135 科技縱橫農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 關中地區(qū)日光溫室前屋面曲線標準化設計 趙昱權 1 2 1 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院 陜西楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室 陜西楊凌 712100 摘要 研究在關中地區(qū)下不同日光溫室采光面曲線的 設計與太陽輻射計算分析 為關中地區(qū)日光溫室的設 計與建設提供參考 基于日光溫室基礎定量 以數(shù)學 理論為依據(jù) 設計三種前采光面曲線 并模擬出其太 陽輻射量 結果 圓弧與冪函數(shù)曲線 雙圓弧曲線 三次樣條曲線的進光量分別為310 848 MJ 08 031 MJ 318 126 MJ 從進光量角度來看 陜西關中地區(qū)最優(yōu)的 前屋面曲線為L 3 從節(jié)省材料角度來看 最優(yōu)的前屋 面曲線為L 1 關鍵詞 日光溫室 采光面曲線設計 標準化 0 引言 日光溫室前 采光 屋面不僅是溫室的主要的采 光結構 還直接決定了其蓄熱和力學承載能力等諸多 因素 日光前屋面有多種形式 其形狀主要有橢圓 1 拋物線 雙曲線 2 等多種類型 也有從屋面承載力的要 求角度出發(fā) 得到采光屋面的類型 3 經(jīng)過國內(nèi)學者 對日光溫室屋面的多年研究 不同形狀的屋面均能保 證良好的采光 蓄熱與承載力要求 但是在實際日光 溫室工程建設中 建造者大多對設計環(huán)節(jié)不夠重視 主要根據(jù)偏經(jīng)驗化的方法來建造 到目前為止也沒有 真正適合于關中地區(qū)日光溫室建造的具體參數(shù) 楊凌 地處陜西省關中盆地中部 位于東經(jīng)108 4 北緯 34 16 之間 屬大陸性季風氣候 氣候溫和 環(huán)境條 件非常利于發(fā)展設施農(nóng)業(yè) 本研究在確定日光溫室設 施前屋面角 跨度 脊高等參數(shù)的前提下 結合以往 學者的研究成果 以數(shù)學理論模型為依據(jù) 制定出適 用于關中地區(qū)日光溫室前采光面的曲線及參數(shù) 1 確定日光溫室基本參數(shù) 1 1 前屋面角計算 前屋面角的大小決定了溫室前屋面與太陽光線所 構成的入射角大小 根據(jù)前人研究 入射角的大小又 影響光線的透過率 4 當入射角為零 光線的透過率最 大 但是不符合實際建設 故針對日光溫室前屋面角 的選擇問題 前人已有大量研究 綜合來看 前屋面 角的計算公式為 5 1 2 3 4 式中 日光溫室采光面朝向正南時的最佳采光 屋面角 10 冬至日上午10時的理想屋面角 10 冬至日上午10時的太陽方位角 10 冬至日上午10時太陽高度角 太陽時角 取值為 30 地理緯度 咸陽地區(qū)取值為34 太陽赤緯角 咸陽地區(qū)取值為 23 094 太陽入射角 采光設計以冬至日為計算基準 覆蓋材料的透光率的計算公式如下 6 5 式中 透明覆蓋材料對太陽輻射的反射比 光在玻璃內(nèi)前進時穿透的比率 根據(jù)以上公式得出日光溫室玻璃的透光率以及太陽 入射角的變化關系得出數(shù)據(jù) 具體結果如圖1所示 太 陽入射角在0 40 范圍內(nèi)透光率并無太大的變化 當 太陽入射角超過55 時 玻璃的透光率急劇下降 圖1 太陽入射角與玻璃透光率的對比 在實際工程上 一般將薄膜透光率衰退程度的 2 作為取值臨界點 在圖中所對應的太陽入射角為為 43 聯(lián)立上式求得關中地區(qū)日光溫室最佳前屋面角 24 446 根據(jù)圖2 利用三角函數(shù)關系 可以計算出不同跨 度對應前屋面角和脊高的表達式 將最佳屋面角代入 6 得脊高與后屋面水平投 影關系式 6 基金項目 陜西省科技創(chuàng)新引導專項項目 2021QFY08 01 136 科技縱橫 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 注 L 跨度 H 脊高 L 1 前屋面水平投影 P 后屋面水平投 影 前屋面角 圖2 日光溫室總體尺寸 1 2 后屋面水平投影與脊高 圖3 最后一排作物冠層區(qū)域光照示意圖 注 H 1 植株高度 P 1 走道寬度 屋脊最高點至作物冠層太 陽光與水平面夾角 脊高在日光溫室跨度和前屋面傾角確定后 即可 有相應公式確定 7 后屋面主要作用是溫室保溫 后屋面面積占溫室 比重越大越有利于保溫 同時還需考慮前屋面保證夏 至日最后一排植株區(qū)域的頂層白天能接收到太陽光照 射 8 根據(jù)圖3 即要求保證 7 H 1 為一般植株高度 取2 m P 1 為溫室走到寬度 取 0 6 m 代入公式 2 7 得到公式 8 咸陽地區(qū)夏至日太陽高度角h 0夏 為79 代入式 2 8 得 9 聯(lián)立 6 8 兩式 令日光溫室跨度L 10 m 求得出后屋面投影寬度為1 006 m 脊高H 4 092 m 按照前文得到的前屋面角 脊高 跨度以及后屋 面水平投影的相互關系 設計陜西關中地區(qū)9 m 10 m 11 m三種跨度日光溫室總體尺寸 相應的取值如表1 并以10 m跨度為例設計3種前屋面曲線 2 建立前屋面曲線 為了方便研究采光面曲線類型 首先對當?shù)氐貐^(qū) 目前存在的日光溫室結構進行對比 當?shù)厝展鉁厥也?