严寒地区某植物展览温室暖通设计要点分析

发 电与空调Power Generation &Air ConditionNo.2/2017总第 174期 第 38卷严寒地区某植物展览温室暖通设计要点分析徐 催（上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）摘要： 植物展览温室是高能耗建筑，尤其是建造在严寒地区的温室，更加需要采用多种有效手段尽可能降低能耗，同时还必须满足植物的生长和人员的基本舒适性需求 。以黑瞎子岛北大荒现代生态园为例，从围护结构，冷热源系统，散热器强化传热措施和不同季节通风方式的角度，探讨了严寒地区植物展览温室的暖通设计要点 。关键词： 严寒地区植物温室； 围护结构； 散热器强化换热措施； 风系统D O I： 10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.019中图分类号：TU 831 文献标识码：B 文章编号：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 & 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作者简介： 徐 催（ 1983-），女，河北保定人，硕士研究生，工程师，主要从事暖通空调设计工作 。0 引言植物展览温室是一个由人工控制 、展示生长在不同地域和气候条件的植物及其生存环境的室内空间 。展览温室环境设计不同于一般公共建筑，一般公共建筑环境设计是为人服务的，主要考虑人的舒适性，而植物展览温室室内环境设计是为植物服务的，考虑的是如何建立一个合适的植物环境，有利于不同类型植物的良好生长，同时兼顾一定的人员舒适度 。以黑瞎子岛北大荒现代生态园为例，该项目位于严寒地区，冬季长达半年的寒冷气候，给植物展览温室的暖通设计带来了极大的挑战 。该文从设计的角度出发，着重介绍严寒地区植物展览温室的暖通设计要点 。1 工程概况黑瞎子岛北大荒现代生态园位于黑龙江省抚远县黑瞎子岛主岛上，属于严寒A区 。建筑主体为展览温空 调 技 术81发 电与空调Power Generation &Air ConditionNo.2/2017总第 174期 第 38卷室，分别为热带植物区 、当地植物区和采摘植物区 。夏季室外计算空调干/湿球温度30.8/23.5 ，室外极端最高温度38 ；冬季室外计算空调干球温度-27.2 ，室外计算供暖干球温度-23.8 ，室外供暖极端最低干球温度-39.5 ，冻土深度2m左右 。该项目于2011年进行施工图设计，设计时依据的规范版本详见参考文献6 、7 。室内植物区设计参数见表1 。2 围护结构从方案设计阶段开始，围护结构就是关注重点之一 。首先，从热交换角度考虑在冬季极端低温下和2m深的冻土层可能对温室带来的负面影响，温室内部采用下沉式的景观设计，植物的覆土区域周边多为室内空间，从而减少与室外接触面的热交换 。在建筑内壁及温室周圈布置通行综合管沟，满足机电专业各种管道的排布要求 。通行管沟上方设置独立的供暖沟，供暖沟内土建施工完毕后抹平，再内贴50mm厚的岩棉作为保温材料，供暖沟内均布铜管铝翅片型散热器及其相应的强制对流风口，为温室提供良好的热保护，且整体隐蔽性极好，对园林景观没有任何影响，如图2所示 。其次，针对植物生长离不开光合作用的特点，温室的透光率需要大于75%，对建筑的玻璃幕墙荷载和传热系数提出了一定的要求 。该建筑体形系数为0.17，根据节能规范规定，屋顶透明部分的整体传热系数应小于2.5W/m2K 。传统的全玻璃幕墙在达到此传热系数后，重量约84kg/m2，再考虑冬季积雪等因素，结构荷载太大，且这种幕墙形式很难保证透光率，无法满足植物生长的需要 。后经多方调研，确定采用三层ETFE充气膜结构和局部玻璃相结合的方式 。