基于建筑热工原理的日光温室最佳朝向仿真计算

李娜，陈超，马彩雯，邹平，凌浩恕，张明星

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2. 新疆农业科学院农机化研究所，乌鲁木齐 830091)



基于建筑热工原理的日光温室最佳朝向仿真计算

李娜1，陈超1，马彩雯2，邹平2，凌浩恕1，张明星1

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2. 新疆农业科学院农机化研究所，乌鲁木齐 830091)

【目的】研究日光温室建造朝向直接影响日光温室截获太阳辐射的能力。【方法】以新疆乌鲁木齐地区为例，以日光温室前坡屋面截获太阳进光量最大为评价指标，结合太阳辐射随时间、日光温室所在地理位置动态变化规律，运用Energy Plus能耗模拟软件，研究该地区日光温室建造最佳朝向。【结果】乌鲁木齐地区冬季作物种植最不利生长期(11月1日至翌年2月28日)，日光温室最佳朝向为南偏西10°。【结论】提出了日光温室建造最佳朝向仿真计算的方法，并通过实测及模拟的方法进行验证，为我国日光温室科学建造提供理论参考依据。

日光温室；最佳朝向；截获太阳辐射能；模拟仿真；试验验证

0 引 言

【研究意义】日光温室是一种依靠被动吸收太阳辐射能维持温室内环境温度，以满足冬季反季节蔬菜作物生产需求的农业设施[1-4]。太阳能以短波辐射的形式透过温室前坡屋面进入温室内部，投射到温室内的后墙及土壤表面，为植物的生长提供必要的热环境[5-9]。日光温室朝向直接影响前坡屋面截获太阳进光量的能力[10]。温室最佳朝向的科学设计与确定对确保蔬菜生长期最大限度获得太阳能起到至关重要作用。【前人研究进展】国内外学者针对不同地域、不同室外气象条件、不同结构日光温室的特点，开展了关于日光温室建造朝向方面的相关研究，以提高日光温室太阳能利用效率。Beshada[11]以中国日光温室为例，分析了寒冷冬季室外气象条件下日光温室的热环境，通过热平衡原理验证了南向可截获最大的太阳能。Perters[12]研发了一种三维数值模拟模型，该模型可以模拟计算朝向变化对日光温室墙体接受太阳辐射状况的影响，及其对不同前坡屋面角度日光温室太阳辐射透射和分布规律的影响。白义奎等[13]以沈阳地区(41.77°N)为例，研究了日光温室朝向对进光量的影响，表明沈阳地区日光温室朝向为南偏西5°～6°时进光量最大。李军等[14]根据西北型节能日光温室采光设计理论中的温室朝向和前坡屋面角的设计原理，给出西北地区日光温室最佳朝向为正南或者南偏西5°～8°的研究结果。曹伟等[15]结合不同朝向日光温室室内温度环境的试验结果，讨论了朝向对温室温度环境的影响，结果表明，晴天时南偏西温室夜间温度高于正南向、南偏东向的。【本研究切入点】基于建筑热工原理的日光温室建造朝向仿真计算研究的相关文献较少，且运用能耗模拟软件分析的相关文献未见报道，以新疆乌鲁木齐地区为例，以日光温室前坡屋面截获太阳进光量最大为评价指标，结合太阳辐射随时间、日光温室所在地理位置动态变化规律，运用Energy Plus能耗模拟软件，对该地区日光温室建造最佳朝向进行分析讨论，日光温室最佳建造朝向合理确定、有效提高日光温室太阳能利用率与日光温室建筑热工性能提供设计方法参考。【拟解决的关键问题】研究日光温室建造朝向直接影响日光温室截获太阳辐射的能力，针对目前不同地区不同纬度室外的气象参数，给出该地区的合理的最佳朝向的推荐值。

