寒地城市景观设计 篇1
通过水景的不同分类以及水景观的构筑层次理清居住环境水景观的范畴以及研究方法, 并结合现代居住区水景观实例, 归纳出居住环境水景观的设计原则及理念, 在水景设计方面采取水景物质层面、精神层面、审美层面对居住区水景观设计层层剖析, 从而形成对水景观设计全面详细的研究, 达到对居住环境水景观设计的全面认识。城市居住区户外环境景观问题越来越受到居住者和舆论的关注, 寒地城市的水景设计存在许多制约因素, 其中气候是最主要的影响因素。居住的环境景观目标已不仅仅体现在功能性, 更应该结合景观所在的地域气候、资源、自然环境、经济、文化等特点进行设计。
一、寒地城市居住区水景设计现状
寒地城市的水景设计存在许多制约因素, 低温、水管理与维护、资金是其中四个主要因素。
首先, 低温将导致冰冻胀破坏。冰冻胀破坏是指当水变为冰后, 其体积将会膨胀, 于是水将会对其载体及所附着之处, 比如池壁及池壁周围材料产生破坏作用。对池壁的压力将其胀坏, 加上池周围材料进水, 水在材料内部冻胀, 使材料破坏。
其次, 水管理也是制约当前寒地水景设计的另一要素。由于居住区内的水体大多为封闭水域, 因此具有易污染、水体自净能力低等缺点, 如果对水面管理不好, 很容易导致水体受到污染, 引起水体富营养化, 致使水中藻类大量繁殖, 水体变黑变臭, 严重时将影响周围的自然环境和居民的生活环境质量。
再次, 水景顺利过冬所需要的维护费用相当于其他三个季度总和的40%-50%, 而这部分费用除了开发商自己承担少量以外, 大部分都要分摊到业主的物业费里面。各地在这些方面存在不同的背景, 在应用时会出现水土不服的情况, 但以自然条件而言, 我国北方城市是很不适合大量建设水景的。
此外, 我国寒地大部分城市缺水, 而水景由于蒸发、更换等每年又消耗大量水资源, 浪费了资金, 导致许多水景大部分时期缺水、少水, 甚至无水, 场地中仅剩下僵硬的水池, 因此要同时顾及寒地的现实情况, 避免由于对许多影响因素分析不够, 缺乏对寒地城市用水的深入研究, 水景设计后既浪费资金, 也达不到预想的效果而出现冬季大部分时间内水景关闭, 浪费场地和视觉污染等状况。冬季水景是个仁者见仁, 智者见智的问题。有水与没水之间的差别除了景观不同外, 还是维护成本的问题。不可否认, 如果在冬季看到灵动的水景, 那绝对是一种不同凡响的景观。
二、寒地城市居住区水景设计手法
对于我国北方城市长春来说, 水具有温热地区所不具有的独特形态, 在冬季受气候的影响体现为固态的冰和雪。寒地城市的水景依据四季不同的形态所具有的千变万化的特征给寒地城市的景观带来了与众不同的效果和独特的心理感受。
1、以静态水景为主的设计形式
代表项目之一长春万科上东区, 小区中间为园区的主要景观带, 结合造型活泼、新颖、别致的公建配以景观设计, 使景观和建筑浑然一体, 形成良好生动的城市街区形象。中心区域的小面积水景观主要以浅水池为主, 面积较小且安装有喷头、通过水下照明布置和池底铺装, 体现了将硬质铺装与软质景观相结合的整体设计理念。除此之外还加以木栈道的形式区分水体与草坪, 无论哪种铺装形式结合景观照明均有上佳的景观效果, 夜晚尤其突出。以长春为代表的北方寒地城市, 每年有近半年的时间是寒冷季节, 冬天水放干后, 铺上卵石, 结合岸边的主栈道, 别有一番冬天的景致, 避免成为“藏污纳垢”的场所。
代表项目之二长春南郡·水云天, 该居住区水景设计是目前长春市内最大的社区标志性景观广场。整个广场采用坡路式设计, 沿着台阶拾级而上, 穿梭在喷泉水景、特色墙、特色盆景、珍稀树种及名贵花卉围绕而成的空间中, 是一种视觉和心灵的双重享受。加拿大S&D园的此次设计亦为南郡·水云天“量身定制”, 力求与自然和谐共生, 达到了不仅实用, 更有艺术特质。把北欧式的建筑风格与人工的景观结合, 同时采用了借景的手法, 与近在咫尺的南湖景观相呼应, 达到建筑、景观和自然的一种完美结合。
2、动态水景的设计形式
代表项目之三长春中海水岸馨都, 该居住区的景观设计主要以动态水景为主, 同时外露的喷头可用带有寒地特色的造型装饰起来, 以减少喷嘴的外露面积;或采用旱喷泉, 将喷头埋于地下, 结合装饰样式, 定点开放以节约用水。在寒地城市水景的设计中, 瀑布体积宜小, 只作为点缀的小景。比如该居住区中采用防水、防冻材料制作的花箱小瀑布, 不但可以盛水, 而且也可以栽培植物, 同时规模小, 比较适合用于寒冷地区。因此, 我们在此看到了花箱层层叠放, 运用具有相应扬程的潜水泵所创作出的迷人瀑布效果。
3、水要素结合其它景观要素的组合设计形式
代表项目之四长春怡众名城, 该居住区水景设计区别于其它居住区在于其尽可能为居住区居民提供亲水环境, 在设计不结冰期的水景时, 还充分考虑了结冰期的枯水景观。当冬天过于寒冷, 居住区将会排空里面的水, 形成“枯山水”。寒地城市的大部分地区既寒冷又干旱, 冬季往往色彩单调, 所有的植物都基本上失去了鲜活的绿色, 因此景观设计在不同季节的视觉效果是一定要考虑周全的。比如冬季的色彩虽然单调, 但石材与其它非植物素材的造型却不会变化。设计时应在总体构思上宜根据当地的气候条件来考虑, 适当减少利用植物类造景的比例, 代之以在四季不变的山石类造型、枯山水、金属或石材雕塑置景等, 使之在没有自然色彩的冬季也保持着另一番美感。冬季水禁止使用时作为静态雕塑, 其它季节则作为动雕塑。
