非對稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度優(yōu)化

|摘要|關(guān)于非對稱保溫塑料大棚合理的南北屋面投影寬度未見報道。根據(jù)不同時期太陽直射光線在非對稱保溫塑料大棚地面上的變化，要求當室外最低溫度小于-5℃時，以保證室內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天能接受太陽光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面的合理揭簾時期，并據(jù)此得出非對稱保溫塑料大棚南、北屋面投影寬度、脊高的計算方法。利用該方法對中國北緯31°～40°地區(qū)主要城市非對稱保溫塑料大棚的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算分析，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，其中西寧地區(qū)的比例最小。該方法可為國內(nèi)非對稱保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計提供理論指導。

引言

非對稱保溫塑料大棚是一種具有特色的溫室形式，它結(jié)合了日光溫室南面采光、北面保溫的特點，同時又具有塑料大棚價格低廉、土地利用率高的特點，近年來在中國長江中下游地區(qū)、黃淮海地區(qū)、華北地區(qū)以及西北地區(qū)等得到了推廣與應用[1-2]。研究人員對這種保溫塑料大棚內(nèi)部光熱環(huán)境進行了測試分析，武瑩等發(fā)現(xiàn)18 m跨度非對稱保溫塑料大棚在冬季的平均最低氣溫在4.0℃以上[3]，春秋季最低氣溫在13.0℃以上[4]。為了提高冬季室內(nèi)最低溫度，研究人員在塑料大棚內(nèi)部利用生物質(zhì)發(fā)酵釀熱技術(shù)，測試結(jié)果表明這種釀熱保溫塑料大棚應用效果較好[5-6]。

由于保溫塑料大棚具有低成本、大空間、便于機械化等優(yōu)良性能，目前在保溫塑料大棚內(nèi)部種植的植物類型也比較多，如中藥材、蔬菜、西甜瓜、果樹等。但是具體針對某一類作物的非對稱保溫塑料大棚合理南北屋面投影寬度未見報道，尤其是中國幅員遼闊，不同地區(qū)氣候差異較大，因此，在非對稱保溫塑料大棚建造過程中不能完全照搬其他地區(qū)的塑料大棚結(jié)構(gòu)設計參數(shù)。

在寒冷的冬季，非對稱保溫塑料大棚北屋面外覆保溫被有助于減少室內(nèi)熱量流失，不過相應的北側(cè)透光率也會降低[3]。隨著外界氣溫升高，太陽直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動。北側(cè)保溫被可以開始揭簾的時期十分重要，過早或過晚揭簾均不利于非對稱保溫塑料大棚的發(fā)展，因此需要選擇合適的揭簾時期。目前使用保溫塑料大棚種植最多的作物是蔬菜，主要種植茬口是春提前和秋延后。本研究借助日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)設計方法[7]，以早春茬喜溫蔬菜為研究對象，擬根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點，確定不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面揭簾的合理時期，基于此得到非對稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度與脊高的計算方法。

非對稱保溫塑料大棚北屋面

揭簾合理時期

在嚴寒冬季，非對稱保溫塑料大棚北屋面外一直覆蓋保溫被，可有效地減少室內(nèi)熱量流失。然而，隨著室外氣候變暖，太陽直射光在室內(nèi)地面的投影也在逐漸向南移動，其中最為關(guān)鍵的部分是什么時間節(jié)點非對稱保溫塑料大棚內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天接收太陽光直射，同時當天北屋面可以開始適當揭簾以增加北側(cè)太陽散射光進入。時間節(jié)點過早，則非對稱保溫塑料大棚內(nèi)熱量流失過多，夜間室內(nèi)氣溫會過低;時間節(jié)點過晚，則室內(nèi)北側(cè)作物接收太陽光照射的總量會降低，不利于作物生長發(fā)育。

根據(jù)武瑩等[3]的測試結(jié)果，當室外最低溫度變化范圍為-15～-5℃時，非對稱保溫塑料大棚內(nèi)平均最低氣溫為4.1℃，番茄在夜間的最低耐受空氣溫度為5℃[8]。為此，以滿足植物夜間生長發(fā)育溫度為優(yōu)先條件，選擇以室外月平均最低溫度為-5℃作為閾值，即當平均最低溫度超過-5℃時，北屋面才開始適當揭簾，而當平均最低溫度低于-5℃時，應保證在正午時刻室內(nèi)北側(cè)最后一排作物能夠接受太陽光直射，依此選擇非對稱保溫塑料大棚北屋面合適的揭簾時期。

目前新型保溫塑料大棚理念已逐漸在中國長江中下游地區(qū)以及北方一些日光溫室占主導地位的地區(qū)開始探索與實踐[1]。為此，本研究以中國北緯31°～40°地區(qū)主要城市為代表，表1為1998～2012年這些城市在1～6月份的月平均最低氣溫和月平均最高氣溫。從表1可看出，合肥、南京、西安在2月份的平均最低溫度已超過-5℃，平均最高溫度已達到15℃;北京、石家莊、鄭州、濟南在3月份的平均最低溫度均已超過-5℃，平均最高溫度已超過20℃;太原、蘭州、西寧、銀川在4月份的平均最低溫度均已超過或接近-5℃，平均最高溫度已超過25℃。根據(jù)上述選擇依據(jù)，不同地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面合理的揭簾時期如表2所示。

非對稱保溫塑料大棚屋面投影

寬度確定方法

非對稱保溫塑料大棚主要用于春提前和秋延后蔬菜栽培生產(chǎn)，它的屋面主要是由南屋面和北屋面兩部分組成。

非對稱保溫塑料大棚南屋面傾角

前屋面是指屋脊與塑料大棚南底腳的連線，是非對稱保溫塑料大棚的主要采光面。屋面形狀和屋面傾角是前屋面的兩個基本參數(shù)，由于不同弧面形狀的采光屋面對溫室總進光量的影響差別不大[10]，因此，試驗過程不考慮前屋面弧面形狀對溫室采光的影響。

