煙臺(tái)市日光溫室后屋面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁行健，吳興國(guó)，徐 皓，陳曉峰

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670）

日光溫室與其他溫室類(lèi)型相比，具有成本低、光能利用率高、保溫性能好的特點(diǎn)，適合中高緯度地區(qū)越冬茬栽培，在中國(guó)北方地區(qū)得到了大面積的推廣［1，2］。山東作為中國(guó)最大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地，設(shè)施所占比重較高，尤以日光溫室和拱棚（或者大棚）栽培為主［3］。煙臺(tái)市作為山東省重要的果蔬生產(chǎn)基地，每年設(shè)施生產(chǎn)的特色果蔬產(chǎn)品在全國(guó)占有重要地位。煙臺(tái)市位于東經(jīng)119°34′—121°57′，北緯36°16′—38°23′，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退都比較明顯。截至2018年，煙臺(tái)市擁有冬暖式日光溫室7萬(wàn)余個(gè)，設(shè)施蔬菜產(chǎn)值達(dá)到4.5億元，占煙臺(tái)蔬菜產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的85%［4］，可見(jiàn)設(shè)施栽培已成為煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)的主要栽培形式。通過(guò)對(duì)煙臺(tái)市設(shè)施結(jié)構(gòu)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，煙臺(tái)市日光溫室后屋面的設(shè)計(jì)較為隨意，而后屋面對(duì)于日光溫室的性能有著很大的影響。

近幾十年來(lái)，科研人員針對(duì)生產(chǎn)實(shí)際構(gòu)建了許多不同后屋面構(gòu)造和材質(zhì)的日光溫室，如無(wú)后屋面日光溫室［5］、大棚型日光溫室［6，7］、裝配式日光溫室［8］等，對(duì)其3個(gè)主要參數(shù)傾角、水平投影寬度和構(gòu)造也有比較深入的研究。李霞等［9］對(duì)中國(guó)北方日光溫室合理采光時(shí)段的屋面傾角進(jìn)行了理論計(jì)算與分析。李家寧等［10］研究表明，不同屋面傾角對(duì)進(jìn)光量有顯著影響，隨著屋面傾角的增大，透光量也隨著增加。陳端生［11］建議后屋面投影寬度占溫室跨度的17%～25%進(jìn)行設(shè)計(jì)較為合理。魏曉明等［12］指出后屋面的投影寬度以種植區(qū)最后一排作物冠層可接受到夏至日正午太陽(yáng)光為基準(zhǔn)來(lái)確定。白義奎等［13］則認(rèn)為后屋面的投影寬度以冬至日光溫室采光面截獲的太陽(yáng)能與春分地平面截獲的太陽(yáng)能相等最適合生產(chǎn)栽培。2003年公布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定日光溫室的后屋面投影寬度應(yīng)為溫室跨度的17%～25%［14］，王云冰等［15］分析了各種高效保溫材料對(duì)日光溫室后屋面的熱工性能，發(fā)現(xiàn)擠塑板具有較好保溫性和實(shí)用性，適宜日光溫室使用。

為研究后屋面對(duì)日光溫室室內(nèi)的環(huán)境影響，采用單因素分析方法最為簡(jiǎn)單有效，但在實(shí)際生產(chǎn)建造中不切實(shí)際。絕大多數(shù)日光溫室建造成本在75萬(wàn)～150萬(wàn)元∕hm2，采用實(shí)際建造法研究后屋面的3大參數(shù)對(duì)日光溫室內(nèi)的光環(huán)境變化影響成本太高，也很難實(shí)現(xiàn)，借助日光溫室光環(huán)境模擬軟件就可以很好地解決這一問(wèn)題。日光溫室光照環(huán)境影響因素眾多，溫室方位、屋面形狀、地下參數(shù)等因素在實(shí)際生產(chǎn)中多為固定類(lèi)型，可以只改變后屋面的傾角、水平投影寬度和構(gòu)造，模擬研究不同參數(shù)對(duì)日光溫室室內(nèi)光照環(huán)境的影響。

