低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的取值原则

杨枫光，陈 超，马彩雯，李 印，韩枫涛，李亚茹，邹 平

(1.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；2.新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】日光温室建筑空间形态特征参数(高跨比、后屋面水平投影长度、北墙高度)的合理匹配，一是关乎白天通过日光温室透明前屋面进入温室内的太阳光热量是否足够大；二是决定了集集热、吸热和蓄热于一体的温室北墙体[1]面积大小；三是也决定日光温室非透明墙体与透明屋面的面积比，该屋面与墙体面积比决定了白天进入日光温室太阳能量与夜间通过围护结构向外散失热量的进出情况。显然，前屋面越大，白天可进入的太阳光热能亦越大；由此向外流失的热量特别是在夜间也随之增大。脊高过高，也导致温室建筑空间过大，维持温室必要热环境需要补充的热量特别是夜间的也越大。合理确定日光温室建筑空间形态特征参数，是建造低耗高效日光温室的重要环节之一，也是确保日光温室冬季反季节蔬菜生产增产提效的重要技术保障。【前人研究进展】关于日光温室建筑空间形态的研究，以往大多聚焦在民用建筑[2-6]，关于日光温室建筑的定量研究非常有限。国外学者大多是针对双屋面玻璃温室的研究[7-9]，对我国的日光温室建筑参考有限。刘彦辰等[10]开展了关于陕西关中地区不同跨度温室内平均空气温度、平均光照强度、番茄品质的实测研究，认为9 m跨度温室更适合在陕西关中地区的番茄种植中优先推广应用。张亚红等[11]根据银川地区高跨比为0.51与0.55的日光温室实测结果，认为适当提高温室高跨比对促进温室热量累积、提高冬季温室内的温度具有重要意义。佟国红等[12]以沈阳地区为例，采用多目标模糊决策法对跨度7.5 m、围护结构材料相同但建筑参数不同的温室进行优选，认为后屋面长度为2.0 m、北墙高度2.2 m、脊高3.7 m的日光温室建筑空间结构是最优的。李天来[13]、白义奎等[14]以温室越冬作物健康生长对温光的最低需求、以及冬至日日光温室前屋面截获的太阳能等于春分日地平面截获之太阳能为控制条件，采用理论计算的方法，给出了节能日光温室建筑空间形态特征参数设计值确定方法。魏晓明等[15]基于所提出的确保蔬菜作物获得充足光照、保证冬至日正午前后4 h内透过温室前屋面的太阳辐照度衰减率不超过2%、且栽培区最后一排作物的冠层全天可接受到太阳照射为控制条件，并利用三角函数关系，给出了日光温室建筑空间形态特征参数的取值方法。曹晏飞等[16]以室外最低温度低于0℃时，保证在中午前后4 h(10:00～14:00)内至少有一部分北墙能接受太阳直射光为控制条件，给出了不同纬度地区日光温室北墙接受太阳光直射的合理时期，并通过理论计算，得出日光温室后屋面水平投影长度、北墙高度的计算方法。【本研究切入点】不同地理纬度地区太阳辐射、室外气象参数双重因素的周期性变化特性，是影响日光温室建筑空间形态特征参数优化设计的关键影响因素，属于多学科交叉问题。研究以日光温室建筑构造特点以及蔬菜作物反季节生产过程的热湿环境需求为切入点，基于建筑热工设计理论和建筑能耗模拟分析方法。【拟解决的关键问题】研究日光温室建筑空间形态特征参数对温室光热环境营造的影响规律，以及低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的设计条件，给出低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的取值原则，为低能耗日光温室优化设计，提供重要设计依据和方法参考。

1 材料与方法

1.1 日光温室光照特性

研究表明，冬季由于太阳高度角较低，后屋面水平投影长度的大小对后排作物全天接受光照影响不大，但温室北墙体过高则会受到遮挡，其蓄热性能受到限制；对于夏季，太阳高度角较高，后屋面水平投影长度过长则会对后排作物造成遮挡而难以接受到日照。因此，低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的设计条件，考虑日光温室冬季反季节蔬菜作物生产光热环境需求以及其他季节最后一排作物光照的需求。图1

