关中地区日光温室前屋面曲线标准化设计_赵昱权.pdf

135 科技纵横农业开发与装备 2022年第1期 关中地区日光温室前屋面曲线标准化设计 赵昱权 1 2 1 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 陕西杨凌 712100 2 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室 陕西杨凌 712100 摘要 研究在关中地区下不同日光温室采光面曲线的 设计与太阳辐射计算分析 为关中地区日光温室的设 计与建设提供参考 基于日光温室基础定量 以数学 理论为依据 设计三种前采光面曲线 并模拟出其太 阳辐射量 结果 圆弧与幂函数曲线 双圆弧曲线 三次样条曲线的进光量分别为310 848 MJ 08 031 MJ 318 126 MJ 从进光量角度来看 陕西关中地区最优的 前屋面曲线为L 3 从节省材料角度来看 最优的前屋 面曲线为L 1 关键词 日光温室 采光面曲线设计 标准化 0 引言 日光温室前 采光 屋面不仅是温室的主要的采 光结构 还直接决定了其蓄热和力学承载能力等诸多 因素 日光前屋面有多种形式 其形状主要有椭圆 1 抛物线 双曲线 2 等多种类型 也有从屋面承载力的要 求角度出发 得到采光屋面的类型 3 经过国内学者 对日光温室屋面的多年研究 不同形状的屋面均能保 证良好的采光 蓄热与承载力要求 但是在实际日光 温室工程建设中 建造者大多对设计环节不够重视 主要根据偏经验化的方法来建造 到目前为止也没有 真正适合于关中地区日光温室建造的具体参数 杨凌 地处陕西省关中盆地中部 位于东经108 4 北纬 34 16 之间 属大陆性季风气候 气候温和 环境条 件非常利于发展设施农业 本研究在确定日光温室设 施前屋面角 跨度 脊高等参数的前提下 结合以往 学者的研究成果 以数学理论模型为依据 制定出适 用于关中地区日光温室前采光面的曲线及参数 1 确定日光温室基本参数 1 1 前屋面角计算 前屋面角的大小决定了温室前屋面与太阳光线所 构成的入射角大小 根据前人研究 入射角的大小又 影响光线的透过率 4 当入射角为零 光线的透过率最 大 但是不符合实际建设 故针对日光温室前屋面角 的选择问题 前人已有大量研究 综合来看 前屋面 角的计算公式为 5 1 2 3 4 式中 日光温室采光面朝向正南时的最佳采光 屋面角 10 冬至日上午10时的理想屋面角 10 冬至日上午10时的太阳方位角 10 冬至日上午10时太阳高度角 太阳时角 取值为 30 地理纬度 咸阳地区取值为34 太阳赤纬角 咸阳地区取值为 23 094 太阳入射角 采光设计以冬至日为计算基准 覆盖材料的透光率的计算公式如下 6 5 式中 透明覆盖材料对太阳辐射的反射比 光在玻璃内前进时穿透的比率 根据以上公式得出日光温室玻璃的透光率以及太阳 入射角的变化关系得出数据 具体结果如图1所示 太 阳入射角在0 40 范围内透光率并无太大的变化 当 太阳入射角超过55 时 玻璃的透光率急剧下降 图1 太阳入射角与玻璃透光率的对比 在实际工程上 一般将薄膜透光率衰退程度的 2 作为取值临界点 在图中所对应的太阳入射角为为 43 联立上式求得关中地区日光温室最佳前屋面角 24 446 根据图2 利用三角函数关系 可以计算出不同跨 度对应前屋面角和脊高的表达式 将最佳屋面角代入 6 得脊高与后屋面水平投 影关系式 6 基金项目 陕西省科技创新引导专项项目 2021QFY08 01 136 科技纵横 农业开发与装备 2022年第1期 注 L 跨度 H 脊高 L 1 前屋面水平投影 P 后屋面水平投 影 前屋面角 图2 日光温室总体尺寸 1 2 后屋面水平投影与脊高 图3 最后一排作物冠层区域光照示意图 注 H 1 植株高度 P 1 走道宽度 屋脊最高点至作物冠层太 阳光与水平面夹角 脊高在日光温室跨度和前屋面倾角确定后 即可 有相应公式确定 7 后屋面主要作用是温室保温 后屋面面积占温室 比重越大越有利于保温 同时还需考虑前屋面保证夏 至日最后一排植株区域的顶层白天能接收到太阳光照 射 8 根据图3 即要求保证 