地板輻射空調系統(tǒng)在國家博物館中的應用技術研究
曹旭明
(北京城建安裝集團有限公司北京100085)
摘要：本文結合國家博物館工程的特殊性，分析了地板輻射空調系統(tǒng)在高大空間應用的要點，探討了地板輻射空調系統(tǒng)在設計、施工等方面的特征，為今后類似工程提供工程實例借鑒經(jīng)驗。
關鍵詞：國家博物館地板輻射空調系統(tǒng)深化設計施工技術質量控制
中圖分類號：TB494文章編號：1002-3607 (2016) 03-0033-05
1引言
國家博物館位于天安門廣場東側，利用原有中國革命博物館的原址，改擴建成為新的中國國家博物館�？偨ㄖ娣e為1 91900m2。其中保留老建筑物中西、北、南三段進行改造，老館建筑面積約為35000m2；新館建筑面積為1 570002。建筑總高44.75m。該建筑地下二層，地上五層，結構型式為鋼筋混凝土框架簡體結構。
新的國家博物館，其建筑空間形式豐富，內部功能復雜多樣，使得室內空氣環(huán)境要求多樣、嚴格、苛刻，因此空調系統(tǒng)的形式從設計上必須結合室內環(huán)境參數(shù)的控制、氣流組織、溫度場、節(jié)能、運營時內部功能的變換及博物館特殊性等諸多因素考慮空調系統(tǒng)的系統(tǒng)形式。
中國國家博物館入口大廳是展現(xiàn)博物館特色的多功能大廳，其空調系統(tǒng)采用了超大面積的“地板輻射空調系統(tǒng)”，輔助“分層空調系統(tǒng)”解決了高大空間空調區(qū)域的冷、熱負荷，溫度梯度、人體舒適、降低噪音、特色裝修等問題，同時在不增加空調系統(tǒng)冷負荷的條件下，消除頂部余熱。結合下送風的系統(tǒng)，阻止熱濕空氣與夏季地板直接接觸，降低夏季地板表面的露點溫度。“地板輻射空調系統(tǒng)”深化設計時以冬、夏季水量一致，使用同一套循環(huán)水泵為原則，在此基礎上計算確定水盤管的規(guī)格型號，供回水水溫、水盤管間距和供冷供熱能力，系統(tǒng)采用了地面表面溫度和室內空氣露點溫度控制的雙重防結露保護措施。通過施工，總結了“地板輻射空調系統(tǒng)”施工的工序安排、工藝技術措施，并重點闡述了施工中盤管敷設基礎的測量驗收、絕熱層鋪設、分集水器的設置安裝、水盤管環(huán)路鋪設安裝、強度及嚴密性試驗，施工中的成品保護及質量控制等。通過系統(tǒng)調試滿足了設計功能參數(shù)的要求。
2 國家博物館地板輻射空調系統(tǒng)特征分析
2.1入口大廳空調系統(tǒng)形式設計分析
國家博物館入口大廳空間大、高度高、大廳建筑室內凈空高度近30m，易形成溫度梯度，居留區(qū)人均占有空間體積大。若采用全空間、全空氣空調系統(tǒng)，暖通空調熱冷負荷很
大，且大廳防噪聲要求高，不宜使用射流風口。設計單位通過CFD對大廳進行的溫度模擬得知，豎向溫度梯度達到12℃。為了減小空調運行能耗，大廳區(qū)域采取了分層空調與地板盤管輻射空調相結合的方式，所有空調裝置和送回風的氣流組織都在距離地面6m高的范圍內。為避免夏季地板出現(xiàn)結露，將地板水盤管空調系統(tǒng)與下送風相結合，經(jīng)過冷卻除濕的空氣下送風，阻止熱濕空氣與夏季地板直接接觸，降低夏季地板表面的露點溫度。保證足夠低的供水溫度，提高地板水盤管供冷能力。夏季當頂部區(qū)域的空氣溫度高于室外通風溫度時，利用屋頂?shù)淖詣哟皩崿F(xiàn)自然通風或利用與消防合用的風機實現(xiàn)機械通風，從而在不增加空調系統(tǒng)冷負荷的條件下，消除頂部余熱。由于靠近地面能夠設置風口的位置非常有限，且無法與大廳裝修裝飾協(xié)調，所以部分負荷由地板盤管系統(tǒng)承擔。
2.2 地板輻射空調系統(tǒng)分布概況及特征
