湖北剧院空调的设计
介绍了湖北剧院的空调水蓄能系统的设计要点，冬夏季的运行控制模式。空调通风系统中采用了座椅下送风方式，内外区负荷的节能转换，分区调节控制等手段，达到了冬季室温18℃以上，夏季室温26℃以下，相对湿度60％以下，全场人员活动区垂直温度差小于2℃的运行效果。 关键词：剧院空调运行模式自动控制水蓄能下送风空调
Design of air conditioning system in the Hubei Theatre
Dai Bo Qing
AbstractThis article introduces the key points of the water storage air conditioning system for the Hubei Theater and its operation modes in summer and winter .The air conditioning ventilation system uses advanced techniques such as ,the up draft wind from under the chairs ,the switching of energy saving modes between the inner and outer areas and the individualized control with in areas .It is able to keep temperature above 18℃ in the winter and below 26℃ in the summer .It is also able to keep the relative humidity under 60%, and the difference between the vertical temperature in the performance stage is le than two degrees .
Keywordstheatre air conditioningoperation modesautomatic controlwater storagecontrol system
1、概况
新建湖北剧院仍旧坐落于武昌阅马场原湖北剧场旧址。经过两轮设计招标，我院的方案以其新颖独特的
造型脱颖而出，受到评标者及业主的好评，并最终中标。
其建筑面积为12000m2，建筑高度40m，共四层， 观众厅坐席1376座。地下层设有停车场、空调制冷机房、；锅炉房、消防水池（兼作蓄冷水池）、配电房、水泵房等；一层设有两个电影放映厅、贵宾室及办公用房等；二层是剧场的观众厅池座、舞台以及休息观景厅等三层是剧场的观众厅楼座以及休息厅、空调机房等；四层设有两个电影放映厅、空调机房、设备布置层及观光平台。该剧场以演出为主，放映为辅，兼具文化游乐观景等用途。建筑外景见图一。从空气调节专业的角度看，其一，该剧院处在武昌与汉阳相连接的交通要道上，同时也是武汉市中心风景名胜游览线上一大景点；其二,该建筑采用大面积玻璃幕墙作为外墙面，剧院的观众厅池座处于二层并悬挑于层室外，由于这样的特征给空调专业设计提出了一些新的难点。
剧院的使用特征：近期，经常性使用的是一层、四层的四个放映厅，剧院观众厅可能是每周几次，如晚间7:00～9:30演出一场，且无规律性，远期是一座供观赏游乐加演出的全天候开放式的旅游景点。
2、空调系统设计简介
地下层为车库及各设备用房设通风及排烟系统；一层两个小放映厅的空调方式为：室内末端装置为水盘管柜机接风管方式；一层贵宾室、办公室，三层化妆间等采用风机盘管加新风方式；二层、三层休息厅采用两台组合式空调机组，常规送风参数的全空气系统；二层休息厅沿玻璃幕墙另设有外区落地风机盘管机若干台；二层观众厅的舞台采用两台组合式空调机组（常规送风参数）的全空气系统；观众厅采用两台组合式空调机组（下送风参数）的全空气系统；从内外区热能平衡和运行情
况考虑，其剧场的观众厅下送风空调与休息厅空调送回
风管之间，根据需要可以有某种程度的联通互串运行，观众厅亦可在必要的时候转为全新风运行方式，还在楼座最后几排座位区设有局部上送风风口；四层两个小放映厅空调方式同一层放映厅（空调通风系统图详附图二）。
