后屋面水平投影長度對日光溫室性能的研究

郭艷玲　李石　陳國輝

摘要 為了研究后屋面水平投影長度對節(jié)能型日光溫室性能的影響，以北方高緯度日光溫室為研究對象，分析了哈爾濱日光溫室合理的前屋面角。在確保日光溫室采光性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ANSYS有限元軟件對溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維分析，討論了后屋面水平投影長度對日光溫室結(jié)構(gòu)安全性能的影響。結(jié)果表明，對于北方高緯度地區(qū)常用的脊跨比為1∶2的日光溫室，當(dāng)后屋面水平投影長與脊高之比為24%～25%時，日光溫室結(jié)構(gòu)比較合理。前屋面角大于哈爾濱最小前屋面角29.2°，有利于日光溫室的采光和積雪的滑落，鋼結(jié)構(gòu)承載能力比較好，是適合課題組即將建設(shè)的北方高緯度地區(qū)的日光溫室結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞 后屋面水平投影；日光溫室；ANSYS；高緯度地區(qū)

中圖分類號 S625 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01555-03

Abstract In order to study the effects of the horizontal projection length of the roof on the energy-saving solar greenhouse performance， with the greenhouse in the northern high latitudes as the study， based on the analysis of the former Harbin reasonable greenhouse roof angle to ensure that greenhouse lighting performance， the three-dimensional analysis was conducted on greenhouse structure with application of ANSYS software， the influence to the structural safety performance of greenhouse were studied. The results show that： for the northern high latitudes common ridge span ratio of 1∶2 greenhouse， when the rear horizontal projection of the roof ridge length and height ratio of 24% to 25%， the greenhouse structure is more reasonable. Front roof angle relatively large is conducive to greenhouse lighting and snow fall， while steel has better carrying capacity that is suitable for the construction of a greenhouse in northern high latitudes area.

Key words Roof horizontal projection； Solar greenhouse； ANSYS finite element； High latitude region

目前已建造的日光溫室，主要還是憑借以往的建造經(jīng)驗來確定后屋面水平投影的長度。傳統(tǒng)的溫室設(shè)計，后屋面水平投影一般取其跨度長的20% ～ 30%[1]。由于缺少這方面的科學(xué)研究，各地區(qū)在建設(shè)日光溫室時，對該值的取值一直都有爭議。日光溫室后屋面水平投影的長短，直接影響日光溫室的采光性能和內(nèi)部的保溫性能[2]。在一定條件下，日光溫室后屋面水平投影越長，日光溫室的保溫性能越好，但當(dāng)太陽高度角較大時，就會導(dǎo)致日光溫室后屋面遮光，使日光溫室后部出現(xiàn)大面積陰影，影響栽培作物的生長和發(fā)育，而且日光溫室后屋面越長，日光溫室前屋面的采光面將越短，從而造成內(nèi)部部分采光不足。當(dāng)日光溫室后屋面短時，日光溫室內(nèi)部采光非常好，但是保溫性能卻大大降低，造成日光溫室白天升溫快，夜間降溫也快的問題[3-4]。為此，研究后屋面水平投影長度對日光溫室性能的影響，對日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化有著重要的現(xiàn)實意義。課題組特針對即將在高緯度地區(qū)哈爾濱市建造的節(jié)能型日光溫室進(jìn)行了前期模擬與分析，考慮了哈爾濱地區(qū)獨特的地理氣候等條件，研究了后屋面水平投影長度對日光溫室內(nèi)部采光性能的影響，并利用ANSYS計算并分析了其對日光溫室結(jié)構(gòu)安全的影響，提出了合理的后屋面水平投影長度模型。

1 日光溫室場地情況

節(jié)能型日光溫室的場地進(jìn)行實地測量，場地總長60 m，寬10 m，有一段能利用的2.5 m后墻。在北方高緯度地區(qū)，采光保溫和結(jié)構(gòu)安全是日光溫室面臨的主要問題。因此采用無立柱圓弧形前屋面節(jié)能日光溫室較為適宜[5-6]，無立柱是為了方便大型設(shè)備的工作及管理人員的活動，圓弧形前屋面是為了日光溫室內(nèi)部的采光和冬天積雪的滑落，后屋面是為了提高日光溫室保溫、承重和防水的性能[7-8]。準(zhǔn)備用40 mm×60 mm實心方鋼管搭建日光溫室鋼骨架，材料楊氏模量為2.0×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，準(zhǔn)備用10 mm厚聚碳酸酯中空板（PC板）為覆蓋材料。

2 理論分析

2.1 采光研究

前屋面角每增加1°時，會使室內(nèi)接收太陽能增加5.47 KJ/d·m（3 648.4 KJ/d·畝）[15]。所以，前屋面角在一定范圍內(nèi)越大，冬季接受的輻射越多，蓄熱就越多。從表1中可以看出，20%～22%后屋面投影所產(chǎn)生的前屋面角小于哈爾濱地區(qū)建造日光溫室的最小前屋面角度29.2°，所以不予考慮。

