烟台市日光温室后屋面参数优化设计

2021-06-29袁行健吴兴国陈晓峰

湖北农业科学 2021年11期

袁行健，吴兴国，徐皓，陈晓峰

（中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670）

日光温室与其他温室类型相比，具有成本低、光能利用率高、保温性能好的特点，适合中高纬度地区越冬茬栽培，在中国北方地区得到了大面积的推广［1，2］。山东作为中国最大的农业生产地，设施所占比重较高，尤以日光温室和拱棚（或者大棚）栽培为主［3］。烟台市作为山东省重要的果蔬生产基地，每年设施生产的特色果蔬产品在全国占有重要地位。烟台市位于东经119°34′—121°57′，北纬36°16′—38°23′，属温带季风气候，四季变化和季风进退都比较明显。截至2018年，烟台市拥有冬暖式日光温室7万余个，设施蔬菜产值达到4.5亿元，占烟台蔬菜产业总产值的85%［4］，可见设施栽培已成为烟台市农业的主要栽培形式。通过对烟台市设施结构调研发现，烟台市日光温室后屋面的设计较为随意，而后屋面对于日光温室的性能有着很大的影响。

近几十年来，科研人员针对生产实际构建了许多不同后屋面构造和材质的日光温室，如无后屋面日光温室［5］、大棚型日光温室［6，7］、装配式日光温室［8］等，对其3个主要参数倾角、水平投影宽度和构造也有比较深入的研究。李霞等［9］对中国北方日光温室合理采光时段的屋面倾角进行了理论计算与分析。李家宁等［10］研究表明，不同屋面倾角对进光量有显著影响，随着屋面倾角的增大，透光量也随着增加。陈端生［11］建议后屋面投影宽度占温室跨度的17%～25%进行设计较为合理。魏晓明等［12］指出后屋面的投影宽度以种植区最后一排作物冠层可接受到夏至日正午太阳光为基准来确定。白义奎等［13］则认为后屋面的投影宽度以冬至日光温室采光面截获的太阳能与春分地平面截获的太阳能相等最适合生产栽培。2003年公布的国家标准中规定日光温室的后屋面投影宽度应为温室跨度的17%～25%［14］，王云冰等［15］分析了各种高效保温材料对日光温室后屋面的热工性能，发现挤塑板具有较好保温性和实用性，适宜日光温室使用。

为研究后屋面对日光温室室内的环境影响，采用单因素分析方法最为简单有效，但在实际生产建造中不切实际。绝大多数日光温室建造成本在75万～150万元∕hm2，采用实际建造法研究后屋面的3大参数对日光温室内的光环境变化影响成本太高，也很难实现，借助日光温室光环境模拟软件就可以很好地解决这一问题。日光温室光照环境影响因素众多，温室方位、屋面形状、地下参数等因素在实际生产中多为固定类型，可以只改变后屋面的倾角、水平投影宽度和构造，模拟研究不同参数对日光温室室内光照环境的影响。

1.1 目标温室的选取以及参数设定

模拟所采用的气象数据文件来源于《中国建筑热环境分析专用气象数据库》，包含270个气象台站的实测数据。

目标温室位于烟台市牟平区莒格庄镇新建村，地理位置为北纬37°32′、东经121°24′，海拔高度47 m。日光温室模型为东西走向，方位角为南偏西3.5°，长度为60 m，跨度9 m，温室的脊高为3.47 m，温室后墙高度为2.6 m，后屋面倾角为36°，后屋面水平投影宽度为1.2 m，后屋面主体构造由内到外依次为PVA薄膜、60 mm厚聚苯板、100 mm厚草苫、150 mm草泥。温室前屋面覆盖厚0.1 mm EVA薄膜，薄膜的外侧覆盖3 cm厚保温被，温室间距为6.5 m。温室密闭性良好，土地类型为壤土，无覆盖，室内植物繁茂程度一般，植物高度1 m，温室内植物与后墙面最少间距为1.2 m。温室通风按照冬季日光温室常规管理进行。

1.2 日光温室模拟软件准确性的验证

日光温室相关参数模拟与实测时间段为2019年12月5日上午6：00至2019年12月12日凌晨5：00，测定时间间隔为1 h，测定位置为通风口下方，距离地面高度2 m。

中国农业大学开发的日光温室热环境分析软件，运用工程热物理和温室环境工程等理论，可有效构建日光温室热环境的动态模型，该软件精确性和实用性也通过众多研究者在具体生产实际中得以确认，被广泛应用于日光温室热环境优化研究［16，17］。本研究采用有限差分等数值分析方法，对给定地理位置、室外气象条件下的建筑参数、建筑材料和构造方案进行室内热环境全天变化情况的模拟，对日光温室热环境性能进行预测和评价，以确定优化的设计方案［18］。目标温室实测温度与模拟理论气温曲线如图1所示。

图1 模拟和实际检测下冬季温室内气温

将得到的模拟结果与实测该温室内部温度光辐射能量结果进行对比，结果见表1。由表1可知，3个重要对比指标的相似度均达到95%以上，故该模拟软件准确可靠。

表1 对比指标及相似度

2 后屋面参数的选择

后屋面的参数主要有倾角、水平投影宽度、构造，通过实地调研以及查阅相关资料和文献获取其大概值，模拟得出最优方案。

2.1 倾角的选择

日光温室后屋面的倾角是指日光温室后屋面与水平面之间的夹角，其大小对日光温室的采光及保温性均有一定影响。日光温室后屋面的倾角应该略大于当地冬至正午的太阳高度角，在冬季生产时，使太阳直射光能照射到日光温室后屋面内侧（使得冬季可以获取更多的能量）；在夏季生产时，避免太阳直射光照到后屋面内侧（避免温室内过热）［18］。因此一般后屋面倾角取当地冬至正午太阳高度角再加5°～8°。烟台市位于北纬36°16′—38°23′，根据正午太阳高度角计算公式：h=90°-|φ-δ|，其中φ表示观测地地理纬度，δ表示太阳赤纬，推算出烟台市冬至正午太阳高度角。根据模拟结果以及生产实际，选取了36°、38°、40°3个角度作为最终结论的备选方案。

