中国节能型日光温室的理论和实践

扼要介绍了中国节能型日光温室的基本结构、性能、应用和发展概况,重点介绍了该温室建筑结构参数的优化设计,如温室各建筑参数的几何尺寸,采光屋面的倾角和几何形状,墙体结构,后屋面结构及其仰角和投影,外保温覆盖材料和环境调控手段等。同时还介绍了中国节能型日光温室理论研究成果,如建立了日光温室光、热、空气湿度、土壤温度和力学数学模型,并指出这些成果是日光温室结构优化设计的基础。     

温室采光设计的理论分析方法——设施农业光环境模拟分析研究之一

本文提供一种温室采光设计的理论计算方法,可针对不同纬度、不同建设方位、不同透明覆盖材料、采光屋面具有不同骨架结构和几何形状的各类单栋温室,建立相应的模拟模型,模拟分析太阳直接辐射透进温室内的时空分布状况,为温室采光优化设计提供模拟分析手段和科学依据。     

考虑薄膜积灰的日光温室前屋面采光效率模型构建及应用

为确定自然环境下日光温室前屋面的采光效率,通过实测数据获得杨凌地区冬季长时间无雨状态下棚膜表面的灰尘积累分布情况以及不同太阳入射角及积灰程度下的棚膜透光率,构建了积灰分布模型及棚膜透光率衰减模型,在此基础上结合太阳入射角计算模型,采用MATLAB作为开发工具编写日光温室前屋面透光率的计算程序。通过输入温室地理坐标、日期时间、采光面曲线形状、朝向、棚膜材料种类,模拟出采光面上的透光率,并在杨凌地区对模型进行验证与应用。结果表明:同时考虑灰尘和太阳入射角的影响,建立的透光率模型与实测值的模拟精度较高,3个测点的模型计算值与实测值平均绝对误差分别为0.90%、2.13%和2.02%;以杨凌冬至日高采光效率为设计目标,将距温室前屋面底端0.8 m处的点作为控制点,确定2种曲线形状的温室,其前屋面控制点高度分别为0.6和0.8 m;朝向为南偏西5°时,在冬至日正午前后2h内,采光面的太阳入射角处于合理采光角范围内,采光效率较高;在弱光低温的冬季,为保障温室内较高的光照强度,建议选用的前屋面覆盖材料为白色PO膜。该研究可为日光温室棚膜表面采光效率的计算及采光面结构的设计优化提供依据。     

倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验

为了实现了日光温室对太阳能的高效利用,该文提出了一种适用于高性能采光的倾转屋面日光温室。该文对倾转屋面日光温室的室内光照进行理论分析,试验测试了该日光温室的室内光照与蓄热性能,并与传统8和9 m跨的固定采光面温室分别进行了对比分析。试验结构表明,与普通固定采光面日光温室相比,倾转屋面日光温室的采光性能和温度指标有了明显提高。在晴天和多云采光天气条件下,倾转屋面日光温室室内的辐照度较普通8和9 m跨固定采光面日光温室均有较大幅度的增加,整体采光率分别提高41.75%和25.05%,对应的室内的辐照度增加平均值为69.54和38.99 W/m2。倾转屋面日光温室室内的温度有较大幅度的提高,表现为整体温度水平提高,倾转屋面日光温室较普通8m跨固定采光面日光温室,保温时段平均温度整体提高了3.1℃。该研究结果为温室建筑结构的改良和结构优化设计提供了参考。     

北京地区典型日光温室直射光环境的模拟与分析——设施农业光环境模拟分析研究之四

在对日光温室采光结构优化研究的基础上,针对北京地区几种典型日光温室的太阳直射光环境,主要从采光量及光分布特征两个方面,进行了模拟和分析。研究结果表明:结构不同的日光温室,采光量及光分布特征均有不同程度的差异,仅以采光总量为例,获得最多采光量与最少采光量者相差高达41.4％,但在地面上的采光量,二者仅相差3.7％,因此对优化的日光温室结构来说,不仅要对日光温室的采光总量做出评价,其分布特征也是不可忽略的重要指标。本研究的结果可对北京地区日光温室结构的进一步优化与改进提供科学依据和参考,对其它地区日光温室结构的优化与改进也有一定的参考价值。     

日光温室前屋面优化及结构分析

当温室的其他结构参数相同时,调整前屋面的形状,便可获得不同量的太阳辐射。对于日光温室这种主要依赖太阳辐射的温室,确定出最佳的温室前屋面形状以获得更多的太阳辐射显得尤为重要。确定温室最佳前屋面形状,即需确定出温室横剖面前屋面不同点的位置,也即不同地面点...     

