玻璃连栋温室光照与热性能提升方法研究——以北京地区为例＊

付浩祺，陈超，焦勇翔，李恭丞（北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京 100124）

荷兰式的全玻璃连栋温室，以其屋面和墙体都为玻璃为建筑特点。与中国日光温室比较，由于其装配式建筑结构形式，可实现规模化建造、机械化生产、人工环境控制、工厂化生产。但由于玻璃热阻小，北方地区越冬生产，需要消耗大量化石能源作为供暖热源，以满足蔬菜正常生长必要的热环境需要；炎热夏季，受玻璃建筑温室效应等因素的影响，同样需要消耗大量化石能源作为冷却降温冷源，以满足生产需要。对化石能源的高度依赖、以及高昂的能源费用代价，是影响荷兰式全玻璃连栋温室在国内大面积推广应用的关键影响因素之一。

吴毅明[1]研究中提供了一种温室采光设计的理论计算方法，为进光量计算提供了一种指导思想。张勇[2]等采用光学理论计算和试验研究的方法，分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率，以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系；蔵田宪次[3]应用数学模型分析了温室方位、连栋数、季节及地理纬度对太阳直射光透过率的影响。吴毅明[1]等模拟中分析了不同结构的日光温室采光量之间的差别，模拟结果显示获得最多采光量和最少采光量者相差高达41.4%，该研究也说明了结构不同的温室的太阳得热量也不一致。Chao Chen[4]等以日光温室可截获最大太阳辐射量为依据，通过理论分析和极值原理提出了中国各纬度地区的温室最佳朝向以及相关简化公式。牛晓科以拉萨市某温室为例,提出一种新的热平衡分析方法,通过建立数学模型计算温室热量得失,对比分析得出温室供热期间太阳辐射的热量是其最小耗热量的2～3 倍，并结合经济效益分析，确定了土壤蓄热与电加热结合的供热方式。张亚红等[5]通过确定中国连栋温室室外设计温度，计算分析了室外设计温度在全国的分布状况，进而计算连栋温室最大热负荷。但是，上述研究并未根据玻璃连栋温室特有的结构特性以及其光照性能与光热性能相互削弱和抑制的特点，对其光照性能的提升以及光热性的增强提出具体的方案。

本研究拟从如何有效提高玻璃连栋温室光照与热性能、提升太阳能光热利用效率角度，以北京地区玻璃连栋温室的光热性能为研究对象，结合建筑物理和Energy Plus 能耗模拟软件等理论与方法，研究玻璃连栋温室光热性能评价指标构建方法。分析屋面走向对温室光照性能的影响规律。在确保温室光照性能前提下，温室玻璃透明墙体与非透明保温墙体之比，对温室热性能的影响规律，以及体形系数对温室光热性能以及建造规模的影响规律。以期为玻璃连栋温室光照与热性能提升、对化石能源依赖的降低，提供低碳设计理念与方法参考。

玻璃连栋温室光照与热性能影响因素分析

对于玻璃连栋温室（图1），影响其光照与热性能的关键因素主要有两个，一是确保温室白天尽可能多地截获太阳辐射，二是夜间尽可能减少围护结构向外界的热损失。根据太阳全年运动轨迹，冬至日至大寒日前后，太阳高度角相对比较低、而太阳辐射强度相对比较弱，如何通过温室建筑的优化设计，确保温室在此期间白天具有更强的太阳辐射截获能力，对提高温室光照与热性能，都是非常关键而重要的。另外，由于玻璃连栋温室自身建筑结构特点与建筑热工性能特点，其围护结构均为导热系数很大的玻璃，如何在确保温室光照性能前提下，尽可能减少冬季夜间通过温室玻璃屋面及玻璃外墙向外界流失的热量，减少温室为平衡夜间向外界流失热量而消耗大量化石能源，是玻璃连栋温室可在国内北方地区大面积推广、实现低碳高效现代农业生产的关键。

图1 玻璃连栋温室实景图

温室热性能评价指标构建

温室屋面走向与太阳能截获能力

所谓温室太阳能截获能力，是指温室透明围护结构对太阳能的透过能力，对于玻璃连栋温室，其屋面太阳能截获能力受倾角、走向的影响。屋面的进光量与太阳的运动密切相关（图2），因此了解屋面太阳能截获能力与太阳运动规律的关联关系很有必要。