4、水景的固态形式———冰雪雕塑
代表项目之五长春南湖冰雪游园周边居住区, 南湖公园的冰雪狂欢游园会主要分为冰上游园区和陆地游园区, 总占地面积达到40万平方米。其中, 园区内的展品将以雪雕为主, 冰雕为辅。雪雕作品分为吉祥动物类、童话传说类和民俗宗教类。以水的三态形式固态为主体的冰雕和雪雕可以在冬季引入居住区中, 使之成为冬季水景观的亮点, 不仅可以改善冬季小区整体环境, 同时还可以满足人们的视觉要求, 在公共环境当中才能欣赏到的作品在居住环境中也可以感受到, 使冰雪艺术更广泛的被人们感知和接受。
三、寒地城市居住区水景设计原则及要求
通过对以上寒地城市的水景设计全面详细的研究, 结合寒地城市水景设计的制约因素, 寒地城市的水景设计应采用以下三点原则。
1、灵活使用
人们对于亲水性的表现以及对水景的参与性, 不同年龄阶段的人有不同的表现特点。在设计时应注意水景运用要符合人对自然的追求, 而设计的可参与性也是使用者的兴趣之一。社会性活动则需要有一个相应的人群能够适宜地进行活动的空间环境。要考虑与这种活动相关的适宜的空间层次的构筑[1]。所以除了水体本身的特性之外, 还要考虑观赏者的亲水特性。在居住环境的景观中心区可以采取音乐喷泉和水幕激光等, 水幕激光主要是指大型半圆或矩形的喷水幕墙, 结合激光发生器或电影播放器材可在水幕上作激光表演或播放水幕电影, 这种娱乐活动调动了不同年龄的人参与到亲水环境之中。
2、人性化设计
现代居住小区越来越重视居住环境人性化氛围的塑造, 品质优良的居住环境, 不仅应该具有供人欣赏的优美的形式, 在人性化上也应盖有一定的内涵, 考虑居民的视觉、听觉及心理上的多层次多方面的互动。芦原义信认为外部空间是由人创造的有目的的外部环境, 是比自然更有意义的空间。由于设计考虑的主体是环境的使用者, 而非设计者或决策者的喜好, 因此, 设计时要注重使用者的特性和需求, 达到人性化的设计目标[2]。比如在寒地城市的水景设计中应缩短人和水体的距离, 在安全的条件下尽可能让人融入水景之中。保证老人和孩子的安全使用和交通的便利, 比如有的水景区, 在未作任何防护设施的人行道边, 突然出现近一米深的垂直水沟, 其设计就很不人性, 人为地设置了陷阱。
3、形式美感与特色
居住环境在满足人们物质需求和精神需求的同时, 还要满足人们的审美要求, 采用形式美的基本原则将环境与水体很好的结合, 例如水景的空间形态设计, 运用水体的曲线处理, 围合与收放, 设计尺度与过渡空间等。与自然环境和周围环境要协调。例如, 一个呆板的大坑与一个胡乱装点的水池都是不美的。避免千篇一律、毫无特点和个性的设计。以“旱园水作”的方法增强景观效果。将自然要素作为一种符号浓缩提取:比如通过采用高高低低的弧形墙象征海浪;通过铺地色彩图案、材料变化暗示水的意念。运用与水有关的小品产生联想, 采用与水有关的小品如井、锚、旱桥、水闸让人一看就联想到水。也可以运用与水有关的形状, 比如取其形, 采用水形、水字或模拟水声。毕竟寒地城市的水资源有限, 各种水景的设计应慎重采用, 我们运用水的意象设计, 引发人们对水的联想, 产生精神意义上的水体设计, 或者运用各种先进的科学技术和艺术手段, 融水的形、色、声于一体及水、电、气、光于一身, 形成虚幻飘渺的独特的水景艺术形式和新颖的喷泉文化。
四、结语
居住区户外环境景观设计是一个涵盖多方面的持久发展的领域。水景设计是一个复杂的生态系统, 水体本身的可塑性极强, 如果能结合寒地特色, 可产生丰富多彩的水景形式。好的水景设计可以增加寒地城市景观的生机, 有益于寒地城市人们的身心健康并满足寒地人们的视觉艺术需求。所以如何运用大自然赋予寒地人们的水资源是寒地水景设计的关键。
参考文献
[1][丹麦]《扬·盖尔.交往与空间》[M], 北京:中国建筑工业出版社, 2002.[1][丹麦]《扬·盖尔.交往与空间》[M], 北京:中国建筑工业出版社, 2002.
寒地城市景观设计 篇2
寒地城市因为其冬季漫长、气候严酷而使城市在建筑、供暖以及交通等方面的碳排放上远远高于非寒地城市。而在经济性质的转变中对于低碳城市则是一个较为重要的方面, 主要包含提高燃气普及率、低碳能源等提高城市绿化方面的工作, 所以在进行寒地城市低碳建设时, 应从寒地城市自身特点出发, 制定适合的节能减排低碳化策略。
2 寒地城市建设特点分析
2.1 寒地低碳城市概况分析
所谓气候要素, 是特设地点、时间段内的状态及特征参量, 气温低、风沙大、冬季降雪等气候特征属于寒地主要的自然气候。
2.1.1 气温
气温:是一个量词, 作为衡量热状况较为常用的单位, 是对其他地区的热量条件的重要气候要素。寒地冬季普遍长达7-8个月。我国寒地城市基本集中于黑龙江省、吉林省、辽宁省等地区。
2.1.2 降雪。在我国寒冷地区, 冬季气温低, 持续时间长, 降雪会吸收周围环境中大量的热能。因此也是寒地规划中的考量条件。
2.2 寒地城市建筑分析
2.2.1 建筑布局特征
建筑布局特征:朝向选择、楼间距设计、整体布局格式。中国寒地城市依其气候条件具以阳光照射强度为基准, 采取“南北通透”设计理念, 基地通常选择在向阳的平地或坡地上, 以争取尽量多的日照;建设量通常较小, 而待开发的基地面积较大。
2.2.2 整体布局格式。寒地城市的整体布局格式大多采用全封闭式院落空间结构。
2.3 建筑单体
