煙臺市日光溫室后屋面參數優化設計

袁行健，吳興國，徐 皓，陳曉峰

（中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

日光溫室與其他溫室類型相比，具有成本低、光能利用率高、保溫性能好的特點，適合中高緯度地區越冬茬栽培，在中國北方地區得到了大面積的推廣［1，2］。山東作為中國最大的農業生產地，設施所占比重較高，尤以日光溫室和拱棚（或者大棚）栽培為主［3］。煙臺市作為山東省重要的果蔬生產基地，每年設施生產的特色果蔬產品在全國占有重要地位。煙臺市位于東經119°34′—121°57′，北緯36°16′—38°23′，屬溫帶季風氣候，四季變化和季風進退都比較明顯。截至2018年，煙臺市擁有冬暖式日光溫室7萬余個，設施蔬菜產值達到4.5億元，占煙臺蔬菜產業總產值的85%［4］，可見設施栽培已成為煙臺市農業的主要栽培形式。通過對煙臺市設施結構調研發現，煙臺市日光溫室后屋面的設計較為隨意，而后屋面對于日光溫室的性能有著很大的影響。

近幾十年來，科研人員針對生產實際構建了許多不同后屋面構造和材質的日光溫室，如無后屋面日光溫室［5］、大棚型日光溫室［6，7］、裝配式日光溫室［8］等，對其3個主要參數傾角、水平投影寬度和構造也有比較深入的研究。李霞等［9］對中國北方日光溫室合理采光時段的屋面傾角進行了理論計算與分析。李家寧等［10］研究表明，不同屋面傾角對進光量有顯著影響，隨著屋面傾角的增大，透光量也隨著增加。陳端生［11］建議后屋面投影寬度占溫室跨度的17%～25%進行設計較為合理。魏曉明等［12］指出后屋面的投影寬度以種植區最后一排作物冠層可接受到夏至日正午太陽光為基準來確定。白義奎等［13］則認為后屋面的投影寬度以冬至日光溫室采光面截獲的太陽能與春分地平面截獲的太陽能相等最適合生產栽培。2003年公布的國家標準中規定日光溫室的后屋面投影寬度應為溫室跨度的17%～25%［14］，王云冰等［15］分析了各種高效保溫材料對日光溫室后屋面的熱工性能，發現擠塑板具有較好保溫性和實用性，適宜日光溫室使用。

為研究后屋面對日光溫室室內的環境影響，采用單因素分析方法最為簡單有效，但在實際生產建造中不切實際。絕大多數日光溫室建造成本在75萬～150萬元∕hm2，采用實際建造法研究后屋面的3大參數對日光溫室內的光環境變化影響成本太高，也很難實現，借助日光溫室光環境模擬軟件就可以很好地解決這一問題。日光溫室光照環境影響因素眾多，溫室方位、屋面形狀、地下參數等因素在實際生產中多為固定類型，可以只改變后屋面的傾角、水平投影寬度和構造，模擬研究不同參數對日光溫室室內光照環境的影響。

1.1 目標溫室的選取以及參數設定

模擬所采用的氣象數據文件來源于《中國建筑熱環境分析專用氣象數據庫》，包含270個氣象臺站的實測數據。

目標溫室位于煙臺市牟平區莒格莊鎮新建村，地理位置為北緯37°32′、東經121°24′，海拔高度47 m。日光溫室模型為東西走向，方位角為南偏西3.5°，長度為60 m，跨度9 m，溫室的脊高為3.47 m，溫室后墻高度為2.6 m，后屋面傾角為36°，后屋面水平投影寬度為1.2 m，后屋面主體構造由內到外依次為PVA薄膜、60 mm厚聚苯板、100 mm厚草苫、150 mm草泥。溫室前屋面覆蓋厚0.1 mm EVA薄膜，薄膜的外側覆蓋3 cm厚保溫被，溫室間距為6.5 m。溫室密閉性良好，土地類型為壤土，無覆蓋，室內植物繁茂程度一般，植物高度1 m，溫室內植物與后墻面最少間距為1.2 m。溫室通風按照冬季日光溫室常規管理進行。

