滑縣博物館空調(diào)系統(tǒng)設計與探討

范紅兵

上海同濟開元建筑設計有限公司

0 引言

博物館不同于普通的公共建筑，它的特殊性主要在于文物的保存、展覽等功能，而文物對于所處空間的空氣溫濕度、噪聲、震動等，要求極為嚴格。博物館內(nèi)人流量大，空氣品質(zhì)較難控制，適合人員舒適的溫度和濕度與適合文物保存的環(huán)境不盡相同。如何在保證文物有安全存放環(huán)境的前提下，盡量滿足人員的舒適性，是空調(diào)設計的難點和重點，因此，博物館內(nèi)合理的空調(diào)系統(tǒng)設計對文物的保護以及人員的舒適性起著至關重要的作用。

本文以滑縣博物館空調(diào)系統(tǒng)設計為例，結(jié)合其冷熱源選擇、溫濕度控制等對其空調(diào)系統(tǒng)的特點和難點就行了闡述和探討。

1 項目概況

本項目為滑縣博物館、文化館、圖書館三館合一項目，位于河南省滑縣城區(qū)，滑州大道以北，市民廣場以西，文湖以南，城關河以東。與滑縣科技中心沿市民廣場中軸線呈東西對稱布局。由滑縣博物館、圖書館、文化館三部分功能共同組成，為地下一層、地上五層總高度為23.95 m 的多層建筑，總建筑面積為40700 m2，建筑外觀如圖1 所示。

圖1 建筑效果圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 主要設計參數(shù)的確定

肖武[1]等對各地已建成博物館（院）的空調(diào)運行情況進行了考察，各博物館對室內(nèi)空氣參數(shù)要求差別很大，做法也不盡相同，以展廳為例，其空調(diào)設計參數(shù)見表1[1]。

可以看出，各博物館對展廳的溫濕度要求，有著較大的差別，由于考察項目建成時間已久，且相關規(guī)范已更新，在參考其做法的同時，需結(jié)合新規(guī)范《博物館建筑設計規(guī)范》JGJ66-2015 來確定本項目的空調(diào)設計參數(shù)。規(guī)范要求博物館的陳列展覽區(qū)和業(yè)務區(qū)宜設置空調(diào)，設置空氣調(diào)節(jié)設備的藏品庫房、展廳，溫濕度應保持穩(wěn)定，波動需要控制在一定范圍以內(nèi)[2]，以滿足不同文物保存的要求。展廳夏季室內(nèi)設計溫度25 ℃～27 ℃，明顯區(qū)別于規(guī)范規(guī)定的藏品適宜的溫濕度要求（表2[2]）。

表2 藏品保存環(huán)境的溫度、相對濕度標準（部分）

根據(jù)標準，藏品庫、珍品庫等，必須設置恒溫恒濕空調(diào)，以滿足藏品長期保存的需要，而規(guī)范并未為對展柜內(nèi)的溫濕度做具體要求。展柜處于展廳內(nèi)，展廳的室內(nèi)溫濕度參數(shù)將直接影響展柜的空氣狀態(tài)。從文物保存的角度來講，展柜內(nèi)的溫濕度如若全部達到上述參數(shù)標準，肯定對文物的保存頗為有利，但若對所有展柜均設置恒溫恒濕空調(diào)，既大大增加初投資和管理難度，又增加了系統(tǒng)的復雜性及其能耗。因此，結(jié)合當?shù)夭┪镳^內(nèi)文物展出類別，根據(jù)業(yè)主要求，展廳內(nèi)不設置恒溫恒濕空調(diào)，僅做舒適性空調(diào)設計，對于存放一般類別文物的展柜，不設置恒溫恒濕空調(diào)，存放重點文物或?qū)貪穸纫筝^高的文物，后期根據(jù)展柜具體位置，由業(yè)主自行增加恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)。

