北方農(nóng)村日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

0北方農(nóng)村能源生態(tài)模式溫室是指使用透明材料作為一個(gè)整體或部分加固結(jié)構(gòu)的覆蓋材料，可在冬季和其他不適合種植植物的季節(jié)使用。日光溫室是一種在室內(nèi)不加熱的溫室,即使在最寒冷的季節(jié),也只依靠太陽(yáng)光來(lái)維持室內(nèi)的溫度水平,以滿足蔬菜作物生長(zhǎng)的需要。近年來(lái),日光溫室在我國(guó)北方各省(區(qū))迅猛發(fā)展,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但在日光溫室發(fā)展過程中也出現(xiàn)了一些問題:由于溫室設(shè)計(jì)不合理和建造不規(guī)范,導(dǎo)致溫室采光性能弱、升溫保溫能力差、使用壽命短和可種植的作物種類少;有些溫室造價(jià)偏高,使廣大農(nóng)民難以接受,甚至有些不能啟用,在生產(chǎn)中造成了嚴(yán)重的損失。因此,急需設(shè)計(jì)出一種低造價(jià)和高性能的溫室,來(lái)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。北方農(nóng)村能源生態(tài)模式(簡(jiǎn)稱模式)是遼寧省農(nóng)業(yè)科技人員和農(nóng)民不斷努力、反復(fù)實(shí)踐研制出來(lái)的一種高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)與高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。該模式依據(jù)生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)原理,以土地資源為基礎(chǔ)、太陽(yáng)能為動(dòng)力、沼氣為紐帶,種養(yǎng)業(yè)相結(jié)合,通過生物轉(zhuǎn)換技術(shù),利用農(nóng)戶庭院或田園等將沼氣池、廁所、豬禽舍與日光溫室連結(jié)在一起,組成“模式”綜合利用體系。它可以解決北方地區(qū)沼氣池安全越冬問題,使之常年產(chǎn)氣,既能促進(jìn)生豬的生長(zhǎng)發(fā)育,縮短育肥時(shí)間,節(jié)省飼料,提高養(yǎng)豬效益,又能為溫室作物提供充足的無(wú)公害肥源,提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì),增加農(nóng)戶收入。它是在同一塊土地上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣與積肥同步,種植與養(yǎng)殖并舉,建立生物種群較多、食物鏈結(jié)構(gòu)健全、能流與物流較快循環(huán)的能源生態(tài)系統(tǒng)工程,成為發(fā)展“兩高一優(yōu)”農(nóng)業(yè)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善生態(tài)環(huán)境和提高人民生活質(zhì)量的一項(xiàng)重要措施。1日光溫室結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)1.1后墻內(nèi)外側(cè)距離日光溫室的幾何尺寸見圖1所示?？缍萀為后墻內(nèi)側(cè)至前屋面骨架基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)的距離;后墻高h(yuǎn)為基準(zhǔn)地面至后坡與后墻內(nèi)側(cè)交點(diǎn);溫室高度H為基準(zhǔn)地面至屋脊骨架上側(cè)的距離;后坡仰角α為后墻內(nèi)側(cè)斜面與水平面夾角;溫室長(zhǎng)度M為兩山墻內(nèi)側(cè)距離;溫室面積為溫室跨度與長(zhǎng)度的乘積。1.2溫室厚度對(duì)日光溫室溫光性能的影響日光溫室的跨度視種植的作物和栽培方式而定。種植蔬菜、果樹及多層立體栽培等宜選較大跨度。由對(duì)比實(shí)驗(yàn)得知,在一定的范圍內(nèi),溫室跨度對(duì)日光溫室溫光性能影響較小,從而為跨度的設(shè)計(jì)提供了方便。如果從結(jié)構(gòu)上考慮,要避免脊高過大。北緯41°以北地區(qū)不宜超過7m,北緯36°~40°地區(qū)不宜超過7.5m,北緯35°以南地區(qū)不宜超過8m。由于脊高的限制,緯度愈高,跨度應(yīng)愈小,本研究取跨度L=7m。1.3后坡水平投影長(zhǎng)度后墻高與后坡仰角有關(guān),二者相互制約。后坡是日光溫室的重要組成部分,其參數(shù)的選擇關(guān)系到保溫效果和溫室后部光照的強(qiáng)弱。長(zhǎng)后坡(L2≥2m)會(huì)造成溫室后部光照不好,短后坡或無(wú)后坡又忽視了后坡的保溫作用,都是不可取的。合理的后坡水平投影長(zhǎng)度L2取值由試驗(yàn)和計(jì)算得出。北緯41°以北地區(qū)為1.4~1.5m,北緯36°~40°地區(qū)為1.2~1.4m,北緯35°以南地區(qū)為1.0~1.2m。后坡內(nèi)側(cè)仰角α取值同樣關(guān)系到后部光照,較適宜的角度為35°~45°,不宜小于30°。α的合理取值將會(huì)使整個(gè)最冷時(shí)期陽(yáng)光不僅能照射到北墻,而且能照射到后坡,形成暖后坡,保證溫室光照度,改善后部光照條件。