玻璃連棟溫室光照與熱性能提升方法研究
——以北京地區(qū)為例＊

付浩祺，陳超，焦勇翔，李恭丞（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）

荷蘭式的全玻璃連棟溫室，以其屋面和墻體都為玻璃為建筑特點。與中國日光溫室比較，由于其裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式，可實現(xiàn)規(guī)?；ㄔ?、機械化生產(chǎn)、人工環(huán)境控制、工廠化生產(chǎn)。但由于玻璃熱阻小，北方地區(qū)越冬生產(chǎn)，需要消耗大量化石能源作為供暖熱源，以滿足蔬菜正常生長必要的熱環(huán)境需要；炎熱夏季，受玻璃建筑溫室效應(yīng)等因素的影響，同樣需要消耗大量化石能源作為冷卻降溫冷源，以滿足生產(chǎn)需要。對化石能源的高度依賴、以及高昂的能源費用代價，是影響荷蘭式全玻璃連棟溫室在國內(nèi)大面積推廣應(yīng)用的關(guān)鍵影響因素之一。

吳毅明[1]研究中提供了一種溫室采光設(shè)計的理論計算方法，為進光量計算提供了一種指導(dǎo)思想。張勇[2]等采用光學(xué)理論計算和試驗研究的方法，分析了溫室采光面在小幅調(diào)整條件下自然光的透過率，以及溫室采光面角度調(diào)整與室內(nèi)光照強度透過率的增加之間的定量關(guān)系；蔵田憲次[3]應(yīng)用數(shù)學(xué)模型分析了溫室方位、連棟數(shù)、季節(jié)及地理緯度對太陽直射光透過率的影響。吳毅明[1]等模擬中分析了不同結(jié)構(gòu)的日光溫室采光量之間的差別，模擬結(jié)果顯示獲得最多采光量和最少采光量者相差高達(dá)41.4%，該研究也說明了結(jié)構(gòu)不同的溫室的太陽得熱量也不一致。Chao Chen[4]等以日光溫室可截獲最大太陽輻射量為依據(jù)，通過理論分析和極值原理提出了中國各緯度地區(qū)的溫室最佳朝向以及相關(guān)簡化公式。牛曉科以拉薩市某溫室為例,提出一種新的熱平衡分析方法,通過建立數(shù)學(xué)模型計算溫室熱量得失,對比分析得出溫室供熱期間太陽輻射的熱量是其最小耗熱量的2～3 倍，并結(jié)合經(jīng)濟效益分析，確定了土壤蓄熱與電加熱結(jié)合的供熱方式。張亞紅等[5]通過確定中國連棟溫室室外設(shè)計溫度，計算分析了室外設(shè)計溫度在全國的分布狀況，進而計算連棟溫室最大熱負(fù)荷。但是，上述研究并未根據(jù)玻璃連棟溫室特有的結(jié)構(gòu)特性以及其光照性能與光熱性能相互削弱和抑制的特點，對其光照性能的提升以及光熱性的增強提出具體的方案。

本研究擬從如何有效提高玻璃連棟溫室光照與熱性能、提升太陽能光熱利用效率角度，以北京地區(qū)玻璃連棟溫室的光熱性能為研究對象，結(jié)合建筑物理和Energy Plus 能耗模擬軟件等理論與方法，研究玻璃連棟溫室光熱性能評價指標(biāo)構(gòu)建方法。分析屋面走向?qū)厥夜庹招阅艿挠绊懸?guī)律。在確保溫室光照性能前提下，溫室玻璃透明墻體與非透明保溫墻體之比，對溫室熱性能的影響規(guī)律，以及體形系數(shù)對溫室光熱性能以及建造規(guī)模的影響規(guī)律。以期為玻璃連棟溫室光照與熱性能提升、對化石能源依賴的降低，提供低碳設(shè)計理念與方法參考。

