Проектирование систем организации воздухообмена залов зданий зрелищного назначения

Т. С. Шубина, канд. техн. наук, доцент МархИ

При проектировании зрелищного здания самым ответственным и наиболее трудным решением, как с архитектурных позиций, так и в отношении устройства инженерных систем микроклимата помещений, является зрительный зал со сценой.

Эффективно действующая система микроклимата зрительного зала, создающая и постоянно поддерживающая нормативные параметры комфортной воздушной среды (tв, °C; jв, %%; Vв, м/с) в рабочей зоне, зависит от многих факторов, которые известны специалистам-проектировщикам.

Определение необходимого количества приточного и удаляемого воздуха помещения и их параметров для ассимиляции вредностей микроклимата зала, а также получение этих параметров при обработке наружного воздуха в вентиляционных приточных установках – кондиционерах – вполне решаемая задача. А вот выбор эффективно действующей в эксплуатационный период схемы системы воздухообмена помещения с целью создания и поддержания этих параметров (и особенно – подвижности) – задача трудно решаемая. Это связано с тем, что схема системы воздухообмена помещения должна сочетаться с архитектурно-композиционным решением зала и его декором, а кроме того, при ее выборе одновременно приходится учитывать, что характер и скорость перемещения воздуха в зале зависит от следующих факторов:

- вида и степени равномерности выделения вредностей микроклимата во всем объеме зала;

- разности температур воздуха приточных струй и рабочей зоны зала;

- количества и скорости выпуска приточного потока;

- степени загрузки помещения зрителями;

- места расположения и конструктивного решения приточных и вытяжных устройств.

Высокое качество этого решения является синтезом архитектурных, технологических и инженерных средств, их единым одновременно решаемым произведением.

Установлено, что эффективному действию систем организации воздухообмена помещений способствуют малые дозы рассредоточенных потоков приточных и противоположно размещенных в объеме помещения вытяжных устройств.

Автором данной статьи, начиная с 1978 года (по заданию Госстроя СССР), выполнялась и продолжает выполняться в настоящее время работа на тему “Исследование микроклимата зрелищных зданий, оборудованных автоматизированными установками”. Работа была проведена в 40 зрелищных зданиях различных городов СССР (позднее – в РФ) и в 15 зрелищных зданиях Германии, Чехословакии и Венгрии. Некоторые результаты этих исследований приводятся в таблице. Результаты исследований, полученные в остальных 16 театрах и концертных залах различных городов, в таблице не приводятся, т. к. они аналогичны.

В строительной практике известно несколько разновидностей систем организации воздухообмена для помещений больших объемов. На рис. 1, 2, 4–7 изображены схемы организации воздухообмена в залах театров, вошедших в таблицу.

Рисунок 1. (подробнее) Разновидность схем организации воздухообмена в залах с подачей воздуха снизу (в рабочую зону) tпр=tв-до(2-3 град.); °C tуд=tв+Dt(hзалаmax-2); °C Vпр=0.3-0.5 м/с	Рисунок 2. (подробнее) Разновидность схем организации воздухообмена в залах с подачей воздуха сверху (выше рабочей зоны) tпр=tв-до(10-12 град.); °C tуд=tв,°C; tр=tв,°C; Vпр<=4 м/с (в зависимости от высоты расположения воздухоподачи)

До середины прошлого столетия в России и в других государствах при решении микроклимата зрительных залов преимущественно применялись схемы с верхней подачей воздуха (выше рабочей зоны). В настоящее время за рубежом в новых театрах и даже при реконструкции старых¹⁾, как правило, применяют схему с нижней подачей (в рабочую зону), считая, что преимущества этой схемы в любом случае бесспорны и значительны.