图2 太阳运动轨迹示意图

自然条件下，屋面截获的太阳辐射与太阳的高度角h、方位角α 以及屋面的倾角θ、方位角γ 和屋面的太阳方位角ε 有关。这些角度在几何空间上的关系如图3 所示。当确定了上述参数以及玻璃的折射率后，就可算出每个时刻下的入射百分比rA。具体计算方法参见文献[6]。最后根据每个时刻的太阳辐射强度Iλ，就可计算出每天每一时刻温室屋面进光量Iλ'。

图3 壁面与太阳之间关联角度的几何示意图

温室透明/非透明墙体面积之比与太阳能截获能力

根据太阳运动轨迹变化规律，对于北回归线以北地区，通过北向玻璃墙体进入温室的太阳直射辐射量非常有限，特别是供暖能耗需求大的冬季。因此，可以考虑在不影响温室太阳直射辐射截获能力的前提下，可考虑用保温性能好的非透明墙体替代这部分玻璃墙体，以提高温室的热性能。

温室建筑围护结构热阻R

建筑围护结构的热阻越大，对提高温室保温性能、减少向外界流失的热量、维持温室作物正常生长所需热环境的能耗越少有利。建筑围护结构热阻R 可根据式（2）计算。

式中，λn为围护结构各层的导热系数，W/(m·K)；δn为围护结构各层的厚度，m。

温室建筑体形系数S

所谓建筑体形系数，是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值，如式（3）。玻璃连栋温室属于单层建筑，显然，其体形系数较大，说明温室的体量和规模相对比较小，其单位建筑面积对应的外表面积相对比较大，则向外界流失的热量也越大，对节能不利；反之，体形系数相对比较小的温室，是有利于节能的。

式中，F为建筑物与室外大气接触的外表面积，m2；V为建筑物所包围的体积的比值，m3。

工程案例应用

本案例拟从如何有效提高玻璃连栋温室光照与热性能、提升太阳能光热利用效率角度，以北京地区典型连栋玻璃温室建筑的光热性能为研究对象，结合建筑物理和Energy Plus 能耗模拟软件（软件版本：V8.1）等理论与方法，通过理论计算，分析屋面走向以及建筑朝向对温室光照性能的影响规律；在确保温室光照性能前提下，借助Energy Plus 能耗模拟软件，探究温室玻璃透明墙体与非透明保温墙体之比对温室热性能的影响规律，以及体形系数对温室光热性能以及建造规模的影响规律。

计算对象概况

计算温室位于北京郊区（40°N，116°E），物理模型以及相关尺寸如图4 和表1 所示，三个尖顶为一跨，四周围护结构及屋面全部为5 mm厚浮法玻璃，导热系数为1.09 W/(m·K)。

图4 玻璃连栋温室物理模型

表1 玻璃连栋温室外形尺寸

室外气象参数计算条件：北京地区属于寒冷气候带区，本研究采用Energy Plus 能耗模拟软件自带的中国北京地区典型气象年室外逐时气象参数，供暖期平均温度为-0.6℃，室外最低温度出现在1 月12 日，为-13.7℃；日平均太阳辐射总量为11.2 MJ/（m²· 天），冬至日前后，12 月22 日太阳辐射强度最弱（图5）。

图5 北京地区室外气象参数

计算工况：Case1 考察温室屋面走向分别为南北或东西走向时，对温室累积进光量的影响规律；Case2 考察温室建筑朝向随着南偏西角度的变化，对温室累积进光量的影响；Case3 考察透明与非透明墙体之比变化对温室累积进光量的影响；Case4 考察非透明墙体热阻变化，对温室供暖热负荷的影响；Case5 考察温室建造规模（面积）变化对温室供暖热负荷的影响。