光面基本接近于雙曲線組合形式 且多為圓弧冪函數(shù) 與雙圓組合為主 其次為保證日光溫室離有足夠的作 業(yè)區(qū)域 當?shù)氐貐^(qū)要求溫室底腳區(qū)域不能過低 在距 離底腳1 m處 其屋面高度大于等于1 5 m 為方便雨雪 滑落 前屋面在脊高處應有一定傾角 為使日光溫室 達到良好的防風效果 采光面最好采用曲線型 9 且多 段曲線型采光面在數(shù)學上應滿足 曲線在交匯處一階 導數(shù)相同 且光滑連續(xù) 為保證陜西關中地區(qū)對日光溫室的基本要求能夠 實現(xiàn) 現(xiàn)根據(jù)數(shù)學理論 基于采光要求 設計三種日 光溫室采光面形式 并計算各溫室內(nèi)太陽輻射總量 2 1 圓弧與冪函數(shù)曲線 冪函數(shù)與圓弧屋面的設計原則是 屋面上半部采 用半徑為R的圓 圓心為O 下半曲線為冪函數(shù)曲線 兩端曲線相交于B點 坐標為 屋脊點的高度已 經(jīng)確定 坐標為C 南底腳的坐標為A 初步設計日光溫室曲線 如圖3所示 對于屋脊處的上圓 在C點做滿足 c 10 的屋 面切線 過C點做垂足于該切線的直線OC 連接BC兩 點 取垂直平分線并延長 直線OC與 垂直平分線交 于O點 即為上圓的圓心O與半徑R 根據(jù)上述對圓弧的數(shù)學理論 應采用具體的數(shù)學方法 確定屋面系數(shù) 圓的數(shù)學公式為 則上圓弧的各個參數(shù)計算公式為 10 11 12 13 14 15 根據(jù)前述確定的日光溫室脊高 跨度 以及后屋 面水平投影的數(shù)值 代入上圓弧計算公式 得出其圓 心坐標為 14 277 25 836 半徑為30 39 m 其參 數(shù)方程為 上 圓曲線弧長為 8 49 m 設下曲線冪函數(shù)方程為 要使兩曲線交 點B處左右鄰域的切線斜率相等 應先對圓在B點坐標 表1 咸陽地區(qū)日光溫室主要尺寸取值 緯度 latitude 前屋面角 Front roof corner 脊高 H m Ridge height 后屋面水平投影長 m level of back roof 前屋面水平投影長 L 1 m level of front roof 總跨度長 L m Span 34 24 446 3 831 0 952 8 048 9 34 24 446 4 092 1 006 8 994 10 34 24 446 4 266 1 038 9 962 11 計算方法 137 科技縱橫農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 處求導 得出圓在此處的斜率 將B點坐標代入冪函數(shù) 方程中 聯(lián)立斜率與代入坐標的兩方程 即可得到冪 函數(shù)曲線方程 為 下圓曲線弧長由曲線積分公式 可求得 為 總弧長L 1 9 524 m 繪制出的第一種前屋面曲線如4所示 圖4 冪函數(shù)與圓弧曲線 2 2 雙圓弧屋面曲線 對于上圓參數(shù)和方程不在做過多贅述 由于下圓的 半徑與上圓重合 下圓方程與上圓設計思路相似 連接 AB做垂直平分線并延長 交于上半圓OB線上 即為下 圓的圓心與半徑 另外要注意的是上圓與下圓的交點B 處 其左右鄰域的斜率相等 具體曲線如圖4所示 上圓弧圓心坐標為 14 277 25 836 半徑為 30 39 m 其參數(shù)方程為 下圓弧圓心坐標為 14 277 25 836 半徑為 30 39 m 其參數(shù)方程為 上下圓弧的弧長分別為 8 49 m 1 89 m 總 弧長L 2 10 35 m 繪制出的第二種前屋面曲線如5所示 圖5 雙圓弧曲線 2 3 三次樣條曲線 三次樣條函數(shù)形式有 式中 為曲線上通過點的坐標 為待定參數(shù) 為了方便研究采光面曲線類型 對楊凌智慧園日 光溫室的結構進行考察 當?shù)厝展鉁厥也晒饷婊緸?