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黑龙江省友谊农场日光温室节能设计

 论文栏目:农业基础科学    更新时间:2018-03-12 14:39   

【摘 要】 针对目前友谊农场日光温室冬季采光不足、保暖性差、采暖能耗大等问题,提出了新型设计方案,内容包括跨度、脊高、屋面角、后坡仰角、防寒沟等结构尺寸的设计及棚膜、保温被、后墙材料的选择;并对围护结构及棚膜的热损失进行了计算。 
  【关键词】 友谊农场;日光温室;节能设计 
  [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 
  友誼农场位于北纬46°28′15″至46°58′39″。地处严寒地区,冬季温度低,适宜于发展日光温室大棚。但是,友谊农场目前的日光温室存在冬季采光不足、保暖性差、采暖能耗大等现象,冬季不加温时,室内平均温度3℃~5℃,仅能生产叶菜类植物。为了提高日光温室的产量,改善保温性能,则需要对日光温室进行改造,以提高生产效益。 
  2 结构设计 
  2.1 建筑方位 
  温室采用坐北朝南,东西延长的建筑方位,在农作物生长期间可以接收更多的太阳辐射。而友谊农场地处北纬40°以北-20℃低温地区,为了延长温室下午的光照时间,提高夜间的温室内温度,故选南偏西5°。 
  2.2 结构型式 
  采用248弓圆型无立柱日光温室[1]结构设计,前屋面呈半径2m圆形,空间大,有利于人工操作或者高杆作物的种植,并且无立柱的结构也增大了栽培所需面积。温室屋面有效的利用了弓形结构,大大增强了温室抗压抗风能力,可以使温室有效的抵御雪灾等极端天气。 
  2.3 结构尺寸 
  (1) 跨度 日光温室结构组成的主要参数为方位角、跨度、脊高、屋面角、后坡仰角等,这些是决定日光温室保温性能好坏的重要参数[2]。日光温室的跨度是自温室南部底脚起至北墙内侧的宽度。温室的跨度一般选择6~8m,有利于保证南屋面(前坡)有极大的采光角度,保证作物生长有较大的空间,又便于覆盖保温,还便于选择建筑材料。 
  (2) 脊高 温室的脊高越低,散热量越小,但室内空间越小,温室所获得的热量越少;温室的脊高越大,则获得热量大,但前屋面的倾斜度容易过大,导致前屋面的散热量增加,增加能耗。因此温室的高度不能过高,也不能过低,一般脊高根据跨高比1:2.2进行选择,计算结果为3.5~4.5m。 
  (3) 屋面角 温室的屋面角是指塑料薄膜屋面与地平面的夹角[3]。温室入射的太阳光强度随着温室的屋面角增大而增大;同时,屋面角越大,温室的高度越高,能耗也随之加大,故屋面角应设置在合理的范围内。友谊农场地处北纬46.19°,北半球冬至日太阳直射点为北纬23°26′,屋面角的计算如下: 
  (4) 后坡 温室后坡的作用是白天吸收太阳辐射能,晚上把热量释放到温室空间。温室的后坡仰角指后坡内侧与后墙顶水平线的夹角。后坡仰角越小,水平投影越大,则温室后部采光越少;后坡仰角越大,则温室的水平投影越短,温室后部采光越多。为了让温室的后坡内得到充足的日照,避免出现过度遮阴现象,其后坡仰角一般要求在35°~45°范围内最佳[4]。而影响后坡仰角的主要因素是冬至日的太阳入射角及春分日的太阳入射角,具体计算如下: 
  后坡水平投影的长短也是影响温室的采光性和保温性的因素之一,后坡投影长,则遮光面积;后坡的水平投影短,则采光好,但不利于保温。一般北纬41°以北地区后坡水平投影为L=1.3~1.5m,本设计选取1.5m。 
  后坡采用异质结构,由秸秆,草泥,稻壳,高粱壳等组成。外侧为100mm厚聚苯板,覆盖层为960型岩棉夹心板。 
  (5) 防寒沟 防寒沟的主要作用是减少土壤热量的横向热传导,提高土壤温度。防寒沟设置在温室的前沿,绕日光温室一周布置,其宽度为40cm,深度要大于当地冻土层的厚度,友谊农场冻土层厚度为2m,故防寒沟深度取2.2m。防寒沟内填充珍珠岩作为保温材料,外沿贴100mm厚聚苯板。 
  3 日光温室材料选择 
  温室材料的选择应符合国家相关标准,兼顾满足温室对其功能性及经济性的要求。 
