，与新风混合至Od点送入室内。风机盘管负担冷量可减少，出风状态Sd’点的温度和与冷水的进水温差也可相应加大。设计中我们尽量为内区单独设置新风处理机组，运行中可利用新风做冷源，适当降低送风温湿度，达到节省风机盘管冷量的目的。

另外，如风机盘管选择过大，即使在低档风量运行时仍然过冷，水路控制阀频繁开闭，房间温度时高时低很不舒适。因此，本工程内区按照对冷却去湿不利的冬季室内（风机盘管进风）状态、7/12℃的标准冷水温度、高档风量选用风机盘管，选用时假设风机盘管负担所有室内冷负荷；但是，实际利用新风消除了一部分室内热湿负荷，所以即使在冷水温度略有提高时，所选用的风机盘管仍能消除余下的室内显热余热。夏季室内温度提高，风水换热增强；且人员散湿量增加，热湿比有所减小，在全热负荷不变的情况下，所需风量减小；所以风机盘管中档风量基本能满足夏季设计负荷。

值得提出的是，国产风机盘管样本在不同进风和进水参数下的散热量数值不全。室温最低限高达24或25℃，高限28℃在设计中也很少采用，这与目前标准越来越高的建筑室内环境要求是不相适应的，且不能满足冬季的室温选用要求。进水温度高限也只有7℃，设计中也不够用，只能由设计人员进行估算。

至于冷水温度可提高到什么程度，即室外什么干湿球温度下可以使用冷却塔制冷，要看新风负担热湿负荷的程度，以及使用时冷负荷的实际情况，要在运行中摸索确定停开冷水机组、使用冷却塔制冷的室外气温转换点。

2 空调采暖通风方案

除机房等附属房间外，考虑到建筑标准和北京室外空气质量，空气处理机组均设置了初效和中效2级过滤。

为充分利用室外空气作为冷源，全空气系统均采用了设回风机的双风机空气处理机组，过渡季可使用全新风，冬季可调节新风量，对于存在大量内区的国家大剧院工程，其节能效果较为明显。

剧院观众厅、乐池、排练厅、录音室、演播室等空调区域，由于较高标准的舒适度要求，以及乐器对温湿度，尤其是湿度的严格要求，设置了全空气空调系统。夏季均采用了控制露点温度再根据室内负荷变化进行二次加热的方案，冬季采用能够较精确控制加湿量的电蒸汽加湿器。

公共休息厅廊等人员不经常停留的大空间为全空气空调系统。因夏季无湿度要求，不设置再热盘管。考虑到冬季如湿度过高，壳体和水下通廊的玻璃易结露，所以不设置加湿器。

办公管理、会客接待、化妆等小空间空调区域，其温湿度要求不严格，为控制灵活，采用风机盘管加新风系统。因考虑到人员长期停留，新风空调机组设置了价格较便宜、使用寿命较长且节电的高压喷雾加湿器。当用于内区时，处理后的新风温度较低，加湿率可能很低，但如前所述，为消除一部分室内余湿，新风湿度要求也较低。高压喷雾加湿器用水量和排污量都较大（用水量和加湿量之比约为3∶1），但可以作为中水回收利用。

三个剧场观众厅采用了椅下送风上部回风的气流组织方式，以置换通风理论作为设计理论指导，已在另文介绍。

2.2 复杂高大空间

国家大剧院建筑总高46.3米，总体外观为一半椭球形壳体，壳体下部及三个剧场各层的外围公共区域组成一个高大空间(中庭)，见图6。在三个剧场各层外部均有一些敞开式公共活动平台，需要空调保证温度，这些公共区域（包括地下一层）与中庭上方非空调区域直接相连，冷热空气在接触面上会发生搀混，影响壳体中的温度分布、气流组织和负荷大小。为确保空调负荷计算和气流组织的合理，我们采用了两种计算方法。

图6国家大剧院正面剖视图

2.2.1采用冷负荷系数法

首先根据建筑功能以及空调系统布置的需要，把壳体下部的高大空间划分为若干区域，并将围护结构外形简化为东、东南、南、西南、西、西北、北、东北、水平屋面等九面外墙(含钛合金和玻璃体)的规则多面体。并根据椭球形状把外壳总面积大致按一定比例分配给各面外墙。然后根据冷负荷系数法编制EXCEL电算表格计算。

2.2.2采用清华大学的建筑热环境设计模拟软件包DeST II

首先建立建筑模型，在DeST界面内按照建筑的尺寸和形状输入外墙、内墙、门窗，描述建筑的拓扑结构。图7为DeST建立建筑模型过程中的一个图片。

图7 DeST 描述建筑界面

然后设定计算参数，对作息模式、热扰分配模式、各区域之间通风换气量进行设定；并对不同的各区域之间通风换气量的假设值进行试算分析，力求输入符合实际的设定值；利用DeST II得出全年逐时负荷计算结果。

为进一步分析室内温度场和风速场，采用DeST计算结果中全楼冷负荷最大值出现时刻的参数和送风量，利用计算流体力学（CFD）软件Phoenix进行模拟计算，图8为歌剧院北侧公共区温度场分布图。

