浦城美術館空調系統設計探討

曹華明

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

美術館、博物館這一類建筑具有室內空間大、內部結構復雜且對溫濕度環境要求較高的特點，對空調系統的設計提出一定的挑戰性。基于此，本文以浦城美術館為例，探討其空調系統設計，以期為類似項目的空調系統設計提供參考。

1 工程概況

浦城美術館位于福建省南平市浦城縣夢筆大道西南側、馬連河東北側，是集報告廳、展廳、圖書閱覽、倉庫、辦公等功能齊全、藏展一體化的綜合性美術館。項目總建筑面積30 769.77m2，其中，地上建筑面積17 005.17m2，地下建筑面積13 764.6m2。工程含1棟3層美術館主體建筑和1棟1層設備用房。美術館主體建筑高度25.7m，地上建筑層數為3層(局部1層)，地下室1層。

項目從北到南主要分為閱讀辦公區、展廳、藝術品售賣和報告廳3個功能區，整體效果如圖1所示。

圖1 浦城美術館效果圖

2 建筑內部空間的結構特點

該項目建筑屋面采用坡屋面設計，建筑功能以展廳為主，內部空間結構主要有以下3個特點。

2.1 房間多為高大空間

除了位于二層的美術館管理人員辦公區域外，大部分房間均屬于高大空間。其中，地下一層臨時展廳吊頂高度5.5m；一層油畫館吊頂高度6.3m，精品名家書法展廳吊頂高度6m～8.5m，藝術品商店吊頂高度5.9m～11.5m、多功能廳吊頂高度8.2m～10.7m、閱覽區吊頂高度7.7m～11.7m、學術報告廳吊頂高度6.5m～11.2m；三層名家書畫吊頂高度4.8m～9.8m。

2.2 建筑內部空間復雜

建筑各功能區的樓層數及層高不一致、錯層多；展廳、序廳等房間局部挑空區域多；展廳入口和各層展廳之間共享連通空間的序廳，其二層和三層平臺、走道相互交錯。以上特點使得整個建筑的內部空間關系極為復雜。

2.3 展廳區域連通度高

通過地下室臨時展廳序廳以及地上序廳的連接，各個展廳在美術館開放展覽時形成一個統一的空間。圖2為序廳剖面圖。

圖2 序廳剖面圖

3 空調系統設計的難點及解決思路

3.1 空調系統設計主要難點

該項目空調系統設計主要存在兩個難點：①位于建筑中間位置的展廳區域均屬于高大空間，需要設置的空調機組及排風排煙風機多，占用的機房面積大，如果按層設置，對展廳房間平面布局影響大；②地上部分的高大空間多采用曲面弧形吊頂，若完全按照傳統的頂送頂回氣流組織形式，效果差、不節能，且對室內的整體裝修效果影響大。

3.2 解決空調系統設計難點思路

為了解決該項目空調系統設計占用機房面積大難點，設計考慮將展廳的空調機組全部集中設置在地下室臨時展廳南北兩側的空調機房內，將排煙排風機房設置在序廳頂部夾層機房內。這樣，既不占用上部展廳空間，也便于后期運營和維護。

同時，結合建筑專業在展廳區域與其他區域之間設置雙層墻做法，在展廳的南北兩側集中設置兩排暖通管道井，空調系統的送、回風管道均通過管道井豎向向上接至上部展廳；排煙管道利用管道井向下接至各層展廳。這樣，可充分利用建筑空間，并能最大程度避免管道的水平交叉。

與此同時，為了解決由曲面吊頂導致的氣流組織設計障礙，該項目設計采用合理利用地板下送風、頂部回風的氣流組織形式，避免對吊頂造型設置造成較大影響，也為觀眾提供一個舒適的觀覽環境。地下一層空調機組及管道井布置如圖3所示。

4 空調系統設計

4.1 室內溫濕度要求

(1)展品展出和存放的空間

美術館展廳，主要由分布在地下一層的臨時展廳、一層的油畫展廳、書法展廳和二層的名家展廳，以及地下一層還有兩間藏品庫和一間貴重物品藏品庫構成。美術館建成后展出的展品，主要包括書法、國畫、油畫、水彩畫、雕塑、陶瓷等作品以及金屬文物等。

出于對名貴書畫類展品的保護，展廳內的熱濕環境應采用較低的溫度和較低的相對濕度；而考慮到觀眾在館內觀覽時的熱舒適性要求，室內溫度又不宜過低。因此，展廳的空調系統設計，要在滿足人體熱舒適性的前提下，同時要兼顧各種美術作品對溫濕度特別是濕度的要求，以保證展廳的相對濕度穩定。《博物館建筑設計規范》對于紙類藏品保存的溫濕度要求為溫度20℃，相對濕度50～60%；《中國國家標準匯編》對博物館、美術館展類建筑的室內溫度規定為18℃～28℃，相對濕度為45%～65%[1-2]。

