嚴寒地區(qū)某植物展覽溫室暖通設計要點分析

徐催

（上海建筑設計研究院有限公司，上海200041）

嚴寒地區(qū)某植物展覽溫室暖通設計要點分析

徐催

（上海建筑設計研究院有限公司，上海200041）

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，從圍護結構，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計要點。。

嚴寒地區(qū)植物溫室；圍護結構；散熱器強化換熱措施；風系統(tǒng)

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)境設計不同于一般公共建筑，一般公共建筑環(huán)境設計是為人服務的，主要考慮人的舒適性，而植物展覽溫室室內(nèi)環(huán)境設計是為植物服務的，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計帶來了極大的挑戰(zhàn)。該文從設計的角度出發(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年進行施工圖設計，設計時依據(jù)的規(guī)范版本詳見參考文獻[6]、[7]。室內(nèi)植物區(qū)設計參數(shù)見表1。

表1 植物區(qū)設計參數(shù)

2 圍護結構

從方案設計階段開始，圍護結構就是關注重點之一。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)淼呢撁嬗绊懀瑴厥覂?nèi)部采用下沉式的景觀設計，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50m m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，結構荷載太大，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)多方調研，確定采用三層ETFE充氣膜結構和局部玻璃相結合的方式。ETFE薄膜是一種新興的建筑材料，目前采用這種薄膜結構的建筑并不多，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構的影響。單層ETFE透光率達95%，三層氣枕結構平均透光率達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節(jié)能規(guī)范。

3 供暖與空調系統(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資料，并經(jīng)相關部門同意，夏季空調冷源采用井水（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入島，電力也不充沛?？紤]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，天然氣敷設入島之前，采用-35#柴油作為燃料，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)。

圖2 管溝內(nèi)散熱器及風口剖面圖

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?？紤]溫室冬季供暖負荷較大，調研國內(nèi)各種形式的散熱器并結合上海辰山植物園的設計經(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)域供暖設備。根據(jù)供暖熱負荷及管溝中可設置散熱器區(qū)域計算（部分區(qū)域有結構地梁，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，遠遠不能滿足設計要求，而設置散熱器的區(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送風口。散熱器樣品經(jīng)同濟大學供熱通風與空氣調節(jié)實驗室進行性能測試，實驗表明，在設計工況下，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，可以滿足設計的要求。

根據(jù)實驗的結果，在地下室的通行管溝外圈設置若干臺新風空調箱，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。施工時采用成品設備替代現(xiàn)場組裝，所有散熱器設置于下沉供暖溝內(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)設計

風系統(tǒng)設計是植物展覽溫室設計的重要環(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)設計時，本著節(jié)能的原則，優(yōu)先考慮植物區(qū)域對室內(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)刂参餅橹鳎鶕?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成功經(jīng)驗，也結合園林景觀造型，在溫室內(nèi)設置了兩個直徑為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)通風風機出口處設置電動閥M D 1和M D 2。當雨天無法開啟外窗時，打開M D 1，關閉M D 2，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M D 1和噴霧系統(tǒng)，關閉M D 2，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M D 2，關閉M D 1，可以將高位熱空氣吸入后，至室內(nèi)低位排出。風機的開啟、關閉由溫室園藝自動控制系統(tǒng)設定。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置全新風空調系統(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)域等設置空調箱接風管的全空氣系統(tǒng)，噴口送風，地面回風。

6 結語

（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)域不建議設置外墻，外圍護結構在設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，在暖通空調設計時應盡可能利用室外“免費冷源”并結合室內(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，該項目尚處于設備安裝階段。待項目正式運行后，將會對相關數(shù)據(jù)和實際運行情況進行測試和回訪。

[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)境設計[J].暖通空調，2011，41（增刊1）:87-91.

[2]朱學錦，王吉平.上海植物園展覽溫室空調設計[J].工程設計，2005，（3）:38-42.

[3]周穎.銀川某植物展覽溫室暖通空調設計[J].江西建材，2016，（6）: 43-45.

[4]譚春暉.高寒地區(qū)植物園圍護結構設計—黑瞎子島北大荒現(xiàn)代生態(tài)園的設計實踐[J].中外建筑，2014，（5）:111-112.

[5]胡永紅，黃衛(wèi)昌，等.展覽溫室與觀賞植物[M].北京:中國林業(yè)出版社，2005.

[6]GB50019-2003，采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范[S].

[7]GB50189-2005，公共建筑節(jié)能設計標準[S].

Analysis of the Key Points of HVAC Design for a Greenhouse in Cold Area

XU Cui
（Shanghai Institute of Architectural Design&Research Co.，Ltd，Shanghai 200041，China）

The greenhouse isa high energy construction,especially in cold area.Itneedsto adopta variety ofeffective w ays to reduce energy consum ption as m uch as possible，and also m ust satisfy the needs of the plant grow th and basic requirem ents forthe staff.This paper introduces in detailthe key points of H VA C design ofa greenhouse in cold area，from the enclosure structure，heating and cooling system，heattransferenhancem entofradiatorand ventilation ofdifferentseasons, take the H eixiaziBotanicalG arden asan exam ple.

greenhouse in cold area；enclosure structure；heat transfer enhancem ent of radiator；ventilation system

TU 831

B

2095-3429（2017）02-0081-04

2017-03-31

修回日期:2017-04-17

徐催（1983-），女，河北保定人，碩士研究生，工程師，主要從事暖通空調設計工作。

D O I:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.02.019