1.2 日光溫室模擬軟件準確性的驗證

日光溫室相關參數模擬與實測時間段為2019年12月5日上午6：00至2019年12月12日凌晨5：00，測定時間間隔為1 h，測定位置為通風口下方，距離地面高度2 m。

中國農業大學開發的日光溫室熱環境分析軟件，運用工程熱物理和溫室環境工程等理論，可有效構建日光溫室熱環境的動態模型，該軟件精確性和實用性也通過眾多研究者在具體生產實際中得以確認，被廣泛應用于日光溫室熱環境優化研究［16，17］。本研究采用有限差分等數值分析方法，對給定地理位置、室外氣象條件下的建筑參數、建筑材料和構造方案進行室內熱環境全天變化情況的模擬，對日光溫室熱環境性能進行預測和評價，以確定優化的設計方案［18］。目標溫室實測溫度與模擬理論氣溫曲線如圖1所示。

圖1 模擬和實際檢測下冬季溫室內氣溫

將得到的模擬結果與實測該溫室內部溫度光輻射能量結果進行對比，結果見表1。由表1可知，3個重要對比指標的相似度均達到95%以上，故該模擬軟件準確可靠。

表1 對比指標及相似度

2 后屋面參數的選擇

后屋面的參數主要有傾角、水平投影寬度、構造，通過實地調研以及查閱相關資料和文獻獲取其大概值，模擬得出最優方案。

2.1 傾角的選擇

日光溫室后屋面的傾角是指日光溫室后屋面與水平面之間的夾角，其大小對日光溫室的采光及保溫性均有一定影響。日光溫室后屋面的傾角應該略大于當地冬至正午的太陽高度角，在冬季生產時，使太陽直射光能照射到日光溫室后屋面內側（使得冬季可以獲取更多的能量）；在夏季生產時，避免太陽直射光照到后屋面內側（避免溫室內過熱）［18］。因此一般后屋面傾角取當地冬至正午太陽高度角再加5°～8°。煙臺市位于北緯36°16′—38°23′，根據正午太陽高度角計算公式：h=90°-|φ-δ|，其中φ表示觀測地地理緯度，δ表示太陽赤緯，推算出煙臺市冬至正午太陽高度角。根據模擬結果以及生產實際，選取了36°、38°、40°3個角度作為最終結論的備選方案。

2.2 水平投影寬度的選擇

日光溫室后屋面的水平投影直接影響日光溫室的保溫性能及其內部的光照情況。當日光溫室后屋面水平投影變長時，日光溫室的保溫性能提高，但太長的話，當太陽高度角較大時，就會出現溫室后屋面遮光的現象，使得日光溫室北部出現大面積陰影。而且日光溫室后屋面水平投影太長，其前屋面的采光將減小，造成日光溫室白天升溫過慢。反之，日光溫室后屋面水平投影太短，日光溫室內部的保溫性能降低，形成日光溫室白天升溫快晚上降溫也快的情況，不利于作物生長［19］。

日光溫室后屋面的水平投影隨溫室構造以及地理緯度的改變而改變，大致與日光溫室的跨度和前屋面傾角呈正相關關系，與后墻高度呈現負相關關系［20］。傳統的溫室設計，后屋面水平投影一般取其跨度長的20%～30%［21］。根據上述理論，再通過查閱相關資料以及結合煙臺市的實地調研結果，選取了1.2、1.3、1.4 m 3個長度作為最終結論的備選方案。

2.3 構造的選擇

通過對煙臺市日光溫室構造的調查，發現大部分后屋面的建造材料大多就地取材，價格較為低廉，保溫性差，壽命短，不符合現代農業的理念，通過溫室模擬以及生產實際設計出兩種構造，即從里向外應有防水層、承重層、保溫層和防水層［22］，設計出兩種構造A和B。

