嚴寒地區(qū)某植物展覽溫室暖通設(shè)計要點分析

<p>發(fā) 電與空調(diào)Power Generation &amp;Air ConditionNo.2/2017總第 174期 第 38卷嚴寒地區(qū)某植物展覽溫室暖通設(shè)計要點分析徐 催（上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）摘要： 植物展覽溫室是高能耗建筑，尤其是建造在嚴寒地區(qū)的溫室，更加需要采用多種有效手段盡可能降低能耗，同時還必須滿足植物的生長和人員的基本舒適性需求 。以黑瞎子島北大荒現(xiàn)代生態(tài)園為例，從圍護結(jié)構(gòu)，冷熱源系統(tǒng)，散熱器強化傳熱措施和不同季節(jié)通風方式的角度，探討了嚴寒地區(qū)植物展覽溫室的暖通設(shè)計要點 。關(guān)鍵詞： 嚴寒地區(qū)植物溫室； 圍護結(jié)構(gòu)； 散熱器強化換熱措施； 風系統(tǒng)D O I： 10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.019中圖分類號：TU 831 文獻標識碼：B 文章編號：2095-3429（2017）02-0081-04Analysis of the Key Points of HVAC Design for a Greenhouse in Cold AreaXU Cui（ Shanghai Institute of Architectural Design &amp; Research Co.， Ltd， Shanghai 200041， China）Abstract： The greenhouse is a high energy construction, especially in cold area. It needs to adopt a variety of effectiveways to reduce energy consumption as much as possible，and also must satisfy the needs of the plant growth and basicrequirements for the staff. This paper introduces in detail the key points of HVAC design of a greenhouse in cold area，fromthe enclosure structure，heating and cooling system，heat transfer enhancement of radiator and ventilation of different seasons,take the Heixiazi Botanical Garden as an example.Key words： greenhouse in cold area； enclosure structure； heat transfer enhancement of radiator；ventilation system作者簡介： 徐 催（ 1983-），女，河北保定人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通空調(diào)設(shè)計工作 。0 引言植物展覽溫室是一個由人工控制 、展示生長在不同地域和氣候條件的植物及其生存環(huán)境的室內(nèi)空間 。展覽溫室環(huán)境設(shè)計不同于一般公共建筑，一般公共建筑環(huán)境設(shè)計是為人服務(wù)的，主要考慮人的舒適性，而植物展覽溫室室內(nèi)環(huán)境設(shè)計是為植物服務(wù)的，考慮的是如何建立一個合適的植物環(huán)境，有利于不同類型植物的良好生長，同時兼顧一定的人員舒適度 。