图1 太阳运动轨迹及太阳高度角变化
Fig.1 The variation of the orbit of the sun and solar altitude angle

1.2 日光温室建筑传热过程

研究表明，白天太阳能透过前屋面塑料薄膜投射到日光温室建筑墙体内表面和土壤地面，这些表面吸收到太阳能后通过导热方式向其内部传递并蓄存在其内；夜间蓄存在墙体或土壤体内的热量后再次通过其表面，以自然对流换热方式加热温室内空气，以辐射换热方式加热周围壁表面，以补偿通过各围护结构向外界流失的热量。图2

图2 日光温室建筑传热过程示意
Fig.2 Schematic diagram of heat transfer process in a solar greenhouse

式(1)为围护结构传热系数K的计算式，计算得北墙体与后屋面的传热系数一般为0.3～0.6，夜间加盖保温覆盖物的前屋面的传热系数为2.0～3.0，日光温室夜间前屋面的传热系数为墙体与后屋面5～10倍，由于冬季室外温度很低，以北京地区番茄作物生长为例，室内外温差甚至达到20℃，研究表明，夜间前屋面既使加盖保温覆盖物，但由于其热阻明显小于墙体的，导致约有60%～70%的热损失是从前屋面流失的[13]。因此，温室前屋面过大，会导致白天通过透明前屋面获得的太阳能难以平衡夜间通过非透明围护结构流失的热量。那么合理确定日光温室建筑空间形态特征参数，一方面是确保温室白天可尽可能多的通过透明屋面获得太阳辐射热量，另一方面则是要尽可能减少夜间围护结构的散热损失，而它们直接受日光温室非透明墙体与透明屋面的面积比的制约。

(1)

式中，R为围护结构的传热阻，m2·℃/W；αn, αw为围护结构内表面、外表面的换热系数，W/(m2·℃)；Rn、Rw为围护结构内表面、外表面的传热热阻，m2·℃/W；δi为围护结构各层的厚度，m；λi为围护结构各层材料的热导率，W/(m·℃)；Rj为由单层或多层材料组成的围护结构各材料层的热阻，m2·℃/W。

研究表明，不同地理纬度地区温室的高跨比对透明屋面与非透明围护结构的面积比起到了决定性作用，因此，高跨比的确定最为关键；其次后屋面的水平投影长度的大小不仅影响透明屋面与非透明围护结构的面积比，而且直接关联地面的阴影长度变化。因此，研究开展了高跨比、后屋面水平投影长度、北墙高度等特征参数对日光温室光热环境营造影响规律的研究。基于该影响规律，为了给出低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的取值原则，需要构建一套关于日光温室的建筑热工性能与光照性能的评价体系。图3

图3 日光温室建筑构造示意
Fig.3 Schematic diagram of building structure in solar greenhouse

1.3 评价指标

1.3.1 日光温室冬季北墙体的日影长度

温室北墙体具有集热、蓄热与保温于一体的建筑热工特性，从节能的角度考虑，希望温室北墙体的太阳辐射面积在反季节蔬菜作物生产关键期不要被后屋面遮挡而减少，需要研究温室北墙体的日影长度变化。日影长度即是指物体在阳光直射下形成的阴影长度，阴影中接收不到太阳光的直接照射[17]。而北墙体高度过高可能导致上部分区域不能接收到光照徒使北墙体日影长度增加，蓄热性能并不能得到提高。研究以日光温室冬季正午时刻北墙体的日影长度为评价指标，分析确定日光温室北墙高度的设计条件。

1.3.2 日光温室冬季生产累积供热量

日光温室的高跨比、后屋面水平投影长度、北墙高度影响透明前屋面与非透明围护结构的面积比值，该比值决定白天进入日光温室太阳能量与夜间通过围护结构向外散失热量的博弈程度。日光温室冬季生产累积供热量则是评价白天进入日光温室太阳能量与夜间通过围护结构向外散失热量的博弈程度，为了日光温室冬季反季节蔬菜作物生产关键期内不加温或少加温，以此期间内向日光温室建筑累积补充的供热量作为日光温室建筑空间形态特征参数优化设计的评价指标。假设冬季反季节蔬菜作物生产关键期为n天，根据日光温室建筑热过程以及建筑热工设计理论，则需要向日光温室建筑累积补充供热量Q可表示为如式(2)。

