北方农村日光温室结构参数优化设计研究

北方农村日光温室结构参数优化设计研究

0北方农村能源生态模式温室是指使用透明材料作为一个整体或部分加固结构的覆盖材料，可在冬季和其他不适合种植植物的季节使用。日光温室是一种在室内不加热的温室,即使在最寒冷的季节,也只依靠太阳光来维持室内的温度水平,以满足蔬菜作物生长的需要。近年来,日光温室在我国北方各省(区)迅猛发展,取得了显著的经济效益和社会效益。但在日光温室发展过程中也出现了一些问题:由于温室设计不合理和建造不规范,导致温室采光性能弱、升温保温能力差、使用寿命短和可种植的作物种类少;有些温室造价偏高,使广大农民难以接受,甚至有些不能启用,在生产中造成了严重的损失。因此,急需设计出一种低造价和高性能的温室,来满足农业生产的需要。北方农村能源生态模式(简称模式)是辽宁省农业科技人员和农民不断努力、反复实践研制出来的一种高产、优质与高效的农业生产模式。该模式依据生态学、生物学、经济学和系统工程学原理,以土地资源为基础、太阳能为动力、沼气为纽带,种养业相结合,通过生物转换技术,利用农户庭院或田园等将沼气池、厕所、猪禽舍与日光温室连结在一起,组成“模式”综合利用体系。它可以解决北方地区沼气池安全越冬问题,使之常年产气,既能促进生猪的生长发育,缩短育肥时间,节省饲料,提高养猪效益,又能为温室作物提供充足的无公害肥源,提高作物的产量和品质,增加农户收入。它是在同一块土地上实现产气与积肥同步,种植与养殖并举,建立生物种群较多、食物链结构健全、能流与物流较快循环的能源生态系统工程,成为发展“两高一优”农业、促进农业经济发展、改善生态环境和提高人民生活质量的一项重要措施。1日光温室结构的尺寸参数设计1.1后墙内外侧距离日光温室的几何尺寸见图1所示。跨度L为后墙内侧至前屋面骨架基础内侧的距离;后墙高h为基准地面至后坡与后墙内侧交点;温室高度H为基准地面至屋脊骨架上侧的距离;后坡仰角α为后墙内侧斜面与水平面夹角;温室长度M为两山墙内侧距离;温室面积为温室跨度与长度的乘积。1.2温室厚度对日光温室温光性能的影响日光温室的跨度视种植的作物和栽培方式而定。种植蔬菜、果树及多层立体栽培等宜选较大跨度。由对比实验得知,在一定的范围内,温室跨度对日光温室温光性能影响较小,从而为跨度的设计提供了方便。如果从结构上考虑,要避免脊高过大。北纬41°以北地区不宜超过7m,北纬36°~40°地区不宜超过7.5m,北纬35°以南地区不宜超过8m。由于脊高的限制,纬度愈高,跨度应愈小,本研究取跨度L=7m。1.3后坡水平投影长度后墙高与后坡仰角有关,二者相互制约。后坡是日光温室的重要组成部分,其参数的选择关系到保温效果和温室后部光照的强弱。长后坡(L2≥2m)会造成温室后部光照不好,短后坡或无后坡又忽视了后坡的保温作用,都是不可取的。合理的后坡水平投影长度L2取值由试验和计算得出。北纬41°以北地区为1.4~1.5m,北纬36°~40°地区为1.2~1.4m,北纬35°以南地区为1.0~1.2m。后坡内侧仰角α取值同样关系到后部光照,较适宜的角度为35°~45°,不宜小于30°。α的合理取值将会使整个最冷时期阳光不仅能照射到北墙,而且能照射到后坡,形成暖后坡,保证温室光照度,改善后部光照条件。温室后墙高度h≥1.8m,不宜低于1.6m。综合上述参数,本研究选择后墙高度h=2m,后坡水平投影长度L2=1.3m。1.4角入射角控制光照量,保证光照时段日光温室通过透明屋面接受太阳直射光、散射光及地面反射光。