上海植物園展覽室空調設計

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上海植物園展覽室空調設計簡介
    作者:朱學錦 王吉平 1.概況 上海植物園展覽溫室位於環境優美的上海植物園內,總建築面積為4900m2,建築最高點為29.4m,屬於大型展覽溫室。整個建……
上海植物園展覽室空調設計正文
    作者:朱學錦 王吉平 1.概況

上海植物園展覽溫室位於環境優美的上海植物園內,總建築面積為4900m2,建築最高點為29.4m,屬於大型展覽溫室。整個建築為單層空曠房屋結構,屋面和幕牆均採用單層網架,為了滿足溫室內植物生長對光照的要求,溫室屋面、側牆均採用單層透明玻璃幕牆,玻璃幕牆總面積為8816 m2

展覽溫室由熱帶雨林區、四季花園、果吧、貴賓室、輔助用房組成(見圖1)。熱帶雨林區建築面積為2150m2,種植有中國原產、具有較高觀賞價值的熱帶和亞熱帶植物。四季花園建築面積為1880m2,種植的植物以花期各異的熱帶觀賞花木為主。熱帶雨林區與四季花園展區分開布置,但內部空間不加分隔。

能源中心由變配電站、機房、鍋爐房和水泵房組成,能源中心設置於展覽溫室外,位於溫室的北側。

2.設計標準

2.1 室外設計參數

夏季室外設計參數為:空調計算幹球溫度34℃,濕球溫度28.2℃,通風計算幹球溫度32℃。

冬季,上海市極端最低溫度為-10.1℃,極端最低溫度平均值為-6.7℃,空調計算幹球溫度-4℃,採暖計算幹球溫度為-2℃。由於熱帶植物對環境溫度要求較高,短時間的低溫將影響熱帶植物的生長,甚至使某些熱帶植物遭受滅頂之災,因此,選用室外計算溫度時,應考慮這一特殊要求。採暖計算幹球溫度為歷年平均不保證五天的日平均溫度,空調計算幹球溫度為歷年平均不保證一天的日平均溫度,採用這兩種計算溫度得到的熱負荷結果偏小,難以滿足溫室內溫度的可靠性要求,如採用極端最低溫度,可靠性是最大的,但設備裝機容量很大,設備的利用率較低,初投資較高,因此,在本工程中選用了極端最低溫度平均值作為熱負荷計算參數,並且確定鍋爐容量時考慮了1.3的余量係數,系統具有一定的經濟性也有較大的可靠性。

2.2 室內設計參數

熱帶植物要求的環境溫度、濕度最好是均一的,尤其是酷暑和嚴寒時,植物生長的適宜溫度為25℃左右,濕度為80%左右。在一個面積達4000m2的全玻璃幕牆結構的高大空間內,全年保持25℃的恆溫和80%的恆濕,在技術上是難以實現的,並且將會造成能源的極大浪費。因此,室內溫度的確定,在滿足植物生存的基本要求的條件下,還應考慮技術實現的難易程度和能源的節約等因素。一般來說,溫室溫度全年應保持在15℃以上,如低於15℃,植物可能會出現生理障礙。綜合植物生長要求、節能、技術容易實現等各方面的因素后,得到的溫濕度等參數列於表1。

表1 室內主要設計參數表

 房間名稱


 夏
 季


 冬
 季

 新風量

/[m3/(h.人)]

幹球溫度/℃

相對濕度/%

幹球溫度/℃

相對濕度/%

熱帶雨林區

≤35

≥75

≥15

≥65

四季花園

≤32

≥50

≥15

≥50

果吧、貴賓室

≤65

≥35

2.3 熱帶雨林溫室空調設計的特殊性

展覽溫室是以展示植物為中心的,並給觀賞者以暫時的舒適環境,因此,溫室空調系統的主要任務就是在為展示植物提供必需的生存、生長環境的同時,也要為觀賞者營造較為舒適的環境。

植物的生長發育要受到光(日照、照明)、溫度、濕度、氣流和土壤環境等條件的影響。陽光對於植物而言是最重要的因素,為了讓溫室植物得到足夠的陽光,溫室結構必須全部採用透光性好的玻璃,如此,室內環境很容易受到室外環境的干擾,給空調系統設計帶來較大的難度。

