低能耗日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的取值原則

楊楓光，陳 超，馬彩雯，李 印，韓楓濤，李亞茹，鄒 平

(1.北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)(高跨比、后屋面水平投影長度、北墻高度)的合理匹配，一是關(guān)乎白天通過日光溫室透明前屋面進(jìn)入溫室內(nèi)的太陽光熱量是否足夠大；二是決定了集集熱、吸熱和蓄熱于一體的溫室北墻體[1]面積大??；三是也決定日光溫室非透明墻體與透明屋面的面積比，該屋面與墻體面積比決定了白天進(jìn)入日光溫室太陽能量與夜間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外散失熱量的進(jìn)出情況。顯然，前屋面越大，白天可進(jìn)入的太陽光熱能亦越大；由此向外流失的熱量特別是在夜間也隨之增大。脊高過高，也導(dǎo)致溫室建筑空間過大，維持溫室必要熱環(huán)境需要補(bǔ)充的熱量特別是夜間的也越大。合理確定日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)，是建造低耗高效日光溫室的重要環(huán)節(jié)之一，也是確保日光溫室冬季反季節(jié)蔬菜生產(chǎn)增產(chǎn)提效的重要技術(shù)保障?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】關(guān)于日光溫室建筑空間形態(tài)的研究，以往大多聚焦在民用建筑[2-6]，關(guān)于日光溫室建筑的定量研究非常有限。國外學(xué)者大多是針對雙屋面玻璃溫室的研究[7-9]，對我國的日光溫室建筑參考有限。劉彥辰等[10]開展了關(guān)于陜西關(guān)中地區(qū)不同跨度溫室內(nèi)平均空氣溫度、平均光照強(qiáng)度、番茄品質(zhì)的實測研究，認(rèn)為9 m跨度溫室更適合在陜西關(guān)中地區(qū)的番茄種植中優(yōu)先推廣應(yīng)用。張亞紅等[11]根據(jù)銀川地區(qū)高跨比為0.51與0.55的日光溫室實測結(jié)果，認(rèn)為適當(dāng)提高溫室高跨比對促進(jìn)溫室熱量累積、提高冬季溫室內(nèi)的溫度具有重要意義。佟國紅等[12]以沈陽地區(qū)為例，采用多目標(biāo)模糊決策法對跨度7.5 m、圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料相同但建筑參數(shù)不同的溫室進(jìn)行優(yōu)選，認(rèn)為后屋面長度為2.0 m、北墻高度2.2 m、脊高3.7 m的日光溫室建筑空間結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。李天來[13]、白義奎等[14]以溫室越冬作物健康生長對溫光的最低需求、以及冬至日日光溫室前屋面截獲的太陽能等于春分日地平面截獲之太陽能為控制條件，采用理論計算的方法，給出了節(jié)能日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)設(shè)計值確定方法。魏曉明等[15]基于所提出的確保蔬菜作物獲得充足光照、保證冬至日正午前后4 h內(nèi)透過溫室前屋面的太陽輻照度衰減率不超過2%、且栽培區(qū)最后一排作物的冠層全天可接受到太陽照射為控制條件，并利用三角函數(shù)關(guān)系，給出了日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的取值方法。曹晏飛等[16]以室外最低溫度低于0℃時，保證在中午前后4 h(10:00～14:00)內(nèi)至少有一部分北墻能接受太陽直射光為控制條件，給出了不同緯度地區(qū)日光溫室北墻接受太陽光直射的合理時期，并通過理論計算，得出日光溫室后屋面水平投影長度、北墻高度的計算方法。【本研究切入點】不同地理緯度地區(qū)太陽輻射、室外氣象參數(shù)雙重因素的周期性變化特性，是影響日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵影響因素，屬于多學(xué)科交叉問題。研究以日光溫室建筑構(gòu)造特點以及蔬菜作物反季節(jié)生產(chǎn)過程的熱濕環(huán)境需求為切入點，基于建筑熱工設(shè)計理論和建筑能耗模擬分析方法?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)對溫室光熱環(huán)境營造的影響規(guī)律，以及低能耗日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的設(shè)計條件，給出低能耗日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的取值原則，為低能耗日光溫室優(yōu)化設(shè)計，提供重要設(shè)計依據(jù)和方法參考。