因此，參考已建成項目運行情況及新規(guī)范對博物館內(nèi)各功能區(qū)域溫濕度要求，藏品庫、珍品庫空調(diào)室內(nèi)設計參數(shù)參考表2，展覽區(qū)等空調(diào)室內(nèi)設計參數(shù)詳見表3。

表3 空調(diào)室內(nèi)參數(shù)

2.2 冷熱源配置

本建筑為博物館、文化館、圖書館三館合一項目，根據(jù)房間和樓層布局，各功能交錯相應，無法通過分區(qū)域?qū)⒉┪镳^、文化館、圖書館的空調(diào)系統(tǒng)分開。展廳、陳列廳雖然不設置恒溫恒濕空調(diào)，但為了穩(wěn)定室內(nèi)的溫度和濕度，滿足溫度日較差在2 ℃～5 ℃范圍內(nèi)波動，相對濕度日波動值不應高于5%的要求，空調(diào)系統(tǒng)需全天24 小時運行。而博物館內(nèi)的輔助用房，如辦公等，以及文化館和圖書館的使用時間一般僅為白天，或者晚上22：:00 之前，若將整棟建筑（藏品庫、珍品庫除外）設置為一個空調(diào)系統(tǒng)，各主要區(qū)域使用時間不同，系統(tǒng)存在不合理性。若分別將博物館、文化館、圖書館各設一套冷熱源系統(tǒng)，不僅增加了系統(tǒng)的復雜性，也會增加初投資和施工難度。因此，綜合權衡后，本項目采用三館共用冷熱源系統(tǒng)，選用多臺主機設備，其中一臺主機24 小時運行，以滿足博物館展廳和陳列廳末端24 小時的空調(diào)需要。

整棟建筑（藏品庫、珍品庫除外）總冷負荷4740 kW，冷指標0.169 kW/m2。總熱負荷2520 kW，熱指標0.091 kW/m2。根據(jù)業(yè)主要求，夏季冷源采用風冷熱泵機組，冬季熱源采用市政熱網(wǎng)。因此，根據(jù)負荷計算，選用3 臺制冷量為1580 kW 的風冷熱泵機組作為空調(diào)系統(tǒng)冷源，熱泵機組設置于屋頂室外平臺，機組冷凍水出口/入口溫度為7 ℃/12 ℃。冬季由市政熱網(wǎng)引入熱源，通過文化中心換熱機房進行換熱后接入博物館地下空調(diào)水泵房，熱水出口/入口溫度為60 ℃/50 ℃。

展示廳、陳列廳等大空間采用兩管制低速全空氣空調(diào)系統(tǒng)，氣流組織根據(jù)天花造型采用散流器或條縫風口上送下回。組合式空調(diào)機組采用粗中效過濾和濕膜加濕的方式，由于冷源采用風冷熱泵，當市政熱源故障或城市尚未開始市政供熱或市政供熱已結(jié)束，室內(nèi)仍需熱源時，風冷熱泵機組可作為補充熱源工作，提供空調(diào)熱水，以滿足室內(nèi)溫度的要求，因此，組合式空調(diào)機組不需要設置電加熱段作為備用熱源。選用3 臺風冷熱泵機組，互為備用，若其中某一設備故障，暫停對圖書館、科技館等空調(diào)系統(tǒng)，保證展廳、陳列廳空調(diào)效果不受影響。在過渡季節(jié)，可以采用全新風運行，既可提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，又可實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能性。

藏品庫、珍品庫等，各庫房面積接近，每個庫房分別設置一臺分體式直接蒸發(fā)式恒溫恒濕空調(diào)機組，制冷量為62.1 kW，送風量為13000 m3/h，機組具有加熱、制冷、加濕、除濕等功能。各庫房獨立設置空調(diào)主機和末端，可根據(jù)不同藏品對環(huán)境標準的要求，獨立控制和調(diào)節(jié)溫濕度。

