浦东美术馆暖通空调系统设计

沈雪峰

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

1 工程概况

浦东美术馆是浦东新区“十三五”重点工程项目之一，建筑西侧紧邻黄浦江滨江绿地与外滩隔江相望，北邻上海国际会议中心，东侧毗邻陆家嘴商圈。基地位于上海市浦东新区黄浦江沿岸E14 单元B6 街坊内的B6-2 地块，用地面积13000.2 m2，工程总建筑面积40590.0 m2，其中地上建筑面积26000.0 m2，地下建筑面积14590.0 m2。建筑地下2 层，地上4 层，建筑高度30.00 m，剖面如图1 所示。地上建筑功能包括入口大厅、展厅、美术馆商店、咖啡厅及多功能厅、学术报告厅、美术馆图书文献中心、办公会议区域，地下容纳有中央展览空间、地下公共大厅、美术馆后勤区、设备用房和地下车库等。

图1 浦东美术馆东西向剖面示意图

根据功能定位，本项目主要展陈对象为当代美术作品。

2 设计参数

室内设计参数见表1。根据展陈要求，在展品有恒温恒湿要求时展厅空调按恒温恒湿工况运行，展品无恒温恒湿要求时展厅空调按舒适性空调工况运行。部分公共交通区域存在临时分隔后连通不同展厅并作为展区的使用可能，空调系统按展厅恒温恒湿空调需求设置。藏品库房、展厅室内污染物浓度按JGJ 66-2015《博物馆建筑设计规范》第6.0.4、6.0.5 条要求控制，其恒温恒湿空调工况下温度日较差按2 ℃控制，相对湿度日波动值按≤5%控制[1]。

表1 室内设计参数

经计算，本项目夏季空调冷负荷4136 kW，冬季空调供暖热负荷2534 kW。

3 空调系统设计

3.1 冷热源设计

本项目集中空调冷热源采用电驱动水冷冷水机组+燃气热水锅炉的形式。冷水机组选用2 台1400 kW 螺杆式水冷冷水机组+1 台1400 kW 全热回收型螺杆式水冷冷水机组，锅炉选用4 台700k W 模块式低氮燃气热水锅炉。考虑展厅运行工况存在变化、藏品库房全年均需按恒温恒湿工况运行，为提高冷热源运行效率及可靠性，在冷热源机房内设置空调冷水、空调热水蓄水缓冲罐各16 m3，用以在低负荷工况下降低冷热源主机启停频率、稳定冷热水供水温度，同时为藏品库房设置独立风冷型恒温恒湿空调机组作为备用机组。冷热源系统原理图如图2 所示。

图2 冷热源系统原理图

冷水机组冷水设计供回水温度6/12 ℃，冷却水设计供回水温度32/37 ℃，冷水机组冷凝热回收侧设计供回水温度50/45 ℃。锅炉热水设计供回水温度85/60 ℃，经板式换热器换热后的二次热水设计供回水温度50/35 ℃。

3.2 空调水系统设计

空调冷热水系统采用四管制、异程式、二级泵系统。冷水机组、热水机组主机侧定流量运行，二级冷水、热水循环泵分区设置并采用变频控制，供回水干管之间均设置最小流量压差旁通装置。冷水、热水一二级之间均设置16 m3缓冲水罐以降低主机启停频率，冷水缓冲水罐同时替代常见二级泵系统中冷热源侧与负荷侧之间平衡管的功能[2]。冷水机组冷凝热回收循环水接至空调热水一级侧。

观景长廊局部地面辐射供冷供暖区域供回水采用混水泵+三通调节阀+混水罐调节水温，供冷设计水温20/25 ℃，供热设计水温45/35 ℃。

空调冷热源机房内总管上设置冷热量计量表。空调机组末端采用动态平衡电动两通调节阀，风机盘管末端设置温控开关式电动两通阀，风机盘管环路设置动态压差平衡阀。

3.3 空调末端及风系统设计

根据运营要求，本项目藏品库房、展厅（除36 m 高中央展厅外）、有展览需求的2F～4F 交通区域、地下二层展览工作区设置恒温恒湿空调系统。恒温恒湿空调系统新风采用新风除湿处理机组集中处理后送至各区域。各区域循环风空调箱配置进风段、消声过滤段、表冷加热加湿段、风机段、消声出风段，参见图3，表冷段采用双通道模式，在设计工况下消除室内热湿负荷并避免再热，同时减少非设计工况随室内热湿负荷变化情况下的再热量。

图3 双通道空调机组功能段配置示意图

除有恒温恒湿要求的区域外，入口门厅、观景长廊、展厅周边公共区域、报告厅、办公区域、商店、咖啡厅、食堂等区域均设置舒适性空调系统。入口门厅采用全空气空调系统+风机盘管组合处理的空调方式，冬季入口门厅设置地面辐射供暖。2F、3F 观景长廊采用地面辐射供冷供暖+全空气空调系统组合处理的空调方式。报告厅设置全空气系统，采用座椅送风、顶部回风的气流组织形式。办公区域空调采用风机盘管+新风的形式。其他区域根据使用功能、建筑平面分隔采用集中式全空气系统或半集中式风机盘管+新风系统。

集中新风处理机组设置带旁通的转轮全热回收功能段，将集中排风的废热回收以预冷/预热室外引入的新风，新风再经冷热处理后送至各区域。

设置恒温恒湿空调系统的展厅内不设排风，整体平衡排风口设置于中部36 m 高中央展厅高位，维持气流从展厅流向公共交通区域，同时展厅进出口部设置静音型管道风机及顶送、侧回循环风口，以减少周边区域空气对展厅空间的侵扰。

