張心譯 張 璐 郭玉萍 李悅童 辛征西 陳 婕

陜西理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

1 前言

漢中位于陜西省南部，北依秦嶺，南屏巴山，中部為漢中盆地，年均氣溫14℃左右。年日照時(shí)數(shù)不足2000h，冬季三個(gè)月日照時(shí)數(shù)不足130h，不適合冬季反季節(jié)果蔬的栽培。陜南地區(qū)溫室大棚現(xiàn)狀不理想的問題導(dǎo)致蔬菜水果種植產(chǎn)量低，棚內(nèi)溫度不適宜，能源消耗不合理。

本文主要通過調(diào)研陜南地區(qū)的溫室大棚現(xiàn)狀，探討不同材料對溫室大棚空間物理性能的影響，借助Ecotect軟件模擬分析并計(jì)算分析大棚內(nèi)光環(huán)境與熱環(huán)境，還對大棚進(jìn)行能耗模擬，從而改善當(dāng)?shù)刈魑锏姆N植情況，滿足人們的生活需求。該項(xiàng)研究大力響應(yīng)“大棚經(jīng)濟(jì)助力鄉(xiāng)村振興”國家政策，希望此研究結(jié)果能在未來為陜南地區(qū)的溫室大棚建造提供一定的參考價(jià)值。

2 項(xiàng)目介紹

2.1 項(xiàng)目概況

我們選擇了陜南地區(qū)比較有代表性的城市——漢中。在漢中地區(qū)，農(nóng)村建筑鮮有光、熱等方面的數(shù)字化分析，因此根據(jù)漢中市的氣候條件，借助Ecotect軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，探究溫室大棚內(nèi)采光及熱工情況，并對四種不同形式大棚材料的能耗進(jìn)行分析，最終得出結(jié)論。通過調(diào)研和分析數(shù)據(jù)的對比，為今后該地區(qū)溫室大棚的改造優(yōu)化提供參考。

2.2 不同材質(zhì)溫室

從2021年3月至今通過實(shí)地走訪調(diào)研得到：陜南地區(qū)以磚墻形式大棚、混凝土墻形式大棚、彩鋼墻形式大棚及塑料薄膜大棚四種形式的大棚為主。

磚墻形式大棚、混凝土墻形式大棚、彩鋼墻形式大棚地點(diǎn)較為固定，不易建造，成本較高。而塑料薄膜大棚是用塑料薄膜覆蓋的一種大型拱棚，與其他大棚相比，結(jié)構(gòu)簡單、建造和拆裝方便；與中型、小型拱棚相比，堅(jiān)固耐用，使用壽命長，棚體內(nèi)空間大，進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)較為方便、并且也有利于作物生長發(fā)育。

大棚按骨架材料分為竹木結(jié)構(gòu)、鋼架混凝土結(jié)構(gòu)、鋼架結(jié)構(gòu)、鋼竹混合結(jié)構(gòu)、全竹、全塑等。竹木結(jié)構(gòu)大棚簡視圖如圖2所示[1]。

圖2 塑料薄膜大棚結(jié)構(gòu)圖

2.3 Ecotect模擬分析

2.3.1 Ecotect建模

在模擬軟件Ecotect里建立陜南地區(qū)具有代表性的溫室大棚模型，通過Ecotect技術(shù)（可實(shí)現(xiàn)建筑能耗、材料熱工性能、日照分析，陰影及遮陽等的可視化分析）模擬不同材料溫室大棚光熱環(huán)境和熱性能分析并計(jì)算[2]。如圖3所示，a、b分別為軟件中建立的溫室大棚模型。

圖3 溫室大棚Ecotect模型

2.3.2 大棚生產(chǎn)區(qū)日照模擬

陽光照射能引起植物的各種光生物學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)植物生長和新陳代謝[3]。因此，蔬菜大棚種植區(qū)內(nèi)適宜的日照有重要的意義。

