宁波博物馆空调系统设计案例分析

宁波博物馆空调系统设计案例分析宁波博物馆位于宁波市东南新城区，建筑面积3.0325万平方米，建筑高度23米，投资2.5亿元，是展示宁波人文历史、艺术的综合性博物馆。工程建设历时3年，于2008年12月5日正式开馆，已先后获得宁波市建设工程“甬江杯”和浙江省建设工程“钱江杯”，中国建设工程“鲁班奖”。图一宁波博物馆鸟瞰宁波博物馆建筑设计引入了“新乡土主义”理念，外立面采用了上百万块明清以来的旧砖瓦，以浙东传统的人工砖瓦砌墙技法，砌成“瓦爿墙”，内部采用竹条模板混凝土，使建筑本身成为一件特殊的文物和展品。与对建筑设计的高标准一样，宁波博物馆对内部空调系统的要求也十分严格：温度全年18℃~25℃，相对湿度55%±5%，藏品库18℃±2℃，相对湿度55%±5%。从冬季到夏季，允许有极缓慢的变化，同时必须保证昼夜间温度与湿度的相对稳定。温度的日变化应保持在5℃范围内，相对湿度的日变化应保持在5%范围内。书画及对温湿度较敏感的竹木漆、丝织品等部分工艺藏品对环境要求更高，须采用按不同质地藏品、不同温湿度要求进行分区域、分库房作小环境调控处理。其中木材类文物库房要求温度取值点为16℃～20℃，相对湿度取值点为55%～65%；纸质类文物库房要求温度取值点为14℃～18℃，相对湿度取值点为50%～60%。库房内还须严格控制空气污染，防止粉尘对文物的破坏。另外藏品照相室要求温度取值点为15℃～25℃，相对湿度取值点为50%～65%；书画装裱室要求温度取值点为15℃～25℃，相对湿度取值点为50%～80%；展品寄存库要求温度取值点为15℃～25℃，相对湿度取值点为50%～60%；包装材料库要求温度取值点为15℃～25℃，相对湿度取值点为50%～60%；书画文物展厅温度18℃，相对湿度严格控制在50%～55%；木器家具、竹刻文物展厅温度18℃～20℃，相对湿度严格控制在65%～68%。陈列展厅温湿度参数上与藏品库区基本持平，防止环境温湿度瞬间骤变造成对文物的自然损坏。由此可见，整个博物馆室内环境除了办公、会议、管理、接待等基本上全部有恒温恒湿的要求，且不同的库房、展厅要求了不同的温湿度标准。图二宁波博物馆“瓦爿墙”立面设计过程中，先后赴北京、上海、广州等地，考察走访了许多著名的博物馆，总结了大量的设计及实际运行经验，最终确定了以下的设计思路：1.采用普通中央空调系统对办公、会议、管理、接待、咖啡吧等房间进行全面的空气温度调节，湿度为常规控制。2．采用一次回风全空气恒温恒湿及净化空调系统对展厅、文物库房等精确的温、湿度控制及空气含尘量控制。3．其中展厅与文物库房空调系统分设，各展厅、库房的温湿度可以单独调控。4．采用机械强制通风系统对有通风要求的房间进行通风换气，控制空气中有害气体浓度，确保人员安全。5．采用机械强制防、排烟系统械保证火灾时的人员安全疏散。根据上述思路，在具体的设计过程中，又针对暖通专业必须慎重考虑的冷热源、空气处理方式、初投资等作了详细分析。图三经济实用的库房，可见桁架空腔首先，宁波博物馆地处鄞州热力管网区域，能够提供0.6MPa压力的饱和蒸汽，因此本工程热源不需要再考虑设置锅炉等热源，这样风源热泵方式也被排除。剩下可选的冷源方式中采用水冷螺杆式冷水机组优势就十分明显了。但是螺杆机组虽然有运行稳定、反应迅速、能效比高的特点，但运用于博物馆建筑必须考虑其机组本体噪音、冷却塔噪音及飘水的问题。本工程原设计从节约投资角度出发不考虑设置地下室，后经笔者反复权衡，提出完全有必要将冷冻机房、水泵房、热交换间等有噪音及漏水隐患的设备用房设于地下室，并且需要远离展厅位置。最终，地下室设备用房经过缜密排布，确定了最经济的机房面积，并且位于办公区域，走向展厅的管线通过地下管廊，接至展厅的管井，最大程度地取得了安全使用和节约初投资的平衡。后来的实际运行证明，正是由于将设备用房设于地下并且远离展厅，才很好地保证了博物馆庄重、肃穆、宁静的使用效果。