浦東美術(shù)館暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

沈雪峰

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司

1 工程概況

浦東美術(shù)館是浦東新區(qū)“十三五”重點工程項目之一，建筑西側(cè)緊鄰黃浦江濱江綠地與外灘隔江相望，北鄰上海國際會議中心，東側(cè)毗鄰陸家嘴商圈。基地位于上海市浦東新區(qū)黃浦江沿岸E14 單元B6 街坊內(nèi)的B6-2 地塊，用地面積13000.2 m2，工程總建筑面積40590.0 m2，其中地上建筑面積26000.0 m2，地下建筑面積14590.0 m2。建筑地下2 層，地上4 層，建筑高度30.00 m，剖面如圖1 所示。地上建筑功能包括入口大廳、展廳、美術(shù)館商店、咖啡廳及多功能廳、學(xué)術(shù)報告廳、美術(shù)館圖書文獻(xiàn)中心、辦公會議區(qū)域，地下容納有中央展覽空間、地下公共大廳、美術(shù)館后勤區(qū)、設(shè)備用房和地下車庫等。

圖1 浦東美術(shù)館東西向剖面示意圖

根據(jù)功能定位，本項目主要展陳對象為當(dāng)代美術(shù)作品。

2 設(shè)計參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表1。根據(jù)展陳要求，在展品有恒溫恒濕要求時展廳空調(diào)按恒溫恒濕工況運行，展品無恒溫恒濕要求時展廳空調(diào)按舒適性空調(diào)工況運行。部分公共交通區(qū)域存在臨時分隔后連通不同展廳并作為展區(qū)的使用可能，空調(diào)系統(tǒng)按展廳恒溫恒濕空調(diào)需求設(shè)置。藏品庫房、展廳室內(nèi)污染物濃度按JGJ 66-2015《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》第6.0.4、6.0.5 條要求控制，其恒溫恒濕空調(diào)工況下溫度日較差按2 ℃控制，相對濕度日波動值按≤5%控制[1]。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

經(jīng)計算，本項目夏季空調(diào)冷負(fù)荷4136 kW，冬季空調(diào)供暖熱負(fù)荷2534 kW。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

3.1 冷熱源設(shè)計

本項目集中空調(diào)冷熱源采用電驅(qū)動水冷冷水機組+燃?xì)鉄崴仩t的形式。冷水機組選用2 臺1400 kW 螺桿式水冷冷水機組+1 臺1400 kW 全熱回收型螺桿式水冷冷水機組，鍋爐選用4 臺700k W 模塊式低氮燃?xì)鉄崴仩t。考慮展廳運行工況存在變化、藏品庫房全年均需按恒溫恒濕工況運行，為提高冷熱源運行效率及可靠性，在冷熱源機房內(nèi)設(shè)置空調(diào)冷水、空調(diào)熱水蓄水緩沖罐各16 m3，用以在低負(fù)荷工況下降低冷熱源主機啟停頻率、穩(wěn)定冷熱水供水溫度，同時為藏品庫房設(shè)置獨立風(fēng)冷型恒溫恒濕空調(diào)機組作為備用機組。冷熱源系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 冷熱源系統(tǒng)原理圖

冷水機組冷水設(shè)計供回水溫度6/12 ℃，冷卻水設(shè)計供回水溫度32/37 ℃，冷水機組冷凝熱回收側(cè)設(shè)計供回水溫度50/45 ℃。鍋爐熱水設(shè)計供回水溫度85/60 ℃，經(jīng)板式換熱器換熱后的二次熱水設(shè)計供回水溫度50/35 ℃。

3.2 空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用四管制、異程式、二級泵系統(tǒng)。冷水機組、熱水機組主機側(cè)定流量運行，二級冷水、熱水循環(huán)泵分區(qū)設(shè)置并采用變頻控制，供回水干管之間均設(shè)置最小流量壓差旁通裝置。冷水、熱水一二級之間均設(shè)置16 m3緩沖水罐以降低主機啟停頻率，冷水緩沖水罐同時替代常見二級泵系統(tǒng)中冷熱源側(cè)與負(fù)荷側(cè)之間平衡管的功能[2]。冷水機組冷凝熱回收循環(huán)水接至空調(diào)熱水一級側(cè)。

觀景長廊局部地面輻射供冷供暖區(qū)域供回水采用混水泵+三通調(diào)節(jié)閥+混水罐調(diào)節(jié)水溫，供冷設(shè)計水溫20/25 ℃，供熱設(shè)計水溫45/35 ℃。

空調(diào)冷熱源機房內(nèi)總管上設(shè)置冷熱量計量表。空調(diào)機組末端采用動態(tài)平衡電動兩通調(diào)節(jié)閥，風(fēng)機盤管末端設(shè)置溫控開關(guān)式電動兩通閥，風(fēng)機盤管環(huán)路設(shè)置動態(tài)壓差平衡閥。