1 材料与方法

1.1 材 料

太阳能是日光温室所需能量的重要来源，确保日光温室前坡屋面总是能最大化截获太阳辐射能，是日光温室在太阳有效照射时间内累计获得太阳能最大的关键所在，也是使温室维持必要环境温度所需供暖能量最小的重要途径。影响日光温室前坡屋面截获太阳辐射和有效时数最大的主要因素有三：一是太阳高度角h和方位角α变化；二是日光温室所处地理位置(纬度)不同；三是一日内温室保温卷帘的开闭时间。

在太阳辐射有效照射时间段内，日光温室前坡屋面累计截获的太阳总辐射量最大时的温室朝向即为最佳朝向。日光温室白天建筑传热过程为，太阳辐射以短波辐射到日光温室内，并储存在土壤和墙体中，墙体和土壤作为蓄热体将蓄集的热量向温室内释放，以维持温室内一定的空气温度。因此，白天日光温室的主要热量来源为透过前坡屋面获得的太阳辐射，其前坡屋面截获太阳得热量可用式(1)表示。图1

(1)

式中，Q为日光温室太阳总得热量，W；τ为日光温室前坡薄膜的透过率，%；I0为太阳辐射常数，W/m2；P为大气透明系数，通常可取P为0.80；h为太阳高度角，°；i为温室前坡屋面太阳入射角，°；θ为温室前坡屋面仰角，°。

充分考虑太阳高度角h及其方位角α动态变化规律与日光温室所处地理位置(纬度)的关联关系，包括室外温度变化规律等因素的影响，科学精准确定日光温室建造方位，确保冬季反季节蔬菜高质高量生产。图2

图1 日光温室建筑传热过程示意
Fig.1 Schematic diagram of heat transfer process in Solar Greenhouse

图2 太阳高度角及太阳方位角变化
Fig.2 Change low of solar altitude and azimuth

1.2 方 法

1.2.1 Energy Plus仿真能耗模拟软件

Energy Plus能耗模拟软件是由美国能源部(Department of Energy, DOE)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)共同开发，是一个建筑能耗逐时模拟引擎，采用集成同步的负荷/系统/设备的模拟方法。

Energy Plus能耗模拟软件是在DOE-2和BLAST等软件基础上发展起来的。采用CTF(Conduction Transfer Function)计算墙体传热，采用热平衡法来计算负荷。可应用其中的三维有限差分土壤模型和简化的解析方法对土壤传热进行模拟；应用其中的传热传质模型对墙体的热湿传递进行模拟；应用其中的天空各向异性的天空模型以改进倾斜面的天空散射强度。

1.2.2 评价指标

在太阳辐射有效照射时间段内，日光温室前坡屋面累计截获的太阳总辐射量最大时的温室朝向即为最佳朝向。因此，所谓日光温室最佳朝向的问题，实际上是计算期间内温室前坡屋面截获太阳直射辐照量强度累计量最大值的问题。计算期间内温室前坡屋面太阳进光量累计值S如式(2)。

(2)

式中，S为前坡屋面进光量累积量，W/m2；n为计算周期，D；t1为日光温室前坡屋面保温帘的揭帘时间，h；t2为日光温室前坡屋面保温帘的放帘时间，h。

2 结果与分析

2.1 日光温室仿真计算模型

采用Energy Plus能耗模拟商业软件构建日光温室计算模型，计算分析作物生长期内日光温室朝向变化对日光温室前坡屋面累计太阳进光量大小的影响规律，以此给出该地区日光温室建造最佳朝向推荐值。

绘出计算日光温室物理模型，列出其基本几何尺寸。计算过程作如下假设：前坡屋面折线简化处理，近似代替曲面；忽略植物和土壤蒸发对温室内环境的影响；暂不设定土壤为多孔介质，不考虑传热、传质，认为其结构均匀，物性参数为定值。图3，表1

图3 日光温室物理模型

Fig.3 Physical model of solar greenhouse

表1 模拟温室基本几何尺寸
Table 1 Basic geometric dimensions of greenhouse

结构名称数值跨度Span(L/m)100长度Length(l/m)40脊高Highridge(H/m)34北墙高Heightofnorthwall(h/m)27后屋面长度HeightofRearroof(M/m)17前坡屋面仰角Frontroofangle(θ/°)35

