曹晏飛，荊海薇，趙淑梅，鄒志榮※，鮑恩財

（1. 西北農林科技大學園藝學院農業(yè)部西北設施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100；3. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083）

日光溫室后屋面投影寬度與墻體高度優(yōu)化

曹晏飛1，荊海薇2，趙淑梅3，鄒志榮1※，鮑恩財1

（1. 西北農林科技大學園藝學院農業(yè)部西北設施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100；3. 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院，北京 100083）

關于日光溫室合理的后屋面投影寬度、墻體高度一直存在爭議。該文根據不同日期太陽直射光線在日光溫室后墻上的投影高度變化，要求當室外最低溫度低于0 ℃時，保證在中午前后4 h（10:00－14:00）內至少有一部分后墻能接受太陽光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的合理時期，并據此得出日光溫室后屋面投影寬度、墻體高度的計算方法。利用該方法對中國不同結構類型的日光溫室后屋面投影寬度、墻體高度進行計算分析，結果顯示后屋面投影寬度占跨度的比例為 0.04～0.23，其中緯度位于 34°～38°之間的西北地區(qū)日光溫室后屋面投影寬度占跨度的比例最小，為0.04～0.11。該方法計算結果與典型日光溫室結構參數吻合，具有可行性，可為中國日光溫室的優(yōu)化設計提供理論指導。

溫室；溫度；太陽輻射；后屋面；投影寬度；墻體高度；太陽直射光

曹晏飛，荊海薇，趙淑梅，鄒志榮，鮑恩財. 日光溫室后屋面投影寬度與墻體高度優(yōu)化[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(7)：183－189.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.024 http://www.tcsae.org

Cao Yanfei, Jing Haiwei, Zhao Shumei, Zou Zhirong, Bao Encai. Optimization of back roof projection width and northern wall height in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 183－189. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.024 http://www.tcsae.org

0 引 言

日光溫室是一種帶有中國特色的溫室形式，與其他溫室類型相比，它具有低成本的良好越冬生產性能，在中國北方地區(qū)得到了大面積的推廣[1-2]。近幾十年來，科研人員提出了許多不同屋面形式的日光溫室類型，如：無后屋面日光溫室[3]、大棚型日光溫室[4-5]、裝配式日光溫室[6]等。針對不同地區(qū)對日光溫室合理結構參數的要求，研究人員開展了大量的試驗研究[7-9]，陳端生[10]建議以后屋面投影寬度占溫室跨度的20%～25%進行設計，魏曉明等[11]指出以種植區(qū)最后一排作物冠層可接受到夏至日正午太陽光為基準來確定后屋面的投影寬度，白義奎等[12]以冬至日日光溫室采光面截獲的太陽能與春分日地平面截獲的太陽能相等來計算后屋面的投影寬度，郭艷玲等[13]認為在哈爾濱地區(qū)，后屋面投影寬度應為溫室脊高的24%～25%，在2003年的國家標準中規(guī)定日光溫室的后屋面投影寬度應為溫室跨度的 17%～25%[14]。綜上所述，目前關于合理的后屋面投影寬度在各地的日光溫室建造過程中存在較大爭議。

日光溫室墻體作為溫室的圍護結構之一，其所具備的保溫蓄熱性能是日光溫室進行越冬蔬菜栽培生產的關鍵。研究人員在墻體材料[15-16]、構造方式[17]以及傳熱性能[18-19]等方面開展了大量的研究。溫室墻體內側溫度的變化幅度與太陽光直射密切相關[20]，墻體接受太陽光照射的面積越大，則溫室保溫蓄熱效果越好[21]。在相同溫室長度條件下，墻體高度越大，則日光溫室中接受太陽光直射的墻體面積越大。因此在寒冷季節(jié)，可通過增加墻體高度使得墻體接受太陽光直射的面積增大，從而提高溫室墻體的蓄熱量。隨著外界氣溫升高，室內外溫差減少，墻體接受太陽光直射的高度也在降低，直至為0。接受太陽光直射的墻體高度過早或過晚接近于 0均不利于日光溫室的自發(fā)溫度調控，因此選擇墻體接收太陽直射的合理周期對日光溫室的保溫蓄熱調節(jié)尤為關鍵。本研究擬根據不同地區(qū)的氣候特點，確定不同地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的合理周期，基于日光溫室接受太陽直射的墻體高度計算出合理的后屋面投影寬度與墻體高度，將計算結果與實際典型溫室結構參數對比分析，并驗證該計算方法可行性。