2.2.3计算方法的比较和结论

两种方法计算出的总空调负荷值相差大约10%，较为接近。但个别区域的负荷却相差较大，有的甚至相差一倍多。其原因可能是冷负荷系数法没有考虑相邻房间之间的影响和人员、灯光的作息模式及其对周围环境的热扰分配模式对负荷的影响，考虑这些因素所输入的设定值是计算结果是否准确的关键。

通过计算分析可以得出以下结论：

冷负荷系数法等常规计算手段，也可以用于复杂空间的负荷计算，并作为选择空调设备的依据。DeSTII等模拟计算工具，在进一步完善之前，可作为建筑全年节能运行调节的分析依据。

DeSTII计算结果表明，全年最大负荷段出现的时间很短，约15小时。从节省投资和运行费用的角度，可不按照最大负荷选择空调设备，但空调设备的不保证小时数还有待确定。

通常空调设备大部分时间是运行在低负荷工况下，所以在进行空调和自控系统设计时，要充分考虑系统的可调节性。

2.2.4克服热压影响的措施

壳体下公共空间受热压影响出现上下温度不均匀的现象。在设计负荷和室温，以及设计送风状态下，最高处的休息厅温度为27℃左右时，底层温度只有21℃左右（见图8）。因此在6.00m标高及其以上层设冷辐射地板，夏季弥补上部冷量的不足。－7.00m和0.00m标高的地面设制了热辐射地板，冬季弥补下部热量不足，并兼做夜间值班采暖。辐射地板各分集水器总回水管设置了室内温度控制的二通阀，以避免室内温度过高或过低。

2.3 演奏区和舞台空调

2.3.1音乐厅演奏区

音乐厅演奏区不同于剧场舞台，位置在观众厅下部，与观众厅席为一个区域。演奏区演出时处于灯光辐射之下，乐队（≤120人）和合唱队（≤180人）人员众多，热负荷计算数值很大。由于整个音乐厅采用的空调送风方式为椅下设置送风口，上部回风，而每个椅子的送风量是按照一个观众的散热量计算的，理论上演奏区应单独设置空调系统消除余热余湿，这也与我国现行剧场设计规范相符。

但在演奏区下部设置送风口要求风速较小，面积较大，建筑专业设计有困难，声学设计人员也认为地面和墙面如开口则影响声音的反射。与我们合作的国外暖通专业设计人员也介绍说法国的类似工程演奏区都不设空调，我们了解了日本的一些工程演奏区也多数不设空调。

除设置风口困难外，归纳起来国外音乐厅演奏区不设空调的理由有以下几点：

1）演员不希望低温空气和即使是很低速的吹风感，法方设计人员介绍说：“演员宁肯在汗水里熬着，也不愿意接受冷空气”。

2）虽然演出时灯光辐射热较大，但不能立即被送风消除，对地面等的辐射热转化成对流形式的冷负荷后峰值有所衰减、时间有所延迟，对短时间的演出影响不大。

3）椅下送风基本符合置换通风原理，理论上前几排的低温送风的一部分可以靠重力作用在地面如同湖水一样向演奏区流淌，使演奏区温度有所降低。

但与上述理由矛盾的是，演奏区的负荷是客观存在的，如将这些负荷分摊到椅下，势必增加椅下送风口的送风量，在送风口面积有一定限制的情况下，出风速度加大，使人腿部有吹冷风感；而且大风量带来冷量较大，座椅附近温度有可能低于设计温度，使观众感到寒冷。而且置换通风形成的空气湖流淌的距离不可能太大，碰到高于最前排地面40cm的舞台台面的遮挡后会折返，因此，过于加大椅下送风量的方法不可行。至于整个空间受热压的影响，对演奏区的降温效果更是难以计算。

为验证理论分析，我们采用CFD技术对音乐厅的气流组织进行了模拟计算。根据计算结果，选用演员背后墙面即演出区后墙的温度场视图作出如下分析。

演奏区不设空调的计算结果如图9。可以看出，演奏区后部（合唱队员所在处）温度高达约34℃，该温度区域宽度范围约7－8m。 如在演奏区后部上方的观众席两侧墙面的下部增加送风口，最高温度下降不明显，但宽度减少到5m左右（见图10）。 考虑到乐队和合唱队人员总数在300人的机会不是很多，按照最大交响乐团120人的发热量情况又进行了计算，演奏区后排温度降至32℃，该温度宽度也减少到2m（见图11）。 以上是没有考虑辐射热量的延迟和衰减因素的计算结果，再综合考虑前述演奏区不设空调送风的理由，且最大计算负荷出现的情况较少，所以不设空调的方案可以接受。实际运行效果则有待检验。

2.3.2歌剧院和戏剧场舞台

剧场舞台一般没有乐队演出，温湿度精度要求不高，夏季没有采用定露点再热的空调方案，仅控制舞台温度。

北京地区冬季气温干燥，据反映空气过于干燥对演出服装有影响，且常发生领导上台与演员握手时产生静电的尴尬局面。因此冬季有必要对空气进行加湿，为保证加湿效率，空气处理机组中设置了电蒸汽加湿器。

