基于建筑熱工原理的日光溫室最佳朝向仿真計算

李娜，陳超，馬彩雯，鄒平，凌浩恕，張明星

(1.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124；2. 新疆農業科學院農機化研究所，烏魯木齊 830091)

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基于建筑熱工原理的日光溫室最佳朝向仿真計算

李娜1，陳超1，馬彩雯2，鄒平2，凌浩恕1，張明星1

(1.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124；2. 新疆農業科學院農機化研究所，烏魯木齊 830091)

【目的】研究日光溫室建造朝向直接影響日光溫室截獲太陽輻射的能力。【方法】以新疆烏魯木齊地區為例，以日光溫室前坡屋面截獲太陽進光量最大為評價指標，結合太陽輻射隨時間、日光溫室所在地理位置動態變化規律，運用Energy Plus能耗模擬軟件，研究該地區日光溫室建造最佳朝向。【結果】烏魯木齊地區冬季作物種植最不利生長期(11月1日至翌年2月28日)，日光溫室最佳朝向為南偏西10°。【結論】提出了日光溫室建造最佳朝向仿真計算的方法，并通過實測及模擬的方法進行驗證，為我國日光溫室科學建造提供理論參考依據。

日光溫室；最佳朝向；截獲太陽輻射能；模擬仿真；試驗驗證

0 引 言

【研究意義】日光溫室是一種依靠被動吸收太陽輻射能維持溫室內環境溫度，以滿足冬季反季節蔬菜作物生產需求的農業設施[1-4]。太陽能以短波輻射的形式透過溫室前坡屋面進入溫室內部，投射到溫室內的后墻及土壤表面，為植物的生長提供必要的熱環境[5-9]。日光溫室朝向直接影響前坡屋面截獲太陽進光量的能力[10]。溫室最佳朝向的科學設計與確定對確保蔬菜生長期最大限度獲得太陽能起到至關重要作用。【前人研究進展】國內外學者針對不同地域、不同室外氣象條件、不同結構日光溫室的特點，開展了關于日光溫室建造朝向方面的相關研究，以提高日光溫室太陽能利用效率。Beshada[11]以中國日光溫室為例，分析了寒冷冬季室外氣象條件下日光溫室的熱環境，通過熱平衡原理驗證了南向可截獲最大的太陽能。Perters[12]研發了一種三維數值模擬模型，該模型可以模擬計算朝向變化對日光溫室墻體接受太陽輻射狀況的影響，及其對不同前坡屋面角度日光溫室太陽輻射透射和分布規律的影響。白義奎等[13]以沈陽地區(41.77°N)為例，研究了日光溫室朝向對進光量的影響，表明沈陽地區日光溫室朝向為南偏西5°～6°時進光量最大。李軍等[14]根據西北型節能日光溫室采光設計理論中的溫室朝向和前坡屋面角的設計原理，給出西北地區日光溫室最佳朝向為正南或者南偏西5°～8°的研究結果。曹偉等[15]結合不同朝向日光溫室室內溫度環境的試驗結果，討論了朝向對溫室溫度環境的影響，結果表明，晴天時南偏西溫室夜間溫度高于正南向、南偏東向的。【本研究切入點】基于建筑熱工原理的日光溫室建造朝向仿真計算研究的相關文獻較少，且運用能耗模擬軟件分析的相關文獻未見報道，以新疆烏魯木齊地區為例，以日光溫室前坡屋面截獲太陽進光量最大為評價指標，結合太陽輻射隨時間、日光溫室所在地理位置動態變化規律，運用Energy Plus能耗模擬軟件，對該地區日光溫室建造最佳朝向進行分析討論，日光溫室最佳建造朝向合理確定、有效提高日光溫室太陽能利用率與日光溫室建筑熱工性能提供設計方法參考。【擬解決的關鍵問題】研究日光溫室建造朝向直接影響日光溫室截獲太陽輻射的能力，針對目前不同地區不同緯度室外的氣象參數，給出該地區的合理的最佳朝向的推薦值。

