倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验

2015年04月18日

                                                         倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验

                                                                    张 勇,邹志荣※,李建明

 

摘 要: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。
关键词:温室,屋面,采光,结构,日光温室,倾转屋面,节能
doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.01.017
中图分类号:S625.1 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2014)-01-0129-09
张 勇,邹志荣,李建明. 倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验[J]. 农业工程学报,2014,30(1):129-137.
Zhang Yong, Zou Zhirong, Li Jianming. Performance experiment on lighting and thermal storage in tilting roof
solar-greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014,
30(1): 129-137. (in Chinese with English abstract)
0 引 言
如何优化温室结构,最大程度地高效利用太阳
能以改善温室内植物生长环境,是温室结构设计方
面的首要解决的问题[1-2]。长期以来由于日光温室均
采用固定采光结构,日光温室采光屋面的研究主要
集中在采光弧度的设计,但是,通过试验研究发现,
在采光材料透光率变化较大的情况下,单纯改变采
光面的弧度,日光温室采光性能变化甚微[3-6]。
很多研究人员投入了大量的时间和精力来研
究采光屋面的弧线形状,但是由于采光问题的复杂
性、特殊性,相关研究尚未解决改善日光温室室内
光照的关键性问题。研究表明,在相同的高差范围
下,采用不同曲线的温室采光面,其采光效果差异
很小[7-9]。因此,单纯通过改变温室采光面的曲率,
不能从根本上解决日光温室现存的采光不足、保温
收稿日期:2013-08-05 修订日期:2013-11-21
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD29B01);国家
高技术研究发展计划项目(2011AA100504);博士科研项目联合资助
作者简介:张 勇(1977-),男,陕西榆林人,讲师,博士,2011
年赴美国伊利诺伊大学研修,主要从事温室建筑结构研究和现代农业园
区规划设计。杨凌 西北农林科技大学园艺学院,712100。
Email:Landscape@nwsuaf.edu.cn
※通信作者:邹志荣(1956-),男,陕西延安人,西北农林科技大学
教授,博士生导师,主要从事设施农业研究。杨凌 西北农林科技大学
园艺学院,712100。Email:zouzhirong@163.com
困难等问题。
从根本上提高采光面的透光性能主要有如下几
个方面,首先,要选择高透光率的采光覆盖材料,
但这一方式提高的潜力有限。因为实践中应用的透
光材料透光率都在80%~90%[10-12],而且如果不考
虑价格因素,可以选择93%以上透光率的产品[13-15];
其次,提高日光温室采光屋面的角度,保证高效的
采光入射角度。在这一方面,前人的研究大都集中
于通过直接增加温室的屋脊高度或者改变采光面
曲率的方法,进而增加前屋面的采光角度[16-19]。研
究表明,该方法切实有效,但是,该方法会导致如
下两个直接的问题,第一,在实践中需要不断地根
据项目地的气象参数来修改日光温室的基本结构
参数,同时验算风雪荷载对结构的影响,导致温室
结构设计难以实现标准化,进而导致日光温室结构
设计的混乱;第二,由于增加了日光温室的屋脊高
度,会直接导致日光温室内净高过高,非植物生长
空间增大,也会直接增加温室的能耗,不利于温室
保温和温室建筑安全,同时也会大大增加温室的建