熱帶雨林一般生存在高溫、高濕的熱帶、亞熱帶地區,其生長的適宜溫度為25℃左右,濕度為80%左右,為了節能,夏季一般將溫室內溫度控制在35℃以下,這樣的環境對於觀賞者是毫無舒適可言,因此,在道路、休息區等人員滯留的空間應進行局部降溫,以形成局部涼爽的舒適空間。冬季,室內溫度最低在15℃以上,觀賞者一般可以通過衣服來調節溫度。

氣流會影響植物的呼吸作用和蒸騰作用,也會影響溫室內的溫、濕度的均勻性。在整個溫室內,氣流流速保持在0.5m/s左右是最佳的,因為適當的氣流可以促進植物的呼吸作用和蒸騰作用。需要注意的是熱風或冷風不能直接吹在植物上,因為溫差大的氣流將引起植物的生理障礙,並且,超過5.0m/s的風速還會給植物造成物理障礙。氣流流場較差易影響一些植物的蒸騰作用,造成植物根部過於濕熱而腐爛。當然,適當的氣流也會使人感覺涼爽。

因此,在進行空調系統設計時,在節能的原則下,首先應考慮熱帶雨林對溫室環境的要求,再考慮人的舒適性問題。

3.空調冷熱源和水系統

3.1 冷、熱負荷

夏季,果吧、貴賓室冷負荷為115kW,溫室內的主要道路設有局部全新風空調系統,該部分冷負荷為977 kW,總冷負荷為1092 kW。

冬季,果吧、貴賓室空調熱負荷為79kW,熱帶雨林區圍護結構熱負荷為930 kW,四季花園圍護結構熱負荷為912 kW,通過門、窗縫隙的冷風滲透量為30000 m3/h,該部分熱負荷為392 kW,總熱負荷為2313 kW。

3.2 冷源

選用一台螺桿式冷水機組,製冷量為1116kW,機組配有雙製冷迴路。雙製冷迴路相互獨立,運行時互不干擾,當其中一個迴路出故障,另一迴路可以繼續運行。

3.3 熱源

溫室總熱負荷為2313 kW,老溫室冬季熱負荷為698 kW,考慮了15%的管路損失后,總熱負荷為3463 kW,選用兩台燃油熱水鍋爐,每台鍋爐的供熱量按總熱負荷的65%確定,單台鍋爐供熱量為2300 kW,當其中一台出現故障需要檢修時,另外一台還能提供65%的熱量,以保證重要區域的最低溫度要求。並配有兩組板式換熱器,其換熱量與鍋爐供熱量相等。


圖1 平面圖

3.4 水系統

空調水系統為二管制、同程式系統,水循環泵為一次定速泵,空調熱水系統為二次泵系統,鍋爐側水泵為定速泵,以保證鍋爐內的流量恆定,由於溫室熱負荷變化較大,負荷側水泵為變頻調速泵,根據水系統的壓差調節熱水流量。

4.空氣處理系統

4.1 果吧、貴賓室

果吧、貴賓室面積較小,適合採用風機盤管加新風系統的空調方式,並且設有排氣扇將室內廢氣排至室外。

4.2 熱帶雨林區、四季花園

熱帶雨林區、四季花園設有空調箱低速送風系統和風機盤管。過渡季節,在開窗進行自然通風的同時,空調箱將室外新風直接送至室內,加強室內氣流流動,使溫室內氣流更均勻,既滿足了植物生長要求,又使人感覺舒適一些。盛夏,室內溫度可達三十多度,因此直接將室外新風處理后再送入溫室內。冬季,將室內迴風和室外新風混合,再進行加熱、加濕處理,之後,送入室內,以保證溫室當中的溫度,使室內形成一定的氣流,並使室內空氣新鮮和維持一定的正壓。溫室為全玻璃結構的高大空間,冬季圍護結構的耗熱量很大,散熱器的單位長度散熱量較小,要分上下二層布置,影響玻璃幕牆的美觀,因此,選用散熱量大的風機盤管作為散熱設備。

