连云港蔷薇湖生态保护区展览温室暖通设计.pdf

连云港蔷薇湖生态保护区展览温室暖通设计 上海勘测设计研究院有限公司 缪智昕 龚 波 摘 要 简要介绍了连云港蔷薇湖生态保护区展览温室项目的工程概况 阐述了该项目空调冷热源系统 水系统 风 系统等设计方案 针对该项目设计过程中遇到的实际问题采取了合理的应对措施 分析了该工程空调系统设计的创 新点 关键词 展览温室 高大空间 空调系统 气流组织 AirConditg iExhibton GrehusofLianyg LakeQingwihu Ecolgia Resrv Miao Zhixin and Gong Bo Abstract This paper briefly introduces the general situation of the exhibition greenhouse project in Lianyungang rose lake ecological protection zone and expounds the air conditioning cold and heat source system water system wind system and other design schemes of the project In view of the practical problems encountered in the design process of the project reasonable countermeasures are taken The innovation of air conditioning system design is analyzed Keywords Exhibition Greenhouse Natural Ventilation Numerical simulation Porous media Window area 0 引言 该展览温室为江苏连云港蔷薇湖生态保护区展 览温室 展馆以花卉有机栽培 温室控制 科普活动 为特色 是以种植热带植物和花卉为主的展馆 位于 东经118 24 北纬33 59 温室建筑外观由三个充满未 来色彩的巨大蜂巢式穹顶半球建筑相扣而成 温室面 积为5225 6 m2 温室左侧圆顶地面半径为30 m 高22 m 中间圆顶地面半径为20 m 高16 m 右侧圆顶地 面半径为22 m 高 19 m 中间圆顶地面圆心与左侧 圆顶地面圆心相距37 992 m 两圆心连线与正南方向 夹角为25 18 右侧圆顶地面圆心与中间圆顶地面圆心 相距34 61 m 与正南方向夹角为87 97 展览温室见 图1 温室展馆引进国际最为先进的双层圆球网壳的 轻型材料ETFE制成 与水立方一样 ETFE膜厚度 0 25 mm 空气间层50 mm 1 展览温室设计 1 1 设计标准 夏季室外设计参数为 空调计算干球温度 32 7 湿球温度27 8 通风计算干球温度 29 1 冬季 连云港市极端最低温度为 13 8 空调计算干球温度 6 4 采暖计算干球温度为 4 2 由于热带植物对环境温度要求较高 短时间 的低温将影响热带植物的生长 甚至使某些热带植 物遭受灭顶之灾 因此 选用室外计算温度时 应 考虑这一特殊要求 采暖计算干球温度为历年平均 不保证5天的日平均温度 空调计算干球温度为历年 平均不保证一天的日平均温度 采用这两种计算温 度得到的热负荷结果偏小 难以满足温室内温度的 可靠性要求 因此选用连云港市极端最低温度作为 冬季供暖计算温度 展览温室是以展示植物为中心的 并给观赏者 以暂时的舒适环境 因此 温室空调系统的主要任 务就是在为展示植物提供必需的生存 生长环境的 同时 也要为观赏者营造较为舒适的环境 植物的 生长发育要受到光 日照 照明 温度 湿度 气流和土壤环境等条件的影响 阳光对于植物而言 是最重要的因素 为了让温室植物得到足够的阳光 温室结构必须全部采用透光性好的玻璃 如此 室 