7 H 1 为一般植株高度 取2 m P 1 为温室走到宽度 取 0 6 m 代入公式 2 7 得到公式 8 咸阳地区夏至日太阳高度角h 0夏 为79 代入式 2 8 得 9 联立 6 8 两式 令日光温室跨度L 10 m 求得出后屋面投影宽度为1 006 m 脊高H 4 092 m 按照前文得到的前屋面角 脊高 跨度以及后屋 面水平投影的相互关系 设计陕西关中地区9 m 10 m 11 m三种跨度日光温室总体尺寸 相应的取值如表1 并以10 m跨度为例设计3种前屋面曲线 2 建立前屋面曲线 为了方便研究采光面曲线类型 首先对当地地区 目前存在的日光温室结构进行对比 当地日光温室采 光面基本接近于双曲线组合形式 且多为圆弧幂函数 与双圆组合为主 其次为保证日光温室离有足够的作 业区域 当地地区要求温室底脚区域不能过低 在距 离底脚1 m处 其屋面高度大于等于1 5 m 为方便雨雪 滑落 前屋面在脊高处应有一定倾角 为使日光温室 达到良好的防风效果 采光面最好采用曲线型 9 且多 段曲线型采光面在数学上应满足 曲线在交汇处一阶 导数相同 且光滑连续 为保证陕西关中地区对日光温室的基本要求能够 实现 现根据数学理论 基于采光要求 设计三种日 光温室采光面形式 并计算各温室内太阳辐射总量 2 1 圆弧与幂函数曲线 幂函数与圆弧屋面的设计原则是 屋面上半部采 用半径为R的圆 圆心为O 下半曲线为幂函数曲线 两端曲线相交于B点 坐标为 屋脊点的高度已 经确定 坐标为C 南底脚的坐标为A 初步设计日光温室曲线 如图3所示 对于屋脊处的上圆 在C点做满足 c 10 的屋 面切线 过C点做垂足于该切线的直线OC 连接BC两 点 取垂直平分线并延长 直线OC与 垂直平分线交 于O点 即为上圆的圆心O与半径R 根据上述对圆弧的数学理论 应采用具体的数学方法 确定屋面系数 圆的数学公式为 则上圆弧的各个参数计算公式为 10 11 12 13 14 15 根据前述确定的日光温室脊高 跨度 以及后屋 面水平投影的数值 代入上圆弧计算公式 得出其圆 心坐标为 14 277 25 836 半径为30 39 m 其参 数方程为 上 圆曲线弧长为 8 49 m 设下曲线幂函数方程为 要使两曲线交 点B处左右邻域的切线斜率相等 应先对圆在B点坐标 表1 咸阳地区日光温室主要尺寸取值 纬度 latitude 前屋面角 Front roof corner 脊高 H m Ridge height 后屋面水平投影长 m level of back roof 前屋面水平投影长 L 1 m level of front roof 总跨度长 L m Span 34 24 446 3 831 0 952 8 048 9 34 24 446 4 092 1 006 8 994 10 34 24 446 4 266 1 038 9 962 11 计算方法 137 科技纵横农业开发与装备 2022年第1期 处求导 得出圆在此处的斜率 将B点坐标代入幂函数 方程中 联立斜率与代入坐标的两方程 即可得到幂 函数曲线方程 为 下圆曲线弧长由曲线积分公式 可求得 为 总弧长L 1 9 524 m 绘制出的第一种前屋面曲线如4所示 图4 幂函数与圆弧曲线 2 2 双圆弧屋面曲线 对于上圆参数和方程不在做过多赘述 由于下圆的 半径与上圆重合 下圆方程与上圆设计思路相似 连接 AB做垂直平分线并延长 交于上半圆OB线上 即为下 圆的圆心与半径 另外要注意的是上圆与下圆的交点B 处 其左右邻域的斜率相等 具体曲线如图4所示 上圆弧圆心坐标为 14 277 25 836 半径为 30 39 m 其参数方程为 下圆弧圆心坐标为 14 277 25 836 半径为 30 39 m 其参数方程为 上下圆弧的弧长分别为 8 49 m 1 89 m 总 弧长L 2 10 35 m 绘制出的第二种前屋面曲线如5所示 图5 双圆弧曲线 2 3 三次样条曲线 三次样条函数形式有 式中 为曲线上通过点的坐标 为待定参数 为了方便研究采光面曲线类型 对杨凌智慧园日 光温室的结构进行考察 当地日光温室采光面基本为 双曲线 并将所测得数据进行拟合 跨度与脊高的数 