4.2.1 空調箱

熱帶雨林區和四季花園共設有四台疊式空調箱,每颱風量為30000 m3/h,並配有變頻控制器以調節風量。空調箱由新風預熱段、混風段、表冷/加熱段、高壓噴霧加濕器和濕膜擋水板組成的加濕段以及風機段組成。

為了保證溫室內景觀的完整性,送風管敷設在溫室主要道路下的地溝內,送風口布置在道路的兩側,送風方向對著道路,以避免氣流直接吹在植物上,風口形式為下送百葉風口,並與景觀布置相結合。送風口風速為5m/s,在主要道路周圍形成一個局部的空調環境,集中迴風口設在機房側牆上。

夏季運行時,由於室內迴風溫度與室外新風相差無幾,並且,為了提供植物光合作用所需的二氧化碳,空調箱採用全新風工況。室外新風處理到22℃,再送入室內,22℃的氣流出風口后,立即擴散,形成一個較涼爽的空間。此時,每台空調箱風量通過變頻調速降至25000 m3/h。

冬季運行時,室外新風經預熱至10℃,與室內迴風混合,再進行加熱,最後,經等焓噴霧加濕後送至室內。每台空調箱總風量為30000 m3/h,最小新風量為7500 m3/h,此時,可維持室內0.5次/時的新風換氣量,新風量的大小可根據室內外壓差進行調節,以保證溫室處於正壓狀態。

4.2.2 風機盤管

在熱帶雨林區和四季花園中,各布置了56台明裝立式風機盤管,風機盤管安裝在溫室外牆下部的地面上。風機盤管僅在冬季運行,負擔溫室的圍護結構熱負荷。風機盤管採用了耐腐蝕鋁翅片和耐腐蝕鍍鋅鋼板,可長期在濕度較高的環境下運行。

4.2.3 加濕

植物通常都喜歡空氣濕潤,尤其是熱帶雨林,熱帶雨林一般比較高大,從根部到樹冠均有濕度要求,因此,溫室上部也應進行濕度控制。溫室內加濕措施主要有以下幾種:(1)空調箱內設有高壓水噴霧加濕膜擋水板,除夏季外,其他季節均可對室外新風進行加濕;(2)採用氣水混合加濕系統對溫室進行直接加濕,系統由空壓機、加壓泵、氣體輸送管路、水管和噴頭組成,多組噴頭均勻的布置在溫室上部,系統可全年進行加濕;(3)溫室內設有水池、瀑布,以及給植物澆水均起到調節室內濕度的作用;(4)熱帶雨林區局部設有人工降雨區,可以模仿自然界的小雨、中雨。

措施(2)至(4),在夏季還可起到降溫的作用。

5.通風系統

通風的目的是排除室內的餘熱和余濕,補充新鮮空氣,和維持室內的氣流場,通風換氣有自然通風和機械通風兩種方式。

5.1 自然通風

自然通風主要利用溫室下部進風口與上部排風口之間的熱壓差來進行的,自然通風的換氣量一般較大,而且不需消耗任何能源,因此應儘可能的利用自然通風。

溫室兩側牆下部設有進風窗,上部設有排氣窗,室外空氣進入溫室后,可以從對面的上部排風口排出,在過渡季節和夏季,根據室內、外溫度及風向,進行手動控制或遙控。由於自然換氣的換氣量難以人工控制,在強風、下雨等惡劣天氣和嚴寒期,自然通風難以實現。

5.2 機械通風

經計算,熱帶雨林區機械通風量為203100 m3/h,四季花園機械通風量為188400 m3/h,換氣次數約為6次/時左右,在熱帶雨林區和四季花園的屋頂最高點各布置了8台低雜訊軸流風機。當自然通風不能保證溫室內的溫、濕度要求時,可啟動軸流風機進行機械通風。