1 材料與方法

1.1 材 料

太陽能是日光溫室所需能量的重要來源，確保日光溫室前坡屋面總是能最大化截獲太陽輻射能，是日光溫室在太陽有效照射時間內累計獲得太陽能最大的關鍵所在，也是使溫室維持必要環境溫度所需供暖能量最小的重要途徑。影響日光溫室前坡屋面截獲太陽輻射和有效時數最大的主要因素有三：一是太陽高度角h和方位角α變化；二是日光溫室所處地理位置(緯度)不同；三是一日內溫室保溫卷簾的開閉時間。

在太陽輻射有效照射時間段內，日光溫室前坡屋面累計截獲的太陽總輻射量最大時的溫室朝向即為最佳朝向。日光溫室白天建筑傳熱過程為，太陽輻射以短波輻射到日光溫室內，并儲存在土壤和墻體中，墻體和土壤作為蓄熱體將蓄集的熱量向溫室內釋放，以維持溫室內一定的空氣溫度。因此，白天日光溫室的主要熱量來源為透過前坡屋面獲得的太陽輻射，其前坡屋面截獲太陽得熱量可用式(1)表示。圖1

(1)

式中，Q為日光溫室太陽總得熱量，W；τ為日光溫室前坡薄膜的透過率，%；I0為太陽輻射常數，W/m2；P為大氣透明系數，通常可取P為0.80；h為太陽高度角，°；i為溫室前坡屋面太陽入射角，°；θ為溫室前坡屋面仰角，°。

充分考慮太陽高度角h及其方位角α動態變化規律與日光溫室所處地理位置(緯度)的關聯關系，包括室外溫度變化規律等因素的影響，科學精準確定日光溫室建造方位，確保冬季反季節蔬菜高質高量生產。圖2

圖1 日光溫室建筑傳熱過程示意
Fig.1 Schematic diagram of heat transfer process in Solar Greenhouse

圖2 太陽高度角及太陽方位角變化
Fig.2 Change low of solar altitude and azimuth

1.2 方 法

1.2.1 Energy Plus仿真能耗模擬軟件

Energy Plus能耗模擬軟件是由美國能源部(Department of Energy, DOE)和勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)共同開發，是一個建筑能耗逐時模擬引擎，采用集成同步的負荷/系統/設備的模擬方法。

Energy Plus能耗模擬軟件是在DOE-2和BLAST等軟件基礎上發展起來的。采用CTF(Conduction Transfer Function)計算墻體傳熱，采用熱平衡法來計算負荷。可應用其中的三維有限差分土壤模型和簡化的解析方法對土壤傳熱進行模擬；應用其中的傳熱傳質模型對墻體的熱濕傳遞進行模擬；應用其中的天空各向異性的天空模型以改進傾斜面的天空散射強度。

1.2.2 評價指標

在太陽輻射有效照射時間段內，日光溫室前坡屋面累計截獲的太陽總輻射量最大時的溫室朝向即為最佳朝向。因此，所謂日光溫室最佳朝向的問題，實際上是計算期間內溫室前坡屋面截獲太陽直射輻照量強度累計量最大值的問題。計算期間內溫室前坡屋面太陽進光量累計值S如式(2)。

(2)

式中，S為前坡屋面進光量累積量，W/m2；n為計算周期，D；t1為日光溫室前坡屋面保溫簾的揭簾時間，h；t2為日光溫室前坡屋面保溫簾的放簾時間，h。

2 結果與分析

2.1 日光溫室仿真計算模型

采用Energy Plus能耗模擬商業軟件構建日光溫室計算模型，計算分析作物生長期內日光溫室朝向變化對日光溫室前坡屋面累計太陽進光量大小的影響規律，以此給出該地區日光溫室建造最佳朝向推薦值。

繪出計算日光溫室物理模型，列出其基本幾何尺寸。計算過程作如下假設：前坡屋面折線簡化處理，近似代替曲面；忽略植物和土壤蒸發對溫室內環境的影響；暫不設定土壤為多孔介質，不考慮傳熱、傳質，認為其結構均勻，物性參數為定值。圖3，表1

圖3 日光溫室物理模型

Fig.3 Physical model of solar greenhouse

表1 模擬溫室基本幾何尺寸
Table 1 Basic geometric dimensions of greenhouse

結構名稱數值跨度Span(L/m)100長度Length(l/m)40脊高Highridge(H/m)34北墻高Heightofnorthwall(h/m)27后屋面長度HeightofRearroof(M/m)17前坡屋面仰角Frontroofangle(θ/°)35