1 材料與方法

1.1 日光溫室光照特性

研究表明，冬季由于太陽高度角較低，后屋面水平投影長度的大小對后排作物全天接受光照影響不大，但溫室北墻體過高則會受到遮擋，其蓄熱性能受到限制；對于夏季，太陽高度角較高，后屋面水平投影長度過長則會對后排作物造成遮擋而難以接受到日照。因此，低能耗日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的設(shè)計條件，考慮日光溫室冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)光熱環(huán)境需求以及其他季節(jié)最后一排作物光照的需求。圖1

圖1 太陽運動軌跡及太陽高度角變化
Fig.1 The variation of the orbit of the sun and solar altitude angle

1.2 日光溫室建筑傳熱過程

研究表明，白天太陽能透過前屋面塑料薄膜投射到日光溫室建筑墻體內(nèi)表面和土壤地面，這些表面吸收到太陽能后通過導(dǎo)熱方式向其內(nèi)部傳遞并蓄存在其內(nèi)；夜間蓄存在墻體或土壤體內(nèi)的熱量后再次通過其表面，以自然對流換熱方式加熱溫室內(nèi)空氣，以輻射換熱方式加熱周圍壁表面，以補(bǔ)償通過各圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外界流失的熱量。圖2

圖2 日光溫室建筑傳熱過程示意
Fig.2 Schematic diagram of heat transfer process in a solar greenhouse

式(1)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K的計算式，計算得北墻體與后屋面的傳熱系數(shù)一般為0.3～0.6，夜間加蓋保溫覆蓋物的前屋面的傳熱系數(shù)為2.0～3.0，日光溫室夜間前屋面的傳熱系數(shù)為墻體與后屋面5～10倍，由于冬季室外溫度很低，以北京地區(qū)番茄作物生長為例，室內(nèi)外溫差甚至達(dá)到20℃，研究表明，夜間前屋面既使加蓋保溫覆蓋物，但由于其熱阻明顯小于墻體的，導(dǎo)致約有60%～70%的熱損失是從前屋面流失的[13]。因此，溫室前屋面過大，會導(dǎo)致白天通過透明前屋面獲得的太陽能難以平衡夜間通過非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)流失的熱量。那么合理確定日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)，一方面是確保溫室白天可盡可能多的通過透明屋面獲得太陽輻射熱量，另一方面則是要盡可能減少夜間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱損失，而它們直接受日光溫室非透明墻體與透明屋面的面積比的制約。

(1)

式中，R為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，m2·℃/W；αn, αw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面、外表面的換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Rn、Rw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面、外表面的傳熱熱阻，m2·℃/W；δi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層的厚度，m；λi為圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；Rj為由單層或多層材料組成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)各材料層的熱阻，m2·℃/W。

研究表明，不同地理緯度地區(qū)溫室的高跨比對透明屋面與非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積比起到了決定性作用，因此，高跨比的確定最為關(guān)鍵；其次后屋面的水平投影長度的大小不僅影響透明屋面與非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積比，而且直接關(guān)聯(lián)地面的陰影長度變化。因此，研究開展了高跨比、后屋面水平投影長度、北墻高度等特征參數(shù)對日光溫室光熱環(huán)境營造影響規(guī)律的研究。基于該影響規(guī)律，為了給出低能耗日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的取值原則，需要構(gòu)建一套關(guān)于日光溫室的建筑熱工性能與光照性能的評價體系。圖3

圖3 日光溫室建筑構(gòu)造示意
Fig.3 Schematic diagram of building structure in solar greenhouse

1.3 評價指標(biāo)

1.3.1 日光溫室冬季北墻體的日影長度

溫室北墻體具有集熱、蓄熱與保溫于一體的建筑熱工特性，從節(jié)能的角度考慮，希望溫室北墻體的太陽輻射面積在反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)關(guān)鍵期不要被后屋面遮擋而減少，需要研究溫室北墻體的日影長度變化。日影長度即是指物體在陽光直射下形成的陰影長度，陰影中接收不到太陽光的直接照射[17]。而北墻體高度過高可能導(dǎo)致上部分區(qū)域不能接收到光照徒使北墻體日影長度增加，蓄熱性能并不能得到提高。研究以日光溫室冬季正午時刻北墻體的日影長度為評價指標(biāo)，分析確定日光溫室北墻高度的設(shè)計條件。

