国家大剧院暖通空调方案及节能措施

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

1.1 概况

空调水系统如图2和图3。

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=(Q Z+Q X)/G

=(W.γ+ Q X)/G

式中：Q Z—水蒸发带走的热量

Q X—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Q Z，水和空气的显热交换量Q X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Q Z 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Q X。

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Q Z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Q X，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S X与处理后的新风F X点（假设新风处理到房间的等焓状态）混合至O X点送入室内。由于室内N X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（t w1）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N d，风机盘管出风状态即为S d，其温度约为11℃，与7℃的冷水进水（t w1）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℃（t w1’/ t w2’），风机盘管出风状态S d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S d’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S d’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。