高纬度地区多功能日光温室设计

高纬度地区的传统日光温室常由于结构设计不合理,冬季生产需要补温,果蔬种植和加工环节分离,运输中容易发生冻害,制约该地区温室的冬季生产。该文基于传统日光温室优点及存在问题,结合高寒地区气候特点,从温室结构优化和功能创新2方面提出新型日光温室设计方案。利用经典温室设计理论,结合生产实际,对采光角度、前屋面弧度、保温性能等进行优化,并对雪荷载、风荷载、屋面活荷载、作物吊挂荷载进行计算,利用结构分析软件midas计算温室结构的受力稳定性,对温室各参数设计的合理性进行验证。优化结果为:总跨度16 m,一层种植部分跨度9 m,生产加工部分跨度7 m,总高度6.5 m,前屋面主采光角37°,土地利用率达到1.7。该设计实现了高纬度地区温室冬季不加温种植果蔬,利用传统温室后墙的遮阴部分,创造地上、地下3层使用空间,显著提高了土地利用率,实现种植、加工、存储多种功能集成,是高纬度地区日光温室的一种创新尝试,可以作为棚室种植园区的核心节点温室。     

彩钢板保温装配式节能日光温室的温光性能

针对传统日光温室防雨、防雪、防风、防火能力差,以及室内光温环境分布不均匀等问题,研制开发彩钢板保温装配式节能日光温室,该温室骨架为半圆弧形钢结构,采用岩棉彩钢板滑动保温覆盖形式和可移动保温山墙方法,温室跨度12 m、脊高5.5 m、长度65 m,屋面采光角高达41.5°。该日光温室采用水循环系统和空气-地中热交换系统代替土墙和砖墙等蓄热体,解决了装配式日光温室的蓄放热问题,实现了日光温室部件的工厂化生产和安装的标准化装配。与对照（辽沈Ⅲ型土墙日光温室）比较,彩钢板保温装配式节能日光温室脊高前移、位于温室中部,温室后部遮光减少,土地利用率提高20%以上,屋面采光角增加16.3°,采光率提高5.3%,晚间室外大气温度在-25.8℃时,室内气温在13℃以上,室内外温差达到39.1℃,比对照温室提高2.3～3.5℃。彩钢板保温装配式节能日光温室栽培空间大,采光好,升温快,室内横向和纵向光照和温度分布均匀,植株生长整齐,有效解决了传统日光温室抵御雨、雪、风、火自然灾害能力差的问题。该温室集成了大型连体温室温光分布均匀和传统日光温室蓄热保温好的优点,提高了太阳能的利用效率,温室总体温光性能超过对照温室,且滑动覆盖易于实现日光温室保温覆盖件的精准控制,为中国日光温室的自动化控制和现代化提供新途径。     

武威市优化型二代日光温室建造技术规程解读

根据武威市气候特点,针对日光温室建造存在的诸多实际问题,对日光温室建造技术不断进行改进和优化。在查阅大量资料、实地调查、走访群众的基础上,吸收省内外日光温室建设方面的研究成果,对拱圆式二代普通型日光温室在环境条件、前后2座日光温室的间距、日光温室跨度高度、墙体厚度、采光屋面角和后屋面角等方面进行了改进,并增设了滴灌和机械卷帘设施,制定了"武威市优化型二代日光温室建造技术规范"标准。     

不同结构日光温室光环境及补光研究

光照状况是影响日光温室生产力的重要因素。在建筑材料相同的情况下，结构(几何形状)对温室内光照起决定性作用。为具体分析不同结构温室内光环境，分别对单斜面、抛物面、圆-抛物面三种结构类型日光温室内不同位点的光照进行了测定、比较和分析，结果表明：圆-抛物面温室虽然提高了透光率，南北方向上光照度也较其他两温室均匀，但室内光照度仍远低于室外，且南北方向上光照度仍有明显差异。在温室后墙上张挂反光膜以补充温室内后墙附近光照度，可以缩小温室内南北方向上光照度的差异，有效地改善温室内整体光环境，提高作物产量。     