寒地建筑的功能:增加保暖系数、阳光取暖、遮风挡雪, 就外部形式而言, 在形态上更多的表现为抵御自然的不利因素, 普遍具有面南敞开度大、设计增加阳光照射时间;尽量减少自身阴影的遮挡, 墙体呈直角;减少北向窗口设计数量。
2.4 寒地城市的交通特征
交通特征:受寒冷高压气候影响, 人们在冬季会减少出行。由于降雪频繁, 形成冰雪路面, 交通运营能力降低, 造成车辆拥挤堵塞, 交通事故频发, 冬季 (约半年时间) 商业中心吸引力下降。
3 寒地城市低碳化策略
寒地城市, 其建设形式具有其独特的城市特征。如何将寒地城市走向低碳化道路, 要依据其城市的特点, 包括自然环境、人文理念、城市规划选择、道路交通各方面的综合特征有针对性地实施建设。
3.1 寒地城市低碳能源技术策略
多数寒地城市的能源结构目前来看比较单一, 由于有供暖需要, 煤炭使用比例高。寒地低碳城市的建设, 首先要从其生活生产的入口处减少化石能源的消耗, 同时建议使用新型能源、清洁能源。
3.1.1 寒地低碳城市太阳能技术策略。
开发适合寒冷气候的室外太阳能电池封装技术、电池板自洁技术、并网发电技术、照明灯具与照明系统、高效太阳能电池制备等关键性技术。加强太阳能与寒地建筑一体化, 提高建筑抵抗寒冷气候的能力。
3.1.2 寒地城市地热能技术策略。
地热 (大地热流) 是指在单位时间内由地下深处垂直向上传导通过单位地球表面散发的热量而获取的热能。既可以直接从地热水中提取热能, 用于建筑的供暖、温室种植等方面。也可以进行地热发电。通过发展地热能与建筑一体化, 逐步改变寒地城市主要依靠煤取暖的能源方式, 提高地热能在建筑供热热能中的比例。
3.2 寒地城市绿化低碳策略
与充满植被、碳汇能力很强的纯自然环境不同, 城市的碳汇能力基本取决于城市的绿化。无论是开阔的城郊绿化区域、城中散布的公园、植物园还是交通绿化, 都是城市碳汇能力的决定因素。
3.2.1 选择适合寒地的绿化植物
寒地绿化植物适合选择不过于高大的乔木树种, 以免遮挡建筑的光线。高度可以控制在15m以内, 树种要耐寒。由于冬季寒风凛冽, 树种要选择抗风种类。
3.2.2 增加屋顶绿化
建设用地与绿化用地的矛盾日益突出但是通过对建筑物屋顶的绿化等于是从建筑用地中争取出面积相当的绿化面积, 将大大提高绿化率, 提高城市固碳能力。
3.3 寒地城市交通低碳技术策略
寒地交通存在着一些优势, 如多数寒地城市具备地下人防工程, 为地下交通提供良好基础。多地处地质条件稳定区域, 有利于三维空间交通的构建。但是也存在冬季冰雪路面造成路网通行能力下降。冬季黑暗时间长。风雪天气频繁。冰雪路面, 机动车怠速排放量大。冬季出行舒适度低令许多市民选择使用机动交通工具, 增加交通能源消耗, 道路需要长时间照明的突出问题。
3.3.1 优化寒地城市交通照明
划分道路照明等级。主干道、十字路口、丁字路口、事故多发路段为第一级交通照明区域。使用照明效果明显的路灯。非商业区街道、次干道、居住区道路为第二级交通照明区域。其它交通流量小的道路为第三级交通照明区域。使用太阳能信号灯、太阳能路灯和节能灯, 作为道路信号灯和照明灯。
3.3.2 发展寒地城市“地上、地面、地下”三维交通系统
分离步行、公交出行、私车出行等多种交通方式, 提高交通运力。同时给出行者提供有“气候防护”措施的冬季寒地交通。构筑地下交通系统, 在地下构造人行通道用于连接地铁站、火车站等地。创造不受季节影响的地下交通环境。
3.4 寒地城市低碳建筑技术策略
3.4.1 寒地城市老旧建筑低碳节能改造。
老旧建筑屋面的渗漏是普遍性的问题, 屋面的隔热、保温必须同防水相结合。采用高强度、低密度高效保温材料代替一般保温材料;同时采用屋顶架空通风构造, 改善顶层房间热环境。窗户是传热和空气渗透的薄弱环节。因此可以在窗框与洞口之间应用玻璃棉等高效保温材料填塞, 做好保温, 尽量取消整体式窗台板, 窗台板单放, 有效减少窗周热桥, 提高保温能力。
3.4.2 寒地城市新建筑低碳设计策略。
建筑围护结构的密闭性、导热性和保温性直接影响低碳建筑的节能效果。也影响建筑内部空间的舒适性。寒地城市中的多层建筑较适用于采用外墙保温技术。另一方面, 屋顶设计花园为楼层保温的首选。在多层建筑的设计中, 在屋顶设计一个花园, 既美化了楼顶环境, 又可作为缓冲地带, 高温天气可以隔热, 寒冷天气可以保温, 而高层建筑的设计就适合选用外墙保暖的技术。
4 结论
以当代社会发展的大背景下, 可持续发展已经成为人类的共识, 低碳化经济发展也成为城市发展的第一要素。人类生存的主要场所是一座城市, 随着城市建设规模的增大、人口数量的递增, 也使得城市的生态被日益破坏, 能源日益浪费, 全球的大气环境问题日益突显出来。为此, 城市建设走低碳化道路是必然趋势。寒地城市因其特殊的地理环境, 气候低、日照时间短等, 寒地城市的低碳化道路正在研究之中, 其发展策略的重点应侧重于:产业抉择、建筑整体设计布局、能源的有效利用, 及人们传统生活方式的改变等等。寒地城市低碳化道路, 任重而道远
摘要：低碳建设作为近年来城市建设的重点, 其因地制宜性一直在普遍探讨阶段, 笔者对中国寒地低碳化提出了建设性策略。对于寒地城市的经济发展、自然、建筑、交通等特点加以分析, 查询高碳高能耗在此领域的来由, 相比寒地城市的特征对低碳建设的技术提供建设性意见。
关键词：寒地,低碳,城市建设
参考文献
[1]叶祖达.城市规划:从“碳足迹”开始[J].建设科技, 2009 (4) :15-46.
