摘要：随着我国社会和经济的发展，人民生活水平不断提高，严寒、寒冷地区的省、市级城市对四季常绿的高档景观草坪地暖的需求也越来越多。各种高档景观草坪地暖的数量也急剧增加，但由于冬、春季气候寒冷，草坪地暖受低温胁迫后会失绿枯死，损害了生态环境及人文景观。本文针对草坪地暖冬、春季下部增温保绿技术，对草种的选择及土壤温度场的计算进行研究，并优化供热方案确定热源、采用独特的加热盘管敷设方式、控制系统的最佳配置和运行管理摸式，从而达到较好的节能效果和经济效益。
关键词：高档景观草坪地暖 增温技术 根系温度 土壤热容量 土壤传热性能
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1 引言
据资料介绍，冬季草坪地暖保温，在国外北欧地区除已有个别竞级场所的足球体育场外，还有某些高级别墅建筑物道路的化雪已经采用了地面供暖技术，国内要建造上万平方米以上的冬季草坪地暖保温项目到目前也应算首次，到目前为此，首先缺少国内外类似工程的经验，在文献及资料中尚未有查到介绍有关此内容及案例较少。另外，缺少冬季草坪地暖增温的重要技术参数及理论依据，还有冬季草坪地暖中引进各类绿草的耐温根系及国内冬季气温的适应性，更重要的是草坪地暖增温对地面供暖技术的应用及适度，根据以上内容，并就冬季草坪地暖增温的设计、热源、控制和施工管理技术等难点进行了分析和探讨。
2 工程概况
天津恒大绿洲酒店位于恒大绿洲项目地块的西南角，东丽区东丽湖东丽之光大道以北、新地河路以西，本建筑集国际会议中心、五星级酒店、娱乐中心、饮食中心为一身的综合性建筑群，风景秀丽、绿草如茵，总建筑面积约16万m2，公建区用地面积为37万?。
本绿洲酒店公建区域绿化冬季草坪地暖增温（地热）工程，施工范围共划分为三个区域，一区域：公建区中心湖五星级酒店前两侧绿化区域，面积约6376平米；二区域：温泉中心内庭院，面积约1900平米；三区域：中心景观区，面积约7960平米。三个绿化区域总面积约16236平米。中心景观区区域见附图1。
3 冬季绿化草坪地暖增温工艺技木要求
3.1 冬、春季绿化草坪地暖土壤温度及根系温度
北方严寒地区秋、夏两季只要有足够的阳光、潮湿的土壤、适宜的温度，精心的管理使草坪地暖常绿、郁郁葱葱是可能实现的。但是，冬、春季的华北平原，滴水成冰，要想使草坪地暖常绿，除有足够的阳光、潮湿的土壤外，更重要是要确保绿草在土壤里生长的根系温度及覆盖地面草坪地暖植物的生长温度。本工程由于绿化草坪地暖面积较大，使用功能不同，因此，采用的冬、春季播草种也有所差异，如二区温泉中心内庭院全部植物（包括乔木、灌木、地被）四季常绿，采用国内耐寒草种，在绿化一、三区域引进加拿大草地早熟禾、高羊茅、黑麦草季型混播草种，无论采用国内耐寒草种，还是引进国外草种，地表温度及根系生长温度有些不同，园艺师要求，植物保持冬季常绿的土壤里生长的地表温度达到5℃以上，除此以外，国内耐寒草种，应确保冬、春季裸露在10cm处根部密集区所需的生长温度约为8～10℃，引进国外草种10cm处根部密集区所需的生长温度约为10℃，灌木和乔木种植区在土壤深度1m范围内需维持在8℃～10℃之间，才能确保冬、春季裸露在室外的草坪地暖正常生长。
3.2 草坪地暖增温工程技术要求
设计技术要求如下：
3.2.1草坪地暖加热系统应能使草坪地暖根部保持正常生长所需的温度范围，尤其是在冬季极端恶劣天气（室外-15℃时）情况下，使草坪地暖能够保持常绿的景观效果。
3.2.2草坪地暖加热系统操作、使用应方便，并能自动调节加热温度及开关时间。
3.2.3草坪地暖加热系统应符合安全性，不漏水、不漏电、防水等的相关规范要求。
3.2.4草坪地暖加热系统的设计应方便维护和维修。
3.2.5草坪地暖加热系统利用电热对草坪地暖土壤进行加热，保证设备、埋藏管线等不对景观产生影响。
3.2.6草坪地暖加热系统应考虑运营成本，并且要节能、环保。
3.2.7草坪地暖加热系统的埋藏管网不应对种植树木生长产生影响。
3.2.8草种建议采用冷、暖型混播草。草坪地暖土表以下10cm处需达到10℃，灌木和乔木种植区在土壤深度1m范围内需维持在8℃～10℃之间。
3.2.9各种植被区域的地热系统，在乔木中心半径2m范围内不得布置管线；灌木中心半径1m范围内不得布置管线；草坪地暖离土表深度25cm范围内不得布置管线。
