非对称保温塑料大棚南北屋面投影宽度优化＊

引言

非对称保温塑料大棚是一种具有特色的温室形式，它结合了日光温室南面采光、北面保温的特点，同时又具有塑料大棚价格低廉、土地利用率高的特点，近年来在中国长江中下游地区、黄淮海地区、华北地区以及西北地区等得到了推广与应用[1-2]。研究人员对这种保温塑料大棚内部光热环境进行了测试分析，武莹等发现18 m跨度非对称保温塑料大棚在冬季的平均最低气温在4.0℃以上[3]，春秋季最低气温在13.0℃以上[4]。为了提高冬季室内最低温度，研究人员在塑料大棚内部利用生物质发酵酿热技术，测试结果表明这种酿热保温塑料大棚应用效果较好[5-6]。

由于保温塑料大棚具有低成本、大空间、便于机械化等优良性能，目前在保温塑料大棚内部种植的植物类型也比较多，如中药材、蔬菜、西甜瓜、果树等。但是具体针对某一类作物的非对称保温塑料大棚合理南北屋面投影宽度未见报道，尤其是中国幅员辽阔，不同地区气候差异较大，因此，在非对称保温塑料大棚建造过程中不能完全照搬其他地区的塑料大棚结构设计参数。在寒冷的冬季，非对称保温塑料大棚北屋面外覆保温被有助于减少室内热量流失，不过相应的北侧透光率也会降低[3]。随着外界气温升高，太阳直射光在室内地面的投影也在逐渐向南移动。北侧保温被可以开始揭帘的时期十分重要，过早或过晚揭帘均不利于非对称保温塑料大棚的发展，因此需要选择合适的揭帘时期。目前使用保温塑料大棚种植最多的作物是蔬菜，主要种植茬口是春提前和秋延后。本研究借助日光温室结构参数设计方法[7]，以早春茬喜温蔬菜为研究对象，拟根据不同地区的气候特点，确定不同地区非对称保温塑料大棚北屋面揭帘的合理时期，基于此得到非对称保温塑料大棚南北屋面投影宽度与脊高的计算方法。

非对称保温塑料大棚北屋面 揭帘合理时期

在严寒冬季，非对称保温塑料大棚北屋面外一直覆盖保温被，可有效地减少室内热量流失。然而，随着室外气候变暖，太阳直射光在室内地面的投影也在逐渐向南移动，其中最为关键的部分是什么时间节点非对称保温塑料大棚内北侧最后一排作物全天接收太阳光直射，同时当天北屋面可以开始适当揭帘以增加北侧太阳散射光进入。时间节点过早，则非对称保温塑料大棚内热量流失过多，夜间室内气温会过低；时间节点过晚，则室内北侧作物接收太阳光照射的总量会降低，不利于作物生长发育。

根据武莹等[3]的测试结果，当室外最低温度变化范围为-15～-5℃时，非对称保温塑料大棚内平均最低气温为4.1℃，番茄在夜间的最低耐受空气温度为5℃[8]。为此，以满足植物夜间生长发育温度为优先条件，选择以室外月平均最低温度为-5℃作为阈值，即当平均最低温度超过-5℃时，北屋面才开始适当揭帘，而当平均最低温度低于-5℃时，应保证在正午时刻室内北侧最后一排作物能够接受太阳光直射，依此选择非对称保温塑料大棚北屋面合适的揭帘时期。

目前新型保温塑料大棚理念已逐渐在中国长江中下游地区以及北方一些日光温室占主导地位的地区开始探索与实践[1]。为此，本研究以中国北纬31°～40°地区主要城市为代表，表1为1998～2012年这些城市在1～6月份的月平均最低气温和月平均最高气温。从表1可看出，合肥、南京、西安在2月份的平均最低温度已超过-5℃，平均最高温度已达到15℃；北京、石家庄、郑州、济南在3月份的平均最低温度均已超过-5℃，平均最高温度已超过20℃；太原、兰州、西宁、银川在4月份的平均最低温度均已超过或接近-5℃，平均最高温度已超过25℃。根据上述选择依据，不同地区非对称保温塑料大棚北屋面合理的揭帘时期如表2所示。