寒地城市冬季景观设计依据分析 篇3
摘要：
寒地城市冬季景观使用率低，市民冬季无处活动，然冬季景观不只有劣势，更有值得我们深入挖掘的优势，更能够体现寒地城市的特色，只有了解冬季景观的优势与劣势，才能有针对性地进行设计。
关键词：寒地城市；冬季景观；景观设计
寒地城市的局限性导致冬季景观的体验效果不如意，似乎我们没有丰富的植被就造不出优美的景观，这是认知与设计的误区。我们抛开形式，抛开风格，关注在严寒的冬日里，人们是否在景观中，获得到了温暖的阳光；是否在贫瘠的色彩中，找到了温馨的世界；是否用景观的方式做到了人们愿意去积极的参与户外的活动。本文分析冬季景观的设计依据，希望走出设计误区，营造出有寒地城市特色的冬季景观。
一、寒地城市冬季景观的优劣势分析
冬季景观不只有劣势，更有值得我们深入挖掘的优势，更能够体现寒地城市的特色，只有了解冬季景观的优势与劣势，才能有针对性地进行设计。
（一）劣势分析
寒地城市的地理位置导致其冬季景观在设计上受到很大的限制，表现在以下三点：1.气候严酷，寒地城市冬季气温低，寒风凛冽，给市民的出行带来一定困难，减少户外活动时间。2.植被单调，能够在寒地城市过冬的常绿树品种有限，除针叶类植被几乎冬季是没有绿色的，使得冬季景观色彩上单调。3.景观冬季利用率低，市民为了躲避冷风和严寒大都选择在室内活动，使得冬季景观看起来很萧条。
（二）优势分析
尽管气候严酷，寒地城市的冬季景观也还是有一定优势的，这些优势是属于寒地城市特有的美，我们应该善加利用。1.季相美，寒地城市四季气候分明，不同的季节有不同的色彩，这是很多南方城市所没有的景象，尽管冬季树木落叶只剩枝干，但我们也要学会接受和欣赏枝干美，尊重自然本身的面貌。2.冰雪趣，降雪是寒地城市常见的自然现象，利用好这一得天独厚的资源会给我们的冬季景观带来很大趣味性。
二、寒地景观设计现存问题
（一）冬季景观设计消极
很多设计师都认为冬季人们不愿出门活动，所以冬季景观设计得再好也是徒劳，索性放弃考虑景观的冬季使用，没有主动的呼应人们的冬季需求。另外，由于植被贫乏，很多设计师认为冬季不会有什么好的景色，但其实学会欣赏自然，欣赏植物冬季的本来面貌，也是一种美。
（二）景观冬季利用率低
冬季人们为了躲避寒风与低温选择室内活动，使得景观冬季利用率低，这一现状反过来又使得设计师更加消极对待景观的冬季设计，导致景观冬季使用率更低，形成设计与使用上的恶性循环。
三、寒地城市居民行为特点
寒地城市的居民外出活动较其他城市有一些独特的特点，了解这些特点有助于我们了解使用者，更好地进行设计。
（一）幽居现象
到了冬季人们或者主动或者被动地选择呆在家里，一方面怕严酷的气候，另一方面确实我们的景观设计没有给使用者提供好的景观体验。长期呆在家里不仅不利于我们的身体健康，更不利于我们的心理健康，同时也不利于人们的交往。
（二）活动时间
排除必要性活动，对于户外的自发性活动而言，人们更愿意选择一天中气温最高的时间下午出行，而且只会短暂的呆一会，呼吸一下新鲜空气，不能尽情地活动。特别是老年人，冬天更是无处可去，他们更多的是站在阳台看看外面的世界。
（三）活动地点
冬季户外自发性的活动，人们一般不会去郊游和野餐，更多的是选择在家门口的小场地晒太阳、呼吸新鲜空气或者锻炼。如果家门前没有适合晒太阳的地方，人们可能更倾向于选择呆在家里，很少走很远的距离。
四、寒地城市居民对景观的诉求
了解居民对于冬季景观的诉求，是我们设计最重要的依据，只有站在使用者的角度进行设计，才能把居民请出家门，来到我们的景观环境中。
（一）微气候调节
好的景观设计可以起到微气候调节的作用，我们可以屏蔽肆虐的冷风，可以引入温暖的阳光，还可以利用蓄热材料与温室效应营造温暖的小环境。人们一切不愿出门的根源便是严酷的气候条件，所以说冬季景观设计应该把改善小气候作为主要的设计目标，首先让使用者愿意踏出家门。
（二）增加活动
冬季适合人们活动的项目较少，但是也有具有寒地城市特色的活动项目，比如堆雪人、打雪仗、滑冰、拉雪橇、打冰滑梯等。如果我们的居住小区或者街心广场能够提供一些围合的温暖空间，供人们堆雪人、打雪仗，能够利用夏季的水体提供一些人们可以滑冰、拉雪橇或者打冰滑梯的机会，不仅能够增加冬季活动，提升景观的参与性与趣味性，还能够促进邻里间的交往。
（三）景观安全
对于安全的需求是人们的基本需求，冬季雪后特别是结冰以后，地面会变得非常湿滑，轻则影响人们的景观体验，重则危及生命安全，本来夏季漂亮的地面铺装，在冬季有可能变成夺命的杀手。地面铺装可以选择更多吸收太阳辐射热量的暖色材质，易于冬季积雪融化，并做好防滑处理，提高使用的舒适度。
（四）景观审美
冬季景观有冬季景观的美，不是假树、假花的五颜六色，而是欣赏自然的本来面貌，白雪的宁静、没有树叶的枝干的形态美以及枝条本来的颜色，尽管它们不像春夏那般绚烂，但同样是协调的自然之美，体会自然的变化，尊重自然的本来面目，是我们的生命之美。同时，我们也可以借助景观设施来丰富冬季的景观色彩，给人丰富、温暖的视觉感受。
五、结语
克服寒地景观的劣势，发扬寒地景观的优势条件，从使用者的行为特点与需求入手，进行寒地城市冬季景观的设计，才有可能设计出具有寒地城市特点并且好用的景观环境。使寒地城市的居民在严冬里也愿意踏出家门，享受温暖的阳光；体验丰富的景观；欣赏优美的具有寒地城市特色的景观环境，并且与邻里和谐的互动。
【参考文献】
[1]冷红.寒地城市环境的宜居性研究.北京：中国建筑工业出版社，2009
[2]刘德明.寒地城市公共空间环境设计研究.哈尔滨：哈尔滨工业大学，1998
寒地城市景观设计有哪些原则？ 篇4
1 以人为本原则
由于气候寒冷，寒地城市的景观设计有其独特的功能需求，满足市民的心理需求和情感需求，如活动场地尽量设计在避风向阳的地;公共活动空间应满足季节性特点，使四季都能充满活力的使用;植物配置应以夏季遮阴通风，冬季向阳防风为首要原则;广场、道路铺装选择防滑抗冻的材料等，景观功能与景观美学充分结合，将是寒地城市景观设计的主要发展方向。
2 地域特色性原则
由于气候的因素，寒冷城市具有地域性特点，虽然给城市居民带来了许多不利的影响，但是又给城市带来了独特的景观资源。一方面通过植物配置形成特有的四季分明的景观;一方面注重特有的冰雪景观给城市增添了新的活力和特色，同时给寒地景观资源的挖掘和创造提出了新的挑战了，加强季节性再设计，补充冬季景观的不足，增强寒地城市的吸引力;另一方面寒冷地区特有的生活方式和行为模式，孕育的独特的地域文化，挖掘历史文化内涵是反映景观特色最直接的要素，注重从传统中汲取设计灵感从传统化到民族化再到国际化，以朴素自然、温馨典雅和功能主义的简洁风格赢得了人们的尊敬，形成特有城市景观，
