上海市建工設(shè)計研究總院有限公司 朱金鳴 昂 超 朱黎明 劉雪燕

1 工程概況

九棵樹(上海)未來藝術(shù)中心(見圖1)位于上海奉賢區(qū)奉浦大道，總占地面積為12.0萬m2，總建筑面積7.2萬m2，其中藝術(shù)中心主體為地下1層、地上5層結(jié)構(gòu)，包括1個1 200座的主劇場、1個500座的多功能劇場、1個300座的主題劇場、1個藝術(shù)展覽及創(chuàng)作中心，以及配套附屬功能用房，2017年10月開始建設(shè)，2019年7月竣工完成并投入使用。

圖1 九棵樹(上海)未來藝術(shù)中心實景

九棵樹項目是全國首座森林劇院，3個劇場融合了多功能演出等功能，尤其是1 200座大劇場采用了“可變混響”系統(tǒng)，改善了傳統(tǒng)劇場建筑聲學(xué)無法解決的聲場不均勻技術(shù)難題，具備了每個座位都能享受音效的“VIP”功能。

2 劇場建筑空調(diào)冷熱負荷特點分析

空調(diào)冷熱負荷依據(jù)模型進行計算與分析，建筑模型因子分析主要包括劇場各區(qū)域功能要求與熱工參數(shù)等條件。

劇場各季節(jié)與時段空調(diào)冷熱負荷的分布具有間歇性、集中性與提前性等特點，空調(diào)冷熱負荷為非連續(xù)性的，主要來自于人員、新風(fēng)、燈光等。透過玻璃與圍護結(jié)構(gòu)等直接獲得的太陽輻射量較少，夏季潛熱負荷相對較大，顯熱負荷相對較小，因此熱濕比也小。由于整個工程除了劇場以外還有其他輔助建筑，在選擇冷熱主機等設(shè)備時需要充分考慮空調(diào)冷熱負荷的時間分布及部分負荷的使用狀況，以達到最佳的運行與節(jié)能效果。

空調(diào)設(shè)計日逐時冷熱負荷及空調(diào)冷熱負荷率的時間分布如圖2～5所示。設(shè)計日夏季總冷負荷綜合最大值約為7 200 kW，冬季總熱負荷綜合最大值約為3 800 kW。

圖2 設(shè)計日逐時冷負荷

圖3 設(shè)計日逐時熱負荷

圖4 空調(diào)冷負荷率的時間分布

圖5 空調(diào)熱負荷率的時間分布

3 空調(diào)冷熱源方案比較與分析

根據(jù)空調(diào)動態(tài)冷熱負荷計算分析結(jié)果及冷熱負荷各季節(jié)與時段分布，為體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、先進性、實用性及運行節(jié)能與環(huán)保性，對空調(diào)冷熱源方案初投資運行費用進行分析與比較，如表1所示。

經(jīng)過對空調(diào)冷負荷特點與經(jīng)濟性等內(nèi)容的分析與比較，冰蓄冷系統(tǒng)對于劇場建筑有一定的適用性，但系統(tǒng)相對復(fù)雜，另外受投資及施工安裝周期等因素的影響，最后實施了方案1，目前運行良好，滿足使用要求。

空調(diào)熱源系統(tǒng)相對簡單成熟，自動化程度高、可靠性好、初投資少，滿足鍋爐大氣污染物排放標準(二氧化硫排放質(zhì)量濃度限值50 mg/m3的要求)。

表1 空調(diào)冷熱源配置與初投資、運行費用對比分析

4 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)采用冷熱轉(zhuǎn)換的兩管制一級泵水系統(tǒng)，控制各個環(huán)路水平方向作用半徑，統(tǒng)一相同功能的分路，空調(diào)冷水系統(tǒng)根據(jù)負荷變化，采用壓差旁通變流量運行，空調(diào)熱水系統(tǒng)根據(jù)負荷變化，熱水泵采用變頻運行,空調(diào)冷熱源水系統(tǒng)見圖6。

5 劇場室內(nèi)氣流組織分析與對策

針對劇場等區(qū)域特點，為了使室內(nèi)溫度、濕度、空氣流速、噪聲等滿足人體舒適度與環(huán)境等要求，對氣流組織的影響因素進行了模擬分析，在送風(fēng)射流及回風(fēng)布置時，采用不同的送、回風(fēng)方式，如圖7所示。

圖6 空調(diào)冷熱源水系統(tǒng)圖

圖7 1 200座劇場風(fēng)系統(tǒng)圖

5.1 空調(diào)房間氣流組織模擬分析

采用Fluent-Airpak軟件，基于有限體積法，模擬通風(fēng)系統(tǒng)的空氣流動、空氣品質(zhì)、傳熱及污染情況、舒適度等[1]，并依照ISO 7730：2005標準提供的舒適度、預(yù)計平均熱感覺指數(shù)PMV、預(yù)計不滿意者的百分數(shù)PPD等衡量室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)的技術(shù)指標，分析氣流運動情況及整個求解區(qū)域內(nèi)的流場狀況。CFD模型見圖8。

