全季光照下日光温室后屋面水平投影宽度优化.pdf

北方园艺（）： 设施园艺 第一作者简介 ：朱雄伟 （），男 ，硕士研究生 ，研究方向为设施农业和结构工程 。：责任作者 ：何斌 （），男 ，博士 ，副教授 ，硕士生导师 ，现主要从事设施农业和结构工程教学与科研等工作 。：基金项目 ：陕西省重点研发计划资助项目 （）；陕西省科技统筹创新工程资助项目（）。收稿日期 ：全季光照下日光温室后屋面水平投影宽度优化朱 雄 伟，何斌，张勇（西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌；西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌）摘要 ：以日光温室整体结构最优为基本原则 ，根据结构力学 、园艺学以及天体地球等理论 ，选取夏至日正午和冬至日：这个时间段进行探究 ，分析了我国不同纬度地区日光温室后屋面水平投影宽度的设计原理和理论计算公式 。同时根据理论计算公式编辑了计算机程序 ，得出适合各纬度地区日光温室后屋面水平投影宽度的参考值 。这些数据将对生产实践具有一定的指导意义 。关键词 ：日光温室 ；后屋面水平投影宽度 ；采光设计 ；建筑结构中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ：（）自世纪年代日光温室开始产业化发展以来 ，目前已成为年产值占种植业总产值以上的重要产业 。日光温室产业不仅解决了我国北方地区冬春季蔬菜的供应 ，而且促进了农民的收入 ，增加了就业岗位以及带动了其它产业的发展 。虽然我国日光温室产业蓬勃发展 ，但日光温室的建造设计仍然存在很多争议 。行业内缺少相关标准来规范各地区日光温室的建造 。在实际生产中 ，一个地区甚至小到一个基地中的温室类型多种多样 ，不仅低成本的简易日光温室遍及各地 ，投入较高但结构设计不合理的日光温室也随处可见 。这些问题导致日光温室的生产效益逐年下降 ，生产风险逐年增加 。要规范日光温室的设计建造标准 ，应先对其进行结构优化 。在对目前日光温室结构体系调研中发现 ，实际生产中对日光温室后屋面长度和坡度的设定 ，很多温室种植户 （调研对象为寿光以及杨凌等地区温室种植户 ）只是在 “照猫画虎 ”，一味的照搬以前的或者其他地区的温室结构参数 ，根本不因地制宜地去考虑当地的光环境等因素 ，缺 （） ， ； ， ， （）， ， ， ： ；乏一个科学的引导 。目前关于日光温室后屋面水平投影宽度的优化 ，研究人员开展了大量的试验研究 ，周长吉从日光温室后屋面几何尺寸的变迁中分析了结构方面的改革和创新 ；郭艳玲等对哈尔滨日光温室的后屋面长度和坡度进行了优化选择 ；魏晓明等从日光温室内部光环境变化入手 ，建立了一套日光温室总体尺寸的取值方法 ；陈振东以主动采光结构和后墙主动蓄热结构为基础 ，对青海日光温室后屋面长度和坡度进行了优化分析 。综合上述文献可以发现 ，目前对某个地区或某种特定类型的日光温室后屋面长度和坡度的设计研究比较充分 ，很多研究人员暂没考虑寻找一个能概括不同纬度 、不同使用期的日光温室后屋面水平投影宽度的理论计算公式 。该研究结合园艺学 、光度学 、辐射度学以及结构学等方面的知识对这一问题进行分析 ，致力得到一个能够涵盖不同纬度地区日光温室后屋面水平投影宽度的理论计算公式 ，并将计算结果与实际典型温室结构参数对比分析 ，从而确定该计算方法的可行性 。 材料与方法 日光温室前屋面角的设计日光温室的屋面结构主要分为前屋面和后屋面 。前屋面主要用于日光温室的采光 ，而后屋面主要用于结构固定和保温蓄热 。在目前关于日光温室的结构优化研究中 ，研究者们对前屋面的形状和尺寸进行了大量的深入研究 ，研究成果比较成熟 。但是对后屋面的研究相对较少 ，在实际的设计和建造中 ，后屋面的几何尺寸千差万别 ，缺少定量的标准规范 。日光温室前屋面角的大小决定着温室采光性能的优良 。