4 有限元分析

4.1 有限元的單元劃分

取該節(jié)能型日光溫室其中一個重復(fù)單元，以鋼骨架、覆蓋PC板組成的整體為研究對象。其中，骨架選用beam4（空間梁單元），覆蓋PC板選用shell63（彈性殼單元）。所有材料均考慮為線彈性，各向同性，在骨架底部施加約束條件，將各方向自由度約束，各桿件鏈接視為剛接。對日光溫室?guī)缀文Ｐ瓦M(jìn)行smart size網(wǎng)格劃分，結(jié)果為單元數(shù)83個，節(jié)點數(shù)104個，如圖2所示。

4.2 計算 在日光溫室總長度、跨距、脊高、前窗高度、后墻高度保持不變的前提下，以后屋面水平投影長度為變量，計算范圍為跨度長的23% ～ 30%，以1%為跨度，對得到的日光溫室模型施加最危險荷載組合，進(jìn)行有限元分析，分別得到不同后屋面水平投影對應(yīng)的新日光溫室一個重復(fù)單元模型的合位移等值線圖和等效應(yīng)力場等值線圖，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 有限元結(jié)果分析

日光溫室結(jié)構(gòu)中采用的鋼材主要是Q235沸騰鋼，這種鋼材是按照機(jī)械性能供應(yīng)，即保證鋼材的抗拉強(qiáng)度和伸長率滿足國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。這種鋼材在使用、加工和焊接等方面性能都比較好，生產(chǎn)量大，取材容易，非常適合溫室對結(jié)構(gòu)鋼的要求，這種鋼材也大量應(yīng)用于工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)中。由于計算時參考的是50年一遇的極端天氣情況，所以計算出的變形和受力會比較大。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊，選取安全系數(shù)為1.25，許用應(yīng)力為235 MPa，溫室工程設(shè)計的剛度要求是最大相對位移控制在跨度的1.6%之內(nèi)。

從表2中可以看出，當(dāng)后屋面投影長與跨度之比為23%、26%、27%、28%、29%、30%時，節(jié)點中最大應(yīng)力均超出鋼的許用應(yīng)力235 MPa，此日光溫室結(jié)構(gòu)在50年一遇的極端天氣情況下存在安全隱患。當(dāng)后屋面投影長與跨度之比為24%與25%時，節(jié)點中最大應(yīng)力分別為204 MPa與222 MPa，均小于鋼的許用應(yīng)力。

因此，當(dāng)后屋面投影長與跨度之比為24%～25%時，日光溫室結(jié)構(gòu)最合理。此時，日光溫室在最危險荷載組合下的總體變形圖和等效應(yīng)力場等值線圖，分別如圖3、4所示，其中等效應(yīng)力場等值線圖是彎曲應(yīng)力圖和軸向應(yīng)力圖的疊加。

5 結(jié)論

（1） 對于此類型脊跨比為1∶2的無立柱圓弧形前屋面日光溫室，當(dāng)后屋面投影長與跨度之比為24%～25%時，日光

溫室結(jié)構(gòu)比較合理，是適合北方高緯度地區(qū)地理氣候條件的

日光溫室，課題組可按此比例進(jìn)行建造。

（2） 此時日光溫室的前屋面角30°±0.5°，滿足哈爾濱地區(qū)建造日光溫室的前屋面角度要求29.2°，對日光溫室的內(nèi)部采光較為有利，同時也有利于積雪從圓弧形前屋面上滑落。

（3） 此時的日光溫室結(jié)構(gòu)在在骨架承載能力、受載后的變形等指標(biāo)上比較好，50年一遇的危險荷載情況下也不會超標(biāo)，保證了日光溫室的整體安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]張東兵.日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計探討[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2011（10）：45-47.

[2] 明月.日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[3] 白義奎，李天來，王鐵良，等.遼寧日光溫室結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].北方園藝，2011（1）：62-67.

[4] 劉建，周長吉.日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究進(jìn)展與發(fā)展方向[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，9（28）：264-268.

[5] 張京社，柴文臣.高寒區(qū)現(xiàn)代日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，4（8）：870-873.

[6] 劉志杰，鄭文剛，胡清華，等.中國日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2007，2（23）：449-453.

[7] 魏曉明，周長吉，曹楠，等.基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究[J].北方園藝，2010（15）：1-5.

[8] 孟力力，楊其長，BOT G P A，等.日光溫室熱環(huán)境模擬模型的構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，1：164-170.

[9] 史慧鋒，王曉冬，鄒平，等.西北抗寒冷生產(chǎn)型日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計——以新疆吐魯番市日光溫室建造為例[J].農(nóng)機(jī)化研究.2009，5（5）：122-127.

[10] 董吉林，李亞靈，溫祥珍.西北型節(jié)能日光溫室采光設(shè)計中方位角和前屋面角的分析、探討與應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003（3）：105-108.

[11] 王宇欣，王宏麗.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建筑學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[12] 王朝棟，史為民，裴先文.4種曲線形日光溫室前屋面采光性能及其拱架力學(xué)性能的比較[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，38（8）：143-150.

[13] 周長吉.現(xiàn)代溫室工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[14] KENDIRLI B.Structural analysis of greenhouses：A case study in Turkey[J].Building and Environment，2006，41：864-871.

[15] 蘭星，塔娜.寒冷干旱地區(qū)日光溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，33（3）：216-221.