以黑瞎子島北大荒現(xiàn)代生態(tài)園為例，該項目位于嚴寒地區(qū)，冬季長達半年的寒冷氣候，給植物展覽溫室的暖通設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn) 。該文從設(shè)計的角度出發(fā)，著重介紹嚴寒地區(qū)植物展覽溫室的暖通設(shè)計要點 。1 工程概況黑瞎子島北大荒現(xiàn)代生態(tài)園位于黑龍江省撫遠縣黑瞎子島主島上，屬于嚴寒A區(qū) 。建筑主體為展覽溫空 調(diào) 技 術(shù)81發(fā) 電與空調(diào)Power Generation &amp;Air ConditionNo.2/2017總第 174期 第 38卷室，分別為熱帶植物區(qū) 、當?shù)刂参飬^(qū)和采摘植物區(qū) 。夏季室外計算空調(diào)干/濕球溫度30.8/23.5 ，室外極端最高溫度38 ；冬季室外計算空調(diào)干球溫度-27.2 ，室外計算供暖干球溫度-23.8 ，室外供暖極端最低干球溫度-39.5 ，凍土深度2m左右 。該項目于2011年進行施工圖設(shè)計，設(shè)計時依據(jù)的規(guī)范版本詳見參考文獻6 、7 。室內(nèi)植物區(qū)設(shè)計參數(shù)見表1 。2 圍護結(jié)構(gòu)從方案設(shè)計階段開始，圍護結(jié)構(gòu)就是關(guān)注重點之一 。首先，從熱交換角度考慮在冬季極端低溫下和2m深的凍土層可能對溫室?guī)淼呢撁嬗绊?，溫室?nèi)部采用下沉式的景觀設(shè)計，植物的覆土區(qū)域周邊多為室內(nèi)空間，從而減少與室外接觸面的熱交換 。在建筑內(nèi)壁及溫室周圈布置通行綜合管溝，滿足機電專業(yè)各種管道的排布要求 。通行管溝上方設(shè)置獨立的供暖溝，供暖溝內(nèi)土建施工完畢后抹平，再內(nèi)貼50mm厚的巖棉作為保溫材料，供暖溝內(nèi)均布銅管鋁翅片型散熱器及其相應的強制對流風口，為溫室提供良好的熱保護，且整體隱蔽性極好，對園林景觀沒有任何影響，如圖2所示 。其次，針對植物生長離不開光合作用的特點，溫室的透光率需要大于75%，對建筑的玻璃幕墻荷載和傳熱系數(shù)提出了一定的要求 。該建筑體形系數(shù)為0.17，根據(jù)節(jié)能規(guī)范規(guī)定，屋頂透明部分的整體傳熱系數(shù)應小于2.5W/m2·K 。傳統(tǒng)的全玻璃幕墻在達到此傳熱系數(shù)后，重量約84kg/m2，再考慮冬季積雪等因素，結(jié)構(gòu)荷載太大，且這種幕墻形式很難保證透光率，無法滿足植物生長的需要 。后經(jīng)多方調(diào)研，確定采用三層ETFE充氣膜結(jié)構(gòu)和局部玻璃相結(jié)合的方式 。ETFE薄膜是一種新興的建筑材料，目前采用這種薄膜結(jié)構(gòu)的建筑并不多，比較有代表性的是北京的水立方和英國的伊甸園植物園 。這種膜的優(yōu)點是保證透光率的同時降低屋頂荷載對結(jié)構(gòu)的影響 。單層ETFE透光率達95%，三層氣枕結(jié)構(gòu)平均透光率達80%以上，整體平均傳熱系數(shù) k=1.96W/m2·K，滿足當時國家的相關(guān)節(jié)能規(guī)范 。3 供暖與空調(diào)系統(tǒng)冷熱源黑瞎子島位于黑龍江和烏蘇里江交匯處，地塊平坦，屬于典型濕地環(huán)境，水資源豐富 。根據(jù)業(yè)主要求及其提供的相關(guān)資料，并經(jīng)相關(guān)部門同意，夏季空調(diào)冷源采用井水（由其他單位專供）供冷，井水供/回水溫度5/10 ，經(jīng)板換后，供冷供/回水溫度7/12 ，有效的利用室外 “免費冷源 ”。在計算冬季熱負荷時，考慮到熱帶植物對環(huán)境溫度要求較高，因此在選用室外計算溫度時，是按照極端最低干球溫度-39.5 來考慮的 。在設(shè)計階段黑瞎子島尚屬于軍事管理地帶，該地塊的開發(fā)并不成熟，天然氣管道尚未敷設(shè)入島，電力也不充沛 。