館內展品存放上述物品各房間室內設計參數如表1所示。

(2)僅有人員熱舒適性要求的房間

閱讀辦公區和藝術品售賣、報告廳等房間沒有展品的存放，僅需考慮人員的熱舒適性。各房間室內設計參數如表2所示。

圖3 地下一層空調機房布置示意圖

表1 展品存放各房間室內設計參數

表2 人員舒適性房間室內設計參數

4.2 冷熱源設置及運行策略

(1)冷熱源設置

美術館的冷熱源設置原則為穩定可靠，以確保展廳區域空氣熱濕環境穩定。由于展廳有嚴格的溫濕度要求，服務于展廳的空調機組考慮采用四管制并設置加濕段來滿足這一要求。這樣，夏季的空氣處理過程主要為冷卻除濕和再熱。由于空調系統有再熱需求，需要考慮配置在夏季和冬季均能供熱的熱源。相比于鍋爐，四管制風冷熱泵除了在夏季、冬季均能供熱，在夏季時還能作為系統的輔助和備用冷源進行供冷，增加了冷源的可靠性；同時，在夏季同時供冷供熱時，綜合能效比高，節約能源。因此，空調冷熱源采用2臺250冷噸(單臺879.2kW)的高效磁懸浮變頻離心式冷水機組和2臺660kW四管制風冷熱泵組合。空調冷熱源系統原理圖如圖4所示。

(2)冷熱源運行策略

夏季空調冷負荷由2臺磁懸浮變頻離心式冷水機組和2臺四管制風冷熱泵機組共同承擔。夏季空調冷負荷優先由2臺磁懸浮變頻離心式冷水機組承擔；冷量不足時，由2臺四管制風冷熱泵機組補充。四管制全空氣處理機組所需除濕再熱量由四管制風冷熱泵機組供熱提供。同時，制熱過程中回收的免費冷量優先使用。冬季、過渡季節，采用四管制熱泵同時供冷、供熱；冷量不足時開啟冷水機組進行補充。冬季空調熱負荷由2臺四管制風冷熱泵機組承擔，同時回收制熱時產生的冷量供給內區房間。

圖4 空調冷熱源系統原理圖

4.3 空調水系統

空調冷凍水溫度采用7/12°C，空調熱水溫度40/35°C。空調冷熱水系統均采用一次泵變頻變流量系統。服務于有嚴格溫濕度要求的房間(如展廳等)的全空氣處理機組均為四管制，冷熱盤管分開設置；僅服務于舒適性要求的房間全空氣處理機組，均采用兩管制，利用電動開關閥進行冷熱切換；風機盤管均采用兩管制，冷熱切換。地下室水平大環路采用同程布置，其他水系統主要為異程布置，末端空調水系統采用四管制或兩管制、同程與異程相結合的方式。

4.4 空調風系統及氣流組織設計

(1)空調風系統

由于各展覽空間對于室內溫濕度有較為嚴格的要求，同時還要將空調水管對于展品損害的風險降到最低，展廳區域均采用低速全空氣系統[3]。一層閱覽區、報告廳等高大空間，僅有人員的舒適性要求，也采用低速全空氣系統。其余小開間房間采用新風和風機盤管系統形式。在過渡季，僅服務于舒適性要求房間的全空氣系統，加大新風量運行，利用室外免費的冷源。

服務于展廳、序廳等對溫濕度有嚴格要求的空間全空氣處理機組，均采用四管制組合式空氣處理機組，配置混合段、粗中效過濾段(G4+F7)、冷盤管段、檢修段、熱盤管(再熱)段、加濕段(高壓微霧加濕)、風機段；同時，在送風主管上設置光氫離子空氣凈化器。空調系統實現較精準的溫度和濕度控制，滿足人員舒適性要求，同時滿足展品所需的穩定的濕度范圍。

(2)展廳空氣處理過程

展廳全空氣處理機組，均采用一次回風處理過程。夏季主要處理過程為冷卻除濕和再熱，冬季主要為加熱和等焓加濕。夏季和冬季空氣處理的焓濕圖分別如圖5和圖6所示。

(3)氣流組織設計

地下室一層臨時展廳、一層展廳及閱覽室、二層展廳等房間氣流組織，采用上送、側送，上回或下回等方式；三層名家展廳，采用地板送風，熱濕處理后的空氣經由地板送風口送到人員活動區，回風口上部設置；序廳三層室內平臺，局部采用地板送風。

圖5 夏季空氣處理過程焓濕圖

圖6 冬季空氣處理過程焓濕圖

5 結語

美術館建筑暖通專業設計的主要任務，是要為觀眾提供一個舒適的室內環境和盡最大可能保護好展出的美術作品。因此，暖通專業在設計時，要根據不同展品對環境溫濕度的要求，設計房間的溫度和濕度，同時還要兼顧考慮觀眾在室內停留時的熱舒適度。因此，對于美術館類建筑復雜的空間以及曲面吊頂，可以考慮將空調機房設置在地下室，通過豎向管道井為各個房間輸送冷、熱風，并合理采用地板下送風、頂部回風的氣流組織形式，從而盡可能小地影響建筑主要功能區域布置，為人員活動區域提供令人滿意的室內環境。