滑县博物馆空调系统设计与探讨

范红兵

上海同济开元建筑设计有限公司

0 引言

博物馆不同于普通的公共建筑，它的特殊性主要在于文物的保存、展览等功能，而文物对于所处空间的空气温湿度、噪声、震动等，要求极为严格。博物馆内人流量大，空气品质较难控制，适合人员舒适的温度和湿度与适合文物保存的环境不尽相同。如何在保证文物有安全存放环境的前提下，尽量满足人员的舒适性，是空调设计的难点和重点，因此，博物馆内合理的空调系统设计对文物的保护以及人员的舒适性起着至关重要的作用。

本文以滑县博物馆空调系统设计为例，结合其冷热源选择、温湿度控制等对其空调系统的特点和难点就行了阐述和探讨。

1 项目概况

本项目为滑县博物馆、文化馆、图书馆三馆合一项目，位于河南省滑县城区，滑州大道以北，市民广场以西，文湖以南，城关河以东。与滑县科技中心沿市民广场中轴线呈东西对称布局。由滑县博物馆、图书馆、文化馆三部分功能共同组成，为地下一层、地上五层总高度为23.95 m 的多层建筑，总建筑面积为40700 m2，建筑外观如图1 所示。

图1 建筑效果图

2 系统设计

2.1 主要设计参数的确定

肖武[1]等对各地已建成博物馆（院）的空调运行情况进行了考察，各博物馆对室内空气参数要求差别很大，做法也不尽相同，以展厅为例，其空调设计参数见表1[1]。

可以看出，各博物馆对展厅的温湿度要求，有着较大的差别，由于考察项目建成时间已久，且相关规范已更新，在参考其做法的同时，需结合新规范《博物馆建筑设计规范》JGJ66-2015 来确定本项目的空调设计参数。规范要求博物馆的陈列展览区和业务区宜设置空调，设置空气调节设备的藏品库房、展厅，温湿度应保持稳定，波动需要控制在一定范围以内[2]，以满足不同文物保存的要求。展厅夏季室内设计温度25 ℃～27 ℃，明显区别于规范规定的藏品适宜的温湿度要求（表2[2]）。

表2 藏品保存环境的温度、相对湿度标准（部分）

根据标准，藏品库、珍品库等，必须设置恒温恒湿空调，以满足藏品长期保存的需要，而规范并未为对展柜内的温湿度做具体要求。展柜处于展厅内，展厅的室内温湿度参数将直接影响展柜的空气状态。从文物保存的角度来讲，展柜内的温湿度如若全部达到上述参数标准，肯定对文物的保存颇为有利，但若对所有展柜均设置恒温恒湿空调，既大大增加初投资和管理难度，又增加了系统的复杂性及其能耗。因此，结合当地博物馆内文物展出类别，根据业主要求，展厅内不设置恒温恒湿空调，仅做舒适性空调设计，对于存放一般类别文物的展柜，不设置恒温恒湿空调，存放重点文物或对温湿度要求较高的文物，后期根据展柜具体位置，由业主自行增加恒温恒湿空调系统。

因此，参考已建成项目运行情况及新规范对博物馆内各功能区域温湿度要求，藏品库、珍品库空调室内设计参数参考表2，展览区等空调室内设计参数详见表3。

表3 空调室内参数

2.2 冷热源配置

本建筑为博物馆、文化馆、图书馆三馆合一项目，根据房间和楼层布局，各功能交错相应，无法通过分区域将博物馆、文化馆、图书馆的空调系统分开。展厅、陈列厅虽然不设置恒温恒湿空调，但为了稳定室内的温度和湿度，满足温度日较差在2 ℃～5 ℃范围内波动，相对湿度日波动值不应高于5%的要求，空调系统需全天24 小时运行。而博物馆内的辅助用房，如办公等，以及文化馆和图书馆的使用时间一般仅为白天，或者晚上22：:00 之前，若将整栋建筑（藏品库、珍品库除外）设置为一个空调系统，各主要区域使用时间不同，系统存在不合理性。若分别将博物馆、文化馆、图书馆各设一套冷热源系统，不仅增加了系统的复杂性，也会增加初投资和施工难度。因此，综合权衡后，本项目采用三馆共用冷热源系统，选用多台主机设备，其中一台主机24 小时运行，以满足博物馆展厅和陈列厅末端24 小时的空调需要。

