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摘要：介绍了空调冷热源的基本设置，重点分析了藏品库恒温恒湿空调系统的设计，得出藏品库采用风冷型恒温恒湿机组是合理的。分析了高大空间空调系统设计，实际运行情况表明低温地板辐射供暖或地板散流器供暖在寒冷地区高大空间的应用可以满足供暖要求。
关键词：恒温恒湿；空调系统；高大空间；再热；辐射供热；防冻
1工程概况
抗美援朝纪念馆位于辽宁省丹东市英华山顶，是全国唯一全面反映中国人民抗美援朝战争和抗美援朝运动历史的专题纪念馆，始建于1958年。为迎接抗美援朝战争胜利70周年，改扩建工程以原真性保留“地下指挥所旧址”、保护性修缮“纪念塔及其地下附属空间”与整合性改造“全景画馆”为保护性改造策略，原址新建抗美援朝战争纪念馆（以下简称抗馆）。园区总用地面积为182475m2，改扩建后总建筑面积约为29983m2，其中保留改造建筑面积为5474m2，新建建筑面积约为24509m2。新建纪念馆在纪念广场上2层，高度为16m，主要建筑体量结合山体位于纪念广场之下，改扩建后的新抗馆于2020年9月对外开放。纪念馆效果图如图1所示。首层结合山体设置，部分埋入山体内，主要功能为志愿军空军专题陈列馆、志愿军英雄馆、抗美援朝运动馆、全景画馆、藏品库及设备用房，局部夹层为办公及管理用房；2层为入口大厅及序厅、抗美援朝战争馆；3层为临时展厅、经典战例多媒体演示区、馆史陈列馆、多功能厅。
2空调冷热源设置
抗馆项目包括新建和改造两部分，改造部分原设计空调冷热源方案为水冷机组＋区域锅炉房的形式，锅炉房为抗馆和丹东市气象局合用。2015年项目改扩建时，已有市政热网可供使用，同时考虑原有制冷机组有1台可以正常使用，本项目冷热源采用水冷冷水机组＋市政热网的空调方案。水冷机组设在1层，远离藏品库及展览区的设备区，市政热力公司为本项目在院区内建设了换热站，供冬季空调及供暖使用。根据负荷计算结果，制冷配置3台水冷螺杆式冷水机组。2台为新增，单台制冷量1270kW；1台原有制冷机组，制冷量416kW。新增机组性能系数（COP）不低于5.5。通过两大一小的配置方案，既可以满足夏季开馆时的空调需求，又可以满足不开馆时1层夹层办公、会议、专家工作室及餐饮区的空调使用要求。夏季空调供／回水温度为7℃／12℃，冷却水进／出水温度为32℃／37℃。冬季经换热站换热后的空调热水供／回水温度为60℃／50℃，地板辐射供暖供／回水温度为45℃／35℃。入口门厅、序厅、空军专题陈列馆、志愿军英雄馆、抗美援朝运动馆等均为高大空间，序厅装修完成后的高度超过10m，其余大空间也在6m以上。考虑冬季热空气分层的问题，1层公共展廊、入口门厅冬季辅助地板辐射供暖，序厅及其他展厅考虑布展变动时会在地面重新挖沟槽，地板辐射供热管道可能会被损坏，设计采用辅助地板对流器的方案，来保证高大空间的供热效果。
3藏品库恒温恒湿空调设计
3.1藏品库的负荷特点
藏品库是博物馆的核心区域，用于保存一些贵重物品，如出土的青铜器、竹简、陶器、漆器、纸质物品、金属制品等，文献［1］根据藏品类型的不同，将藏品库分为4类。抗馆现有馆藏抗美援朝文物2万余件，各类抗美援朝资料3万余份，是目前国内收藏抗美援朝文物与资料较为全面和系统的纪念馆。藏品库对环境的要求包括温度、湿度、污染物浓度、光辐射及防水、防尘、振动等的要求。因此，藏品库多设在地下室或封闭的内区房间内。如北京军事博物馆、盘龙城博物馆的藏品库均设在地下室，本项目藏品库设在1层，四周被巡更通道包围，如图2所示。藏品库的布置特点决定了藏品库冷热负荷中，围护结构负荷的比例很小，这样有利于藏品库内恒温恒湿设备的稳定运行。藏品库内的藏品以实物为主，无发热量，也基本无发热设备，因此藏品库内设备负荷工程上可以不计算。藏品库负荷基本以地面传热、照明及新风负荷为主。藏品库的新风的作用除保证室内空气品质外，还有维持藏品库房间内正压的作用，设计中一般以维持相邻走道或房间5Pa的压力差来计算新风量。通过负荷计算，抗馆藏品库的冷指标为40.6W／m2（含新风），热指标为47.2W／m2（含新风）。其冷热指标低于办公、商业等常见空调负荷指标。抗馆藏品库的设计标准如表1［2］所示。
