非對(duì)稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度優(yōu)化＊

引言

非對(duì)稱保溫塑料大棚是一種具有特色的溫室形式，它結(jié)合了日光溫室南面采光、北面保溫的特點(diǎn)，同時(shí)又具有塑料大棚價(jià)格低廉、土地利用率高的特點(diǎn)，近年來在中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)、黃淮海地區(qū)、華北地區(qū)以及西北地區(qū)等得到了推廣與應(yīng)用[1-2]。研究人員對(duì)這種保溫塑料大棚內(nèi)部光熱環(huán)境進(jìn)行了測(cè)試分析，武瑩等發(fā)現(xiàn)18 m跨度非對(duì)稱保溫塑料大棚在冬季的平均最低氣溫在4.0℃以上[3]，春秋季最低氣溫在13.0℃以上[4]。為了提高冬季室內(nèi)最低溫度，研究人員在塑料大棚內(nèi)部利用生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)，測(cè)試結(jié)果表明這種釀熱保溫塑料大棚應(yīng)用效果較好[5-6]。

由于保溫塑料大棚具有低成本、大空間、便于機(jī)械化等優(yōu)良性能，目前在保溫塑料大棚內(nèi)部種植的植物類型也比較多，如中藥材、蔬菜、西甜瓜、果樹等。但是具體針對(duì)某一類作物的非對(duì)稱保溫塑料大棚合理南北屋面投影寬度未見報(bào)道，尤其是中國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大，因此，在非對(duì)稱保溫塑料大棚建造過程中不能完全照搬其他地區(qū)的塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。在寒冷的冬季，非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面外覆保溫被有助于減少室內(nèi)熱量流失，不過相應(yīng)的北側(cè)透光率也會(huì)降低[3]。隨著外界氣溫升高，太陽直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動(dòng)。北側(cè)保溫被可以開始揭簾的時(shí)期十分重要，過早或過晚揭簾均不利于非對(duì)稱保溫塑料大棚的發(fā)展，因此需要選擇合適的揭簾時(shí)期。目前使用保溫塑料大棚種植最多的作物是蔬菜，主要種植茬口是春提前和秋延后。本研究借助日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法[7]，以早春茬喜溫蔬菜為研究對(duì)象，擬根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，確定不同地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面揭簾的合理時(shí)期，基于此得到非對(duì)稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度與脊高的計(jì)算方法。

非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面 揭簾合理時(shí)期

在嚴(yán)寒冬季，非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面外一直覆蓋保溫被，可有效地減少室內(nèi)熱量流失。然而，隨著室外氣候變暖，太陽直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動(dòng)，其中最為關(guān)鍵的部分是什么時(shí)間節(jié)點(diǎn)非對(duì)稱保溫塑料大棚內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天接收太陽光直射，同時(shí)當(dāng)天北屋面可以開始適當(dāng)揭簾以增加北側(cè)太陽散射光進(jìn)入。時(shí)間節(jié)點(diǎn)過早，則非對(duì)稱保溫塑料大棚內(nèi)熱量流失過多，夜間室內(nèi)氣溫會(huì)過低；時(shí)間節(jié)點(diǎn)過晚，則室內(nèi)北側(cè)作物接收太陽光照射的總量會(huì)降低，不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育。

根據(jù)武瑩等[3]的測(cè)試結(jié)果，當(dāng)室外最低溫度變化范圍為-15～-5℃時(shí)，非對(duì)稱保溫塑料大棚內(nèi)平均最低氣溫為4.1℃，番茄在夜間的最低耐受空氣溫度為5℃[8]。為此，以滿足植物夜間生長(zhǎng)發(fā)育溫度為優(yōu)先條件，選擇以室外月平均最低溫度為-5℃作為閾值，即當(dāng)平均最低溫度超過-5℃時(shí)，北屋面才開始適當(dāng)揭簾，而當(dāng)平均最低溫度低于-5℃時(shí)，應(yīng)保證在正午時(shí)刻室內(nèi)北側(cè)最后一排作物能夠接受太陽光直射，依此選擇非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面合適的揭簾時(shí)期。

目前新型保溫塑料大棚理念已逐漸在中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)以及北方一些日光溫室占主導(dǎo)地位的地區(qū)開始探索與實(shí)踐[1]。為此，本研究以中國(guó)北緯31°～40°地區(qū)主要城市為代表，表1為1998～2012年這些城市在1～6月份的月平均最低氣溫和月平均最高氣溫。從表1可看出，合肥、南京、西安在2月份的平均最低溫度已超過-5℃，平均最高溫度已達(dá)到15℃；北京、石家莊、鄭州、濟(jì)南在3月份的平均最低溫度均已超過-5℃，平均最高溫度已超過20℃；太原、蘭州、西寧、銀川在4月份的平均最低溫度均已超過或接近-5℃，平均最高溫度已超過25℃。根據(jù)上述選擇依據(jù)，不同地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面合理的揭簾時(shí)期如表2所示。