溫室后墻高度h≥1.8m,不宜低于1.6m。綜合上述參數(shù),本研究選擇后墻高度h=2m,后坡水平投影長(zhǎng)度L2=1.3m。1.4角入射角控制光照量,保證光照時(shí)段日光溫室通過透明屋面接受太陽(yáng)直射光、散射光及地面反射光。后兩項(xiàng)無(wú)方向性,均可透過塑膜進(jìn)入日光溫室,但光輻射中占主要份額的直射光卻和透明屋面的入射角有關(guān)。日光溫室受光面的設(shè)計(jì)要保證直射光透過量為最大。由光學(xué)理論知道,以垂直照射單斜面的直射光進(jìn)入日光溫室的輻射量為最大,如圖2所示。亦即當(dāng)λ=0時(shí),進(jìn)入斜面OB(與地面夾角為α0)的直射日輻射量為最大。當(dāng)溫室參數(shù)確定后,由于太陽(yáng)高度角隨時(shí)在變,要保證光線總是垂直照射到OB斜面上是做不到的。一般來(lái)說(shuō),日光溫室采光面是由薄的塑膜所覆蓋(花窖一般為玻璃),而直射光對(duì)透明塑膜的透過性與光線的入射角并不呈單調(diào)的線性關(guān)系。當(dāng)入射角λ在0°~40°范圍內(nèi)變化時(shí),直射光的透過率與垂直入射的透過率相差不大;當(dāng)光線入射角λ在40°~45°之間時(shí),透過率減弱的程度也較小;只有當(dāng)入射角λ>45°時(shí),透過率才明顯減小;當(dāng)入射角λ>60°時(shí),透過率急劇下降。透明薄膜的這一特性為日光溫室棚面設(shè)計(jì)提供了方便條件。對(duì)半拱型棚面的日光溫室可采用各種曲面形式,用計(jì)算機(jī)進(jìn)行溫室采光總量數(shù)學(xué)模擬計(jì)算。結(jié)果表明,當(dāng)采光屋面最高點(diǎn)B和其水平投影跨度固定后,不論采用橢圓、雙曲線、半圓、對(duì)數(shù)和拋物線等何種形式,采光量差別甚微,采光量的多少只與透明屋面最高點(diǎn)到其前緣著地處連接的直線OB與水平地面的夾角α0有關(guān)。采光總量與單斜面溫室相比僅略有減少,不超過5%,而日光溫室地面上的采光量卻略有增加,最多不超過2%,這就為半拱形溫室屋面設(shè)計(jì)提供了可能與方便。顯然,角度α0是日光溫室設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù),它被稱為日光溫室屋面設(shè)計(jì)采光角。塑膜覆蓋日光溫室的光照設(shè)計(jì)以冬至日為基礎(chǔ),冬至日前后是北方溫室的主生產(chǎn)期。當(dāng)冬至日溫室光照符合要求時(shí),其他時(shí)日就沒有問題了。然而,溫室生產(chǎn)僅僅能保證冬至日正午能達(dá)到較好的光照條件是不夠的。經(jīng)過多年的實(shí)踐,農(nóng)業(yè)專家提出了溫室生產(chǎn)冬至日前后每日應(yīng)保證有4h以上較好的光照條件,也就是要求冬至日10~14時(shí),太陽(yáng)直射光對(duì)溫室斜面OB入射角應(yīng)控制在40°以內(nèi),這就是溫室合理采光時(shí)段的理論基本點(diǎn)。近年來(lái),日光溫室已在高緯度地區(qū)迅速發(fā)展起來(lái)。如果滿足日光溫室冬至日有4h的較高光照,要求的溫室脊高會(huì)很高,這就為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又帶來(lái)了不便。為此,對(duì)光照的要求不得不稍為放松,以使節(jié)能日光溫室在高寒地區(qū)得以發(fā)展。另一方面,由于建造溫室材料及溫室生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展,考慮到綜合經(jīng)濟(jì)效益,溫室跨度有增大的發(fā)展趨勢(shì)?？缍仍黾恿?按合理采光時(shí)段要求,脊高也在增加,使得結(jié)構(gòu)上難于采用。加之高寒地區(qū)生產(chǎn)期有向后延的特點(diǎn),在設(shè)計(jì)溫室時(shí)適當(dāng)放寬要求是必要的。經(jīng)推導(dǎo),在北緯33°~43°地區(qū)日光溫室透明屋面設(shè)計(jì)采光角α0的優(yōu)化值如表1所示。本研究取α0=29°。1.5透明屋頂?shù)乃酵队皩挾葹?l，溫室高度為h。透明屋頂?shù)乃酵队皩挾葹闇厥腋叨却_定為1.6棚面曲線設(shè)計(jì)雖然棚面形狀與采光量多少無(wú)關(guān),但從棚面牢固性出發(fā),棚面摔打現(xiàn)象與棚面弧度有關(guān)。棚面摔打現(xiàn)象是由棚內(nèi)外空氣氣壓不等造成的。當(dāng)棚外風(fēng)速大時(shí),空氣壓強(qiáng)(靜壓)減小,棚內(nèi)產(chǎn)生舉力,棚膜向外鼓起;但在風(fēng)速變化的瞬間,由于壓膜線的拉力,棚膜又返回棚架。如此反復(fù),棚膜就反復(fù)摔打。根據(jù)理論分析可知,對(duì)于跨度為6.5m和7.0m的溫室,棚面曲線的合理軸線設(shè)計(jì)公式為本研究取?=39°,L=7.0m,H=3.16m。經(jīng)計(jì)算可得日光溫室弧線點(diǎn)高如表2所示。1.7日光溫室結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如前所述,設(shè)計(jì)的日光溫室結(jié)構(gòu)斷面尺寸參數(shù)如表3所示。2日光溫室作用日光薄膜溫室是北方農(nóng)村能源生態(tài)模式的基本框架和主體結(jié)構(gòu)。