3 增强景观要素细节设计的原则
寒地生态建筑原真性设计方法 篇5
一、寒地生态建筑设计的原真思想
生态学是研究生物与环境之间关系的学科, 由此衍生出的生态建筑的核心即是建筑与环境的良好关系, 强调建筑对所在环境的适应与协调。建筑的“生态”是相对于特定环境的适应, 单纯照搬先进技术则背道而驰。在寒地环境中塑造一座具有“生态”特质的建筑, 出发点既是功能, 也是审美, 更是环境, 同时经济、文化等因素也左右着建筑的设计。在众多的需求与限制间, 唯有秉持原真的态度才能在众多要素中找到平衡, 真实地对此时此地做出回答。
原真性设计强调对所处地理环境的真实回应、对经济技术环境的协调适应、对文化价值的充分尊重。原真性不仅有“权威的”与“原初的”含义, 同时具有第二层次的时间维度内涵, [1]即“原初的及后续”。这与生态设计的宗旨不谋而合, 重视各个环节、不同阶段的持续表现。通过与地理环境、人文环境的对话, 对所处实际空间做出真实的反映, 展现出特定地域环境下建筑原本的样貌, 原真性设计即是对此情此景的抒发。[2]
寒地建筑最重要和迫切的任务是以生态的方式去应对严寒。这不仅仅是指消极的防御, 还包括在提高自身防护的同时尽量多地利用环境气候资源使得建筑能耗控制在较低水平。除此之外, 还意味着与周围环境和谐相处, 开放共融。以原真思想进行生态设计即是要理性客观地分析现有条件和实际诉求, 既不偏颇极端地走向技术至上, 也不单纯为了形象和舒适牺牲能源环境, 而是秉持着实事求是的态度进行权衡和选择, 塑造出积极适寒又融于环境的原真的现代寒地生态建筑。
寒地生态建筑设计是一个理性、平和的权衡过程。用设计的手法趋利避害, 让被动式气候防护发挥最大功效是体现原真的第一步;在被动式设计无法解决和保障的部分利用辅助技术进行补充是接下来的工作;在以上合理框架搭建起来的同时就可以与审美进行互动设计, 寻求原真性为内核的建筑生态之美 (图1) 。
二、适寒逻辑的构建方法
高效应对严寒是寒地生态设计的首要问题, 是原真设计的出发点。生态适寒设计是一个理性的思考过程, 它不是魔术和魔法, 它首先是经过仔细选择的一个相对简单而被动的策略。[3]这是一个包含多个层次, 由整体到局部、由简入繁的逻辑思维过程。这种与寒地气候特征紧密贴合、有章可循的推演可被形象地称为“高纬度的语法”, 其中有传统建筑的智慧提炼, 也有现代建筑发展的现实结合, 语法的表达取决于具体的环境和对象。下文以哈尔滨工业大学寒地绿色生态示范建筑 (以下简称示范建筑) 为例来阐述这个逻辑思维过程 (图2) 。
1.轮廓勾勒
依据基地的具体气候特征和范围形状、周边环境, 结合建筑的规模尺度, 可以勾勒出一个大致轮廓。示范建筑处于严寒地区, 基地形状规矩, 通过叠加风玫瑰、日照轨迹等气候数据可以分析出基地的西北和东北侧为光照和冬季主导风向影响下的不利朝向, 特别是西北侧紧邻百米高层, 不仅光照条件差, 且处于高层下风区会形成空气回流, 因此将西北与东北侧设定为封闭界面, 以保护内部热环境、减少冬季热损耗。
2.更多地引入光线
光是生命孕育的源头。寒地的冬季寒冷漫长而日照短暂, 光线和光能都是稀缺资源。建筑要尽量多地引入光线, 这不仅是自然采光、节约能耗的需求, 也是关怀人们心理健康的需求。
薄型组织和对体量的挖洞处理都有利于寒地建筑接纳更多的阳光。透明界面作为接纳光线的入口以及散失热量的出口而成为设计的关键。
寒地建筑对透明界面的控制是十分必要的, 也是生态设计的焦点, 但并不是要以生态名义压缩得越小越好。首先, 在合适的位置 (南向为主) 设置透明界面可以大大提高采光效率, 如南向窗墙比为50% 时, 室内照度可以达到高点, [4]引入的光能也可以弥补由窗散失的热量;其次, 生态设计是为了提供更舒适、健康、节能的建筑环境, 而不仅仅是为了降低能耗, 抛下人的使用和心理感受极端地追求开口最小化将是一种本末倒置, 一种技术和思想的倒退。
这并不意味着要追求寒地建筑的透明化, 用技术挑战气候, 而是要以原真思想遵从事实和需求对建筑进行合理的开口设计。需要明亮光线和宽广视野的部位, 如大厅、面向景观的界面等可以开较大的窗;需要塑造空间感, 具有独特空间语义的部位也同样可以采用透明界面。由此产生的必要能耗则需要从其他方面弥补。这里的首要原则是真正经过理性思考, 确为设计所需;尽量将其放在有利朝向 (南向及偏南的朝向) 且慎重设置面积, 则是另一个重要原则。
鉴于以上原则, 示范建筑在已经勾勒出的轮廓基础上对采光受限的部分打开光线通道, 同时在有利的朝向—东南和西南侧尽量安排开放的界面。为了在进深较大和朝向较好的地方更多地引入光线、提升入口的公共性与通透性, 分别设置了内院、中庭和适当面积的玻璃幕。建筑雏形初步呈现。从对办公区块自然采光分析 (图3) 可以看到, 经过光线设计, 区域内采光均好性非常高。
3.“温度洋葱” (thermal onion) 布局
将建筑所需功能置入建筑轮廓中需要对热工分区进行高效组织, “温度洋葱”策略即是对功能布局的方法指导。面对寒冷气候应将对温度有不同需求的功能空间分别安排在一系列的层中, [5]就像一层层包裹的洋葱皮, 从外到内对温度的舒适性和稳定性要求递增 (图4, 图5) 。
在示范建筑中, 这个策略得到了贯彻, 方案的最初阶段就进行了线性热工分区。由西南角的主入口开始层层向东北角递进, 依次安排入口大厅、开放展厅、会议空间、研究工作区域等功能 (图6) , 形成了张弛有度、能源利用高效的内部空间布局。
4.补丁
在形体轮廓和功能布局初步完成后, 需要对重点部位加强防护, 包括不利朝向和御寒薄弱部位。就像对衣服上易磨损、受寒部位打上补丁一样, 可以通过对这些部位增加构造厚度和缓冲腔体等方式来强化热量散失较大的薄弱点。
在薄弱部位附加构造或材料来御寒是简单有效的方式, 如增加保温层或结构厚度、转角加厚或设壁柱减少热桥等。壁体厚度增加一倍可使通过壁体的能量损失减半 (1) 。我国寒地建筑保温层厚度一般为80~100 mm, 而在示范建筑中保温层则达到了250 mm。享誉世界的贝丁顿零能耗住宅中, 北向墙体保温层的厚度更达到了300 mm, 与南向的通透界面形成强烈对比 (图7) , 再加上保温层内外的混凝土砌块, 墙整体的传热系数可以达到0.1 W/ (m�·K) , [6]非常有效地减少了北向热损失。
增加缓冲腔体是通过实体空间的阻隔缓冲来削弱外界不利气候的影响。在寒地其呈现的形式多种多样, 如双层幕墙、中庭、内院、门斗等。