筑成本。
最后,通过结构分析可以发现,在太阳高度角
偏低的冬季,一般日光温室的前采光屋面中约有
50%的屋面,其采光入射角大于40°,该部分的采
光屋面自然都处于不合理采光角范围[20-22]。在实践
中,如果能够将这部分采光屋面的采光角度进行改
·农业生物环境与能源工程·
农业工程学报 2014 年
130
进,则可以大大提高日光温室前屋面的采光性能。
研究表明,在相同高跨比的采光面结构中,直线屋
面具有较好的采光性能[7-9],而且在施工中,由于直
线结构更趋于简单化,结构的性价比会进一步提高。
基于以上的理论分析,本文设计了倾转屋面日光温
室,该温室结构的采光面倾角可根据日光温室采光
的需要进行主动变化,并与传统固定采光角日光温
室进行了对比试验,以期实现对太阳能的高效利用。
1 倾转屋面日光温室
普通的固定采光面日光温室见图1。由图1 中
可知,传统8 m 跨日光温室(图1a)和普通9 m 跨
固定采光面温室(图1b)屋面角度随屋面弧度变化,
从7°到70°连续变化。即使是在西安地区冬至日的
正午,普通的固定采光面日光温室也仅有约60%的
屋面太阳入射角小于40°,其他部分均大于40°,如
若再考虑09:00 的低太阳高度角,将会有更多的采
光面处于不利采光角度。因此,固定采光面温室由
于结构设计上的原因,无法保证温室的采光面在冬
季获得较佳的采光效率。
1.冬至早09:00入射光线 2. 冬至正午入射光线
1. Incident ray at 09:00 am on the Winter Solstice day 2. Incident ray at
noon on the Winter Solstice day
a. 普通8 m 跨日光温室结构图
a. Sectional view of common solar-greenhouse with 8m-span
1. 冬至早09:00太阳高度 2. 冬至正午太阳高度 3. 后墙蓄热风道
1. The incident ray at 09:00 am on the Winter Solstice day 2. The incident
ray at noon on the Winter Solstice day 3. The thermal storage tunnel
located in back-wall
b. 普通9 m 跨节能日光温室结构图
b. Sectional view of common energy saving solar-greenhouse with 9 m-span
图1 固定采光面日光温室结构图
Fig.1 Sectional view of greenhouse with fixed lighting
surface
在总结前人研究的基础上,本文提出具有可变
倾角采光面的倾转屋面日光温室新型结构。本温室
墙体结构为内墙370 mm 砖墙、外墙370 mm 砖墙,
中间为620 mm 夹层,夹层由500 mm 厚土和
100 mm 厚EPS(聚苯乙烯)保温板构成;外部建
筑尺寸为东西长50 m,跨度9.0 m(见图2)。该
结构在设计上包括屋面固定骨架和屋面活动骨架,
固定骨架和屋面活动骨架通过连接机构相连,连接
机构包括电机支架和传动轴,电机支架上有减速电
机,减速电机连接有传动轴,传动轴上连接有齿轮
齿条传动系统。在齿轮齿条传动系统传动的驱动
下,其前屋面可以整体以前屋脚为轴转动,进而温
室前采光面的采光角度可以根据采光需要进行连
续改变自身的倾角,跟随外界的光照变化,从而达
到最大限度地提高采光效率的目的。
倾转屋面日光温室前屋脚部分采光面倾角为
53°,机动屋面的倾角在25°到35°之间连续变化,
对应的太阳入射角也逐时发生着变化(在西安地区
冬至日09:00,温室前采光面的太阳入射角角度为
35°),因此,可以得出倾转屋面日光温室能够保证
温室前采光面在冬季的各天内都达到最佳的采光
入射角,因而能获得最佳的采光效率。由图2 可知,
由于采光材料的透射具有特殊性,而该角度变化的
范围,恰好能使采光屋面角由非常不利的条件转变
为高透光率角度范围,因此可以从根本上大大地提
高日光温室的采光性能。
1. 倾转屋面 2. 固定屋架 3. 冬至早09:00入射光线 4. 冬至正午入射光线
1. Tilting roof 2. Fixed roof 3. The incident ray at 09:00 am on the
Winter Solstice day 4. The incident ray at noon on the Winter Solstice day