考慮到植物的生長對環(huán)境的可靠性要求極高，最終確定采用燃油燃氣兩用真空鍋爐，天然氣敷設(shè)入島之前，采用-35#柴油作為圖 1 溫室效果圖及植物分區(qū)圖表 1 植物區(qū)設(shè)計參數(shù)夏季采摘植物區(qū) 20 夜 &gt;18 70-75晝 &gt;18 夜 &gt;10 75-85晝 &gt;18 夜 &gt;10 70-90區(qū)域空 調(diào) 技 術(shù)82發(fā) 電與空調(diào)Power Generation &amp;Air ConditionNo.2/2017總第 174期 第 38卷燃料，待天然氣供應條件成熟后改用天然氣作為燃料，真空鍋爐供/回水溫度85/65 。在布置鍋爐機房時，預留一臺鍋爐和煙囪的位置，以應對今后冬季更低極端溫度的出現(xiàn) 。4 供暖管溝及散熱器強化換熱措施植物展覽溫室屬于高溫高濕的環(huán)境，北方生產(chǎn)溫室中常用的熱鍍鋅圓翼型散熱器已被當?shù)亓袨樘蕴a(chǎn)品，不能使用 。考慮溫室冬季供暖負荷較大，調(diào)研國內(nèi)各種形式的散熱器并結(jié)合上海辰山植物園的設(shè)計經(jīng)驗及實際運行情況反饋，確認采用銅管鋁翅片型散熱器作為溫室周邊區(qū)域供暖設(shè)備 。根據(jù)供暖熱負荷及管溝中可設(shè)置散熱器區(qū)域計算（部分區(qū)域有結(jié)構(gòu)地梁，無法布置散熱器），要求散熱器每米散熱量達到5kW才能滿足植物的供暖需求 。根據(jù)相關(guān)資料，在供/回水溫度85/65 時，常規(guī)銅管鋁翅片型散熱器在自然對流情況下（一進一出），每米散熱量約為0.85kW，遠遠不能滿足設(shè)計要求，而設(shè)置散熱器的區(qū)域有限，無法通過增加數(shù)量的方式來解決問題 。針對供暖溝的土建尺寸，將常規(guī)的一進一出型散熱器改為四進四出型，同時調(diào)整換熱管的排布方式 。對了強化換熱效果，考慮在散熱器下方增設(shè)送風口 。散熱器樣品經(jīng)同濟大學供熱通風與空氣調(diào)節(jié)實驗室進行性能測試，實驗表明，在設(shè)計工況下，當散熱器底部送風速度達到1.3m/s時，散熱器供熱量能夠達到5kW/m，可以滿足設(shè)計的要求 。根據(jù)實驗的結(jié)果，在地下室的通行管溝外圈設(shè)置若干臺新風空調(diào)箱，供冬季強化換熱時使用 。室外新風經(jīng)盤管預熱至10 后送出 ?？紤]到管溝內(nèi)的潮濕環(huán)境，設(shè)置于管溝內(nèi)的風管均采用雙面啞光金屬鋁箔的復合型酚醛泡沫板制作 。施工時采用成品設(shè)備替代現(xiàn)場組裝，所有散熱器設(shè)置于下沉供暖溝內(nèi)，對展覽溫室的內(nèi)部景觀完全沒有影響，如圖2所示 。5 風系統(tǒng)設(shè)計風系統(tǒng)設(shè)計是植物展覽溫室設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，氣流會影響植物的呼吸作用和蒸騰作用，也會影響室內(nèi)的溫濕度分布 。在進行風系統(tǒng)設(shè)計時，本著節(jié)能的原則，優(yōu)先考慮植物區(qū)域?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的要求，再考慮參觀人員的舒適性問題 。5.1 植物區(qū)域黑瞎子島地處我國最東邊，夏季氣候涼爽，室外計算空調(diào)干/濕球溫度30.8/23.5 ，室外極端最高溫度38 。展覽溫室是以熱帶植物及當?shù)刂参餅橹?，根?jù)植物的生長需求，夏季植物區(qū)溫度保持35 以下便可不影響其生長 。從節(jié)約能源的角度考慮，盡可能的采取自然通風的方式解決植物區(qū)夏季和過渡季節(jié)通風問題 。下部側(cè)窗為進風，頂部天窗為排風，使室外風能通過溫室植物區(qū)，帶走熱量 。