1 日光溫室墻體接受太陽直射的合理周期

日光溫室墻體一般具有保溫和蓄熱雙重功能，主要通過白天吸收太陽輻射來蓄積熱量，夜間再緩慢地將熱量釋放到室內[22]，墻體保溫可將溫室的供熱需求減少多達31.7%[23]。

日光溫室主要分布在中國的東北地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)、黃淮海及環(huán)渤海地區(qū)，表1為1998－2012年中國北方部分城市在1－6月的月平均最低氣溫和月平均最高氣溫。從表 1可看出，北京、石家莊、濟南、西安地區(qū)在4月份的平均最低溫度已超過0 ℃，平均最高溫度已接近或超過30 ℃；太原、呼和浩特、沈陽、長春、哈爾濱、蘭州、西寧、銀川、烏魯木齊在 5月份的平均最低溫度均已超過 0 ℃，除西寧外，其他城市的平均最高溫度均已超過30 ℃，說明即使在5月份，青海西寧地區(qū)的室外氣溫相對較低。以青海西寧地區(qū)一個標準的冬暖式日光節(jié)能溫室為例，隨著季節(jié)變化，春季溫室內外溫差較冬季有所降低，其中 3～5月溫室內外最小溫差出現時間為18:00～20:00，4月份最小溫差為4.5～5.8 ℃[24]。由表1可知，西寧地區(qū) 4月份月平均最低氣溫為?5.0 ℃，室內氣溫可能會低于5.8 ℃，而果菜類蔬菜主要利用日光溫室進行越冬生產，以番茄為例，其在夜間生長發(fā)育的低限空氣溫度為 5 ℃，夜間適宜空氣溫度為 8～13 ℃[25]，因此即使在 4月份，青海西寧地區(qū)日光溫室墻體白天應該接受太陽光直射來蓄積熱量，以便夜間為溫室提供更多的熱量。

同時，青海地區(qū)日光溫室內外最大溫差出現時間為9:00～11:00，5月份最大溫差為15.4～17.3 ℃[24]。由表1可知，西寧地區(qū)5月份平均最高氣溫為26.9 ℃，溫室內氣溫可能會高于 41.3 ℃，而番茄在白天的最高界限溫度35 ℃[25]，因此在此時間段內，日光溫室墻體白天接受太陽光直射所蓄積的熱量反而不利于植物生長。

考慮到中國北方大部分城市月平均最低溫度接近或超過0 ℃時，月平均最高溫度已接近或超過30 ℃，因此提出當室外最低溫度低于0 ℃時，應保證在正午前后4 h （10:00－14:00）內至少有一部分日光溫室后墻能夠接受太陽光直射。依據表 1中不同城市的月平均溫度[26]，結合中國傳統的24節(jié)氣特點，提出西安地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期為白露至清明，北京、石家莊、濟南等地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期為處暑至谷雨，太原、呼和浩特、沈陽、長春、哈爾濱、蘭州、銀川、烏魯木齊等地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期為立秋至立夏，同時考慮到西寧地區(qū)月平均最高溫度低于30 ℃，因此建議西寧地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期為大暑至小滿。

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Table1 Average monthly lowest temperature and average monthly highest temperature in selected cities from January to June in 1998-2012