舞台空调最难以解决的问题是送风时幕布晃动。我们也曾试图采用低速下送风的气流组织方式，但由于舞台本身构造和工艺要求复杂没有成功。经过调研，国内外的一些剧场舞台空调在演出时一般停止运行，只在预冷和幕间休息时使用。其原因除送风吹幕外，也有歌唱、舞蹈等演员喜热不喜冷、不愿吹风的因素。因此，我们采用了舞台设变速风机，并与侧台分设空气处理机组的方案，侧台可在整个演出和休息期间保持舒适的室温，舞台因使用时间相对较短，有些仅是瞬间负荷，有延迟和衰减，靠预冷和间断供冷，或在演出时减少送风量，降低风速，应基本可以满足要求。

2.4 机房通风

机房一般不需空调，只需通风换气降温即可。但一些有水管的机房冬天为防冻需对室外空气进行加热，一些发热量较大的机房夏季靠未经过处理的新风消除余热需要的风量较大，至使风机和风道过大，因此有必要为一些机房设置热盘管或冷盘管进行空气处理。

变配电、热力、制冷机房发热量较大，为减少通风量和风道尺寸，夏季设置了冷却盘管降温，房间温度设置在35～37℃左右，即使在夏季采用直流式全新风系统也不存在冷量损失。由于本工程采用的是完全的四管制空调水系统，如冬季不将冷盘管内的水放空，室外新风直接经过盘管送入室内，冷盘管有冻结危险，寒冷的送风对人员和设备也都不利；热力机房若冬季小负荷或停止运行时仍通风，机房内水系统也有冻结危险；因此空气处理机组设置了回风机，冬季利用温暖的回风与寒冷的新风混合至5℃以上送入室内，夏季和过渡季采用全新风，比冬季设置加热盘管的方案节省了能量。制冷机房因防止工质泄漏所需最小新风量较大，冬季仍设置了加热盘管。

给排水机房采用直流式通风系统，为防止冬季水系统冻结，设置了加热盘管。

空调通风机房内电机基本上是内置式，散热量不大，所以仅在机房内设置了排风机。因为设备均采用集中式监控，除检修外人员一般不在机房内停留，所以排风机仅在设备检修时使用, 从走廊进风，节省了平时大量排风时需要补新风的设备和管道。

2.5 总通风系统

2.5.1通风系统方案

由于建筑外观的要求，钛合金和玻璃的圆形壳体上是不允许设置机械通风口的，因此整个建筑物的新风、排风，火灾时的补风、排烟，都必须从下部引入或排出。

为缩短新鲜空气经过潮湿的地下通道的路程，由较近的圆形壳体周围和人工湖之间的室外消防通道（见图1的F区）侧墙上部引入新风和火灾时的补风，为避免汽车尾气被吸入室内，消防通道侧墙下部分散设置了多个排风口。

中区和南区由各系统的排风机将排风或排烟分别送入结构基础层中的总排风通路汇合，为避免肮脏的排风和高温烟气对建筑物的影响，再由较远的建筑物东南侧（S5区）地下总排风口排出。排风口设置了总排风机维持排风系统负压，并可减小室内各排风或排烟风机的风压。

北区排风排向建筑物北侧绿地处。

2.5.2排风系统的调节与控制

由于室内各排风、排烟系统的风机之间，以及总排风机之间均为并联，为防止风流短路，风机出口设置了与风机联锁通断的电动调节阀。

排风系统和压力变化示意如图12。各分支路的排风或排烟风机均按照房间排风口至排风机处的阻力确定其压力，其后的阻力由总排风机克服，各排风分支路阻力的不平衡，由各风机出口的调节阀调节。考虑到所有排风系统不可能全部同时使用，总排风机风量按照排风总量的80％左右计算，共设置了94000m3/h风机16台。

排风是一个由若干特性曲线不同或相同的风机，并联和串联组合而成的复杂系统。当分支路排风或排烟风机运行台数或风量有变化时，总排风机运行台数、风量应相应变化。由于大量空气处理机组是靠风阀调节新、回、排风比例，回风机风量基本恒定，因此不能采用计算机统计正在运行的排风或排烟风机的数量，以得出确切的排风总量。但如果能将总排风通路的静压维持在一个稳定的水平，正在运行的分支路排风机就可以稳定地工作。

当一些分支路排风机停止工作或风量减小时，风机出口阀门联锁关闭或关小，风道特性和风机的并串联综合特性曲线都将发生变化，流量稍有减小、总排风通路内静压（负压）绝对值增加，此时压力传感器控制总排风机减少运行台数，直至静压值恢复到设定状态。

如风道特性改变不大而并联的总排风机运行台数减少过多，会使单台风机风量增加过大而发生超负荷事故。但此系统因设置了与总排风机联锁的风阀，阀门关闭使风道局部阻力系数增加，单台风机的工作点会向减少风量、提高风压的方向移动，超负荷运行的危险不大。

考虑到风量连续调节的需要，以及每台风机只能调节到40％左右的风量，有必要为少数总排风机（例如3－4台）配置变频调速装置，根据总排风通路内静压的改变，调节风机的运行台数和转速。