图2 倾转屋面日光温室结构图
Fig.2 Sectional view of tilting roof solar-greenhouse
2 倾转屋面日光温室采光性能理论分析
如前所述,日光温室的采光性能主要受到温室
采光材料的性能、太阳高度角和以此所决定的太阳
入射角的影响。为了得到日光温室采光性能与其采
光材料、结构形状、建筑尺寸、节气和太阳高度之
间的关系,找出各因素对日光温室采光性能的影
第1 期 张 勇等:倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验
131
响,分析研究其变化规律。本文首先对日光温室的
采光性能从太阳高度角、太阳光在透光材料的入射
角和以此所确定的日光温室合理倾角三个方面进
行了理论分析。
2.1 日光温室采光性能主要影响因子分析
2.1.1 冬至日太阳高度角逐时计算分析
按照冬至日正午太阳高度角h(°)计算公式
h=90°-|φ(±)β| (1)
式中,φ 为观测地地理纬度,(°);β 为太阳直射点
的地理纬度,(°)。在实践中,太阳高度角随着地方
时和太阳赤纬的变化而变化。
全天逐时太阳高度角的计算公式[23-29]
sin(h) = sinφ sinδ + cosφ cosδ cosω (2)
式中,δ 为太阳赤纬,(°);φ 为观测地地理纬度,(°);
ω 为真太阳时(时角),(°)。
现对西安太阳高度角进行详细分析,西安地理坐
标:34°16′N 108°54′E/34.267°N 108.9°E;北回归纬度
23°26′。以2012 年12 月21 日(2012 年冬至日)为
例,依据太阳高度角计算公式详细计算每一个时刻的
太阳高度角。为系统对比太阳高度角变化规律,一并
计算该年冬至日前一月对应日(即2012 年11 月21
日)和该年冬至日后一个月对应日(即2013 年1 月
21 日)的各时刻太阳高度角数据,如图3 所示。
图3 太阳高度角逐时分析图
Fig.3 Analysis chart of sun elevation angle hourly
2.1.2 日光温室透光覆盖材料性能分析
在当前生产实践中,温室的覆盖材料一般为PE
塑料薄膜和玻璃,而且由于PE 薄膜的优良性能,
故其在生产得到了大量的应用。作为日光温室主要
透光覆盖材料,可以从PE 透光材料的透光率图(图
4)可以得到该材料的透光性能。由图4 可知,当
入射角小于40°时,透光率随入射角的变化很小,
约在5%以内,当入射角超过40°时,透光率随入射
角变化逐步增大,当入射角为50°时透光率下降约
为5%,入射角为60°时透光率下降约为10%,入射
角超过60°时,透光率骤然下降[30-32]。因此,在日
光温室结构设计中需要我们巧妙地把握该材料的
采光特性,进而达到优化日光温室结构设计。
图4 温室透光覆盖材料入射角和透光率关系图
Fig.4 Correlation between incident angle transmittance and
greenhouse glazing materials
2.1.3 日光温室逐日合理最小采光倾角分析
由图4 的曲线可知,以透光的聚乙烯薄膜(PE)
为采光材料的日光温室,要想获得最大的太阳辐射
就必须保证最大限度地截获太阳直射辐射的能量,
也即在温室采光面的设计上,使其具有合理的采光
角度。保证位于该角度范围内的采光面太阳入射角
度小于40°。由于日光温室为方位角固定的建筑,
以每天正午时刻为代表计算日光温室的合理采光
角度,因此,日光温室冬季逐日合理最小采光倾角
计算式为
90 40 op β = − h − (3)
式中,βop 为逐日合理最小采光倾角,(°)。
综合分析2012 年12 月21 日(2012 年冬至日),
依据日光温室冬季逐日合理最小采光倾角计算公
式详细计算每天的高效采光倾角如图5。从图5 可
以得到,日光温室采光面的最佳角度每天会规律性
地变化,而且在冬至日以及前后的3 个月里具有类
似的趋势,因此,倾转屋面可以通过改变屋面采光
角,进而改善日光温室采光性能。
图5 日光温室采光面合理最小倾角逐时分析图
Fig.5 Analysis chart of reasonable minimum roof dip of
greenhouse lighting surface hourly
农业工程学报 2014 年
132
2.2 倾转屋面日光温室与固定采光面日光温室冬
至日采光性能分析
从图3 可以得知,冬至日当天各不同时刻的太
阳高度角有较大的变化,变化规律为早晨和傍晚低
中午高,而且冬至日前一个月和后一月对应日的太