研究人员关于前屋面角开展了大量研究 ，周长吉从几何特性的角度对日光温室前屋面角进行了优化分析 ；何斌通过温室直射光光环境计算机的模拟计算从辐射量累积值的大小对前屋面角的大小进行了分析 ；魏晓明等建议从日光温室内部光环境变化入手 ，以太阳光对温室前屋面透过后的辐射照度衰减率不超过为前提 ，对前屋面角进行了探讨 。为了保证日光温室采光设计的基本原则 ，假定日光温室在冬至日正午前后内 （：）能获得最大采光量 ，考虑到入射角在一定范围内透光率变化较小 ，选用入射角为。通过冬至日：的太阳高度角和方位角 ，可以确定出相对应的前屋面角 ，计算公式为：（）， （）。式中 ：表示日光温室的合理屋面倾角 ； 表示冬至日：的理想屋面角 ； 表示冬至日：的太阳方位角 ；表示冬至日：的太阳高度角 。设太阳直射光线与地平面的夹角为太阳高度角 （），则不同时刻太阳高度角的计算公式如下：（）。式中 ：表示地理纬度 ；（），表示太阳时角 ；表示太阳计算时 。设表示太阳赤纬角 ，计算公式如下 ：（） （）。式中 ：表示日序数 （即从月日开始在一年中处于第几日 ）。设太阳直射光线在水平面上的投影与正南方的夹角为太阳方位角 （），不同时刻的太阳方位计算公式如下：（）。综合上式 （）（），可得到合理前屋面角 。 日光温室后屋面水平投影宽度优化日光温室后屋面的功能在学术界一直充满争议 ，实际生产中后屋面的做法也多种多样 。衡量日光温室后屋面的高效与否 ，除了在采光量不好的冬季能提高日光温室的蓄热量之外 ，还必须满足在采光量充足的夏季 ，后屋面和后墙不形成阴影 ，避免影响温室内作物的采光 。目前关于不同地区日光温室后屋面水平投影长度的取值 ，研究人员做了大量的研究 ，魏晓明等从日光温室前屋面和后屋面几何尺寸的变迁中分析了我国日光温室屋面结构的改良与创新过程 ，建议温室后屋面向短后屋面方向发展 ；曹晏飞等根据不同日期太阳直射光线在日光温室后墙上投影高度的变化 ，得出了后屋面投影宽度和墙体高度的计算方法 ；魏晓明等以保证栽培区最后一排作物的冠 第 期北方园艺层全天受到太阳照射为条件 ，建立了一套日光温室总体尺寸的取值方法 。上述研究都从一定角度对后屋面水平投影宽度的确定做了详细的推导 ，但有些研究暂没考虑保温被对后屋面长度和坡度的影响 。该研究从日光温室的保温蓄热原则出发 ，选取夏至日正午和冬至日：这个时间段进行探究 ，致力于得到满足不同纬度地区日光温室后屋面投影宽度的理论计算公式 。在冬季日光温室采光条件不良 ，太阳高度角较大的情况下 ，当后屋面长度越长 ，温室的保温蓄热性能越好 。而到了光照充足的夏季 ，太阳高度角变大 ，较长的后屋面会在温室后墙以及地面上形成阴影 ，影响温室后墙处作物的采光 。综合考虑温室后屋面在冬季的保温蓄热和在夏季作物的充足光照要求 ，得出后屋面水平投影宽度的合理范围值 。 夏至日日光温室后屋面水平投影宽度的判定北半球夏至日正午时分的太阳高度角在一年中是最高的 ，在日光温室后屋面长度一定时 ，太阳高度角越高 ，温室后屋面在后墙上形成的阴影面积越大 。当太阳光线照射至日光温室后墙底部即温室种植区内最后一排作物的冠层能够全天接收到太阳照射时 ，温室后屋面的长度最长 ，见图。根据三角函数关系可知 ：（）（）， （）（），（） （）。联合式 （）（），可得到日光温室后屋面水平投影长度为 ： （）（）（）。式中 ：参数详见图，与为日光温室保温材料相关参数 ，取值为，取值为。 冬至日日光温室后屋面水平投影宽度的判定在光照条件不良以及昼夜温差变化悬殊的冬季 ，要保证日光温室的保温性能 ，需在光照量充足的时间段内 ，照射至温室后墙上的光照面积最大即温室后屋面的长度最短 。根据日光温室的果菜光照量强度需求 ，提出最小有效光合时间的注 ：为屋脊最高点 ；为太阳直射光线在前屋面上的最高透过点 ；为后墙最高点 ；为太阳光线透过 点在地平面上的投影点 ；为 点在地平面上的垂直投影点 ； 为脊高 ； 为墙体高度，； 为后屋面高度，； 为 点与 点之间的垂直距离 ，；为跨度 ，；为前屋面投影宽度 ，；为后屋面投影宽度 ，；为 点到 点的水平距离 ，；表示 点到 点的水平距离 ，；表示 点到 点水平距离 ，；为前屋面倾角 ，（）。