2 日光溫室后屋面投影寬度確定方法

日光溫室在中國北方地區(qū)的越冬蔬菜栽培生產中發(fā)揮著極其重要的作用，它的屋面主要是由前屋面和后屋面2部分組成。

2.1 日光溫室前屋面傾角

前屋面是指屋脊與溫室前腳的連線，是日光溫室的主要采光面。屋面形狀和屋面傾角是前屋面的 2個基本參數，由于不同弧面形狀的采光屋面對溫室總進光量的影響差別不大[27]，因此，試驗過程不考慮前屋面弧面形狀對溫室采光的影響。

針對不同地區(qū)日光溫室前屋面傾角，研究人員開展了大量的研究，采光設計的基本原則是保證在冬至日正午前后4 h內（10:00－14:00）日光溫室能獲得最大采光量，考慮到入射角在一定范圍內透光率變化較小，選用入射角為43°[11]。

依據冬至日10:00的太陽高度角和方位角，確定相對應的溫室前屋面角，計算公式為[11]

式中α表示日光溫室的合理前屋面傾角，γ10W表示冬至日上午10:00的太陽方位角，(°)；α10W=90°?43°?h10W，h10W表示冬至日上午10:00的太陽高度角，(°)。

太陽高度角h是指太陽直射光線與地平面的夾角，可由式（2）確定[28]。

式中φ表示地理緯度，(°)；ω=15°×(12?t)，t表示太陽計算時，h；δ表示太陽赤緯角，(°)，計算如下

式中N表示日序數，d，為計算日距1月1日天數。

太陽方位角γ是指太陽直射光線在水平面上的投影與正南方的夾角。不同時刻的太陽方位角γ計算如下[28]

2.2 日光溫室后屋面投影寬度

日光溫室后屋面是指從屋脊到后墻的保溫屋面，其沿跨度方向的水平投影為后屋面投影寬度。白天太陽直射光線透射過日光溫室前屋面，在地面上的投影如圖 1所示。

根據三角函數關系可知

聯合式（5）～（10），得日光溫室后屋面水平投影寬度

式中參數詳見圖1，L4取值為0.8 m[29]，在日光溫室建設過程中，前屋面在屋脊處的坡度不應小于 8°，H6≥L4×tan(8°)=0.11 m，H6取值為0.2 m。

顯然，日光溫室后屋面水平投影寬度與溫室長度、前屋面角、后墻接受太陽光直射的高度、保溫被卷放位置、太陽高度角以及太陽方位角有關。

3 日光溫室墻體高度確定方法

日光溫室墻體可直接影響室內熱環(huán)境，墻體越高，則溫室保溫性越好[21]。根據圖1，則有

根據第 2節(jié)確定后屋面投影寬度L2，冬至日上午10:00接受太陽光直射的墻體高度H3W計算公式

為了使得冬季日光溫室墻體盡可能多的蓄積熱量，應保證H1≥H3W。

日光溫室脊高計算公式

日光溫室后屋面角計算公式

式中參數詳見圖1。

圖1 太陽直射光線透射過日光溫室前屋面的投影示意圖Fig.1 Projection diagram of direct solar radiation through front roof in solar greenhouse

為了保證更多的太陽光進入溫室內，日光溫室設計過程中應將后屋面角略大于冬至日正午太陽高度角[12]，則

聯合式（14）、式（16），則

4 方法驗證

為了驗證本文所提出方法的合理性，選用文獻[8]的日光溫室結構尺寸數據進行分析，楊凌地區(qū)日光溫室主體結構參數如表2所示。

表2 楊凌地區(qū)日光溫室結構尺寸參數Table2 Structural dimension parameters of solar greenhouses in Yangling

根據本文研究方法計算得到陜西楊凌地區(qū)，跨度為8、9和10 m的日光溫室在冬至日上午10:00接受太陽光直射的墻體高度分別為2.22、3.03和3.00 m，均小于墻體高度，其中9和10 m跨度日光溫室的墻體蓄熱面積相近，均要大于8 m跨度日光溫室，不過跨度為10 m日光溫室的容積、地面蓄熱面積均要比跨度為9 m日光溫室大，所以10 m跨度日光溫室內熱環(huán)境應該是3個溫室中最好的，這與文獻[8]的試驗結果即10 m跨度日光溫室的平均氣溫是3個溫室中最高的相吻合。