内环境很容易受到室外环境的干扰 给空调系统设 计带来较大的难度 热带雨林一般生存在高温 高 湿的热带 亚热带地区 其生长的适宜温度为25 左右 湿度为80 左右 为了节能 夏季一般将温 室内温度控制在35 以下 1 这样的环境对于观赏 者是毫无舒适可言 因此 在道路 休息区等人员 2020年9月 洁净与空调技术CC AC 第3期 图1 温室鸟瞰图 缪智昕 男 1990年4月生 硕士研究生 工程师 200434 上海市临新路65弄 15026671807 E mail znmiaozhixin 收稿日期 2020 06 06 滞留的空间应进行局部降温 以形成局部凉爽的舒适 空间 冬季 室内温度最低在15 以上 观赏者一般 可以通过衣服来调节温度 气流会影响植物的呼吸作 用和蒸腾作用 也会影响温室内的温 湿度的均匀 性 在整个温室内 气流流速保持在0 5 m s左右是最 佳的 因为适当的气流可以促进植物的呼吸作用和蒸 腾作用 需要注意的是热风或冷风不能直接吹在植物 上 因为温差大的气流将引起植物的生理障碍 并且 超过0 5 m s的风速还会给植物造成物理障碍 气流流 场较差易影响一些植物的蒸腾作用 造成植物根部过 于湿热而腐烂 当然 适当的气流也会使人感觉凉 爽 因此 在进行空调系统设计时 本着节能的原则 首先应考虑热带雨林对温室环境的要求 再考虑人的 舒适性问题 综合植物生长要求 节能 技术容易实 现等各方面的因素后 得到的温湿度等参数列于表1 表1 室内设计参数 区域 温度 相对湿度 新风量 换气次数 夏季 冬季 夏季 冬季 温室 32 15 75 65 0 5 次 h 1 2 空调系统设计 通过负荷计算 温室夏季冷负荷为 1306 kW 温 室冬季热负荷为 2084 kW 冷热源采用 2 台螺杆式 风冷热泵冷热水机组 热泵机组安装在通风良好的室 外 冷水供 回水温度分别为7 12 热水供 回水温度分别为45 40 空调系统循环泵 定压 装置和水处理设备安装在温室附属设备用房内 空 调水管路为二管制 单级泵 异程闭式机械循环系 统 展览温室空调风管 水管均布置在综合通行管 沟内 空调水系统见图2 温室为膜结构的高大空间 冬季围护结构耗热 量大 在温室内周边设置明装立式风机盘管 风机 盘管安装在靠近围护结构下部的地面上 风机盘管 承担温室围护结构热负荷 采用了耐腐蚀镀锌钢板 可长期在湿度较高的环境下运行 仅在冬季运行 温室附属设备用房内设置3台空调箱AHU 1 AHU 2 AHU 3 风量均为35000 m3 h 空调箱由 新风预热段 混合段 表冷加热段以及风机段组成 空调箱仅对人行道局部区域空调 保证游人区域的 舒适性 送风口布置在人行道上 地面送风 局部 区域采用送风柱送风 集中回风口设在机房侧墙上 夏季运行时 由于室内回风温度与室外新风相差无 几 并且为提供植物光合作用所需的二氧化碳 空 调箱采用全新风工况 在过渡季节 首先考虑开窗 进行自然通风 当自然通风不能满足时 空调箱将 室外新风直接送入室内 加强室内空气流动 增加 人的舒适度 冬季 空调箱将室内回风和新风混合 在进行加热处理后送入室内 为温室提供新风以及 维持正压 图2 空调水系统图 第3期 连云港蔷薇湖生态保护区展览温室暖通设计 63 在温室室内外设置干湿球温度 风速 风向测定 传感器 同时设定室内高低温报警 夏季和过渡季 采用可开启外窗自然通风方式 同时顶部适当遮荫 辅以喷雾降温 下部侧窗为进风口 顶部天窗为排风 口 当雨天无法开启外窗时 温室内设有机械循环通 风系统可以直接将高温空气排除室外 设有光照强度 感应器和温度感应器 控制外窗开启数量和启闭遮荫 系统 当自然通风和遮荫系统同时运行 而植物区温 度仍大于30 时 开启垂直机械循环系统和喷雾系统 降温 人行道区域采用全新风空调系统 文献 2 对温室加热工况进行了 CFD 数值模拟 结果如图3 在冬季供热工况下 外墙四周的风机盘 管送出的热空气沿外墙上升 从而形成下部温度低上 部温度高的现象 从图4可以看到垂直方向上的温差 