(2)

式中，u1ti为温室围护结构向外界流失的热量，W；u2ti为通过温室围护结构缝隙向外流失的热量，W；u3ti为温室内土壤、作物等水分蒸发耗热量，W；u4ti为温室通风换气导致的耗热量，W；u5ti为植物生理生化过程中转化交换的热量，W；qati为通过日光温室前屋面进入的太阳辐射热量，W；qbti为温室内人体、照明和设备的发热量，W。下角标i表示日期，t表示时刻。

1.3.3 日光温室冬季生产夜间有效积温

室内空气温度直接影响作物的生长发育和产量，是作物生命活动不可缺少的环境条件之一。室内空气温度对作物生长发育的影响包括温度强度和持续时间两个方面，积温就是衡量这两个方面综合效应的一种农业气象指标[18]。日有效积温是表示一天内温室空气温度与作物生物学零度之间温差的时间累积，它可以表征作物一天内从温室热环境获取的最大热量。所谓作物生物学零度是指在其他条件适宜的情况下，植物生长发育需要的下限温度，不同的作物在不同生长发育阶段所对应的生物学零度也是不相同的。例如，番茄在营养生长阶段为8～10℃，在食用器官生育阶段为15℃。日光温室冬季生产夜间有效积温可以按照式(3)计算。

(3)

1.3.4 日光温室地面日影长度

日照是直接影响作物的生长发育的重要环境因子，地面日影长度则反映后排作物接受不到太阳光直射的长度。而后屋面水平投影长度的大小直接决定夏季正午时刻日光温室后排作物被遮挡的长度，一年当中太阳高度角在夏至日正午时刻最高，后屋面水平投影长度的大小对后排作物的遮挡最为不利，因此，研究以日光温室夏季正午时刻地面日影长度为评价指标，分析确定温室适宜的后屋面水平投影长度。

1.4日光温室建筑空间形态特征参数取值原则的确定

为了定量把握不同地理纬度地区日光温室建筑空间形态特征参数对反季节蔬菜作物生产关键期，日光温室光热环境营造的影响规律，研究拟以不同建筑空间形态特征参数的日光温室建筑为对象，采用EnergyPlus能耗模拟软件进行分析。

1.4.1 计算对象概况

以北京地区为基础分析对象，分析N32°～45°优势种植地区日光温室建筑空间形态特征参数对日光温室光热环境营造的影响，图4为该温室物理模型。根据建筑热工设计理论，可计算得到我国优势种植地区日光温室建筑墙体厚度及其热阻推荐值如表1[19]。前屋面采用0.12 mm的EVA薄膜覆盖，夜晚加盖40 mm的保温覆盖物，后屋面以及前屋面保温覆盖物等材料主要物性参数见表2。图4，表1，表2

图4 计算温室物理模型
Fig.4 Calculation model of solar greenhouse表1 我国优势种植地区日光温室建筑墙体厚度及其热阻推荐值
Table 1 Recommended values of wall thickness and thermal resistance of solar greenhouse in China

纬度(N)Latitude砌块层厚度Brickthickness(mm)保温层厚度Thicknessofinsulationlayer(mm)热阻Thermalresistance((m2·C)/W)32°～36°4901003.0636°～40°6101003.2140°～44°6101504.40

表2 温室围护结构主要热工性能参数
Table 2 Main thermal performance parameters of the greenhouse enclosure

材料Material密度Density(kg/m3)导热系数Thermalconductivity(W/(m℃))比热Specificheat(J/(kg℃))太阳透过率Solartransmittance(%)可见光透过率Visiblelighttransmittance(%)砌块砖Blockbrick18000.811050--保温板Insulationboard300.041380--EVAC薄膜EVAfilm-0.76-8584保温覆盖物Thermalinsulationcover2000.07---

计算应用单一变量控制法，分别考察不同地理纬度地区高跨比、跨度、后屋面水平投影长度、北墙高度等空间形态特征参数变化，对日光温室建筑室内光热环境营造的影响规律。列出计算工况。表3