计算结果及分析

温室屋面走向与太阳能截获能力

越冬生产蔬菜，11 月1 日～翌年2 月28 日是喜温果菜光热环境营造的关键期，为此，本研究对此时段进行重点分析。图6 反映了屋面走向为南北走向，温室屋面累积进光量（根据第2 节（1）所述的方法及公式[6]进行计算）较东西走向的高出35.8%。这是因为，根据太阳运动轨迹，上午东向屋面的太阳能截获能力比较强，下午西向屋面的太阳能截获能力比较强，这样全天总的太阳能截获量大于屋面为东西走向的。因此，北回归线以北的北方地区，温室屋面宜按南北走向布置。

图6 屋面走向与温室累积进光量

图7 反映了温室屋面主走向为南北走向时建筑朝向南偏西角度变化对屋面累积进光量影响。当南偏西5°时，累积进光量达到最大。这是因为，下午时段的大气透明度系数比上午时段要大[6]，相应的太阳辐射强度也较上午时段要高。因此，北京地区温室建筑朝向可按南偏西5°±1°设计。

图7 温室屋面主走向为南北走向时建筑朝向南偏西角度变化对屋面累积进光量影响

温室透明/非透明墙体面积之比与太阳能截获能力

根据太阳运动轨迹变化规律，北京地区，透过北侧玻璃墙体进入温室的太阳直射辐射量非常有限，因此建议将北侧墙体全部采用保温性能好的非透明墙体。根据图8 分析结果，北京地区，东、西侧墙体距地面1 m 高度部分可考虑采用保温性能好的非透明墙体替代（图9），既对温室累积进光量的影响非常有限，同时还对提高温室热性能具有积极作用。

图8 东、西侧透明/非透明墙体面积之比对温室累积进光量影响

图9 各朝向温室墙体采用透明与非透明墙体示意图

温室非透明墙体保温性能与建筑供暖热负荷

图10 反映了非透明墙体热阻变化对温室供暖热负荷（使用Energy Plus 能耗模拟软件进行计算）的影响规律。随着非透明墙体热阻的增大，热负荷呈下降的态势。热阻大于2 (m2·K)/W 时，供暖负荷变化率小于1%。综合考虑技术经济性，北京地区，温室非透明墙体热阻可按2 (m2·K)/W取值。

图10 不同热阻非透明墙体下的热负荷

Energy Plus 能耗模拟软件分析结果表明，北京地区，当屋面主走向为南北走向且南偏西5°，温室北侧墙体全部、东西两侧墙体距地面1 m 高度部分采用热阻为2 (m2·K)/W，根据式（2）的保温材料时，冬季温室供暖热负荷较墙体全部为透明玻璃的下降了14%，节能减碳效果显著。

温室建筑规模（面积）及体形系数与建筑供暖热负荷

图11 反映了温室建筑规模（面积）与对应体形系数、供暖热负荷的关系。随着温室建筑规模（面积）的增大，其体形系数（根据式（3）进行计算）和所需供暖热负荷均呈下降趋势。当建筑面积大于10000 m2时，体形系数和所需供暖热负荷的下降速率明显趋缓。因此，建造条件允许时，北京地区温室建筑规模宜在10000 m2以上，有利于冬季供暖能耗降低。

图11 不同建筑面积玻璃温室的体形系数与热负荷

结论

本文以北京地区玻璃连栋温室的光热性能为研究对象，通过分析屋面走向对温室光照性能的影响规律、在确保温室光照性能前提下，温室玻璃透明墙体与非透明保温墙体之比对温室热性能的影响规律以及体形系数对温室光热性能以及建造规模的影响规律，探究其光热性能提升方法，得出如下4 个结论。

（1）较传统的屋面为东西走向的玻璃连栋温室，屋面主走向为南北走向，筑朝向为南偏西5°的太阳能截获能力高出35.8%。

（2）北侧墙体全部采用保温性能好的非透明墙体，东、西侧墙体距地面1 m 高度部分采用保温性能好的非透明墙体替代，既对温室累积进光量的影响非常有限，同时还对提高温室热性能具有积极作用。

（3）在北京地区，非透明保温墙体热阻建议取值为2 (m2·K)/W，冬季温室供暖热负荷可减少14%。

（4）建造条件允许时，北京地区温室建造规模在10000 m2以上，有利于冬季供暖能耗降低。