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黑龍江省友誼農場日光溫室節能設計

 論文欄目:農業基礎科學    更新時間:2018-03-12 14:39   

【摘 要】 針對目前友誼農場日光溫室冬季采光不足、保暖性差、采暖能耗大等問題,提出了新型設計方案,內容包括跨度、脊高、屋面角、后坡仰角、防寒溝等結構尺寸的設計及棚膜、保溫被、后墻材料的選擇;并對圍護結構及棚膜的熱損失進行了計算。 
  【關鍵詞】 友誼農場;日光溫室;節能設計 
  [Abstract] There are lighting problem and poor warmth and heating energy consumption in Friendship farm solar greenhouse,So the new design is proposed.Structure size design mainly include span and ridge height and roof angle and slope elevation and cold trench. Envelope materials are choosed.The heat loss of the envelope is calculated. 
  [Key words] friendship farm ;solar greenhouse; energy saving design 
  1 前言 
  友誼農場位于北緯46°28′15″至46°58′39″。地處嚴寒地區,冬季溫度低,適宜于發展日光溫室大棚。但是,友誼農場目前的日光溫室存在冬季采光不足、保暖性差、采暖能耗大等現象,冬季不加溫時,室內平均溫度3℃~5℃,僅能生產葉菜類植物。為了提高日光溫室的產量,改善保溫性能,則需要對日光溫室進行改造,以提高生產效益。 
  2 結構設計 
  2.1 建筑方位 
  溫室采用坐北朝南,東西延長的建筑方位,在農作物生長期間可以接收更多的太陽輻射。而友誼農場地處北緯40°以北-20℃低溫地區,為了延長溫室下午的光照時間,提高夜間的溫室內溫度,故選南偏西5°。 
  2.2 結構型式 
  采用248弓圓型無立柱日光溫室[1]結構設計,前屋面呈半徑2m圓形,空間大,有利于人工操作或者高桿作物的種植,并且無立柱的結構也增大了栽培所需面積。溫室屋面有效的利用了弓形結構,大大增強了溫室抗壓抗風能力,可以使溫室有效的抵御雪災等極端天氣。 
  2.3 結構尺寸 
  (1) 跨度 日光溫室結構組成的主要參數為方位角、跨度、脊高、屋面角、后坡仰角等,這些是決定日光溫室保溫性能好壞的重要參數[2]。日光溫室的跨度是自溫室南部底腳起至北墻內側的寬度。溫室的跨度一般選擇6~8m,有利于保證南屋面(前坡)有極大的采光角度,保證作物生長有較大的空間,又便于覆蓋保溫,還便于選擇建筑材料。 
  (2) 脊高 溫室的脊高越低,散熱量越小,但室內空間越小,溫室所獲得的熱量越少;溫室的脊高越大,則獲得熱量大,但前屋面的傾斜度容易過大,導致前屋面的散熱量增加,增加能耗。因此溫室的高度不能過高,也不能過低,一般脊高根據跨高比1:2.2進行選擇,計算結果為3.5~4.5m。 
  (3) 屋面角 溫室的屋面角是指塑料薄膜屋面與地平面的夾角[3]。溫室入射的太陽光強度隨著溫室的屋面角增大而增大;同時,屋面角越大,溫室的高度越高,能耗也隨之加大,故屋面角應設置在合理的范圍內。友誼農場地處北緯46.19°,北半球冬至日太陽直射點為北緯23°26′,屋面角的計算如下: 
  (4) 后坡 溫室后坡的作用是白天吸收太陽輻射能,晚上把熱量釋放到溫室空間。溫室的后坡仰角指后坡內側與后墻頂水平線的夾角。后坡仰角越小,水平投影越大,則溫室后部采光越少;后坡仰角越大,則溫室的水平投影越短,溫室后部采光越多。為了讓溫室的后坡內得到充足的日照,避免出現過度遮陰現象,其后坡仰角一般要求在35°~45°范圍內最佳[4]。而影響后坡仰角的主要因素是冬至日的太陽入射角及春分日的太陽入射角,具體計算如下: 
  后坡水平投影的長短也是影響溫室的采光性和保溫性的因素之一,后坡投影長,則遮光面積;后坡的水平投影短,則采光好,但不利于保溫。一般北緯41°以北地區后坡水平投影為L=1.3~1.5m,本設計選取1.5m。 
  后坡采用異質結構,由秸稈,草泥,稻殼,高粱殼等組成。外側為100mm厚聚苯板,覆蓋層為960型巖棉夾心板。 
