工人文化宫剧院节能改造.doc

该工人文化宫剧院空调系统节能改造
摘要： 本文分析了该文化宫剧院原集中空调系统制冷效果差、电能损耗高的问题，在进行改造设计时，提出了若干技术措施。改造后的空调系统效果良好，通过不同的运行模式，达到了节能节电的目的，为类似的改造工程积累了经验和教训。
关键词 剧院 空调系统 改造
1 概述
某工人文化宫剧院位于北京市某区，于1989年投入使用，总建筑面积约7000m2。 近年来已成为该区对外交流的窗口，在来京的外国游客中颇为有名，每晚在此上演的《功夫传奇》一直座无虚席，从2004年7月15日至今已连演1200余场，50多个国家的80余万观众前来观看。但由于年代久远，其建筑和设备日显陈旧，空调系统也暴露出很多问题。在区工会、区政府的支持下于2006年开始立项改建。
2 该工人文化宫剧院建筑热工及空调方面存在的问题
2.1 本剧院建筑平面大，楼层少，四周及屋面装饰大面积单层采光玻璃，存在建筑吸热大、保温差、空调负荷大的缺点。
2.2 本剧院屋面采用钢网架薄壳结构，无隔热层，原设计舞台排风风机偏小，使得舞台上空大量灯光散热不能及时排出室外，增加了空调冷负荷。
2.3 由于上世纪80年代建设初期的技术经济条件限制，本剧院夏季制冷采用两台螺杆式冷水机组（20×104kcal/h）制冷，冬季采暖仅依靠观众厅内一层四周的电暖气。由于设备陈旧，已不能满足剧场正常的使用要求，空调效果很差且电耗高。尤其是在举行重要会议或文艺演出时，场外气温高于32℃时，场内气温竟然高达29～30℃。而冬季室内温度往往不足18℃。
2.4 原来的末端送回风系统还存在以下问题：
① 整个观众区空调温度不满意，夏季偏高，冬季偏低，其中前排区域此问题更加突出；
② 舞台空调不足，由于灯光负荷大，且大量热量不能及时拍出，演员演出时常常热的汗流浃背，严重影响演出效果。
2.5 空调保温材料选用玻璃棉。在施工中玻璃粉容易飞扬，造成人体不适，影响工程质量。玻璃棉包裹不紧或胶纸老化开口，会造成冷量泄漏，使保温失效，造成空调供水温度送升高，加大了空调电耗。
2.6 经现场实际勘察，原系统的新风补入量严重不足，空调系统的运行基本上是全回风状态运行，无法保证剧场内的空气品质。
3 空调系统的改造
3.1 冷热源改造
由于历史原因，该项目所在地无热源可用，故考虑采用水源热泵作为空调系统冷热源。经过现场及地质资料的勘察，得知本剧场所在地位于永定河冲洪积扇中下部，第四系沉积厚度100米左右，含水层分多层（2-3层），岩性以砂砾石、中粗砂为主，90米含水层累计厚度20余米，主要接受上游地下水径流补给和大气降水的垂直入渗补给，富水条件较好，单井出水量约为2400m3/d。本项目周边500米范围内无其它水源井，并且本系统实现地下水量的抽、灌平衡，因此不会造成区域地下水位下降。
经过负荷计算，本项目峰值负荷用水量为100m3/h，故设置一口抽水井即可。综合考虑该地区地下水源特点和场地情况，共设置三口抽灌两用井，运行模式为一抽两灌，抽水井、回灌井定期更换使用。
3.2 末端空调系统改造
该工人文化宫剧院原空调风系统采用分区域吊顶送风、下回风的设计，送风系统分为观众厅、舞台、休息厅（门厅）三个系统，回风采用土建地下风道。针对末端空调系统存在的种种问题，进行了如下改
造：
3.2.1 舞台区空调改造
剧场舞台空调由于存在以下一系列特殊问题，是比较难于有效解决的：
① 空间高大。主台高度为18米，宽度略小于观众厅，台深17米。
② 布景繁多，形状各异，还有网幕、软景等，既阻挡气流又不能被吹动。其上部的钢丝电缆也错纵复杂。
③ 灯具多，发热量大且不确定。
④ 冬季高大外墙及高窗耗热量大，往往形成冷气流下降至舞台面。
经过分析校核，舞台原有空调机组制冷量、送风量明显偏小，改造时单位面积耗冷量由原来的160W/ m2增加至300 W/ m2。舞台东西侧墙上分别设置2个机械排风风机，将灯具等产生的热量及时排出室外。
舞台空调系统改造除满足温、湿度要求之外，应保持与观众厅风压平衡，避免影响幕布的操作。舞台部分送风管敷设于天桥下，送风口采用可调节双层百叶侧送与旋流风口下送相结合的方式，在演出期间，与舞美紧密配合，在不吹动幕布、背景的前提下，按不同的送风方式向表演区送风，以保证演出期间的空调效果。