值如表2所示 表2 不同跨度对应脊高 跨度 L m Span 脊高 H m Ridge height 0 0 0 1 0 695 0 2 0 876 0 3 1 003 0 4 1 105 0 5 1 190 0 6 1 265 0 7 1 331 0 8 0 8 0 9 1 448 1 0 1 5 2 0 1 977 3 0 2 414 4 0 2 806 5 0 3 157 6 0 3 472 7 0 3 744 8 0 4 020 9 0 4 092 根据表2 求得上函数表达式为 下段函数为自然对数函数 上下弧长由曲线积分公式 可 求得 为 图6 三种日光温室前屋面曲线对比 138 科技纵横 农业开发与装备 2022年第1期 三种日光温室曲线如图6所示 在确定日光温室设 施前屋面角 跨度 脊高等参数的前提下 以数学理 论模型为依据 只需代入基本参数 利用数学算式 即可获得不同条件下日光温室曲线方程 利于实际施 工画图 计算 以及搭建温室桁架 3 太阳辐射计算 3 1 太阳通量辐射计算 根据太阳总辐射通量公式 10 可计算两种曲线在冬 至日一天中温室内的太阳辐射量 公式为 16 式中 温室揭帘时间 温室放帘时间 B为骨架间距 L为曲线方程 S an 为太阳辐射通量 3 2 计算结果对比 对于第一种温室曲线 结果为 对于第二种温室曲线 结果为 对于第三种温室曲线 结果为 由结果可知 总弧长关系为 太阳辐射通量关 系为 从进光量角度来看 陕西关中地区最优的前屋面 曲线为 从节省材料角度来看 陕西关中地区最优的 前屋面曲线为 4 结论 以关中杨凌地区的太阳辐射和气候特征为例 在确 定温室设施前屋面角 跨度 脊高等基础参数的前提 下 设计了两种温室采光面曲线 并分别对两种曲线 进行太阳辐射通量的计算 得出一套咸阳地区日光温 室前屋面曲线参数的设计 通过与对比北京地区历年 实测日光温室内辐射量 11 的结果以及参考陕西省日光 温室设计建造规范等相关资料 表明此类日光温室前 屋面曲线设计的方法具有一定的参考价值和可行性 由于决定日光温室前屋面曲线方程的取值有很多 因素 本文设计结果只是针对基础参数固定的情况下 进行分析 未能考虑温室整体荷载等多方面的影响 同时也需要在日后的设计中更加深入和提高 参考文献 1 周长吉 有立柱钢管骨架日光温室的结构优化 J 农业工 程学报 1994 1 157 160 2 轩维艳 日光温室采光屋面曲线数学模型的建立与分析 J 天津农业科学 2006 12 4 44 46 3 王朝栋 史为民 裴先文 4种曲线形日光温室前屋面采光 性能及其拱架力学性能的比较 A 西北农林科技大学学 报 2010 38 8 143 150 4 裴先文 史为民 曲良举 等 南疆巴州地区日光温室前屋 面优化设计研究 J 北方园艺 2010 16 63 66 5 吴毅民 曹永华 孙忠富 温室采光设计的理论分析方法 J 农业工程学报 1992 8 3 75 78 6 张仲保 光线入射角及光照强度对日光温室棚膜透光率 的影响 J 甘肃农业科技 2014 4 20 22 23 7 侯萤萤 日光温室的结构优化分析 J 农机服务 2017 34 17 144 8 魏晓明 周长吉 曹楠 等 基于光照的日光温室总体尺寸 确定方法研究 J 北方园艺 2010 15 1 5 9 李青云 园艺设施建造与环境调控 M 金盾出版社 2008 10 白义奎 刘文合 王铁良 等 日光温室朝向对进光量的影 响分析 J 农业机械学报2005 36 2 73 75 84 11 刘洪 郭文利 李慧君 北京地区日光温室光环境模拟及 分析 J 应用气象学报 2008 19 3 350 355 表3 两种日光温室前屋面曲线表达式与太阳辐射通量 曲线类型 Category 函数表达式 Function expression 总弧长 Total arc length 太阳辐射通量 Solar radiation flux 圆弧与幂函数曲线 L 1 9 524m S z1 310 848MJ 双圆弧曲线 L 2 10 35m S z2 308 031MJ 三次样条函数 L 3 10 33m S z3 318 126MJ