3.2恒温恒湿机组的选择
常见恒温恒湿机组有风冷和水冷2种形式，风冷型恒温恒湿机组有应用广泛、易分散设置、适应性强、设备故障率低、安全性高、控制简单、运行维护费用低等优点，在小型项目中应用较多。但也存在受室外温度影响大、除湿能力低、断电时无法实现延时供冷的缺点［3］。水冷恒温恒湿系统一般由冷水机组、冷却塔、冷水泵、冷却水泵、蓄冷罐、机房空调末端及空调水系统组成，也有采用空气源热泵系统带蓄冷罐的系统，该系统有制冷效率高、供冷稳定、带蓄冷罐可以保证电力系统故障时延迟供冷等优点，适合用于面积较大的恒温恒湿系统，如大型数据机房。综合比较分析，抗馆藏品库面积小、负荷低、总冷负荷不足最小制冷机组的10％，结合丹东四季分明、夏季短而凉爽的气候特点，采用风冷型恒温恒湿机组更合理。设计按照不同的藏品类型分开设置机组，共采用4台风冷型恒温恒湿机组，机组再热为电再热，加湿为电加湿。新风采用独立新风机组，经过滤、制冷或加热后再与恒温恒湿机组的回风混合，这种做法可以让恒温恒湿机组在稳定的工况下运行，减少室外温度变化对房间内温湿度波动的影响。不论采用风冷型还是水冷型恒温恒湿机组，为了藏品库内温湿度的相对恒定，需要通过加大送风量、减小送风温差的形式来实现，因此，循环空气在制冷后都存在再热的问题，且多为电再热，再热就会出现冷热抵消的问题，这种电再热的恒温恒湿系统不利于节能。随着技术的发展及国家节能减排、实现碳中和的目标要求，迫切需要更加节能的恒温恒湿空调系统。以下2种恒温恒湿空调系统可以在以后推广应用。四管制空气源热泵型恒温恒湿机组如图3所示，空气制冷后的再热量由四管制空气源热泵提供。取代了电再热，系统能效得到有效提升。四管制空气源热泵机组可以独立设置，独立于建筑其他空调系统，可靠性高。但热水调节的精度控制受限，且热水存在热延迟性，因此，热水再热后还是增加了电辅热微调段，用于调节处理后空气的参数，使送风更加稳定。多余的热量可根据需要用于生活热水预热或直接由空气源热泵散至室外。直膨热回收型恒温恒湿机组如图4所示，空气制冷后的再热量由直膨式机组的冷凝器提供，由热回收再热取代了电再热。氟系统的调节相对灵活，机组内部可不设电辅热微调段。
3.3空气净化设备的选择
文献［1］指出，藏品库内应控制烟雾灰尘及有害气体的浓度，并给出了可吸入颗粒物、二氧化硫、臭氧、甲醛等污染物浓度的限值。藏品库区恒温恒湿空调系统新风除维持藏品库正压外，还用于稀释房间内污染物浓度。可吸入颗粒物主要来源为室外新风，因此，新风机组及恒温恒湿机组的过滤形式也是设计重点考虑的内容。文献［1］对藏品库内可吸入颗粒物的质量浓度要求为＜0.12mg／m3，一般中效过滤器可以满足该要求，恒温恒湿空调机组及新风机组内应设置不低于中效的过滤设备。用于空调系统的中效过滤器常见的有袋式中效过滤器和高压静电空气过滤器。袋式过滤器阻力较大，容尘量偏小，根据多个项目的实践，在雾霾天气下，袋式过滤器一周内就已经达到满负荷，需要更换。因此，对于医院、办公等项目，多采用阻力小、容尘量大的高压静电空气过滤器。柏婧等人通过实验得出，静电过滤器单元臭氧发生率为302.9mg／h，在额定风量3000m3／h下运行时，可导致静电过滤器后臭氧浓度增加0.100mg／m3［4］。张纪文等人通过实验测出高压静电过滤器臭氧释放量持续超过标准规定的100μg／m3的限值［5］。臭氧具有很强的氧化能力，对藏品库的文物保护极为不利，综合考虑后，抗馆项目恒温恒湿空调系统及新风机组最后采用了袋式中效过滤器。
4高大空间空调系统设计
