嚴寒地區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代生態園為例，從圍護結構，冷熱源系統，散熱器強化傳熱措施和不同季節通風方式的角度，探討了嚴寒地區植物展覽溫室的暖通設計要點。。

嚴寒地區植物溫室；圍護結構；散熱器強化換熱措施；風系統

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境的室內空間。展覽溫室環境設計不同于一般公共建筑，一般公共建筑環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環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代生態園為例，該項目位于嚴寒地區，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。該文從設計的角度出發，著重介紹嚴寒地區植物展覽溫室的暖通設計要點。

1 工程概況

黑瞎子島北大荒現代生態園位于黑龍江省撫遠縣黑瞎子島主島上，屬于嚴寒A區。建筑主體為展覽溫室，分別為熱帶植物區、當地植物區和采摘植物區。

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，設計時依據的規范版本詳見參考文獻[6]、[7]。室內植物區設計參數見表1。

表1 植物區設計參數

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帶來的負面影響，溫室內部采用下沉式的景觀設計，植物的覆土區域周邊多為室內空間，從而減少與室外接觸面的熱交換。在建筑內壁及溫室周圈布置通行綜合管溝，滿足機電專業各種管道的排布要求。通行管溝上方設置獨立的供暖溝，供暖溝內土建施工完畢后抹平，再內貼50m m厚的巖棉作為保溫材料，供暖溝內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提出了一定的要求。該建筑體形系數為0.17，根據節能規范規定，屋頂透明部分的整體傳熱系數應小于2.5W/m2·K。傳統的全玻璃幕墻在達到此傳熱系數后，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k=1.96W/m2·K，滿足當時國家的相關節能規范。

3 供暖與空調系統冷熱源

黑瞎子島位于黑龍江和烏蘇里江交匯處，地塊平坦，屬于典型濕地環境，水資源豐富。根據業主要求及其提供的相關資料，并經相關部門同意，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，該地塊的開發并不成熟，天然氣管道尚未敷設入島，電力也不充沛。考慮到植物的生長對環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。

圖2 管溝內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境，北方生產溫室中常用的熱鍍鋅圓翼型散熱器已被當地列為淘汰產品，不能使用。考慮溫室冬季供暖負荷較大，調研國內各種形式的散熱器并結合上海辰山植物園的設計經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域供暖設備。根據供暖熱負荷及管溝中可設置散熱器區域計算（部分區域有結構地梁，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。根據相關資料，在供/回水溫度85/65℃時，常規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，而設置散熱器的區域有限，無法通過增加數量的方式來解決問題。針對供暖溝的土建尺寸，將常規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。散熱器樣品經同濟大學供熱通風與空氣調節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。室外新風經盤管預熱至10℃后送出。考慮到管溝內的潮濕環境，設置于管溝內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場組裝，所有散熱器設置于下沉供暖溝內，對展覽溫室的內部景觀完全沒有影響，如圖2所示。

5 風系統設計

風系統設計是植物展覽溫室設計的重要環節，氣流會影響植物的呼吸作用和蒸騰作用，也會影響室內的溫濕度分布。在進行風系統設計時，本著節能的原則，優先考慮植物區域對室內環境的要求，再考慮參觀人員的舒適性問題。

5.1 植物區域

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地植物為主，根據植物的生長需求，夏季植物區溫度保持35℃以下便可不影響其生長。從節約能源的角度考慮，盡可能的采取自然通風的方式解決植物區夏季和過渡季節通風問題。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，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約為28次/h。經植物專家評估，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”現象，影響植物的生長。借鑒上海辰山植物園的成功經驗，也結合園林景觀造型，在溫室內設置了兩個直徑為1.2m的垂直通風柱。采用機械垂直循環通風系統，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，消除冬季室內溫度梯度過大現象。在冬季溫室內無自然通風的情況下，亦可攪動室內空氣，保持溫室內有風流過葉片，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中，在垂直循環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，可以直接將室內空氣排出室外；當夏季開啟自然通風和遮陰系統時，植物區域溫度仍大于30℃時，開啟M D 1和噴霧系統，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，至室內低位排出。風機的開啟、關閉由溫室園藝自動控制系統設定。通風示意圖如圖3所示。

5.2 人行區域

在主人行道上和入口處設置全新風空調系統，地送風形式，滿足一定范圍內人流區域的舒適感。夏季地送風溫度20℃，冬季地送風溫度32℃。新風量按1次/h換氣次數計算，以在冬季維持室內正壓。門廳、來賓登錄區域、休息區域等設置空調箱接風管的全空氣系統，噴口送風，地面回風。

6 結語

（1）嚴寒地區的植物展覽溫室，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”并結合室內外環境條件采取節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。

（3）高大空間的冬季室內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，盡量降低室內溫度梯度對植物和能耗的影響。

（4）由于施工時間限制、業主經費籌措等問題，該項目尚處于設備安裝階段。待項目正式運行后，將會對相關數據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.高寒地區植物園圍護結構設計—黑瞎子島北大荒現代生態園的設計實踐[J].中外建筑，2014，（5）:111-112.

[5]胡永紅，黃衛昌，等.展覽溫室與觀賞植物[M].北京:中國林業出版社，2005.

[6]GB50019-2003，采暖通風與空氣調節設計規范[S].

[7]GB50189-2005，公共建筑節能設計標準[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