3.3 空調(diào)末端及風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)運營要求，本項目藏品庫房、展廳（除36 m 高中央展廳外）、有展覽需求的2F～4F 交通區(qū)域、地下二層展覽工作區(qū)設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)。恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)采用新風(fēng)除濕處理機組集中處理后送至各區(qū)域。各區(qū)域循環(huán)風(fēng)空調(diào)箱配置進(jìn)風(fēng)段、消聲過濾段、表冷加熱加濕段、風(fēng)機段、消聲出風(fēng)段，參見圖3，表冷段采用雙通道模式，在設(shè)計工況下消除室內(nèi)熱濕負(fù)荷并避免再熱，同時減少非設(shè)計工況隨室內(nèi)熱濕負(fù)荷變化情況下的再熱量。

圖3 雙通道空調(diào)機組功能段配置示意圖

除有恒溫恒濕要求的區(qū)域外，入口門廳、觀景長廊、展廳周邊公共區(qū)域、報告廳、辦公區(qū)域、商店、咖啡廳、食堂等區(qū)域均設(shè)置舒適性空調(diào)系統(tǒng)。入口門廳采用全空氣空調(diào)系統(tǒng)+風(fēng)機盤管組合處理的空調(diào)方式，冬季入口門廳設(shè)置地面輻射供暖。2F、3F 觀景長廊采用地面輻射供冷供暖+全空氣空調(diào)系統(tǒng)組合處理的空調(diào)方式。報告廳設(shè)置全空氣系統(tǒng)，采用座椅送風(fēng)、頂部回風(fēng)的氣流組織形式。辦公區(qū)域空調(diào)采用風(fēng)機盤管+新風(fēng)的形式。其他區(qū)域根據(jù)使用功能、建筑平面分隔采用集中式全空氣系統(tǒng)或半集中式風(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)。

集中新風(fēng)處理機組設(shè)置帶旁通的轉(zhuǎn)輪全熱回收功能段，將集中排風(fēng)的廢熱回收以預(yù)冷/預(yù)熱室外引入的新風(fēng)，新風(fēng)再經(jīng)冷熱處理后送至各區(qū)域。

設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的展廳內(nèi)不設(shè)排風(fēng)，整體平衡排風(fēng)口設(shè)置于中部36 m 高中央展廳高位，維持氣流從展廳流向公共交通區(qū)域，同時展廳進(jìn)出口部設(shè)置靜音型管道風(fēng)機及頂送、側(cè)回循環(huán)風(fēng)口，以減少周邊區(qū)域空氣對展廳空間的侵?jǐn)_。

空調(diào)機組、新風(fēng)機組均采用多級連續(xù)調(diào)節(jié)的高壓微霧加濕器加濕。新風(fēng)空調(diào)機組均設(shè)置袋式F5+F9 兩級空氣過濾裝置，舒適性空調(diào)系統(tǒng)空調(diào)機組設(shè)置袋式F9 空氣過濾裝置，藏品庫房區(qū)、展廳空調(diào)機組設(shè)置袋式F9+化學(xué)過濾器兩級空氣過濾裝置，化學(xué)過濾器用于凈化了二氧化硫、二氧化氮、甲醛等污染物并消除異味。

展廳、多功能廳、會議室等人員密集區(qū)域設(shè)置二氧化碳監(jiān)測裝置與新排風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動。舒適性空調(diào)區(qū)域全空氣系統(tǒng)采取實現(xiàn)全新風(fēng)運行或可調(diào)新風(fēng)比的措施，最大新風(fēng)比不低于50%，新風(fēng)量的控制與工況的轉(zhuǎn)換采用新回風(fēng)焓值控制方法。

4 工程設(shè)計特點

4.1 展廳雙通道空調(diào)機組應(yīng)用及其節(jié)能控制策略

展廳恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)為控制室內(nèi)溫度、相對濕度在允許范圍內(nèi)，降低了送風(fēng)溫差、提高了送風(fēng)量和換氣次數(shù)，而為消除潛熱負(fù)荷同時與顯熱負(fù)荷匹配，需將空氣處理到露點以下后進(jìn)行再熱。傳統(tǒng)冷卻除濕后再熱的處理模式中，最大負(fù)荷工況下再熱對應(yīng)的被抵消冷量占總制冷量的25%以上，而在部分負(fù)荷工況下，被抵消冷量甚至占總制冷量的80%以上，這也是恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)運行能耗大、成本高的主要原因。

為減少恒溫恒濕工況下被抵消的熱量和冷量，展廳空調(diào)機組采用雙通道結(jié)構(gòu)形式，即在表冷段設(shè)置并排布置的兩組表冷器，兩組表冷器按1 大（通道1）1 小（通道2）配置。兩組表冷器分別連接冷水管并設(shè)置控制閥門，作為通道1、通道2 分別獨立控制，機組監(jiān)控原理圖如圖4 所示。

