东北农业大学园艺园林学院园艺设施工程学课件第二章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,东北农业大学园艺园林学院园艺设施工程学课件第二章,第三节 日光温室的设计,一、日光温室采光原理与采光设计, 采光原理,1. 太阳辐射与光合有效辐射, 太阳辐射及其能量的量度,1981,年国际气象组织墨西哥会议确定为,1 367,土,7W,m,2,。我们称此值为太阳常数,辐照度,m,2,W,，那么地球大气层外的太阳光辐照度就是,1 367W,m,2,。,太阳光谱和辐射能分布,大气层外界的,1 367W,m,2,辐照度是波长由万分之一米到几十米广阔波谱区内能量的总和,太阳辐射的波长划分及各波长范围的名称,植物光合有效辐射,对可见光谱区在,0.3,0.44,m,和,0.67,0.68,m,两区间均呈现出吸收高峰值，而在,0.55,m,附近呈现低谷。植物对,0.76,2.5,m,的近红外线几乎不吸收，而对大于,2.5,m,的远红外波谱则强力吸收。对绿色植物光合作用发挥有效作用的光谱能量区在,0.3,0.75,m，,这一区间的辐射称为光合有效辐射。,可见光部分叶面的反射,(R),、吸收,(A),、和透射,(T),2.,温室采光设计所需的数据,日光温室独到的特点:,首先:,其次:,再者:,另外:, 太阳倾角(即太阳赤纬),可利用下式做粗略计算：,= 23.45sin 360（284+n)/365,式中： 太阳倾角(度)；,n 一年中的第几天。,以纬度为40 N的北京地区为例，若n = 一年里的第352天，代入式中则有：,=23.45 sin 360 (284 +352)/365,=23.45sin0.9863(284+352),=23.45sin(627.29),=23.45(-0.9988),=-23.4,太阳时角,t,与真太阳时,T,我们称太阳光线在地平面上投影与当地真北线所构成的角度为太阳时角,t,。,下表为冬至日（也适用所有日期）各真太阳时所对应的时角。, 太阳高度角,h,对地平面，太阳从东方露头时,h,等于0,o,，时角t=90,o,。随时角减小或真太阳时增大，太阳高度角由0,逐渐相应增大，到正午12：00达到最大值(此时时角,t,=0)。下午时角由0,o,开始逐渐增大，,h,则相应变小，直到太阳落入地平线，,h,又恢复到0,o,。对太阳高度角，可用下式求算：,sin,h,=sin,sin,+cos,cos,cos,t,h,=arcsin(sin,sin,+cos,cos,cos,t,),式中：,h,一 太阳高度角(度)；, 太阳倾角(度)；, 当地纬度(度),t, 太阳时角(度)。,例如：已知北京地区纬度40,o,，冬至日的23.40,o,真太阳时上午9:00的太阳时角t=45,o,，代人公式则有：,sin,h,= sin(-23.4)sin40+cos(-23.4)cos40cos45,=-0.3971 0.642+0.9177 0.766 0.7071,=-0.2549+0.4971,=0.2422,h,= arcsin 0.2422=14.02,o,于是求出冬至日9:00的太阳高度角是14.02,o,。,3.,进入温室的日光能, 进入温室总辐射能计算公式 温室截获的日光能总量可用下列公式求算：,Q,i,n,=,A,d,E,zo,Mp,t,p,c,+,E,20,(1-,M,),p,c,式中：,Q,in, 进入温室的日光能总量(kWm,2,)或(kJm,2,)；,A,d, 垂直于 阳光，可能进入温室那一部分直射辐射所照射的面积(m,2,) ；,E,zo, 到达温室上方的总辐照度(kWm,2,)或(KJm,2,),E,zo, 总辐照度，,E,zo,=E,z,+E,s,(E,z,是直射辐照度，,E,s,是散射辐照 度)(kWm,2,或kJm,2,)；,M, 直达辐射能占总辐射能的比率()，,p,t, 由天文因素和采光屋面形状共同决定的直射辐射透射率()；,p,c, 由采光材料物理性质和使用年限决定的透射率()；, 由温室形状决定的散射光透射率()。