玻璃連棟溫室光照與熱性能影響因素分析

對于玻璃連棟溫室（圖1），影響其光照與熱性能的關(guān)鍵因素主要有兩個，一是確保溫室白天盡可能多地截獲太陽輻射，二是夜間盡可能減少圍護結(jié)構(gòu)向外界的熱損失。根據(jù)太陽全年運動軌跡，冬至日至大寒日前后，太陽高度角相對比較低、而太陽輻射強度相對比較弱，如何通過溫室建筑的優(yōu)化設(shè)計，確保溫室在此期間白天具有更強的太陽輻射截獲能力，對提高溫室光照與熱性能，都是非常關(guān)鍵而重要的。另外，由于玻璃連棟溫室自身建筑結(jié)構(gòu)特點與建筑熱工性能特點，其圍護結(jié)構(gòu)均為導(dǎo)熱系數(shù)很大的玻璃，如何在確保溫室光照性能前提下，盡可能減少冬季夜間通過溫室玻璃屋面及玻璃外墻向外界流失的熱量，減少溫室為平衡夜間向外界流失熱量而消耗大量化石能源，是玻璃連棟溫室可在國內(nèi)北方地區(qū)大面積推廣、實現(xiàn)低碳高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

圖1 玻璃連棟溫室實景圖

溫室熱性能評價指標(biāo)構(gòu)建

溫室屋面走向與太陽能截獲能力

所謂溫室太陽能截獲能力，是指溫室透明圍護結(jié)構(gòu)對太陽能的透過能力，對于玻璃連棟溫室，其屋面太陽能截獲能力受傾角、走向的影響。屋面的進光量與太陽的運動密切相關(guān)（圖2），因此了解屋面太陽能截獲能力與太陽運動規(guī)律的關(guān)聯(lián)關(guān)系很有必要。

圖2 太陽運動軌跡示意圖

自然條件下，屋面截獲的太陽輻射與太陽的高度角h、方位角α 以及屋面的傾角θ、方位角γ 和屋面的太陽方位角ε 有關(guān)。這些角度在幾何空間上的關(guān)系如圖3 所示。當(dāng)確定了上述參數(shù)以及玻璃的折射率后，就可算出每個時刻下的入射百分比rA。具體計算方法參見文獻[6]。最后根據(jù)每個時刻的太陽輻射強度Iλ，就可計算出每天每一時刻溫室屋面進光量Iλ'。

圖3 壁面與太陽之間關(guān)聯(lián)角度的幾何示意圖

溫室透明/非透明墻體面積之比與太陽能截獲能力

根據(jù)太陽運動軌跡變化規(guī)律，對于北回歸線以北地區(qū)，通過北向玻璃墻體進入溫室的太陽直射輻射量非常有限，特別是供暖能耗需求大的冬季。因此，可以考慮在不影響溫室太陽直射輻射截獲能力的前提下，可考慮用保溫性能好的非透明墻體替代這部分玻璃墻體，以提高溫室的熱性能。

溫室建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻R

建筑圍護結(jié)構(gòu)的熱阻越大，對提高溫室保溫性能、減少向外界流失的熱量、維持溫室作物正常生長所需熱環(huán)境的能耗越少有利。建筑圍護結(jié)構(gòu)熱阻R 可根據(jù)式（2）計算。

式中，λn為圍護結(jié)構(gòu)各層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；δn為圍護結(jié)構(gòu)各層的厚度，m。

溫室建筑體形系數(shù)S

所謂建筑體形系數(shù)，是指建筑物與室外大氣接觸的外表面積與其所包圍的體積的比值，如式（3）。玻璃連棟溫室屬于單層建筑，顯然，其體形系數(shù)較大，說明溫室的體量和規(guī)模相對比較小，其單位建筑面積對應(yīng)的外表面積相對比較大，則向外界流失的熱量也越大，對節(jié)能不利；反之，體形系數(shù)相對比較小的溫室，是有利于節(jié)能的。

