上海植物园展览温室空调设计

上海植物园展览温室空调设计

摘要：简要介绍了上海植物园展览温室的空调系统、通风系统和自控系统的设计，根据展览温室的特点，着重介绍了为满足热带植物对环境的要求，而采取的通风、加湿、温度控制以及高大空间温度梯度的控制等方面的措施。

关键词：展览温室热带雨林通风温度梯度射流风机

1.概况

上海植物园展览温室位于环境优美的上海植物园内，总建筑面积为4900m2，建筑最高点为29.4m，属于大型展览温室。整个建筑为单层空旷房屋结构，屋面和幕墙均采用单层网架，为了满足温室内植物生长对光照的要求，温室屋面、侧墙均采用单层透明玻璃幕墙，玻璃幕墙总面积为8816 m2。

展览温室由热带雨林区、四季花园、果吧、贵宾室、辅助用房组成（见图1）。热带雨林区建筑面积为2150m2，种植有中国原产、具有较高观赏价值的热带和亚热带植物。四季花园建筑面积为1880m2，种植的植物以花期各异的热带观赏花木为主。热带雨林区与四季花园展区分开布置，但内部空间不加分隔。

能源中心由变配电站、冷冻机房、锅炉房和水泵房组成，能源中心设置于展览温室外，位于温室的北侧。

2.设计标准

2.1 室外设计参数

夏季室外设计参数为：空调计算干球温度34℃，湿球温度28.2℃，通风计算干球温度32℃。

冬季，上海市极端最低温度为-10.1℃，极端最低温度平均值为-6.7℃，空调计算干球温度-4℃，采暖计算干球温度为-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五天的日平均温度，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，如采用极端最低温度，可靠性是最大的，但设备装机容量很大，设备的利用率较低，初投资较高，因此，在本工程中选用了极端最低温度平均值作为热负荷计算参数，并且确定锅炉容量时考虑了1.3的余量系数，系统具有一定的经济性也有较大的可靠性。

2.2 室内设计参数

热带植物要求的环境温度、湿度最好是均一的，尤其是酷暑和严寒时，植物生长的适宜温度为25℃左右，湿度为80%左右。在一个面积达4000m2的全玻璃幕墙结构的高大空间内，全年保持25℃的恒温和80%的恒湿，在技术上是难以实现的，并且将会造成能源的极大浪费。因此，室内温度的确定，在满足植物生存的基本要求的条件下，还应考虑技术实现的难易程度和能源的节约等因素。一般来说，温室温度全年应保持在15℃以上，如低于15℃，

植物可能会出现生理障碍。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。

2.3 热带雨林温室空调设计的特殊性

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，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0.5m/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5.0m/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，在节能的原则下，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。

3.空调冷热源和水系统

3.1 冷、热负荷

夏季，果吧、贵宾室冷负荷为115kW，温室内的主要道路设有局部全新风空调系统，该部分冷负荷为977 kW，总冷负荷为1092 kW。

冬季，果吧、贵宾室空调热负荷为79kW，热带雨林区围护结构热负荷为930 kW，四季花园围护结构热负荷为912 kW，通过门、窗缝隙的冷风渗透量为30000 m3/h，该部分热负荷为392 kW，总热负荷为2313 kW。

3.2 冷源

选用一台螺杆式冷水机组，制冷量为1116kW，机组配有双制冷回路。双制冷回路相互独立，运行时互不干扰，当其中一个回路出故障，另一回路可以继续运行。

3.3 热源

温室总热负荷为2313 kW，老温室冬季热负荷为698 kW，考虑了15%的管路损失后，总热负荷为3463 kW，选用两台燃油热水锅炉，每台锅炉的供热量按总热负荷的65%确定，单台锅炉供热量为2300 kW，当其中一台出现故障需要检修时，另外一台还能提供65%的热量，以保证重要区域的最低温度要求。并配有两组板式换热器，其换热量与锅炉供热量相等。

图1 平面图

3.4 水系统

空调水系统为二管制、同程式系统，冷冻水循环泵为一次定速泵，空调热水系统为二次泵系统，锅炉侧水泵为定速泵，以保证锅炉内的流量恒定，由于温室热负荷变化较大，负荷侧水泵为变频调速泵，根据水系统的压差调节热水流量。