國家博物館地板輻射空調系統(tǒng)主要分布在北館入口大廳、新館西入口、東入口大廳及館內部分主通道，施工總面積10100m2。地板輻射空調系統(tǒng)為兩管制冷熱水冷暖型系統(tǒng)，熱源由市政高溫熱水集中提供。在-12.8m標高層設置集中熱交換站經(jīng)換熱器制備冬季地板空調供暖所需的熱水。冷源由冷水機組和蓄冰冷源提供，在制冷機房設置一套熱交換系統(tǒng)，為夏季入口大廳地板空調提供空調冷水。在分集水器前主管上采用冬夏轉換閥在換季時進行切換。
2.3地板輻射空調系統(tǒng)施工深化設計
地板冷熱盤管的設計首先以保證夏季地板表面不結露為原則，同時兼顧冬、夏季水量一致以便于利用同一套循環(huán)水泵，在此基礎上計算確定水溫、水盤管間距和供冷供熱能力。作為室內外過渡的入口大廳，夏季的室內設計參數(shù)為干球溫度28℃，相對濕度不大于65%。為安全起見，要求地板表面溫度高于露點溫度(20.8℃)2℃以上，即地板表面溫度不低于22.8℃。選擇不同的供回水溫度及管道間距進行試算。
夏季地板輻射供冷計算參數(shù)見表1計算結果見表2。
由此可以看出，當盤管間距為20cm時，地板表面溫度滿足比露點溫度高2℃的要求，此時的供冷能力32.5W/m2作為地盤管系統(tǒng)設計采用數(shù)據(jù)，其余冷負荷則仍然需要由空氣系統(tǒng)承擔。
冬季地板輻射供暖計算參數(shù)見表3計算結果見表4。
以夏季計算的管徑、間距、流量為前提，保證地表面溫度不超過28℃，以各種供回水溫度試算冬季供熱情況，當供回水溫度48℃/38℃時，供熱能力為99.9W/m2，同時地板表面溫度為272℃。由此確定地板輻射系統(tǒng)設計參數(shù)見表5。
2.4 地板輻射空調系統(tǒng)地面防結露控制分析
為了防止夏季地板結露，采用下送風用經(jīng)過冷卻除濕的空氣，阻止熱濕空氣與地板直接接觸，降低夏季地板表面的露點溫度。同時設計采用了地板表面溫度控制和室內空氣露點控制的雙重保護措施。即地板表面溫度低于設定值時或空氣相對濕度高于設定值時，意味著有結露風險，自動調整進水溫度或停止地板盤管的冷水循環(huán)。
其控制原理是：中央控制器依據(jù)房間溫度和濕度探頭所測量的房間溫度和相對濕度（可安裝多個探頭），依據(jù)最高的溫度數(shù)值和最高的相對濕度數(shù)值，自動計算出露點溫度。依據(jù)計算出的露點溫度數(shù)值，發(fā)出信號至電動三通混水閥，調節(jié)三通混水閥的開度以使進水溫度與露點溫度相適應。保證地表面溫度高于露點溫度2℃至3℃，從而避免了結露現(xiàn)象的發(fā)生。
同時由于安裝了地面溫度探頭，如果地面溫度等于或低于露點溫度，中央控制器將關閉所有回路上的熱電閥停止冷水循環(huán)，從而保證地面溫度高于露點溫度。
3 國家博物館地板輻射空調系統(tǒng)施工技術
3.1地板輻射盤管材料的選擇
地板輻射空調系統(tǒng)盤管管道應根據(jù)系統(tǒng)工作溫度、壓力、建筑載荷、使用壽命、防水、防火及施工性能等要求，經(jīng)綜合比較后選定。經(jīng)對比以往工程成功案例，設計選擇了德國瑞
好公司生產(chǎn)的交聯(lián)聚乙烯（PE-X a）阻氧管。該管在管道外壁增加了氧氣阻隔層，避免氧氣滲透致使系統(tǒng)中金屬組件的氧腐蝕，同時交聯(lián)聚乙烯管的抗蠕變性能好，壽命長、其施工環(huán)境可以低至零下20℃，便于冬季施工不受環(huán)境溫度影響。
3.2地板輻射空調系統(tǒng)施工工藝
3.2.1 地板輻射空調系統(tǒng)施工工藝流程
施工準備→材料進場驗收→地面基礎驗收→坐標測定及放線→安裝分、集水器→固定邊界保溫帶→鋪設保溫板→鋪設鋁箔反射層→鋪設水盤管環(huán)路→套裝保護管→盤管與分集水器連接→沖洗→次試壓→綁扎鋼筋→安設膨脹縫→配合回填細石混凝土-二次試壓-系統(tǒng)調試→竣工驗收
