徐催

（上海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200041）

嚴(yán)寒地區(qū)某植物展覽溫室暖通設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

徐催

（上海建筑設(shè)計(jì)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(yán)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(shí)還必須滿足植物的生長(zhǎng)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(hù)結(jié)構(gòu)，冷熱源系統(tǒng)，散熱器強(qiáng)化傳熱措施和不同季節(jié)通風(fēng)方式的角度，探討了嚴(yán)寒地區(qū)植物展覽溫室的暖通設(shè)計(jì)要點(diǎn)。。

嚴(yán)寒地區(qū)植物溫室；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；散熱器強(qiáng)化換熱措施；風(fēng)系統(tǒng)

0 引言

植物展覽溫室是一個(gè)由人工控制、展示生長(zhǎng)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(jì)不同于一般公共建筑，一般公共建筑環(huán)境設(shè)計(jì)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(jì)是為植物服務(wù)的，考慮的是如何建立一個(gè)合適的植物環(huán)境，有利于不同類型植物的良好生長(zhǎng)，同時(shí)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(xiàng)目位于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季長(zhǎng)達(dá)半年的寒冷氣候，給植物展覽溫室的暖通設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。該文從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，著重介紹嚴(yán)寒地區(qū)植物展覽溫室的暖通設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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(yuǎn)縣黑瞎子島主島上，屬于嚴(yán)寒A區(qū)。建筑主體為展覽溫室，分別為熱帶植物區(qū)、當(dāng)?shù)刂参飬^(qū)和采摘植物區(qū)。

夏季室外計(jì)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(jì)算空調(diào)干球溫度-27.2℃，室外計(jì)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(xiàng)目于2011年進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)的規(guī)范版本詳見參考文獻(xiàn)[6]、[7]。室內(nèi)植物區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 植物區(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

從方案設(shè)計(jì)階段開始，圍護(hù)結(jié)構(gòu)就是關(guān)注重點(diǎn)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(duì)溫室?guī)?lái)的負(fù)面影響，溫室內(nèi)部采用下沉式的景觀設(shè)計(jì)，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(jī)電專業(yè)各種管道的排布要求。通行管溝上方設(shè)置獨(dú)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(yīng)的強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)口，為溫室提供良好的熱保護(hù)，且整體隱蔽性極好，對(duì)園林景觀沒有任何影響，如圖2所示。

其次，針對(duì)植物生長(zhǎng)離不開光合作用的特點(diǎn)，溫室的透光率需要大于75%，對(duì)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(yīng)小于2.5W/m2·K。傳統(tǒng)的全玻璃幕墻在達(dá)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(wú)法滿足植物生長(zhǎng)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(guó)的伊甸園植物園。這種膜的優(yōu)點(diǎn)是保證透光率的同時(shí)降低屋頂荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。單層ETFE透光率達(dá)95%，三層氣枕結(jié)構(gòu)平均透光率達(dá)80%以上，整體平均傳熱系數(shù)k=1.96W/m2·K，滿足當(dāng)時(shí)國(guó)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(fèi)冷源”。

在計(jì)算冬季熱負(fù)荷時(shí)，考慮到熱帶植物對(duì)環(huán)境溫度要求較高，因此在選用室外計(jì)算溫度時(shí)，是按照極端最低干球溫度-39.5℃來(lái)考慮的。在設(shè)計(jì)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?？紤]到植物的生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的可靠性要求極高，最終確定采用燃油燃?xì)鈨捎谜婵斟仩t，天然氣敷設(shè)入島之前，采用-35#柴油作為燃料，待天然氣供應(yīng)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(jī)房時(shí)，預(yù)留一臺(tái)鍋爐和煙囪的位置，以應(yīng)對(duì)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(fēng)口剖面圖

4 供暖管溝及散熱器強(qiáng)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(dāng)?shù)亓袨樘蕴a(chǎn)品，不能使用。考慮溫室冬季供暖負(fù)荷較大，調(diào)研國(guó)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(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行情況反饋，確認(rèn)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(fù)荷及管溝中可設(shè)置散熱器區(qū)域計(jì)算（部分區(qū)域有結(jié)構(gòu)地梁，無(wú)法布置散熱器），要求散熱器每米散熱量達(dá)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(shí)，常規(guī)銅管鋁翅片型散熱器在自然對(duì)流情況下（一進(jìn)一出），每米散熱量約為0.85kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求，而設(shè)置散熱器的區(qū)域有限，無(wú)法通過增加數(shù)量的方式來(lái)解決問題。針對(duì)供暖溝的土建尺寸，將常規(guī)的一進(jìn)一出型散熱器改為四進(jìn)四出型，同時(shí)調(diào)整換熱管的排布方式。對(duì)了強(qiáng)化換熱效果，考慮在散熱器下方增設(shè)送風(fēng)口。散熱器樣品經(jīng)同濟(jì)大學(xué)供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)工況下，當(dāng)散熱器底部送風(fēng)速度達(dá)到1.3m/s時(shí)，散熱器供熱量能夠達(dá)到5kW/m，可以滿足設(shè)計(jì)的要求。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在地下室的通行管溝外圈設(shè)置若干臺(tái)新風(fēng)空調(diào)箱，供冬季強(qiáng)化換熱時(shí)使用。室外新風(fēng)經(jīng)盤管預(yù)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(fēng)管均采用雙面啞光金屬鋁箔的復(fù)合型酚醛泡沫板制作。施工時(shí)采用成品設(shè)備替代現(xiàn)場(chǎng)組裝，所有散熱器設(shè)置于下沉供暖溝內(nèi)，對(duì)展覽溫室的內(nèi)部景觀完全沒有影響，如圖2所示。