大棚的建筑布局需要考慮整個(gè)場區(qū)的采光效應(yīng)和遮擋情況。在滿足日照間距的基礎(chǔ)上，要以節(jié)約用地為原則，合理布局蔬菜大棚，如圖4所示，藍(lán)色網(wǎng)格表示全年太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，測量日照強(qiáng)度的儀器為日照強(qiáng)度儀，日對日照強(qiáng)度的等級還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的劃分，可以將其轉(zhuǎn)化計(jì)算為光照度，再根據(jù)光照度來劃分，或者將當(dāng)?shù)匾荒耆照諒?qiáng)度最高的值設(shè)定為100%，100%～80%為強(qiáng)，80%～60%為較強(qiáng)，60%～40%為一般，40%～20%為較弱，20%～0%為弱。圖中紅色日照最強(qiáng)，藍(lán)色最弱。其量程范圍在0～3000W/m2。

圖4 某大棚生產(chǎn)區(qū)的日晷模擬圖（陜西漢中）

3 大棚內(nèi)熱環(huán)境分析

3.1 熱環(huán)境分析法

利用在Ecotect軟件中建立的模型模擬實(shí)際的溫室大棚建筑（長20m、寬4m、高13m），置換不同的外部材料，并分析大棚內(nèi)部的能耗情況。模擬過程中，軟件的區(qū)域參數(shù)設(shè)置為：大棚內(nèi)部溫度設(shè)為24℃，風(fēng)速設(shè)為0.2m/s，濕度設(shè)為53%。不改變其它因素，僅改變墻體材料的情況下分析其內(nèi)部能耗。常見的溫室大棚材質(zhì)有薄膜材料、陽光板材料、玻璃材料等。薄膜材料常見的有低密度聚乙烯薄膜、中密度聚乙烯薄膜和高密度聚乙烯薄膜。

表1 溫室大棚材質(zhì)計(jì)算參數(shù)表[4]

3.2 大棚熱環(huán)境結(jié)果分析

3.2.1 大棚單體熱環(huán)境分析

大棚內(nèi)部環(huán)境溫度隨外界環(huán)境而變化，太陽光照射產(chǎn)生的熱效應(yīng)起到控制室內(nèi)溫度，促進(jìn)植物生長的作用[5]。根據(jù)蔬菜生長發(fā)育對溫度的要求，可將蔬菜分為：恒溫蔬菜、日間高夜間低蔬菜等。例如，漢中地區(qū)所適宜種植的水果——草莓就屬于日間高夜間低果蔬類，充分發(fā)揮光合作用有效抑制呼吸作用、增加水果的含糖量。因此我們適當(dāng)?shù)母淖兇笈锏牟牧?，來模擬大棚中適宜果蔬生長的最佳物理環(huán)境。

為更好的了解漢中冬季溫室大棚的熱環(huán)境情況，此次模擬試驗(yàn)選取于1月1日，大棚中部距地面0.8m高度的環(huán)境溫度變化情況。模擬中大棚采用聚乙烯單層薄膜圍護(hù)，用Ecotect軟件進(jìn)行模擬分析。

3.2.2 得熱分析

在Ecotect軟件中實(shí)際的模型賦予低密度單層膜，膜厚度為1mm，模擬了大棚內(nèi)部一天內(nèi)逐時(shí)得熱規(guī)律。由圖5可知，藍(lán)色斷線表示外部溫度，無大幅度起伏，維持在0℃左右；綠色斷線表示風(fēng)速，風(fēng)速間斷變化幅度較大，夜間3點(diǎn)-6點(diǎn)風(fēng)速增大，日間15點(diǎn)-23點(diǎn)波動(dòng)較大、風(fēng)速降低；橙色斷線表示光束太陽能，恒定不變，保持在0kWh/m2；橙色點(diǎn)劃線為輻射溫度，在日間8時(shí)-13時(shí)逐漸增大，13-15時(shí)逐漸減少至0℃，在12-13時(shí)達(dá)到峰值約為-5℃。

圖5 逐日得熱分析模擬云圖（中國漢中）

3.2.3 逐月度日數(shù)

本模擬實(shí)驗(yàn)采用低密度聚乙烯單層塑料薄膜，模擬了大棚內(nèi)部一年中的逐月度日數(shù)——漢中地區(qū)所有可見熱量區(qū)域圖，如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為月份，縱坐標(biāo)為度日數(shù)，顯示的是逐月度日數(shù)條形分布圖。1、2、3、4、10、11、12月度日數(shù)負(fù)增長，最大值可達(dá)400（DD為degree-day）；而5、6、7、8、9為正值，最大值在135（DD）左右。說明：該地區(qū)寒冷月份多，天數(shù)值見深色柱狀圖。