3.2.2 地板輻射空調系統(tǒng)主要施工方法及技術措施
(1)施工技術準備
熟悉施工圖及技術要求，依據(jù)圖紙、技術說明、施工驗收規(guī)范和其他相關技術文件等做施工圖深化設計。結合現(xiàn)場實際情況，注意施工圖的設計深度和完整性，滿足施工要求。
(2)材料進場驗收
進場的各種設備、管材，管件及其它材料必須具備產(chǎn)品檢驗合格證及相應的產(chǎn)品性能檢測報告。檢查管材的管壁是否光滑平整，應無氣泡、無裂口、無明顯的劃痕和凹陷；各類閥門進現(xiàn)場后應按驗收規(guī)范要求進行抽查試壓檢驗。并且及時做好狀態(tài)標識和產(chǎn)品標識，其它材料應按有關的檢查規(guī)定進行檢查。
(3)基礎驗收及施工放線
地面基層應符合施工尺寸要求，放線前先將地面有明顯凸凹不平的部位鏟除并用水泥沙漿找平，清除地面的沙石碎塊、鋼筋等雜物，保證地面平整及標高要求。地面水平度為t 5mm，墻腳、柱腳與地面呈900直角。根據(jù)二次深化圖紙的管線定位進行放線，確定管道穿越基礎、沉降縫、墻板、樓板的預埋套管或預留孔洞的坐標位置，確定各個環(huán)路鋪設的坐標。
(4)分、集水器安裝
按照施工圖核對分、集水器位置。本工程分、集水器全部水平安裝，且高于地板水盤管并配置排氣閥。分水器安裝在上，集水器安裝在下，中心距為200mm，集水器中心距地面不小于300mm。水盤管出地面至分、集水器連接處，彎管部分不露出地面裝飾層。水盤管出地面至分、集水器下部球閥間的明裝管段，外部加裝塑料套管，套管高出裝飾面150~ 200mm。分水器的總進水管上安裝球閥、過濾器、壓力表、溫度計，在集水器總出水管上除安裝壓力表、溫度計、球閥外還要安裝平衡閥。閥門安裝時應按圖紙要求核對閥門的規(guī)格、型號及壓力等級、安裝位置、介質流向和安裝高度。閥門應開啟方便靈活，便于操作維修。壓力表、溫度計等儀表的型號、規(guī)格及安裝位置應符合設計與驗收規(guī)范的要求，并應便于觀察檢修。分、集水器安裝（見圖1）。
(5)固定邊界保溫帶
在水盤管區(qū)域所有墻、柱與地板相交的位置敷設邊界保溫帶（側面絕熱層），用高發(fā)泡聚乙烯泡沫塑料帶采用搭接方式連接，搭接寬度不小于10mm。保溫帶厚度大于10mm，從輻射面絕熱層上邊緣做到填充層的上邊緣，且與輻射面絕熱層連接嚴密、固定可靠。
(6)鋪設絕熱層保溫板
絕熱保溫板采用厚度為30mm的聚苯擠塑板。保溫板容重大干等于30kg/m3，壓縮強度大干200kPa。鋪設絕熱層對口接縫要平整、接縫處膠帶粘接要嚴密。本工程地板下為車庫，無潮氣侵入，故不設防潮層。
(7)鋪設鋁箔反射層
鋁箔反射層采用無紡布/PE真空鍍鋁聚脂薄膜，鋪設時應整張平整粘貼在保溫板上，不能有起泡、皺褶、破損現(xiàn)象，特別注意墻角處、伸縮縫和套管處的質量。鋁箔表面應表明鋁箔反射膜的坐標，鋪設時除管道固定在反射層上的塑料卡釘穿越外，不得有其他破壞。
(8)地板水盤管輻射空調系統(tǒng)的布管方式
根據(jù)現(xiàn)場實際尺寸，大空間門廳對溫度分布的要求，按管間距200mm合理布排管道，本工程采用回字形排管方式，局部尺寸受限制時采用蛇形排管方式（見圖2）。
(9)水盤管的配管和敷設