圖8 1 200座劇場CFD模擬分析模型

以1 200座劇場為例進行分析，1 200座劇場采用座椅送風(fēng)方式及二次回風(fēng)系統(tǒng)，每個座位的送風(fēng)量為50～100 m3/h，送風(fēng)柱內(nèi)氣流流速為1 m/s，送風(fēng)風(fēng)速≤0.25 m/s，送風(fēng)溫差較小(Δt=2～5 ℃)，每個座位送風(fēng)量通過計算得出。夏季樓座每個座位送風(fēng)量通常比池座大，主要原因是樓座位于觀眾廳上部，池座的一部分熱量及觀眾廳頂部的熱量會轉(zhuǎn)移到樓座，而冬季狀況正好相反，通過空調(diào)機組風(fēng)機變頻，增減風(fēng)量來實現(xiàn)。

座椅送風(fēng)時，冬(夏)季送風(fēng)溫度不宜過高(低)，一次回風(fēng)系統(tǒng)用再熱器來解決送風(fēng)問題，不符合節(jié)能原則，二次回風(fēng)系統(tǒng)則采用在表冷器后與回風(fēng)再混合的辦法來代替再熱器以節(jié)約能量。但二次回風(fēng)會適當(dāng)增加風(fēng)管數(shù)量與截面面積，給風(fēng)管布置帶來一定的困難。

1 200座劇場的部分模擬結(jié)果如圖9、10所示。根據(jù)模擬結(jié)果適當(dāng)調(diào)整各個區(qū)域的送風(fēng)量及送回風(fēng)口的布置等。

圖9 1 200座劇場不同截面夏季空氣溫度云圖

圖10 1 200座劇場不同截面冬季空氣溫度云圖

模擬分析結(jié)果為優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，如空調(diào)機組除了采用常規(guī)的二級過濾器外，為同時滿足PM2.5過濾要求，大小劇場采用均布CO2監(jiān)控傳感器，對室內(nèi)空氣進行監(jiān)控，并同步控制新風(fēng)，保證室內(nèi)空氣品質(zhì)。

5.2 劇場全年新風(fēng)運行模式

冬夏季新風(fēng)量首先滿足人員需求，過渡季可采用全新風(fēng)運行，實際運行新風(fēng)量是隨時間與溫度變化的，按照監(jiān)測的CO2濃度、室內(nèi)溫度及風(fēng)量平衡等條件，變頻控制空調(diào)機組風(fēng)機的風(fēng)量。觀眾區(qū)、舞臺區(qū)與其他輔助區(qū)域的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)及排風(fēng)系統(tǒng)原則上按區(qū)域分開獨立設(shè)置，同時需要滿足夏季預(yù)冷、冬季預(yù)熱及冬季內(nèi)區(qū)過熱時送冷等各種運行工況。由于該工程空調(diào)水系統(tǒng)采用的是兩管制，經(jīng)過計算與分析，部分區(qū)域在很少時段內(nèi)存在需要同時供冷與供熱的需求，主要采用增加新風(fēng)量的方式來解決。為避免室內(nèi)過于干燥，需要有加濕措施。

5.3 劇場防排煙系統(tǒng)

結(jié)合規(guī)范要求，劇場建筑可參照中庭標準進行防排煙系統(tǒng)設(shè)計，該項目設(shè)計采用機械排煙與補風(fēng)的方式并與平時送排風(fēng)(熱)系統(tǒng)兼用。

6 降噪、減振與隔振方法

6.1 空調(diào)通風(fēng)設(shè)備的選擇

空調(diào)與通風(fēng)等設(shè)備除滿足基本使用功能外，還要滿足噪聲控制要求。風(fēng)機的選擇尤為重要，應(yīng)遵循以下原則[2]：

1) 避免風(fēng)機在低效率區(qū)工作，當(dāng)風(fēng)機在低效率下工作時，產(chǎn)生的噪聲遠比額定工況時大；

2) 選擇前向型葉片風(fēng)機；

3) 減少風(fēng)機并聯(lián)使用時間，并限制風(fēng)機出口風(fēng)速；

4) 控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速增加1倍時，風(fēng)機聲功率級約增加15 dB。