  (5) 防寒溝 防寒溝的主要作用是減少土壤熱量的橫向熱傳導,提高土壤溫度。防寒溝設置在溫室的前沿,繞日光溫室一周布置,其寬度為40cm,深度要大于當地凍土層的厚度,友誼農場凍土層厚度為2m,故防寒溝深度取2.2m。防寒溝內填充珍珠巖作為保溫材料,外沿貼100mm厚聚苯板。 
  3 日光溫室材料選擇 
  溫室材料的選擇應符合國家相關標準,兼顧滿足溫室對其功能性及經濟性的要求。 
  3.1 后墻 
  后墻采用外保溫復合墻體[5]~[6],其結構從內至外為:400mm相變蓄熱材料[7](石蠟、高密度聚乙烯、和水泥砂漿混合制成)+480mm輕質加氣混凝土砌塊(尺寸為240mm×240mm×200mm)+120mm聚氨酯保溫材料。 
  3.2 保溫被 
  保溫杯面料選取淋膜無紡布[8],主要芯材為噴膠棉和雜絨的保溫被。其結構組成為淋膜軍用基布+化纖棉400g/m2+噴膠棉1000g/m2+珍珠棉(EPE)+軍用基布和淋膜無紡布+雜羊絨890mmg/m2+珍珠棉(EPE)10mm+無紡布。 
  3.3 棚膜 
  日光溫室栽培技術的普遍應用使農膜發展迅速,PO膜是目前農膜種類中表現最佳的一款產品。PO膜是由聚烯烴為主要材料,加入60%的茂金屬,其具有較強的保溫、透光、使用壽命及防靜電處理能力。所以棚膜材料選取PO膜[9]。
 4 熱損失計算 
  4.1 外墻、防寒溝及后坡熱損失計算 
  根據外墻、防寒溝及后坡各層導熱系數(見表1),采用穩態多層平壁導熱算法[10]對日光溫室的外墻、防寒溝及后坡的導熱量進行計算,假設溫室內部溫度15℃,查得雙鴨山地區室外計算溫度為-23.2℃[11]。溫室的主要設計參數如下:跨度8m;脊高4.5m;長度100m。在無內熱源情況下對外墻和后坡進行導熱量計算。 
  計算可得外墻熱損失為1611.86W;后坡熱損失為1149W;防寒溝熱阻為4.82w/m·℃。 
  4.2 棚膜熱損失計算 
  將棚膜視為灰體進行輻射熱損失計算。查資料得PO膜的發射率[ε=0.2~0.3]取0.25。棚膜為圓拱形,其面積近似選取為棚膜最高點與棚膜和大地接觸點連線所在平面為棚膜表面積,計算公式如下: 
  將數據代入,計算可得棚膜輻射熱損失為7164W。 
  5 總結 
  影響日光溫室生產效益的主要因素有兩個:其一是日光溫室圍護結構熱損失,設計中采用外保溫復合墻體,其中蓄熱層選用相變蓄熱材料,以增加墻體的蓄熱能力,墻體聚氨酯外掛,有效降低熱量從圍護結構的散失;其二是對太陽光輻射更好的利用,合理的屋面角、后坡、材料等可提高前屋面的透光率,增強對太陽光輻射的利用率,提高溫室的生產效益。 
  參考文獻: 
  [1] 魏寶發,魏寶福.248弓圓型無立柱日光溫室結構設計[B]. 農業裝備,2016. 
  [2] 陳超.現代日光溫室建筑熱工設計理論與方法[M].北京:科 學出版社,2017. 
  [3] 白義奎,周東升,曹剛等.北方寒區節能日光溫室建筑設計 理論與方法研究[J].新疆農業科學,2014,51(6):990-998. 
  [4] 中國標準出版社.日光溫室技術條件JB/T10286-2013[S]. 北京:中國標準出版社,2013. 
  [5] 石玉,潘媛媛,張毅等.不同復合墻體結構對日光溫室土壤 熱特性的影響[J].山西農業大學學報(自然科學版),2017, 37,(9):679-684. 
  [6] 李小芳,陳青云.墻體材料及其組合對日光溫室墻體保溫 性能的影響[J].中國生態農業學報,2016,14(4):185-189. 
  [7] 管勇,陳超,李琢.相變蓄熱墻體對日光溫室熱環境的改善 [J].農業工程報,2012,28(10):194-200. 
  [8] 肖棠,張海云,吳海峰等.日光溫室新型保溫被結構設計與 保溫性能研究[A].2016,44(25):233-237. 
  [9] 楊文雄,馬成偉.不同覆蓋材料對日光溫室室內光環境的 影響[J].農機化研究,2016(2):145-148. 
  [10] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(第四版)[M].北京:高等教育出版 社,2006. 
  [11] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第2版)[M].北京:中國建 筑工業出版社,2008.

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