4 草坪地暖保温热量的确定
4.1 气象资料的确定
4.1.1地表温度5℃；
4.1.2 日平均温度≤5℃的天数120天；
4.1.3 极端最低温度-22.0℃；
4.1.4 极端温度平均值-14.6℃；
4.1.5 累年最冷月温度-8.1℃；
4.1.5 最大冻土度69cm。
4.2 草坪地暖增温热负荷的确定
草坪地暖热负荷室外参数是按照室外极端温度平均值-15℃，地表温度5℃确定。
草坪地暖增温技术实际上给草坪地暖下部根系保温，确定草坪地暖下部增温技术的热负荷不是一件容易的事情，其计算方法较复杂，不但要充分考虑栽培各类草坪地暖植物生长机理及土壤的传热介质物理特性，更应了解对土壤传热性能的导热率、土壤的热容量及土壤的热扩计算散率等几方面的因素，除此以外，在白天如有日照情况下应对太阳光补充热量计算，便于对草坪地暖植物供热量的减少，节省能源减少运行费用。
土壤的导热率：土壤吸收热量后，一部分用于它本身的升温，一部分则传送给其邻近土层。土壤具有吸收、辐射、传导热量到邻近土层的功能，应称为导热性，导热性的大小用导热率来表示，其计算公式见（1-1）。
λ=t1-t2/dQ/AT
或λ=AT(t1-t2)/Qd (1-1)
式中：λ?单位土层厚度（1cm）、温差为1℃时，每秒经单位断面（1cm2）通过的热量，j/?²•S•℃；
t1?土壤温度，℃；-2
t2?相邻温度，℃；
d?土壤的厚度，mm；
Q?在一定时间内（T）流动的热量；
为便于土壤的导热率计算，现将土壤不同组成成分的导热率列表进行归类，见表1。
注：单位体积内土壤的组成比例为土壤矿物质40%～60%，水和空气的比例为20%～30%。
土壤的热容量：土壤空气的热容量很小，其计算公式见（1-2）。
Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw。 (1-2)
式中：Cv?是指单位质量（重量）或容积每升高（或降低）1℃所需要（或放出）的热量，一般℃用来代表质量（重量）热容量，J/g•℃。
为便于土壤的热容量计算，现将土壤不同组成成分的热容量列表进行归类，见表2。
土壤的热扩散率：是指在标准状态下，在上层垂直方向上每厘米距离内，1℃的温度梯度下，每秒流入1?2土壤断面的热量，使单位体积（cm3）土壤所发生的温度变化。其计算公式见（1-3）。
D=λ/Cv (1-3)
式中：D?土壤的热扩散率；
λ?土壤导热率；
Cv?土壤容积热容量。
土壤补充热量的计算，要充分考虑传热介质土壤的热物理特性以及加热管的埋深、供水温度和植物的生命学特征，综合进行考虑。由于土壤是一个可变的介质，土壤中的水、空气是动态因子，不断发生变化，因而所计算出的补充热量也应该是一种动态，不像工程建设中的热耗相对稳定，需要进行调节。
太阳光补充热量的公式计算：其公式见（1-4）。
Q=D•Cv•ATd(t1-t2) (1-4)
式中:Q?单位面积（?2）梯度为1℃通过的热量，kW；
D?土壤的热扩散率；
Cv?土壤的容积热容量；t
t1-t2/d?土壤及其它物质两端间的温度梯度；
Q/AT?一定时间内单位面积上流过的热量。
通过以上分析，草坪地暖保温热负荷的确定，与土壤不同组成成分的导热率、土壤不同组成的热容量、土壤的厚度、外表面换热系数有关，其公式参照见（1-5）。
(1-5)
其计算结果：一区域，温泉中心内庭院和酒店两侧：1821kW；二区域，心景观区：1752kW，草坪地暖保温总热负荷为3573kW。白天有太阳光时，采暖总热负荷2340kW。
由于不同作物对土壤温度要求不同，依据上述公式中t1-t2/d可知，只要调整土壤相邻的温度梯度，就可以算出应补充的热量。当土壤表层温度t2变化时，土壤底层t1应发生变化。由此可知，在加热盘管埋入的深度不变时，通过调整供水温度或水流量，可达到调整土壤温度的目的。
5 草坪地暖增温热源的确定
通过对草坪地暖增温所需要的总热负荷经计算得知，为实现冬季草坪地暖增温需要的热量达每平米210W，证实每平米草坪地暖增温耗能量非常之大。热源选择是确定运行节能的重要依据，通过对本工程增温能源结构的分析拟定两种方案供业主选择。
5.1 太阳能与洗浴废水热能回收与燃气锅炉联合系统