1.1 目標(biāo)溫室的選取以及參數(shù)設(shè)定

模擬所采用的氣象數(shù)據(jù)文件來(lái)源于《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)庫(kù)》，包含270個(gè)氣象臺(tái)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

目標(biāo)溫室位于煙臺(tái)市牟平區(qū)莒格莊鎮(zhèn)新建村，地理位置為北緯37°32′、東經(jīng)121°24′，海拔高度47 m。日光溫室模型為東西走向，方位角為南偏西3.5°，長(zhǎng)度為60 m，跨度9 m，溫室的脊高為3.47 m，溫室后墻高度為2.6 m，后屋面傾角為36°，后屋面水平投影寬度為1.2 m，后屋面主體構(gòu)造由內(nèi)到外依次為PVA薄膜、60 mm厚聚苯板、100 mm厚草苫、150 mm草泥。溫室前屋面覆蓋厚0.1 mm EVA薄膜，薄膜的外側(cè)覆蓋3 cm厚保溫被，溫室間距為6.5 m。溫室密閉性良好，土地類(lèi)型為壤土，無(wú)覆蓋，室內(nèi)植物繁茂程度一般，植物高度1 m，溫室內(nèi)植物與后墻面最少間距為1.2 m。溫室通風(fēng)按照冬季日光溫室常規(guī)管理進(jìn)行。

1.2 日光溫室模擬軟件準(zhǔn)確性的驗(yàn)證

日光溫室相關(guān)參數(shù)模擬與實(shí)測(cè)時(shí)間段為2019年12月5日上午6：00至2019年12月12日凌晨5：00，測(cè)定時(shí)間間隔為1 h，測(cè)定位置為通風(fēng)口下方，距離地面高度2 m。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的日光溫室熱環(huán)境分析軟件，運(yùn)用工程熱物理和溫室環(huán)境工程等理論，可有效構(gòu)建日光溫室熱環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型，該軟件精確性和實(shí)用性也通過(guò)眾多研究者在具體生產(chǎn)實(shí)際中得以確認(rèn)，被廣泛應(yīng)用于日光溫室熱環(huán)境優(yōu)化研究［16，17］。本研究采用有限差分等數(shù)值分析方法，對(duì)給定地理位置、室外氣象條件下的建筑參數(shù)、建筑材料和構(gòu)造方案進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境全天變化情況的模擬，對(duì)日光溫室熱環(huán)境性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，以確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案［18］。目標(biāo)溫室實(shí)測(cè)溫度與模擬理論氣溫曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 模擬和實(shí)際檢測(cè)下冬季溫室內(nèi)氣溫

將得到的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)該溫室內(nèi)部溫度光輻射能量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，3個(gè)重要對(duì)比指標(biāo)的相似度均達(dá)到95%以上，故該模擬軟件準(zhǔn)確可靠。

表1 對(duì)比指標(biāo)及相似度

2 后屋面參數(shù)的選擇

后屋面的參數(shù)主要有傾角、水平投影寬度、構(gòu)造，通過(guò)實(shí)地調(diào)研以及查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)獲取其大概值，模擬得出最優(yōu)方案。

2.1 傾角的選擇

日光溫室后屋面的傾角是指日光溫室后屋面與水平面之間的夾角，其大小對(duì)日光溫室的采光及保溫性均有一定影響。日光溫室后屋面的傾角應(yīng)該略大于當(dāng)?shù)囟琳绲奶?yáng)高度角，在冬季生產(chǎn)時(shí)，使太陽(yáng)直射光能照射到日光溫室后屋面內(nèi)側(cè)（使得冬季可以獲取更多的能量）；在夏季生產(chǎn)時(shí)，避免太陽(yáng)直射光照到后屋面內(nèi)側(cè)（避免溫室內(nèi)過(guò)熱）［18］。因此一般后屋面傾角取當(dāng)?shù)囟琳缣?yáng)高度角再加5°～8°。煙臺(tái)市位于北緯36°16′—38°23′，根據(jù)正午太陽(yáng)高度角計(jì)算公式：h=90°-|φ-δ|，其中φ表示觀測(cè)地地理緯度，δ表示太陽(yáng)赤緯，推算出煙臺(tái)市冬至正午太陽(yáng)高度角。根據(jù)模擬結(jié)果以及生產(chǎn)實(shí)際，選取了36°、38°、40°3個(gè)角度作為最終結(jié)論的備選方案。