1.3.2 日光溫室冬季生產(chǎn)累積供熱量

日光溫室的高跨比、后屋面水平投影長度、北墻高度影響透明前屋面與非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積比值，該比值決定白天進(jìn)入日光溫室太陽能量與夜間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外散失熱量的博弈程度。日光溫室冬季生產(chǎn)累積供熱量則是評價白天進(jìn)入日光溫室太陽能量與夜間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外散失熱量的博弈程度，為了日光溫室冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)關(guān)鍵期內(nèi)不加溫或少加溫，以此期間內(nèi)向日光溫室建筑累積補(bǔ)充的供熱量作為日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的評價指標(biāo)。假設(shè)冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)關(guān)鍵期為n天，根據(jù)日光溫室建筑熱過程以及建筑熱工設(shè)計理論，則需要向日光溫室建筑累積補(bǔ)充供熱量Q可表示為如式(2)。

(2)

式中，u1ti為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外界流失的熱量，W；u2ti為通過溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙向外流失的熱量，W；u3ti為溫室內(nèi)土壤、作物等水分蒸發(fā)耗熱量，W；u4ti為溫室通風(fēng)換氣導(dǎo)致的耗熱量，W；u5ti為植物生理生化過程中轉(zhuǎn)化交換的熱量，W；qati為通過日光溫室前屋面進(jìn)入的太陽輻射熱量，W；qbti為溫室內(nèi)人體、照明和設(shè)備的發(fā)熱量，W。下角標(biāo)i表示日期，t表示時刻。

1.3.3 日光溫室冬季生產(chǎn)夜間有效積溫

室內(nèi)空氣溫度直接影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量，是作物生命活動不可缺少的環(huán)境條件之一。室內(nèi)空氣溫度對作物生長發(fā)育的影響包括溫度強(qiáng)度和持續(xù)時間兩個方面，積溫就是衡量這兩個方面綜合效應(yīng)的一種農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)[18]。日有效積溫是表示一天內(nèi)溫室空氣溫度與作物生物學(xué)零度之間溫差的時間累積，它可以表征作物一天內(nèi)從溫室熱環(huán)境獲取的最大熱量。所謂作物生物學(xué)零度是指在其他條件適宜的情況下，植物生長發(fā)育需要的下限溫度，不同的作物在不同生長發(fā)育階段所對應(yīng)的生物學(xué)零度也是不相同的。例如，番茄在營養(yǎng)生長階段為8～10℃，在食用器官生育階段為15℃。日光溫室冬季生產(chǎn)夜間有效積溫可以按照式(3)計算。

(3)

1.3.4 日光溫室地面日影長度

日照是直接影響作物的生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，地面日影長度則反映后排作物接受不到太陽光直射的長度。而后屋面水平投影長度的大小直接決定夏季正午時刻日光溫室后排作物被遮擋的長度，一年當(dāng)中太陽高度角在夏至日正午時刻最高，后屋面水平投影長度的大小對后排作物的遮擋最為不利，因此，研究以日光溫室夏季正午時刻地面日影長度為評價指標(biāo)，分析確定溫室適宜的后屋面水平投影長度。

1.4日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)取值原則的確定

為了定量把握不同地理緯度地區(qū)日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)對反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)關(guān)鍵期，日光溫室光熱環(huán)境營造的影響規(guī)律，研究擬以不同建筑空間形態(tài)特征參數(shù)的日光溫室建筑為對象，采用EnergyPlus能耗模擬軟件進(jìn)行分析。