2.2 計算條件

以作物冬季反季節生產關鍵期11月1日至翌年2月28日為計算期(該計算期間可以根據實際情況進行設定)，以計算期間溫室前坡屋面累計截獲的太陽進光量最大為溫室最佳建造朝向的約束條件，列出計算工況。計算期間，日光溫室前坡屋面保溫簾的揭簾時間t1與放簾時間t2分別按t1=當地日出時間+1.5 h、t2=當地日落時間-0.5 h考慮。即開簾和放簾時間分別為09:30、16:30；氣象參數采用軟件自帶標準氣象年(TMY)全年室外逐時氣象參數，圖4為計算期內室外太陽輻照度及室外溫度的變化。表2，圖4

2.3 計算結果驗證

為了驗證Energy Plus軟件計算結果的可靠性，以北京地區實際日光溫室的實測結果進行驗證。實測期為2016年1月23～25日；圖5為實測期北京地區室外氣象參數，以此作為Energy Plus 軟件的氣象參數輸入參數；圖6為實測期間日光溫室內平均空氣溫度計算值與實測值的比較結果，兩者最大誤差為13.4%，說明Energy Plus軟件仿真計算的有效性。圖5，圖6

表2 計算工況
Table 2 Calculation condition

編號Number朝向變化范圍Directionofchange評價指標Evaluating工況1Case1南偏東12°-南偏西12°累計進光量S工況2Case2南偏東10°、正南、南偏西10°空氣溫度工況3Case3正南、南偏西10°空氣積溫

圖4 烏魯木齊地區計算期室外氣象參數
Fig.4 Outdoor weather parameters of the typical meteorological year in a heating season in Urumqi

圖5 北京地區實測期室外氣象參數
Fig.5 Outdoor weather parameters of the typical meteorological year in a heating season in Beijing

圖6 北京地區日光溫室內平均空氣溫度計算值與實測值對比
Fig.6 Comparison of measured values and simulated values of temperature indoor in Beijing area

2.4 仿真結果

2.4.1 朝向對前坡屋面進光量影響(工況1)

表2工況1計算條件得到的日光溫室朝向與前坡屋面進光量的仿真結果為以2°為步長變化日光溫室的朝向從南偏東12°(-12°)到南偏西12°(+12°)，可得計算期間(11月1日至翌年2月28日)，溫室前坡屋面累計進光量隨溫室朝向的變化規律。計算結果表明，烏魯木齊地區南偏西朝向的進光量明顯大于南向、南偏東朝向的，且在南偏西10°左右達到最大。圖7

圖7 朝向與前坡屋面進光量(工況1)
Fig.7 The relationship between the light through the slope roof and the orientation

2.4.2 朝向對溫室內環境溫度影響(工況2)

基于工況1的計算結果，進一步根據工況2計算條件比較了南偏東10°、正南、南偏西10°三個朝向日光溫室內空氣溫度隨時間變化規律。圖示結果也進一步說明，朝向為南偏西10°時的日光溫室內空氣溫度明顯要高，一天中溫室內最高氣溫出現在當地時間13:30、為42.6℃，且較其他兩個朝向最高溫度出現時間略有滯后。圖8

圖8 朝向與日光溫室空氣溫度
Fig.8 The relationship between temperature indoor and the orientation

2.4.3 朝向與有效空氣積溫(工況3)

根據表2工況3計算條件，進一步分析比較了計算期間正南與南偏西10°朝向日光溫室空氣積溫(積溫以8℃為計算基準值)。計算結果表明，計算期內，南偏西10°朝向日光溫室的空氣積溫始終高于正南朝向的、為2 468.5℃·day，凈增6.6%。由此也說明了科學的設計方法，對提高日光溫室太陽能利用率、為溫室作物生長創造適宜熱環境具有重要作用。圖9

圖9 正南與南偏西10°溫室空氣積溫對比
Fig.9 Compression of accumulated temperature between the south and southwest 10°

