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