1.4.1 計算對象概況

以北京地區(qū)為基礎(chǔ)分析對象，分析N32°～45°優(yōu)勢種植地區(qū)日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)對日光溫室光熱環(huán)境營造的影響，圖4為該溫室物理模型。根據(jù)建筑熱工設(shè)計理論，可計算得到我國優(yōu)勢種植地區(qū)日光溫室建筑墻體厚度及其熱阻推薦值如表1[19]。前屋面采用0.12 mm的EVA薄膜覆蓋，夜晚加蓋40 mm的保溫覆蓋物，后屋面以及前屋面保溫覆蓋物等材料主要物性參數(shù)見表2。圖4，表1，表2

圖4 計算溫室物理模型
Fig.4 Calculation model of solar greenhouse表1 我國優(yōu)勢種植地區(qū)日光溫室建筑墻體厚度及其熱阻推薦值
Table 1 Recommended values of wall thickness and thermal resistance of solar greenhouse in China

緯度(N)Latitude砌塊層厚度Brickthickness(mm)保溫層厚度Thicknessofinsulationlayer(mm)熱阻Thermalresistance((m2·C)/W)32°～36°4901003.0636°～40°6101003.2140°～44°6101504.40

表2 溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要熱工性能參數(shù)
Table 2 Main thermal performance parameters of the greenhouse enclosure

材料Material密度Density(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)Thermalconductivity(W/(m℃))比熱Specificheat(J/(kg℃))太陽透過率Solartransmittance(%)可見光透過率Visiblelighttransmittance(%)砌塊磚Blockbrick18000.811050--保溫板Insulationboard300.041380--EVAC薄膜EVAfilm-0.76-8584保溫覆蓋物Thermalinsulationcover2000.07---

計算應(yīng)用單一變量控制法，分別考察不同地理緯度地區(qū)高跨比、跨度、后屋面水平投影長度、北墻高度等空間形態(tài)特征參數(shù)變化，對日光溫室建筑室內(nèi)光熱環(huán)境營造的影響規(guī)律。列出計算工況。表3

表3 計算工況
Table 3 Calculation conditions

計算工況Calculationconditions跨度Span(m)脊高Ridgeheight(m)后屋面水平投影長度Horizontalprojectionlengthofbackroof(m)北墻高度Northwallheight(m)計算工況CalculationconditionsCase1-139.9°N100.44～0.601.53.5Case1-232°N～45°N6～150.44～0.600.5～3.02.2～7.0Case2-139.9°N100.531.0～2.23.5Case2-232°N～45°N6～150.530.5～3.02.2～7.0Case3-139.9°N100.532.03.3～4.5Case3-232°N～45°N6～150.530.5～3.02.2～7.0

基本計算條件：計算過程作如下假設(shè): 前屋面折線簡化處理，近似代替曲面; 忽略植物和土壤蒸發(fā)對溫室內(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。室外氣象條件參數(shù)采用EnergyPlus能耗模擬軟件自帶的我國典型氣象年室外逐時氣象參數(shù)；溫室內(nèi)空氣溫度按10℃取值；日光溫室前屋面保溫覆蓋物早(晚)開(閉)時間分別按08:50、16:15取值[19]；計算期間為冬季12月～次年1月。

1.4.2 計算結(jié)果實測驗證

計算溫室2016年12月18～21日室內(nèi)空氣溫度計算值與實測值的比較結(jié)果顯示，兩者的平均誤差為0.5%，比較結(jié)果驗證了計算結(jié)果的有效性。圖5

圖5 日光溫室內(nèi)空氣溫度模擬值與實測值對比
Fig.5 The comparison of simulated and measured values of air temperature in indoor temperature room

2 結(jié)果及分析

2.1 高跨比(case1)

2.1.1 北京地區(qū)

case1-1計算條件下，反映了北京地區(qū)高跨比變化對溫室越冬生產(chǎn)需要向溫室累積補(bǔ)充供熱量的影響規(guī)律。研究表明，當(dāng)高跨比為0.53時，冬季最冷時段(12月～次年1月)需要向溫室累積補(bǔ)充供熱量最小；當(dāng)高跨比為0.53時，其夜間有效積溫最高，較4.4 m提高17.2 ℃·d；通過日影長度分析，脊高為4.4～6.0 m時，日光溫室內(nèi)后排作物全年、北墻體冬季均可接收到光照。北京地區(qū)的溫室合理高跨比為0.53，并將該值作為case2-1的計算條件。圖6，圖7

