北方園藝（）： ·設(shè)施園藝 ·第一作者簡介 ：朱雄偉 （），男 ，碩士研究生 ，研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)和結(jié)構(gòu)工程 。：責(zé)任作者 ：何斌 （），男 ，博士 ，副教授 ，碩士生導(dǎo)師 ，現(xiàn)主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)和結(jié)構(gòu)工程教學(xué)與科研等工作 。：基金項目 ：陜西省重點研發(fā)計劃資助項目 （）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程資助項目（）。收稿日期 ：全季光照下日光溫室后屋面水平投影寬度優(yōu)化朱 雄 偉，何斌，張勇（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌；西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌）摘要 ：以日光溫室整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)為基本原則 ，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué) 、園藝學(xué)以及天體地球等理論 ，選取夏至日正午和冬至日：這個時間段進行探究 ，分析了我國不同緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影寬度的設(shè)計原理和理論計算公式 。同時根據(jù)理論計算公式編輯了計算機程序 ，得出適合各緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影寬度的參考值 。這些數(shù)據(jù)將對生產(chǎn)實踐具有一定的指導(dǎo)意義 。關(guān)鍵詞 ：日光溫室 ；后屋面水平投影寬度 ；采光設(shè)計 ；建筑結(jié)構(gòu)中圖分類號 ： 文獻標識碼 ： 文章編號 ：（）自世紀年代日光溫室開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)展以來 ，目前已成為年產(chǎn)值占種植業(yè)總產(chǎn)值以上的重要產(chǎn)業(yè) 。日光溫室產(chǎn)業(yè)不僅解決了我國北方地區(qū)冬春季蔬菜的供應(yīng) ，而且促進了農(nóng)民的收入 ，增加了就業(yè)崗位以及帶動了其它產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。雖然我國日光溫室產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展 ，但日光溫室的建造設(shè)計仍然存在很多爭議 。行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)標準來規(guī)范各地區(qū)日光溫室的建造 。在實際生產(chǎn)中 ，一個地區(qū)甚至小到一個基地中的溫室類型多種多樣 ，不僅低成本的簡易日光溫室遍及各地 ，投入較高但結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的日光溫室也隨處可見 。這些問題導(dǎo)致日光溫室的生產(chǎn)效益逐年下降 ，生產(chǎn)風(fēng)險逐年增加 。要規(guī)范日光溫室的設(shè)計建造標準 ，應(yīng)先對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 。在對目前日光溫室結(jié)構(gòu)體系調(diào)研中發(fā)現(xiàn) ，實際生產(chǎn)中對日光溫室后屋面長度和坡度的設(shè)定 ，很多溫室種植戶 （調(diào)研對象為壽光以及楊凌等地區(qū)溫室種植戶 ）只是在 “照貓畫虎 ”，一味的照搬以前的或者其他地區(qū)的溫室結(jié)構(gòu)參數(shù) ，根本不因地制宜地去考慮當(dāng)?shù)氐墓猸h(huán)境等因素 ，缺 （） ， ； ， ， （）， ， ， ： ；乏一個科學(xué)的引導(dǎo) 。