高大空间的空调设计一直是工程设计的重难点，如火车站大厅、机场航站楼、会展中心展厅、商业综合体的通高中厅。这些高大空间都存在冬季供暖时，室外空气渗透严重、能耗高、人员活动区温度低的问题。刘效辰等人通过对国内7座不同气候区的机场航站楼进行测试，得出冬季在空调系统新风关闭的情况下，渗透风量折合航站楼大厅换气次数0.06～0.56h－1［6］。如果高大空间上部密封较好，可有效阻止“烟囱效应”的产生，可减小渗透风量。夏热冬冷地区的高铁站房普遍无地面辐射供暖系统，候车大厅内因进站门长期开启，乘车通道开启时，下行乘车通道与外门形成“烟囱效应”，冬季大量室外空气从下行乘车通道渗透进候车大厅内，使得候车大厅冬季空调效果不理想，能耗高。图5为抗馆入口大厅及序厅剖面图，入口大厅装修后净高6m，序厅布展后净高9.9m，均属于高大空间。入口大厅有往下通往1层的扶梯，也有通向3层报告厅的扶梯，极易在冬季形成“烟囱效应”。对于高大空间，设计常用的做法是采用侧送风、下回风的全空气空调形式，在北方地区辅助地板辐射供暖系统，也有采用置换通风系统的，如西安机场候机厅，也有采用空调侧送风加地板对流器的，如北京大兴机场、武汉天河机场T3航站楼。高理福通过乌鲁木齐某个汽车展厅大厅的项目设计实践，得出低温地板辐射供暖在寒冷地区高大空间的应用可以满足供暖要求［7］。通过方案比较，并结合展览馆布展的要求，在未布展区域的1层公共展廊、入口门厅冬季辅助地板辐射供暖，有布展需求的区域，需要在地板做布展设备基础支撑，不满足设地板辐射供暖的条件，因此，序厅、志愿军空军专题陈列馆、志愿军英雄馆、抗美援朝运动馆等展馆采用辅助地板对流器的方案，来保证高大空间的供热效果。辐射供暖系统供／回水温度为45℃／35℃。地板对流器供／回水温度为60℃／50℃。2020年经过一个冬季的运营，所有展厅均满足温湿度要求。
5布展配合设计
抗馆通过在不同主题展厅的布展，再现了抗美援朝时期的各种感人场景。这些布展对空调风口的布置提出了更高的要求。空调风口要避开顶层展板，不能对视觉形成不利影响。配合装修布展是设计的重难点，需要与装修布展单位沟通，尽量满足布展要求，弱化空调送回风口、排烟口、补风口在布展中的影响，还要保证各展厅的空调效果。以序厅为例，与装修布展设计单位配合中就有多个配合方案，如图6所示。如图6所示，a为未配合装修布展的空调平面图，b～d为配合装修布展的平面图。最后采用的是方案D的空调布置图。图7为根据方案D实施后的序厅实拍图。配合装修布展是一个复杂、漫长的配合过程，需要设计师耐心、细致的配合，以实现布置的效果。
6防冻设计
抗馆位于寒冷地区，防冻设计也是本项目设计的重点内容之一，项目设计中采取多种防冻措施：1）制冷机房、水泵房、空调机房、发电机房及室外单体厕所、单体泵房等均设计散热器供暖系统，设计房间最低温度为5℃。2）大空间采用地板辐射供暖或地板散流器供暖，当冬季夜间室内温度低于5℃或水温低于5℃时，室外换热站应开启进行换热。3）冬季空调机组停止运转时，保持电动比例调节阀有10％的开度。4）除设供暖的区域外，所有给排水管道须做电伴热保温，电伴热保温采用加装电伴热线的方式。5）所有连接外墙百叶的风管做好绝热保温，同时防止形成冷桥。所有新（送）风管、排风（烟）管与外墙百叶连接处设置电动保温风阀，并与空调机组或风机连锁。柴油发电机进、排风风道在进、出机房处加电动保温风阀，与柴油发电机组连锁。抗馆2020年已运行一个冬季，经过现场实测，柴油发电机房冬季温度最低，实测最低温度为8.2℃，满足防冻要求。
7结论
1）通过设计比较分析，抗馆藏品库恒温恒湿空调系统采用风冷型是合理的。但随着国家节能减排、实现碳中和的目标要求，采用更加节能型的恒温恒湿空调系统是设计师应该考虑的问题。2）四管制空气源热泵型恒温恒湿机组和直膨式热回收型恒温恒湿机组具有明显的节能优势。3）藏品库空气过滤系统应达到中效过滤级别，过滤器应选用物理过滤型的过滤器，不应采用静电过滤。4）通过实际运行测试，低温地板辐射供暖、地板散流器供暖在寒冷地区高大空间的应用可以满足供暖要求。
作者：王当瑞 高刚 王春香 单位：中南建筑设计院股份有限公司