示范建筑的缓冲腔体设计尤其让人印象深刻。除了常见的中庭、内院和双层玻璃幕墙外, 在建筑最不利的西北和东北侧设置了一条长长的开放式缓冲腔体, 结合三部疏散楼梯将建筑主体包裹起来, 就像给建筑的背风少光面穿上了一层棉衣, 让包裹于其中的空间温暖舒适。北侧和东侧基本为封闭界面, 为了适当引入光线, 沿腔体走向设置了一条天窗采光带。阳光泻入狭长的条状空间, 给建筑带来了一种宁静、平和的空间韵味。缓冲腔体成为了建筑中独特的场所空间, 这种独特是在积极回应气候、满足使用需求、对形体和空间进行权衡之后得到的意外效果, 而这正是原真设计带来的情理之中的真实表达。
5.互动与调整
在形体、功能与建筑大的虚实关系初步确定之后, 就可以进一步通过实体与审美的互动进行细节的调整。
就像是出自大自然之手的雕塑, 以原真的适寒语法刻画出生态逻辑通顺的坯胎, 在此之上进行的雕琢才会打动人心, 焕发出真实、和谐的光彩。
三、辅助技术的调度方法
建筑是由对不利气候环境的“防”开始的, 对气候的“用”体现了建筑的进化, 是建筑发展的必然趋势, [7]生态技术则是实现利用气候与环境资源的进化手段。“技术”多种多样, 除了建筑设计层面的狭义技术, 还有以能源管理和产品构件为主的辅助技术。
辅助技术的增加伴随着增量成本, 当建筑的现实条件不充足时, 选用不适宜的技术就是一种资源和经济的浪费。比如选用地源热泵需要确定用地是否充足、土壤和地下水源温度如何, 同时动辄百万级的投入也要与项目投资和回报期进行权衡。
辅助技术是为了更好地利用可再生能源、填补建筑设计无法解决的技术空隙。技术本身没有好坏之分, 辅助技术的选择与特定的气候环境、技术环境、经济性等都有着非常紧密的联系。对天津大学建筑节能中心提供的建筑实测数据进行分析可知这点 (图8) , 对于寒地来说, 建筑的本体设计如保温等才是最重要的节能手段, 而辅助技术起到的是优化补充作用。同时从分析可以看出, 同样的技术应用在不同气候区中的敏感性也不同。选择不当不仅无法产生能源效益, 浪费投资, 还可能会污染环境。这样的技术失去了真实性, 变得毫无意义, 甚至比摆设更糟糕。因此选择适宜的技术首先要判断技术的实现条件, 其次是技术的敏感性, 同时也要兼顾投资回报率。
对于寒地来说, 太阳能利用是比较有效的能源管理类辅助技术。太阳能相对其他能源来说占比极大, 且清洁可再生。而我国寒地的日照资源也相对丰富, 以一月份太阳水平面总辐射量为例, 比同纬度的欧美地区要更加丰沛 (图9) ;同时还有一个常被忽略的因素是我国寒地的冬季云量要远少于欧美地区, 从而实际得到的太阳辐射相对更多 (图10) 。此外从经济性考虑, 太阳能技术是比较成熟的可再生能源技术之一, 投入产出比较高。考虑到上述因素, 示范建筑结合腔体上方的天窗以及景观中庭设置了占屋顶面积1/5的集成光伏板。
设计还采用了多种适宜本地的辅助技术。如通过置换通风, 以及适合中式烹饪特点的厨房余热回收加热新风来降低冬季通风能耗等。
在产品构件的选择方面, 示范建筑更多地侧重了动态适应的性能。寒地气候四季分明, 冬夏温差高达60℃, 同时昼夜温差也非常大。生态设计对于变化环境的适应应该是动态的, 甚至是具有预见性的, 就像寒地动物对环境的节律与应激一样, 高效适应环境。双层玻璃幕墙的外侧玻璃设计采用了折板形式 (图11) , 可以对光线进行选择性吸收。内外层玻璃的选用也进行了9 种不同组合的性能对比研究。同时考虑到夏季阳光直射对单层玻璃幕墙室内的影响, 在内院南向和西向界面设置了可随光线动态调整角度的遮阳构件。
示范建筑重视技术与审美的有机结合, 展现了简洁而又精致的技术美, 这也是原真性设计的重要体现。
四、平和姿态的塑造方法
传统朴素的寒地建筑初遇生态设计多少有些不知所措。对生态设计方式和内涵的过度解读催生了种种先进设备技术展示的剑拔弩张, 还有一些设计则沉醉于个人的审美与野心, 将建筑突兀地置于环境中。生态建筑不是一种建筑类型, 而是一种理念和意识。它强调与环境的共融, 而非以外形来标榜技术属性。在寒地这幅白山黑水绘就的舒展大气的画卷上, 每一个景致都应该是画风和谐的细节, 是以平和姿态根植于寒地环境的真实表达, 是平和却不平淡的。
寒地建筑首先应展现出与周围自然环境的相融姿态, 就像是由环境中自然生长出来而富有生命力。这种生命力不是依靠夸张华丽的外表或者各种技术的展示来表达, 而是真实回应此时此地的客观条件, 经过适度的创作表达出来的。创作是基于理性分析的现实, 顺自然之理, 得自然之气, [8]是对环境的平和应对。
新疆冰上运动中心流畅的曲线布局顺应当地主导风向, 由此也形成了似天山雪莲的形态, 与天山山势相呼应。高效导风的屋盖形态不仅减少了屋面积雪, 且似自然雪帽, 展现了天山脚下冰雪体育建筑的原真之美。
生态设计与寒地地域性也是相生相融的。寒地建筑生态设计应与当地的风俗文化、民众的现实和精神生活紧密结合。生态设计不仅要提供舒适节能的使用空间, 更要与人们的精神诉求产生共鸣。提供人们心向往之的驻足场所, 以平和近人的姿态给长期处于冰封北国的人们亲切温暖的慰藉, 是寒地生态设计的应有之义。
位于日本北海道的“Nest We Grow”项目在以起伏的微地形、透明阳光板、漏斗型屋顶等设计充分回应周边环境的同时, 与本身的功能用途结合展现出的内部木框架形成了类似北海道落叶松林的景象, 让人获得新奇愉悦的空间体验的同时, 又有一种熟悉亲切的文化归属感。方整别致的形象是对环境和功能的平和解答, 却也因此有了一种独特静谧的真实美感。
作为一座环境友好型建筑, 哈尔滨工业大学寒地建筑研究中心也同样以方整的体形延续了周围环境的整体风格, 少量不规则开窗和大面积木界面又凭添了活泼温暖的色彩, 使其拥有了一种独特的平和之美 (图12) 。
当一座建筑以合理的内核与平和的姿态融入到寒地环境中, 将呈现出真正的令人愉悦的美感, 并且这种愉悦真实而持久。
五、结语
寒地建筑生态设计思想的源泉来自环境, 是对寒地环境的坦率应答。理性的环境分析先于感性的形式创作, 生态是现实, 形式是理想, 因此回答是诚实而又艺术的。生态设计的关键在于建筑设计层次的合理性, 既不迷信技术, 也不排斥技术, 而是作为设计的辅助手段协同面对环境。从原真出发, 既能够积极面对寒地的环境条件, 又能够生动地展现扎根于现实的创作力。原真性设计所展现的是建筑与寒地环境相宜相融、和谐而又充满生命力的生态内涵。原真性是寒地建筑生态设计的起点与归宿。
摘要：针对寒地生态建筑设计现存问题, 阐释原真思想, 从适寒逻辑构建、辅助技术调度、平和姿态塑造三方面论述了寒地生态建筑原真性设计方法, 并以实际案例进行深入解析。