3、空调冷热源的蓄能设计
3.1、水蓄能方案的确定:
本工程在初步设计阶段，曾就各种空调冷热源形式
作过深入的探讨和比较，因为工程投资额所限，以及有866M3消防水池的实际情况，最终认为水蓄能方式较为合乎该项目的特点。由于本工程采用大面积玻璃幕墙，太阳直射引起的负荷变化大，静压箱及管井内众多钢结构吸收能量。瞬间负荷大，峰谷值差别很大，峰值持续时间不长，针对此特点，采用蓄冷技术，既能起到移峰填谷的作用，还可以瞬间大负荷运行，适应剧院的需要。以电力作为唯一能源来源的水蓄热技术，可以避免使用化学燃料对环境的污染，消除消防安全隐患，还可以降低设备投资。
3.2、采用廉价夜间电力，大大降低运行费用。
3.3、现有消防水池现状决定了采用水蓄冷是一种好选择。湖北剧院地下室内设有一个总容积为866 M3的消防水池，根据蓄能需要，又分为一大一小两个水池，容积分别为252M3和614 M3，冬季用小池，夏季两池均用。可根据负荷大小取用不同水池。水池做内保温和防水处理，可满足消防要求，又可以节省一次投资，所以采用水蓄能系统是一种合理的选择。
3.4、水蓄能系统的几个要点：
经计算，本工程空调峰值冷负荷为2240KW，选用两台制冷量为1050KW螺杆冷水机组，总蓄冷量为6062KW。
3.4.1、水蓄冷系统运行策略：
夜间水蓄冷—在电力低谷时段充分利用低价电，让制冷机高负荷运行制冷，当蓄冷水池内水温降到5℃时，制冷机停止蓄冷运行工况。
制冷机联合蓄冷水池供冷—部分设计日，11:00～19:00时段内出现空调冷负荷的高峰，系统由制冷机联合蓄冷水池供冷，制冷主机和蓄冷水池同时向末端提供冷量，制冷主机工作参数设定为5℃～10℃。
蓄冷水池单独供冷—在19:00～22:00时段内出现冷负荷高峰期的几率是最高的，减少该时段的电力运行费用是发挥其蓄冷节省运行费用的最有效方法，所以该时段空调冷负荷由蓄冷水池单独供冷，蓄冷水池向末端提供7℃～14℃的冷水。
制冷机单独供冷—当空调负荷稍小于标准设计日负荷时，这时蓄冷水池与制冷机可分离开，由制冷主机运行直接供冷。
3.4.2、蓄热运行：
冬季空调供热峰值为928KW，用于冬季蓄热水池的容积为252 M3，根据冬季热负荷特点，电热水锅炉选择一台供热量为400KW的全自动电热水锅炉。
电热水锅炉在夜间运行7小时蓄热的蓄热量：
Q蓄＝400（千瓦）×7（小时）×0.95＝9576000（千焦）
当水温差：ΔT＝9576000／（1.0×252×4103）＝9.3℃ 时（按回水45℃计算，水池水温度为54.3℃）即可。
本工程供热时白天电力19:00～22:00时段负荷全部由蓄热水池提供，白天电力11:00～19:00时段由蓄热水池和电热锅炉联合供热，或者由电热锅炉部分蓄热供热；在热负荷较小的设计日，由蓄热水池单独供热，蓄热电锅炉夜间运行蓄热，白天不运行，使得冬季设备投资和运行费用都最低。
系统峰值负荷由电热锅炉和蓄热水池联合供热时，末端供回水温度为44℃／54℃。在19:00～22:00时段，由蓄热水池单独供热，在满足峰值负荷930KW的情况下，蓄热水池可以单独向末端提供3～4小时的供热，在电热锅炉和蓄热水池联合供热的时段内，系统最大供热量可达1400KW。
3.4.3、蓄能水池设计要点：
1）水池的制作：蓄能水池采用钢筋混凝土结构加内保温形式，内保温由蓄能系统供应商制作，应做到保温性能好，耐高温，不渗不漏，与水池壁粘合紧密并做好排污措施。
2)水池内水流组织及措施：布水器上下各一层，上层布水器吊在网架上，小孔向上，下层布水器在池内底面上，小孔朝下。要求布水器的管径，孔径及流速经过精密计算，以确保水池水流保持层流状态。要求在水池中不同位置设置测温点，以满足温度控制要求，有加药装置，防止水池藻化，水池内外壁设有内、外爬梯，供检修用。水池的进水管，溢流管等与给排水专业合用。
3.4.4、蓄能系统流程及运行模式：
本工程采用冷机下游串联方式运行，蓄能系统与空调系统间用板式换热器隔开，蓄能系统侧设有
冷（热）水泵，两大一小，小泵变频，以满足冬季低流量运行和夏季正常运行，空调侧设负荷水泵，两大一小，小泵变频。通过阀门的不同开关状态来形成不同的运行模式。