雙曲線 并將所測得數(shù)據(jù)進行擬合 跨度與脊高的數(shù) 值如表2所示 表2 不同跨度對應脊高 跨度 L m Span 脊高 H m Ridge height 0 0 0 1 0 695 0 2 0 876 0 3 1 003 0 4 1 105 0 5 1 190 0 6 1 265 0 7 1 331 0 8 0 8 0 9 1 448 1 0 1 5 2 0 1 977 3 0 2 414 4 0 2 806 5 0 3 157 6 0 3 472 7 0 3 744 8 0 4 020 9 0 4 092 根據(jù)表2 求得上函數(shù)表達式為 下段函數(shù)為自然對數(shù)函數(shù) 上下弧長由曲線積分公式 可 求得 為 圖6 三種日光溫室前屋面曲線對比 138 科技縱橫 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 三種日光溫室曲線如圖6所示 在確定日光溫室設 施前屋面角 跨度 脊高等參數(shù)的前提下 以數(shù)學理 論模型為依據(jù) 只需代入基本參數(shù) 利用數(shù)學算式 即可獲得不同條件下日光溫室曲線方程 利于實際施 工畫圖 計算 以及搭建溫室桁架 3 太陽輻射計算 3 1 太陽通量輻射計算 根據(jù)太陽總輻射通量公式 10 可計算兩種曲線在冬 至日一天中溫室內(nèi)的太陽輻射量 公式為 16 式中 溫室揭簾時間 溫室放簾時間 B為骨架間距 L為曲線方程 S an 為太陽輻射通量 3 2 計算結果對比 對于第一種溫室曲線 結果為 對于第二種溫室曲線 結果為 對于第三種溫室曲線 結果為 由結果可知 總弧長關系為 太陽輻射通量關 系為 從進光量角度來看 陜西關中地區(qū)最優(yōu)的前屋面 曲線為 從節(jié)省材料角度來看 陜西關中地區(qū)最優(yōu)的 前屋面曲線為 4 結論 以關中楊凌地區(qū)的太陽輻射和氣候特征為例 在確 定溫室設施前屋面角 跨度 脊高等基礎參數(shù)的前提 下 設計了兩種溫室采光面曲線 并分別對兩種曲線 進行太陽輻射通量的計算 得出一套咸陽地區(qū)日光溫 室前屋面曲線參數(shù)的設計 通過與對比北京地區(qū)歷年 實測日光溫室內(nèi)輻射量 11 的結果以及參考陜西省日光 溫室設計建造規(guī)范等相關資料 表明此類日光溫室前 屋面曲線設計的方法具有一定的參考價值和可行性 由于決定日光溫室前屋面曲線方程的取值有很多 因素 本文設計結果只是針對基礎參數(shù)固定的情況下 進行分析 未能考慮溫室整體荷載等多方面的影響 同時也需要在日后的設計中更加深入和提高 參考文獻 1 周長吉 有立柱鋼管骨架日光溫室的結構優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)工 程學報 1994 1 157 160 2 軒維艷 日光溫室采光屋面曲線數(shù)學模型的建立與分析 J 天津農(nóng)業(yè)科學 2006 12 4 44 46 3 王朝棟 史為民 裴先文 4種曲線形日光溫室前屋面采光 性能及其拱架力學性能的比較 A 西北農(nóng)林科技大學學 報 2010 38 8 143 150 4 裴先文 史為民 曲良舉 等 南疆巴州地區(qū)日光溫室前屋 面優(yōu)化設計研究 J 北方園藝 2010 16 63 66 5 吳毅民 曹永華 孫忠富 溫室采光設計的理論分析方法 J 農(nóng)業(yè)工程學報 1992 8 3 75 78 6 張仲保 光線入射角及光照強度對日光溫室棚膜透光率 的影響 J 甘肅農(nóng)業(yè)科技 2014 4 20 22 23 7 侯螢螢 日光溫室的結構優(yōu)化分析 J 農(nóng)機服務 2017 34 17 144 8 魏曉明 周長吉 曹楠 等 基于光照的日光溫室總體尺寸 確定方法研究 J 北方園藝 2010 15 1 5 9 李青云 園藝設施建造與環(huán)境調(diào)控 M 金盾出版社 2008 10 白義奎 劉文合 王鐵良 等 日光溫室朝向對進光量的影 響分析 J 農(nóng)業(yè)機械學報2005 36 2 73 75 84 11 劉洪 郭文利 李慧君 北京地區(qū)日光溫室光環(huán)境模擬及 分析 J 應用氣象學報 2008 19 3 350 355 表3 兩種日光溫室前屋面曲線表達式與太陽輻射通量 曲線類型 Category 函數(shù)表達式 Function expression 總弧長 Total arc length 太陽輻射通量 Solar radiation flux 圓弧與冪函數(shù)曲線 L 1 9 524m S z1 310 848MJ 雙圓弧曲線 L 2 10 35m S z2 308 031MJ 三次樣條函數(shù) L 3 10 33m S z3 318 126MJ