2.2 计算条件

以作物冬季反季节生产关键期11月1日至翌年2月28日为计算期(该计算期间可以根据实际情况进行设定)，以计算期间温室前坡屋面累计截获的太阳进光量最大为温室最佳建造朝向的约束条件，列出计算工况。计算期间，日光温室前坡屋面保温帘的揭帘时间t1与放帘时间t2分别按t1=当地日出时间+1.5 h、t2=当地日落时间-0.5 h考虑。即开帘和放帘时间分别为09:30、16:30；气象参数采用软件自带标准气象年(TMY)全年室外逐时气象参数，图4为计算期内室外太阳辐照度及室外温度的变化。表2，图4

2.3 计算结果验证

为了验证Energy Plus软件计算结果的可靠性，以北京地区实际日光温室的实测结果进行验证。实测期为2016年1月23～25日；图5为实测期北京地区室外气象参数，以此作为Energy Plus 软件的气象参数输入参数；图6为实测期间日光温室内平均空气温度计算值与实测值的比较结果，两者最大误差为13.4%，说明Energy Plus软件仿真计算的有效性。图5，图6

表2 计算工况
Table 2 Calculation condition

编号Number朝向变化范围Directionofchange评价指标Evaluating工况1Case1南偏东12°-南偏西12°累计进光量S工况2Case2南偏东10°、正南、南偏西10°空气温度工况3Case3正南、南偏西10°空气积温

图4 乌鲁木齐地区计算期室外气象参数
Fig.4 Outdoor weather parameters of the typical meteorological year in a heating season in Urumqi

图5 北京地区实测期室外气象参数
Fig.5 Outdoor weather parameters of the typical meteorological year in a heating season in Beijing

图6 北京地区日光温室内平均空气温度计算值与实测值对比
Fig.6 Comparison of measured values and simulated values of temperature indoor in Beijing area

2.4 仿真结果

2.4.1 朝向对前坡屋面进光量影响(工况1)

表2工况1计算条件得到的日光温室朝向与前坡屋面进光量的仿真结果为以2°为步长变化日光温室的朝向从南偏东12°(-12°)到南偏西12°(+12°)，可得计算期间(11月1日至翌年2月28日)，温室前坡屋面累计进光量随温室朝向的变化规律。计算结果表明，乌鲁木齐地区南偏西朝向的进光量明显大于南向、南偏东朝向的，且在南偏西10°左右达到最大。图7

图7 朝向与前坡屋面进光量(工况1)
Fig.7 The relationship between the light through the slope roof and the orientation

2.4.2 朝向对温室内环境温度影响(工况2)

基于工况1的计算结果，进一步根据工况2计算条件比较了南偏东10°、正南、南偏西10°三个朝向日光温室内空气温度随时间变化规律。图示结果也进一步说明，朝向为南偏西10°时的日光温室内空气温度明显要高，一天中温室内最高气温出现在当地时间13:30、为42.6℃，且较其他两个朝向最高温度出现时间略有滞后。图8

图8 朝向与日光温室空气温度
Fig.8 The relationship between temperature indoor and the orientation

2.4.3 朝向与有效空气积温(工况3)

根据表2工况3计算条件，进一步分析比较了计算期间正南与南偏西10°朝向日光温室空气积温(积温以8℃为计算基准值)。计算结果表明，计算期内，南偏西10°朝向日光温室的空气积温始终高于正南朝向的、为2 468.5℃·day，净增6.6%。由此也说明了科学的设计方法，对提高日光温室太阳能利用率、为温室作物生长创造适宜热环境具有重要作用。图9

图9 正南与南偏西10°温室空气积温对比
Fig.9 Compression of accumulated temperature between the south and southwest 10°

3 讨 论

3.1 优势地区日光温室最佳朝向推算

同理，根据第1节仿真计算方法即可以给出位于不同地理纬度地区日光温室建造最佳朝向。表1和2.2的计算条件下，北京、兰州、沈阳、寿光[16-18]等太阳能优势地区日光温室建造最佳朝向推荐值，同时给出了乌鲁木齐、塔城、阿勒泰、喀什、和田等[18]新疆设施农业重点区域的最佳朝向推荐值。表3