按照二次深化設計圖紙進行放線配管（見圖3），地輻盤管安裝時應禁止管道發(fā)生“擰勁”及“打折”現(xiàn)象，彎曲管道時圓弧的頂部應加以限制，防止出現(xiàn)“死折”；盤管彎曲半徑不能小于管子外徑的8倍且不大于管子外徑的1 1倍，方法是將彎管彈簧塞入管道，送至彎曲處，如彈簧長度不夠，可接駁鋼絲加長，在該處用手加力緩慢彎曲，成型后抽出彈簧。采用專用工具斷管，斷口應平整，斷面應垂直于管軸線。用卡釘將水盤管固定在絕熱反射層表面，盤管鋪設間距誤差應小于10mm，卡釘固定的間距直管段不應大于700mm，彎曲管段不應大于300mm。所有沿外墻窗處敷設的管段均按照圖紙標注尺寸加密敷設。安裝過程中，應防止油漆、瀝青或其他化學溶劑污染管道；應及時封堵管道系統(tǒng)安裝間斷或完畢的敞口處。按設計環(huán)路連接分、集水器的上、下管口。
( 10)安裝套裝保護管
管道密集較大處容易形成局部地面溫度過高或過冷，當管間距小于100mm時設置柔性套管，同時在水盤管始末端的適當距離內加保護套管。水盤管的環(huán)路布置不宜穿越填充層的伸縮縫，必須穿越時，伸縮縫處應設長度不小于200mm的柔性套管（見圖4）。
( 11)沖洗
系統(tǒng)循環(huán)水沖洗應在分、集水器以外主供、回水管道沖洗合格后，再進行室內地板輻射系統(tǒng)的沖洗。首先，關閉分、集水器上的閥門，并開啟總進出水管上的旁通閥，對分、集水器以外主供回水管路系統(tǒng)進行沖洗。第二步，對設置在各區(qū)域的分集水器的每一通路逐一進行沖洗，至出水清凈為止。系統(tǒng)循環(huán)沖洗時，應及時做好管道巡回檢查、清通工作，排放水應排至室外安全處或室內地溝和集水井。當系統(tǒng)循環(huán)清洗合格后，及時將系統(tǒng)進滿水，放盡各管路系統(tǒng)及設備內的空氣。
( 12)水壓試驗
試壓時應按施工進程分區(qū)、段進行。試壓前被試壓管道應施工完畢、管道、閥門等附件安裝經(jīng)系統(tǒng)完整性檢查符合規(guī)范驗收要求。試壓施工方案已審批，試壓準備及管道沖洗
已完成。壓力試驗應以每組分、集水器為單位，逐回路進行。經(jīng)分水器緩慢注水，同時將管道內空氣排出。充滿水后進行水密性檢查，手動泵緩慢升壓。升壓過程中要隨時檢查有無滲
漏。壓力試驗應該分兩次進行，分別為澆筑混凝土填充層之前和填充層養(yǎng)護期滿后，特別是后一次不允許草率省略。一次水壓試驗的試驗壓力為0.9MPa即工作壓力的1.5倍；在試驗壓力下，穩(wěn)壓1h，觀察其壓力降，若壓降不大于0.05MPa，且不滲不漏則為合格。冬季進行水壓試驗時，應采取可靠的防凍措施，試壓完成后應及時將管內的水吹凈防止凍結。
( 13)伸縮縫設置
當?shù)孛婷娣e超過30m2或邊長超過6m時設置伸縮縫，伸縮縫在填充層澆筑時預設寬度為10mm的木板條，養(yǎng)護7d且抗壓強度達到5MPa后取出木條，伸縮縫應從絕熱層上邊緣做到填充層上緣。在伸縮縫槽內滿填彈性膨脹膏。與墻、柱的交接處應填充厚度≥10mm的軟質閉孔泡沫塑料。
(14)混凝土填充層的澆筑和養(yǎng)護
在試壓合格且隱蔽工程驗收后綁扎鋼筋，進行卵石砼填充層澆筑。標號應不小于C15，卵石粒徑不大于12mm，并摻入適量的防止龜裂的添加劑。填充混凝土時，避免砂漿進入絕熱層及邊界保溫帶的接縫處。鋪平、壓實混凝土同時保證管道系統(tǒng)扣緊不移動，澆筑過程中管道內水壓不低于0.6MPa。填充層內的水盤管不應有接頭，填充層的養(yǎng)護周期不小于21d。養(yǎng)護過程中系統(tǒng)應保持不小于0.4MPa的壓力。
( 15)二次試壓
待混凝土填充層養(yǎng)護期滿之后，應對水盤管環(huán)路進行二次試壓，試驗壓力0.9MPa，穩(wěn)壓1小時，壓降不大于0.05MPa，且不滲不漏則為合格。
3.3地板輻射空調系統(tǒng)調試
調試在養(yǎng)護期滿后，且具備正常供暖供冷和供電條件下進行。調試時，檢查相關水源、電源及閥門正常開啟或關閉，檢查水壓是否正常。
本工程系統(tǒng)調試應分為冬季供暖期調試，及夏季供冷期調試兩步進行。