6.2 氣體與固體傳聲消聲措施

空調(diào)與通風(fēng)噪聲的產(chǎn)生不外乎氣體與固體傳聲2種形式，氣體噪聲主要用風(fēng)速進行控制，并采取減少阻擋等其他措施。

固體傳聲除了滿足以上風(fēng)機產(chǎn)品選擇要求外，空調(diào)機組吸聲降噪也是重要環(huán)節(jié)，該工程采取以下措施：

1) 空調(diào)機組的風(fēng)機段和回風(fēng)段采用有一定穿孔率的穿孔板作為吸聲層；

2) 利用吸聲性能良好的玻璃棉作為吸聲材料，吸聲材料兼作空調(diào)機組保溫材料，經(jīng)濟性好。

用8倍頻程聲功率逐項對比該工程選擇的空調(diào)機組風(fēng)量及風(fēng)機，風(fēng)機段和回風(fēng)段內(nèi)壁采用孔徑2.5～3.8 mm、穿孔率20%～30%的穿孔板，吸聲面兼作箱體保溫層，內(nèi)襯超細離心玻璃棉，厚度為80～100 mm。

組合式空調(diào)機組各消聲倍頻程的插入損失如表2所示。在空調(diào)機房內(nèi)，采用優(yōu)化措施前后機組外部測試的噪聲值變化不明顯，而機組內(nèi)部噪聲變化非常明顯，如圖11所示，空調(diào)機組內(nèi)部風(fēng)機噪聲的變化同時可以影響整個風(fēng)管系統(tǒng)。

表2 組合式空調(diào)機組(消聲后)插入損失[3](1)新晃空調(diào)設(shè)備有限公司.空調(diào)機組、風(fēng)機測試數(shù)據(jù)(內(nèi)部測試報告)，2018

圖11 空調(diào)機房與機組優(yōu)化前后實測噪聲對比(2)華東建筑設(shè)計研究院有限公司聲學(xué)及劇院專項設(shè)計研究所. 上海九棵樹未來藝術(shù)中心劇場噪聲測試報告(內(nèi)部測試報告)，2019-07-14

按聲功率選擇風(fēng)機。皮帶傳動風(fēng)機的電動機更易產(chǎn)生機械疲勞損傷而產(chǎn)生傳動噪聲，增大聲源與振源(電動機)振幅強度。風(fēng)機較高出口風(fēng)速也較易引發(fā)后續(xù)送風(fēng)管內(nèi)湍流振動和氣流噪聲，因此需要均衡綜合評定風(fēng)機性能。

皮帶及皮帶盤也是影響風(fēng)機噪聲的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)實踐，其產(chǎn)生的影響可達3～5 dB，對該工程舞臺及觀眾區(qū)空調(diào)機組風(fēng)機的皮帶與皮帶盤進行了調(diào)整與優(yōu)化。

風(fēng)機選型參考工程流體力學(xué)實用原則，利用風(fēng)機性能曲線選擇風(fēng)機，將同系列而不同規(guī)格風(fēng)機的全壓、功率、轉(zhuǎn)速與流量的關(guān)系表示在同一張對數(shù)坐標圖上構(gòu)成曲線，風(fēng)機的工作范圍一般規(guī)定為設(shè)計點最高效率的90%以上的區(qū)段。

6.3 觀眾廳靜壓箱(倉)的噪聲控制

觀眾廳下部土建靜壓箱(倉)出風(fēng)也是影響噪聲控制的重要環(huán)節(jié)，一般認為靜壓箱(倉)各個出風(fēng)口的風(fēng)速控制在1 m/s以內(nèi)時，氣流噪聲就可以控制了，但實際情況并非如此。根據(jù)該工程的實踐經(jīng)驗，應(yīng)注意以下問題：

1) 當(dāng)土建靜壓箱(倉)不能遠離空調(diào)機房時，固體傳聲需要充分引起重視，必須采取有效的減振與隔振措施；

2) 當(dāng)靜壓箱(倉)內(nèi)有多個出風(fēng)口時，盡管單個風(fēng)口的噪聲可控，但需要考慮多個風(fēng)口噪聲疊加的因素，布置時應(yīng)盡量拉開距離，高低錯落，不在同一方向，減少互相干擾；

3) 如有條件，風(fēng)管出風(fēng)口應(yīng)適當(dāng)放大并做成銳口，風(fēng)管與風(fēng)口必須固定，避免振動；

4) 消聲器之間應(yīng)保持一定的距離，消聲器的選擇應(yīng)有針對性；

5) 靜壓箱(倉)四周內(nèi)壁應(yīng)貼吸聲材料。

以上如有一個環(huán)節(jié)沒有做好將影響噪聲的控制。圖12顯示了靜壓箱(倉)對上述內(nèi)容進一步調(diào)整與優(yōu)化前后的噪聲值對比，效果較明顯。

圖12 靜壓箱(倉)優(yōu)化前后實測噪聲對比(3)新晃空調(diào)設(shè)備有限公司.空調(diào)機組、風(fēng)機測試數(shù)據(jù)(內(nèi)部測試報告)，2018