式中，F(xiàn)為建筑物與室外大氣接觸的外表面積，m2；V為建筑物所包圍的體積的比值，m3。

工程案例應(yīng)用

本案例擬從如何有效提高玻璃連棟溫室光照與熱性能、提升太陽能光熱利用效率角度，以北京地區(qū)典型連棟玻璃溫室建筑的光熱性能為研究對象，結(jié)合建筑物理和Energy Plus 能耗模擬軟件（軟件版本：V8.1）等理論與方法，通過理論計算，分析屋面走向以及建筑朝向?qū)厥夜庹招阅艿挠绊懸?guī)律；在確保溫室光照性能前提下，借助Energy Plus 能耗模擬軟件，探究溫室玻璃透明墻體與非透明保溫墻體之比對溫室熱性能的影響規(guī)律，以及體形系數(shù)對溫室光熱性能以及建造規(guī)模的影響規(guī)律。

計算對象概況

計算溫室位于北京郊區(qū)（40°N，116°E），物理模型以及相關(guān)尺寸如圖4 和表1 所示，三個尖頂為一跨，四周圍護結(jié)構(gòu)及屋面全部為5 mm厚浮法玻璃，導(dǎo)熱系數(shù)為1.09 W/(m·K)。

圖4 玻璃連棟溫室物理模型

表1 玻璃連棟溫室外形尺寸

室外氣象參數(shù)計算條件：北京地區(qū)屬于寒冷氣候帶區(qū)，本研究采用Energy Plus 能耗模擬軟件自帶的中國北京地區(qū)典型氣象年室外逐時氣象參數(shù)，供暖期平均溫度為-0.6℃，室外最低溫度出現(xiàn)在1 月12 日，為-13.7℃；日平均太陽輻射總量為11.2 MJ/（m2· 天），冬至日前后，12 月22 日太陽輻射強度最弱（圖5）。

圖5 北京地區(qū)室外氣象參數(shù)

計算工況：Case1 考察溫室屋面走向分別為南北或東西走向時，對溫室累積進光量的影響規(guī)律；Case2 考察溫室建筑朝向隨著南偏西角度的變化，對溫室累積進光量的影響；Case3 考察透明與非透明墻體之比變化對溫室累積進光量的影響；Case4 考察非透明墻體熱阻變化，對溫室供暖熱負(fù)荷的影響；Case5 考察溫室建造規(guī)模（面積）變化對溫室供暖熱負(fù)荷的影響。

計算結(jié)果及分析

溫室屋面走向與太陽能截獲能力

越冬生產(chǎn)蔬菜，11 月1 日～翌年2 月28 日是喜溫果菜光熱環(huán)境營造的關(guān)鍵期，為此，本研究對此時段進行重點分析。圖6 反映了屋面走向為南北走向，溫室屋面累積進光量（根據(jù)第2 節(jié)（1）所述的方法及公式[6]進行計算）較東西走向的高出35.8%。這是因為，根據(jù)太陽運動軌跡，上午東向屋面的太陽能截獲能力比較強，下午西向屋面的太陽能截獲能力比較強，這樣全天總的太陽能截獲量大于屋面為東西走向的。因此，北回歸線以北的北方地區(qū)，溫室屋面宜按南北走向布置。

圖6 屋面走向與溫室累積進光量

圖7 反映了溫室屋面主走向為南北走向時建筑朝向南偏西角度變化對屋面累積進光量影響。當(dāng)南偏西5°時，累積進光量達(dá)到最大。這是因為，下午時段的大氣透明度系數(shù)比上午時段要大[6]，相應(yīng)的太陽輻射強度也較上午時段要高。因此，北京地區(qū)溫室建筑朝向可按南偏西5°±1°設(shè)計。