阳高度角也有相同的变化趋势。现从建筑结构角度
对温室的采光性能做如下分析:
首先分析倾转屋面日光温室和固定采光面日
光温室的总体采光性能,从图1 和图2 中可知,在
冬至日正午倾转屋面日光温室的全采光面入射角
为23°,而同一时刻对照的固定采光面温室有近
46%的采光面入射角大于40°。因此,可以得知,
该时段倾转屋面日光温室的前采光全部处于最佳
的采光角度,具有高效的采光效率;而相比之下,
固定采光面的温室却有近46%的采光面处于低效
采光角度范围。为全面分析,再选取冬至日早晨
09:00 进行对比分析,在该时刻倾转屋面日光温室
全采光屋面的入射角为36°,而同一时刻对照的固
定采光面温室约有62%的采光面入射角大于40°。
因此从总体采光效率方面来说,固定采光面日光温
室会较倾转屋面日光温室低。
其次,对于本试验日光温室进行详细分析。从
图1 可知,对于普通固定采光面日光温室,8 m 跨
结构采光面长度一般为8 180 mm,其中有5 053 mm
采光面在冬至日早晨09:00 时采光角度为7°~27°,
占前屋面全部采光面积的61.8%,对应的太阳光入
射角大于40°。只有其余的38.2%的采光面采光角
度大于27°,对应的太阳光入射角小于40°,也即仅
有38.2%的采光面处于合理采光角范围。同样分析
9 m 跨结构固定采光面日光温室,采光面长度一般
为9 230 mm,其中有6 180 mm(占前屋面全部采
光面积的66.9%)对应的太阳光入射角大于40°,
也即仅有33.1%的采光面处于合理采光角范围。
采用同样的方法分析冬至日正午采光面的采
光性能可知,对于普通固定采光面日光温室,8 m
跨结构采光面中有3 018 mm 采光面在冬至日正午
12:00 时采光角度为7°~18°,占前屋面全部采光面
积的36.9%,对应的太阳光入射角大于40°。只有
其余的63.1%的采光面采光角度大于18°,对应的
太阳光入射角小于40°,也即有63.1%的采光面处
于合理采光角范围。同样分析9 m 跨结构固定采光
面日光温室,采光面中有2 665 mm(占前屋面全部
采光面积的28.9%)对应的太阳光入射角大于40°,
也即有71.1%的采光面处于合理采光角范围。
通过以上分析得知,普通固定采光面日光温室
在冬至日当天仅有40%的采光面能保证太阳光有
较佳的太阳入射角。剩余60%的屋面在除正午前后
1 h 内,其余时段均处于低效采光角范围。而相同
外部采光条件下,从图2 可知,倾转屋面日光温室
在冬至日全天都能在全部采光屋面上保证太阳光
有最佳的太阳入射角,即使是在太阳高度角最小的
冬至日早晨09:00,温室采光面的太阳光入射角最
大仅为35°,因此,对于倾转屋面日光温室来说,
其全屋面均能在早晨09:00 至下午16:00 间获得最
佳的太阳光入射角和最大的太阳光采光率。
详细分析冬至日当日以及前后连续2个月的太阳
高度角变化规律可知,在这连续的3 个月中,日光温
室的采光性能都具有相似的特性。因此,可以得出在
冬至日,以及前后的连续3 个月内,固定采光倾角日
光温室仅能保证每日4 h,以及约50%的采光面达到
较佳的采光角度;而倾转屋面日光温室能保证每日
7 h,全采光面的最佳采光角度和最大的采光率。
3 试验
3.1 试验温室
试验温室总共3 座,分别为倾转屋面日光温室
1 座,固定采光面日光温室2 座(见图6)。3 座均
温室坐北朝南,方位为正南方向。所有温室均建于
中国杨凌农业高新技术产业示范区现代农业示范
园-创新园区内。倾转屋面日光温室(图6a)和普
通9 m 跨节能日光温室(图6c)墙体结构一致,结
构均为内墙370 mm 砖墙、外墙370 mm 砖墙,中
间为620 mm 夹层,夹层由500 mm 厚土和100 mm
厚EPS(聚苯乙烯)保温板构成;建筑尺寸为东西
长50 m,跨度9.0 m。普通8 m 跨固定采光面日光
温室(图6b)建筑尺寸为东西长50 m,跨度8 m;
后墙采用内外墙370 mm 砖墙、中间为EPS(聚苯
乙烯板)板。所有日光温室前屋面覆盖材料均采用
PE 薄膜,厚度0.08 mm。夜间保温覆盖物为保温被,
保温被上午08:00 开启,下午17:00 关闭。
a. 倾转屋面试验温室
a. Trial greenhouse of tilting roof solar-greenhouse
b. 普通8 m跨日光温室
b. External appearance of 8 m-span common solar-greenhouse
