東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院園藝設(shè)施工程學(xué) 第二章（3）課件

1、 第三節(jié) 日光溫室的設(shè)計(jì)一、日光溫室采光原理與采光設(shè)計(jì) 采光原理1. 太陽(yáng)輻射與光合有效輻射 太陽(yáng)輻射及其能量的量度 太陽(yáng)常數(shù) 單位面上接受的太陽(yáng)輻射能，是個(gè)定值。此值按1981年國(guó)際氣象組織墨西哥會(huì)議確定為1 367土7Wm2。我們稱此值為太陽(yáng)常數(shù) 輻照度 為投射到單位面積上的輻射能通量。如果面積單位為m2，能量單位采用W，那么地球大氣層外的太陽(yáng)光輻照度就是1 367Wm2。 太陽(yáng)光譜和輻射能分布 大氣層外界的1 367Wm2輻照度是波長(zhǎng)由萬(wàn)分之一米到幾十米廣闊波譜區(qū)內(nèi)能量的總和 太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)劃分及各波長(zhǎng)范圍的名稱 植物光合有效輻射 對(duì)可見(jiàn)光譜區(qū)在0.30.44m和0.670.68m兩區(qū)間

2、均呈現(xiàn)出吸收高峰值，而在0.55m附近呈現(xiàn)低谷。植物對(duì)0.762.5m的近紅外線幾乎不吸收，而對(duì)大于2.5m的遠(yuǎn)紅外波譜則強(qiáng)力吸收。對(duì)綠色植物光合作用發(fā)揮有效作用的光譜能量區(qū)在0.30.75m，這一區(qū)間的輻射稱為光合有效輻射。 可見(jiàn)光部分葉面的反射(R)、吸收(A)、和透射(T) 2. 溫室采光設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù) 日光溫室獨(dú)到的特點(diǎn):首先:其次:再者:另外: 太陽(yáng)時(shí)角t與真太陽(yáng)時(shí)T 我們稱太陽(yáng)光線在地平面上投影與當(dāng)?shù)卣姹本€所構(gòu)成的角度為太陽(yáng)時(shí)角t 。下表為冬至日（也適用所有日期）各真太陽(yáng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)角。 太陽(yáng)高度角h 對(duì)地平面，太陽(yáng)從東方露頭時(shí)h等于0 o，時(shí)角t=90 o。隨時(shí)角減小或真太陽(yáng)時(shí)增

3、大，太陽(yáng)高度角由0逐漸相應(yīng)增大，到正午12：00達(dá)到最大值(此時(shí)時(shí)角t=0)。下午時(shí)角由0 o開(kāi)始逐漸增大， h則相應(yīng)變小，直到太陽(yáng)落入地平線，h又恢復(fù)到0 o。對(duì)太陽(yáng)高度角，可用下式求算： sinh=sinsin+cos coscost h=arcsin(sinsin+coscoscost)式中：h一 太陽(yáng)高度角(度)； 太陽(yáng)傾角(度)； 當(dāng)?shù)鼐暥?度) t 太陽(yáng)時(shí)角(度)。Qin=AdEzoMptpc+E20(1-M)pc式中：Qin 進(jìn)入溫室的日光能總量(kWm2)或(kJm2)；Ad 垂直于 陽(yáng)光，可能進(jìn)入溫室那一部分直射輻射所照射的面積(m2) ；Ezo 到達(dá)溫室上方的總輻照度(kW

4、m2)或(KJm2)Ezo 總輻照度，Ezo=Ez+Es(Ez是直射輻照度，Es是散射輻照 度)(kWm2或kJm2)；M 直達(dá)輻射能占總輻射能的比率()，pt 由天文因素和采光屋面形狀共同決定的直射輻射透射率()；pc 由采光材料物理性質(zhì)和使用年限決定的透射率()； 由溫室形狀決定的散射光透射率()。 總輻射能計(jì)算式中各量和參數(shù)的計(jì)算 垂直于陽(yáng)光、可進(jìn)入溫室那部分輻照面積Ad 射入溫室直射輻射的輻照面積的寬度(OC = OB+BC) 輻照面積Ad： Ad = (OB+BC)L=(OAsinh)+Hsin(90-h)L 直射輻射能占同期總輻射能的比率M M = Ez /Ezo = Ez / （

5、Ez+Es ）求北京地區(qū)12月份的M值 ： M = 39.77/67.32 = 0.591 直射輻射進(jìn)入溫室的比率Pt 溫室采光單元和單元采光帶與入射角關(guān)系圖 1.平面采光 2.曲面采光 3.采光單元各采光單元的入射角都可用式計(jì)算：cosi=coshcosa+sinacoshcost (2-5) 式中： h 太陽(yáng)高度角(度)； a 采光單元的屋面角(度)；t 時(shí)角(度)；cos t 時(shí)角的余弦，由6:0018:00取正值，18:045:56取負(fù)值。 A、各采光單元入射角i的計(jì)算 例如已知某溫室采光屋面由六個(gè)采光單元組成，它們的屋面角依次為55.8、30.8、19.7、13.5、10.0和8.1

