基于建筑熱工原理的日光溫室最佳朝向仿真計(jì)算

李娜，陳超，馬彩雯，鄒平，凌浩恕，張明星

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)化研究所，烏魯木齊 830091)

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基于建筑熱工原理的日光溫室最佳朝向仿真計(jì)算

李娜1，陳超1，馬彩雯2，鄒平2，凌浩恕1，張明星1

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)化研究所，烏魯木齊 830091)

【目的】研究日光溫室建造朝向直接影響日光溫室截獲太陽輻射的能力?！痉椒ā恳孕陆疄豸斈君R地區(qū)為例，以日光溫室前坡屋面截獲太陽進(jìn)光量最大為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合太陽輻射隨時(shí)間、日光溫室所在地理位置動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，運(yùn)用Energy Plus能耗模擬軟件，研究該地區(qū)日光溫室建造最佳朝向。【結(jié)果】烏魯木齊地區(qū)冬季作物種植最不利生長期(11月1日至翌年2月28日)，日光溫室最佳朝向?yàn)槟掀?0°?！窘Y(jié)論】提出了日光溫室建造最佳朝向仿真計(jì)算的方法，并通過實(shí)測(cè)及模擬的方法進(jìn)行驗(yàn)證，為我國日光溫室科學(xué)建造提供理論參考依據(jù)。

日光溫室；最佳朝向；截獲太陽輻射能；模擬仿真；試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引 言

【研究意義】日光溫室是一種依靠被動(dòng)吸收太陽輻射能維持溫室內(nèi)環(huán)境溫度，以滿足冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)需求的農(nóng)業(yè)設(shè)施[1-4]。太陽能以短波輻射的形式透過溫室前坡屋面進(jìn)入溫室內(nèi)部，投射到溫室內(nèi)的后墻及土壤表面，為植物的生長提供必要的熱環(huán)境[5-9]。日光溫室朝向直接影響前坡屋面截獲太陽進(jìn)光量的能力[10]。溫室最佳朝向的科學(xué)設(shè)計(jì)與確定對(duì)確保蔬菜生長期最大限度獲得太陽能起到至關(guān)重要作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同地域、不同室外氣象條件、不同結(jié)構(gòu)日光溫室的特點(diǎn)，開展了關(guān)于日光溫室建造朝向方面的相關(guān)研究，以提高日光溫室太陽能利用效率。Beshada[11]以中國日光溫室為例，分析了寒冷冬季室外氣象條件下日光溫室的熱環(huán)境，通過熱平衡原理驗(yàn)證了南向可截獲最大的太陽能。Perters[12]研發(fā)了一種三維數(shù)值模擬模型，該模型可以模擬計(jì)算朝向變化對(duì)日光溫室墻體接受太陽輻射狀況的影響，及其對(duì)不同前坡屋面角度日光溫室太陽輻射透射和分布規(guī)律的影響。白義奎等[13]以沈陽地區(qū)(41.77°N)為例，研究了日光溫室朝向?qū)M(jìn)光量的影響，表明沈陽地區(qū)日光溫室朝向?yàn)槟掀?°～6°時(shí)進(jìn)光量最大。李軍等[14]根據(jù)西北型節(jié)能日光溫室采光設(shè)計(jì)理論中的溫室朝向和前坡屋面角的設(shè)計(jì)原理，給出西北地區(qū)日光溫室最佳朝向?yàn)檎匣蛘吣掀?°～8°的研究結(jié)果。曹偉等[15]結(jié)合不同朝向日光溫室室內(nèi)溫度環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果，討論了朝向?qū)厥覝囟拳h(huán)境的影響，結(jié)果表明，晴天時(shí)南偏西溫室夜間溫度高于正南向、南偏東向的?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】基于建筑熱工原理的日光溫室建造朝向仿真計(jì)算研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少，且運(yùn)用能耗模擬軟件分析的相關(guān)文獻(xiàn)未見報(bào)道，以新疆烏魯木齊地區(qū)為例，以日光溫室前坡屋面截獲太陽進(jìn)光量最大為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合太陽輻射隨時(shí)間、日光溫室所在地理位置動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，運(yùn)用Energy Plus能耗模擬軟件，對(duì)該地區(qū)日光溫室建造最佳朝向進(jìn)行分析討論，日光溫室最佳建造朝向合理確定、有效提高日光溫室太陽能利用率與日光溫室建筑熱工性能提供設(shè)計(jì)方法參考?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究日光溫室建造朝向直接影響日光溫室截獲太陽輻射的能力，針對(duì)目前不同地區(qū)不同緯度室外的氣象參數(shù)，給出該地區(qū)的合理的最佳朝向的推薦值。