Схема с рассредоточенной нижней раздачей приточного воздуха (см. рис. 1-1 и 1-2), несмотря на то, что она несколько усложняет конструкцию пола зала, требуя устройства под ним большого объема – камеры статического давления (КСД), а кроме того, не допускает высоких температур и скоростей приточного выпуска, обладает эффективным действием, подтвержденным целым рядом исследований. Эффективность достигается благодаря следующим факторам:

- ограничению высоты обслуживания зоны зала (до 2 м от уровня пола);

- движению потоков приточного воздуха в одном направлении со свободными конвективными потоками удаляемого нагретого зрителями воздуха и другими источниками, что ведет к “промыванию” всего объема зала и к уменьшению турбулентности;

- поступлению непосредственно в зону размещения зрителей, актеров, оркестрантов наружного воздуха, подготовленного приточной установкой (кондиционером), а не разбавленного вредностями зала;

- равномерному душированию всех рабочих зон зала мелкими дозами воздуха;

- обеспечению практической независимости эффективного действия системы от объемно-планировочного решения и степени заполнения зала зрителями;

- улучшению качества обработки (снижению запыленности) наружного воздуха, подаваемого в помещение, и выравниванию его скорости за счет применения камеры статического давления.

Таблица. (подробнее) Результаты исследования микроклимата залов зрелищных зданий

При определении производительности системы воздухообмена зала, решенной по схеме “снизу-вверх”, в расчеты на ассимиляцию теплоизбытков зала вводят лишь лучистое тепло от освещения, скрытое и часть явного тепла, выделяемого людьми, и не учитывают явное тепло осветительных устройств (в том числе – софитов), а также часть явного тепла людей и тепло, поступающее в зал извне через наружные ограждения. Таким образом, системы воздухообмена залов, решенные по схемам “снизу-вверх” или “зональная” (с тем же направлением подачи и удаления воздуха в многоярусном зале), являются более рентабельными и выгодными.

В европейских государствах системы воздухообмена с подачей воздуха в рабочую зону и с верхним удалением (см. рис. 1-1 и 1-2) нашли широкое применение не только при новом строительстве и реконструкции зданий, но и при восстановлении зданий, разрушенных войной.

Так, в Германии при новом строительстве зрелищных зданий: театра оперы и балета г. Лейпцига, Дворца культуры г. Дрездена и Дворца съездов г. Берлина, при реконструкции Немецкого театра г. Веймара, Театра оперы и балета г. Берлина, а также при восстановлении из руин театра оперы и балета г. Дрездена – были применены системы с подачей воздуха “снизу-вверх” через КСД. В театре оперы и балета г. Дрездена, зрительный зал которого всегда был многоярусным, восстановление выполнялось по первоначальному проекту и тщательно контролировалось его соответствие. Тем не менее, чтобы создать в каждом ярусе КСД определенной высоты, было принято решение о сокращении с этой целью одного яруса.

В Венгрии при строительстве нового театра в г. Дюор и при восстановлении в Кремлевском замке г. Будапешта театра под названием “25-й театр” были запроектированы и установлены системы воздухообмена, решаемые по схеме “снизу-вверх”.

В Чехословакии при реконструкции Словацкого национального театра г. Братиславы и при восстановлении Народного театра г. Праги вместо ранее существующих систем, решенных по схеме “сверху-вверх-вверх” (см. рис. 2), были запроектированы системы по схеме “снизу-вверх-вверх” (см. рис. 1). Во всех перечисленных театрах раздача воздуха из КСД в рабочие зоны зала осуществляется или с помощью воздухоразделяющих устройств – “грибков”, или перфорированных (с диаметром отверстий – 4,0 мм) “диффузоров”, расположенных под креслами зрителей, а порой входящих в конструкцию кресел. Результаты действия такого решения подачи воздуха в зрительный зал Дворца культуры г. Дрездена приводятся в графике (см. рис. 3). В других случаях раздача воздуха из КСД осуществлялась посредством решеток, установленных на отверстиях в вертикальных плоскостях ступеней каждого ряда амфитеатра, или с помощью “климадранта” – устройства, запатентованного немецкой фирмой “Kesslen und Luch”. Это устройство, сделанное в спинке-“канале” каждого кресла наподобие эжекционного доводчика, имеет камеру первичного воздуха с соплом, рециркуляционное отверстие (ближе к полу с обратной стороны спинки кресла), защищенное регулируемой решеткой, камеру смешения воздуха, изолированную шумопоглощающей облицовкой, и в верхней горизонтальной плоскости спинки кресла – выпускные щели с регулируемыми решетками.