5.3 冬季溫度梯度

冬季,溫室進行採暖時,布置在溫室內四周的風機盤管送出的熱空氣沿著側牆上升,最後,彙集在溫室屋架下部,同時空調箱送入溫室中部的熱空氣也將上升,從而產生下部溫度較低而上部溫度較高的現象,即所謂的溫度梯度。這種空氣溫度不均勻現象的存在對高大樹木的生長發育是極其不利的,並且,為了確保溫室內的最低溫度高於15℃,勢必要消耗更多的能源,因此必須降低冬季溫室內的溫度梯度,使溫室內溫度更均勻。減少溫度梯度的傳統做法是在溫室上部裝設大量的吊扇,這種方法是行之有效的,缺點是影響室內的美觀。本工程中,在溫室屋架上設有10台射流風機,風機向下噴出高速氣流,利用氣流的卷吸作用,使溫室內部的冷、熱空氣得到充分的混合。這種方式需要的風機數量少,可安裝在比較隱蔽的空間內。

6.空調自控系統

空調自控系統包括室內外空氣參數的測定、通風系統的控制、風機盤管的控制、空調箱的控制、加濕系統的控制、鍋爐熱水系統的控制和水系統的控制。

6.1 室內外空氣參數的測定

需要測定的室外空氣參數包括室外幹球溫度、濕球溫度、風速和風向。室內空氣參數主要包括室內的溫度和濕度,溫感器共設有56個,其中熱帶雨林區設有41個,四季花園設有15個,溫度測定點分別設在1.5米、7米、8米、15米、22米、29米的高度上。濕度感受器共設有26個,其中熱帶雨林區設有19個,四季花園設有7個,濕度測定點分別設在1.5米、6米、15米、29米的高度上。

此外,還設有室內高溫、低溫報警。

6.2 通風系統的控制

通風系統的控制包括進風窗和排氣窗開閉的遙控、排風機的遙控。

6.3 風機盤管的控制

溫室內風機盤管按組進行控制,每組風機盤管由3至7颱風機盤管組成,並且連接在一根空調供回水支管上,由一隻恆溫器控制回水支管上的電動二通控制閥的開啟度,調節通過該組風機盤管的水流量,風機盤管停止運行時,調節閥同時關閉。

6.4 空調箱的控制

6.4.1 夏季,空調箱在全新風工況下運行,控制器根據送風溫度控制表冷器回水管上的電動比例調節閥。

6.4.2 冬季,根據室內外壓差信號,控制新風閥來調節空調箱的新風量,以維持溫室處於正壓狀態,防止冷風滲入。根據室外溫度控制新風預熱盤管的水流量。根據送風的溫濕度來調節加熱盤管的水流量和加濕器的加濕量。

6.5 根據溫室內的濕度控制氣水噴霧加濕系統的運行。

6.6 鍋爐熱水系統和水系統的控制包括鍋爐運行台數控制、板式換熱器的溫度控制、負荷側的熱水泵變頻控制、壓差旁通控制、以及啟停聯鎖控制等。

7.總結

7.1 溫室空調通風設計應以溫室內的植物為主體,首先應滿足植物的生長對環境的要求,如光照、溫度、濕度、通風換氣等,其次滿足人的舒適性要求。

7.2 在進行冬季採暖負荷計算時,應慎重選用室外計算溫度,應考慮到出現極端最低溫度的概率,並且,由於高大空間存在的溫度梯度,按設定的室內計算溫度計算得到的熱負荷將小於實際需要的供熱量,因此,確定製熱設備的容量時,應考慮較大的安全係數。

7.3 對於室內無發熱源的高大空間,自然通風缺乏相應的計算方法,因此,在計算溫室自然通風量時,只能參照廠房自然通風計算方法,並加上一定的富裕量。

7.4 高大空間的冬季室內溫度梯度應給予足夠的重視,如果溫度梯度太大,室內下部的溫度難以保證,並造成能源的極大浪費,所以,必須採取一些切實可行的措施,如將送風口布置在溫室下部,布置能加強室內空氣擾動的設備等。本工程中採用了射流風機來降低溫度梯度,經測定,2001年冬季溫室的溫度差為10℃,說明採用射流風機降低溫度梯度的方式是可行的,如果射流風機的數量再多一點,溫度梯度可能會更小,射流風機在高大空間的運用應進行更深入的研究。

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