5 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是植物展覽溫室設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，氣流會(huì)影響植物的呼吸作用和蒸騰作用，也會(huì)影響室內(nèi)的溫濕度分布。在進(jìn)行風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，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(guó)最東邊，夏季氣候涼爽，室外計(jì)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(dāng)?shù)刂参餅橹?，根?jù)植物的生長(zhǎng)需求，夏季植物區(qū)溫度保持35℃以下便可不影響其生長(zhǎng)。從節(jié)約能源的角度考慮，盡可能的采取自然通風(fēng)的方式解決植物區(qū)夏季和過渡季節(jié)通風(fēng)問題。下部側(cè)窗為進(jìn)風(fēng)，頂部天窗為排風(fēng)，使室外風(fēng)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(fēng)量的計(jì)算公式，可以算出整個(gè)溫室的換氣次數(shù)約為28次/h。經(jīng)植物專家評(píng)估，可以滿足植物的生長(zhǎng)需要。

冬季的垂直溫度梯度較大，該溫室的最高點(diǎn)達(dá)20m，如不采取有效措施，則頂部的高溫會(huì)導(dǎo)致植物的“燒尖”現(xiàn)象，影響植物的生長(zhǎng)。借鑒上海辰山植物園的成功經(jīng)驗(yàn)，也結(jié)合園林景觀造型，在溫室內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)直徑為1.2m的垂直通風(fēng)柱。采用機(jī)械垂直循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，在溫室高位吸入熱空氣后低位送出；同時(shí)在溫室頂部均布25臺(tái)溫室專用風(fēng)扇，風(fēng)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(wú)自然通風(fēng)的情況下，亦可攪動(dòng)室內(nèi)空氣，保持溫室內(nèi)有風(fēng)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(dāng)溫室頂部溫度大于0-2m處10℃時(shí)，頂部噴霧降溫，同時(shí)，垂直循環(huán)風(fēng)機(jī)動(dòng)作，排除溫室頂部的高溫空氣。

在垂直通風(fēng)柱通風(fēng)系統(tǒng)中，在垂直循環(huán)通風(fēng)風(fēng)機(jī)出口處設(shè)置電動(dòng)閥M D 1和M D 2。當(dāng)雨天無(wú)法開啟外窗時(shí)，打開M D 1，關(guān)閉M D 2，可以直接將室內(nèi)空氣排出室外；當(dāng)夏季開啟自然通風(fēng)和遮陰系統(tǒng)時(shí)，植物區(qū)域溫度仍大于30℃時(shí)，開啟M D 1和噴霧系統(tǒng)，關(guān)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(guān)閉M D 1，可以將高位熱空氣吸入后，至室內(nèi)低位排出。風(fēng)機(jī)的開啟、關(guān)閉由溫室園藝自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定。通風(fēng)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，地送風(fēng)形式，滿足一定范圍內(nèi)人流區(qū)域的舒適感。夏季地送風(fēng)溫度20℃，冬季地送風(fēng)溫度32℃。新風(fēng)量按1次/h換氣次數(shù)計(jì)算，以在冬季維持室內(nèi)正壓。門廳、來(lái)賓登錄區(qū)域、休息區(qū)域等設(shè)置空調(diào)箱接風(fēng)管的全空氣系統(tǒng)，噴口送風(fēng)，地面回風(fēng)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）嚴(yán)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(jì)的各個(gè)階段均應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮透光率對(duì)植物的影響，應(yīng)以保證植物的生長(zhǎng)需求為底線。

（2）嚴(yán)寒地區(qū)的溫室，在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能利用室外“免費(fèi)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(zhǎng)需求的降溫措施。在冬季計(jì)算供暖負(fù)荷及設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)考慮如何應(yīng)對(duì)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(yīng)予以足夠重視，如果溫度梯度過大，不但會(huì)造成能源的極大浪費(fèi)，而且生長(zhǎng)在底部區(qū)域的植物可能無(wú)法存活。應(yīng)采取各種切實(shí)可行的措施，盡量降低室內(nèi)溫度梯度對(duì)植物和能耗的影響。

（4）由于施工時(shí)間限制、業(yè)主經(jīng)費(fèi)籌措等問題，該項(xiàng)目尚處于設(shè)備安裝階段。待項(xiàng)目正式運(yùn)行后，將會(huì)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)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(shè)計(jì)[J].暖通空調(diào)，2011，41（增刊1）:87-91.

[2]朱學(xué)錦，王吉平.上海植物園展覽溫室空調(diào)設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)，2005，（3）:38-42.

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

[4]譚春暉.高寒地區(qū)植物園圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—黑瞎子島北大荒現(xiàn)代生態(tài)園的設(shè)計(jì)實(shí)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(guó)林業(yè)出版社，2005.

[6]GB50019-2003，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB50189-2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[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(diào)設(shè)計(jì)工作。

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