6、，于是便可按公式(2-5)求得12:00、11:00、10:00和9:00各真太陽(yáng)時(shí)各個(gè)采光單元上的入射角i值，表2-5內(nèi)第4-9欄就是該例中各真太陽(yáng)時(shí)各采光單元的平均入射角。 由采光材料物理性質(zhì)和使用時(shí)間等因素決定的入射率pc Pc=P0(1-構(gòu))（1-老）（1-塵） 對(duì)于新建的溫室，Pc=P0(1-構(gòu)),構(gòu)可取0.05。 積塵、露滴、水膜對(duì)透光的損失可在1530；建筑構(gòu)件的影響在510；采光材料磨損的影響主要發(fā)生在用草簾保溫的日光溫室，其損失率與使用時(shí)間成正比，損失率范圍可達(dá)到525 溫室形狀對(duì)散射輻照度影響系數(shù) 的數(shù)值在冬季可根據(jù)溫室形狀不同取0.40.7，夏季取0.60.8。 (二)

7、日光溫室的采光設(shè)計(jì) 1. 確定最佳方位角 2. 采光屋面角的確定 圖2-11 薄膜的透過(guò)率與入射角的關(guān)系 圖2-12 太陽(yáng)高度角和采光屋面角示意圖 亢樹(shù)華研究認(rèn)為，合理的溫室屋面角度 = 60冬至當(dāng)?shù)刂形缣?yáng)高度，60是指冬至日中午太陽(yáng)光在溫室采光面上的投射角。陳友研究認(rèn)為，節(jié)能日光溫室主要用于冬春季節(jié)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)采光面角度時(shí)，不應(yīng)以冬至太陽(yáng)高度角設(shè)計(jì)，而應(yīng)以當(dāng)?shù)卮蠛形缣?yáng)高度角為準(zhǔn)。 52 2408 = 2752 3. 溫室跨度的確定 圖2-30 溫室跨度與攔接互襯光能示意圖 1.跨度為4m 2.跨度為7m 圖2-31 跨度、最高采光點(diǎn)位置(K1、K2、K2)與攔截直射光關(guān)系 目前優(yōu)化的 構(gòu)

8、型：河北的 冀優(yōu)型和冀優(yōu)改進(jìn)型，日光溫室的跨度分別是6.0和8.0，相應(yīng)的最高采光點(diǎn)為3.0和3.6中溫帶地區(qū)：跨度8-9，黑龍江和內(nèi)蒙：6左右4. 采光屋面形狀的確定 理想的采光屋面形狀應(yīng)能同時(shí)滿足以下四方面要求：能截獲更多的直射輻射能；溫室內(nèi)部能包容較多的空氣；室內(nèi)空間有利于農(nóng)藝或園藝作業(yè)；能體現(xiàn)出較低的造價(jià)。 圖2-33 幾種采光面(曲線)上直射光平均入射角對(duì)比圖1*一面坡形 2*二折形 3*冪函曲線形 4*圓弧形OA、AB、BC、CD、DE、EH為冪函數(shù)曲線上的6個(gè)采光單元I、 溫室上空直射光的區(qū)分號(hào) H最高采光點(diǎn)1*：34.8； 2*（2段平均）：34.8； 3*（6個(gè)采光單元）：3

9、3.4；4*：31.35. 日光溫室后坡面的仰角 后屋面角度應(yīng)視溫室的使用季節(jié)而定，但至少應(yīng)該略大于當(dāng)?shù)囟琳绲奶?yáng)高度角，在冬季生產(chǎn)時(shí)，盡可能時(shí)太陽(yáng)直射光照到日光溫室后坡面；在夏季生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)該盡可能使太陽(yáng)直射光照到日光溫室的后墻，一般后屋面角取當(dāng)?shù)囟琳绲奶?yáng)高度角再加58。 6. 日光溫室的后坡水平投影長(zhǎng)度 計(jì)算公式：L1 = L2 cosa2 式中：L1 日光溫室后坡面水平投影長(zhǎng)度（m） L2 日光溫室后坡面長(zhǎng)（m）a2 日光溫室后坡面夾角（）二、日光溫室的保溫原理與保溫設(shè)計(jì) （一）日光溫室的保溫原理溫室的熱平衡 作物與環(huán)境溫度 溫室的熱量平衡 ：能量守恒定律 熱量平衡方程 Q =

10、QinQout 溫室熱量收支方式 收入：Qin=QR+Qg 支出：Qout=Qt+ Qv +Qs 貫流放熱Qt，縫隙放熱Qv ，土壤傳導(dǎo)熱損失Qs 貫流放熱Qt 首先是溫室內(nèi)熱量以對(duì)流和輻射方式將熱量傳到溫室圍護(hù)材料的內(nèi)表面；接著由內(nèi)表面以傳導(dǎo)方式將熱量傳輸?shù)絿o(hù)材料的外表面；然后外表面以對(duì)流和輻射方式將熱量散失到溫室外界。將這3個(gè)連續(xù)的熱量散失全過(guò)程稱為貫流放熱或綜合放熱（透過(guò)覆蓋材料和維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱量）。 圖2-34 日光溫室熱平衡示意圖 2. 熱平衡方程各項(xiàng)物理量的求算 貫流放熱量Qt Qt = AKt( tn-tw )(1-f) (2-8)式中：Q t 貫流放熱量(kJh)；A 圍護(hù)材料