(1)供暖調試時，初次供暖應緩慢升溫，先將水溫控制在高于室內空氣溫度10℃左右，且不高于32℃，運行48h，以后每隔24h升高3℃，直至達到設計供水溫度。調試過程應持續(xù)在設計水溫條件下連續(xù)供暖24h．并調節(jié)每一通路水溫達到設計要求。
(2)初始供冷調試應在新風系統(tǒng)調試合格后進行，調試供冷應緩慢降溫，先供應25℃ - 30℃冷水，24h后逐步降溫，每12h降溫1℃，直至達到設計水溫（控制在高于室內空氣露點溫度2℃以上）。達到設計供水溫度后應再運行24h．并調節(jié)每一通路水溫達到設計溫度。
(3)性能參數(shù)的檢測
輻射供暖供冷系統(tǒng)調試完成后，要對系統(tǒng)主要性能參數(shù)進行檢測。
輻射體表面平均溫度要滿足設計和規(guī)范要求，檢測時溫度計與輻射地表面緊密粘貼，測點不少于5對，其中一半測點沿著熱媒流程均勻設置在輻射管地面上方，另一半沿熱媒流程均勻布置在輻射管之間地面上方，取各點算術平均值；室內空氣溫度要滿足設計要求，輻射供暖檢測時以房間中央距地0.75m處作為空氣溫度評價依據(jù)，輻射供冷檢測時以房間中央距地1.1m處作為空氣溫度評價依據(jù)；在各組分、集水器進出口管道上布置水溫測點，測量輻射供暖供冷系統(tǒng)進出口水溫及溫差，要滿足設計要求。4 地板輻射空調系統(tǒng)施工中注意的問題
4.1施工深化設計中注意的問題
(1)地板輻射空調系統(tǒng)供暖時供水溫度不應大于60℃，供回水溫差不大于1 0℃且不小于5℃；供冷時保證供冷面高于室內空氣露點溫度1 ℃- 2℃，供回水溫差不大于5℃且不小于2℃。
(2)每組分水器、集水器的分支環(huán)路不宜多于8路，各環(huán)路管道長度宜接近以保證水力平衡，且各環(huán)路長度不超過120m。
(3)靠近窗門處、外墻處水盤管排管適當加密集。
(4)地板水盤管采用回字形排管方式均勻排布，局部受限制時采用蛇形排管方式，滿足排管計算間距( 200mm)要求。
4.2施工中注意的問題
(1)交聯(lián)聚乙烯（PE-×a）盤管進場驗收后要專門場地保管，應防止油漆、瀝青或其他化學溶劑污染管道，貯存在干燥、避免陽光暴曬及高溫物體旁。
(2)地板水盤管環(huán)路中不應有接頭，鋪設時管材出現(xiàn)損壞、泄露等現(xiàn)象時應整根更換，不得拼接使用。
(3)地板水盤管敷設不得與其它水、電管線等敷設在同一構造層內，且必須在室內結構裝修及所有水電管線安裝完畢后施工，確保地板水盤管安裝后在地面上不再鑿洞等施工。
(4)混凝土填充層施工時，水盤管內的水壓保持不低于0.6MPa。填充層養(yǎng)護過程中，系統(tǒng)水壓不低于0.4MPa。過程中及時觀察壓力表讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常及時解決。
(5)在混凝土填充層養(yǎng)護期滿之后，敷設水盤管的地面，應設置明顯標志，加以妥善保護，嚴禁在地面上運行重荷載（2t/m2以上）或放置高溫物體。
(6)在調試時，嚴禁把供熱、冷溫度直接升、降到設計溫度。以免地板面層產(chǎn)生龜裂和結露的危險。
(7)輻射體地表面平均溫度測量時，在水盤管排管時提前設計測點，從填充層、面層，逐層按坐標引測并標注。
5結論
國家博物館入口大廳采用地板輻射空調系統(tǒng)結合分層空調，成功實現(xiàn)了大空間、特殊功能的建筑物空調系統(tǒng)功能的要求，滿足建筑大廳空調系統(tǒng)的節(jié)能、舒適、安全等空氣調節(jié)的各項功能，在合理設計的同時，施工中采取嚴謹?shù)氖┕すば颉⒖茖W的技術保證措施，關鍵的質量控制點，并在調試中實現(xiàn)設計功能，經(jīng)過調試及兩個冬夏空調季節(jié)的運行驗證，系統(tǒng)運行的各項功能滿足設計要求。
