南京农业大学农业设施工程学第五章日光温室

第五章日光温室第一节概述日光温室的优点：采用了合理的采光角度，大大提高了采光性能保证温室得到充足的太阳辐射，温室内各处温度较为均衡。通过合理的温室结构和加强内外保温覆盖，减少热量损失，提高保温性能。具有较强的抗逆能力，病害少，植株生长健壮，作物早熟、采收期长，收益较普通温室提高65%~80%.(6)建设费用相对较低(普通连栋温室的1/10～1/3。)(7)运行费用很低，无加温费用。第二节日光温室的结构类型一坡一立式日光温室也叫寿光室日光温室。该温室后墙高2m左右，后屋面长1.5m，投影1.0m，跨度7m，中高3m。前屋面为两折式，一坡一立，立窗角度70°，高0.65~0.8m。坡面角度21°~23°。这种温室一坡一立，每隔3m设一钢管桁架，其间每隔0.6m设一细竹杆骨架，用8号铁丝连结桁架与骨架，铁丝固定于东西山墙，间隔0.4m１根。铺上薄膜并用压膜线固定。设3~4排立柱。前柱设于坡面和立窗交界处，后柱设于屋脊处。第二代节能日光温室在前屋面设计时应用了张真和等人提出的“日光温室合理采光时段及屋面角度”的理论，这是第二代节能日光温室最为显著的特征。另外其在墙体材料、保温被材料的选择和组合，卷帘机的改进上也取得了重大突破。第三节节能日光温室的设计理论与方法一、日光温室的升温原理SN空气流动太阳辐射（短波辐射）长波辐射1.温室效应温室效应示意图塑料薄膜对长、短波的选择性透过，透过室外太阳短波辐射，阻挡室内长波辐射射出，使得热量聚集在室内。塑料薄膜与围护结构组成一个相对密封空间，阻断室内外空气流动传热，减少室内热量的损失。2.温室的热量平衡方程地中传热长波辐射对流通风散热反射太阳辐射墙体传热蒸腾蒸发长波辐射对流地中传热冷风渗透放热墙体放热节能温室白天传热及热平衡示意图节能日光温室夜间传热及热平衡示意图白天：ΔQ=透射进入温室内的太阳辐射能-（墙体传热＋土壤传热＋室内土壤作物蒸发蒸腾+通过围护结构表面散热＋通风散热）夜间：ΔQ=（墙体向室内传热＋土壤传热）-（通过围护结构表面散热＋冷风渗透散热）当ΔQ0时，温室升温；当ΔQ0时，温室降温；当ΔQ=0时，温室达到热量平衡，温度不变；二、日光温室的采光原理1.太阳直射光线在塑料薄膜表面上的入射角与薄膜透光率的关系太阳光入射角指太阳光线与被照表面法线所成的角度。太阳直射光线在塑料薄膜表面上的入射角与薄膜透光率的关系见下图。随着入射角的增加，薄膜透光率呈下降趋势。当入射角等于0时，薄膜透光率最大在90%以上；当入射角在由0~40°之间时，透光率下降不明显；当入射角大于60°时，透光率急剧下降。材料法线透光率入射角入射角h入射角太阳高度角前屋面倾角对于正南方位的日光温室在一天的正午时刻（即当地时间12:00），太阳光入射角θ、太阳高度角h、前屋面倾角a之间的几何关系如下：90ahα2.前屋面倾角的取值理想屋面角：使太阳光在温室前屋面上的入射角θ=0时的前屋面倾角。合理屋面角：使太阳光入射角θ=40°时的前屋面角。合理采光时段屋面角：在冬至日10︰00～14︰00（正午前后）4小时内满足太阳光入射角θ≤40°时的合理屋面角。3.前屋面（采光面）形状的设计屋面形状要有利于日光透射进入温室，尽量减小光线入射角θ。即太阳光线尽量以接近垂直于薄膜表面的角度入射。前屋面形状的设计见下图所示。a顶表示前屋面顶部的前屋面倾角；a底60°a24°a顶5°a后h5°0.5mH10.8mh’图中：a为前屋面中部倾角，a底表示前屋面底部的前屋面倾角；a后表示后屋面仰角；h’为当地10:00时太阳高度角h在剖面上的投影角度。确定采光面形状时要兼顾到如下几点：①采光性。采光屋面必须保持有一定的角度，使得采光屋面与太阳光线所构成的入射角尽量小。②便于雪、雨水流失，下雪、雨时，雪、雨水不会滞留在棚膜上积雪或形成“兜水”。③易被压膜线压紧，有风时不会“兜”风”。④便于工作人员操作，离前屋面底脚0.5~1m处应有一定的空间，便于工作人员操作，有利于作物生长。