表3 计算工况
Table 3 Calculation conditions

计算工况Calculationconditions跨度Span(m)脊高Ridgeheight(m)后屋面水平投影长度Horizontalprojectionlengthofbackroof(m)北墙高度Northwallheight(m)计算工况CalculationconditionsCase1-139.9°N100.44～0.601.53.5Case1-232°N～45°N6～150.44～0.600.5～3.02.2～7.0Case2-139.9°N100.531.0～2.23.5Case2-232°N～45°N6～150.530.5～3.02.2～7.0Case3-139.9°N100.532.03.3～4.5Case3-232°N～45°N6～150.530.5～3.02.2～7.0

基本计算条件：计算过程作如下假设: 前屋面折线简化处理，近似代替曲面; 忽略植物和土壤蒸发对温室内环境的影响; 暂不设定土壤为多孔介质，不考虑传热、传质，认为其结构均匀，物性参数为定值。室外气象条件参数采用EnergyPlus能耗模拟软件自带的我国典型气象年室外逐时气象参数；温室内空气温度按10℃取值；日光温室前屋面保温覆盖物早(晚)开(闭)时间分别按08:50、16:15取值[19]；计算期间为冬季12月～次年1月。

1.4.2 计算结果实测验证

计算温室2016年12月18～21日室内空气温度计算值与实测值的比较结果显示，两者的平均误差为0.5%，比较结果验证了计算结果的有效性。图5

图5 日光温室内空气温度模拟值与实测值对比
Fig.5 The comparison of simulated and measured values of air temperature in indoor temperature room

2 结果及分析

2.1 高跨比(case1)

2.1.1 北京地区

case1-1计算条件下，反映了北京地区高跨比变化对温室越冬生产需要向温室累积补充供热量的影响规律。研究表明，当高跨比为0.53时，冬季最冷时段(12月～次年1月)需要向温室累积补充供热量最小；当高跨比为0.53时，其夜间有效积温最高，较4.4 m提高17.2 ℃·d；通过日影长度分析，脊高为4.4～6.0 m时，日光温室内后排作物全年、北墙体冬季均可接收到光照。北京地区的温室合理高跨比为0.53，并将该值作为case2-1的计算条件。图6，图7

图6 日光温室冬季生产累积供热量与高跨比的关系(case1-1)
Fig.6 The relationship between accumulated heat load and ridge height of solar greenhouse in winter (case1-1)

图7 日光温室冬季生产夜间有效积温与高跨比的关系(case1-1)
Fig.7 The relationship between accumulated temperature of night and ridge height of solar greenhouse in winter (case1-1)

2.1.2 其他地理纬度地区

同case1-1，结合EnergyPlus能耗模拟软件、并应用单一变量控制方法，可计算得到不同地理纬度地区跨度为6～12 m条件下日光温室建筑适宜的高跨比)。研究表明，同一地区日光温室高跨比不受跨度变化的影响，只与当地室外空气温度以及太阳辐射强度的变化相关；根据表4，对于越冬生产的日光温室，室外空气平均温度和日平均太阳辐射量越低的地区，相应的日光温室高跨比λ也应降低。图8，表4

图8 乌鲁木齐地区日光温室高跨比与跨度的关系(case1-1)
Fig.8 The relationship between ratio of ridge height and span of solar greenhouse in Urumqi (case4)表4 不同地理纬度地区日光温室建筑高跨比推荐值
Table 4 Recommended ratio of ridge height to span of solar greenhouse in China

城市City纬度(N)Latitude冬季室外空气平均温度Outdooraveragetemperatureinwinter(℃)冬季日平均太阳辐射量Dailyaveragetotalsolarradiationinwinter(MJ)简化模型计算值CalculationvaluebysimplifiedmodelEnergyPlus计算值CalculationvaluebyEnergyPlus乌鲁木齐Urumchi43.54°6～12-11.14.280.42～0.45沈阳Shenyang41.50°6～12-9.58.30.47～0.49北京Beijing39.92°6～12-2.111.20.51～0.53寿光Shouguang36.88°6～12-1.95.50.47～0.50兰州Lanzhou36.03°6～12-4.36.30.48～0.50西安Xi'an34.18°6～120.54.690.45～0.47

