滑縣博物館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探討

范紅兵

上海同濟(jì)開元建筑設(shè)計(jì)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(duì)于所處空間的空氣溫濕度、噪聲、震動(dòng)等，要求極為嚴(yán)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(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，因此，博物館內(nèi)合理的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)文物的保護(hù)以及人員的舒適性起著至關(guān)重要的作用。

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

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為滑縣博物館、文化館、圖書館三館合一項(xiàng)目，位于河南省滑縣城區(qū)，滑州大道以北，市民廣場(chǎng)以西，文湖以南，城關(guān)河以東。與滑縣科技中心沿市民廣場(chǎng)中軸線呈東西對(duì)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(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

肖武[1]等對(duì)各地已建成博物館（院）的空調(diào)運(yùn)行情況進(jìn)行了考察，各博物館對(duì)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(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1[1]。

可以看出，各博物館對(duì)展廳的溫濕度要求，有著較大的差別，由于考察項(xiàng)目建成時(shí)間已久，且相關(guān)規(guī)范已更新，在參考其做法的同時(shí)，需結(jié)合新規(guī)范《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ66-2015 來(lái)確定本項(xiàng)目的空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)。規(guī)范要求博物館的陳列展覽區(qū)和業(yè)務(wù)區(qū)宜設(shè)置空調(diào)，設(shè)置空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的藏品庫(kù)房、展廳，溫濕度應(yīng)保持穩(wěn)定，波動(dòng)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(shè)計(jì)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(duì)濕度標(biāo)準(zhǔn)（部分）

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，藏品庫(kù)、珍品庫(kù)等，必須設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)，以滿足藏品長(zhǎng)期保存的需要，而規(guī)范并未為對(duì)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(lái)講，展柜內(nèi)的溫濕度如若全部達(dá)到上述參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，肯定對(duì)文物的保存頗為有利，但若對(duì)所有展柜均設(shè)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(fù)雜性及其能耗。因此，結(jié)合當(dāng)?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(shè)置恒溫恒濕空調(diào)，僅做舒適性空調(diào)設(shè)計(jì)，對(duì)于存放一般類別文物的展柜，不設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)，存放重點(diǎn)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(xiàng)目運(yùn)行情況及新規(guī)范對(duì)博物館內(nèi)各功能區(qū)域溫濕度要求，藏品庫(kù)、珍品庫(kù)空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)參考表2，展覽區(qū)等空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)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(xiàng)目，根據(jù)房間和樓層布局，各功能交錯(cuò)相應(yīng)，無(wú)法通過(guò)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(shè)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(dòng)，相對(duì)濕度日波動(dòng)值不應(yīng)高于5%的要求，空調(diào)系統(tǒng)需全天24 小時(shí)運(yùn)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(shí)間一般僅為白天，或者晚上22：:00 之前，若將整棟建筑（藏品庫(kù)、珍品庫(kù)除外）設(shè)置為一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，各主要區(qū)域使用時(shí)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(shè)一套冷熱源系統(tǒng)，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也會(huì)增加初投資和施工難度。因此，綜合權(quán)衡后，本項(xiàng)目采用三館共用冷熱源系統(tǒng)，選用多臺(tái)主機(jī)設(shè)備，其中一臺(tái)主機(jī)24 小時(shí)運(yùn)行，以滿足博物館展廳和陳列廳末端24 小時(shí)的空調(diào)需要。

整棟建筑（藏品庫(kù)、珍品庫(kù)除外）總冷負(fù)荷4740 kW，冷指標(biāo)0.169 kW/m2。總熱負(fù)荷2520 kW，熱指標(biāo)0.091 kW/m2。根據(jù)業(yè)主要求，夏季冷源采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組，冬季熱源采用市政熱網(wǎng)。因此，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算，選用3 臺(tái)制冷量為1580 kW 的風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為空調(diào)系統(tǒng)冷源，熱泵機(jī)組設(shè)置于屋頂室外平臺(tái)，機(jī)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(guò)文化中心換熱機(jī)房進(jìn)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(fēng)口上送下回。組合式空調(diào)機(jī)組采用粗中效過(guò)濾和濕膜加濕的方式，由于冷源采用風(fēng)冷熱泵，當(dāng)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(shí)，風(fēng)冷熱泵機(jī)組可作為補(bǔ)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(jī)組不需要設(shè)置電加熱段作為備用熱源。選用3 臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組，互為備用，若其中某一設(shè)備故障，暫停對(duì)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(guò)渡季節(jié)，可以采用全新風(fēng)運(yùn)行，既可提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，又可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能性。