2.3 自動控制

徐勇[3]、劉燕軍[4]等分別對恒溫恒濕空調(diào)的自動控制做出了總結(jié)和闡述。由于展示區(qū)、陳列區(qū)尤其是藏品庫、珍品庫，空調(diào)24 小時運行，且對溫濕度波動要求較高，對其采用智能化控制顯得尤為重要。本工程空調(diào)系統(tǒng)的主要設備均接入樓宇自控系統(tǒng)（BAS），實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測控制和管理。

對于藏品庫、珍品庫的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，分別在機房內(nèi)設置直接數(shù)字控制器，即DDC 控制模式，與大樓自控系統(tǒng)連接，可根據(jù)送風溫濕度傳感器檢測到的溫度（濕度）以及靜壓傳感器檢測到的管道內(nèi)壓力等參數(shù)，自行實現(xiàn)制冷、制熱、加濕、除濕等開關控制，使送風溫濕度保持在要求的范圍內(nèi)。自動調(diào)節(jié)變頻器的運行頻率，從而改變風機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無級風量調(diào)節(jié)，達到穩(wěn)定精確控制溫濕度、風壓、二氧化碳濃度的目的。

對于展廳和陳列廳，由于僅設置了舒適性空調(diào)，其溫濕度與展柜所需的適宜環(huán)境本身就有差距，若其波動范圍較大，將嚴重影響文物的保存，因此，對展廳和陳列廳的空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測、控制顯得尤為重要。其監(jiān)控內(nèi)容主要包括設備啟停、供回水狀態(tài)、送回風溫濕度、新風閥門開度等參數(shù)。具體可分為風冷熱泵、水泵需根據(jù)室內(nèi)負荷自動連鎖控制啟閉臺數(shù)，對空調(diào)水系統(tǒng)的供回水溫度、壓力實時監(jiān)測和控制，新排風風機的連鎖啟停，空調(diào)機組送回風參數(shù)以及新風比的控制等，保證展廳和陳列廳在任意時間的室內(nèi)空氣狀態(tài)都穩(wěn)定在設定的溫濕度范圍內(nèi)。

3 設計總結(jié)與探討

通過對博物館的室內(nèi)設計參數(shù)、冷熱源選擇、自動控制等方面，探討了博物館設計的難點與重點，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

1）藏品庫、珍品庫等是長期存放文物的場所，必須設置與文物適宜的溫度和濕度，通過恒溫恒濕空調(diào)來達到要求。展廳是否設置恒溫恒濕空調(diào)涉及到初投資、運營成本等，需綜合展示文物對空氣狀態(tài)參數(shù)的敏感性來確定。地方性所展文物對室內(nèi)空氣狀態(tài)要求不高的博物館，展廳可僅設置舒適性空調(diào)，重點文物或?qū)貪穸纫筝^高的文物，可根據(jù)需要設置恒溫恒濕的展柜，在滿足文物適宜環(huán)境的前提下，節(jié)約成本，節(jié)省能源利用。

2）冷熱源一般需考慮備用，一旦某臺設備或系統(tǒng)存在故障，不影響展廳、陳列廳的空調(diào)使用。在使用多臺設備時，若其中一臺設備故障，可根據(jù)需要暫停對非文物展覽區(qū)如輔助用房、公共區(qū)域等空調(diào)的使用，保證展示廳、陳列廳的空調(diào)系統(tǒng)24 小時運行。

3）對于恒溫恒濕的藏品庫，珍品庫以及對溫濕度波動范圍較小的展示廳、陳列廳，其溫濕度一旦發(fā)生較大偏差，可能對文物造成不可逆的破壞，因此，實時監(jiān)測和控制其空調(diào)系統(tǒng)，是文物保護中極其重要的環(huán)節(jié)。如何在保證展示廳等空氣溫濕度要求較高的房間滿足空氣品質(zhì)要求的同時，兼顧室內(nèi)參觀人員的舒適性和系統(tǒng)節(jié)能性，是系統(tǒng)設計及后期運行的重點和難點。