圖4 雙通道空調(diào)機組監(jiān)控原理圖

雙通道空調(diào)機組根據(jù)展覽要求按恒溫恒濕空調(diào)、舒適性空調(diào)工況兩種運行工況控制。恒溫恒濕空調(diào)工況下，制冷除濕負(fù)荷較大時，利用通道1 進(jìn)行空氣降溫除濕處理，通道2 不進(jìn)行處理；制冷除濕負(fù)荷較小時，利用通道2 進(jìn)行降溫除濕處理，通道1 不進(jìn)行除濕處理。舒適性空調(diào)工況下風(fēng)機降頻運行，通道1、通道2同時進(jìn)行降溫除濕處理，不進(jìn)行空氣再熱，機組露點送風(fēng)。恒溫恒濕工況下機組處理方式與固定比例的一、二次回風(fēng)系統(tǒng)[3]類似，且未取消再熱，目標(biāo)設(shè)定在滿足恒溫恒濕要求的前提下減少系統(tǒng)再熱量及被抵消的冷量。機組水閥具體節(jié)能控制策略見表2。

表2 雙通道空調(diào)機組節(jié)能控制策略

4.2 西向觀景長廊空調(diào)設(shè)計

美術(shù)館西側(cè)2 層、3 層觀景長廊室內(nèi)凈高分別為5.5 m、10.8 m，進(jìn)深5.3 m，其西向玻璃幕墻構(gòu)造為5 層超白玻璃＋中空＋2 層超白玻璃，內(nèi)側(cè)為巨幅LED 顯示屏。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計需要解決該區(qū)域空調(diào)負(fù)荷大、受太陽輻射影響顯著的問題。基于景觀效果要求和空間條件，經(jīng)CFD 模擬計算，本區(qū)域空調(diào)采取地面送風(fēng)+地面輻射供冷供熱+LED 顯示屏背側(cè)FCU 供冷的形式，具體見圖5、圖6。地面輻射供冷用于帶走太陽輻射至地面的熱量。LED 屏背側(cè)設(shè)置多組立式風(fēng)機盤管，負(fù)責(zé)承擔(dān)設(shè)備產(chǎn)生的熱量。地面送風(fēng)風(fēng)口分別沿外側(cè)幕墻、內(nèi)側(cè)LED 屏布置，回風(fēng)口設(shè)置在吊頂內(nèi)。從CFD 模擬結(jié)果可以看出，觀景長廊夏季室內(nèi)溫度豎向分層明顯，人員停留區(qū)域維持在舒適溫度范圍，空間頂部溫度較高，減少了空調(diào)總冷負(fù)荷和送風(fēng)量。建成后室內(nèi)觀眾體驗良好，現(xiàn)場實測結(jié)果數(shù)據(jù)與CFD 模擬結(jié)果基本一致。

圖5 觀景長廊空調(diào)布置示意圖

圖6 觀景長廊空調(diào)CFD 模擬夏季室內(nèi)溫度分布

4.3 冷卻塔通風(fēng)散熱設(shè)計

本項目冷卻塔選用1 組2 模塊低噪聲逆流式開式冷卻塔模塊。冷卻塔設(shè)置位置幾近苛刻，因屋面大部分區(qū)域都被設(shè)計為室外活動平臺使用，且需要考慮從陸家嘴地區(qū)高層建筑塔樓俯瞰美術(shù)館屋面的視覺效果，冷卻塔被放置于建筑屋頂東北角部藝術(shù)信號塔體內(nèi)部。為保證冷卻塔通風(fēng)散熱效果，并避免噪聲影響屋面室外活動平臺使用，設(shè)計組織氣流通道如圖7 所示，冷卻塔架空安裝在藝術(shù)信號塔中部鋼結(jié)構(gòu)平臺上，其下方及周邊檢修馬道采用通風(fēng)率80%鋼格柵板鋪設(shè)，空氣自藝術(shù)信號塔南側(cè)、西側(cè)底部石材格柵進(jìn)入藝術(shù)信號塔體內(nèi)部后向上流經(jīng)鋼格柵板，并被吸入冷卻塔，在冷卻塔內(nèi)接觸冷卻水并吸熱后，空氣經(jīng)冷卻塔風(fēng)扇、豎向?qū)эL(fēng)筒向上排入大氣。冷卻塔每個模塊額定散熱風(fēng)量336000 m3/h，設(shè)計核算確定進(jìn)風(fēng)通道的面積，并與冷卻塔設(shè)備廠家確認(rèn)風(fēng)扇風(fēng)壓滿足克服整個氣流通道阻力的要求，最終取得了良好的使用效果和景觀效果，同時有效控制了冷卻塔噪聲對周邊的影響。

圖7 冷卻塔布置剖面圖

5 結(jié)語

浦東美術(shù)館項目于2020 年年底竣工，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過近一年時間的運行，總體使用效果良好，各空調(diào)區(qū)域室內(nèi)溫濕度均達(dá)到了設(shè)計要求，觀眾體感滿意度較高。

根據(jù)美術(shù)館使用需求及節(jié)約能耗、降低運行成本的原則，同時為配合項目的建筑效果，本項目設(shè)計在借鑒既有類似項目建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合技術(shù)分析手段在系統(tǒng)形式、設(shè)備布置上進(jìn)行了諸多有益的嘗試，包括冷水機組冷凝熱回收、雙通道恒溫恒濕空調(diào)機組及運行模式轉(zhuǎn)換、地面輻射供冷、冷卻塔布置等，可以為日后其他美術(shù)館、博物館、展覽館項目暖通空調(diào)設(shè)計提供良好的借鑒。