1 材料與方法

1.1 材 料

太陽能是日光溫室所需能量的重要來源，確保日光溫室前坡屋面總是能最大化截獲太陽輻射能，是日光溫室在太陽有效照射時(shí)間內(nèi)累計(jì)獲得太陽能最大的關(guān)鍵所在，也是使溫室維持必要環(huán)境溫度所需供暖能量最小的重要途徑。影響日光溫室前坡屋面截獲太陽輻射和有效時(shí)數(shù)最大的主要因素有三：一是太陽高度角h和方位角α變化；二是日光溫室所處地理位置(緯度)不同；三是一日內(nèi)溫室保溫卷簾的開閉時(shí)間。

在太陽輻射有效照射時(shí)間段內(nèi)，日光溫室前坡屋面累計(jì)截獲的太陽總輻射量最大時(shí)的溫室朝向即為最佳朝向。日光溫室白天建筑傳熱過程為，太陽輻射以短波輻射到日光溫室內(nèi)，并儲(chǔ)存在土壤和墻體中，墻體和土壤作為蓄熱體將蓄集的熱量向溫室內(nèi)釋放，以維持溫室內(nèi)一定的空氣溫度。因此，白天日光溫室的主要熱量來源為透過前坡屋面獲得的太陽輻射，其前坡屋面截獲太陽得熱量可用式(1)表示。圖1

(1)

式中，Q為日光溫室太陽總得熱量，W；τ為日光溫室前坡薄膜的透過率，%；I0為太陽輻射常數(shù)，W/m2；P為大氣透明系數(shù)，通?？扇為0.80；h為太陽高度角，°；i為溫室前坡屋面太陽入射角，°；θ為溫室前坡屋面仰角，°。

充分考慮太陽高度角h及其方位角α動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與日光溫室所處地理位置(緯度)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，包括室外溫度變化規(guī)律等因素的影響，科學(xué)精準(zhǔn)確定日光溫室建造方位，確保冬季反季節(jié)蔬菜高質(zhì)高量生產(chǎn)。圖2

圖1 日光溫室建筑傳熱過程示意
Fig.1 Schematic diagram of heat transfer process in Solar Greenhouse

圖2 太陽高度角及太陽方位角變化
Fig.2 Change low of solar altitude and azimuth

1.2 方 法

1.2.1 Energy Plus仿真能耗模擬軟件

Energy Plus能耗模擬軟件是由美國能源部(Department of Energy, DOE)和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)共同開發(fā)，是一個(gè)建筑能耗逐時(shí)模擬引擎，采用集成同步的負(fù)荷/系統(tǒng)/設(shè)備的模擬方法。

Energy Plus能耗模擬軟件是在DOE-2和BLAST等軟件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。采用CTF(Conduction Transfer Function)計(jì)算墻體傳熱，采用熱平衡法來計(jì)算負(fù)荷?？蓱?yīng)用其中的三維有限差分土壤模型和簡(jiǎn)化的解析方法對(duì)土壤傳熱進(jìn)行模擬；應(yīng)用其中的傳熱傳質(zhì)模型對(duì)墻體的熱濕傳遞進(jìn)行模擬；應(yīng)用其中的天空各向異性的天空模型以改進(jìn)傾斜面的天空散射強(qiáng)度。