圖6 逐月度日數(shù)——所有可見熱量區(qū)域圖（中國漢中）

如表2顯示，該地區(qū)冬季得熱天數(shù)長，夏季涼爽天數(shù)長。

表2 逐月度日數(shù)-所有可見熱量區(qū)域數(shù)據(jù)表格（中國漢中）

3.2.4 溫度得熱比

低密度聚乙烯單層塑料薄膜在對大棚進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)，能保障大棚內(nèi)部的恒溫性質(zhì)，大棚邊緣的溫度比中部低2℃～3℃，這就是大棚的邊際效應(yīng)[4]。圖7展示了全年的大棚溫度得熱量。將實(shí)際溫度與模擬溫度（如圖7）進(jìn)行比較，分析結(jié)果表明波動(dòng)規(guī)律基本一致，差異不顯著。

圖7顯示了全年范圍內(nèi)室外溫度——得熱散點(diǎn)分布圖，總得熱量在0～18000Wh/m2區(qū)間呈點(diǎn)狀散布。其中點(diǎn)狀線表示較為理想的狀態(tài)，在8000Wh/m2～18000Wh/m2區(qū)間內(nèi)溫度得熱比最理想，最適宜水果大棚的種植。

圖7 溫度/得熱比較模擬圖（中國漢中）

4 大棚內(nèi)光環(huán)境分析

4.1 光環(huán)境分析法

根據(jù)陜西省漢中市地區(qū)氣候條件，運(yùn)用Ecotect軟件，模擬大棚月太陽平均照射量以及在聚乙烯單層塑料薄膜和空心磚兩種不同材料下大棚的月太陽總照射量。

我國GB 50180—1993《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“建筑間距，應(yīng)以滿足日照要求為基礎(chǔ)，綜合考慮采光、通風(fēng)、消防、防震、管線埋設(shè)、避免視線干擾等要求確定”。建筑布置以滿足日照要求作為確定建筑間距的主要依據(jù)，所以運(yùn)用Ecotect軟件分析大棚內(nèi)光環(huán)境、熱環(huán)境以及日照等情況，能夠可視化及定量計(jì)算[6]。

4.2 大棚光環(huán)境結(jié)果分析

4.2.1 大棚月太陽平均照射量

日照產(chǎn)生的光效應(yīng)可以起到提高室內(nèi)溫度，促進(jìn)植物生長的作用。在調(diào)查蔬菜生長發(fā)育中對光強(qiáng)的要求時(shí)發(fā)現(xiàn)，漢中地區(qū)適宜種植的草莓、藍(lán)莓屬于強(qiáng)光照果蔬類。為了提高產(chǎn)量，本研究重點(diǎn)在此模擬實(shí)驗(yàn)中適當(dāng)改變大棚的材料，能夠在軟件中直觀地可視化地看到大棚內(nèi)光環(huán)境變化具體數(shù)值。

本試驗(yàn)采用聚乙烯單層塑料薄膜和空心磚兩種材質(zhì)，模擬大棚每日太陽平均照射量。由于磚墻和單層塑料膜大棚日太陽平均照射量幾乎無差別。所以，圖8和圖9是材質(zhì)為聚乙烯單層塑料薄膜的大棚的每日太陽平均照射量模擬結(jié)果，由模擬情況可得圖8（以聚乙烯單層塑料薄膜為例），其每日太陽平均照射量分布范圍是1664Wh/m2～5797Wh/m2，冬季采光稍弱，春、夏、秋三季采光情況良好，能有效提供植物生長所需的太陽輻射量，滿足《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。

如圖9所示，聚乙烯單層塑料薄膜的大棚每日太陽平均照射量在7月達(dá)到最大值5800Wh/m2，在12月為最低值1700Wh/m2；每日太陽平均照射量大于5000Wh/m2的有5月、6月、7月、8月四個(gè)月份；除1月以外，其余月份每日太陽平均照射量均大于2000Wh/m2。