下同 。： ； ； ； ； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，（） 图 夏至日日光温室结构参数及太阳光线投影示意图 合理采光时段理论，要求在冬至日正午前后内 （：），室外太阳辐射能最大限度的透入温室 ，选取太阳光线照射至后墙最高点 ，见图。根据三角函数关系可知 ：（），（）， （），（），（）， （）。联合式 （）（），可得到日光温室后屋面北方园艺月 （上 ）图 冬至日日光温室结构参数及太阳光线投影示意图 水平投影长度为 ： （）（） （）。式中 ：参数详见图，日光温室后墙的高度决定着温室的保温蓄热性能 ，冬至日上午：接受太阳光直射的墙体高度的计算公式： （）（）。要使冬季日光温室后墙体尽可能多的蓄积热量 ，应保证。当太阳高度角时 ，温室后墙体接受太阳光照的面积最大 ，蓄热保温性能最好 。通过对日光温室的保温蓄热性能的探究 ，得到不同纬度地区日光温室后屋面水平投影的计算公式为 ：（）（）（）（）（）。式中 ：日光温室后屋面水平投影宽度的取值越小 ，对应着后屋面坡度越陡 ，即冬季日光温室的采光量越充足 。在该范围内 ，具体取值可根据不同纬度地区冬季太阳光照情况以及所种植蔬菜喜温喜凉特性进行选择 。 计算机程序计算通过以上分析可知 ，日光温室后屋面水平投影宽度与温室跨度 、前屋面角 、温室后墙接受到太阳光直射高度 、温室保温被卷放位置 、太阳高度角以及太阳方位角等因素息息相关 ，对应的公式求解也比较繁琐 。为了使研究成果能更好的应用于实际 ，现利用编辑了相关计算程序 ，使用时只需输入当地的地理纬度值以及日光温室的一些固定参数 ，就可直接得到日光温室后屋面水平投影宽度值 。程序流程图及相关计算界面见图。图 主程序流程简图 方法验证为了验证该研究的日光温室后屋面水平投影宽度理论计算公式的合理性 ，选取陕西西安地区的相关参数进行计算 ，并将计算结果与日光温室设计规范中的陕西西安数据进行比较分析 ，计算公式如下所示 ，结果见表。（） （ 槡）（）。式中 ：表示日光温室后屋面水平投影宽度 ；表 示 日 光 温 室 走 道 宽 度 ，一 般 取；表示日光温室脊高 ；表示日光温室室内外地面高差 ，下挖地面为正 ；表示夏季温室 内 作 物 的 植 株 高 度 ，吊 蔓 作 物 一 般 取；表示夏季计算日正午太阳高度角 。由表可知 ，该研究理论计算公式得出的结果与陕西省地方标准日光温室建设规范相符合 。在该日光温室后屋面水平投影宽度的合理范围值内 ，取值越小 ，后屋面的坡度越陡即后墙接受光照 第 期北方园艺的面积越大 ，蓄热量越多 ；反之 ，光照面积越小 ，蓄热量越少 。在该范围内 ，温室种植户可根据所种植蔬菜的喜温喜凉特性进行合理选择 。除此之外 ，该后屋面长度下的温室保温比 （温室内土地面积与地上覆盖面积之比 ）很接近于，保温效果较好 。 结果与分析综合园艺学以及建筑热工气候区划的最冷月均温度和日平均温度日数可知 ，我国适宜发展日光温室的地区主要集中在北纬以北的地区 ，其核心区被认为在北纬地区。在设定日光温室跨度为，保温材料水平投影宽度为的前提下 ，结合各纬度地区的气候条件以及适宜种植蔬菜的喜温喜凉特性进行区域划分 。具体区域划分（表）。表 陕西西安日光温室总体尺寸计算值与建设规范的比对 ， 城市纬度（）跨度脊高 前屋面角 （）后墙高度 后屋面水平投影宽度 西安 西安 注 ：表中 行数值为日光温室设计规范值 ；行为计算值 。