圖6 日光溫室冬季生產(chǎn)累積供熱量與高跨比的關(guān)系(case1-1)
Fig.6 The relationship between accumulated heat load and ridge height of solar greenhouse in winter (case1-1)

圖7 日光溫室冬季生產(chǎn)夜間有效積溫與高跨比的關(guān)系(case1-1)
Fig.7 The relationship between accumulated temperature of night and ridge height of solar greenhouse in winter (case1-1)

2.1.2 其他地理緯度地區(qū)

同case1-1，結(jié)合EnergyPlus能耗模擬軟件、并應(yīng)用單一變量控制方法，可計算得到不同地理緯度地區(qū)跨度為6～12 m條件下日光溫室建筑適宜的高跨比)。研究表明，同一地區(qū)日光溫室高跨比不受跨度變化的影響，只與當(dāng)?shù)厥彝饪諝鉁囟纫约疤栞椛鋸?qiáng)度的變化相關(guān)；根據(jù)表4，對于越冬生產(chǎn)的日光溫室，室外空氣平均溫度和日平均太陽輻射量越低的地區(qū)，相應(yīng)的日光溫室高跨比λ也應(yīng)降低。圖8，表4

圖8 烏魯木齊地區(qū)日光溫室高跨比與跨度的關(guān)系(case1-1)
Fig.8 The relationship between ratio of ridge height and span of solar greenhouse in Urumqi (case4)表4 不同地理緯度地區(qū)日光溫室建筑高跨比推薦值
Table 4 Recommended ratio of ridge height to span of solar greenhouse in China

城市City緯度(N)Latitude冬季室外空氣平均溫度Outdooraveragetemperatureinwinter(℃)冬季日平均太陽輻射量Dailyaveragetotalsolarradiationinwinter(MJ)簡化模型計算值CalculationvaluebysimplifiedmodelEnergyPlus計算值CalculationvaluebyEnergyPlus烏魯木齊Urumchi43.54°6～12-11.14.280.42～0.45沈陽Shenyang41.50°6～12-9.58.30.47～0.49北京Beijing39.92°6～12-2.111.20.51～0.53壽光Shouguang36.88°6～12-1.95.50.47～0.50蘭州Lanzhou36.03°6～12-4.36.30.48～0.50西安Xi'an34.18°6～120.54.690.45～0.47

注：表中冬季室外空氣平均溫度與冬季日平均太陽輻射量采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[20]整理所得

2.2 后屋面水平投影長度(case2)

2.2.1 北京地區(qū)(case2-1)

研究表明，隨著后屋面水平投影長度的增加，越冬生產(chǎn)期間需要向溫室累積補(bǔ)充供熱量減小了，溫室冬季生產(chǎn)夜間有效積溫在不斷升高。夏季正午時刻地面日影長度與后屋面水平投影長度的關(guān)系(case2-1)表明，日光溫室地面日影長度以夏至日(6月22日)對稱，并且在夏至日達(dá)到最大值?？紤]到作物與走道一般有0.2 m的距離，所以在夏至日其地面的日影長度不宜超過0.2 m。研究后屋面投影長度不應(yīng)影響日光溫室后排蔬菜作物大暑日(7月22日)至翌年小滿日(5月22日)接受到太陽光照?；谠撛O(shè)計條件10 m跨度條件下的溫室適宜的后屋面水平投影長度為2.0 m，并將該值作為case3-1的計算條件。圖9～11

圖9 日光溫室冬季生產(chǎn)累積供熱量與后屋面水平投影長度的關(guān)系(case2-1)
Fig.9 The relationship between accumulated heat load and horizontal projection length of back roof of solar greenhouse in winter (case2-1)

圖10 日光溫室冬季生產(chǎn)夜間有效積溫與后屋面水平投影長度的關(guān)系(case2-1)
Fig.10 The relationship between accumulated temperature of night and horizontal projection length of back roof of solar greenhouse in winter (case2-1)