表1 1998～2012年1～6月部分城市的月平均最低气温与月平均最高气温/℃[9]

表2 不同地区非对称保温塑料大棚北屋面揭帘时期

非对称保温塑料大棚屋面投影 宽度确定方法

非对称保温塑料大棚主要用于春提前和秋延后蔬菜栽培生产，它的屋面主要是由南屋面和北屋面两部分组成。

非对称保温塑料大棚南屋面倾角

前屋面是指屋脊与塑料大棚南底脚的连线，是非对称保温塑料大棚的主要采光面。屋面形状和屋面倾角是前屋面的两个基本参数，由于不同弧面形状的采光屋面对温室总进光量的影响差别不大[10]，因此，试验过程不考虑前屋面弧面形状对温室采光的影响。

非对称保温塑料大棚南屋面倾角设计方法采用日光温室前屋面倾角设计方法，即保证在冬至日正午前后4 h内（10:00～14:00）非对称保温塑料大棚能从南屋面获得最大采光量，考虑到入射角在一定范围内透光率变化较小，选用入射角为43°[11]。

依据冬至日10:00的太阳高度角和方位角，确定相对应的塑料大棚南屋面角，计算公式为[11]：

式中：α—非对称保温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的太阳高度角；

γ10W—冬至日上午10:00的太阳方位角。

太阳高度角h是指太阳直射光线与地平面的夹角，可由下式确定[12]：

式中：φ—地理纬度；

δ—太阳赤纬角，

N—日序数，为计算日距1月1日天数；

ω—太阳时角，ω=15°×(12-t)；

t—太阳计算时。

太阳方位角γ是指太阳直射光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可以看做是太阳直射光线在水平面上的投影与正南方的夹角。不同时刻的太阳方位角γ计算如下[12]：

非对称保温塑料大棚南北屋面投影宽度与脊高

白天太阳直射光线透射过非对称保温塑料大棚南屋面，在地面上的投影如图1所示，非对称保温塑料大棚北屋面是指从屋脊到北底脚的连线，其沿跨度方向的水平投影为北屋面投影宽度。塑料大棚屋脊设为点A，其在地平面上的垂直投影设为点F。太阳直射光线在非对称保温塑料大棚南屋面上的最高透过点位于保温被的下方，设为点B，其在地平面上的垂直投影设为点E。直射光线透过南屋面B点在植物冠层平面上的投影点为C点。C点在地平面上的垂直投影设为点D。

根据图1可知：

式中：L—非对称保温塑料大棚的跨度；

L1—非对称保温塑料大棚南屋面水平投影宽度；

L2—非对称保温塑料大棚北屋面水平投影宽度。

式中：L4—D点到F点的水平距离；

L5—北侧道路宽度，取值为1.0 m；

L3—E点到F点的水平距离，取值为0.8 m[13]。

式中：H1—直射光线最高透过点B的垂直高度；

H3—植物冠层高度，取值0.2 m；

h—北屋面揭帘时间节点正午太阳高度角。

式中：H—温室屋脊高度；

H2—温室屋脊A点到B点的垂直距离，取值为0.2 m。

式中：α—非对称保温塑料大棚南屋面合理倾角。

联合式（4）～（8），得非对称保温塑料大棚南北屋面水平投影宽度为：

非对称保温塑料大棚脊高为：

显然，非对称保温塑料大棚屋面水平投影宽度与温室跨度、南屋面倾角、北侧走道宽度、保温被卷放位置、北屋面开始揭帘时间点、正午太阳高度角以及植物冠层高度有关。

结果与讨论

假设在不同纬度地区建造一栋正南方向的非对称保温塑料大棚，南屋面角按照合理屋面角设计，室内定植喜温作物，春提前茬口，根据前文得到的非对称保温塑料大棚北屋面保温被揭帘时间节点、非对称保温塑料大棚结构计算公式，不同地区的非对称保温塑料大棚的脊高、南北屋面投影宽度如表3所示。