ETFE薄膜是一种新兴的建筑材料，目前采用这种薄膜结构的建筑并不多，比较有代表性的是北京的水立方和英国的伊甸园植物园 。这种膜的优点是保证透光率的同时降低屋顶荷载对结构的影响 。单层ETFE透光率达95%，三层气枕结构平均透光率达80%以上，整体平均传热系数 k=1.96W/m2K，满足当时国家的相关节能规范 。3 供暖与空调系统冷热源黑瞎子岛位于黑龙江和乌苏里江交汇处，地块平坦，属于典型湿地环境，水资源丰富 。根据业主要求及其提供的相关资料，并经相关部门同意，夏季空调冷源采用井水（由其他单位专供）供冷，井水供/回水温度5/10 ，经板换后，供冷供/回水温度7/12 ，有效的利用室外 “免费冷源 ”。在计算冬季热负荷时，考虑到热带植物对环境温度要求较高，因此在选用室外计算温度时，是按照极端最低干球温度-39.5 来考虑的 。在设计阶段黑瞎子岛尚属于军事管理地带，该地块的开发并不成熟，天然气管道尚未敷设入岛，电力也不充沛 。考虑到植物的生长对环境的可靠性要求极高，最终确定采用燃油燃气两用真空锅炉，天然气敷设入岛之前，采用-35#柴油作为图 1 温室效果图及植物分区图表 1 植物区设计参数夏季采摘植物区 20 夜 >18 70-75昼 >18 夜 >10 75-85昼 >18 夜 >10 70-90区域空 调 技 术82发 电与空调Power Generation &Air ConditionNo.2/2017总第 174期 第 38卷燃料，待天然气供应条件成熟后改用天然气作为燃料，真空锅炉供/回水温度85/65 。在布置锅炉机房时，预留一台锅炉和烟囱的位置，以应对今后冬季更低极端温度的出现 。4 供暖管沟及散热器强化换热措施植物展览温室属于高温高湿的环境，北方生产温室中常用的热镀锌圆翼型散热器已被当地列为淘汰产品，不能使用 。考虑温室冬季供暖负荷较大，调研国内各种形式的散热器并结合上海辰山植物园的设计经验及实际运行情况反馈，确认采用铜管铝翅片型散热器作为温室周边区域供暖设备 。根据供暖热负荷及管沟中可设置散热器区域计算（部分区域有结构地梁，无法布置散热器），要求散热器每米散热量达到5kW才能满足植物的供暖需求 。根据相关资料，在供/回水温度85/65 时，常规铜管铝翅片型散热器在自然对流情况下（一进一出），每米散热量约为0.85kW，远远不能满足设计要求，而设置散热器的区域有限，无法通过增加数量的方式来解决问题 。针对供暖沟的土建尺寸，将常规的一进一出型散热器改为四进四出型，同时调整换热管的排布方式 。对了强化换热效果，考虑在散热器下方增设送风口 。散热器样品经同济大学供热通风与空气调节实验室进行性能测试，实验表明，在设计工况下，当散热器底部送风速度达到1.3m/s时，散热器供热量能够达到5kW/m，可以满足设计的要求 。根据实验的结果，在地下室的通行管沟外圈设置若干台新风空调箱，供冬季强化换热时使用 。室外新风经盘管预热至10 后送出 。考虑到管沟内的潮湿环境，设置于管沟内的风管均采用双面哑光金属铝箔的复合型酚醛泡沫板制作 。施工时采用成品设备替代现场组装，所有散热器设置于下沉供暖沟内，对展览温室的内部景观完全没有影响，如图2所示 。5 风系统设计风系统设计是植物展览温室设计的重要环节，气流会影响植物的呼吸作用和蒸腾作用，也会影响室内的温湿度分布 。在进行风系统设计时，本着节能的原则，优先考虑植物区域对室内环境的要求，再考虑参观人员的舒适性问题 。5.1 植物区域黑瞎子岛地处我国最东边，夏季气候凉爽，室外计算空调干/湿球温度30.8/23.5 ，室外极端最高温度38 。展览温室是以热带植物及当地植物为主，根据植物的生长需求，夏季植物区温度保持35 以下便可不影响其生长 。从节约能源的角度考虑，尽可能的采取自然通风的方式解决植物区夏季和过渡季节通风问题 。下部侧窗为进风，顶部天窗为排风，使室外风能通过温室植物区，带走热量 。