注：表中冬季室外空气平均温度与冬季日平均太阳辐射量采用《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[20]整理所得

2.2 后屋面水平投影长度(case2)

2.2.1 北京地区(case2-1)

研究表明，随着后屋面水平投影长度的增加，越冬生产期间需要向温室累积补充供热量减小了，温室冬季生产夜间有效积温在不断升高。夏季正午时刻地面日影长度与后屋面水平投影长度的关系(case2-1)表明，日光温室地面日影长度以夏至日(6月22日)对称，并且在夏至日达到最大值。考虑到作物与走道一般有0.2 m的距离，所以在夏至日其地面的日影长度不宜超过0.2 m。研究后屋面投影长度不应影响日光温室后排蔬菜作物大暑日(7月22日)至翌年小满日(5月22日)接受到太阳光照。基于该设计条件10 m跨度条件下的温室适宜的后屋面水平投影长度为2.0 m，并将该值作为case3-1的计算条件。图9～11

图9 日光温室冬季生产累积供热量与后屋面水平投影长度的关系(case2-1)
Fig.9 The relationship between accumulated heat load and horizontal projection length of back roof of solar greenhouse in winter (case2-1)

图10 日光温室冬季生产夜间有效积温与后屋面水平投影长度的关系(case2-1)
Fig.10 The relationship between accumulated temperature of night and horizontal projection length of back roof of solar greenhouse in winter (case2-1)

图11 夏季正午时刻地面日影长度与后屋面水平投影长度的关系(case2-1)
Fig.11 The relationship between the horizontal projection length of back roof and the ground shadow length in summer (case2-1)

2.2.2 其他地理纬度地区(case2-2)

同case2-1，基于后屋面水平投影长度的设计条件，结合EnergyPlus能耗模拟软件、并应用单一变量控制方法，可计算得到不同地理纬度地区跨度为6～12 m条件下日光温室建筑的后屋面水平投影长度。研究表明，随着温室跨度的增加(6～12 m)，而后屋面水平投影长度不断增加，对于越冬生产的日光温室，跨度确定的情况下，高跨比越小且纬度越高的地区，相应的日光温室后屋面水平投影长度可以降低，其原因是跨度一定的情况下，高跨比小则日光温室的建筑空间变小了，考虑到作物的光照需求，其后屋面则相应程度的降低。图12

图12 不同地理纬度地区日光温室后屋面水平投影长度的变化规律(case2-2)
Fig.12 Variation in horizontal projection length of back roof of solar greenhouse in different geographic latitudes (case2-2)

2.3 北墙高度(case3)

2.3.1 北京地区(case3-1)

图13、14反映了北墙高度对日光温室冬季生产需要向温室累积补充供热量、夜间有效积温的影响规律(case3)。随着北墙高度的不断增高，需要向温室提供热量也随之减小，夜间有效积温升高。由于全年冬至日太阳日照时间最短，大寒日全年室外温度最低，确保冬至日(12月22日)～大寒日(次年1月22日)期间段北墙体全部被太阳光照射，能够使其白天最大化蓄热，并在夜间释放热量提升夜间有效积温。研究表明，因为受后屋面遮挡的影响，北墙体超过4.2 m后，在冬至日至大寒日期间段上部部分区域无法被太阳光照射到，导致其集蓄热能力得不到进一步增加，相反增加其建造成本。确保冬至日至大寒日期间北墙可接收太阳光照射，对冬季反季节蔬菜作物生产期日光温室高效利用太阳能具有重要的影响。图13～15

图13 日光温室冬季生产累积供热量与北墙高度的关系(case3-1)
Fig.13 The relationship between accumulated heat load and north wall height of solar greenhouse in winter (case3-1)

图14 日光温室冬季生产夜间有效积温与北墙高度的关系(case3-1)
Fig.14 The relationship between accumulated temperature of night and north wall height of solar greenhouse in winter (case3-1)

图15 冬季正午时刻北墙体日影长度变化(case3-1)
Fig.15 North wall shadow length change in the winter time at noon

2.3.2 其他地理纬度地区(case3-2)