3.2.2 观众厅空调改造
观众厅内吊顶送风采用1000×150条形百叶，气流分析得观众厅空调效果不良与下列因素有关：1.虽然观众厅组合式空调机组的总制冷量和总送风量基本满足要求，但观众区前排送风量不足；2.送风气流射程不足,复算得知热气流射程仅为3.0～3.8米，气流远不能到达座席（吊顶距地面12米）；3.地面回风口过于偏向于后排座位，使得前排局部座位成为气流死区。

图1
　　考虑到建筑的历史和投资、工期等因素，本剧院的改扩建立足于原有建筑，最终的改造方案是在原有管道系统的基础上展开的，沿用了大部分的原有主送风和回风道。改善观众厅空调效果采取的措施如下，改造后的空调平面如图1所示：
① 调整风口式样，将原条形百叶改为送风角度可调旋流风口，夏季叶片45-60°（座席区风速0.12米／秒），冬季90°垂直下送。观众厅一层后部吊顶较低，送风口结合原有吊顶，采用散流器下
送。
② 增加总送风量，原设计为44000m3／h，调整为52000m3／h。
③ 更换观众厅前排区域上的排风风机。
　　由于风口高于人员活动区10.9米,上述调整后的送风口在冬季仍然不能满足气流射程的要求,进一步加大送风速度则噪声超过剧场标准。为此，设计考虑了以下运行策略来解决这一问题：首先在演出开始前的预热时，关闭部分送风管道，使总共35只风口中14只(或19)停止送风，将风量集中到剩余的风口中，以此提高风口的出风风速，经过计算此时的送风射程可达到11米，基本满足送风要求。同时也可显著缩短空场的预热时间，减缓吊顶附近热空气层的形成速度。演出开始后打开全部送风口。
　　剧场建筑中采用顶送风方式时面临的又一个技术难点是观众厅一层与二层供热时垂直温度梯度较大，冬季供热时，由于热空气的浮升力，往往二层温度过高。目前新建的影剧院多采用下送风，如座椅送风的方式，能在很大程度上解决这一难题。采用顶送风要完全消除热空气的垂直温度梯度是不现实的。本项目改造时也采取了相应的技术措施，以最大程度缓解这个矛盾：取消原设计设置在二层后部的回风口，使用一层贴近地面处的回风口，以加大二层区域空气循环范围，希望由此形成一层和二层之间间上下强制对流气流，借此降低空气处理机入风温度；空调机组必要时全新风运行，引入不经过加热处理的室外冷风，以抵消局部的热量堆积。
4 空调系统运行模式及节能措施
由于剧场建筑使用功能上的特殊性，如观众厅为非连续间断使用，每场使用2～3小时，场间休息；舞台、化妆室、休息厅等都集中在一段时间使用，所以空调系统的运行时间和要求很不一致。
为了进一步降低空调能耗，可对空调系统采用适当的运行模式。由于本剧场的主要功能为剧场演出和大型会议，故使用时间较短同时使用间隔较长。因此可采用①预冷或预热来满足短时间高峰负荷，减少空调设备的容量，预冷时关闭机组新风口；②过渡季节组合式空调机组停止制冷，关闭回风阀，全开新风阀，同时开启观众厅、舞台上部排风机排风，实现观众厅的全新风通风。本剧院已成功运行一年，相比改造前，节能效果显著，据初步测算一个采暖季的运行费用约为21～23元/ m2。
5 结语
　　1) 通过采用若干技术措施，结合运行模式的初步优化，该剧院空调送风系统的改造总体达到了预期的目标，室内温度分布均匀，主观感觉舒适。同时测试表明，这一目标是在良好的噪声控制水平下实现的，全部空调通风设备同时满负荷运行时附加室内噪声符合NR30评价曲线。
2) 本项目采用了相应的技术措施后观众厅冬季空调垂直温度梯度控制在可以接受的范围内，但在条件允许的情况下，观众厅空调系统最好楼上或楼下分区设置，可更加有利于解决冬季垂直温度梯度的问题。　　
3) 空调系统的运行效果与设备的运行方式有极大的关系，因此，在实验总结的基础上，通过楼宇自控系统建立一套合理的系统调控模式是必须的。
　　本文是对该文化宫剧院改扩建工程的总结，希望能对类似的改造项目提供值得借鉴的经验和教训。
参考文献
【1】王鸿章 李惠风 《影剧院空调设计》 北京：中国建筑工业出版社，1998年
【2】《全国民用建筑工程设计技术措施 暖通空调·动力》 北京：中国建筑标准设计研究所，2003
【3】潘云钢 《高层民用建筑空调设计》北京：中国建筑工业出版社，2003年