表3 几个优势地区日光温室最佳朝向推算值
Table 3 The comparison between model and simulation of solar greenhouse best orientation in our advantages areas

城市City纬度Latitude模拟值EnergyPlus沈阳41°50’南偏西8°北京39°92’南偏西6°寿光36°88’南偏西4°兰州36°03’南偏西3°乌鲁木齐43°54’南偏西10°塔城46°74’南偏西12°阿勒泰47°86’南偏西13°喀什39°52’南偏西6°和田37°12’南偏西4°

4 结 论

4.1 研究以日光温室前坡屋面截获太阳进光量最大为评价指标，结合运用Energy Plus能耗模拟软件，给出了日光温室建造最佳朝向仿真计算方法，实测结果验证了计算方法的合理性。

4.2 基于Energy Plus能耗模拟软件，以作物冬季反季节生产关键期(11月1日至翌年2月28日)为计算期，给出了乌鲁木齐等5个地区日光温室最佳建造朝向推荐值。

4.3 乌鲁木齐地区日光温室建造最佳朝向为南偏西10°，计算期间该朝向的日光温室空气积温为2 468.5℃·day，较正南方向净增6.6%。科学的设计方法，对提高日光温室太阳能利用率、为温室作物生长创造适宜热环境具有不可忽视的作用。

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Fund project:Supported by NSFC "Theoretical study on modeling of solar greenhouse structure integrated multiple thermal characteristics"(51578012); NSFC "Study on thermal performance evaluation method active passive thermal storage wall and heat preservation quilt in Gobi greenhouse of Xinjiang"(51368060)

Simulation Calculation on Solar Greenhouse Optimum Orientation Based on the Principle of Building Thermal

LI Na1, CHEN Chao1, MA Cai-wen2, ZHOU Ping2, LING Hao-shu1, ZHANG Ming-xing1

(1. College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China; 2.ReasearchInstituteofAgriculturalMechanization,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 Sunlight greenhouse construction directly influences the ability to intercept solar radiation.【Method】In order to improve the utilization of solar radiation in solar greenhouse energy, based on the characteristic of solar radiation distribution and transmission theory of solar radiation intensity in different regions, the study took Urumqi area in Xinjiang as an example, the sun light intercepted by the front slope roof of sunlight greenhouse as the evaluation index, in combination with the time of solar radiation, the dynamic change law of the geographical position of solar greenhouse, using Energy Plus simulation software to analyze the construction of the optimum orientation of sunlight greenhouse in this area.【Result】The results showed that during the most unfavorable growth period of crops growing in winter in Urumqi area(11/1～2/28), the best orientation was southwest 10°.【Conclusion】This paper presents a method for the construction of solar greenhouse, which is based on the simulation and calculation, and is verified by the method of measurement and simulation. The model provides methods and theoretical guidance for the rational construction of solar greenhouse, which could not using the criteria and parameters simply to applied in solar greenhouse construction in various regions.

solar greenhouse; optimum orientation; solar-radiation intensity; simulation and calculation; experiment verification

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.11.020

2016-04-26

国家自然科学基金项目“面向多热特性一体化控制的日光温室建筑构造建模理论研究”(51578012)；国家自然科学基金项目“新疆戈壁日光温室太阳能主-被动式蓄热墙体及保温被热性能评价方法研究”(51368060)

李娜(1990-)，女，黑龙江人，硕士，研究方向为相变蓄热技术与可再生能源技术，(E-mail)lina1990626@emails.bjut.edu.cn

陈超(1958-)，女，湖南人，教授，博士生导师，研究方向为相变蓄热技术与可再生能源技术，(E-mail)chenchao@bjut.edu.cn

马彩雯(1965-)，女，天津人，研究员，研究方向为设施农业工程，(E-mail)xjmcw2010@sina.com

S625.1

A

1001-4330(2016)11-2112-07