表1 1998～2012年1～6月部分城市的月平均最低氣溫與月平均最高氣溫/℃[9]

表2 不同地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面揭簾時(shí)期

非對(duì)稱保溫塑料大棚屋面投影 寬度確定方法

非對(duì)稱保溫塑料大棚主要用于春提前和秋延后蔬菜栽培生產(chǎn)，它的屋面主要是由南屋面和北屋面兩部分組成。

非對(duì)稱保溫塑料大棚南屋面傾角

前屋面是指屋脊與塑料大棚南底腳的連線，是非對(duì)稱保溫塑料大棚的主要采光面。屋面形狀和屋面傾角是前屋面的兩個(gè)基本參數(shù)，由于不同弧面形狀的采光屋面對(duì)溫室總進(jìn)光量的影響差別不大[10]，因此，試驗(yàn)過程不考慮前屋面弧面形狀對(duì)溫室采光的影響。

非對(duì)稱保溫塑料大棚南屋面傾角設(shè)計(jì)方法采用日光溫室前屋面傾角設(shè)計(jì)方法，即保證在冬至日正午前后4 h內(nèi)（10:00～14:00）非對(duì)稱保溫塑料大棚能從南屋面獲得最大采光量，考慮到入射角在一定范圍內(nèi)透光率變化較小，選用入射角為43°[11]。

依據(jù)冬至日10:00的太陽高度角和方位角，確定相對(duì)應(yīng)的塑料大棚南屋面角，計(jì)算公式為[11]：

式中：α—非對(duì)稱保溫塑料大棚的合理南屋面角；

α10—冬至日上午10:00的理想屋面角，α10=90°-43°-h10W；

h10W—冬至日上午10:00的太陽高度角；

γ10W—冬至日上午10:00的太陽方位角。

太陽高度角h是指太陽直射光線與地平面的夾角，可由下式確定[12]：

式中：φ—地理緯度；

δ—太陽赤緯角，

N—日序數(shù)，為計(jì)算日距1月1日天數(shù)；

ω—太陽時(shí)角，ω=15°×(12-t)；

t—太陽計(jì)算時(shí)。

太陽方位角γ是指太陽直射光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可以看做是太陽直射光線在水平面上的投影與正南方的夾角。不同時(shí)刻的太陽方位角γ計(jì)算如下[12]：

非對(duì)稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度與脊高

白天太陽直射光線透射過非對(duì)稱保溫塑料大棚南屋面，在地面上的投影如圖1所示，非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面是指從屋脊到北底腳的連線，其沿跨度方向的水平投影為北屋面投影寬度。塑料大棚屋脊設(shè)為點(diǎn)A，其在地平面上的垂直投影設(shè)為點(diǎn)F。太陽直射光線在非對(duì)稱保溫塑料大棚南屋面上的最高透過點(diǎn)位于保溫被的下方，設(shè)為點(diǎn)B，其在地平面上的垂直投影設(shè)為點(diǎn)E。直射光線透過南屋面B點(diǎn)在植物冠層平面上的投影點(diǎn)為C點(diǎn)。C點(diǎn)在地平面上的垂直投影設(shè)為點(diǎn)D。

根據(jù)圖1可知：

式中：L—非對(duì)稱保溫塑料大棚的跨度；

L1—非對(duì)稱保溫塑料大棚南屋面水平投影寬度；

L2—非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面水平投影寬度。

式中：L4—D點(diǎn)到F點(diǎn)的水平距離；

L5—北側(cè)道路寬度，取值為1.0 m；

L3—E點(diǎn)到F點(diǎn)的水平距離，取值為0.8 m[13]。

式中：H1—直射光線最高透過點(diǎn)B的垂直高度；

H3—植物冠層高度，取值0.2 m；

h—北屋面揭簾時(shí)間節(jié)點(diǎn)正午太陽高度角。

式中：H—溫室屋脊高度；

H2—溫室屋脊A點(diǎn)到B點(diǎn)的垂直距離，取值為0.2 m。

式中：α—非對(duì)稱保溫塑料大棚南屋面合理傾角。

聯(lián)合式（4）～（8），得非對(duì)稱保溫塑料大棚南北屋面水平投影寬度為：

非對(duì)稱保溫塑料大棚脊高為：

顯然，非對(duì)稱保溫塑料大棚屋面水平投影寬度與溫室跨度、南屋面傾角、北側(cè)走道寬度、保溫被卷放位置、北屋面開始揭簾時(shí)間點(diǎn)、正午太陽高度角以及植物冠層高度有關(guān)。

