引言

非對稱保溫塑料大棚是一種具有特色的溫室形式，它結(jié)合了日光溫室南面采光、北面保溫的特點，同時又具有塑料大棚價格低廉、土地利用率高的特點，近年來在中國長江中下游地區(qū)、黃淮海地區(qū)、華北地區(qū)以及西北地區(qū)等得到了推廣與應用[1-2]。研究人員對這種保溫塑料大棚內(nèi)部光熱環(huán)境進行了測試分析，武瑩等發(fā)現(xiàn)18 m跨度非對稱保溫塑料大棚在冬季的平均最低氣溫在4.0℃以上[3]，春秋季最低氣溫在13.0℃以上[4]。為了提高冬季室內(nèi)最低溫度，研究人員在塑料大棚內(nèi)部利用生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術，測試結(jié)果表明這種釀熱保溫塑料大棚應用效果較好[5-6]。

由于保溫塑料大棚具有低成本、大空間、便于機械化等優(yōu)良性能，目前在保溫塑料大棚內(nèi)部種植的植物類型也比較多，如中藥材、蔬菜、西甜瓜、果樹等。但是具體針對某一類作物的非對稱保溫塑料大棚合理南北屋面投影寬度未見報道，尤其是中國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大，因此，在非對稱保溫塑料大棚建造過程中不能完全照搬其他地區(qū)的塑料大棚結(jié)構設計參數(shù)。在寒冷的冬季，非對稱保溫塑料大棚北屋面外覆保溫被有助于減少室內(nèi)熱量流失，不過相應的北側(cè)透光率也會降低[3]。隨著外界氣溫升高，太陽直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動。北側(cè)保溫被可以開始揭簾的時期十分重要，過早或過晚揭簾均不利于非對稱保溫塑料大棚的發(fā)展，因此需要選擇合適的揭簾時期。目前使用保溫塑料大棚種植最多的作物是蔬菜，主要種植茬口是春提前和秋延后。本研究借助日光溫室結(jié)構參數(shù)設計方法[7]，以早春茬喜溫蔬菜為研究對象，擬根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點，確定不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面揭簾的合理時期，基于此得到非對稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度與脊高的計算方法。

非對稱保溫塑料大棚北屋面 揭簾合理時期

在嚴寒冬季，非對稱保溫塑料大棚北屋面外一直覆蓋保溫被，可有效地減少室內(nèi)熱量流失。然而，隨著室外氣候變暖，太陽直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動，其中最為關鍵的部分是什么時間節(jié)點非對稱保溫塑料大棚內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天接收太陽光直射，同時當天北屋面可以開始適當揭簾以增加北側(cè)太陽散射光進入。時間節(jié)點過早，則非對稱保溫塑料大棚內(nèi)熱量流失過多，夜間室內(nèi)氣溫會過低；時間節(jié)點過晚，則室內(nèi)北側(cè)作物接收太陽光照射的總量會降低，不利于作物生長發(fā)育。

根據(jù)武瑩等[3]的測試結(jié)果，當室外最低溫度變化范圍為-15～-5℃時，非對稱保溫塑料大棚內(nèi)平均最低氣溫為4.1℃，番茄在夜間的最低耐受空氣溫度為5℃[8]。為此，以滿足植物夜間生長發(fā)育溫度為優(yōu)先條件，選擇以室外月平均最低溫度為-5℃作為閾值，即當平均最低溫度超過-5℃時，北屋面才開始適當揭簾，而當平均最低溫度低于-5℃時，應保證在正午時刻室內(nèi)北側(cè)最后一排作物能夠接受太陽光直射，依此選擇非對稱保溫塑料大棚北屋面合適的揭簾時期。

目前新型保溫塑料大棚理念已逐漸在中國長江中下游地區(qū)以及北方一些日光溫室占主導地位的地區(qū)開始探索與實踐[1]。為此，本研究以中國北緯31°～40°地區(qū)主要城市為代表，表1為1998～2012年這些城市在1～6月份的月平均最低氣溫和月平均最高氣溫。從表1可看出，合肥、南京、西安在2月份的平均最低溫度已超過-5℃，平均最高溫度已達到15℃；北京、石家莊、鄭州、濟南在3月份的平均最低溫度均已超過-5℃，平均最高溫度已超過20℃；太原、蘭州、西寧、銀川在4月份的平均最低溫度均已超過或接近-5℃，平均最高溫度已超過25℃。根據(jù)上述選擇依據(jù)，不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面合理的揭簾時期如表2所示。