圖9 每日太陽平均照射量數(shù)據(jù)表格（中國漢中）橫坐標(biāo)為月

4.2.2 大棚月太陽總照射量

本模擬實(shí)驗(yàn)分別采用聚乙烯單層塑料薄膜和空心磚，模擬了大棚內(nèi)部一年中每月太陽輻射，得到每月太陽總照射量模擬云圖。

如圖10，橫坐標(biāo)為月份，縱坐標(biāo)為月總計(jì)太陽輻射量。1、2、3、10、11、12月太陽總照射量小，兩種材料幾乎無差別，月太陽輻射量最大值在180000Wh/m2，最小值為32000Wh/m2；而4、5、6、7、8、9月太陽總照射量大，兩種材料有一定差別，聚乙烯單層塑料薄膜月總計(jì)太陽輻射量的最大值可達(dá)170000Wh/m2，但空心磚材質(zhì)的大棚可達(dá)到180000Wh/m2。說明：該地寒冷月份多，月總計(jì)太陽輻射量兩種材質(zhì)不同，空心磚材料的大棚更具優(yōu)勢。

圖1 四種溫室大棚形式

圖10 每月太陽總照射量模擬云圖（中國漢中）

如圖11，大棚每月太陽總照射量均高于30000Wh/m2[7]。其中，空心磚材質(zhì)大棚和單層塑料膜材質(zhì)大棚月太陽總照射量都在7月時(shí)達(dá)到最高值，分別為180000Wh/m2和170000Wh/m2；同樣都在12月時(shí)達(dá)到最低值，分別為50000Wh/m2和32000Wh/m2。兩者之間對比數(shù)值相差較小，各研究高度區(qū)域每月太陽總照射量大，采光情況好，滿足GB/T 50378—2019《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。

圖11 每月太陽總照射量數(shù)據(jù)表格（中國漢中）

4.3 光環(huán)境分析結(jié)論

本文以陜南地區(qū)的蔬菜大棚為研究對象，采用聚乙烯單層塑料薄膜和磚為材料，利用Ecotect軟件進(jìn)行原尺寸建模，對其內(nèi)部空間的光環(huán)境進(jìn)行了分析，在模擬計(jì)算中對比其逐時(shí)太陽輻射量、日平均太陽輻射量、月總計(jì)太陽輻射量，分析發(fā)現(xiàn)材質(zhì)不同的情況下，日平均太陽輻射量基本相同，但月平均輻射量磚墻材質(zhì)大棚數(shù)值要稍高于單層塑料膜大棚數(shù)值，究其原因是磚對于太陽輻射有一定的吸收和蓄熱作用，塑料由于材質(zhì)太薄，太光滑則會(huì)反射一部分太陽輻射，且不能蓄熱，但綜合考慮到經(jīng)濟(jì)效益（磚墻47元/m2，單層塑料膜4元/m2～6元/m2），在太陽輻射量相差不大的情況下，仍推薦采用單層塑料薄膜大棚。

5 結(jié)論

①本文以陜南地區(qū)的蔬菜大棚為研究對象，采用聚乙烯塑料薄膜為材料，利用Ecotect建模軟件進(jìn)行實(shí)例的模擬，對其內(nèi)部空間構(gòu)造及各個(gè)構(gòu)件的熱環(huán)境和光環(huán)境進(jìn)行了分析，在模擬計(jì)算中對比各項(xiàng)能耗量。

②Ecotect技術(shù)是計(jì)算建筑熱環(huán)境，光環(huán)境，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要手段，也是未來建筑節(jié)能設(shè)計(jì)發(fā)展方向[8]。

③通過漢中市大棚圍護(hù)結(jié)構(gòu)的光環(huán)境與熱環(huán)境分析,塑料薄膜大棚結(jié)構(gòu)簡單、建造和拆裝方便，并且也有利于作物生長發(fā)育。

④計(jì)算機(jī)分析結(jié)果表明，該地區(qū)農(nóng)村大棚可采用適合的技術(shù)，增加光照，大棚溫度控制在20℃效果最佳，可提高大棚中作物的生長速度，提高產(chǎn)量，改善食用口感。

⑤通過數(shù)據(jù)分析聚乙烯單層塑料薄膜的密度變化對植物接收到的的太陽輻射并無太大的影響，對比磚墻材質(zhì)大棚發(fā)現(xiàn)，大棚日平均太陽輻射量基本相同，由于磚墻材料的蓄熱特性，導(dǎo)致月平均輻射量磚墻材質(zhì)大棚要稍高于單層塑料膜大棚，但考慮到經(jīng)濟(jì)效益，在太陽輻射量相差不大的情況下，仍推薦采用單層塑料膜大棚。