三、日光温室的保温原理和设计方法1.减少温室夜间通过前屋面的散热，应用复合材料保温被。保温被保温性的评价指标——传热系数。一般要求复合保温被的传热系数小于1.5W/(m2∙℃)。保温覆盖物传热系数W/(m2∙℃)防水布+不织布+1kg/m2毛毡+不织布+防水布1.55防水布+12mm发泡聚乙烯+铝反射膜1.7草帘（单层4kg/m2）1.4~1.7草帘（双层8kg/m2）0.8~1.2单层玻璃（4mm普通浮法玻璃）7.68mm中空PC板4.5几种保温被与草帘保温性能测定结果3~5W/(m2·℃)普通温室1.2~1.6W/(m2·℃)日光温室覆盖外保温被后日光温室围护覆盖层的平均传热系数较小，如下图所示。日光温室围护覆盖层传热系数远低于普通温室，保温性明显要高得多。2.减少温室通过围护结构的散热，增加后屋面及后墙厚度提高保温性。土墙厚度与室内最低气温5678012345厚度(m)最低气温(℃)平均厚度在稳态传热情况下，由低限热阻来确定墙体和后屋面保温层的厚度。热阻R为传热系数的倒数，单位m2∙℃/W。传热系数越小，传热阻越大，保温性越好。室内最低温度随温室土墙厚度的增加而提高，但是提高趋势变缓。ioiRtnttR)(min,0评价外围护结构保温性能的主要指标是总热阻。为了满足外围护结构冬季保温设计的要求，其总热阻不能小于某个最低限度值，这个最低限度值称为最小总热阻。用R0,min表示。ti，to－室内外计算温度。Ri－围护结构内表面换热热阻，n－温差修正系数。Δt－室内空气与围护结构内表面之间的允许温差。3.减少通过室内土壤向周边土壤的散热，室内地面适度下挖。冬季室外土壤的温度随深度增加而增高。室内地面下沉使温室周边土壤与室外温度较高的土壤相邻接，可有效减少周边向室外的散热，更好保持室内土壤蓄积的热量，提高地温和夜间室内地面的放热量。但室内地面过度下沉将导致室内南侧大面积阴影。如图所示。室内地面下挖所造成的南部阴影情况示意图四、日光温室的蓄热原理和方法1.日光温室墙体蓄热和加温的作用白天，日光温室北墙可以吸收并蓄积太阳热量，如下图所示：SN1/3~1/21/2~2/3150~350W/m2100~250W/m2夜间，墙体将白昼蓄积的热量逐渐释放回温室内，释放的热量可以使室内气温提高4~8℃。如下图所示。SN8~60W/m210~30W/m2日光温室蓄热能力与墙体材料本身的蓄热系数大小成正比；也与地面、后墙接受太阳光直接照射的面积成正相关。当物体表面温度波作用的周期一定时，蓄热系数大小与材料本身的导热率、密度、比热成正比。2.提高温室蓄热能力的措施A增加地面、后墙接受太阳光照射的面积。合理稀植，保证行间地面不被植株覆盖；增加后墙高度，从而增加后墙内表面接受太阳光照射的面积。B墙体内侧选用蓄热系数大的材料。如下图所示。SN北墙蓄热系数大的材料保温性良好的材料将蓄热系数大的材料布置在墙体内侧，而将导热率小的保温材料布置在墙体外侧。第四节日光温室的结构与设计（一）日光温室的基本结构：东西两侧山墙，北侧后墙，后屋顶，竹、木、混凝土柱或钢架，薄膜或玻璃前屋面，以及前屋面夜间保温材料等。N跨度S外保温覆盖物前屋面倾角后屋面后墙屋脊高度后屋面水平宽度后墙高度后屋面仰角前屋面水平宽度前屋面背风向阳光照充足土层深厚排灌良好“水电路”三通在总体建筑尺寸的基础上，可以推导出一些其他建筑结构参数，包括人们通常所说的“五度、四比、三材”“五度”是指：跨度、高度、角度、长度、厚度，高度：包含脊高和温室矢高。角度：包含后屋面仰角和前屋面倾角。厚度：指墙体和后屋面的厚度。“四比”是指：保温比：以室内蓄热面积比散热面积较为合理。一般该值大于1。高跨比：指脊高与跨度之比。遮阴比：指前屋面骨架材料的遮阳面积与整个采光面积之比。前后屋面水平投影比：前屋面在水平面上的投影长度与后屋面在水平面上的投影长度之比。“三材”是指：建筑材料、覆盖材料、保温材料。中低纬度的南部地区，日光温室方位应采用南偏东5°～10°（向阳）。