, 总辐射能计算式中各量和参数的计算,垂直于阳光、可进入温室那部分辐照面积,A,d,射入温室直射辐射的辐照面积的宽度,(,OC,=,OB+BC,),辐照面积,A,d,：,A,d,= (,OB+BC,),L,=(,OA,sin,h,)+,H,sin(90,-,h,),L,直射辐射能占同期总辐射能的比率,M,M = E,z,/E,zo,= E,z,/,（,E,z,+E,s,）,求北京地区,12,月份的,M,值,：,M = 39.77/67.32 = 0.591, 直射辐射进入温室的比率,P,t,温室采光单元和单元采光带与入射角关系图,1.平面采光 2.曲面采光 3.采光单元,各采光单元的入射角都可用式计算：,cos,i,=cos,h,cos,a,+sin,a,cos,h,cos,t,(2-5),式中：,h,太阳高度角,(,度,),；,a,采光单元的屋面角,(,度,),；,t,时角,(,度,),；,cos t,时角的余弦，由,6:0018:00,取正值，,18:045:56,取负值。,A,、,各采光单元入射角,i,的计算,例如已知某温室采光屋面由六个采光单元组成，它们的屋面角依次为55.8,、30.8,、19.7,、13.5,、10.0,和8.1,，于是便可按公式(2-5)求得12:00、11:00、10:00和9:00各真太阳时各个采光单元上的入射角,i,值，表2-5内第4-9栏就是该例中各真太阳时各采光单元的平均入射角。,B、各真太阳时单元采光带的平均入射角,-,i,的求法 将各采光单元入射角,i,加和，再除以采光单元数目，便得到单元采光带的平均入射角，如表2-5中的第10栏数据。,C,、直射辐射进入温室的比率,p,t,的求法,当我们求得表,2-5,第,10,栏单元采光带平均入射角,-,i,时就能利用透射率与入射角关系图,2-9,求出,p,t,。,图2-9 干洁覆盖材料入射角为 图2-10 节能型日光温室采光设计示意图,时透射率 ,1,，,2,，,3,，,6,各种单元屋面角 I，采光单,元编号,h,. 太阳高度角,H.,最大采光点高度,由采光材料物理性质和使用时间等因素决定的入射率,p,c,P,c,=P,0,(1-,构,),（,1-,老,）（,1-,尘,）,对于新建的温室，,P,c,=,P,0,(1-,构,),构,可取,0.05,。,积尘、露滴、水膜对透光的损失可在,15,30,；建筑构件的影响在,5,10,；采光材料磨损的影响主要发生在用草帘保温的日光温室，其损失率与使用时间成正比，损失率范围可达到,5,25, 温室形状对散射辐照度影响系数,的数值在冬季可根据温室形状不同取0.40.7，夏季取0.60.8。,(二) 日光温室的采光设计,1. 确定最佳方位角,2.,采光屋面角的确定,图,2-11,薄膜的透过率与入射角的关系,图,2-12,太阳高度角和采光屋面角示意图,张真和提出合理采光时段理论，即要求中午前后,4h,内（一般为,1014,时）太阳对温室前屋面的投射角（5）都能大于或等于,50,。,半拱圆式日光温室，前屋面由若干个切线角组成，按,1m,一个切线角，则前底角（前屋面与地面夹角）为,50,60,，,lm,处,35,40,；,2m,处,25,30,，,3m,处,20,25,，,4m,以后,15,20,，最上部,15,左右。,亢树华研究认为，合理的温室屋面角度,= 60,冬至当地中午太阳高度，,60,是指冬至日中午太阳光在温室采光面上的投射角。