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/℃[9]

表2 不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面揭簾時期

非對稱保溫塑料大棚屋面投影 寬度確定方法

非對稱保溫塑料大棚主要用于春提前和秋延后蔬菜栽培生產(chǎn)，它的屋面主要是由南屋面和北屋面兩部分組成。

非對稱保溫塑料大棚南屋面傾角

前屋面是指屋脊與塑料大棚南底腳的連線，是非對稱保溫塑料大棚的主要采光面。屋面形狀和屋面傾角是前屋面的兩個基本參數(shù)，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[10]，因此，試驗過程不考慮前屋面弧面形狀對溫室采光的影響。

非對稱保溫塑料大棚南屋面傾角設計方法采用日光溫室前屋面傾角設計方法，即保證在冬至日正午前后4 h內(nèi)（10:00～14:00）非對稱保溫塑料大棚能從南屋面獲得最大采光量，考慮到入射角在一定范圍內(nèi)透光率變化較小，選用入射角為43°[11]。

依據(jù)冬至日10:00的太陽高度角和方位角，確定相對應的塑料大棚南屋面角，計算公式為[11]：

式中：α—非對稱保溫塑料大棚的合理南屋面角；

α10—冬至日上午10:00的理想屋面角，α10=90°-43°-h10W；

h10W—冬至日上午10:00的太陽高度角；

γ10W—冬至日上午10:00的太陽方位角。

太陽高度角h是指太陽直射光線與地平面的夾角，可由下式確定[12]：

式中：φ—地理緯度；

δ—太陽赤緯角，

N—日序數(shù)，為計算日距1月1日天數(shù)；

ω—太陽時角，ω=15°×(12-t)；

t—太陽計算時。

太陽方位角γ是指太陽直射光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可以看做是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[12]：

非對稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度與脊高

白天太陽直射光線透射過非對稱保溫塑料大棚南屋面，在地面上的投影如圖1所示，非對稱保溫塑料大棚北屋面是指從屋脊到北底腳的連線，其沿跨度方向的水平投影為北屋面投影寬度。塑料大棚屋脊設為點A，其在地平面上的垂直投影設為點F。太陽直射光線在非對稱保溫塑料大棚南屋面上的最高透過點位于保溫被的下方，設為點B，其在地平面上的垂直投影設為點E。直射光線透過南屋面B點在植物冠層平面上的投影點為C點。C點在地平面上的垂直投影設為點D。

根據(jù)圖1可知：

式中：L—非對稱保溫塑料大棚的跨度；

L1—非對稱保溫塑料大棚南屋面水平投影寬度；

L2—非對稱保溫塑料大棚北屋面水平投影寬度。

式中：L4—D點到F點的水平距離；

L5—北側(cè)道路寬度，取值為1.0 m；

L3—E點到F點的水平距離，取值為0.8 m[13]。

式中：H1—直射光線最高透過點B的垂直高度；

H3—植物冠層高度，取值0.2 m；

h—北屋面揭簾時間節(jié)點正午太陽高度角。

式中：H—溫室屋脊高度；

H2—溫室屋脊A點到B點的垂直距離，取值為0.2 m。

式中：α—非對稱保溫塑料大棚南屋面合理傾角。

聯(lián)合式（4）～（8），得非對稱保溫塑料大棚南北屋面水平投影寬度為：

非對稱保溫塑料大棚脊高為：

顯然，非對稱保溫塑料大棚屋面水平投影寬度與溫室跨度、南屋面傾角、北側(cè)走道寬度、保溫被卷放位置、北屋面開始揭簾時間點、正午太陽高度角以及植物冠層高度有關。

結(jié)果與討論

假設在不同緯度地區(qū)建造一棟正南方向的非對稱保溫塑料大棚，南屋面角按照合理屋面角設計，室內(nèi)定植喜溫作物，春提前茬口，根據(jù)前文得到的非對稱保溫塑料大棚北屋面保溫被揭簾時間節(jié)點、非對稱保溫塑料大棚結(jié)構計算公式，不同地區(qū)的非對稱保溫塑料大棚的脊高、南北屋面投影寬度如表3所示。