圖11 夏季正午時刻地面日影長度與后屋面水平投影長度的關(guān)系(case2-1)
Fig.11 The relationship between the horizontal projection length of back roof and the ground shadow length in summer (case2-1)

2.2.2 其他地理緯度地區(qū)(case2-2)

同case2-1，基于后屋面水平投影長度的設(shè)計條件，結(jié)合EnergyPlus能耗模擬軟件、并應(yīng)用單一變量控制方法，可計算得到不同地理緯度地區(qū)跨度為6～12 m條件下日光溫室建筑的后屋面水平投影長度。研究表明，隨著溫室跨度的增加(6～12 m)，而后屋面水平投影長度不斷增加，對于越冬生產(chǎn)的日光溫室，跨度確定的情況下，高跨比越小且緯度越高的地區(qū)，相應(yīng)的日光溫室后屋面水平投影長度可以降低，其原因是跨度一定的情況下，高跨比小則日光溫室的建筑空間變小了，考慮到作物的光照需求，其后屋面則相應(yīng)程度的降低。圖12

圖12 不同地理緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影長度的變化規(guī)律(case2-2)
Fig.12 Variation in horizontal projection length of back roof of solar greenhouse in different geographic latitudes (case2-2)

2.3 北墻高度(case3)

2.3.1 北京地區(qū)(case3-1)

圖13、14反映了北墻高度對日光溫室冬季生產(chǎn)需要向溫室累積補(bǔ)充供熱量、夜間有效積溫的影響規(guī)律(case3)。隨著北墻高度的不斷增高，需要向溫室提供熱量也隨之減小，夜間有效積溫升高。由于全年冬至日太陽日照時間最短，大寒日全年室外溫度最低，確保冬至日(12月22日)～大寒日(次年1月22日)期間段北墻體全部被太陽光照射，能夠使其白天最大化蓄熱，并在夜間釋放熱量提升夜間有效積溫。研究表明，因為受后屋面遮擋的影響，北墻體超過4.2 m后，在冬至日至大寒日期間段上部部分區(qū)域無法被太陽光照射到，導(dǎo)致其集蓄熱能力得不到進(jìn)一步增加，相反增加其建造成本。確保冬至日至大寒日期間北墻可接收太陽光照射，對冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)期日光溫室高效利用太陽能具有重要的影響。圖13～15

圖13 日光溫室冬季生產(chǎn)累積供熱量與北墻高度的關(guān)系(case3-1)
Fig.13 The relationship between accumulated heat load and north wall height of solar greenhouse in winter (case3-1)

圖14 日光溫室冬季生產(chǎn)夜間有效積溫與北墻高度的關(guān)系(case3-1)
Fig.14 The relationship between accumulated temperature of night and north wall height of solar greenhouse in winter (case3-1)

圖15 冬季正午時刻北墻體日影長度變化(case3-1)
Fig.15 North wall shadow length change in the winter time at noon

2.3.2 其他地理緯度地區(qū)(case3-2)

同case3-1，基于北墻高度的取值原則，結(jié)合EnergyPlus能耗模擬軟件、并應(yīng)用單一變量控制方法，可計算得到不同地理緯度地區(qū)跨度為6～12 m條件下日光溫室建筑適宜的北墻高度。研究表明，隨著溫室跨度的增加(6～12 m)，而北墻高度不斷增加，對于越冬生產(chǎn)的日光溫室，高跨比越大、后屋面水平投影長度越短和緯度越高的地區(qū)，相應(yīng)的日光溫室北墻高度可以升高，因為溫室北墻體具有集熱、蓄熱與保溫于一體的建筑熱工特性，白天利用其可提高太陽能的蓄熱作用，為夜間溫室熱環(huán)境營造提供熱能補(bǔ)充。圖16

圖16 不同地理緯度地區(qū)日光溫室北墻高度變化規(guī)律(case3-2)
Fig.16 Variation in north wall height of solar greenhouse in different geographic latitudes (case3-2)

同一地區(qū)日光溫室高跨比不受跨度變化的影響，只與當(dāng)?shù)厥彝饪諝鉁囟纫约疤栞椛鋸?qiáng)度的變化相關(guān)；大暑日至翌年小滿日期間，后屋面水平投影長度不應(yīng)影響日光溫室后排蔬菜作物接收太陽光照；確保冬至日至大寒日期間北墻可接收太陽光照射，對冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)期日光溫室高效利用太陽能具有重要的影響。

