中国节能型日光温室建筑与环境研究进展

综述了近几年来中国节能型日光温室的产生与演化发展概况,详述了该类温室在建筑结构、光热环境和气候适应性等方面的研究进展与取得的一系列成果,提出了今后进一步加强研究的方向。     

日光温室中直射光的计算机模拟方法——设施农业光环境模拟分析研究之三

在覆盖材料确定时,温室采光屋面的几何形状直接决定着温室的光环境,即温室内的采光量及其时空分布特征。本文的主要研究对象是我国目前较为普及的日光温室。首先,采用数学函数方法,生成各种不同曲率的采光屋面,由此构造出具有不同几何形状的日光温室。第二,根据已经建立起的温室采光理论,建立计算机模拟模型,对其内部的直射光环境进行模拟。通过对模拟结果进行评判对比,可筛选出优化的温室采光结构。因此本项研究可为温室结构优化设计和生产管理提供科学依据和分析工具。     

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。     

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...     

戈壁荒漠通用空心砌块墙体日光温室建造技术

从设计指标、结构特点、参数、建造材料等方面介绍了空心砌块墙体日光温室。总结了该型温室的墙体建造、前后屋面施工、通风窗安装、覆盖棚膜、保温材料覆盖及缓冲间、工作间、防寒沟、蓄水池等建造施工技术。     

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。     

日光温室优型结构的研究

对节能型日光温室墙体、后坡及采光面等各项主要结构进行了单项因子温光性能的测试与分析，提出了优型结构的各项参数指标。依据这些参数设计的优型结构温室在鞍山地区冬季严守季节室内外最低温度温差达到３０℃，在不加温的情况下冬季可生产喜温的果菜类蔬菜。     

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。     

日光温室后屋面投影宽度与墙体高度优化

关于日光温室合理的后屋面投影宽度、墙体高度一直存在争议。该文根据不同日期太阳直射光线在日光温室后墙上的投影高度变化,要求当室外最低温度低于0℃时,保证在中午前后4 h(10:00-14:00)内至少有一部分后墙能接受太阳光直射为条件,得出不同纬度地区日光温室墙体接受太阳光直射的合理时期,并据此得出日光温室后屋面投影宽度、墙体高度的计算方法。利用该方法对中国不同结构类型的日光温室后屋面投影宽度、墙体高度进行计算分析,结果显示后屋面投影宽度占跨度的比例为0.04~0.23,其中纬度位于34°~38°之间的西北地区日光温室后屋面投影宽度占跨度的比例最小,为0.04~0.11。该方法计算结果与典型日光温室结构参数吻合,具有可行性,可为中国日光温室的优化设计提供理论指导。     

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。     

南疆生产建设兵团日光温室建造中的主要技术问题调查分析

南疆具有较好的光热资源,是生产建设兵团(简称兵团)发展日光温室的主要区域和现代农业发展结构调整、方式转变实施的重点,但南疆日光温室大多由我国其他地区引进,温室的适宜性和针对性不强,存在的技术问题较多,尤其是建造技术方面,在当前快速发展的形势下,亟待研究、总结,以避免建设中出现新问题。通过选择南疆兵团4个师、40余个团场中50栋以上连片规模的日光温室项目进行调研,比较不同类型建造方式的环境调控效果和生产效果,对相关建造参数和技术措施进行针对性的研究测算。发现在总体造型设计、结构布置、构件设计、围护结构构造等方面,都存在一些突出的共性问题,诸如前屋面角偏小、骨架变形大等,造成了日光温室建设成本的浪费和功能缺陷。南疆兵团日光温室需要在建造技术研发推广、总体参数确定、后墙设计、骨架布置、后坡设置等方面加以改进,按照气候特征和作物需求,针对性的确定温室总体尺寸及结构形式;在新型日光温室引进方面要科学慎重;该文梳理出的问题在我国北方地区也很普遍,具有很好的典型性和代表性,完善南疆日光温室性能指标体系、揭示技术研究方向和重点,对新疆乃至中国北方部分地区日光温室的建造也有很强的指导意义。     