1.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在太陽輻射有效照射時(shí)間段內(nèi)，日光溫室前坡屋面累計(jì)截獲的太陽總輻射量最大時(shí)的溫室朝向即為最佳朝向。因此，所謂日光溫室最佳朝向的問題，實(shí)際上是計(jì)算期間內(nèi)溫室前坡屋面截獲太陽直射輻照量強(qiáng)度累計(jì)量最大值的問題。計(jì)算期間內(nèi)溫室前坡屋面太陽進(jìn)光量累計(jì)值S如式(2)。

(2)

式中，S為前坡屋面進(jìn)光量累積量，W/m2；n為計(jì)算周期，D；t1為日光溫室前坡屋面保溫簾的揭簾時(shí)間，h；t2為日光溫室前坡屋面保溫簾的放簾時(shí)間，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 日光溫室仿真計(jì)算模型

采用Energy Plus能耗模擬商業(yè)軟件構(gòu)建日光溫室計(jì)算模型，計(jì)算分析作物生長期內(nèi)日光溫室朝向變化對(duì)日光溫室前坡屋面累計(jì)太陽進(jìn)光量大小的影響規(guī)律，以此給出該地區(qū)日光溫室建造最佳朝向推薦值。

繪出計(jì)算日光溫室物理模型，列出其基本幾何尺寸。計(jì)算過程作如下假設(shè)：前坡屋面折線簡(jiǎn)化處理，近似代替曲面；忽略植物和土壤蒸發(fā)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的影響；暫不設(shè)定土壤為多孔介質(zhì)，不考慮傳熱、傳質(zhì)，認(rèn)為其結(jié)構(gòu)均勻，物性參數(shù)為定值。圖3，表1

圖3 日光溫室物理模型

Fig.3 Physical model of solar greenhouse

表1 模擬溫室基本幾何尺寸
Table 1 Basic geometric dimensions of greenhouse

結(jié)構(gòu)名稱數(shù)值跨度Span(L/m)100長度Length(l/m)40脊高Highridge(H/m)34北墻高Heightofnorthwall(h/m)27后屋面長度HeightofRearroof(M/m)17前坡屋面仰角Frontroofangle(θ/°)35

2.2 計(jì)算條件

以作物冬季反季節(jié)生產(chǎn)關(guān)鍵期11月1日至翌年2月28日為計(jì)算期(該計(jì)算期間可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定)，以計(jì)算期間溫室前坡屋面累計(jì)截獲的太陽進(jìn)光量最大為溫室最佳建造朝向的約束條件，列出計(jì)算工況。計(jì)算期間，日光溫室前坡屋面保溫簾的揭簾時(shí)間t1與放簾時(shí)間t2分別按t1=當(dāng)?shù)厝粘鰰r(shí)間+1.5 h、t2=當(dāng)?shù)厝章鋾r(shí)間-0.5 h考慮。即開簾和放簾時(shí)間分別為09:30、16:30；氣象參數(shù)采用軟件自帶標(biāo)準(zhǔn)氣象年(TMY)全年室外逐時(shí)氣象參數(shù)，圖4為計(jì)算期內(nèi)室外太陽輻照度及室外溫度的變化。表2，圖4

2.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Energy Plus軟件計(jì)算結(jié)果的可靠性，以北京地區(qū)實(shí)際日光溫室的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)測(cè)期為2016年1月23～25日；圖5為實(shí)測(cè)期北京地區(qū)室外氣象參數(shù)，以此作為Energy Plus 軟件的氣象參數(shù)輸入?yún)?shù)；圖6為實(shí)測(cè)期間日光溫室內(nèi)平均空氣溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果，兩者最大誤差為13.4%，說明Energy Plus軟件仿真計(jì)算的有效性。圖5，圖6