3 討 論

為了評價第2節(jié)給出的不同地理緯度地區(qū)日光溫室建筑空間形態(tài)特征參數(shù)取值原則的合理性，仍然以北京地區(qū)日光溫室為比較對象。優(yōu)化設(shè)計溫室與現(xiàn)行常見溫室均為東西向，朝向為南偏西5°、長度為80 m、跨度為8 m，溫室墻體均為240 mm砌塊磚墻、墻體外側(cè)采用100 mm聚苯板保溫材料，溫室前屋面采用0.12 mm的EVA薄膜、夜間加蓋40 mm保溫覆蓋物，后屋面采用內(nèi)夾100 mm聚苯板保溫材料彩鋼板。優(yōu)化設(shè)計溫室1按照后排作物全年接受光照作為設(shè)計條件，其脊高為4.2 m，北墻高度為3.3 m，后屋面水平投影長度為1.5 m；優(yōu)化設(shè)計溫室2按照后排作物大寒日至翌年小滿日接收光照接受光照作為設(shè)計條件，其脊高為4.2 m，北墻高度為3.1 m，后屋面水平投影長度為1.8 m；現(xiàn)行常見溫室的脊高為3.5 m，北墻高度為2.8 m，后屋面水平投影長度為0.9 m。

根據(jù)EnergyPlus能耗模擬軟件的計算結(jié)果，在確保日光溫室環(huán)境溫度不低于8℃的計算條件下，日光溫室越冬生產(chǎn)關(guān)鍵期(12月1日～次年1月31日)，優(yōu)化設(shè)計溫室1需要提供的累積補(bǔ)充供熱量為8 340 MJ，優(yōu)化設(shè)計溫室2需要提供的累積補(bǔ)充供熱量為8 150 MJ，而現(xiàn)行常見溫室需要提供的累積補(bǔ)充供熱量為9 670 MJ，優(yōu)化設(shè)計溫室1較現(xiàn)行溫室減少了13.7%，優(yōu)化設(shè)計溫室2較現(xiàn)行溫室減少了15.7%，按照后排作物大暑日至翌年小滿日接受光照為設(shè)計條件節(jié)能效果更明顯。圖17

圖17 優(yōu)化設(shè)計溫室與現(xiàn)行常見溫室越冬生產(chǎn)關(guān)鍵期(12月1日～1月31日)累積補(bǔ)充供熱量比較
Fig.17 The comparison of accumulated heat load in the optimal design solar greenhouse and the current solar greenhouse (December 1st -January 31st)

4 結(jié) 論

4.1 同一地區(qū)日光溫室高跨比不受跨度變化的影響，只與當(dāng)?shù)厥彝饪諝鉁囟纫约疤栞椛鋸?qiáng)度的變化相關(guān)；室外空氣平均溫度和日平均太陽輻射量越低的地區(qū)，相應(yīng)的日光溫室高跨比λ也應(yīng)降低。

4.2 大暑日至翌年小滿日期間，后屋面水平投影長度不應(yīng)影響日光溫室后排蔬菜作物接收太陽光照；

4.3 確保冬至日至大寒日期間北墻可接收太陽光照射，對冬季反季節(jié)蔬菜作物生產(chǎn)期日光溫室高效利用太陽能具有重要的影響。

4.4 EnergyPlus能耗模擬軟件的比較計算結(jié)果表明，在確保日光溫室環(huán)境溫度不低于8℃的計算條件下，日光溫室越冬生產(chǎn)關(guān)鍵期(12月1日～次年1月31日)，按照后排作物大寒日至翌年小滿日接收光照接受光照作為設(shè)計條件的優(yōu)化設(shè)計溫室需要提供的累積補(bǔ)充供熱量為8 150 MJ，較北京地區(qū)現(xiàn)行常見溫室需要提供的累積補(bǔ)充供熱量(9 670 MJ)減少15.7%，節(jié)能效果明顯。

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