下部側(cè)窗開窗面積約為溫室外表面面積的4%，頂部天窗開窗面積約為溫室外表面面積的5.5%，通過自然通風量的計算公式，可以算出整個溫室的換氣次數(shù)約為28次/h 。經(jīng)植物專家評估，可以滿足植物的生長需要 。冬季的垂直溫度梯度較大，該溫室的最高點達20m，如不采取有效措施，則頂部的高溫會導致植物的“燒尖 ”現(xiàn)象，影響植物的生長 。借鑒上海辰山植物園的圖 2 管溝內(nèi)散熱器及風口剖面圖空 調(diào) 技 術(shù)83發(fā) 電與空調(diào)Power Generation &amp;Air ConditionNo.2/2017總第 174期 第 38卷成功經(jīng)驗，也結(jié)合園林景觀造型，在溫室內(nèi)設(shè)置了兩個直徑為1.2m的垂直通風柱 。采用機械垂直循環(huán)通風系統(tǒng)，在溫室高位吸入熱空氣后低位送出；同時在溫室頂部均布25臺溫室專用風扇，風向垂直向下，消除冬季室內(nèi)溫度梯度過大現(xiàn)象 。在冬季溫室內(nèi)無自然通風的情況下，亦可攪動室內(nèi)空氣，保持溫室內(nèi)有風流過葉片，滿足植物光和作用和蒸騰作用的要求 。冬季室內(nèi)垂直高度上的溫度梯度不大于10 ，當溫室頂部溫度大于0-2m處10 時，頂部噴霧降溫，同時，垂直循環(huán)風機動作，排除溫室頂部的高溫空氣 。在垂直通風柱通風系統(tǒng)中，在垂直循環(huán)通風風機出口處設(shè)置電動閥MD1和MD2 。當雨天無法開啟外窗時，打開MD1，關(guān)閉MD2，可以直接將室內(nèi)空氣排出室外；當夏季開啟自然通風和遮陰系統(tǒng)時，植物區(qū)域溫度仍大于30 時，開啟MD1和噴霧系統(tǒng)，關(guān)閉MD2，利用水的汽化吸熱降低周圍溫度，并將高溫高濕空氣排出室外；在冬季，打開MD2，關(guān)閉MD1，可以將高位熱空氣吸入后，至室內(nèi)低位排出 。風機的開啟 、關(guān)閉由溫室園藝自動控制系統(tǒng)設(shè)定 。通風示意圖如圖3所示 。5.2 人行區(qū)域在主人行道上和入口處設(shè)置全新風空調(diào)系統(tǒng)，地送風形式，滿足一定范圍內(nèi)人流區(qū)域的舒適感 。夏季地送風溫度20 ，冬季地送風溫度32 。新風量按1次/h換氣次數(shù)計算，以在冬季維持室內(nèi)正壓 。門廳 、來賓登錄區(qū)域 、休息區(qū)域等設(shè)置空調(diào)箱接風管的全空氣系統(tǒng)，噴口送風，地面回風 。6 結(jié)語（ 1）嚴寒地區(qū)的植物展覽溫室，尤其是熱帶植物溫室是高能耗建筑，在設(shè)計的各個階段均應考慮采取各種有效的手段盡可能降低能耗 。在植物覆土區(qū)域不建議設(shè)置外墻，外圍護結(jié)構(gòu)在設(shè)計時必須考慮透光率對植物的影響，應以保證植物的生長需求為底線 。（ 2）嚴寒地區(qū)的溫室，在暖通空調(diào)設(shè)計時應盡可能利用室外 “免費冷源 ”并結(jié)合室內(nèi)外環(huán)境條件采取節(jié)能有效又能滿足植物生長需求的降溫措施 。在冬季計算供暖負荷及設(shè)備選型時，應考慮如何應對冬季極端工況的出現(xiàn) 。（ 3）高大空間的冬季室內(nèi)溫度梯度應予以足夠重視，如果溫度梯度過大，不但會造成能源的極大浪費，而且生長在底部區(qū)域的植物可能無法存活 。應采取各種切實可行的措施，盡量降低室內(nèi)溫度梯度對植物和能耗的影響 。（ 4）由于施工時間限制 、業(yè)主經(jīng)費籌措等問題，該項目尚處于設(shè)備安裝階段 。待項目正式運行后，將會對相關(guān)數(shù)據(jù)和實際運行情況進行測試和回訪 。參考文獻：1 諶小玲，何婧，劉曉朝. 上海辰山植物園展覽溫室的人工氣候環(huán)境設(shè)計J. 暖通空調(diào)，2011，41（增刊1）：87-91.2 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