同時，結合8、9和10 m跨度日光溫室的結構尺寸參數，利用本文提出的西安地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期為白露至清明，計算得到不同日光溫室的后屋面投影寬度分別為1.00、1.58和1.56 m，與實際日光溫室后屋面投影寬度尺寸接近。

為了驗證本文提出的日光溫室墻體接受太陽直射的合理周期，選擇以山東壽光厚土墻下沉型日光溫室為對象。該類型日光溫室由于其低成本和良好的保溫蓄熱性能，在中國北方地區(qū)得到了大面積的應用。跨度為10 m典型壽光型日光溫室的前屋面傾角、脊高、下沉深度、墻體高度以及后屋面投影寬度分別為22.7°、3.85、0.4、3.1以及0.8 m[30]。

根據本文方法計算得到山東壽光地區(qū)壽光型日光溫室墻體在不同節(jié)氣可接受太陽光直射的墻體高度如圖2所示。顯然，谷雨時節(jié)之后，中午前后4 h內接受太陽光直射的壽光型日光溫室墻體高度接近于0，這與本文第 1節(jié)提出的山東地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期（處暑至谷雨）一致。說明本文提出的不同地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的合理周期有一定的可操作性。

圖2 不同節(jié)氣接受太陽光直射的壽光型日光溫室墻體高度Fig.2 Height of northern wall in Shouguang solar greenhouse accepting direct solar radiation in different solar terms

5 結果與分析

假設在不同緯度地區(qū)建造一棟正南方向的日光溫室，前屋面角按照合理屋面角設計，根據前文得到的墻體合理蓄熱周期取值、溫室結構計算公式，不同地區(qū)的日光溫室后屋面投影寬度、脊高、墻體高度如表3所示。

分析表 3得知，不同地區(qū)日光溫室的后屋面投影寬度占跨度的比例為 0.04～0.23，范圍比國家標準中的0.17～0.25[14]更加寬泛，其中比例最小的地區(qū)位于太原、蘭州、西寧、銀川等低緯度冬季寡日照或寒冷地區(qū)，僅為0.04～0.11。當溫室跨度、脊高一定時，后屋面投影寬度所占比例越小，則后墻高度越高，嚴寒冬季接受太陽光直射的墻體面積也將增加。目前在中國北方地區(qū)推廣應用較為廣泛的壽光型日光溫室后屋面投影寬度所占比例僅為 0.08[30]，這種短后坡日光溫室在一定程度上有助于改善日光溫室熱環(huán)境，葉林等[3]對后屋面投影寬度為0的無后屋面日光溫室進行環(huán)境測試，結果表明該類型日光溫室具有較好的采光效果，但其在最冷1月份的室內平均溫度要低于后屋面長度為1 m的日光溫室，因此后屋面投影長度并不是越低越好，在寒冷地區(qū)可以適當降低后屋面投影寬度來提高墻體高度，增加溫室的蓄熱面積，在溫暖地區(qū)可以適當提高后屋面投影寬度，降低蓄熱墻體高度，避免春季溫室內溫度過高，尤其是近年來科研人員提出各種蓄熱方式[31-33]來改善日光溫室的熱環(huán)境。

表3 不同地區(qū)日光溫室后屋面投影寬度、脊高、墻體高度Table3 Projection width of back roof, ridge height and northern wall height of solar greenhouse in different areas

6 結 論

1）本文根據 1998－2012年不同地區(qū)的月平均溫度變化，提出當室外最低溫度低于 0 ℃時，應保證中午前后 4 h內至少有一部分日光溫室墻體能接受太陽光直射為條件，得出不同地區(qū)日光溫室后墻接受太陽光直射的合理周期，以及一種后屋面投影寬度與墻體高度的取值方法。

2）利用目前應用較為廣泛的壽光型日光溫室結構參數，計算其后墻在中午前后4 h內能接受太陽光直射的時期，并與本文所提出山東地區(qū)日光溫室墻體接受太陽光直射的時期進行比較，結果顯示二者相吻合，表明該方法具有一定的可信度。