Исследования работы “климадранта”, проведенные в одном из залов Дворца съездов г. Берлина, показали, что струи первичного воздуха, поступающего из КСД, выходят из сопла в камеру смешения с очень большой начальной скоростью, вовлекают рециркуляционный воздух рабочей зоны зала и, смешиваясь с ним, выходят вверх помещения со скоростью ~0,7–0,8 м/с. На расстоянии примерно 600–700 мм от верхней плоскости спинки кресла, в направлении от струи, скорость гасится и становится равной скорости естественных конвективных потоков воздуха зала. Такое решение раздачи воздуха, нарушая “монотонность” климата, обеспечивает гарантию от жалоб зрителей на “дутье”, удовлетворяет желание каждого зрителя, создавая индивидуальную микроклиматическую зону.

Рисунок 3. Изменение параметров микроклимата зала во время спектакля в Дворце культуры г Дрездена (при скорости выпуска из диффузора = 0,3 м/с)

В залах зрелищных зданий с большим количеством посадочных мест, к примеру, таких как Кремлевский Дворец Съездов (6 180 посадочных мест) и ему подобных, применение воздухораздающего устройства “климадрант” было бы рациональным решением.

Рисунок 4. (подробнее)

Во всех залах зрелищных зданий, обследованных автором данной статьи (см. табл.), из-за неправильного выбора схем организации воздухообмена и их воздухораздающих устройств, рабочие зоны не обеспечены нормативной подвижностью (0,3–0,5 м/с) и – как следствие – нормативной температурой воздуха. В качестве примера рассмотрим несколько из них.

Зрительный зал театра “Современник” (Москва) рассчитан на 800 посадочных мест (см. фото на с. 54). Он имеет партер на 630 мест (в том числе 170 мест в подбалконной части) и балкон на 165 мест. В техническом этаже над фойе размещены 2 центральных кондиционера производительностью 20 000 м³/ч (каждый) и 2 рециркуляционно-вытяжные установки производительностью 13 000 м³/ч (каждая). Механическая вытяжная установка с забором воздуха через осветительную галерею и через 30 отверстий в потолке зала (для подвески 30 люстр), производительностью 8 000 м³/ч, размещены на чердаке. Естественное удаление воздуха через противопожарный клапан сцены предусматривало проектом 15% количества воздуха от подаваемого в зал. Распределение приточного воздуха зала по проекту было следующим (см фото и рис. 4):

- 18 700 м³/ч воздуха должно подаваться в зал посредством 10 решеток (по 5 штук с каждой стороны зала) на высоте ~7,0 м от уровня пола партера или ~3,0 м от уровня балкона;

- 18 300 м³/ч воздуха должно подаваться в зал посредством двух щелевидных решеток, расположенных в торцевой стене зала под балконом на высоте 3,0 м от уровня пола паркета²⁾.

Рециркуляционно-вытяжные решетки системы “сверху-вниз-вверх” были запроектированы под ложами балкона симметрично с каждой стороны зала и вмонтированы (подобно приточной раздаче) в горизонтальный канал, образованный кривизной угла сопряжения стен и потолка.

Температурный перепад между внутренним и приточным воздухом для подачи в партер был принят равным 8 градусам, для подачи на балкон – 4 градусам, и поэтому в системе установлены доводчики.