由表3可知，不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度占跨度的比例為0.62～0.77，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，其中北屋面投影寬度占比最小的地區(qū)位于西寧等春季仍較寒冷地區(qū)。室外氣候是影響非對稱保溫塑料大棚的重要影響因子，即使地理緯度接近，結(jié)構設計參數(shù)也會差異很大。以山東濟南與青海西寧地區(qū)為例，兩個城市的地理緯度接近，但氣候差異較大，當非對稱保溫塑料大棚跨度為17.0 m時，西寧地區(qū)非對稱保溫塑料大棚的脊高要達到6.7 m，而濟南地區(qū)非對稱保溫塑料大棚的脊高僅為5.6 m，比西寧地區(qū)低1.1 m。這是由于西寧地區(qū)非對稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度需要達到13.0 m，而濟南地區(qū)非對稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度僅需要11.0 m，比西寧地區(qū)短2.0 m。

需要指出的是室內(nèi)定植作物不同，對溫度需求不同，非對稱保溫塑料大棚結(jié)構設計參數(shù)也會發(fā)生改變，例如草莓等耐寒作物，可以忍受0℃以上、5℃以下的溫度，因此北屋面揭簾時期可以提前一些。以西安地區(qū)為例，假設北屋面揭簾周期為大寒～小雪，則室內(nèi)定植草莓的非對稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度如表4所示。

由表4可知，當南屋面投影寬度為11.1 m時，北屋面投影寬度為6.9 m，而在表3中，當南屋面投影寬度為11.0 m，北屋面投影寬度僅為6.0 m，短接近1.0 m。說明定植耐寒作物時可以適當增加北屋面的寬度。

表3 不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度

表4 非對稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度（大寒～小雪）

若為了更好的保證室內(nèi)溫度，假設以室外月平均最低氣溫接近0 ℃時才開始北屋面揭簾，仍然以西安地區(qū)為例，則北屋面揭簾周期為春分～秋分，則非對稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度如表5所示。

表5 非對稱保溫塑料大棚脊高、南北屋面投影寬度（春分～秋分）

由表5可知，當非對稱保溫塑料大棚跨度為17.0 m時，脊高為6.0 m，北屋面投影寬度為4.1 m，而在表3中，相同跨度的非對稱保溫塑料塑料大棚其脊高僅為5.1 m，北屋面投影寬度為6.0 m。脊高越高，意味著與后一棟塑料大棚之間的間距越大。由于表4與表5中非對稱保溫塑料大棚的跨度相同，這也意味著脊高更高的非對稱塑料大棚，其土地利用率會更低。

除此之外，植物冠層高度、走道設置位置、作物定植時期等都會影響非對稱保溫塑料大棚結(jié)構參數(shù)的設計，尤其是近年來，葡萄、桃、杏、櫻桃、無花果、中草藥以及西甜瓜等逐漸在保溫塑料大棚中栽培，目前以這些作物為研究對象的保溫塑料大棚結(jié)構參數(shù)設計方法還較少，尤其是通風降溫、跨度、高度等參數(shù)在設計過程中仍然以喜溫蔬菜為研究對象，下一步需要進一步針對不同類型作物開展保溫塑料大棚結(jié)構參數(shù)設計。

結(jié)論

本研究提出了一種確定非對稱保溫塑料大棚屋面投影寬度與脊高的方法。該方法根據(jù)不同日期太陽直射光線在室內(nèi)地面上投影的變化，當室外最低溫度小于-5℃時，保證室內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天能接受太陽光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面的合理揭簾時期，并據(jù)此得出非對稱保溫塑料大棚南、北屋面投影寬度、脊高等參數(shù)，其中非對稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度占跨度的比例為0.62～0.77，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，可為中國非對稱保溫塑料大棚的結(jié)構設計提供參考。