空调机组、新风机组均采用多级连续调节的高压微雾加湿器加湿。新风空调机组均设置袋式F5+F9 两级空气过滤装置，舒适性空调系统空调机组设置袋式F9 空气过滤装置，藏品库房区、展厅空调机组设置袋式F9+化学过滤器两级空气过滤装置，化学过滤器用于净化了二氧化硫、二氧化氮、甲醛等污染物并消除异味。

展厅、多功能厅、会议室等人员密集区域设置二氧化碳监测装置与新排风系统联动。舒适性空调区域全空气系统采取实现全新风运行或可调新风比的措施，最大新风比不低于50%，新风量的控制与工况的转换采用新回风焓值控制方法。

4 工程设计特点

4.1 展厅双通道空调机组应用及其节能控制策略

展厅恒温恒湿空调系统为控制室内温度、相对湿度在允许范围内，降低了送风温差、提高了送风量和换气次数，而为消除潜热负荷同时与显热负荷匹配，需将空气处理到露点以下后进行再热。传统冷却除湿后再热的处理模式中，最大负荷工况下再热对应的被抵消冷量占总制冷量的25%以上，而在部分负荷工况下，被抵消冷量甚至占总制冷量的80%以上，这也是恒温恒湿空调系统运行能耗大、成本高的主要原因。

为减少恒温恒湿工况下被抵消的热量和冷量，展厅空调机组采用双通道结构形式，即在表冷段设置并排布置的两组表冷器，两组表冷器按1 大（通道1）1 小（通道2）配置。两组表冷器分别连接冷水管并设置控制阀门，作为通道1、通道2 分别独立控制，机组监控原理图如图4 所示。

图4 双通道空调机组监控原理图

双通道空调机组根据展览要求按恒温恒湿空调、舒适性空调工况两种运行工况控制。恒温恒湿空调工况下，制冷除湿负荷较大时，利用通道1 进行空气降温除湿处理，通道2 不进行处理；制冷除湿负荷较小时，利用通道2 进行降温除湿处理，通道1 不进行除湿处理。舒适性空调工况下风机降频运行，通道1、通道2同时进行降温除湿处理，不进行空气再热，机组露点送风。恒温恒湿工况下机组处理方式与固定比例的一、二次回风系统[3]类似，且未取消再热，目标设定在满足恒温恒湿要求的前提下减少系统再热量及被抵消的冷量。机组水阀具体节能控制策略见表2。

表2 双通道空调机组节能控制策略

4.2 西向观景长廊空调设计

美术馆西侧2 层、3 层观景长廊室内净高分别为5.5 m、10.8 m，进深5.3 m，其西向玻璃幕墙构造为5 层超白玻璃＋中空＋2 层超白玻璃，内侧为巨幅LED 显示屏。空调系统设计需要解决该区域空调负荷大、受太阳辐射影响显著的问题。基于景观效果要求和空间条件，经CFD 模拟计算，本区域空调采取地面送风+地面辐射供冷供热+LED 显示屏背侧FCU 供冷的形式，具体见图5、图6。地面辐射供冷用于带走太阳辐射至地面的热量。LED 屏背侧设置多组立式风机盘管，负责承担设备产生的热量。地面送风风口分别沿外侧幕墙、内侧LED 屏布置，回风口设置在吊顶内。从CFD 模拟结果可以看出，观景长廊夏季室内温度竖向分层明显，人员停留区域维持在舒适温度范围，空间顶部温度较高，减少了空调总冷负荷和送风量。建成后室内观众体验良好，现场实测结果数据与CFD 模拟结果基本一致。

图5 观景长廊空调布置示意图

图6 观景长廊空调CFD 模拟夏季室内温度分布

4.3 冷却塔通风散热设计

本项目冷却塔选用1 组2 模块低噪声逆流式开式冷却塔模块。冷却塔设置位置几近苛刻，因屋面大部分区域都被设计为室外活动平台使用，且需要考虑从陆家嘴地区高层建筑塔楼俯瞰美术馆屋面的视觉效果，冷却塔被放置于建筑屋顶东北角部艺术信号塔体内部。为保证冷却塔通风散热效果，并避免噪声影响屋面室外活动平台使用，设计组织气流通道如图7 所示，冷却塔架空安装在艺术信号塔中部钢结构平台上，其下方及周边检修马道采用通风率80%钢格栅板铺设，空气自艺术信号塔南侧、西侧底部石材格栅进入艺术信号塔体内部后向上流经钢格栅板，并被吸入冷却塔，在冷却塔内接触冷却水并吸热后，空气经冷却塔风扇、竖向导风筒向上排入大气。冷却塔每个模块额定散热风量336000 m3/h，设计核算确定进风通道的面积，并与冷却塔设备厂家确认风扇风压满足克服整个气流通道阻力的要求，最终取得了良好的使用效果和景观效果，同时有效控制了冷却塔噪声对周边的影响。

图7 冷却塔布置剖面图

5 结语

浦东美术馆项目于2020 年年底竣工，空调通风系统经过近一年时间的运行，总体使用效果良好，各空调区域室内温湿度均达到了设计要求，观众体感满意度较高。

根据美术馆使用需求及节约能耗、降低运行成本的原则，同时为配合项目的建筑效果，本项目设计在借鉴既有类似项目建设经验的基础上，结合技术分析手段在系统形式、设备布置上进行了诸多有益的尝试，包括冷水机组冷凝热回收、双通道恒温恒湿空调机组及运行模式转换、地面辐射供冷、冷却塔布置等，可以为日后其他美术馆、博物馆、展览馆项目暖通空调设计提供良好的借鉴。