关键词：原真性,寒地,生态建筑设计
参考文献
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寒地城市景观设计 篇6
水稻灌溉是需要消耗大量的水资源, 其优化管理可以节省大量的水资源。我国水资源十分缺乏且分布不均, 发展节水农业势在必行。以往的水稻灌溉, 没有配套完整的灌溉系统, 灌水时采用大水漫灌或人工洒水, 不但造成水的浪费, 而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足, 而对植物的正常生长产生不利影响。这种粗放的灌溉方式与落后的灌溉技术已不适应于现代农业发展的需要, 而现有的灌溉技术还比较落后, 自动化程度不高。近些年来, 随着传感器技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展, 现代化的远程节水灌溉已成为农业发展的热点。本文以黑龙江省八五九农场水稻高科技园区为试点, 建立了一套寒地水稻节水控制灌溉试验系统, 实现了灌溉的远程控制, 并且利用软件及数据库技术详细记录了水稻不同生长期及不同灌溉方式下各个试验田的灌水量, 为进一步分析提供了可靠的依据。
2 节水灌溉的系统组成
节水灌溉试验设计了两片试验田, 分别使用江水和井水进行灌溉, 每块试验田分成9部分, 每三部分分别试验控制灌溉、节水灌溉和叶龄灌溉。
节水灌溉无线控制试验系统组成如图1所示, 控制中心通过无线数传模块控制1#和2#试验田进水和出水阀门开关, 实现无线控制功能, 远端流量计自动上报实时进水和出水的流量及总流量。
3 系统管理的上位机软件设计
上位机开发使用Delphi 7.0, 其以图形用户界面为开发环境, 通过IDE、VCL工具与编译器, 配合链接数据库的功能, 构成了以面向对象程序设计为中心的应用程序开发工具。
3.1 前台设计
软件前台使用了支持Delphi环境下的Iocomps工控控件, 该控件产品功能强大, 能够实现各种仪表的显示效果。如图2所示, 使用该控件实现阀门开关和管道流水效果, 使软件操作人员方便使用。由图可以看出, 两块试验田分别实现了两种水源和三种灌溉方式的试验。
另外, 系统还设计了其他节水控制灌溉试验的测量, 如图3所示, 包括土壤水分常数、测水量水、常规气象、土壤水分和田间水层。
土壤水分常数测量包括:四个土壤样品的总重、环刀重和容重, 并由此计算容重平均和饱和含水率。
测水量水将水稻生长期分成返青期、分蘖期 (初期、中期和末期) 、拔孕期、抽开期、乳黄期和黄熟期, 分别记录三种灌溉方式下不同时期的灌水量。
常规气象记录空气温湿度、气压、风速、蒸发、水气压、日照和降雨量。
土壤水分记录五个采样点三种灌溉方式下的平均含水率。
田间水层可以将安装在试验田间各个部分的水位计来进行读取并计算。
由于篇幅限制, 只列出土壤水分录入部分的界面, 如图4所示。
3.2 数据库设计
本系统采用SQL Server 2000数据库, 使用Delphi的ADO引擎。数据库不仅自动记录下每个阀门开关的日期、流量, 同时还记录了3.1节中所试验的各项数据, 根据管理人员选择的查询日期, 可以方便的查询历史数据, 为进一步分析采用何种方式进行节水灌溉提供了基础。
3.3 串行通信
串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去, 同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。串口按位 (bit) 发送和接收字节, 可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口, 这些参数必须匹配。波特率:是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。数据位:是衡量通信中实际数据位的参数。停止位:用于表示单个包的最后一位。奇偶校验位:是在串口通信中一种简单的检错方式。
目前最被人们熟悉的串行通信技术标准是EIA-232、EIA-422和EIA-485, 也就是以前所称的RS-232、RS-422和RS-485。
RS-232 (ANSI/EIA-232标准) 是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途, 比如连接鼠标、打印机或者Modem, 同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进, 实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。
该系统解决方案中控制模块与PC之间是通过RS-485来实现通信的。
软件开发中使用spcomm控件来进行串行通信的, 通讯格式为:数据长度8位, 停止位1位, 无奇偶校验位, 传输速率9600bps, 由Timer控件定时对各个传感器轮询监测, 查询指令分别为0104000A0004D1CB、0204000A0004D1F8、0304000A0004D029、0404000A0004D19E、0504000A0004D04F。
4 结论
寒地水稻节水灌溉试验系统完成了对灌溉阀门的远程无线控制, 并且对农田灌溉中的主要参数进行了实时采集, 利用上位机监控软件能够计算出格田每公顷地的用水量和农田作物生长过程中的各种数据的实时监测, 极大改善了我国目前农田灌溉人工操作的现状。该系统实验数据具有较强的参考价值, 具有较强的数据处理功能, 经半年多的实际运行, 其性能稳定, 运行可靠、易操作、使用维护方便, 具有很好的可扩展性和较高的实用价值。
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寒地城市景观设计 篇7
关键词：沼气发电机组,余热回收,仿真与优化
1 引言
沼气发酵工程是消除家畜粪便污染的有效手段之一, 将家畜粪便中含有的大量有机物转变成拥有高热量值的沼气, 然后经过沼气发电机组燃烧以产生电能和热能,实现了生物质能源的有效利用[1]。因此,应用生物质热电联产的沼气发酵工程日益受到重视, 作为一种清洁能源,近些年得到了迅速的发展,为社会主义新农村建设以及国家能源发展做出了巨大贡献[2]。然而,在现有的沼气发酵工程中, 为了有效缓解进料以及环境等条件对发酵系统的影响, 系统控制方案仅仅通过少量温度传感仪表判断是否需要外加热源,以这样简单粗放的控制工艺方案实现沼气发酵过程中的余热利用以及热平衡, 并未形成寒地沼气发电机组余热利用与沼气发酵工程外加热源有效互补机制,容易形成二次能源浪费等严重问题,直接影响沼气发酵工程稳定、经济效益的提高, 制约了沼气工程的进一步发展[3,4]。因此,对沼气发电机组余热回收利用的控制策略进行优化智能控制就显得非常重要。
