沈雪峰

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司

1 工程概況

浦東美術館是浦東新區(qū)“十三五”重點工程項目之一，建筑西側緊鄰黃浦江濱江綠地與外灘隔江相望，北鄰上海國際會議中心，東側毗鄰陸家嘴商圈?；匚挥谏虾Ｊ衅謻|新區(qū)黃浦江沿岸E14 單元B6 街坊內的B6-2 地塊，用地面積13000.2 m2，工程總建筑面積40590.0 m2，其中地上建筑面積26000.0 m2，地下建筑面積14590.0 m2。建筑地下2 層，地上4 層，建筑高度30.00 m，剖面如圖1 所示。地上建筑功能包括入口大廳、展廳、美術館商店、咖啡廳及多功能廳、學術報告廳、美術館圖書文獻中心、辦公會議區(qū)域，地下容納有中央展覽空間、地下公共大廳、美術館后勤區(qū)、設備用房和地下車庫等。

圖1 浦東美術館東西向剖面示意圖

根據功能定位，本項目主要展陳對象為當代美術作品。

2 設計參數(shù)

室內設計參數(shù)見表1。根據展陳要求，在展品有恒溫恒濕要求時展廳空調按恒溫恒濕工況運行，展品無恒溫恒濕要求時展廳空調按舒適性空調工況運行。部分公共交通區(qū)域存在臨時分隔后連通不同展廳并作為展區(qū)的使用可能，空調系統(tǒng)按展廳恒溫恒濕空調需求設置。藏品庫房、展廳室內污染物濃度按JGJ 66-2015《博物館建筑設計規(guī)范》第6.0.4、6.0.5 條要求控制，其恒溫恒濕空調工況下溫度日較差按2 ℃控制，相對濕度日波動值按≤5%控制[1]。

表1 室內設計參數(shù)

經計算，本項目夏季空調冷負荷4136 kW，冬季空調供暖熱負荷2534 kW。

3 空調系統(tǒng)設計

3.1 冷熱源設計

本項目集中空調冷熱源采用電驅動水冷冷水機組+燃氣熱水鍋爐的形式。冷水機組選用2 臺1400 kW 螺桿式水冷冷水機組+1 臺1400 kW 全熱回收型螺桿式水冷冷水機組，鍋爐選用4 臺700k W 模塊式低氮燃氣熱水鍋爐?？紤]展廳運行工況存在變化、藏品庫房全年均需按恒溫恒濕工況運行，為提高冷熱源運行效率及可靠性，在冷熱源機房內設置空調冷水、空調熱水蓄水緩沖罐各16 m3，用以在低負荷工況下降低冷熱源主機啟停頻率、穩(wěn)定冷熱水供水溫度，同時為藏品庫房設置獨立風冷型恒溫恒濕空調機組作為備用機組。冷熱源系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 冷熱源系統(tǒng)原理圖

冷水機組冷水設計供回水溫度6/12 ℃，冷卻水設計供回水溫度32/37 ℃，冷水機組冷凝熱回收側設計供回水溫度50/45 ℃。鍋爐熱水設計供回水溫度85/60 ℃，經板式換熱器換熱后的二次熱水設計供回水溫度50/35 ℃。

3.2 空調水系統(tǒng)設計

空調冷熱水系統(tǒng)采用四管制、異程式、二級泵系統(tǒng)。冷水機組、熱水機組主機側定流量運行，二級冷水、熱水循環(huán)泵分區(qū)設置并采用變頻控制，供回水干管之間均設置最小流量壓差旁通裝置。冷水、熱水一二級之間均設置16 m3緩沖水罐以降低主機啟停頻率，冷水緩沖水罐同時替代常見二級泵系統(tǒng)中冷熱源側與負荷側之間平衡管的功能[2]。冷水機組冷凝熱回收循環(huán)水接至空調熱水一級側。

觀景長廊局部地面輻射供冷供暖區(qū)域供回水采用混水泵+三通調節(jié)閥+混水罐調節(jié)水溫，供冷設計水溫20/25 ℃，供熱設計水溫45/35 ℃。

空調冷熱源機房內總管上設置冷熱量計量表?？照{機組末端采用動態(tài)平衡電動兩通調節(jié)閥，風機盤管末端設置溫控開關式電動兩通閥，風機盤管環(huán)路設置動態(tài)壓差平衡閥。