高纬度地区，日光温室方位应采用南偏西5°～10°（向阴）。2.3.4.5.67.保温覆盖物•温室前屋面的夜间保温，目前最常用的是草帘或纸被。草帘一般由稻草打成，长7~8m、宽2m、厚4~5㎝；纸被是由牛皮纸黏合而成，一般是4~6层牛皮纸。北方寒冷地区往往兼用纸被和草帘保温。•草帘或纸被的上头用绳子固定在脊檩上，白天用绳子拉起卷放到后屋面上，夜间放下覆盖整个前屋面。草帘要一直覆盖到温室前侧地面约半米处，以减少室内外的热传导。8.防寒沟与防寒裙•防寒沟设在温室前侧，沟宽30㎝左右，深度与当地冻土深度一致，如北京地区为80～100㎝。沟内填入杂草、秸秆、炉渣等保温材料，顶部覆盖10～15㎝厚的泥土，并盖上地膜，防雨水浸入，或用秸秆把沟顶起，再用泥浆封严。温室后墙外也可挖防寒沟，为省工常采用后墙培土的办法来保温。•防寒裙是设在温室里面前坡下面的一条纵向塑料薄膜，一般宽1m，长与温室一致。上边与棚膜紧靠，下边埋入土中，可减少温室前部的散热。•设置防寒沟，减少温室南底角土壤热量散失。•深40cm;宽30cm9.出入口•温室出入口的设备，既要便于操作管理，又要便于温室的保温。一般50～60m长的温室，只在两侧山墙上设出入口即可。出入口高1.5～2m、宽60㎝，门的内外吊上棉帘，门外建工作室，目的是减少人员的入时冷气对温室的影响，同时也可用于存放工具、人员休息等。10.通风口•温室的通风口有两种：•①后墙上的通风口；•②前屋面塑料薄膜上的通风口。后墙上的通风口在砌墙时留出，一般间距3m左右，边长40～50㎝，冬季堵上，春天打开；前屋面的通风口可以是薄膜上开洞，另加一块薄膜覆盖，通风时打开，平时盖严。另外，比较简单的做法是薄膜搭接处扒缝通风。11.保温幕保温幕是在温室内部加设的一层薄膜或无纺布，用于夜间保温，其效果相当于一层草帘。一般是在屋面薄膜下20～25㎝处，沿纵向拉下几道平行的铁丝，铁丝上搭着粘好的整块薄膜或无纺布，夜间拉开，白天则拉到温室的前侧或顶部存放。保温幕适用于室内立柱较少的温室。当采用塑料薄膜作保温幕时，应使幕面有一定的倾斜度，以使其上的凝结水能流到指定位置，而不会滴到叶面上诱发病害。第五节日光温室的建造修建温室一般在当地雨季结束、到土壤冻结前半个月进行。一放线、平整地面在建筑材料齐备并加工好的基础上，先确定温室的方位，然后平整地面，确定出后墙和山墙的位置。二筑墙(一)墙体根据材料可分为土墙、砖墙、空心墙和夹皮墙等。（1）土墙建造方法有三种：①夯土墙；②压土墙，压路机压实后，切除两侧余土；③草泥垛墙。（2）砖墙厚度为370mm或49mm。常在墙外侧堆土增强保温。（3）空心墙、夹皮墙空心墙是在砖墙中间留10～20㎝的空隙，通过空气层增加保温能力；夹皮墙是在砖墙中间填保温材料，在北京地区，夹皮砖墙以600～65mm厚为佳，即内外均砌240mm厚砖墙，中间留120～150㎜空隙填保温材料，砖墙顶部连接密封。(二)筑墙墙体材料因地制宜，就地取材。由于枣树设施栽培具有较长期性，因此建议建造永久性温室，墙体一般不用土墙，而用砖石砌空心墙。空心墙内墙厚12cm，中间空12cm，外墙厚24cm。中空部分填充炉渣或珍珠岩等，内个墙间每隔2-3m放１块拉手砖，增强其稳定性。墙体要打地基，深50-60cm，最好超过当地的冻土层，宽度和墙体相同。后墙体较薄时，外面加培防寒土，使墙体厚度保持1.0-1.5m为宜。三后屋架安装（一）木结构的后屋架安装先在埋设中柱的位置挖30-40cm深的坑，夯实底部并垫砖、石等。在两山墙最高点之间拉起一条线，以使各柁前端齐于此直线上。将两两一组的柁和中柱通过榫连接然后扶起，中部下部置于坑中简单埋住，柁后端担在后墙上简单固定，中柱一般向北倾斜一角度，增强其支撑力。短后坡温室的中柱倾斜角为5°为宜。之后安装脊檩。脊檩长度与温室开间相同时，檩、柁平头对接，用蚂蝗钉固定，脊檩长度与温室开间不等长时，可用锯斜口拍接法连接，然后用钉锁定。全部柁架起以后，统一调整各柁前后及