,陈友研究认为，节能日光温室主要用于冬春季节生产，设计采光面角度时，不应以冬至太阳高度角设计，而应以当地大寒中午太阳高度角为准。,52 2408 = 2752,3.,温室跨度的确定,图2-30 温室跨度与拦接互衬光能示意图,1.跨度为4m 2.跨度为7m,图2-31 跨度、最高采光点位置(K,1,、K,2,、K,2,)与拦截直射光关系,目前优化的 构型：河北的 冀优型和冀优改进型，日光温室的跨度分别是6.0和8.0，相应的最高采光点为3.0和3.6,中温带地区：跨度8-9，黑龙江和内蒙：6左右,4.,采光屋面形状的确定,理想的采光屋面形状应能同时满足以下四方面要求：能截获更多的直射辐射能；,温室内部能包容较多的空气；,室内空间有利于农艺或园艺作业；,能体现出较低的造价。,图2-33 几种采光面(曲线)上直射光平均入射角对比图,1,*,一面坡形 2,*,二折形 3,*,幂函曲线形 4,*,圆弧形,OA、AB、BC、CD、DE、EH为幂函数曲线上的6个采光单元,I、 温室上空直射光的区分号 H最高采光点,1*：34.8； 2*（2段平均）：34.8； 3*（6个采光单元）：33.4；4*：31.3,5.,日光温室后坡面的仰角,后屋面角度应视温室的使用季节而定，但至少应该略大于当地冬至正午的太阳高度角，在冬季生产时，尽可能时太阳直射光照到日光温室后坡面；在夏季生产时，应该尽可能使太阳直射光照到日光温室的后墙，一般后屋面角取当地冬至正午的太阳高度角再加5,8,。,6.,日光温室的后坡水平投影长度,计算公式：,L,1,= L,2, cos,a,2,式中：,L,1, 日光温室后坡面水平投影长度（m）,L,2, 日光温室后坡面长（m）,a,2, 日光温室后坡面夹角（,）,7.,结构比,结构比就是温室骨架材料面积与温室总透光面积之比。,木结构的温室，其屋面的结构比为0.25，大型金属结构温室，屋面的结构比为0.2,。,二、日光温室的保温原理与保温设计,（一）日光温室的保温原理,温室的热平衡, 作物与环境温度,温室的热量平衡,：,能量守恒定律,热量平衡方程,Q = Q,in,Q,out,温室热量收支方式,收入：,Q,in,=,Q,R,+Q,g,支出：,Q,out,=Q,t,+,Q,v,+Q,s,贯流放热,Q,t,，,缝隙放热,Q,v,，,土壤传导热损失,Q,s,贯流放热,Q,t,首先是温室内热量以对流和辐射方式将热量传到温室围护材料的内表面；接着由内表面以传导方式将热量传输到围护材料的外表面；然后外表面以对流和辐射方式将热量散失到温室外界。将这,3,个连续的热量散失全过程称为贯流放热或综合放热（透过覆盖材料和维护结构的热量）。,图2-34 日光温室热平衡示意图,缝隙放热,Q,v,是含热量不同的室内空气与室外空气通过各种通道、孔隙或裂缝互相对流或交换而导致温室内热量损失的过程，它与缝隙大小、室内外温差和风速等因素有关（通风换气放热）。,土壤传导热损失Q,s,是由土壤上下层之间垂直方向的热传导和热量沿土壤水平方向传导造成的热损失所组成。,2. 热平衡方程各项物理量的求算, 贯流放热量,Qt,Qt,=,AKt,(,tn-tw,)(1-,f,) (2-8),式中：,Q t, 贯流放热量(kJh)；,A, 围护材料的表面积(m2)；,Kt, 热量贯流率(kJm2h)；,tn, 温室内部气温()；,tw, 温室外部气温()；,f, 附加保温材料的热节省率, 缝隙放热量,Qv,缝隙放热量,Qv,可用下式求算：,Qv,=,RVCp,(,tn - tw,),(2-11),式中：,R, 每小时通风换气的体积占温室总体积比率；,V, 日光温室的体积(m3),Cp, 空气的比热(kJkg)；, 空气的密度(kgm3)；,tn, 室内空气温度()；,tw, 室外空气温度()。