首先利用绿洲温泉中心生态洗浴热回收系统，通过太阳能与洗浴废水热能利用，在夏、秋季节向温泉中心提供热能，在春、冬季节向公建区中心湖五星级酒店前绿化区域供热。夏、秋季满足洗浴热水与温泉维持水温能耗，冬季与燃气锅炉联合向约16236平米的三个区域提供热源，本技术方案主要由三大部分组成，即从温泉水中取热、太阳能供热、洗浴废水余热回收供热，燃气锅炉补热，达到获取巨大的经济效益与社会效益，设计方案简述略。
5.2 锅炉房供热方案
由于本工程温泉中心内庭院，面积约1900平米为后建，另外，太阳能设置场地有限，第二个热源选择用锅炉房供热方案。
选用燃气铸铁�？槔淠嗳然厥展�，单台锅炉输出功率为266.9kW，锅炉总台数为14台。锅炉总热负荷为3736.6kW。
选择�？槔淠嗳然厥展碛晌萜旱嘏Ｎ轮缫刮虏畋浠洗�，热量的调节一般在20%到100%之间波动，锅炉输出热负荷随之及时可调节，另外，可保持高效、节能运行，为用户节省大量的运行费用。
6 草坪地暖增温技术系统设计
由锅炉房供给一次水，设计供回水温度95/70℃，经板式换热，二次水供回水温度40/30℃给草坪地暖增温。整个管道系统采用大型管道分集水及同程原理，管道每个环路铺设管线等长，系统流量、压力自均衡，无特殊情况下无需加设平衡阀，中心景观区冬季草坪地暖局部布管图见图2，冬季草坪地暖布管局部剖面图见图3。
整个管路系统采用塑料管道PPR管材，支管与干管之间采用鞍式焊接技术，除少数阀体外，全程基本无金属管道管件，杜绝由锈蚀造成的堵塞、损坏及维修。
系统末端采用20×1.9的PPR塑料管道分块铺设，一般情况下管道间距为250mm，热量输出最大为220瓦每平米�？筛菔导是榭龅鹘谔艄庹彰嬗胫缫谷仁涑鋈戎档男枨�，考虑到节能及系统运行成本的因素，整个系统应增加自动控制系统，根据天气、环境温度、早晚温差等因素，在满足要求的情况下实现供水温度、系统运行的自动调节。
根据同程原理，首先设计中把施工部分划分为若干个面积均等的区域，末端管道通过专用导轨固定，导轨由18mm长的钢钉固定在地表层，有效的防止施工过程中可能的管道位移。
管道下部硬化土层应加设导水槽，以防止积水，管道上部覆盖细沙，平整后铺设土壤草坪地暖层。
绿地周边挖地沟铺设主管道，主管道需根据要求加设管道保温。主管道与支管连接段，由高度差造成的弯曲部分，必须加设8倍弯曲半径的硬质�；ぬ坠�。主管道与设备之间采用法兰连接。整个系统根据需要加设若干个手动排污阀、自动排气阀及温度计。
7 草坪地暖增温系统控制
根据本工程草坪地暖增温的特点，选用相关控制部件及控制系统来实现对整个种植区及草坪地暖区的土表温度及根系生长温度进行高效精确的管理，并实行全时间的自动监测和控制，并同时收集、记录、保存及管理有关系统的重要信息及数据，达到提高运行效率、节省能源目的。
7.1 热源系统控制
锅炉分级启动及压差旁通功能的实现，可分级启停锅炉系统，达到最大的节能目标�？刂破饔肓铀苣谖露却衅骱褪彝獯衅�，根据供、回水温度来实现锅炉能量分级输出，并加入室外气候补偿功能，以实现节能，智能化锅炉房控制。
7.2 支路控制原理
温度、压力、湿度控制是实现草坪地暖增温，确保植被茂盛最重要的手段之一，首先从锅炉房中央控制器中的温度传感器读取当前表土温度（草皮/表土以下10cm处），并根据温度调整设定值及时间；然后调节支路内两通阀（供水+回水），以达到安全使用，防止防冻液外流，进而损坏草皮、植被等周围环境。湿度控制是在表土草皮以下5～20mm处放置土壤水分传感器，实时检测表土含水量，如果土壤湿度超过设计值，将启动自动喷淋系统进行水分补充�；蚪彼ň林锌厥抑骰�，由人工进行补水/喷淋。
8 结束语
在北方的冬、春季节，对景观草坪地暖增温保湿，保持草坪地暖土壤冬季不结冻，草坪地暖的植物保持绿色生机，在寒冷的冬季也能正常生长，具有重要的现实意义。本文对北方地区草坪地暖冬季保绿、作物种植、草种的选择、智能调温调湿、土壤温度场进行分析，通过本工程的实施，在总结经验的同时，尽早开发适应国内北方气候条件的防寒保绿技术，形成战略性新兴草业与生态牧业相结合的产业发展模式。通过对结论的分析，确认设计参数准确性，可作为工程应用参考及借鉴。
参考文献：
[1]宋桂龙. 草坪地暖床控温对模拟鸟巢式体育场草坪地暖生长的影响[D]甘肃农业大学，2007.
[2]宋雪枫. 冬季覆盖对草坪地暖土壤水分、温度及绿期的影响[D]北京林业大学，2010.