节能日光温室蓄热技术研究进展

节能日光温室起源于中国辽南地区,具有完全的自主知识产权,在中国设施园艺的发展过程中起到了重要的作用。节能日光温室的高效蓄热性能是其与普通日光温室的最主要的区别,节能日光温室的蓄热是通过结构、材料、设备的单一或协同应用来最大化利用太阳能为室内提供热能,有被动蓄热和主动蓄热2种形式。目前的形式主要包括主动采光蓄热、空气循环蓄热、水循环蓄热、相变材料蓄热、卵石蓄热、热泵蓄热、联合方式蓄热。该文综述了节能日光温室蓄热技术的相关研究成果,分析了主要技术问题及研究重点,从传统日光温室节能化改造、节能日光温室新结构发展、蓄热技术研究方法集成及市场化推广应用4个方面进行未来发展方向和研究内容的展望,为国内开展节能日光温室蓄热技术研究提供参考。     

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。     

日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析

针对目前国内日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,该文提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法;结合试验结果,提出了关于该结构墙体传热性能分析方法及其评价指标。分析结果表明：1）三重结构墙体有着较好的蓄放热性能,利用墙体内侧（温室侧）的相变蓄热材料,可以显著提高墙体太阳能利用率,在太阳日累计辐照量为9.32 MJ/m2下,比参照温室北墙体的有效蓄热量提高了26.6%;夜间,相变温室三重结构墙体的累积供热量比参照温室砌块砖墙体的提高了16.2%,并且该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量为80.0 MJ/m3,是三重结构墙体中砌块砖层有效蓄热量的10倍;2）透过前坡屋面照射在温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限,约占0.90 m厚三重结构墙体的33.3%,并且在温室墙体内部存在着温度稳定区,其厚度占0.90 m厚三重结构墙体的61.1%。试验结果表明仅通过增加温室墙体厚度以提高墙体的太阳能显热蓄热效率是非常有限的。该研究结果可为日光温室墙体的合理构筑、相变蓄热技术在日光温室的应用以及温室墙体的相变传热问题分析提供参考。     

日光温室用双集热管多曲面槽式空气集热器性能试验

为了提高日光温室太阳能利用率,该研究提出了一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器,并与该研究团队提出的日光温室太阳能主-被动"三重"结构相变蓄热通风墙体相结合构成太阳能主动集热蓄热系统,应用于乌鲁木齐日光温室。基于光学与传热学理论,重点考察了集热器结构(双集热管相对位置、长度)、集热器内空气流速、集热器进口温度、太阳辐射强度等参数,对该集热器光学性能和集热性能的影响规律。大量实验室试验及现场应用研究结果表明:1)新型双管集热器与同类型的单管集热器相比,空气流量增加了一倍、单位面积集热量增加了16%、集热效率提高了9%,冬季无跟踪条件下的集热效率为44%~52%;2)2015年11月-2016年2月乌鲁木齐日光温室应用实测结果表明,在集热器长度为16 m、管内空气流速为2.0 m/s的条件下,晴天集热系统可为日光温室提供约50~65 MJ的太阳热能,冬季累计可提供约5 325 MJ的太阳热能。研究结果为日光温室高效利用太阳能主动供热提供了新的技术方法参考。     

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%。     

日光温室地源热泵供暖碳足迹的生命周期分析

为分析日光温室地源热泵供暖的碳足迹,该文以日光温室地源热泵供暖系统中浅层地热能的存储、提取、制冷压缩提升和温室末端供暖整个过程为研究对象,对系统的温室气体排放和单位温室供暖面积的排放水平进行分析,构建基于生命周期分析LCA(life cycle assessment)的日光温室地源热泵供暖碳足迹分析方法。同时以北京地区日光温室地源热泵系统冬季供暖采集的试验数据为依据,分析和计算出北京地区日光温室在采用燃煤和燃气2种不同发电方式下地源热泵系统的供暖碳足迹和基于20 a和100 a温室地源热泵供暖碳足迹的全球变化潜能(global warming potential,GWP,单位为二氧化碳当量排放-CO2-eq.)的变化。研究表明,在北京地区采用燃煤和燃气驱动地源热泵系统的碳足迹GWP分别为257和72 g/(m2·d)。基于100 a的GWP总量比20 a的计算值分别减少了1.6%和5.4%。对比荷兰Venlo型温室天然气供暖,该研究中采用燃煤发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹是其1.39倍,而燃气发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹仅为Venlo型温室供暖的41%。采用燃气发电驱动的地源热泵供暖系统具有更低的碳足迹。     

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。     

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。