4.空气处理系统

4.1 果吧、贵宾室

果吧、贵宾室面积较小，适合采用风机盘管加新风系统的空调方式，并且设有排气扇将室内废气排至室外。

4.2 热带雨林区、四季花园

热带雨林区、四季花园设有空调箱低速送风系统和风机盘管。过渡季节，在开窗进行自然通风的同时，空调箱将室外新风直接送至室内，加强室内气流流动，使温室内气流更均匀，既满足了植物生长要求，又使人感觉舒适一些。盛夏，室内温度可达三十多度，因此直接将室外新风处理后再送入温室内。冬季，将室内回风和室外新风混合，再进行加热、加湿处理，之后，送入室内，以保证温室当中的温度，使室内形成一定的气流，并使室内空气新鲜和维持一定的正压。温室为全玻璃结构的高大空间，冬季围护结构的耗热量很大，散热器的单位长度散热量较小，要分上下二层布置，影响玻璃幕墙的美观，因此，选用散热量大的风机盘管作为散热设备。

4.2.1 空调箱

热带雨林区和四季花园共设有四台叠式空调箱，每台风量为30000 m3/h，并配有变频控制器以调节风量。空调箱由新风预热段、混风段、表冷/加热段、高压喷雾加湿器和湿膜挡水板组成的加湿段以及风机段组成。

为了保证温室内景观的完整性，送风管敷设在温室主要道路下的地沟内，送风口布置在道路的两侧，送风方向对着道路，以避免气流直接吹在植物上，风口形式为下送百叶风口，并与景观布置相结合。送风口风速为5m/s，在主要道路周围形成一个局部的空调环境，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，为了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。室外新风处理到22℃，再送入室内，22℃的气流出风口后，立即扩散，形成一个较凉爽的空间。此时，每台空调箱风量通过变频调速降至25000 m3/h。

冬季运行时，室外新风经预热至10℃，与室内回风混合，再进行加热，最后，经等焓喷雾加湿后送至室内。每台空调箱总风量为30000 m3/h，最小新风量为7500 m3/h，此时，可维持室内0.5次/时的新风换气量，新风量的大小可根据室内外压差进行调节，以保证温室处于正压状态。

4.2.2 风机盘管

在热带雨林区和四季花园中，各布置了56台明装立式风机盘管，风机盘管安装在温室外墙下部的地面上。风机盘管仅在冬季运行，负担温室的围护结构热负荷。风机盘管采用了耐腐蚀铝翅片和耐腐蚀镀锌钢板，可长期在湿度较高的环境下运行。

4.2.3 加湿

植物通常都喜欢空气湿润，尤其是热带雨林，热带雨林一般比较高大，从根部到树冠均有湿度要求，因此，温室上部也应进行湿度控制。温室内加湿措施主要有以下几种：（1）空调箱内设有高压水喷雾加湿膜挡水板，除夏季外，其他季节均可对室外新风进行加湿；（2）采用气水混合加湿系统对温室进行直接加湿，系统由空压机、加压泵、气体输送管路、水管和喷头组成，多组喷头均匀的布置在温室上部，系统可全年进行加湿；（3）温室内设有水池、瀑布，以及给植物浇水均起到调节室内湿度的作用；（4）热带雨林区局部设有人工降雨区，可以模仿自然界的小雨、中雨。

措施（2）至（4），在夏季还可起到降温的作用。

5.通风系统

通风的目的是排除室内的余热和余湿，补充新鲜空气，和维持室内的气流场，通风换气有自然通风和机械通风两种方式。

5.1 自然通风

自然通风主要利用温室下部进风口与上部排风口之间的热压差来进行的，自然通风的换气量一般较大，而且不需消耗任何能源，因此应尽可能的利用自然通风。

温室两侧墙下部设有进风窗，上部设有排气窗，室外空气进入温室后，可以从对面的上部排风口排出，在过渡季节和夏季，根据室内、外温度及风向，进行手动控制或遥控。由于自然换气的换气量难以人工控制，在强风、下雨等恶劣天气和严寒期，自然通风难以实现。

5.2 机械通风

经计算，热带雨林区机械通风量为203100 m3/h，四季花园机械通风量为188400 m3/h，换气次数约为6次/时左右，在热带雨林区和四季花园的屋顶最高点各布置了8台低噪声轴流风机。当自然通风不能保证温室内的温、湿度要求时，可启动轴流风机进行机械通风。