A：0.1 mm薄膜+100 mm聚苯板+200 mm混凝土砂漿；

B：0.1 mm薄膜+120 mm擠塑板+150 mm混凝土砂漿。

結合后屋面構造選用保溫材料的總體要求是質地輕、保溫性好、密封嚴、抗壓以及耐用［23］，溫室后屋面主要保溫材料的熱性能參數如表2所示。

表2 兩種主要保溫材料熱工性能

3 模擬參數設定與模擬數據結果

結合前期3個參數及構造類型設定模擬數據，同時對夜間平均氣溫（當天18：00至次日6：00）和室內日平均氣溫進行統計，具體模擬結果見表3。由表3可知，溫室9的光環境最好，后屋面參數為傾角38°，水平投影寬度1.3 m，構造為B。傾角38°和構造B參數組合的光環境要普遍優于其他組合，溫度高出4%左右。實際模擬時，運用控制變量法，著重研究了設計方案1、7、9、10、11、13。為方便對比，將它們分別改為編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅴ、Ⅲ。修改后的后屋面主要參數及序號對照如表4所示。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ互為對照，變量為后屋面傾角；Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ互為對照，變量為后屋面水平投影寬度；Ⅳ、Ⅵ互為對照，變量為后屋面構造。

表3 后屋面主要參數及模擬數據對照

表4 修改后的后屋面主要參數

作物在生長發育時期，不僅要求一定的溫度水平（溫度的高低），而且還需要一定的熱量總和。因此，除了溫度高低，還選取了積溫作為日光溫室內性能評價指標。日光溫室栽培時，室溫長期低于5℃，作物生長停止，極易發生凍害［15］，夜間氣溫較低使得溫室結露時間早，結露嚴重，溫室容易發生病蟲害，影響農作物產量。日光溫室內高于5℃的模擬活動積溫見圖2。由圖2可知，在特定時間段內，溫室Ⅰ高于5℃的活動積溫為1 987℃，溫室Ⅱ高于5℃的活動積溫為2 513℃，溫室Ⅲ高于5℃的活動積溫為2 260℃，溫室Ⅱ比溫室Ⅰ多26.47%，溫室Ⅱ比溫室Ⅲ高出11.19%。結果表明，后屋面最佳傾角應為38°；溫室Ⅱ高于5℃的活動積溫為2 513℃，溫室Ⅳ高于5℃的活動積溫為2 833℃，溫室Ⅴ高于5℃的活動積溫為2 360℃，溫室Ⅳ比溫室Ⅱ多12.73%，溫室Ⅳ比溫室Ⅴ高出20.04%。通過對比，可以看出溫室Ⅳ的積溫明顯高于另外兩種溫室設計方案。根據模擬結果推斷出溫室后屋面的最佳水平投影長度為1.3 m；在模擬時間段內，溫室Ⅳ高于5℃的活動積溫為2 833℃，溫室Ⅵ高于5℃的活動積溫為2 500℃，溫室采用構造B的活動積溫要明顯優于構造A。

圖2 日光溫室室內活動積溫

為進一步保證方案的準確性，又把原日光溫室與方案溫室的其他光環境進行了對比。結果表明，當日光溫室其他結構不變，后屋面傾角從36°增加到38°時，水平投影寬度從1.2 m變為1.3 m，構造變為0.1 mm薄膜+120 mm擠塑板+150 mm混凝土砂漿時，日光溫室在指定時間段內，溫室地面、墻面和后屋面的平均輻射通量密度分別增加了1.2%、6.3%和9.4%；單位溫室長度的溫室地面、墻面和后屋面的累計光輻射能量分別增加了1.3%、6.5%和30%；單位溫室長度的累計光輻射總能量也有所增加。實際和模擬最優化的日光溫室結構見圖3。

圖3 日光溫室結構

4 小結與討論

經分析得出，在溫室跨度為9 m時，溫室Ⅳ的后屋面設計為最佳方案，即后屋面傾角采取38°，水平投影寬度設定為1.3 m，構造為0.1 mm薄膜+120 mm擠塑板+150 mm混凝土砂漿。

研究給出了煙臺市后屋面設計的最佳方案，具有理論借鑒和重要的實用性。但煙臺市日光溫室建設規模較大、形式多樣，對于煙臺市部分地區，在溫室后屋面參數方面還有必要進一步探討和研究。