,Qv,=,CpL,l,(,tn - tw,)n,(2-12),式中：,C p,一 空气的比热(20时等于1.01kJkg)；,L, 每米长门或窗缝，每小时渗入室内的冷空气量(m3mh) (表2-9),l, 温室缝隙总长度(m)；,tn, 室内气温(),tw, 室外气温(),n 朝向导致的修正系数, 土壤传导热损失Qs,Qs,L,Z,(,tn,-,tw,)/,（2-13）,式中：,Qs, 温室内土壤沿水平方向传导的热能(kJh)；,L, 围绕温室周边地基的长度(m)；,Z, 地基的深度(m)；,tn, 地基内侧土温()，无地基时可用维护结构内侧0.5m处一定深度的土温观测值；,tw, 地基外侧土温()，无地基时可用维护结构外侧0.5m一定深度处或防寒沟靠温室一侧一定深度处土温；, 基础或被测温度处土壤的厚度(m)；, 导热系数 (kJmh)。, 各种固体物质的蓄热量Qc, 各种墙体的蓄热,Qcw,Qcw,=,Aw,Zw,（,t2,-,t1,） (2-14),式中：,Aw, 墙表面积(m2)；,Zw, 墙厚度(m)；, 墙蓄热系数(kJm3h)；,t1, 墙体初始温度()；,t2, 1小时以后温度()。,为了计算和对比方便，往往取统一的厚度(如24cm)，然后以该厚度墙体1m2面积的蓄热系数实验数据(表2-12)作为计算的依据。在这种情况下，公式(2-14)便可以改写成：,Qcw,=,Aw,（,t2,-,t1,）, 土壤蓄热量,Qcs,在一天的不同时间里，温室内活性土壤向下不断与其深层土壤交换热量，向上不断与空气进行热量交换。在较粗放情况下土壤吸收或放出的热量可以利用下式计算：,Qcs,=,As,Zs,Cs,（,t2,-,t1,） (2-16),式中：,Qcs, 由土温为,t1,时的初始时间到土温变为,t2,时的终了时间内的土壤蓄热量或放热量(kJh)；,As, 温室内土壤表面积(m2)；,Zs, 土壤深度(m)；,Cs, 土壤比热(kJkg)；, 土壤密度(kgm3)；,t1, 被测土层平均温度的初始值()；,t2, 观测时段终了时该土层的平均土温()。当t1 t2时，为放热量,（二）日光温室的保温设计,1.日光温室墙体结构与厚度,（,1,）墙体厚度,土墙厚,50cm,，外覆一层薄膜；土墙厚,100cm,；土墙厚,150cm,，其他条件相同。其结果表明：自,1,月上旬至,2,月上旬，比室内最低气温高,0.60.7,，比室内最低气温高,0.10.2,。室内最高气温差分别为,0.20.5,和,0.10.3,。由此可看出，随着墙体厚度的增加，保温能力也增加，但厚度由,50cm,增至,100cm,，增温明显；由,100cm,增至,150cm,，增温幅度不大.,（,2,）墙体的组成,单质墙体 复合墙体,2.,后屋面的结构与厚度,:,（1）结构：隔水层、承重层和隔热层,（2）厚度：30-40cm；60-70cm,3.,前屋面覆盖,一种是外覆盖,: 减少热耗60%,另一种是内覆盖：减少热耗20%,4.,减少缝隙放热,5. 挖防寒沟或加设苯板减少土壤热量外流,（三）日光温室的建筑设计,场地的选择,温室方位,L,3,=,（,H,+,h,1,）,tg,(90,h,),b,式中：,L,3,相临两温室间隔距离,H ,日光温室高度,h,1,卷起后的棉被（或草苫高度）,h ,当地冬至正午太阳高度角,b ,日光温室后坡水平宽度,3. 温室深度,为了保温，提高地温和增加室内的温度，在北纬,43,50,地区，宜将室内地坪降低,0.30.5m,，即采用半地下式温室。,4. 温室面积,温室净跨度在,6.08.0m,之间，净长度在,50 100m,之间，一栋温室面积最好在,300 667,之间。这样基本上满足了生产及管理上的需要。但有时受用地限制，面积也可适当减小，可根据具体情况来确定，如庭院建造温室面积可小些，但不宜小于,50,。,