После введения театра в эксплуатацию системы инженерного обеспечения микроклимата помещений театра подвергались испытаниям и наладке. В результате этих работ были вскрыты многие недостатки, в том числе потоки воздуха боковой раздачи взаимодействовали со струями, выходящими с большой скоростью из-под балкона, что приводило к интенсивному притоку устремленного к сцене воздуха, отрицательно воздействующего на зрителей. Подвижность воздуха в рабочих зонах партера (по центральной оси зала) достигала местами до 4,5 м/с, и вместе с тем центральная часть балкона и последние ряды балкона и подбалконной зоны были застойными.

Рисунок 5. (подробнее) Схема воздухообмена зрительного зала Кремлевского Дворца съездов (разрез зала)	Рисунок 6. (подробнее) Схема воздухообмена зрительного зала Кремлевского Дворца съездов (в плане зала)

Специалистами “Проектпромвентиляции” (Москва) и ВНИИОТа (Санкт-Петербург) были проведены расчеты следующих воздухоразводящих устройств для замены существующих:

- плафонов типа ВДГИ и ВДУМ с их размещением не в существующих отверстиях притока, а на потолке;

- направляющих плоскостей, устанавливаемых в существующих 10-ти проемах боковых стен зала, способствующих созданию вместо прямоточных струй веерных.

Расчеты показали, что перечисленные варианты не могут привести к желаемым результатам. При применении последнего варианта оказалось, что веерные струи раскачивают светильники (30 штук), которыми плотно завешена центральная часть потолка зала. Кроме того, этот вариант мог бы создать в рабочей зоне нормативную подвижность, но только при уменьшении количества приточного воздуха на ~40% от расчетного, требуемого на ассимиляцию теплоизбытков зала.

Подобная картина наблюдалась при такой же схеме воздухообмена “сверху-вниз-вверх” (и еще хуже – при схеме “сверху-вверх-вверх”) во всех зрительных залах (см. табл.), в том числе в Большом зале (на 6 180 посадочных мест) Кремлевского Дворца Съездов (см. рис. 5 и 6). В центральной части партера зрительного зала Дворца Съездов подвижность воздуха (при расчетной производительности приточной системы – 370 000 м³/ч) составляла от 2,5 до 4,5 м/с, что приводило к частым нареканиям зрителей. В результате работ, проведенных наладчиками института “Проектпромвентиляция” в 1962, 1966, 1971, 1978 годах, производительность системы кондиционирования воздуха зала была понижена до 266 000 м³/ч (ряд воздухораздающих решеток – заглушены, см. рис. 5), а вытяжных систем – на 10%. Несмотря на это, желаемых результатов не было достигнуто, и в отчетах наладчиков было отмечено, что “...полная ликвидация недостатков микроклимата зала КДС не представляется возможной без изменения схемы организации воздухообмена”, и добавлено, что “...к сожалению, эти недостатки являются допустимыми в практике проектирования залов больших объемов”. Позднее – в 1981, 1984, 1987 годах – научно-исследовательским институтом “ЦНИИЭП инженерного оборудования” были выполнены научно-исследовательские работы на тему “Разработка и экспериментальная проверка схем воздухораспределения, обеспечивающих улучшение микроклимата в помещениях общественных зданий”. Но даже после этих работ в зрительном зале КДС не были получены требуемые условия комфортной среды.

Рисунок 7. (подробнее) Схема системы воздухообмена зрительного зала Дворца им. В.И. Ленина, г. Баку

В 1994 году был сдан в эксплуатацию после капитального ремонта филиал Государственного Академического Малого театра. Для его зрительного зала Гипротеатром была принята схема системы воздухообмена “сверху-вверх-вверх” (см. рис. 2-1). Расположение рециркуляционных воздухозаборов над рампой сцены противоположно приточному потоку, выпускаемому под потолком зала и под ярусами, привело к раскачиванию центральной массивной люстры зала. С первых дней эксплуатации театра пришлось переделывать рециркуляционную часть системы, заменяя ее воздухозаборные устройства на приточные с новым расположением рециркуляционных в межферменном пространстве и, кроме этого, – снижать производительность приточной установки зала с 50 000 до 32 000 м³/ч.