圖7 溫室屋面主走向為南北走向時建筑朝向南偏西角度變化對屋面累積進光量影響

溫室透明/非透明墻體面積之比與太陽能截獲能力

根據(jù)太陽運動軌跡變化規(guī)律，北京地區(qū)，透過北側(cè)玻璃墻體進入溫室的太陽直射輻射量非常有限，因此建議將北側(cè)墻體全部采用保溫性能好的非透明墻體。根據(jù)圖8 分析結(jié)果，北京地區(qū)，東、西側(cè)墻體距地面1 m 高度部分可考慮采用保溫性能好的非透明墻體替代（圖9），既對溫室累積進光量的影響非常有限，同時還對提高溫室熱性能具有積極作用。

圖8 東、西側(cè)透明/非透明墻體面積之比對溫室累積進光量影響

圖9 各朝向溫室墻體采用透明與非透明墻體示意圖

溫室非透明墻體保溫性能與建筑供暖熱負(fù)荷

圖10 反映了非透明墻體熱阻變化對溫室供暖熱負(fù)荷（使用Energy Plus 能耗模擬軟件進行計算）的影響規(guī)律。隨著非透明墻體熱阻的增大，熱負(fù)荷呈下降的態(tài)勢。熱阻大于2 (m2·K)/W 時，供暖負(fù)荷變化率小于1%。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟性，北京地區(qū)，溫室非透明墻體熱阻可按2 (m2·K)/W取值。

圖10 不同熱阻非透明墻體下的熱負(fù)荷

Energy Plus 能耗模擬軟件分析結(jié)果表明，北京地區(qū)，當(dāng)屋面主走向為南北走向且南偏西5°，溫室北側(cè)墻體全部、東西兩側(cè)墻體距地面1 m 高度部分采用熱阻為2 (m2·K)/W，根據(jù)式（2）的保溫材料時，冬季溫室供暖熱負(fù)荷較墻體全部為透明玻璃的下降了14%，節(jié)能減碳效果顯著。

溫室建筑規(guī)模（面積）及體形系數(shù)與建筑供暖熱負(fù)荷

圖11 反映了溫室建筑規(guī)模（面積）與對應(yīng)體形系數(shù)、供暖熱負(fù)荷的關(guān)系。隨著溫室建筑規(guī)模（面積）的增大，其體形系數(shù)（根據(jù)式（3）進行計算）和所需供暖熱負(fù)荷均呈下降趨勢。當(dāng)建筑面積大于10000 m2時，體形系數(shù)和所需供暖熱負(fù)荷的下降速率明顯趨緩。因此，建造條件允許時，北京地區(qū)溫室建筑規(guī)模宜在10000 m2以上，有利于冬季供暖能耗降低。

圖11 不同建筑面積玻璃溫室的體形系數(shù)與熱負(fù)荷

結(jié)論

本文以北京地區(qū)玻璃連棟溫室的光熱性能為研究對象，通過分析屋面走向?qū)厥夜庹招阅艿挠绊懸?guī)律、在確保溫室光照性能前提下，溫室玻璃透明墻體與非透明保溫墻體之比對溫室熱性能的影響規(guī)律以及體形系數(shù)對溫室光熱性能以及建造規(guī)模的影響規(guī)律，探究其光熱性能提升方法，得出如下4 個結(jié)論。

（1）較傳統(tǒng)的屋面為東西走向的玻璃連棟溫室，屋面主走向為南北走向，筑朝向為南偏西5°的太陽能截獲能力高出35.8%。

（2）北側(cè)墻體全部采用保溫性能好的非透明墻體，東、西側(cè)墻體距地面1 m 高度部分采用保溫性能好的非透明墻體替代，既對溫室累積進光量的影響非常有限，同時還對提高溫室熱性能具有積極作用。

（3）在北京地區(qū)，非透明保溫墻體熱阻建議取值為2 (m2·K)/W，冬季溫室供暖熱負(fù)荷可減少14%。

（4）建造條件允許時，北京地區(qū)溫室建造規(guī)模在10000 m2以上，有利于冬季供暖能耗降低。