第1 期 张 勇等:倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验
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c. 普通9 m跨节能日光温室
c. External appearance of 9m-span common solar-greenhouse
图6 试验温室外观图
Fig.6 External appearance of trial greenhouse
倾转屋面日光温室(图6a)与普通固定采光面
日光温室(图6b、图6c)的差异是倾转屋面日光
温室采用了传动机构,进而可以使日光温室前采光
屋面根据太阳高度角的变化而相应地转动,从而保
持温室前采光屋面达到较佳的采光角度。
3.2 测试仪器及测点分布
此试验采用对照分析的方法,最终温度、辐照
度数据采用多点平均的方法确定。其中倾转屋面日
光温室和普通9m 跨节能日光温室为新建温室。传
统对照日光温室为现有温室,3 个试验温室所处的
外部环境一致。试验包括2 个方面:测量3 个温室
的室内外温度变化以及温室内外太阳辐照度。
3.2.1 观测仪器
四路长期数据记录仪(PDE-R10):哈尔滨物
格电子技术有限公司,主要包括温湿度传感器探
头、土壤温度传感器探头及辐照度。温度测量范围
为-50~120℃,湿度测量范围为0~99%,光照度测
量范围为0~200 000 lux,温度测量精度为±0.5℃,
湿度测量精度为±3%,光照度测量精度为±7%。
辐射数据采集仪:河北鼎睿电子产品销售有限
公司,包括太阳总辐射传感器探头和光合有效光量
子流密度探头,测量范围为太阳总辐射(0 ~
2 000 W/m2 ) , 光合有效光量子流密度( 0 ~
4 000 μmol/m2 ) , 测量精度为太阳总辐射
(0.1 W/m2),光合有效光量子流密度(0.1 μmol/m2)。
3.2.2 温度、光照仪器测点布置
光照探头在3 个温室中各布置2 个,总共6 个
测点。光照探头的布置方式为,沿温室跨度方向布
置在温室的中部,沿温室屋脊方向2 个测点布置在
温室长度方向的几何3 等分点,总体为均匀布置。
垂直位置位于地面以上1.2 m 高度处。
温度探头在3 个温室中各布置2 个,总共6 个
测点。所有测点高度、距温室后墙位置和光照测点
一致。在试验中设定记录数据的时间间隔为600 s。
4 结果与分析
冬季日光温室生产的主要季节在1~3 月份,因
此,选取2013 年1 月1 日-2013 年3 月1 日之间的
典型代表天气作为代表日,进行详细的数据分析。
4.1 温室室内辐照度分析
本试验以温室作物生产的主要月份为例进行
分析,分别以2013 年1 月17 日(晴),2013 年1
月19 日(阴转雨夹雪),2013 年2 月10 日(多云)
的试验测试数据为依据,得到倾转屋面日光温室与
普通固定采光屋面温室的全天辐照度变化曲线(图
7 所示)和倾转屋面日光温室较普通固定采光屋面
温室的辐照度增加率(见表1)。
图7 倾转屋面与普通固定采光面日光温室室内及室外辐
照度曲线
Fig.7 Indoor and outdoor irradiance on time curves of tilting
roof solar-greenhouse and types with fixed roof
农业工程学报 2014 年
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表1 典型代表天气辐照度增加率分析表
Table 1 Calculation table of indoor irradiance increasing rate
倾转屋面温室辐照度增加率
Indoor irradiance increasing rate of tilting roof
solar-greenhouse/% 日期
Date 与8 m跨普通温室比较
Compared to common
solar-greenhouse with
8 m-span
与9 m跨普通温室比较
Compared to common
solar-greenhouse with
9 m-span
2013-01-17(晴) 32.9 18.8
2013-01-19
(阴转雨夹雪) 129.3 90.0
2013-02-10
(多云) 50.6 31.3
晴天、多云平均 41.75 25.05
各代表天气平均 70.9 46.7
注:采光时段(09:00~16:00)。
Note:Lighting period (09:00~16:00).