根据计算，确定展厅及馆区其他部分（工作时间运行）采用两台额定制冷量为1512KW的水冷螺杆式冷水机组，藏品区（24小时运行）采用一台额定制冷量为465KW的水冷螺杆式冷水机组（由于地下机房面积所限）。为确保安全，藏品区水系统与展区水系统连通，采用双级阀门隔断，正常情况下两个水系统独立运行，藏品区冷水机组故障或检修时，可由展区的两台冷水机组为其备用，使系统可靠性大大提高。在设计与冷水机组配套的冷却水系统时，充分考虑了冷却塔噪音、飘水以及影响美观等不利因素，配合建筑师别具匠心地将其设于屋顶的斜切立面以内，不仅对外立面没有任何影响，噪音、飘水也因为其特殊造型处理得十分完美。图四设置了低温辐射采暖的进厅在空气处理方面，尤其是恒温恒湿空调系统，究竟是采用风冷、水冷还是冷冻水型恒温恒湿机组，是十分值得探讨的一个问题。通常一些恒温恒湿的场所（如库房、电脑机房等）会采用风冷恒温恒湿机组，原因是风冷机组配置灵活、控制简便、自成一体、备用性好、室外冷凝器体积较小。相比较，水冷型需要考虑较多分散的小型冷却塔，而如果采用大型冷却水系统，就不得不考虑冷却水温变化和机组之间互相影响所带来的波动。因此，在考察中发现，用得最多的，还是风冷型。但是，风冷型机组造价较高，尤其是运用于大型展厅空间，要求的风量大，初投资更高。同时由于是直接蒸发，温湿度的稳定性反而不如稳定的冷冻水型机组，使用效果并不理想。经过详细分析比较，笔者认为，采用冷冻水型恒温恒湿机组是最符合本工程特点的一个选择。冷冻水型恒温恒湿机组去除了自带的冷源系统，造价明显降低，因将冷源负担集中在水冷螺杆式冷水机组上，综合造价明显低于分散式的风冷机组。同时，冷冻水由水冷螺杆式冷水机组制取，系统综合能效比也显著提高。经实际运行检测，无论是展厅还是藏品库，均达到了良好的温湿度控制效果。由于本工程展厅必须考虑参观人流对室内环境的影响，减小送风温差，加大换气次数是暖通专业常用的方法。事实上，宁波博物馆自开馆以来的短短几个月，已经接待了70万人次，达到了省级博物馆的参观人流水平。加大风量就必须考虑空调机组的噪音问题。为了保证展厅的安静，设计中会同建筑、结构专业，分别利用夹墙、GRC板墙、展板墙，采用了整面墙下回风的设计方法，一方面提高了温度场的稳定性，一方面很好地将噪音隔在展厅之外。博物馆暖通空调设计中另一个容易被忽略的地方是进厅的高大空间。本工程进厅是一个高达23米的中庭，这样一个空间即使设有喷口、直片散流器等加强换热的措施，在冬季仍然难以抵挡热压的作用。这样冬季会在门厅区域形成类似穿堂风的冷风地带，明显影响室内环境品质。为此，本工程在门厅设计了低温辐射地板采暖系统，利用冬季空调60℃/50℃的供回水，作为辅助采暖系统。整个辐射盘管的水阻力正好与一台空调机组的阻力接近，因此利用空调水进行地板采暖是完全可行的。2008年12月5日开馆当天，正值隆冬，室外气温-3℃，经实测，门厅地表温度在25℃左右，取得了良好的效果。图五通高的中庭经过整个冬夏季的运行周期，宁波博物馆空调系统基本达到了原先的设计目标，同时，这中间也暴露出一些设计及施工的经验教训，可以在今后的工程中借鉴。首先是冬季汽水热交换器凝结水端是否需要疏水器的问题。理论上，疏水器只排凝结水，换热器排水出口加疏水器无可厚非。但在本工程的实际运行中，换热器出口凝结水温约60℃，理论上没有蒸汽，但疏水器的存在严重影响了换热器的正常工作（基本上只能达到额定出力的60%）。当拆除疏水器后，出力马上正常，且并没有蒸汽带出。另外市政热网通常存在的凝结水不回收的情况，也是节能设计所必须考虑的，如何在没有卫生热水要求的工程里，稳定有效地利用好蒸汽凝结水，是需要我们广大设计人员总结的。其次，是施工过程中，对预留的夹墙回风的做法，会出现梁面过宽、高大空间墙体中部设置加强梁导致回风道实际上被封死的情况。除了在设计过程中吃透建筑结构的设计外，还必须在施工过程中严格监督，防止出现无法回风的状况