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特殊建筑造型热带植物园空调系统设计

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发表于 2017-3-28 11:22:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
1 概述
天津**植物园,位于天津市经济技术开发区。该植物园建筑外形为玻璃金字塔,分为大、小两座(以下简称大塔、小塔),大塔平面尺寸50m×50m,塔尖高度31.5m,主要栽培热带及亚热带植物;小塔平面尺寸25m×25m,尖高度15.1m,主要种植沙生植物。大、小塔之间由长度56m,进深17m,形如“时光隧道”的玻璃结构连廊连接,连廊下部为一层地下室,主要功能为设备用房。建筑外围护结构均为夹胶玻璃。设计要求大、小两座金字塔及连廊部分夏季供冷、冬季供暖,其设计参数既要满足参观人员的需要,更要满足植物生长的温、湿度要求及必需的新风换气次数,同时还应兼顾生长在不同高度梯度上的不同植物的需求。连廊部分主要为人员活动区,设全年舒适性空调系统,送风管道结合装饰沿地面敷设,回风集中布置,保证了“时光隧道”室内观感的完整性。本文主要介绍大、小金字塔的空调系统设计,连廊部分为常规空调,文中不再赘述。

2 设计参数
根据园林绿化部门提供植物生长环境的要求,确定空调室内设计参数如下:

参数
名称
夏 季
冬 季
室内温度
相对湿度
换气次数
室内温度
相对湿度
换气次数
大金字塔
27℃
75%
7次/h
18℃
40%
>0.25次/h
小金字塔
30℃
50%
7次/h
18℃
40%
>0.25次/h


3 空调负荷及风量计算
3.1 空调冷负荷计算
依据分层空调理论计算大、小金字塔的冷负荷。根据园林绿化部门提供的资料,大塔内植物生长高度≤18m,小塔内植物生长高度≤6.5m,故分层高度大塔取20m,小塔取8m,分层高度以下部分围护结构冷负荷全部计入总冷负荷,分层高度以上部分围护结构冷负荷50%计入总冷负荷。
3.2 空调热负荷计算
根据植物生长需要,冬季日间大、小塔均应进行通风换气,换气次数为每天3次,折合成每小时换气次数为0.25次(按12小时计算),而冬季夜间无需进行通风换气,则冬天日间热负荷=围护结构热负荷-太阳得热量+新风负荷;冬季夜间热负荷=围护结构热负荷,而冬季日间的太阳得热量远远大于新风负荷,因此冬季最大热负荷应出现在夜间,即围护结构热负荷。
3.3 送风量计算
由于人体湿负荷很小,同时植物及土壤散湿无数据可遵循,故本设计计算中未计入植物及土壤的湿负荷,因此所计算出来的风量是偏于安全的,但在实际控制中,系统提供的水温及水量足以满足承担湿负荷、保持干燥的要求。
对于大塔而言,设计采用定露点送风,取送风状态点干球温度20℃,相对湿度90%计算送风量。
3.4 新风量计算
本着确保植物生长需要的前提,以尽可能节约能量为原则,新风量按照植物密集生长区计算。大塔植物的密集生长区为12m以下,小塔植物的密集生长区为5m以下,故新风量按上述高度范围内换气次数满足7次/h计算。
3.5 计算结果
根据上述计算原则,计算结果如下:
内 容
大金字塔
小金字塔
冷负荷(kW)
644.5
156.8
送风量(m3/h)
121538
51090
新风量(m3/h)
140025
15943
新风负荷(kW)
586.1
95.7
机器负荷(kW)
1230.6
252.5
热负荷(kW)
180.2
43.9
新风量(m3/h)
5001
569
新风负荷(kW)
44.9
5.1

从上述计算结果可以看出,在夏季植物生长旺盛期,栽培热带及亚热带植物的大金字塔空调系统应为全新风系统。
4 空调系统设计要点
4.1 因为金字塔为全玻璃结构,造型通透,为避免影响室内美观,保证室内效果的完整性,我们将空调送风系统移至地下,其具体形式为:空气经位于地下室设备用房内的组合式空调器处理后,送入埋于塔内地下的分风箱,再经数条送风管道由地上风口送入室内。送风管道为埋设于种植土壤层下的地下送风管,所有地下送风管道均为内、外涂环氧粉末的钢管,钢管壁厚≥6mm。埋设于大、小金字塔内的分风箱采用钢板制作,钢板厚度8-10mm,分风箱防腐做法为内、外表面除锈后内表面刷环氧富锌防锈底漆两道,面漆两道,外表面刷环氧富锌防锈底漆两道,外包玻璃钢(四道环氧树脂,三层玻璃丝布)。
4.2 金字塔内气流组织形式为下送下回并伴之以不同高度上的排风组织。我们在塔内布置了两种形式的送风口,即安装在地面附近的立柱风口和可调远程投射风口,如下图所示:

立柱风口布置在低矮植物生长区域,向地表附近送风,风口不直接吹向植物,使植物处于空气回流区。可调远程投射风口一部分布置在种植高大植物的区域,风口角度调整到向空中送风,送风射程为15米至18米,这样可以尽量减少由于送风系统移入地下后,从下部送风造成的竖向温度分布不均的现象,保证高大植物的生长环境温度;另一部分可调远程投射风口布置在甬道附近,风口角度调整到向甬道上方送风,使游人沿甬道漫步欣赏植物的同时感觉到一定的吹风感,以减轻人员在这样一个环境中的湿、热感觉。我们之所以这样布置风口,是为了在整个植物园的大环境中制造出不同的植物环境和人员环境,在保证植物正常生长需要的同时,为游客创造更加舒适、怡人的心情。
塔内回风口集中布置,集中回风口位于大、小塔入口处,回风经集中回风口收集后回至地下室设备用房组合式空调器。回风口可调,夏季大塔全新风运行时回风口关闭。同时,我们在塔的中部和顶部两个不同高度上设置了可自动开启的排风窗,一是保证了通风换气的需要,二是从竖向上造成一定的空气流动,从一个方面减小空气分层现象。
4.3 沿玻璃幕墙安装一定数量的诱导风机,将常规吊装的诱导风机改为利用支架立式安装于地面上(如图所示),沿塔的四边均匀布置。夏季将诱导风机的喷口角度调整为沿不同方向吹向室内,其目的是在室内形成一定的诱导气流,最终在植物生长区内形成较均匀的温度场,以保证20米内竖向温度梯度≤5℃。同时诱导风机的设置增加了空气扰动,使整个空间环境产生适宜的风速感,配合不同高度上的送风及排风,尽量避免空气分层现象。
冬季将诱导风机的喷口角度调整为沿玻璃幕墙内表面喷流导引,抵御下降冷气流,同时可减少玻璃内表面的结露现象。
4.4 为保证大、小金字塔冬季室内温度场竖向分布均匀,本工程采用柔强辐射采暖系统及辅助空调系统维持大、小金字塔冬季室内温度,其室内热负荷主要由柔强辐射采暖系统承担,辐射采暖器挂装于金字塔的四个脊上,挂装高度满足与其距离最近的植物的温度要求。辐射采暖器采用温度控制,以室内设计温度±2℃控制其启停。同时,在地下室设备用房设置一台燃气锅炉,通过夏季送风管道及风口向塔内输送热风,作为辅助空调系统用来保证近地面附近的空气温度,尤其在夜间,可补充塔内下部的空气温度,防止下部温度过低。
4.5 在组合式空调器内设加湿段,采用高压喷雾加湿器,通过空调送风满足大塔冬季及小塔冬、夏的湿度要求。但单纯依靠空调系统很难达到大塔夏季的湿度要求,所以在大塔内设置了一套喷雾系统,结合植物浇灌系统和空调送风系统达到热带植物园夏季高湿的要求。
5 运行与测试
系统于2003年5月建成进入调试运行期,2003年9月经过验收,2003年10月1日正式开园,目前已分别经过了一个完整的夏季过程和冬季过程,初步测试表明:
1. 夏季在下午15:00~17:00,即辐射热强度最大的时段,如果不同时启动园林喷雾加湿系统,则竖向温度梯度会接近10℃,如果启动园林喷雾加湿系统,则竖向温度梯度可控制在5℃—7℃,未能完全达到设计预想的竖向温度梯度控制效果,但仍能满足植物的生长要求。
2. 在夏季当辐射热强度较低时,竖向温度梯度基本可满足要求。
3. 冬季如果仅开启燃气辐射采暖系统,则竖向温度梯度一般会>8℃,当辅助热风系统投入运行后,竖向温度梯度明显降低,实测结果多数情况下可保持在≤5℃。
6 结束语
目前,该植物园已投入使用,经初步测试,运行基本正常,随着植物专家和运行管理人员对热带植物在北方地区、在这种特殊构造的建筑内生长规律的逐步掌握,其运行调节规律也在不断完善和调整。实践证明,本工程中采用的空调设计理念和方法基本上是成功的,实现了在模拟不同类型热带植物生长气候环境的同时,与建筑物室内景观良好结合的预期目的。
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