基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法

为了从日光温室施工图纸中重建出温室结构三维模型,提出基于语义映射的施工图纸三维重建方法。首先解析和分类日光温室施工图纸DXF文件,从中识别和理解主要特征构件,建立日光温室构件语义模型并生成分层控制参数,进而基于参数化驱动日光温室三维建模,最后对日光温室三维模型进行真实感渲染。该方法整合CAD制图与三维建模技术,有利于提高日光温室施工图纸的读图效率,建立的三维温室模型具有保真性、交互性和真实感等特性,可用于工程量和造价计算、温室结构优化以及虚拟展示。     

日光温室主动采光机理与透光率优化试验

中国的日光温室实现了高效的太阳能利用,温室采光面的采光设计是其结构设计中的一个极其重要的方面。但是,在实践的设计中,对于自然光入射角小于40°的光照透过率未进行深入的理论研究,使得温室采光的设计长期停滞于经验设计为主的状态。该文采用光学理论计算和试验研究的方法,详细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。从经典光学理论出发,推导了温室采光设计的计算系统计算方法,并结合理论要求并进行试验研究。通过理论推导和试验得到,对于可以主动改变采光角度的主动采光温室条件下,在太阳光入射角达到20°,30°和40°时,太阳光的强度透过率,分别达到了85.68%,76.47%,64.72%。特别是当入射角大于40°时,直射光强度透射率下降更加明显,在入射角为50°和60°时,直射光强度透射率分别为53.38%和39.67%。理论分析和试验研究表明,将温室采光面的倾角从25°提高到35°,理论计算与试验结果均表明通过小幅改变温室采光面的角度即可达到大幅提高温室强度透过率,当温室采用了可以改变采光角度的主动采光屋面后,温室内的光照强度透过率可以提高20.7%~22.8%。     

日光温室太阳辐射模型构建及应用

太阳辐射是影响日光温室光、热环境的重要参数,准确获得温室内部墙体与地面的太阳辐射照度变化规律可对温室设计建造、温室内环境调控与作物生产起到重要的指导意义。该文在总结已有日光温室太阳辐射模型的基础上,通过气象数据,地球、太阳的运动规律以及太阳光线与日光温室前屋面入射角的关系,建立了较为完善的日光温室太阳辐射模型,并利用该模型对温室内部辐射规律进行分析。采用典型晴天数据对模型进行检验,结果显示计算值与实测值平均偏差最大为63.46 W/m~2,平均绝对误差最大为63.48 W/m~2,均方根误差最大为79.18 W/m~2,决定系数在0.95～0.99范围内。利用该模型分析温室内部辐射规律发现,相比不同位置屋面角度的影响而言,透光率受时间即太阳方位与太阳高度角的影响更大。温室墙体表面与地面太阳辐射照度随季节不断变化,春秋分是一年中墙体与地面接受太阳辐射时间最长的节气,该日墙体表面与地面太阳辐射照度大致相当。春分到秋分期间,地面辐射照度高于墙体表面;从秋分到春分期间,墙体表面太阳辐射照度大于地面。不同区域温室内太阳辐射日积累量主要受纬度影响,低纬度地区较高纬度地区而言,冬季太阳辐射日积累量大,夏季太阳辐射日积累量小。研究结果可为日光温室内墙体蓄热、屋面优化、作物种植、围护结构能量平衡等研究提供理论参考与相关数据。     

日光温室保温被卷放位置对温度环境的影响

温室保温被卷放位置影响着室内的太阳能得热及通过前屋面的散热,从而影响着温室温度。该研究以室外气象因子为模拟输入条件,分别模拟晴天、阴天不同保温被卷放位置对12 m跨度日光温室温度环境的影响。保温被卷放位置分别为保温被卷至前屋面一半与至顶2种方案。模拟结果显示：白天保温被卷至前屋面一半的室内空气温度高于保温被卷至屋顶的温度,而夜间2种方案室内空气温度差异不明显;晴天保温被卷至屋顶与卷至前屋面一半相比,可明显提高夜间墙体表面温度,但对后坡的夜间表面温度影响较小。该研究结果对温室生产中晴天、阴天保温被卷的合理放     