由图7 和表1 可知,在各典型代表天气条件下
辐照度的变化曲线以及辐照度增加在全天分布上
具有早晨、傍晚辐照度增加率较大,中午增加比率
较小的特点。由于冬季早晨和傍晚的辐照度低,因
此上午是作物光和作用的关键时段,而傍晚则是温
室蓄热的重要时段[33-35],因此倾转屋面新型结构的
采光特性符合日光温室内植物的生长需求,能够大
幅提高日光温室的冬季生产能力。
由表1 可知,在2013 年1 月17 日(晴),2013
年1 月19 日(阴转雨夹雪),2013 年2 月10 日(多
云)的采光时段09:00~16:00 之间,倾转屋面日
光温室由于采用了可变倾角屋面结构,室内的辐照
度较8 m 跨和9 m 跨普通固定采光面日光温室高。
综合分析不同时间代表天气的性能,从全天采
光效果来看,倾转屋面日光温室室内辐照度较普通
8、9 m 跨固定采光面日光温室增加率分别为70.9%
和46.7%。结合生产实践中的温室实际应用主要是
在晴天和多云天气条件,可以得出,倾转屋面日光
温室较普通8、9 m 跨固定采光面日光温室,整体
采光率提高分别为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。
4.2 温室内温度的日变化
本试验以温室作物生产的主要月份为例进行
分析,分别以2013 年1 月17 日(晴)2013 年1 月
19 日(阴转雨夹雪),2013 年2 月10 日(多云)
的试验测试数据为依据,倾转屋面日光温室与普通
8、9 m 跨固定采光面日光温室的全天温室内温度变
化对比及室内温度度增加率如图8。
由图8 可知,倾转屋面日光温室内温度较普通
固定采光面日光温室有较明显的增高。在日光温室
的生产实践中,代表冬季日光温室结构性能的指标
一般为夜间温度,因此,本研究分析各典型天气条
件下的日光温室保温时段(每日的16:00~次日
09:00)温度平均值,分析得到表2。
图8 倾转屋面与固定采光面日光温室室内外温度曲线
Fig.8 Indoor and outdoor temperature on time curves of
tilting roof solar-greenhouse and types with fixed roof
表2 典型代表天气室内夜间平均温度增加值表
Table 2 Calculation table of indoor nocturnal temperature
increments
比8 m跨普通温室室内温度增加值
Indoor nocturnal temperature increments than
common solar-greenhouse with 8 m-span/℃ 日期
Date 倾转屋面温室
Tilting roof
solar-greenhouse
9 m跨普通温室
Common
solar-greenhouse with
9 m-span/℃
2013-01-17(晴) 3.0 3.8
2013-01-19
(阴转雨夹雪) 1.8 3.2
2013-02-10(多云) 4.7 5.4
各代表天气平均3.1 4.1
注:夜间保温时段(16:00~09:00)。
Note: Nocturnal period (16:00~09:00).
第1 期 张 勇等:倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验
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因此由图8 和表2 可以得出,倾转屋面日光温
室较普通固定采光面日光温室,夜间保温时段平均
温度整体提高了3.1℃;9 m 跨普通固定采光面温室
较8 m 跨普通固定采光面温室的室内夜间温度提高
了4.1℃。
4 讨论
对比倾转屋面日光温室与普通温室,在结构上
主要有以下3 个特点。1)温室结构骨架采用了直
线型的结构造型,使得温室骨架更加简便,从而有
效地降低了加工和安装成本,进而可以降低温室建
造价格。2)倾转屋面日光温室在结构上采用了活
动前屋面的倾转屋面形式,克服了日光温室采光率
提高瓶颈,试验倾转屋面日光温室的采光率平均提
高了约41.75%,温度平均提高了3.1℃。3)在实践
应用方面,具有可变倾角结构的倾转屋面日光温室
由于采用了可变的前屋面角,与普通固定采光面温
室结构相比,从结构上打破了地理纬度对日光温室
前屋面角的限制,也就是打破了该结构类型的地域
限制。因此,通过配合适应不同地域的温室后墙和
保温措施,该结构类型温室特别适用于日光温室的
工业标准化生产和推广。
通过试验分析,在采光性能方面新型倾转屋面
日光温室透光光率均大大高于传统8、9 m 跨固定
屋面日光温室,实践验证了新结构的优良的采光性
能。在温室室内温度性能方面,新型倾转屋面角日
光温室较8 m 跨传统温室平均温度高4.3℃,较9 m
跨传统温室平均温度低1.0℃。通过结构分析可知9
米跨传统温室室内温度稍高的原因是其后墙采用
了蓄热的风道,该结构措施虽然不影响温室的采光
性能,但却在一定程度上提高了温室的蓄热性能。
关于日光温室后墙主动蓄热的详细理论分析,需另
行研究阐述。
虽然本试验进行了严谨的试验设计,但试验地
处西北农林科技大学的自然条件下,在后续的研究
中需扩大试验范围,并将后墙的蓄热设计与倾转屋
面的结构加以结合研究,以期得到西北地区各个不
同地域的研究结果以使对日光温室倾转屋面的研
究更加完善。
5 结 论
1)本试验条件下,倾转屋面日光温室室内的
辐照度较普通8、9 m 跨固定采光面日光温室均有
较大幅度的增加。在晴天和多云采光天气条件下,
采光时段09:00~16:00 之间,整体采光率提高分
别为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。
2)本试验条件下,倾转屋面日光温室室内的
温度较普通固定采光面日光温室有较大幅度的提
高,表现为整体温度水平提高。倾转屋面日光温室
较普通固定采光面日光温室,保温时段平均温度整
体提高了3.1℃;9 m 跨普通固定采光面温室较8 m
跨普通固定采光面温室的室内温度提高了4.1℃。
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Performance experiment on lighting and thermal storage in tilting
roof solar-greenhouse
Zhang Yong, Zou Zhirong※, Li Jianming
(College of Horticulture, Northwest University of Agriculture & Forestry, Yangling 712100, China)
Abstract: The arch roof structure has been widely used in designing solar-greenhouse to efficiently utilize solar
energy. The arc structure of solar-greenhouse roof in solar-greenhouse lighting was investigated in this study. The