同case3-1，基于北墙高度的取值原则，结合EnergyPlus能耗模拟软件、并应用单一变量控制方法，可计算得到不同地理纬度地区跨度为6～12 m条件下日光温室建筑适宜的北墙高度。研究表明，随着温室跨度的增加(6～12 m)，而北墙高度不断增加，对于越冬生产的日光温室，高跨比越大、后屋面水平投影长度越短和纬度越高的地区，相应的日光温室北墙高度可以升高，因为温室北墙体具有集热、蓄热与保温于一体的建筑热工特性，白天利用其可提高太阳能的蓄热作用，为夜间温室热环境营造提供热能补充。图16

图16 不同地理纬度地区日光温室北墙高度变化规律(case3-2)
Fig.16 Variation in north wall height of solar greenhouse in different geographic latitudes (case3-2)

同一地区日光温室高跨比不受跨度变化的影响，只与当地室外空气温度以及太阳辐射强度的变化相关；大暑日至翌年小满日期间，后屋面水平投影长度不应影响日光温室后排蔬菜作物接收太阳光照；确保冬至日至大寒日期间北墙可接收太阳光照射，对冬季反季节蔬菜作物生产期日光温室高效利用太阳能具有重要的影响。

3 讨 论

为了评价第2节给出的不同地理纬度地区日光温室建筑空间形态特征参数取值原则的合理性，仍然以北京地区日光温室为比较对象。优化设计温室与现行常见温室均为东西向，朝向为南偏西5°、长度为80 m、跨度为8 m，温室墙体均为240 mm砌块砖墙、墙体外侧采用100 mm聚苯板保温材料，温室前屋面采用0.12 mm的EVA薄膜、夜间加盖40 mm保温覆盖物，后屋面采用内夹100 mm聚苯板保温材料彩钢板。优化设计温室1按照后排作物全年接受光照作为设计条件，其脊高为4.2 m，北墙高度为3.3 m，后屋面水平投影长度为1.5 m；优化设计温室2按照后排作物大寒日至翌年小满日接收光照接受光照作为设计条件，其脊高为4.2 m，北墙高度为3.1 m，后屋面水平投影长度为1.8 m；现行常见温室的脊高为3.5 m，北墙高度为2.8 m，后屋面水平投影长度为0.9 m。

根据EnergyPlus能耗模拟软件的计算结果，在确保日光温室环境温度不低于8℃的计算条件下，日光温室越冬生产关键期(12月1日～次年1月31日)，优化设计温室1需要提供的累积补充供热量为8 340 MJ，优化设计温室2需要提供的累积补充供热量为8 150 MJ，而现行常见温室需要提供的累积补充供热量为9 670 MJ，优化设计温室1较现行温室减少了13.7%，优化设计温室2较现行温室减少了15.7%，按照后排作物大暑日至翌年小满日接受光照为设计条件节能效果更明显。图17

图17 优化设计温室与现行常见温室越冬生产关键期(12月1日～1月31日)累积补充供热量比较
Fig.17 The comparison of accumulated heat load in the optimal design solar greenhouse and the current solar greenhouse (December 1st -January 31st)

4 结 论

4.1 同一地区日光温室高跨比不受跨度变化的影响，只与当地室外空气温度以及太阳辐射强度的变化相关；室外空气平均温度和日平均太阳辐射量越低的地区，相应的日光温室高跨比λ也应降低。

4.2 大暑日至翌年小满日期间，后屋面水平投影长度不应影响日光温室后排蔬菜作物接收太阳光照；

4.3 确保冬至日至大寒日期间北墙可接收太阳光照射，对冬季反季节蔬菜作物生产期日光温室高效利用太阳能具有重要的影响。

4.4 EnergyPlus能耗模拟软件的比较计算结果表明，在确保日光温室环境温度不低于8℃的计算条件下，日光温室越冬生产关键期(12月1日～次年1月31日)，按照后排作物大寒日至翌年小满日接收光照接受光照作为设计条件的优化设计温室需要提供的累积补充供热量为8 150 MJ，较北京地区现行常见温室需要提供的累积补充供热量(9 670 MJ)减少15.7%，节能效果明显。

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