6.4 減振與隔振措施

1) 機房內(nèi)做浮筑基礎(chǔ)，風(fēng)機等傳動設(shè)備配減振基座及減振器；

2) 機房內(nèi)壁面貼吸聲材料，做隔聲門；

3) 管道穿墻、穿樓板處用彈性材料進行密封，風(fēng)管吊架采用彈簧吊架；

4) 當(dāng)風(fēng)管進入特殊要求的房間時，采用隔聲、隔振和柔性連接等手段，避免風(fēng)管產(chǎn)生低頻振動；

5) 冷水機組與水泵等傳動設(shè)備配置必要的減振基座及減振器，對機房進行封閉，另外做墻面頂吸聲、隔聲處理及浮筑設(shè)備基礎(chǔ)，減少固體傳聲。

6.5 風(fēng)道系統(tǒng)消聲

當(dāng)室內(nèi)聲壓級不能滿足室內(nèi)允許噪聲標準時，應(yīng)按其頻率所要求的消聲量來選擇消聲器，室內(nèi)所需的消聲補償量ΔL[2]為

ΔL=L′A-LA

(1)

式中L′A為風(fēng)口A聲級噪聲，dB；LA為室內(nèi)平均A聲級噪聲，dB。

對噪聲控制要求較高的區(qū)域及房間，應(yīng)對空調(diào)及通風(fēng)氣流通過風(fēng)管產(chǎn)生的噪聲及自然衰減量進行計算[2]：

Lw=10+50lgv+10lgS+Δβ

(2)

式中Lw為風(fēng)管內(nèi)氣流A聲級噪聲，dB；v為風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速，m/s；S為風(fēng)管斷面積，m2；Δβ為相應(yīng)的倍頻帶聲功率級修正值(查表)，dB。

另外在消聲設(shè)計時除了應(yīng)考慮通風(fēng)機等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲外，還應(yīng)按倍頻帶計算風(fēng)管系統(tǒng)配置的彎頭、三通等各種異形管件與閥門等產(chǎn)生的噪聲及噪聲自然衰減量，通常稱為氣體噪聲，包括氣流速度過快產(chǎn)生的再生噪聲。

按GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》[4]計算噪聲自然衰減量，對于直風(fēng)管，當(dāng)風(fēng)速小于5 m/s時，可不計算氣流再生噪聲；風(fēng)速小于8 m/s時，可不計算噪聲自然衰減量。

在布置風(fēng)管時應(yīng)嚴格遵守表3中風(fēng)速的控制要求，并盡量利用風(fēng)管走向變化來達到使噪聲自然衰減的目的，當(dāng)一個系統(tǒng)服務(wù)多個房間時，在各支風(fēng)管上加設(shè)消聲器。在系統(tǒng)消聲的設(shè)置上應(yīng)合理并可兼用，布置的消聲器既能降低整個系統(tǒng)的噪聲，又能防止各房間之間的串聲。

表3 風(fēng)管內(nèi)的空氣流速[4-5]

無論舞臺、觀眾廳還是其他區(qū)域的噪聲，主要通過對空調(diào)風(fēng)機、氣體傳聲與固體傳聲的噪聲進行控制，其中低頻段的噪聲控制尤為重要。該工程根據(jù)以上設(shè)計原則與條件，對所有空調(diào)風(fēng)機產(chǎn)生噪聲與振動的設(shè)備和系統(tǒng)采取一系列有針對性的手段與措施，經(jīng)過實際運行、測試與調(diào)整，取得了較好的效果。

圖13～15顯示了觀眾廳、舞臺整個系統(tǒng)進行多次調(diào)整的優(yōu)化前后噪聲的對比(4)華東建筑設(shè)計研究院有限公司聲學(xué)及劇院專項設(shè)計研究所. 上海九棵樹未來藝術(shù)中心劇場噪聲測試報告(內(nèi)部測試報告)，2019-07-14。

圖13 舞臺優(yōu)化前后實測噪聲對比

圖14 觀眾廳(池座)優(yōu)化前后實測噪聲對比

圖15 觀眾廳(樓座)優(yōu)化前后實測噪聲對比

對噪聲控制有特殊要求的建筑有一定共性與適應(yīng)性，但真正實施需要對建筑個性進行必要的深入研究與分析，可能還會涉及到更多的具體內(nèi)容。

7 結(jié)語

該工程的設(shè)計、施工與安裝歷時2 a多，在國際通用工程總承包(EPC)管理模式下，無論在設(shè)計與施工安裝還是質(zhì)量控制(包括投資控制)上，經(jīng)過1 a多運行及專業(yè)優(yōu)化調(diào)整，充分體現(xiàn)了較高的專業(yè)技術(shù)水平。在節(jié)能環(huán)保、空調(diào)系統(tǒng)、噪聲控制與配合可變混響調(diào)試等方面的內(nèi)容可供同類工程參考與借鑒。