最高可达10 温差过大影响植物的生长发育 3 图4 水平方向截面平均温度随高度的变化曲线 因此 在温室顶部均匀布置21台温室专用风扇 风向垂直向下 利用气流卷吸作用 使冷热空气混 合 消除室内温度梯度过大的现象 满足植物光合 作用和蒸腾作用的要求 根据各温室的空间高度 在距室内地面5 m 8 m处沿幕墙设置接力循环风机 悬臂式轴流风机 在冬季温室内无自然通风的 情况下 亦可搅动室内空气形成水平循环 保持温 室内有风流过叶片 满足植物生长要求 1 3 通风系统设计 展览温室夏季自然通风有明显的降温除湿效 果 开窗配置亦会影响自然通风效果 根据GB T 18621 2002 温室通风降温设计规范 自然通风 温室在侧墙开有侧窗 在屋面开有天窗 侧窗面积 通常为侧墙面积的一半以上 天窗面积不应小于温 室覆盖地面面积的15 20 有时可用半个屋面 开窗 GB T 18621 2002 温室通风降温设计规范 更适用于农业设施 显然 简单套用该规范会使展 览温室开窗面积过大 影响景观效果 此外 若是 按照民用建筑设计中的通常做法开窗面积取地面 面积的2 5 通风量是否能保证降温效果存在 疑问 因此如何合理的设置开窗就显得非常有必 要 下面就不同的开窗面积对自然通风的影响进行 研究 温室底部开窗和天窗开窗面积均分别取占地 面面积的2 3 4 5 6 温室底部开窗 和天窗共有25种开窗面积组合 利用Fluent软件分 别进行模拟 边界条件见文献 4 图5 不同进排风窗面积相对大小与通风量的关系 图3 典型截面温度分布云图 64 洁净与空调技术CC AC 2020 底部开窗占地面面积比以down 表示 天窗占地 面面积比以up表示 25 种开窗方案模拟结果见图 由图5可知 当温室底部开窗占地面面积为 大天窗面积 温室通风量基本无增加 温室天窗占地 面面积比为2 时 增大底部开窗面积 温室通风量 基本无增加 当温室底部开窗占地面面积为 天窗面积占地面面积比在4 6 变化时 温室通风量 变化梯度很小 温室天窗占地面面积比为 部开窗面积占地面面积比在4 6 变化时 温室通风 量变化梯度很小 设计时底部开窗占地面面积 图7 夏季设计工况下温室内距地 图 第3期 连云港蔷薇湖生态保护区展览温室暖通设计 5 2 时 增 3 时 3 时 底 比和天 窗占地面面积比均应大于 开窗占地面面积百分比的增大而 地面面积百分比为6 时斜率最大 即底部开窗占地面 面积百分比为6 时 增加同样的天窗面积增加的通 风量最多 比较同样的开窗总面积的通风量 如图 颜色标注的即为相同的总开窗面积 可以看数值总 体上是沿斜线上升的 向右上方 说明天窗开窗 面积对通风量的影响比底部开窗面积对通风量的影 响更为显著 1m处水平面温湿度 速度分布 6 相同开窗总面积下的通风量 kg s 3 图中曲线斜率随底部 增大 底部开窗占 6 相同 65 以连云港夏季通风室外计算温度为29 1 夏季 通风室外计算相对湿度75 的设计工况 根据针对底 部开窗面积占地面面积的6 天窗面积占地面面积 的5 的开窗方案进行热压通风模拟 其他边界条件 不变并忽略植物产湿 其余边界条件与夏季测试时相 同 设计工况下 植物区夏季最高温度应控制在35 以下 温室内距地1m处水平面温湿度 速度分布见图 7 由图7可知 设计工况下温室距地 1m处的温度大 致在29 5 31 温度分布呈现中间高周围低的规 律 分别选取温室X 5m X 15m X 35m X 55m 截面 各截面温湿度分布见图8 由图8可知 温度 内部温度约为29 5 31 温室中下部温度较高 根据CFD数值模拟结果 夏季 过渡季由于温 室高度大 温度梯度大 设计中应扩大底部自然通 风进风口面积 尽可能使中和面位置下移 避免热 空气积聚在温室顶部而导致植物的 烧尖 现象发 生 温室顶部共设有三个天窗 天窗面积从左至右 分别为131 4 m2 61 8 m2 72 7 m2 在保证门的进 风面积不变的情况下 增加了下部可开启窗的数量 面积分别为80 27 m2 77 91 