： ； 表 不同地区日光温室后屋面水平投影宽度 区域分布 重点区域划分 亚区划分 （）主要区域 主要种植蔬菜种类 冬季日照百分率 后屋面水平投影宽度 日光温室适用类型 东北温带（）辽宁中北部 、吉林东南部和内蒙古东南部 东北温带日光温室重点区东北冷温带（）内蒙古东中部 、吉林西北部和黑龙江南部茄果类 、瓜 类 、豆 类 等喜温蔬菜以及芹菜 、韭菜 、小 白 菜 、莴 苣 等喜凉蔬菜 冬季需 加 强 蓄 热 增温和保温防寒 ，温室内要设 热 风 炉 等 临时加温设施 ，尽量增加光照 强 度 和 光 照时间东北寒温带（）内蒙古东北部和黑龙江中部 环渤海温带（）辽宁 西 南 部 、北 京 、天津 、河北中北部 黄淮海及环渤海暖温带日光温室重点区黄河中下游暖温带（）河北 南 部 、山 东 、河 南北部 、山西茄果类 、瓜 类 、豆 类 等喜温 果 菜 及 芹 菜 、韭菜 、小白 菜 、莴 苣 等 喜凉叶 菜 ，蔬 菜 上 市 期为 月 至 翌 年月 冬季加 强 蓄 热 增 温和保温防寒措施 ，尽量增加 光 照 度 和 光照时间 ，夏季采取短期遮阳降温措施淮河流域暖温带（）河南 中 南 部 、苏 北 、安徽中北部 青藏高原寒温带（）西藏中部 、青海东部 西北温带干旱及青藏高寒日光温室重点区新疆冷温带（）新疆中南部茄果类 、瓜 类 、豆 类 等喜温 蔬 菜 及 芹 菜 、韭菜 、莴苣等喜凉蔬菜 冬季应 加 强 蓄 热 增温和保温防寒 ，温室内应设 热 风 炉 等 临时加温设施 ，尽量增加 光 照 度 和 光 照时间黄土高原温带（）陕西 、甘肃 、宁夏 、内蒙古中部 北方园艺月 （上 ） 结论与建议该研究根据日光温室的保温蓄热准则 ，在选取夏至日正午和冬至日： 个时间段保证日光温室能获得足够的采光量和蓄热量的前提下 ，从构建日光温室最佳整体结构性能的角度 ，确定了不同纬度地区日光温室后屋面水平投影宽度的理论计算公式 。并与日光温室设计规范进行比较 ，结果显示二者相吻合 ，表明该方法具有一定的可信度。通过计算得出的各纬度地区日光温室后屋面水平投影宽度的合理范围值 ，可根据温室内种植作物的喜温喜凉特性进行适当调节 ，相比以往理论计算公式更加灵活 。因此该研究提出的日光温室后屋面水平投影宽度的计算方法可为中国日光温室规范化设计提供参考 。参考文献周长吉 中国日光温室结构的改良与创新 （三 ）：温室屋面结构的改良与创新 中国蔬菜 ，（）：郭艳玲 ，李石 ，陈国辉 后屋面水平投影长度对日光温室性能的研究 安徽农业科学 ，（）：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 北方园艺 ，（）：陈振东 青海新型日光温室性能的研究 杨凌 ：西北农林科技大学 ，周长吉 中国日光温室结构的改良与创新 （一 ）：基于被动储放热理论的墙体改良与创新 中国蔬菜 ，（）：何斌 温室直射光光环境计算机模拟计算 杨凌 ：西北农林科技大学 ，李军 ，邹志荣 ，杨旭 ，等 西北型节能日光温室采光设计中方位角和前屋面角的分析 、探讨与应用 西北农业学报 ，（）：魏晓明 ，周长吉 ，曹楠 ，等 中国日光温室结构及性能的演变江苏农业学报，（）：曹晏飞 ，荆海薇 ，赵淑梅 ，等 日光温室后屋面投影宽度与墙体高度优化 农业工程学报 ，（）：农业部种植业管理司日光温室发展的适宜地区及优型结构参数 农业工程技术 ，（）：轩维艳日光温室采光屋面曲线数学模型的建立与分析天津农业科学，（）：张利华 ，刘杰 ，徐为根 ，等日光温室前屋面角的设计研究江西农业学报，（）：王云冰 ，邹志荣 ，张志新 ，等关中地区不同后屋仰角日光温室保温性能分析 中国农业气象 ，（）：杨文雄 ，马承伟温室跨度对日光温室光照环境的影响模拟研究 农机化研究 ，（）：何斌 ，王宏丽 ，邹志荣内蒙古乌海非耕地日光温室建筑与结构设计 北方园艺 ，（）：刘彦辰 ，邹志荣 ，胡晓辉 ，等陕西关中地区不同跨度日光温室光温环 境 分 析 西北农林科技大学学报 （自 然 科 学 版 ），（）：邹志荣 ，邵孝侯设施农业环境工程学北京：中国农业出版社 ，金鲜华 ，邹志荣 ，赵雪跨度对山地日光温室性能的影响农机化研究，（）： ， ， （ ， ， ； ， ， ）： ， ， ， ， （：） ， ， ： ； ； 第 期北方园艺