2.2 水平投影宽度的选择

日光温室后屋面的水平投影直接影响日光温室的保温性能及其内部的光照情况。当日光温室后屋面水平投影变长时，日光温室的保温性能提高，但太长的话，当太阳高度角较大时，就会出现温室后屋面遮光的现象，使得日光温室北部出现大面积阴影。而且日光温室后屋面水平投影太长，其前屋面的采光将减小，造成日光温室白天升温过慢。反之，日光温室后屋面水平投影太短，日光温室内部的保温性能降低，形成日光温室白天升温快晚上降温也快的情况，不利于作物生长［19］。

日光温室后屋面的水平投影随温室构造以及地理纬度的改变而改变，大致与日光温室的跨度和前屋面倾角呈正相关关系，与后墙高度呈现负相关关系［20］。传统的温室设计，后屋面水平投影一般取其跨度长的20%～30%［21］。根据上述理论，再通过查阅相关资料以及结合烟台市的实地调研结果，选取了1.2、1.3、1.4 m 3个长度作为最终结论的备选方案。

2.3 构造的选择

通过对烟台市日光温室构造的调查，发现大部分后屋面的建造材料大多就地取材，价格较为低廉，保温性差，寿命短，不符合现代农业的理念，通过温室模拟以及生产实际设计出两种构造，即从里向外应有防水层、承重层、保温层和防水层［22］，设计出两种构造A和B。

A：0.1 mm薄膜+100 mm聚苯板+200 mm混凝土砂浆；

B：0.1 mm薄膜+120 mm挤塑板+150 mm混凝土砂浆。

结合后屋面构造选用保温材料的总体要求是质地轻、保温性好、密封严、抗压以及耐用［23］，温室后屋面主要保温材料的热性能参数如表2所示。

表2 两种主要保温材料热工性能

3 模拟参数设定与模拟数据结果

结合前期3个参数及构造类型设定模拟数据，同时对夜间平均气温（当天18：00至次日6：00）和室内日平均气温进行统计，具体模拟结果见表3。由表3可知，温室9的光环境最好，后屋面参数为倾角38°，水平投影宽度1.3 m，构造为B。倾角38°和构造B参数组合的光环境要普遍优于其他组合，温度高出4%左右。实际模拟时，运用控制变量法，着重研究了设计方案1、7、9、10、11、13。为方便对比，将它们分别改为编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅴ、Ⅲ。修改后的后屋面主要参数及序号对照如表4所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ互为对照，变量为后屋面倾角；Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ互为对照，变量为后屋面水平投影宽度；Ⅳ、Ⅵ互为对照，变量为后屋面构造。

表3 后屋面主要参数及模拟数据对照

表4 修改后的后屋面主要参数

作物在生长发育时期，不仅要求一定的温度水平（温度的高低），而且还需要一定的热量总和。因此，除了温度高低，还选取了积温作为日光温室内性能评价指标。日光温室栽培时，室温长期低于5℃，作物生长停止，极易发生冻害［15］，夜间气温较低使得温室结露时间早，结露严重，温室容易发生病虫害，影响农作物产量。日光温室内高于5℃的模拟活动积温见图2。由图2可知，在特定时间段内，温室Ⅰ高于5℃的活动积温为1 987℃，温室Ⅱ高于5℃的活动积温为2 513℃，温室Ⅲ高于5℃的活动积温为2 260℃，温室Ⅱ比温室Ⅰ多26.47%，温室Ⅱ比温室Ⅲ高出11.19%。结果表明，后屋面最佳倾角应为38°；温室Ⅱ高于5℃的活动积温为2 513℃，温室Ⅳ高于5℃的活动积温为2 833℃，温室Ⅴ高于5℃的活动积温为2 360℃，温室Ⅳ比温室Ⅱ多12.73%，温室Ⅳ比温室Ⅴ高出20.04%。通过对比，可以看出温室Ⅳ的积温明显高于另外两种温室设计方案。根据模拟结果推断出温室后屋面的最佳水平投影长度为1.3 m；在模拟时间段内，温室Ⅳ高于5℃的活动积温为2 833℃，温室Ⅵ高于5℃的活动积温为2 500℃，温室采用构造B的活动积温要明显优于构造A。

图2 日光温室室内活动积温

为进一步保证方案的准确性，又把原日光温室与方案温室的其他光环境进行了对比。结果表明，当日光温室其他结构不变，后屋面倾角从36°增加到38°时，水平投影宽度从1.2 m变为1.3 m，构造变为0.1 mm薄膜+120 mm挤塑板+150 mm混凝土砂浆时，日光温室在指定时间段内，温室地面、墙面和后屋面的平均辐射通量密度分别增加了1.2%、6.3%和9.4%；单位温室长度的温室地面、墙面和后屋面的累计光辐射能量分别增加了1.3%、6.5%和30%；单位温室长度的累计光辐射总能量也有所增加。实际和模拟最优化的日光温室结构见图3。