针对上述问题,本文以牛粪高温厌氧发酵工艺的沼气发电工程为例,在详细分析整个系统工艺方案的基础上,重点研究了环境温度变化与热水罐加热时间以及消化反应器耗能的关系, 引入热量平衡分析, 推导高温厌氧发酵反应器随环境温度等变化条件的负荷,以技术经济评价指标为优化目标,建立沼气发酵工程的热量分析仿真模型, 实现系统热量的动态监测与管理, 确定外加热源的补偿机制, 高效、节能和精确的控制外加热源, 实现智能加热,有效节能环保。
2 沼气发电系统
2.1 系统概况
为了研究沼气热电联产系统的控制优化方案,课题组以黑龙江省杜尔伯特蒙古自治县建设的沼气热电联产系统运行平台为研究对象,包括进料处理、消化反应器、固液分离、沼气处理、余热回收等5个子系统,如图1所示。该闭路循环综合系统采用高温厌氧发酵工艺, 将牛粪转化为沼气发电并产生沼渣肥料, 可实现年处理1万吨牛粪,生产沼气7.5万立方米,制成生物肥料2000吨,并发电120万千瓦,系统示意图如图1所示。
2.2 余热回收装置
该沼气系统的余热回收流程如图2所示,其中废热回收子系统包括沼气发电机组、热水罐、喷淋塔、烟气换热器、缸套水冷换热器等设备。消化反应器子系统产生的沼气在预处理后, 经过冷凝、脱硫处理后, 由罗茨风机泵入燃气内燃机燃烧做功,进而驱动同步发电机转化为电能。发电机组产生的热能一部分以烟气的形式依次经过一次换热烟气换热器和二次换热喷淋塔, 用于热水罐加温;另一部分热能通过缸套水冷换热器收集余热,既实现了发电机组冷却又确保了消化反应器的温度恒定。
在沼气发电系统中,采用济南柴油机股份有限公司生产的140GF-Z改进型号沼气发电机组,该机组的额定功率140k W,配套无刷励磁式交流发电机,主要部件部采用进口原装部件,具有结构紧凑、维护方便、工作可靠等优点。
3 余热回收过程分析与计算
3.1 烟气余热回收过程
1、烟气换热器入口与出口温度关系模型
图3显示了烟气换热器在不同被加热入口温度下被加热出口温度的变化关系。
沼气发电机组以额定功率运行,通过调节烟气换热器被加热入口温度,获得了烟气换热器的被加热入口和出口温度的关系,出口温度开始随沼气发电机组运行时间会有所上升, 但是运行5分钟后出口温度基本稳定。出口温度受入口温度影响较大, 随着入口温度从4℃上升到20℃,出口温度从45.6℃增大到54.2℃。
将处于平稳阶段的温度数据取平均值, 建立出口温度随入口温度变化的曲线,如图4所示。通过图4可以发现,出口温度与入口温度呈线性相关。因此,对不同入口温度下平均出口温度进行数据拟合,获得公式如下:
其中:T1是换热器被加热入口温度,单位℃;T2是换热器被加热出口温度, 单位℃, 拟合公式的相关系数R2达到0.995。
2、热水罐热量计算模型
从沼气发电机组的烟气余热回收方案分析可知,在烟气换热过程中, 由于注入冷水的温度受外界环境影响, 以及热水罐内部的水温及容量实时变化。因此, 整个换热过程为不稳定传热,所以稳定传热过程的公式不方便应用。为了解决上述问题, 首先设定简化条件, 忽略次要因素,将其缓慢变化的物理参数视作恒定或取平均值,使问题进一步简化:(1)在换热器管道压降允许情况下, 已知水流速越大换热效果越好, 所以流速取恒定值ms;(2)热水罐内部的水温均匀一致;(3)水的比热容均恒定;(4)忽略管道的热损失。
在此基础上,列出热负荷微分方程式[5]:
式中:cp 是水比热容,k J/(kg﹡℃); T4是烟气的入口温度,℃;T3是烟气的出口温度,℃; T5是水的入口温度,℃; T6是水的出口温度,℃;Ws 是烟气的流速,kg / h;Cp 是烟气比热容,k J/(kg﹡℃)。
热水罐温度加热至指定温度t时,所需要的总热量:
式中: Q需是总热量,k J; ρ是水密度,kg/m3;t1 是注入冷水经过晒干塔后的平均温度, ℃。
由冷水与热水的混合温度公式,可知热负荷微分方程式:
式中:ms1 是注入冷水的流速,kg/h;t2 是热水罐内的温度,℃。
将式(1)代入上式:
分离变量积分:
然后再根据热水罐和热交换器热量衡算及物料衡算关系, 便可导出加热公式:
其中, Q热水罐是热水罐外加热源,k J。
3.2 消化反应器的热量平衡分析
在沼气系统中,消化反应器散热分析是验证余热系统是否符合工程需求的主要依据之一,消化反应器的热负荷主要由三部分构成:消化反应器散失引起的热负荷; 进出物料过程引起的热负荷,由于热水罐拥有充足的热水, 使进料的混合温度约等于发酵温度, 其影响可以忽略不计;沼气携带以及搅合和生物热负荷,其热量在计算中比重过小忽略不计[6]。因此沼气工程热负荷主要由消化反应器散失的热量Q1。
消化反应器散热总能量计算公式:
其中:Q1是消化反应器散热总能量,k J; Q底是通过消化反应器底部散出的热量,k J; Q侧是通过消化反应器侧壁损失的热量,k J; Q顶是通过消化反应器顶部散出的热量,k J;t是时间,h。
多层壁热传导公式[5]:
其中:Si 是发酵反应器不同位置的面积,m2;T0 是发酵反应器内部温度, ℃;Ti 是消化反应器不同位置的外部环境温度, ℃;∑bi 是消化反应器的各部分结构参数的累计相加;δi 是各部分结构厚度,m;λi 是消化反应器各结构层导热系数,W/(m﹡℃)。
根据消化反应器的温度恒定, 可知通过Q余循环冷却水换热的功率是恒定的,因此消化反应器的热平衡公式为:
其中: Q消化器是外加热源,k J; Q余是循环冷却水换热的功率,k J/h。
4 余热回收过程的验证与控制策略优化
4.1 模型检验
实测计算与公式计算数据的对比结果如表1所示。
通过表1可以发现经过实测计算的结果与采用上述推导公式计算的结果相差不大,表明上述公式在实际应用中比较理想, 达到了预期的目标。
4.2 控制策略优化
在沼气发电机组余热回收过程的公式推导与验证基础上,结合现有的余热回收装置,通过式(7)和(10)分别计算出需要外加热源, 然后依据整个沼气系统的负荷情况,确定启动与关闭外加热源,建立一种基于动态热量平衡的优化控制策略,实现更加精确与智能的控制方案,减少能源浪费,更进一步提高系统的节能效果与经济优势。
5 结束语