3.5、系统控制：
3.5.1、控制模式：与常规系统比较，蓄能系统的控制要复杂得多，不但要控制制冷主机，电热锅炉，水泵，冷却塔的启停，还要进行蓄能供冷量的调节，冬夏季系统的工作转换，以尽量利用蓄能系统，最大限度节约运行费用。
3.5.2、蓄能控制软件：常用的蓄能控制有三种形式：冷机优先、蓄水池优先和优化控制。 冷机优先：冷机优先的策略是尽量让制冷机满负荷运行，如果冷负荷小于制冷机额定制冷量，完全依靠冷机负担负荷，如果冷负荷超过了冷机制冷能力，则在冷机满负荷运行的情况下，依靠水池冷水来负担不足的部分，冷机优先的控制策略，简单易行，运行可靠，但这种策略在冷负荷较小时，水池使用率极低，不能有效削减电负荷高峰和降低用户运行费。
水池优先：蓄水池优先的策略是尽可能地利用蓄水池来负担冷负荷，当水池不能完全负担时，依靠制冷机负担不足的部分，这种策略能最大限度地利用蓄水池，但因为要保证冷源能负担每天的峰值冷负荷，蓄水池不能供能太快，所以，需对负荷进行预测以决定各时刻最大释能量，因此，水池优先的控制策略实现起来比较复杂，而且在我国电价结构下并非最经济的运行方式，对削减电负荷的峰值贡献不大。本项目中有时采用此模式。
优化控制：为了更有效地发挥水蓄冷系统的优势，尽可能减少电负荷高峰期的用电量，节约更多电力费用，需对蓄冷系统进行优化控制，根据系统能耗模型分析推出最优化控制模式。本项目中采用此方法作为常用运行模式。
4、观众厅空调下送风方式的基本思考
本项目于一九九八年初我院中标开始进行设计时，业主明确要求该项目采用下送风空调方式。就此，笔者进行了广泛的搜资与调查，实地考察过的采用下送风空调送风方式的项目有上海大剧院、南京文化艺术中心、北京中山音乐厅以及曾先后考察参观过采用下送风方式的项目，如：日本大阪市可容4.5万人的圆顶体育馆，日本东京都海洋生物馆，法国巴黎卢浮宫。
我们认为下送风方式应用于大空调空间，其主要优点表现为：换气效率高；人员活动区的温湿度环境可以有效的保证；节能效果好。
对于源自于北欧的下送风方式，从其初衷来说是为了利用室外较低湿度、较低温度的免费冷源，采用此方式可提高全年运行的经济性。
当应用于我国长江中下游地区时，即相对湿度高、温度高的地区时对剧场建筑而言将给空调系统的设计运行带来若干新的特点：①需要能造成下送风的较大静压空间或较大的送风管道空间；②由于前述要求，如果采用建筑构造体来实现的话，则系统热湿惰性对运行的影响较大要加以考虑；③空调机组或送回风方式、参数要经过严格计算之后确定，还要能有效的调节与控制；④在同一空调空间中，若其服务区垂直高度分布较大，由此而对空调效果的影响要有足够的重视；⑤
合理的布置回风口及排气口的位置。
观众厅下送风方式组成：
1)、送风器：送风器采用座椅柱脚圆柱多孔送风方式，每座一个送风器由地板面下向上送风，其安装简图见附图三。
2)、空调送回风系统：送回风经由观众厅左右两侧管井组织，其池座两侧各有两个主送入口和一个主回风口。楼座两侧各有二个主送入口和一个主回风口，楼座后部吊顶上另设上送风风口8个。系统简图见附图四。
3)、空调器
根据项目特点，经过计算选择的组合式空调器采用
一、二次回风带再热器及变风量控制的方式，主要的功能应能对冬夏季的送风参数进行调节，送风量及
一、二次回风可调、新风量可调。
4)、自动控制
对于有节能要求、蓄能装置以及参数要求较严格的系统,必须设置自动控制系统,并要做到：软件功能完善充分，调节能灵活到位，取样点合理准确以及机械执行系统的稳定可靠。
在本项目中，对剧院的观众厅采用了以下控制项目：
①、送风温度及室温调节控制；
②、空调变风量控制；
③、防排烟控制；
④、通风排气控制（可全新风运行，池座与楼座可分别送风，楼座上送风可独立控制）；⑤、空气品质控制；
⑥、休息厅与观众厅热能转换节能控制。
5、使用运行效果
在经过2002年1月～2003年1月的一冬一夏试运行时的测试，冬季观众厅内温度为18℃以上；夏季观众厅内温度26℃以下，相对湿度60％以下，全场人员活动区范围的垂直温度差2℃以下。水池蓄能系统冬、夏空调季节均处于运行状态。观众厅空调系统在春秋过渡季节采用下送全新风运行节能及换气效果很好。