由表3可知，不同地区非对称保温塑料大棚的南屋面投影宽度占跨度的比例为0.62～0.77，北屋面投影宽度占跨度的比例为0.23～0.38，其中北屋面投影宽度占比最小的地区位于西宁等春季仍较寒冷地区。室外气候是影响非对称保温塑料大棚的重要影响因子，即使地理纬度接近，结构设计参数也会差异很大。以山东济南与青海西宁地区为例，两个城市的地理纬度接近，但气候差异较大，当非对称保温塑料大棚跨度为17.0 m时，西宁地区非对称保温塑料大棚的脊高要达到6.7 m，而济南地区非对称保温塑料大棚的脊高仅为5.6 m，比西宁地区低1.1 m。这是由于西宁地区非对称保温塑料大棚的南屋面投影宽度需要达到13.0 m，而济南地区非对称保温塑料大棚的南屋面投影宽度仅需要11.0 m，比西宁地区短2.0 m。

需要指出的是室内定植作物不同，对温度需求不同，非对称保温塑料大棚结构设计参数也会发生改变，例如草莓等耐寒作物，可以忍受0℃以上、5℃以下的温度，因此北屋面揭帘时期可以提前一些。以西安地区为例，假设北屋面揭帘周期为大寒～小雪，则室内定植草莓的非对称保温塑料大棚脊高、南北屋面投影宽度如表4所示。

由表4可知，当南屋面投影宽度为11.1 m时，北屋面投影宽度为6.9 m，而在表3中，当南屋面投影宽度为11.0 m，北屋面投影宽度仅为6.0 m，短接近1.0 m。说明定植耐寒作物时可以适当增加北屋面的宽度。

表3 不同地区非对称保温塑料大棚脊高、南北屋面投影宽度

表4 非对称保温塑料大棚脊高、南北屋面投影宽度（大寒～小雪）

若为了更好的保证室内温度，假设以室外月平均最低气温接近0 ℃时才开始北屋面揭帘，仍然以西安地区为例，则北屋面揭帘周期为春分～秋分，则非对称保温塑料大棚脊高、南北屋面投影宽度如表5所示。

表5 非对称保温塑料大棚脊高、南北屋面投影宽度（春分～秋分）

由表5可知，当非对称保温塑料大棚跨度为17.0 m时，脊高为6.0 m，北屋面投影宽度为4.1 m，而在表3中，相同跨度的非对称保温塑料塑料大棚其脊高仅为5.1 m，北屋面投影宽度为6.0 m。脊高越高，意味着与后一栋塑料大棚之间的间距越大。由于表4与表5中非对称保温塑料大棚的跨度相同，这也意味着脊高更高的非对称塑料大棚，其土地利用率会更低。

除此之外，植物冠层高度、走道设置位置、作物定植时期等都会影响非对称保温塑料大棚结构参数的设计，尤其是近年来，葡萄、桃、杏、樱桃、无花果、中草药以及西甜瓜等逐渐在保温塑料大棚中栽培，目前以这些作物为研究对象的保温塑料大棚结构参数设计方法还较少，尤其是通风降温、跨度、高度等参数在设计过程中仍然以喜温蔬菜为研究对象，下一步需要进一步针对不同类型作物开展保温塑料大棚结构参数设计。

结论

本研究提出了一种确定非对称保温塑料大棚屋面投影宽度与脊高的方法。该方法根据不同日期太阳直射光线在室内地面上投影的变化，当室外最低温度小于-5℃时，保证室内北侧最后一排作物全天能接受太阳光直射为条件，得出不同纬度地区非对称保温塑料大棚北屋面的合理揭帘时期，并据此得出非对称保温塑料大棚南、北屋面投影宽度、脊高等参数，其中非对称保温塑料大棚的南屋面投影宽度占跨度的比例为0.62～0.77，北屋面投影宽度占跨度的比例为0.23～0.38，可为中国非对称保温塑料大棚的结构设计提供参考。