5.3 冬季温度梯度

冬季，温室进行采暖时，布置在温室内四周的风机盘管送出的热空气沿着侧墙上升，最后，汇集在温室屋架下部，同时空调箱送入温室中部的热空气也将上升，从而产生下部温度较低而上部温度较高的现象，即所谓的温度梯度。这种空气温度不均匀现象的存在对高大树木的生长发育是极其不利的，并且，为了确保温室内的最低温度高于15℃，势必要消耗更多的能源，因此必须降低冬季温室内的温度梯度，使温室内温度更均匀。减少温度梯度的传统做法是在温室上部装设大量的吊扇，这种方法是行之有效的，缺点是影响室内的美观。本工程中，在温室屋架上设有10台射流风机，风机向下喷出高速气流，利用气流的卷吸作用，使温室内部的冷、热空气得到充分的混合。这种方式需要的风机数量少，可安装在比较隐蔽的空间内。

6.空调自控系统

空调自控系统包括室内外空气参数的测定、通风系统的控制、风机盘管的控制、空调箱的控制、加湿系统的控制、锅炉热水系统的控制和冷冻水系统的控制。

6.1 室内外空气参数的测定

需要测定的室外空气参数包括室外干球温度、湿球温度、风速和风向。室内空气参数主要包括室内的温度和湿度，温感器共设有56个，其中热带雨林区设有41个，四季花园设有15个，温度测定点分别设在1.5米、7米、8米、15米、22米、29米的高度上。湿度感受器共设有26个，其中热带雨林区设有19个，四季花园设有7个，湿度测定点分别设在1. 5米、6米、15米、29米的高度上。

此外，还设有室内高温、低温报警。

6.2 通风系统的控制

通风系统的控制包括进风窗和排气窗开闭的遥控、排风机的遥控。

6.3 风机盘管的控制

温室内风机盘管按组进行控制，每组风机盘管由3至7台风机盘管组成，并且连接在一根空调供回水支管上，由一只恒温器控制回水支管上的电动二通控制阀的开启度，调节通过该组风机盘管的水流量，风机盘管停止运行时，调节阀同时关闭。

6.4 空调箱的控制

6.4.1 夏季，空调箱在全新风工况下运行，控制器根据送风温度控制表冷器回水管上的电动比例调节阀。

6.4.2 冬季，根据室内外压差信号，控制新风阀来调节空调箱的新风量，以维持温室处于正压状态，防止冷风渗入。根据室外温度控制新风预热盘管的水流量。根据送风的温湿度来调节加热盘管的水流量和加湿器的加湿量。

6.5根据温室内的湿度控制气水喷雾加湿系统的运行。

6.6锅炉热水系统和冷冻水系统的控制包括锅炉运行台数控制、板式换热器的温度控制、负荷侧的热水泵变频控制、压差旁通控制、以及启停联锁控制等。

7.总结

7.1温室空调通风设计应以温室内的植物为主体，首先应满足植物的生长对环境的要求，如光照、温度、湿度、通风换气等，其次满足人的舒适性要求。

7.2在进行冬季采暖负荷计算时，应慎重选用室外计算温度，应考虑到出现极端最低温度的概率，并且，由于高大空间存在的温度梯度，按设定的室内计算温度计算得到的热负荷将小于实际需要的供热量，因此，确定制热设备的容量时，应考虑较大的安全系数。

7.3对于室内无发热源的高大空间，自然通风缺乏相应的计算方法，因此，在计算温室自然通风量时，只能参照厂房自然通风计算方法，并加上一定的富裕量。

7.4高大空间的冬季室内温度梯度应给予足够的重视，如果温度梯度太大，室内下部的温度难以保证，并造成能源的极大浪费，所以，必须采取一些切实可行的措施，如将送风口布置在温室下部，布置能加强室内空气扰动的设备等。本工程中采用了射流风机来降低温度梯度，经测定，2001年冬季温室的温度差为10℃，说明采用射流风机降低温度梯度的方式是可行的，如果射流风机的数量再多一点，温度梯度可能会更小，射流风机在高大空间的运用应进行更深入的研究。