后两项无方向性,均可透过塑膜进入日光温室,但光辐射中占主要份额的直射光却和透明屋面的入射角有关。日光温室受光面的设计要保证直射光透过量为最大。由光学理论知道,以垂直照射单斜面的直射光进入日光温室的辐射量为最大,如图2所示。亦即当λ=0时,进入斜面OB(与地面夹角为α0)的直射日辐射量为最大。当温室参数确定后,由于太阳高度角随时在变,要保证光线总是垂直照射到OB斜面上是做不到的。一般来说,日光温室采光面是由薄的塑膜所覆盖(花窖一般为玻璃),而直射光对透明塑膜的透过性与光线的入射角并不呈单调的线性关系。当入射角λ在0°~40°范围内变化时,直射光的透过率与垂直入射的透过率相差不大;当光线入射角λ在40°~45°之间时,透过率减弱的程度也较小;只有当入射角λ>45°时,透过率才明显减小;当入射角λ>60°时,透过率急剧下降。透明薄膜的这一特性为日光温室棚面设计提供了方便条件。对半拱型棚面的日光温室可采用各种曲面形式,用计算机进行温室采光总量数学模拟计算。结果表明,当采光屋面最高点B和其水平投影跨度固定后,不论采用椭圆、双曲线、半圆、对数和抛物线等何种形式,采光量差别甚微,采光量的多少只与透明屋面最高点到其前缘着地处连接的直线OB与水平地面的夹角α0有关。采光总量与单斜面温室相比仅略有减少,不超过5%,而日光温室地面上的采光量却略有增加,最多不超过2%,这就为半拱形温室屋面设计提供了可能与方便。显然,角度α0是日光温室设计中的一个重要设计参数,它被称为日光温室屋面设计采光角。塑膜覆盖日光温室的光照设计以冬至日为基础,冬至日前后是北方温室的主生产期。当冬至日温室光照符合要求时,其他时日就没有问题了。然而,温室生产仅仅能保证冬至日正午能达到较好的光照条件是不够的。经过多年的实践,农业专家提出了温室生产冬至日前后每日应保证有4h以上较好的光照条件,也就是要求冬至日10~14时,太阳直射光对温室斜面OB入射角应控制在40°以内,这就是温室合理采光时段的理论基本点。近年来,日光温室已在高纬度地区迅速发展起来。如果满足日光温室冬至日有4h的较高光照,要求的温室脊高会很高,这就为结构设计又带来了不便。为此,对光照的要求不得不稍为放松,以使节能日光温室在高寒地区得以发展。另一方面,由于建造温室材料及温室生产规模的发展,考虑到综合经济效益,温室跨度有增大的发展趋势。跨度增加了,按合理采光时段要求,脊高也在增加,使得结构上难于采用。加之高寒地区生产期有向后延的特点,在设计温室时适当放宽要求是必要的。经推导,在北纬33°~43°地区日光温室透明屋面设计采光角α0的优化值如表1所示。本研究取α0=29°。1.5透明屋顶的水平投影宽度为1l，温室高度为h。透明屋顶的水平投影宽度为温室高度确定为1.6棚面曲线设计虽然棚面形状与采光量多少无关,但从棚面牢固性出发,棚面摔打现象与棚面弧度有关。棚面摔打现象是由棚内外空气气压不等造成的。当棚外风速大时,空气压强(静压)减小,棚内产生举力,棚膜向外鼓起;但在风速变化的瞬间,由于压膜线的拉力,棚膜又返回棚架。如此反复,棚膜就反复摔打。根据理论分析可知,对于跨度为6.5m和7.0m的温室,棚面曲线的合理轴线设计公式为本研究取ϕ=39°,L=7.0m,H=3.16m。经计算可得日光温室弧线点高如表2所示。1.7日光温室结构的尺寸参数如前所述,设计的日光温室结构断面尺寸参数如表3所示。2日光温室作用日光薄膜温室是北方农村能源生态模式的基本框架和主体结构。