表2 計(jì)算工況
Table 2 Calculation condition

編號(hào)Number朝向變化范圍Directionofchange評(píng)價(jià)指標(biāo)Evaluating工況1Case1南偏東12°-南偏西12°累計(jì)進(jìn)光量S工況2Case2南偏東10°、正南、南偏西10°空氣溫度工況3Case3正南、南偏西10°空氣積溫

圖4 烏魯木齊地區(qū)計(jì)算期室外氣象參數(shù)
Fig.4 Outdoor weather parameters of the typical meteorological year in a heating season in Urumqi

圖5 北京地區(qū)實(shí)測(cè)期室外氣象參數(shù)
Fig.5 Outdoor weather parameters of the typical meteorological year in a heating season in Beijing

圖6 北京地區(qū)日光溫室內(nèi)平均空氣溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比
Fig.6 Comparison of measured values and simulated values of temperature indoor in Beijing area

2.4 仿真結(jié)果

2.4.1 朝向?qū)η捌挛菝孢M(jìn)光量影響(工況1)

表2工況1計(jì)算條件得到的日光溫室朝向與前坡屋面進(jìn)光量的仿真結(jié)果為以2°為步長變化日光溫室的朝向從南偏東12°(-12°)到南偏西12°(+12°)，可得計(jì)算期間(11月1日至翌年2月28日)，溫室前坡屋面累計(jì)進(jìn)光量隨溫室朝向的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，烏魯木齊地區(qū)南偏西朝向的進(jìn)光量明顯大于南向、南偏東朝向的，且在南偏西10°左右達(dá)到最大。圖7

圖7 朝向與前坡屋面進(jìn)光量(工況1)
Fig.7 The relationship between the light through the slope roof and the orientation

2.4.2 朝向?qū)厥覂?nèi)環(huán)境溫度影響(工況2)

基于工況1的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步根據(jù)工況2計(jì)算條件比較了南偏東10°、正南、南偏西10°三個(gè)朝向日光溫室內(nèi)空氣溫度隨時(shí)間變化規(guī)律。圖示結(jié)果也進(jìn)一步說明，朝向?yàn)槟掀?0°時(shí)的日光溫室內(nèi)空氣溫度明顯要高，一天中溫室內(nèi)最高氣溫出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:30、為42.6℃，且較其他兩個(gè)朝向最高溫度出現(xiàn)時(shí)間略有滯后。圖8

圖8 朝向與日光溫室空氣溫度
Fig.8 The relationship between temperature indoor and the orientation

2.4.3 朝向與有效空氣積溫(工況3)

根據(jù)表2工況3計(jì)算條件，進(jìn)一步分析比較了計(jì)算期間正南與南偏西10°朝向日光溫室空氣積溫(積溫以8℃為計(jì)算基準(zhǔn)值)。計(jì)算結(jié)果表明，計(jì)算期內(nèi)，南偏西10°朝向日光溫室的空氣積溫始終高于正南朝向的、為2 468.5℃·day，凈增6.6%。由此也說明了科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高日光溫室太陽能利用率、為溫室作物生長創(chuàng)造適宜熱環(huán)境具有重要作用。圖9

圖9 正南與南偏西10°溫室空氣積溫對(duì)比
Fig.9 Compression of accumulated temperature between the south and southwest 10°

3 討 論

3.1 優(yōu)勢(shì)地區(qū)日光溫室最佳朝向推算

同理，根據(jù)第1節(jié)仿真計(jì)算方法即可以給出位于不同地理緯度地區(qū)日光溫室建造最佳朝向。表1和2.2的計(jì)算條件下，北京、蘭州、沈陽、壽光[16-18]等太陽能優(yōu)勢(shì)地區(qū)日光溫室建造最佳朝向推薦值，同時(shí)給出了烏魯木齊、塔城、阿勒泰、喀什、和田等[18]新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)重點(diǎn)區(qū)域的最佳朝向推薦值。表3

表3 幾個(gè)優(yōu)勢(shì)地區(qū)日光溫室最佳朝向推算值
Table 3 The comparison between model and simulation of solar greenhouse best orientation in our advantages areas