11、的表面積(m2)；Kt 熱量貫流率(kJm2h)；tn 溫室內(nèi)部氣溫()；tw 溫室外部氣溫()；f 附加保溫材料的熱節(jié)省率 縫隙放熱量Qv 縫隙放熱量Qv可用下式求算： Qv= RVCp (tn - tw) (2-11)式中：R 每小時(shí)通風(fēng)換氣的體積占溫室總體積比率； V 日光溫室的體積(m3) Cp 空氣的比熱(kJkg)； 空氣的密度(kgm3)； tn 室內(nèi)空氣溫度()； tw 室外空氣溫度()。Qv =CpLl( tn - tw )n (2-12)式中：C p一 空氣的比熱(20時(shí)等于1.01kJkg)；L 每米長(zhǎng)門(mén)或窗縫，每小時(shí)滲入室內(nèi)的冷空氣量(m3mh) (表2-9)l 溫室縫

12、隙總長(zhǎng)度(m)；tn 室內(nèi)氣溫()tw 室外氣溫() n 朝向?qū)е碌男拚禂?shù) 土壤傳導(dǎo)熱損失Qs QsLZ(tn - tw)/ （2-13）式中：Qs 溫室內(nèi)土壤沿水平方向傳導(dǎo)的熱能(kJh)；L 圍繞溫室周邊地基的長(zhǎng)度(m)；Z 地基的深度(m)；tn 地基內(nèi)側(cè)土溫()，無(wú)地基時(shí)可用維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)0.5m處一定深度的土溫觀測(cè)值； tw 地基外側(cè)土溫()，無(wú)地基時(shí)可用維護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)0.5m一定深度處或防寒溝靠溫室一側(cè)一定深度處土溫； 基礎(chǔ)或被測(cè)溫度處土壤的厚度(m)； 導(dǎo)熱系數(shù) (kJmh)。 各種固體物質(zhì)的蓄熱量Qc 各種墻體的蓄熱Qcw Qcw = AwZw（t2 - t1） (2-14)式中

13、：Aw 墻表面積(m2)；Zw 墻厚度(m)； 墻蓄熱系數(shù)(kJm3h)； t1 墻體初始溫度()；t2 1小時(shí)以后溫度()。為了計(jì)算和對(duì)比方便，往往取統(tǒng)一的厚度(如24cm)，然后以該厚度墻體1m2面積的蓄熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2-12)作為計(jì)算的依據(jù)。在這種情況下，公式(2-14)便可以改寫(xiě)成： Qcw = Aw（t2 - t1） 土壤蓄熱量Qcs 在一天的不同時(shí)間里，溫室內(nèi)活性土壤向下不斷與其深層土壤交換熱量，向上不斷與空氣進(jìn)行熱量交換。在較粗放情況下土壤吸收或放出的熱量可以利用下式計(jì)算： Qcs = AsZsCs（ t2 - t1 ） (2-16)式中：Qcs 由土溫為t1時(shí)的初始時(shí)間到土

14、溫變?yōu)閠2時(shí)的終了時(shí)間內(nèi)的土壤蓄熱量或放熱量(kJh)；As 溫室內(nèi)土壤表面積(m2)；Zs 土壤深度(m)；Cs 土壤比熱(kJkg)； 土壤密度(kgm3)；t1 被測(cè)土層平均溫度的初始值()；t2 觀測(cè)時(shí)段終了時(shí)該土層的平均土溫()。當(dāng)t1 t2時(shí)，為放熱量（二）日光溫室的保溫設(shè)計(jì) 1.日光溫室墻體結(jié)構(gòu)與厚度 （1）墻體厚度 土墻厚50cm，外覆一層薄膜；土墻厚100cm；土墻厚150cm，其他條件相同。其結(jié)果表明：自1月上旬至2月上旬，比室內(nèi)最低氣溫高0.60.7，比室內(nèi)最低氣溫高0.10.2。室內(nèi)最高氣溫差分別為0.20.5和0.10.3。由此可看出，隨著墻體厚度的增加，保溫能力也增加，但厚度由50cm增至100cm，增溫明顯；由100cm增至150cm，增溫幅度不大. （2）墻體的組成 單質(zhì)墻體 復(fù)合墻體 2. 后屋面的結(jié)構(gòu)與厚度 : （1）結(jié)構(gòu)：隔水層、承重層和隔熱層 （2）厚度：30-40cm；60-70cm3. 前屋面覆蓋 一種是外覆蓋 : 減少熱耗60%另一種是內(nèi)覆蓋：減少熱耗20%4. 減少縫隙放熱5. 挖防寒溝或加設(shè)苯板減少土壤熱量外流 （三）日光溫室的建筑設(shè)計(jì)場(chǎng)地的選擇 溫室方位 L3 = （H + h1） tg (90h) b式中：L3 相臨兩溫室間隔距離H 日