藏品庫(kù)、珍品庫(kù)等，各庫(kù)房面積接近，每個(gè)庫(kù)房分別設(shè)置一臺(tái)分體式直接蒸發(fā)式恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組，制冷量為62.1 kW，送風(fēng)量為13000 m3/h，機(jī)組具有加熱、制冷、加濕、除濕等功能。各庫(kù)房獨(dú)立設(shè)置空調(diào)主機(jī)和末端，可根據(jù)不同藏品對(duì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求，獨(dú)立控制和調(diào)節(jié)溫濕度。

2.3 自動(dòng)控制

徐勇[3]、劉燕軍[4]等分別對(duì)恒溫恒濕空調(diào)的自動(dòng)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(kù)、珍品庫(kù)，空調(diào)24 小時(shí)運(yùn)行，且對(duì)溫濕度波動(dòng)要求較高，對(duì)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(shè)備均接入樓宇自控系統(tǒng)（BAS），實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制和管理。

對(duì)于藏品庫(kù)、珍品庫(kù)的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，分別在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)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(fēng)溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫度（濕度）以及靜壓傳感器檢測(cè)到的管道內(nèi)壓力等參數(shù)，自行實(shí)現(xiàn)制冷、制熱、加濕、除濕等開關(guān)控制，使送風(fēng)溫濕度保持在要求的范圍內(nèi)。自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，從而改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)風(fēng)量調(diào)節(jié)，達(dá)到穩(wěn)定精確控制溫濕度、風(fēng)壓、二氧化碳濃度的目的。

對(duì)于展廳和陳列廳，由于僅設(shè)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(dòng)范圍較大，將嚴(yán)重影響文物的保存，因此，對(duì)展廳和陳列廳的空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、控制顯得尤為重要。其監(jiān)控內(nèi)容主要包括設(shè)備啟停、供回水狀態(tài)、送回風(fēng)溫濕度、新風(fēng)閥門開度等參數(shù)。具體可分為風(fēng)冷熱泵、水泵需根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷自動(dòng)連鎖控制啟閉臺(tái)數(shù)，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)的供回水溫度、壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，新排風(fēng)風(fēng)機(jī)的連鎖啟停，空調(diào)機(jī)組送回風(fēng)參數(shù)以及新風(fēng)比的控制等，保證展廳和陳列廳在任意時(shí)間的室內(nèi)空氣狀態(tài)都穩(wěn)定在設(shè)定的溫濕度范圍內(nèi)。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)與探討

通過(guò)對(duì)博物館的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)、冷熱源選擇、自動(dòng)控制等方面，探討了博物館設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與重點(diǎn)，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

1）藏品庫(kù)、珍品庫(kù)等是長(zhǎng)期存放文物的場(chǎng)所，必須設(shè)置與文物適宜的溫度和濕度，通過(guò)恒溫恒濕空調(diào)來(lái)達(dá)到要求。展廳是否設(shè)置恒溫恒濕空調(diào)涉及到初投資、運(yùn)營(yíng)成本等，需綜合展示文物對(duì)空氣狀態(tài)參數(shù)的敏感性來(lái)確定。地方性所展文物對(duì)室內(nèi)空氣狀態(tài)要求不高的博物館，展廳可僅設(shè)置舒適性空調(diào)，重點(diǎn)文物或?qū)貪穸纫筝^高的文物，可根據(jù)需要設(shè)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(tái)設(shè)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(tái)設(shè)備時(shí)，若其中一臺(tái)設(shè)備故障，可根據(jù)需要暫停對(duì)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(shí)運(yùn)行。

3）對(duì)于恒溫恒濕的藏品庫(kù)，珍品庫(kù)以及對(duì)溫濕度波動(dòng)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(duì)文物造成不可逆的破壞，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制其空調(diào)系統(tǒng)，是文物保護(hù)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(shí)，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(shè)計(jì)及后期運(yùn)行的重點(diǎn)和難點(diǎn)。