根據本文提出計算方法得出不同地區(qū)日光溫室后屋面投影寬度和墻體高度等參數，可為中國日光溫室規(guī)范化設計提供參考。

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Optimization of back roof projection width and northern wall height in Chinese solar greenhouse

Cao Yanfei1, Jing Haiwei2, Zhao Shumei3, Zou Zhirong1※, Bao Encai1
(1.The Agriculture Ministry Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest,Department of Horticulture,Northwest A&F University, Yangling712100,China; 2.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University,Yangling712100,China; 3.College of Water Resources & Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing100083,China)

The typical Chinese solar greenhouse, compared to other types of greenhouse, has the properties of low construction cost and low energy consumption when operating during winter days, which draws the attention of the researcher in the field of facility horticulture. In recent years, the structural parameters, such as span, ridge height and wall thickness in Chinese solar greenhouse have been extensively studied. However, the correlation relationship between reasonable back roof projection width (BRPW) and northern wall height (NWH) have always been inconsistent and require further investigation. In this study, a new method for calculating BRPW and NWH was obtained based on the reasonable periods where the northern wall surface

irect solar radiation in different latitude regions. Firstly, the average monthly lowest temperature and the average monthly highest temperature were statistically analyzed in some cities from January to June in 1998-2012. The data showed that when the average monthly lowest temperature was close to or exceeded 0 ℃, the average monthly highest temperature was close to or exceeded 30 ℃. Therefore, combined with the traditional Chinese solar knowledge, it is suggested that when the average monthly lowest temperature was lower than 0 ℃ , it was necessary to ensure that at least part of the northern wall can receive direct solar radiation between 10:00 to 14:00 each day. Based on this, the reasonable periods where the northern wall surface received direct solar radiation in Chinese solar greenhouse in different latitude regions were obtained. Then according to the change of the sun direct light in the reasonable periods, the method for calculating BRPW and NWH in Chinese solar greenhouse was obtained. The NWH of solar radiation, which were observed at 10:00 am on winter solstice, in the solar greenhouses with different spans, were calculated by using the typical structure parameters of Chinese solar greenhouse in previous studies. The effects of thermal environment analysis were in accordance with the results in literatures. The utilization of the method for modeling the NWH of solar radiation in the well-known Shouguang solar greenhouse in various date confirmed that the actual period where the northern wall accept the direct solar radiation was close to the reasonable period proposed in this study, further suggesting the feasibility of this method. The method has been used to calculate the front roof lighting angle, ridge height, BRPW and NWH in solar greenhouses with various spans in different cities in China. The ratio of BRPW to the span in solar greenhouse ranged from 0.04 to 0.23, which varied in in geographic locations and climatic conditions. When the climatic conditions in different areas were similar, the increase of latitude resulted in an increase of BRPW. The areas with lowest BRPW ratio (0.04 to 0.11) were located in Taiyuan, Xi’an, Lanzhou, Xining, Yinchuan and other low-latitude cold regions. These results suggested that the BRPW can be slightly decreased in cold areas and appropriately increased in warm regions. This method can provide theoretical guidance for optimal design of solar greenhouse in China.

greenhouse; temperature; solar radiation; back roof; projection width; northern wall height; direct solar radiation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.024

S625.1

A

1002-6819(2017)-07-183-07

2016-10-07

2017-04-05

陜西省科技統籌創(chuàng)新工程計劃項目（2016KTCL02-02）；博士科研啟動基金（2452015274）

曹晏飛，男，湖南婁底人，講師，博士，主要從事設施結構優(yōu)化及環(huán)境調控。楊凌 西北農林科技大學園藝學院，712100。

Email：bmxzbx@126.com

※通信作者：鄒志榮，男，陜西延安人，教授，博士生導師，主要從事設施農業(yè)研究。楊凌 西北農林科技大學園藝學院，712100。

Email：zouzhirong2005@163.com