非對稱保溫塑料大棚南屋面傾角設計方法采用日光溫室前屋面傾角設計方法，即保證在冬至日正午前后4 h內(nèi)（10：00～14：00）非對稱保溫塑料大棚能從南屋面獲得最大采光量，考慮到入射角在一定范圍內(nèi)透光率變化較小，選用入射角為43°[11]。

依據(jù)冬至日10：00的太陽高度角和方位角，確定相對應的塑料大棚南屋面角，計算公式為[11]：

（1）

式中：α—非對稱保溫塑料大棚的合理南屋面角;

α10—冬至日上午10：00的理想屋面角，α10=90°-43°-h10W;

h10W—冬至日上午10：00的太陽高度角;

γ10W—冬至日上午10：00的太陽方位角。

太陽高度角h是指太陽直射光線與地平面的夾角，可由下式確定[12]：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω ? ? ? ? ? （2）

由表5可知，當非對稱保溫塑料大棚跨度為17.0 m時，脊高為6.0 m，北屋面投影寬度為4.1 m，而在表3中，相同跨度的非對稱保溫塑料塑料大棚其脊高僅為5.1 m，北屋面投影寬度為6.0 m。脊高越高，意味著與后一棟塑料大棚之間的間距越大。由于表4與表5中非對稱保溫塑料大棚的跨度相同，這也意味著脊高更高的非對稱塑料大棚，其土地利用率會更低。

除此之外，植物冠層高度、走道設置位置、作物定植時期等都會影響非對稱保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)的設計，尤其是近年來，葡萄、桃、杏、櫻桃、無花果、中草藥以及西甜瓜等逐漸在保溫塑料大棚中栽培，目前以這些作物為研究對象的保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)設計方法還較少，尤其是通風降溫、跨度、高度等參數(shù)在設計過程中仍然以喜溫蔬菜為研究對象，下一步需要進一步針對不同類型作物開展保溫塑料大棚結(jié)構(gòu)參數(shù)設計。

結(jié)論

本研究提出了一種確定非對稱保溫塑料大棚屋面投影寬度與脊高的方法。該方法根據(jù)不同日期太陽直射光線在室內(nèi)地面上投影的變化，當室外最低溫度小于-5℃時，保證室內(nèi)北側(cè)最后一排作物全天能接受太陽光直射為條件，得出不同緯度地區(qū)非對稱保溫塑料大棚北屋面的合理揭簾時期，并據(jù)此得出非對稱保溫塑料大棚南、北屋面投影寬度、脊高等參數(shù)，其中非對稱保溫塑料大棚的南屋面投影寬度占跨度的比例為0.62～0.77，北屋面投影寬度占跨度的比例為0.23～0.38，可為中國非對稱保溫塑料大棚的結(jié)構(gòu)設計提供參考。

參考文獻

[1] 周長吉.周博士考察拾零（七十五）大跨度保溫塑料大棚的實踐與創(chuàng)新（上）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2017，37（34）：20-27.

[2] 周長吉.周博士考察拾零（七十六）大跨度保溫塑料大棚的實踐與創(chuàng)新（下）[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2018，38（1）：38-43.

[3] 武瑩，李建明，肖金鑫，等.新型大跨度非對稱塑料大棚內(nèi)冬季溫光變化特征研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報（自然科學版），2019，47（6）：97-106.

[4] 武瑩，李建明.典型季節(jié)大跨度非對稱塑料大棚內(nèi)溫光性能分析[J].中國農(nóng)業(yè)大學學報，2009，24（10）：125-135.

[5] 肖金鑫，李建明，武瑩.大跨度非對稱釀熱溫室熱環(huán)境及節(jié)地增產(chǎn)效果分析[J].西北農(nóng)林科技大學學報（自然科學版），2020，48（1）：1-12.

[6] 孫亞琛，朱超，何斌，等.大跨度非對稱水控釀熱保溫日光溫室性能分析[J].北方園藝，2017（12）：55-60.

[7] 曹晏飛，荊海薇，趙淑梅，等.日光溫室后屋面投影寬度與墻體高度變化[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33（7）：183-189.

[8] 鄒志榮，邵孝侯.設施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程學[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2008.

[9] 中國氣象年鑒編輯部.中國氣象年鑒[M].北京：氣象出版社，1999-2013.

[10] 軒維艷.日光溫室采光屋面曲線數(shù)學模型的建立與分析[J].天津農(nóng)業(yè)科學，2006，12（4）：44-46.

[11] 魏曉明，周長吉，曹楠，等.基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究[J].北方園藝，2010（15）：1-5.

[12] 彥啟森，趙慶珠.建筑熱過程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986.

[13] 北京眾博熙泰農(nóng)業(yè)科技有限公司.節(jié)能日光溫室屋面參數(shù)設計[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2015，35（11）：92-93.

*項目支持：陜西省重點研發(fā)計劃項目（2019TSLNY01-03），陜西省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新轉(zhuǎn)化項目（NYKJ-2019-YL06），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設專項資金資助項目（CARS-23-C05）。

作者簡介：曹晏飛，男，湖南婁底人，博士，碩士生導師，主要從事設施結(jié)構(gòu)優(yōu)化及環(huán)境調(diào)控研究。E-mail：caoyanfei@nwsuaf.edu.cn。

[引用信息]曹晏飛，石苗，李建明.非對稱保溫塑料大棚南北屋面投影寬度優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（10）：34-38.