城市City緯度Latitude模擬值EnergyPlus沈陽41°50’南偏西8°北京39°92’南偏西6°壽光36°88’南偏西4°蘭州36°03’南偏西3°烏魯木齊43°54’南偏西10°塔城46°74’南偏西12°阿勒泰47°86’南偏西13°喀什39°52’南偏西6°和田37°12’南偏西4°

4 結(jié) 論

4.1 研究以日光溫室前坡屋面截獲太陽進(jìn)光量最大為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合運(yùn)用Energy Plus能耗模擬軟件，給出了日光溫室建造最佳朝向仿真計(jì)算方法，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。

4.2 基于Energy Plus能耗模擬軟件，以作物冬季反季節(jié)生產(chǎn)關(guān)鍵期(11月1日至翌年2月28日)為計(jì)算期，給出了烏魯木齊等5個(gè)地區(qū)日光溫室最佳建造朝向推薦值。

4.3 烏魯木齊地區(qū)日光溫室建造最佳朝向?yàn)槟掀?0°，計(jì)算期間該朝向的日光溫室空氣積溫為2 468.5℃·day，較正南方向凈增6.6%?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)提高日光溫室太陽能利用率、為溫室作物生長創(chuàng)造適宜熱環(huán)境具有不可忽視的作用。

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Fund project:Supported by NSFC "Theoretical study on modeling of solar greenhouse structure integrated multiple thermal characteristics"(51578012); NSFC "Study on thermal performance evaluation method active passive thermal storage wall and heat preservation quilt in Gobi greenhouse of Xinjiang"(51368060)

Simulation Calculation on Solar Greenhouse Optimum Orientation Based on the Principle of Building Thermal

LI Na1, CHEN Chao1, MA Cai-wen2, ZHOU Ping2, LING Hao-shu1, ZHANG Ming-xing1

(1. College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China; 2.ReasearchInstituteofAgriculturalMechanization,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 Sunlight greenhouse construction directly influences the ability to intercept solar radiation.【Method】In order to improve the utilization of solar radiation in solar greenhouse energy, based on the characteristic of solar radiation distribution and transmission theory of solar radiation intensity in different regions, the study took Urumqi area in Xinjiang as an example, the sun light intercepted by the front slope roof of sunlight greenhouse as the evaluation index, in combination with the time of solar radiation, the dynamic change law of the geographical position of solar greenhouse, using Energy Plus simulation software to analyze the construction of the optimum orientation of sunlight greenhouse in this area.【Result】The results showed that during the most unfavorable growth period of crops growing in winter in Urumqi area(11/1～2/28), the best orientation was southwest 10°.【Conclusion】This paper presents a method for the construction of solar greenhouse, which is based on the simulation and calculation, and is verified by the method of measurement and simulation. The model provides methods and theoretical guidance for the rational construction of solar greenhouse, which could not using the criteria and parameters simply to applied in solar greenhouse construction in various regions.

solar greenhouse; optimum orientation; solar-radiation intensity; simulation and calculation; experiment verification

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.11.020

2016-04-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“面向多熱特性一體化控制的日光溫室建筑構(gòu)造建模理論研究”(51578012)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“新疆戈壁日光溫室太陽能主-被動(dòng)式蓄熱墻體及保溫被熱性能評(píng)價(jià)方法研究”(51368060)

李娜(1990-)，女，黑龍江人，碩士，研究方向?yàn)橄嘧冃顭峒夹g(shù)與可再生能源技術(shù)，(E-mail)lina1990626@emails.bjut.edu.cn

陳超(1958-)，女，湖南人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄嘧冃顭峒夹g(shù)與可再生能源技術(shù)，(E-mail)chenchao@bjut.edu.cn

馬彩雯(1965-)，女，天津人，研究員，研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)工程，(E-mail)xjmcw2010@sina.com

S625.1

A

1001-4330(2016)11-2112-07