Немного качественнее для создания нормативной подвижности в рабочей зоне зала работает система воздухообмена, решенная по схеме “сверху-вниз-вверх” с рассредоточенным удалением (см. табл. 1 и рис. 2-2).

Так, схема воздухообмена “сверху-вниз-вверх”, принятая для зрительного зала Дворца им. В. И. Ленина г. Баку, была запроектирована следующим образом (см. рис. 7). Подача воздуха в зал Дворца им. В. И. Ленина (с температурой ниже температуры воздуха рабочей зоны зала на 6 градусов) осуществлялась рассредоточенно:

- у осветительной галереи – посредством веерных регулирующих решеток с начальной скоростью выхода 0,6 м/с, с изменением ее в пределах рабочей зоны до 0,25 м/с;

- по периметру зала (с 3-х сторон) – регулирующими жалюзийными решетками;

- по всей плоскости потолка зала – цилиндрическими насадками с регулирующими диафрагмами;

- через подшивной потолок световых лож – перфорированными панелями.

Было запроектировано удаление воздуха зала:

- механическое – с помощью рециркулярно-вытяжных установок с забором воздуха из рабочей зоны посредством решеток, находящихся под креслами зала, и щелей, расположенных на высоте ~1,0 м от пола вдоль боковых стен зала;

- естественным путем, осуществляемым за счет естественной гравитации и подпора избыточного количества подаваемого в зал воздуха, с его выбросом через решетки, симметрично расположенные по две – над зрительным залом, над софитами осветительных лож и над сценой.

Натурные исследования микроклимата зала Дворца г. Баку привели к следующим выводам:

- подвижность воздуха в рабочей зоне зала (неравномерная с повышением к зоне расположения боковых рециркуляционных устройств) не превышала 0,45 м/с, что допустимо нормами для теплого периода эксплуатации зала;

- по составу воздуха концентрация СО₂ превышала предельно допустимое значение;

- приточный воздух в зал подавался с температурным перепадом не 6 градусов, а 8–9, из-за того что магистральные приточные каналы, проложенные в межфермерном пространстве, нагревались от крыши зала, а для их защиты – подобно тому решению, что описано в статье Луки Стефанутти “Малый театр становится... большим” – ничего не было предусмотрено.

Если бы в зале Дворца г. Баку была применена системы воздухообмена “снизу-вверх”, тепло нагретого воздуха межферменного пространства зала лишь способствовало бы естественному гравитационному движению при верхнем удалении, в то же время, это тепло не влияло бы на подготовку приточного воздуха зала, а это значит, что были бы меньше затраты на приготовление холода для СКВ.

При всех положительных свойствах систем организации воздухообмена, решенных по схеме “снизу-вверх” (или “снизу-вверх-вверх”), в России с 1940 года при строительстве зрелищных зданий эти системы не применялись. До 1940 года в России эти схемы были лишь в 2-х зданиях – в 1895 году в Большом зале Консерватории (Москва) и в 1940 году в Концертном зале им. П. И. Чайковского (Москва), которые в настоящее время требуют капитального ремонта из-за их старости и частичного разрушения в военные годы. Описание этих систем очень хорошо и полно изложено в книге инженера Гипротеатра К. С. Елизарова “Теплоснабжение, вентиляция и кондиционирование в театрах”, выпущенной в свет в 1959 году.

1) См. статью в данном журнале “Малый театр становится... большим” Луки Стефанутти (Компания “Эдоардо Лоссо Спа” г. Милана).

2) Одновременно этой же системой 3000 м³/ч должно подаваться в дикторскую, операторскую и кино-, светопроекционные.

Тел.: (095) 928-8647, 238-4563