日光温室内太阳辐射估算模型的构建

日光温室内不同位置的太阳辐射量是作物光合和蒸腾模拟模型的重要参数,也是研究温室内墙体能量收支平衡方程的重要因子。该文研究了温室围护结构对太阳辐射的遮蔽,建立了可蔽视角的计算公式,在此基础上估算了晴天温室内任一位置的太阳直接辐射、散射辐射和太阳总辐射,并以辽沈Ⅱ型日光温室为例,将模拟结果与实测结果进行了比较,对造成模拟误差的可能原因进行了分析。研究结果表明:日光温室内模拟的散射辐射和总辐射的日变化与实测值趋势较为一致,模拟值要略高于实测值,平均偏高6.4%和8.8%,误差的可能来源有大气透明系数、棚膜透光率的估算误差、承重骨架的遮蔽及人为观测的误差。研究结果可为日光温室内不同位置作物光合蒸腾模拟、群体光分布模拟、围护结构能量平衡等模拟模型提供参考。     

日光温室微气候的模拟与实验研究

运用热力学、传热学和建筑采光的基本理论,建立了日光温室微气候数学模型,编制了计算程序。该程序可以用于模拟分析日光温室室内环境参数的动态过程和分布规律,以及不同太阳辐射,不同围护结构和不同保温覆盖对其参数的影响。为日光温室的广泛应用提供理论依据。     

日光温室前屋面采光性能的优化

应用网格优化理论,以透光量为目标函数,对日光温室前屋面的几何特性进行了优化分析,并通过实例分析,证明了该优化方法的可靠性。     

温室采光辅助设计软件(GRLT)的研制——设施农业光环境模拟分析研究之二

本文应用计算机模拟技术,研制了适合我国不同温室光环境分析的辅助设计软件GRLT。该软件可用于分析太阳直接辐射在温室内的时空分布,并能确定出最佳采光的温室结构。GRLT软件可在MS—DOS3.30以上操作系统支持下,在386、286和IBM—PC/XT及其兼容机上运行,用户界面友好,操作方便。它是温室采光优化设计的一种辅助工具。     

利用CFD模型研究日光温室内的空气流动

在温室内空气流动对室内环境具有重要调节作用,因此有必要研究日光温室内空气流动特性。基于计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,运用大型计算流体动力学软件Fluent对日光温室建立模型,采用标准湍流模型对日光温室内气流分布进行了三维稳态求解。模拟时将日光温室内外空气作为研究对象,并且温室内空间连同其周围的一部分室外空间一起作为CFD模拟的计算领域。对日光温室内气流变化及分布进行了数值模拟,并在温室内进行了气流试验测试,对测量值和计算所得的风速值进行了比较,结果表明,二者最大误差小于9%,说明风速的实测值和模拟值吻合良好,CFD模型有效,且得到了日光温室内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,直观显示了日光温内的流场特性和流动状态,气流从窗户进入沿着底部通风口流出日光温室,并且气流在底部通风口速度分布较均匀,在温室下部形成了较为明显的涡流。该文模拟结果可为东北地区日光温室的优化设计以及温室环境调节等方面提供理论依据。     

日光温室前屋面支撑位置对实腹式骨架安全性的影响

为掌握日光温室前屋面支撑点设置位置对骨架结构安全性的影响规律,获得最佳支撑点位置设置区域,该研究以北京地区为例,选取8、9、10 m三种常见跨度的日光温室为研究对象,依据相关设计规范提出了3种跨度日光温室的建筑剖面并确定了荷载作用形式。假定在日光温室前屋面骨架设置一个支撑点,并且支撑点位置可以沿着前屋面骨架以每隔一段相对固定的距离(约为50 cm)进行变化,运用MIDAS-Gen软件分别计算对应的49种支撑工况、255种荷载组合下温室前屋面骨架的宽厚比、挠度和应力比系数等强度及稳定性指标。计算发现,在不同支撑工况和荷载组合下,分别选取70mm×50mm×2.0 mm、80 mm×60 mm×2.0 mm、90 mm×60 mm×2.0 mm作为8、9、10 m跨日光温室的实腹式主拱架截面,对应的拱杆宽厚比为33、38、43,挠度值最大为15.13、14.69、18.5mm,均满足规范要求。温室前屋面支撑点位置变化对骨架安全性产生显著的影响,挠度变形、应力比系数随支撑点位置的变化规律均呈现出"孤峰型"曲线特征,且3种跨度温室的曲线规律基本一致,在峰值附近是最佳的支撑设置区域,其中8、9、10 m跨日光温室相对于前屋面投影的最佳相对支撑位置分别为51%、72%和71%,在此位置区域内增加支撑可降低日光温室拱杆应力,减小挠度值。研究结果可为指导日光温室应急防灾、实腹式骨架系统研发等提供参考。