結(jié)果與討論

假設(shè)在不同緯度地區(qū)建造一棟正南方向的非對(duì)稱保溫塑料大棚，南屋面角按照合理屋面角設(shè)計(jì)，室內(nèi)定植喜溫作物，春提前茬口，根據(jù)前文得到的非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面保溫被揭簾時(shí)間節(jié)點(diǎn)、非對(duì)稱保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)計(jì)算公式，不同地區(qū)的非對(duì)稱保溫塑料大棚的脊高、南北屋面投影寬度如表3所示。

由表3可知，不同地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度占跨度的比例為0.62～0.77，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，其中北屋面投影寬度占比最小的地區(qū)位于西寧等春季仍較寒冷地區(qū)。室外氣候是影響非對(duì)稱保溫塑料大棚的重要影響因子，即使地理緯度接近，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)也會(huì)差異很大。以山東濟(jì)南與青海西寧地區(qū)為例，兩個(gè)城市的地理緯度接近，但氣候差異較大，當(dāng)非對(duì)稱保溫塑料大棚跨度為17.0 m時(shí)，西寧地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚的脊高要達(dá)到6.7 m，而濟(jì)南地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚的脊高僅為5.6 m，比西寧地區(qū)低1.1 m。這是由于西寧地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度需要達(dá)到13.0 m，而濟(jì)南地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度僅需要11.0 m，比西寧地區(qū)短2.0 m。

需要指出的是室內(nèi)定植作物不同，對(duì)溫度需求不同，非對(duì)稱保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，例如草莓等耐寒作物，可以忍受0℃以上、5℃以下的溫度，因此北屋面揭簾時(shí)期可以提前一些。以西安地區(qū)為例，假設(shè)北屋面揭簾周期為大寒～小雪，則室內(nèi)定植草莓的非對(duì)稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度如表4所示。

由表4可知，當(dāng)南屋面投影寬度為11.1 m時(shí)，北屋面投影寬度為6.9 m，而在表3中，當(dāng)南屋面投影寬度為11.0 m，北屋面投影寬度僅為6.0 m，短接近1.0 m。說明定植耐寒作物時(shí)可以適當(dāng)增加北屋面的寬度。

表3 不同地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度

表4 非對(duì)稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度（大寒～小雪）

若為了更好的保證室內(nèi)溫度，假設(shè)以室外月平均最低氣溫接近0 ℃時(shí)才開始北屋面揭簾，仍然以西安地區(qū)為例，則北屋面揭簾周期為春分～秋分，則非對(duì)稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度如表5所示。

表5 非對(duì)稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度（春分～秋分）

由表5可知，當(dāng)非對(duì)稱保溫塑料大棚跨度為17.0 m時(shí)，脊高為6.0 m，北屋面投影寬度為4.1 m，而在表3中，相同跨度的非對(duì)稱保溫塑料塑料大棚其脊高僅為5.1 m，北屋面投影寬度為6.0 m。脊高越高，意味著與后一棟塑料大棚之間的間距越大。由于表4與表5中非對(duì)稱保溫塑料大棚的跨度相同，這也意味著脊高更高的非對(duì)稱塑料大棚，其土地利用率會(huì)更低。

除此之外，植物冠層高度、走道設(shè)置位置、作物定植時(shí)期等都會(huì)影響非對(duì)稱保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)，尤其是近年來，葡萄、桃、杏、櫻桃、無花果、中草藥以及西甜瓜等逐漸在保溫塑料大棚中栽培，目前以這些作物為研究對(duì)象的保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)方法還較少，尤其是通風(fēng)降溫、跨度、高度等參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中仍然以喜溫蔬菜為研究對(duì)象，下一步需要進(jìn)一步針對(duì)不同類型作物開展保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

本研究提出了一種確定非對(duì)稱保溫塑料大棚屋面投影寬度與脊高的方法。該方法根據(jù)不同日期太陽直射光線在室內(nèi)地面上投影的變化，當(dāng)室外最低溫度小于-5℃時(shí)，保證室內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天能接受太陽光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)非對(duì)稱保溫塑料大棚北屋面的合理揭簾時(shí)期，并據(jù)此得出非對(duì)稱保溫塑料大棚南、北屋面投影寬度、脊高等參數(shù)，其中非對(duì)稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度占跨度的比例為0.62～0.77，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，可為中國(guó)非對(duì)稱保溫塑料大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。