  3.1 后墙 
  后墙采用外保温复合墙体[5]~[6],其结构从内至外为:400mm相变蓄热材料[7](石蜡、高密度聚乙烯、和水泥砂浆混合制成)+480mm轻质加气混凝土砌块(尺寸为240mm×240mm×200mm)+120mm聚氨酯保温材料。 
  3.2 保温被 
  保温杯面料选取淋膜无纺布[8],主要芯材为喷胶棉和杂绒的保温被。其结构组成为淋膜军用基布+化纤棉400g/m2+喷胶棉1000g/m2+珍珠棉(EPE)+军用基布和淋膜无纺布+杂羊绒890mmg/m2+珍珠棉(EPE)10mm+无纺布。 
  3.3 棚膜 
  日光温室栽培技术的普遍应用使农膜发展迅速,PO膜是目前农膜种类中表现最佳的一款产品。PO膜是由聚烯烃为主要材料,加入60%的茂金属,其具有较强的保温、透光、使用寿命及防静电处理能力。所以棚膜材料选取PO膜[9]。
 4 热损失计算 
  4.1 外墙、防寒沟及后坡热损失计算 
  根据外墙、防寒沟及后坡各层导热系数(见表1),采用稳态多层平壁导热算法[10]对日光温室的外墙、防寒沟及后坡的导热量进行计算,假设温室内部温度15℃,查得双鸭山地区室外计算温度为-23.2℃[11]。温室的主要設计参数如下:跨度8m;脊高4.5m;长度100m。在无内热源情况下对外墙和后坡进行导热量计算。 
  计算可得外墙热损失为1611.86W;后坡热损失为1149W;防寒沟热阻为4.82w/m·℃。 
  4.2 棚膜热损失计算 
  将棚膜视为灰体进行辐射热损失计算。查资料得PO膜的发射率[ε=0.2~0.3]取0.25。棚膜为圆拱形,其面积近似选取为棚膜最高点与棚膜和大地接触点连线所在平面为棚膜表面积,计算公式如下: 
  将数据代入,计算可得棚膜辐射热损失为7164W。 
  5 总结 
  影响日光温室生产效益的主要因素有两个:其一是日光温室围护结构热损失,设计中采用外保温复合墙体,其中蓄热层选用相变蓄热材料,以增加墙体的蓄热能力,墙体聚氨酯外挂,有效降低热量从围护结构的散失;其二是对太阳光辐射更好的利用,合理的屋面角、后坡、材料等可提高前屋面的透光率,增强对太阳光辐射的利用率,提高温室的生产效益。 
  参考文献: 
  [1] 魏宝发,魏宝福.248弓圆型无立柱日光温室结构设计[B]. 农业装备,2016. 
  [2] 陈超.现代日光温室建筑热工设计理论与方法[M].北京:科 学出版社,2017. 
  [3] 白义奎,周东升,曹刚等.北方寒区节能日光温室建筑设计 理论与方法研究[J].新疆农业科学,2014,51(6):990-998. 
  [4] 中国标准出版社.日光温室技术条件JB/T10286-2013[S]. 北京:中国标准出版社,2013. 
  [5] 石玉,潘媛媛,张毅等.不同复合墙体结构对日光温室土壤 热特性的影响[J].山西农业大学学报(自然科学版),2017, 37,(9):679-684. 
  [6] 李小芳,陈青云.墙体材料及其组合对日光温室墙体保温 性能的影响[J].中国生态农业学报,2016,14(4):185-189. 
  [7] 管勇,陈超,李琢.相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善 [J].农业工程报,2012,28(10):194-200. 
  [8] 肖棠,张海云,吴海峰等.日光温室新型保温被结构设计与 保温性能研究[A].2016,44(25):233-237. 
  [9] 杨文雄,马成伟.不同覆盖材料对日光温室室内光环境的 影响[J].农机化研究,2016(2):145-148. 
  [10] 杨世铭,陶文铨.传热学(第四版)[M].北京:高等教育出版 社,2006. 
  [11] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第2版)[M].北京:中国建 筑工业出版社,2008.

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