2.2 水平投影寬度的選擇

日光溫室后屋面的水平投影直接影響日光溫室的保溫性能及其內(nèi)部的光照情況。當(dāng)日光溫室后屋面水平投影變長(zhǎng)時(shí)，日光溫室的保溫性能提高，但太長(zhǎng)的話(huà)，當(dāng)太陽(yáng)高度角較大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)溫室后屋面遮光的現(xiàn)象，使得日光溫室北部出現(xiàn)大面積陰影。而且日光溫室后屋面水平投影太長(zhǎng)，其前屋面的采光將減小，造成日光溫室白天升溫過(guò)慢。反之，日光溫室后屋面水平投影太短，日光溫室內(nèi)部的保溫性能降低，形成日光溫室白天升溫快晚上降溫也快的情況，不利于作物生長(zhǎng)［19］。

日光溫室后屋面的水平投影隨溫室構(gòu)造以及地理緯度的改變而改變，大致與日光溫室的跨度和前屋面傾角呈正相關(guān)關(guān)系，與后墻高度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系［20］。傳統(tǒng)的溫室設(shè)計(jì)，后屋面水平投影一般取其跨度長(zhǎng)的20%～30%［21］。根據(jù)上述理論，再通過(guò)查閱相關(guān)資料以及結(jié)合煙臺(tái)市的實(shí)地調(diào)研結(jié)果，選取了1.2、1.3、1.4 m 3個(gè)長(zhǎng)度作為最終結(jié)論的備選方案。

2.3 構(gòu)造的選擇

通過(guò)對(duì)煙臺(tái)市日光溫室構(gòu)造的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分后屋面的建造材料大多就地取材，價(jià)格較為低廉，保溫性差，壽命短，不符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的理念，通過(guò)溫室模擬以及生產(chǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)出兩種構(gòu)造，即從里向外應(yīng)有防水層、承重層、保溫層和防水層［22］，設(shè)計(jì)出兩種構(gòu)造A和B。

A：0.1 mm薄膜+100 mm聚苯板+200 mm混凝土砂漿；

B：0.1 mm薄膜+120 mm擠塑板+150 mm混凝土砂漿。

結(jié)合后屋面構(gòu)造選用保溫材料的總體要求是質(zhì)地輕、保溫性好、密封嚴(yán)、抗壓以及耐用［23］，溫室后屋面主要保溫材料的熱性能參數(shù)如表2所示。

表2 兩種主要保溫材料熱工性能

3 模擬參數(shù)設(shè)定與模擬數(shù)據(jù)結(jié)果

結(jié)合前期3個(gè)參數(shù)及構(gòu)造類(lèi)型設(shè)定模擬數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)夜間平均氣溫（當(dāng)天18：00至次日6：00）和室內(nèi)日平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體模擬結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，溫室9的光環(huán)境最好，后屋面參數(shù)為傾角38°，水平投影寬度1.3 m，構(gòu)造為B。傾角38°和構(gòu)造B參數(shù)組合的光環(huán)境要普遍優(yōu)于其他組合，溫度高出4%左右。實(shí)際模擬時(shí)，運(yùn)用控制變量法，著重研究了設(shè)計(jì)方案1、7、9、10、11、13。為方便對(duì)比，將它們分別改為編號(hào)Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅴ、Ⅲ。修改后的后屋面主要參數(shù)及序號(hào)對(duì)照如表4所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ互為對(duì)照，變量為后屋面傾角；Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ互為對(duì)照，變量為后屋面水平投影寬度；Ⅳ、Ⅵ互為對(duì)照，變量為后屋面構(gòu)造。