m2 81 06 m2 温室开 窗位置如图9所示 图9 温室开窗位置图 图8 夏季设计工况下温室各截面温度分布 66 洁净与空调技术CC AC 2020 进 排风窗的开启可根据室外温度 风速 天气 等情况 制定多种典型季节时的通风运行策略 使室 外风能顺畅地通过温室植物区带走热量 尽可能采取 自然通风的方式解决植物区夏季和过渡季节通风问 题 同时顶部适当遮荫 辅以喷雾降温 满足夏季植 物区的降温要求 2 人工环境控制措施 1 温度调控 在温室室内外设置干湿球温度 风速 风向测定 传感器 同时设定室内高低温报警 夏季和过渡季 采用可开启外窗自然通风方式 同时顶部适当遮荫 辅以喷雾降温 下部侧窗为进风口 顶部天窗为排风 口 当雨天无法开启外窗时 温室内设有机械循环通 风系统可以直接将高温空气排出室外 设有光照强度 感应器和温度感应器 控制外窗开启数量和启闭遮荫 系统 当自然通风和遮荫系统同时运行 而植物区温 度仍大于30 时 开启垂直机械循环系统和喷雾系统 降温 人行道区域采用全新风空调系统 冬季 温室周边设置风机盘管供暖系统 人行道 上设置全新风热风空调系统 当温室顶部温度梯度过 大时 顶部进行喷雾降温 同时垂直循环风机开启 排除顶部的高温空气 2 相对湿度调控 水分主要由人工补给 除设有正常的灌溉系统 外 还采用喷雾系统对温室空间直接加湿 而且新风 空调箱设有湿膜加湿 冬季可对热风进行加湿 同时 景观设计在温室内设置水池 瀑布 叠水可调节温室 内湿度 3 CO2 浓度调控 植物光和作用积累碳水化合物并储存能量 需要 吸收CO2和光照 在温室中 当CO2浓度充足时 适 当提高昼间温度 会对植物生长有益处 夏季和过渡 季 自然通风就能满足CO2浓度要求 冬季 需要开 启新风系统 亦可满足植物所需的CO2 4 光照控制 根据各展区植物的不同要求设置自动遮荫和自 动补光设备 5 温室自控系统 温室自动控制系统由专业厂家根据温室的要求 设计 实现远程计算机控制管理 温室自动控制包括 以下内容 温度控制 空调系统 采暖系统 自然开窗系统 遮荫系统 喷雾系统 垂直机械排风系统 相对湿度控制 喷雾系统 风速控制 水平循环风机系统 垂直机械排风系统 CO2 控制 自然开窗系统 空调系统 水平循环 风机系统 光照控制 补光系统 遮荫系统 3 结语 1 由于施工时间限制 业主投资经费等问题 该项目实际开窗面积和位置未严格按设计实施 因此 实测值与模拟计算值有一定偏差 根据模拟计算结 果 温室进风口附近出现明显的速度梯度 表明植物 冠层的阻力作用对室内气流分布有较大影响 在温室 设计中 应当充分分析室内植物 风向 风速等因素 对自然通风的影响 对开窗面积 位置 朝向等做更 进一步的优化 找到合适的通风方案 2 高大空间的冬季室内温度梯度应予以重视 如果温度梯度过大 不但会造成能源的浪费 还会危 及植物生长 本项目采用温室专用吊扇的方案搅动上 部空气 减小室内温度梯度 似乎略显不够 更好的 办法还有 在温室顶部设置射流风机或在地面上增加 排风柱的机械通风方式 使室内空气尽可能搅动混 合 消除室内温度梯度过大的现象 3 这次课题有了较完备 详实的计算数据 可以研究温室全空间温度场 湿度场 速度场变化规 律 判断 分析温室各个季节空调通风的运行效果 用以指导和制定通风空调系统的运行策略 达到经济 节能 效能良好的目的 参考文献 1 朱学锦 王吉平 上海植物园展览温室空调设计 C 全国 暖通空调制冷 2004 年学术年会资料摘要集 2 2004 2 彭淑英 倪丹 缪智昕 et al 基于CFD模拟的风扇对温室 夜间热环境的影响 J 建筑热能通风空调 2019 38 12 3 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 C 全国建筑环境与设备技术交流大会 2011 4 缪智昕 高大空间展览温室自然通风数值模拟与开窗优化 J 制冷与空调 四川 2020 1 第3期 连云港蔷薇湖生态保护区展览温室暖通设计 67