整栋建筑（藏品库、珍品库除外）总冷负荷4740 kW，冷指标0.169 kW/m2。总热负荷2520 kW，热指标0.091 kW/m2。根据业主要求，夏季冷源采用风冷热泵机组，冬季热源采用市政热网。因此，根据负荷计算，选用3 台制冷量为1580 kW 的风冷热泵机组作为空调系统冷源，热泵机组设置于屋顶室外平台，机组冷冻水出口/入口温度为7 ℃/12 ℃。冬季由市政热网引入热源，通过文化中心换热机房进行换热后接入博物馆地下空调水泵房，热水出口/入口温度为60 ℃/50 ℃。

展示厅、陈列厅等大空间采用两管制低速全空气空调系统，气流组织根据天花造型采用散流器或条缝风口上送下回。组合式空调机组采用粗中效过滤和湿膜加湿的方式，由于冷源采用风冷热泵，当市政热源故障或城市尚未开始市政供热或市政供热已结束，室内仍需热源时，风冷热泵机组可作为补充热源工作，提供空调热水，以满足室内温度的要求，因此，组合式空调机组不需要设置电加热段作为备用热源。选用3 台风冷热泵机组，互为备用，若其中某一设备故障，暂停对图书馆、科技馆等空调系统，保证展厅、陈列厅空调效果不受影响。在过渡季节，可以采用全新风运行，既可提高室内空气品质，又可实现系统节能性。

藏品库、珍品库等，各库房面积接近，每个库房分别设置一台分体式直接蒸发式恒温恒湿空调机组，制冷量为62.1 kW，送风量为13000 m3/h，机组具有加热、制冷、加湿、除湿等功能。各库房独立设置空调主机和末端，可根据不同藏品对环境标准的要求，独立控制和调节温湿度。

2.3 自动控制

徐勇[3]、刘燕军[4]等分别对恒温恒湿空调的自动控制做出了总结和阐述。由于展示区、陈列区尤其是藏品库、珍品库，空调24 小时运行，且对温湿度波动要求较高，对其采用智能化控制显得尤为重要。本工程空调系统的主要设备均接入楼宇自控系统（BAS），实现对空调系统的监测控制和管理。

对于藏品库、珍品库的恒温恒湿空调系统，分别在机房内设置直接数字控制器，即DDC 控制模式，与大楼自控系统连接，可根据送风温湿度传感器检测到的温度（湿度）以及静压传感器检测到的管道内压力等参数，自行实现制冷、制热、加湿、除湿等开关控制，使送风温湿度保持在要求的范围内。自动调节变频器的运行频率，从而改变风机的转速，实现无级风量调节，达到稳定精确控制温湿度、风压、二氧化碳浓度的目的。

对于展厅和陈列厅，由于仅设置了舒适性空调，其温湿度与展柜所需的适宜环境本身就有差距，若其波动范围较大，将严重影响文物的保存，因此，对展厅和陈列厅的空调系统监测、控制显得尤为重要。其监控内容主要包括设备启停、供回水状态、送回风温湿度、新风阀门开度等参数。具体可分为风冷热泵、水泵需根据室内负荷自动连锁控制启闭台数，对空调水系统的供回水温度、压力实时监测和控制，新排风风机的连锁启停，空调机组送回风参数以及新风比的控制等，保证展厅和陈列厅在任意时间的室内空气状态都稳定在设定的温湿度范围内。

3 设计总结与探讨

通过对博物馆的室内设计参数、冷热源选择、自动控制等方面，探讨了博物馆设计的难点与重点，主要表现为以下几个方面：

1）藏品库、珍品库等是长期存放文物的场所，必须设置与文物适宜的温度和湿度，通过恒温恒湿空调来达到要求。展厅是否设置恒温恒湿空调涉及到初投资、运营成本等，需综合展示文物对空气状态参数的敏感性来确定。地方性所展文物对室内空气状态要求不高的博物馆，展厅可仅设置舒适性空调，重点文物或对温湿度要求较高的文物，可根据需要设置恒温恒湿的展柜，在满足文物适宜环境的前提下，节约成本，节省能源利用。

2）冷热源一般需考虑备用，一旦某台设备或系统存在故障，不影响展厅、陈列厅的空调使用。在使用多台设备时，若其中一台设备故障，可根据需要暂停对非文物展览区如辅助用房、公共区域等空调的使用，保证展示厅、陈列厅的空调系统24 小时运行。

3）对于恒温恒湿的藏品库，珍品库以及对温湿度波动范围较小的展示厅、陈列厅，其温湿度一旦发生较大偏差，可能对文物造成不可逆的破坏，因此，实时监测和控制其空调系统，是文物保护中极其重要的环节。如何在保证展示厅等空气温湿度要求较高的房间满足空气品质要求的同时，兼顾室内参观人员的舒适性和系统节能性，是系统设计及后期运行的重点和难点。