3.3 空調末端及風系統(tǒng)設計

根據運營要求，本項目藏品庫房、展廳（除36 m 高中央展廳外）、有展覽需求的2F～4F 交通區(qū)域、地下二層展覽工作區(qū)設置恒溫恒濕空調系統(tǒng)。恒溫恒濕空調系統(tǒng)新風采用新風除濕處理機組集中處理后送至各區(qū)域。各區(qū)域循環(huán)風空調箱配置進風段、消聲過濾段、表冷加熱加濕段、風機段、消聲出風段，參見圖3，表冷段采用雙通道模式，在設計工況下消除室內熱濕負荷并避免再熱，同時減少非設計工況隨室內熱濕負荷變化情況下的再熱量。

圖3 雙通道空調機組功能段配置示意圖

除有恒溫恒濕要求的區(qū)域外，入口門廳、觀景長廊、展廳周邊公共區(qū)域、報告廳、辦公區(qū)域、商店、咖啡廳、食堂等區(qū)域均設置舒適性空調系統(tǒng)。入口門廳采用全空氣空調系統(tǒng)+風機盤管組合處理的空調方式，冬季入口門廳設置地面輻射供暖。2F、3F 觀景長廊采用地面輻射供冷供暖+全空氣空調系統(tǒng)組合處理的空調方式。報告廳設置全空氣系統(tǒng)，采用座椅送風、頂部回風的氣流組織形式。辦公區(qū)域空調采用風機盤管+新風的形式。其他區(qū)域根據使用功能、建筑平面分隔采用集中式全空氣系統(tǒng)或半集中式風機盤管+新風系統(tǒng)。

集中新風處理機組設置帶旁通的轉輪全熱回收功能段，將集中排風的廢熱回收以預冷/預熱室外引入的新風，新風再經冷熱處理后送至各區(qū)域。

設置恒溫恒濕空調系統(tǒng)的展廳內不設排風，整體平衡排風口設置于中部36 m 高中央展廳高位，維持氣流從展廳流向公共交通區(qū)域，同時展廳進出口部設置靜音型管道風機及頂送、側回循環(huán)風口，以減少周邊區(qū)域空氣對展廳空間的侵擾。

空調機組、新風機組均采用多級連續(xù)調節(jié)的高壓微霧加濕器加濕。新風空調機組均設置袋式F5+F9 兩級空氣過濾裝置，舒適性空調系統(tǒng)空調機組設置袋式F9 空氣過濾裝置，藏品庫房區(qū)、展廳空調機組設置袋式F9+化學過濾器兩級空氣過濾裝置，化學過濾器用于凈化了二氧化硫、二氧化氮、甲醛等污染物并消除異味。

展廳、多功能廳、會議室等人員密集區(qū)域設置二氧化碳監(jiān)測裝置與新排風系統(tǒng)聯(lián)動。舒適性空調區(qū)域全空氣系統(tǒng)采取實現(xiàn)全新風運行或可調新風比的措施，最大新風比不低于50%，新風量的控制與工況的轉換采用新回風焓值控制方法。

4 工程設計特點

4.1 展廳雙通道空調機組應用及其節(jié)能控制策略

展廳恒溫恒濕空調系統(tǒng)為控制室內溫度、相對濕度在允許范圍內，降低了送風溫差、提高了送風量和換氣次數(shù)，而為消除潛熱負荷同時與顯熱負荷匹配，需將空氣處理到露點以下后進行再熱。傳統(tǒng)冷卻除濕后再熱的處理模式中，最大負荷工況下再熱對應的被抵消冷量占總制冷量的25%以上，而在部分負荷工況下，被抵消冷量甚至占總制冷量的80%以上，這也是恒溫恒濕空調系統(tǒng)運行能耗大、成本高的主要原因。

為減少恒溫恒濕工況下被抵消的熱量和冷量，展廳空調機組采用雙通道結構形式，即在表冷段設置并排布置的兩組表冷器，兩組表冷器按1 大（通道1）1 小（通道2）配置。兩組表冷器分別連接冷水管并設置控制閥門，作為通道1、通道2 分別獨立控制，機組監(jiān)控原理圖如圖4 所示。