下部侧窗开窗面积约为温室外表面面积的4%，顶部天窗开窗面积约为温室外表面面积的5.5%，通过自然通风量的计算公式，可以算出整个温室的换气次数约为28次/h 。经植物专家评估，可以满足植物的生长需要 。冬季的垂直温度梯度较大，该温室的最高点达20m，如不采取有效措施，则顶部的高温会导致植物的“烧尖 ”现象，影响植物的生长 。借鉴上海辰山植物园的图 2 管沟内散热器及风口剖面图空 调 技 术83发 电与空调Power Generation &Air ConditionNo.2/2017总第 174期 第 38卷成功经验，也结合园林景观造型，在温室内设置了两个直径为1.2m的垂直通风柱 。采用机械垂直循环通风系统，在温室高位吸入热空气后低位送出；同时在温室顶部均布25台温室专用风扇，风向垂直向下，消除冬季室内温度梯度过大现象 。在冬季温室内无自然通风的情况下，亦可搅动室内空气，保持温室内有风流过叶片，满足植物光和作用和蒸腾作用的要求 。冬季室内垂直高度上的温度梯度不大于10 ，当温室顶部温度大于0-2m处10 时，顶部喷雾降温，同时，垂直循环风机动作，排除温室顶部的高温空气 。在垂直通风柱通风系统中，在垂直循环通风风机出口处设置电动阀MD1和MD2 。当雨天无法开启外窗时，打开MD1，关闭MD2，可以直接将室内空气排出室外；当夏季开启自然通风和遮阴系统时，植物区域温度仍大于30 时，开启MD1和喷雾系统，关闭MD2，利用水的汽化吸热降低周围温度，并将高温高湿空气排出室外；在冬季，打开MD2，关闭MD1，可以将高位热空气吸入后，至室内低位排出 。风机的开启 、关闭由温室园艺自动控制系统设定 。通风示意图如图3所示 。5.2 人行区域在主人行道上和入口处设置全新风空调系统，地送风形式，满足一定范围内人流区域的舒适感 。夏季地送风温度20 ，冬季地送风温度32 。新风量按1次/h换气次数计算，以在冬季维持室内正压 。门厅 、来宾登录区域 、休息区域等设置空调箱接风管的全空气系统，喷口送风，地面回风 。6 结语（ 1）严寒地区的植物展览温室，尤其是热带植物温室是高能耗建筑，在设计的各个阶段均应考虑采取各种有效的手段尽可能降低能耗 。在植物覆土区域不建议设置外墙，外围护结构在设计时必须考虑透光率对植物的影响，应以保证植物的生长需求为底线 。（ 2）严寒地区的温室，在暖通空调设计时应尽可能利用室外 “免费冷源 ”并结合室内外环境条件采取节能有效又能满足植物生长需求的降温措施 。在冬季计算供暖负荷及设备选型时，应考虑如何应对冬季极端工况的出现 。（ 3）高大空间的冬季室内温度梯度应予以足够重视，如果温度梯度过大，不但会造成能源的极大浪费，而且生长在底部区域的植物可能无法存活 。应采取各种切实可行的措施，尽量降低室内温度梯度对植物和能耗的影响 。（ 4）由于施工时间限制 、业主经费筹措等问题，该项目尚处于设备安装阶段 。待项目正式运行后，将会对相关数据和实际运行情况进行测试和回访 。参考文献：1 谌小玲，何婧，刘晓朝. 上海辰山植物园展览温室的人工气候环境设计J. 暖通空调，2011，41（增刊1）：87-91.2 朱学锦，王吉平.上海植物园展览温室空调设计J.工程设计，205，（3）：38-42.3 周颖. 银川某植物展览温室暖通空调设计J.江西建材，2016，（6）：43-45.4 谭春晖. 高寒地区植物园围护结构设计 黑瞎子岛北大荒现代生态园的设计实践J.中外建筑，2014，（5）：111-112.5 胡永红，黄卫昌，等.展览温室与观赏植物M.北京：中国林业出版社，2005.6 GB50019-2003，采暖通风与空气调节设计规范S.7 GB50189-2005，公共建筑节能设计标准S.收稿日期：2017-03-31修回日期：2017-04-17图 3 垂直通风柱通风示意图封以不锈钢丝网排至室内低位排至室外风机，设置于地下室FVDMD2MD1EA 准120015.000.00空 调 技 术84