表3 后屋面主要參數(shù)及模擬數(shù)據(jù)對(duì)照

表4 修改后的后屋面主要參數(shù)

作物在生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期，不僅要求一定的溫度水平（溫度的高低），而且還需要一定的熱量總和。因此，除了溫度高低，還選取了積溫作為日光溫室內(nèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。日光溫室栽培時(shí)，室溫長(zhǎng)期低于5℃，作物生長(zhǎng)停止，極易發(fā)生凍害［15］，夜間氣溫較低使得溫室結(jié)露時(shí)間早，結(jié)露嚴(yán)重，溫室容易發(fā)生病蟲(chóng)害，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。日光溫室內(nèi)高于5℃的模擬活動(dòng)積溫見(jiàn)圖2。由圖2可知，在特定時(shí)間段內(nèi)，溫室Ⅰ高于5℃的活動(dòng)積溫為1 987℃，溫室Ⅱ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 513℃，溫室Ⅲ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 260℃，溫室Ⅱ比溫室Ⅰ多26.47%，溫室Ⅱ比溫室Ⅲ高出11.19%。結(jié)果表明，后屋面最佳傾角應(yīng)為38°；溫室Ⅱ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 513℃，溫室Ⅳ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 833℃，溫室Ⅴ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 360℃，溫室Ⅳ比溫室Ⅱ多12.73%，溫室Ⅳ比溫室Ⅴ高出20.04%。通過(guò)對(duì)比，可以看出溫室Ⅳ的積溫明顯高于另外兩種溫室設(shè)計(jì)方案。根據(jù)模擬結(jié)果推斷出溫室后屋面的最佳水平投影長(zhǎng)度為1.3 m；在模擬時(shí)間段內(nèi)，溫室Ⅳ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 833℃，溫室Ⅵ高于5℃的活動(dòng)積溫為2 500℃，溫室采用構(gòu)造B的活動(dòng)積溫要明顯優(yōu)于構(gòu)造A。

圖2 日光溫室室內(nèi)活動(dòng)積溫

為進(jìn)一步保證方案的準(zhǔn)確性，又把原日光溫室與方案溫室的其他光環(huán)境進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，當(dāng)日光溫室其他結(jié)構(gòu)不變，后屋面傾角從36°增加到38°時(shí)，水平投影寬度從1.2 m變?yōu)?.3 m，構(gòu)造變?yōu)?.1 mm薄膜+120 mm擠塑板+150 mm混凝土砂漿時(shí)，日光溫室在指定時(shí)間段內(nèi)，溫室地面、墻面和后屋面的平均輻射通量密度分別增加了1.2%、6.3%和9.4%；單位溫室長(zhǎng)度的溫室地面、墻面和后屋面的累計(jì)光輻射能量分別增加了1.3%、6.5%和30%；單位溫室長(zhǎng)度的累計(jì)光輻射總能量也有所增加。實(shí)際和模擬最優(yōu)化的日光溫室結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 日光溫室結(jié)構(gòu)

4 小結(jié)與討論

經(jīng)分析得出，在溫室跨度為9 m時(shí)，溫室Ⅳ的后屋面設(shè)計(jì)為最佳方案，即后屋面傾角采取38°，水平投影寬度設(shè)定為1.3 m，構(gòu)造為0.1 mm薄膜+120 mm擠塑板+150 mm混凝土砂漿。

研究給出了煙臺(tái)市后屋面設(shè)計(jì)的最佳方案，具有理論借鑒和重要的實(shí)用性。但煙臺(tái)市日光溫室建設(shè)規(guī)模較大、形式多樣，對(duì)于煙臺(tái)市部分地區(qū)，在溫室后屋面參數(shù)方面還有必要進(jìn)一步探討和研究。