圖4 雙通道空調機組監(jiān)控原理圖

雙通道空調機組根據展覽要求按恒溫恒濕空調、舒適性空調工況兩種運行工況控制。恒溫恒濕空調工況下，制冷除濕負荷較大時，利用通道1 進行空氣降溫除濕處理，通道2 不進行處理；制冷除濕負荷較小時，利用通道2 進行降溫除濕處理，通道1 不進行除濕處理。舒適性空調工況下風機降頻運行，通道1、通道2同時進行降溫除濕處理，不進行空氣再熱，機組露點送風。恒溫恒濕工況下機組處理方式與固定比例的一、二次回風系統(tǒng)[3]類似，且未取消再熱，目標設定在滿足恒溫恒濕要求的前提下減少系統(tǒng)再熱量及被抵消的冷量。機組水閥具體節(jié)能控制策略見表2。

表2 雙通道空調機組節(jié)能控制策略

4.2 西向觀景長廊空調設計

美術館西側2 層、3 層觀景長廊室內凈高分別為5.5 m、10.8 m，進深5.3 m，其西向玻璃幕墻構造為5 層超白玻璃＋中空＋2 層超白玻璃，內側為巨幅LED 顯示屏?？照{系統(tǒng)設計需要解決該區(qū)域空調負荷大、受太陽輻射影響顯著的問題?；诰坝^效果要求和空間條件，經CFD 模擬計算，本區(qū)域空調采取地面送風+地面輻射供冷供熱+LED 顯示屏背側FCU 供冷的形式，具體見圖5、圖6。地面輻射供冷用于帶走太陽輻射至地面的熱量。LED 屏背側設置多組立式風機盤管，負責承擔設備產生的熱量。地面送風風口分別沿外側幕墻、內側LED 屏布置，回風口設置在吊頂內。從CFD 模擬結果可以看出，觀景長廊夏季室內溫度豎向分層明顯，人員停留區(qū)域維持在舒適溫度范圍，空間頂部溫度較高，減少了空調總冷負荷和送風量。建成后室內觀眾體驗良好，現(xiàn)場實測結果數(shù)據與CFD 模擬結果基本一致。

圖5 觀景長廊空調布置示意圖

圖6 觀景長廊空調CFD 模擬夏季室內溫度分布

4.3 冷卻塔通風散熱設計

本項目冷卻塔選用1 組2 模塊低噪聲逆流式開式冷卻塔模塊。冷卻塔設置位置幾近苛刻，因屋面大部分區(qū)域都被設計為室外活動平臺使用，且需要考慮從陸家嘴地區(qū)高層建筑塔樓俯瞰美術館屋面的視覺效果，冷卻塔被放置于建筑屋頂東北角部藝術信號塔體內部。為保證冷卻塔通風散熱效果，并避免噪聲影響屋面室外活動平臺使用，設計組織氣流通道如圖7 所示，冷卻塔架空安裝在藝術信號塔中部鋼結構平臺上，其下方及周邊檢修馬道采用通風率80%鋼格柵板鋪設，空氣自藝術信號塔南側、西側底部石材格柵進入藝術信號塔體內部后向上流經鋼格柵板，并被吸入冷卻塔，在冷卻塔內接觸冷卻水并吸熱后，空氣經冷卻塔風扇、豎向導風筒向上排入大氣。冷卻塔每個模塊額定散熱風量336000 m3/h，設計核算確定進風通道的面積，并與冷卻塔設備廠家確認風扇風壓滿足克服整個氣流通道阻力的要求，最終取得了良好的使用效果和景觀效果，同時有效控制了冷卻塔噪聲對周邊的影響。

圖7 冷卻塔布置剖面圖

5 結語

浦東美術館項目于2020 年年底竣工，空調通風系統(tǒng)經過近一年時間的運行，總體使用效果良好，各空調區(qū)域室內溫濕度均達到了設計要求，觀眾體感滿意度較高。

根據美術館使用需求及節(jié)約能耗、降低運行成本的原則，同時為配合項目的建筑效果，本項目設計在借鑒既有類似項目建設經驗的基礎上，結合技術分析手段在系統(tǒng)形式、設備布置上進行了諸多有益的嘗試，包括冷水機組冷凝熱回收、雙通道恒溫恒濕空調機組及運行模式轉換、地面輻射供冷、冷卻塔布置等，可以為日后其他美術館、博物館、展覽館項目暖通空調設計提供良好的借鑒。