3 討 論

3.1 優勢地區日光溫室最佳朝向推算

同理，根據第1節仿真計算方法即可以給出位于不同地理緯度地區日光溫室建造最佳朝向。表1和2.2的計算條件下，北京、蘭州、沈陽、壽光[16-18]等太陽能優勢地區日光溫室建造最佳朝向推薦值，同時給出了烏魯木齊、塔城、阿勒泰、喀什、和田等[18]新疆設施農業重點區域的最佳朝向推薦值。表3

表3 幾個優勢地區日光溫室最佳朝向推算值
Table 3 The comparison between model and simulation of solar greenhouse best orientation in our advantages areas

城市City緯度Latitude模擬值EnergyPlus沈陽41°50’南偏西8°北京39°92’南偏西6°壽光36°88’南偏西4°蘭州36°03’南偏西3°烏魯木齊43°54’南偏西10°塔城46°74’南偏西12°阿勒泰47°86’南偏西13°喀什39°52’南偏西6°和田37°12’南偏西4°

4 結 論

4.1 研究以日光溫室前坡屋面截獲太陽進光量最大為評價指標，結合運用Energy Plus能耗模擬軟件，給出了日光溫室建造最佳朝向仿真計算方法，實測結果驗證了計算方法的合理性。

4.2 基于Energy Plus能耗模擬軟件，以作物冬季反季節生產關鍵期(11月1日至翌年2月28日)為計算期，給出了烏魯木齊等5個地區日光溫室最佳建造朝向推薦值。

4.3 烏魯木齊地區日光溫室建造最佳朝向為南偏西10°，計算期間該朝向的日光溫室空氣積溫為2 468.5℃·day，較正南方向凈增6.6%。科學的設計方法，對提高日光溫室太陽能利用率、為溫室作物生長創造適宜熱環境具有不可忽視的作用。

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Fund project:Supported by NSFC "Theoretical study on modeling of solar greenhouse structure integrated multiple thermal characteristics"(51578012); NSFC "Study on thermal performance evaluation method active passive thermal storage wall and heat preservation quilt in Gobi greenhouse of Xinjiang"(51368060)

Simulation Calculation on Solar Greenhouse Optimum Orientation Based on the Principle of Building Thermal

LI Na1, CHEN Chao1, MA Cai-wen2, ZHOU Ping2, LING Hao-shu1, ZHANG Ming-xing1

(1. College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing100124，China; 2.ReasearchInstituteofAgriculturalMechanization,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

【Objective】 Sunlight greenhouse construction directly influences the ability to intercept solar radiation.【Method】In order to improve the utilization of solar radiation in solar greenhouse energy, based on the characteristic of solar radiation distribution and transmission theory of solar radiation intensity in different regions, the study took Urumqi area in Xinjiang as an example, the sun light intercepted by the front slope roof of sunlight greenhouse as the evaluation index, in combination with the time of solar radiation, the dynamic change law of the geographical position of solar greenhouse, using Energy Plus simulation software to analyze the construction of the optimum orientation of sunlight greenhouse in this area.【Result】The results showed that during the most unfavorable growth period of crops growing in winter in Urumqi area(11/1～2/28), the best orientation was southwest 10°.【Conclusion】This paper presents a method for the construction of solar greenhouse, which is based on the simulation and calculation, and is verified by the method of measurement and simulation. The model provides methods and theoretical guidance for the rational construction of solar greenhouse, which could not using the criteria and parameters simply to applied in solar greenhouse construction in various regions.

solar greenhouse; optimum orientation; solar-radiation intensity; simulation and calculation; experiment verification

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.11.020

2016-04-26

國家自然科學基金項目“面向多熱特性一體化控制的日光溫室建筑構造建模理論研究”(51578012)；國家自然科學基金項目“新疆戈壁日光溫室太陽能主-被動式蓄熱墻體及保溫被熱性能評價方法研究”(51368060)

李娜(1990-)，女，黑龍江人，碩士，研究方向為相變蓄熱技術與可再生能源技術，(E-mail)lina1990626@emails.bjut.edu.cn

陳超(1958-)，女，湖南人，教授，博士生導師，研究方向為相變蓄熱技術與可再生能源技術，(E-mail)chenchao@bjut.edu.cn

馬彩雯(1965-)，女，天津人，研究員，研究方向為設施農業工程，(E-mail)xjmcw2010@sina.com

S625.1

A

1001-4330(2016)11-2112-07