experiment results indicated that the light penetration is essentially same for different arch roof structures under
the same ratio of rise to span. The patterns of arch structure and the light transmittance performance were further
investigated inside the solar-greenhouse. The linear roof had better performance under the same height-span ratio.
We designed a tilting roof solar-greenhouse based on the theoretical analysis. The inclination angle of roof could
be adjusted for different demands of daylight under different climate conditions. Its structure is simple,
economical and efficient. All studies in this paper are mainly aimed at what is called a “solar-greenhouse with
active day lighting technology”.
This paper describes three types of solar-greenhouses: one innovation structure with the tilting roof
solar-greenhouse, and two normal structures with fixed roof angle and 8m-span and 9m-span solar-greenhouse,
respectively. Compared to the normal solar-greenhouse with fixed roof angle, the tilting roof solar-greenhouse has
new form roof with adjustable tilt angle. The dip angle of the tilting roof-greenhouse’s lighting surface can be
adjusted based on different solar altitudes. The dip angle of the tilting roof-greenhouse’s lighting surface is
increased if the solar altitude is decreased. In this paper different experimental data was analyzed using the
lighting analysis method. The temperature and the solar irradiance changing rate indoors and outdoors of
solar-greenhouse were used to develop a new structural model of high-performance greenhouse.
The tilting roof solar-greenhouse is more efficient in utilization of solar energy and raising temperature.
Illumination and indoor temperature in the greenhouse with active tilting roof technology has a great enhancement
compared with normal structure. The average increasing rate of lighting performance was 41.75%, e.g.
69.55W/m2 in the tilting roof solar-greenhouse during 09:00 am-16:00 pm. The solar-greenhouse with adjustable
tilt angle was the most economic structure based on synthesized indexes. This structure increased the day-lighting
performance by 25.05%, e.g.38.99 w/m2, compared with the solar-greenhouse with fixed roof angle and with the
same height-span ratio. Compared with the normal type with fixed roof angle, the mean indoor temperature
increased is 3.1℃ in the greenhouse with active tilting roof at the heat preservation period.
This paper also discusses the influence coefficient of active day lighting technology, analysis the significance and
skill of solar energy utilization in the design of new solar-greenhouse structure according to indoor day lighting
analysis of indoor average temperatures. It is expected that experiment results and analysis will support the
efficient utilization of Solar Energy and the improvement of greenhouse structure management.
Key words: greenhouses, roofs, lighting, structures, solar-greenhouse, tilting roof, energy conservation
(责任编辑:张俊芳)
来源:北京中荷创新温室材料技术有限公司

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