目前關(guān)于日光溫室后屋面水平投影寬度的優(yōu)化 ，研究人員開展了大量的試驗研究 ，周長吉從日光溫室后屋面幾何尺寸的變遷中分析了結(jié)構(gòu)方面的改革和創(chuàng)新 ；郭艷玲等對哈爾濱日光溫室的后屋面長度和坡度進行了優(yōu)化選擇 ；魏曉明等從日光溫室內(nèi)部光環(huán)境變化入手 ，建立了一套日光溫室總體尺寸的取值方法 ；陳振東以主動采光結(jié)構(gòu)和后墻主動蓄熱結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) ，對青海日光溫室后屋面長度和坡度進行了優(yōu)化分析 。綜合上述文獻可以發(fā)現(xiàn) ，目前對某個地區(qū)或某種特定類型的日光溫室后屋面長度和坡度的設(shè)計研究比較充分 ，很多研究人員暫沒考慮尋找一個能概括不同緯度 、不同使用期的日光溫室后屋面水平投影寬度的理論計算公式 。該研究結(jié)合園藝學(xué) 、光度學(xué) 、輻射度學(xué)以及結(jié)構(gòu)學(xué)等方面的知識對這一問題進行分析 ，致力得到一個能夠涵蓋不同緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影寬度的理論計算公式 ，并將計算結(jié)果與實際典型溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析 ，從而確定該計算方法的可行性 。 材料與方法 日光溫室前屋面角的設(shè)計日光溫室的屋面結(jié)構(gòu)主要分為前屋面和后屋面 。前屋面主要用于日光溫室的采光 ，而后屋面主要用于結(jié)構(gòu)固定和保溫蓄熱 。在目前關(guān)于日光溫室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中 ，研究者們對前屋面的形狀和尺寸進行了大量的深入研究 ，研究成果比較成熟 。但是對后屋面的研究相對較少 ，在實際的設(shè)計和建造中 ，后屋面的幾何尺寸千差萬別 ，缺少定量的標準規(guī)范 。日光溫室前屋面角的大小決定著溫室采光性能的優(yōu)良 。研究人員關(guān)于前屋面角開展了大量研究 ，周長吉從幾何特性的角度對日光溫室前屋面角進行了優(yōu)化分析 ；何斌通過溫室直射光光環(huán)境計算機的模擬計算從輻射量累積值的大小對前屋面角的大小進行了分析 ；魏曉明等建議從日光溫室內(nèi)部光環(huán)境變化入手 ，以太陽光對溫室前屋面透過后的輻射照度衰減率不超過為前提 ，對前屋面角進行了探討 。為了保證日光溫室采光設(shè)計的基本原則 ，假定日光溫室在冬至日正午前后內(nèi) （：）能獲得最大采光量 ，考慮到入射角在一定范圍內(nèi)透光率變化較小 ，選用入射角為°。通過冬至日：的太陽高度角和方位角 ，可以確定出相對應(yīng)的前屋面角 ，計算公式為：（）， °° （）。式中 ：表示日光溫室的合理屋面傾角 ； 表示冬至日：的理想屋面角 ； 表示冬至日：的太陽方位角 ；表示冬至日：的太陽高度角 。設(shè)太陽直射光線與地平面的夾角為太陽高度角 （），則不同時刻太陽高度角的計算公式如下：（）。式中 ：表示地理緯度 ；°×（），表示太陽時角 ；表示太陽計算時 。設(shè)表示太陽赤緯角 ，計算公式如下 ：×（×） （）。式中 ：表示日序數(shù) （即從月日開始在一年中處于第幾日 ）。設(shè)太陽直射光線在水平面上的投影與正南方的夾角為太陽方位角 （），不同時刻的太陽方位計算公式如下：（）。綜合上式 （）（），可得到合理前屋面角 。 日光溫室后屋面水平投影寬度優(yōu)化日光溫室后屋面的功能在學(xué)術(shù)界一直充滿爭議 ，實際生產(chǎn)中后屋面的做法也多種多樣 。衡量日光溫室后屋面的高效與否 ，除了在采光量不好的冬季能提高日光溫室的蓄熱量之外 ，還必須滿足在采光量充足的夏季 ，后屋面和后墻不形成陰影 ，避免影響溫室內(nèi)作物的采光 。目前關(guān)于不同地區(qū)日光溫室后屋面水平投影長度的取值 ，研究人員做了大量的研究 ，魏曉明等從日光溫室前屋面和后屋面幾何尺寸的變遷中分析了我國日光溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新過程 ，建議溫室后屋面向短后屋面方向發(fā)展 ；曹晏飛等根據(jù)不同日期太陽直射光線在日光溫室后墻上投影高度的變化 ，得出了后屋面投影寬度和墻體高度的計算方法 ；魏曉明等以保證栽培區(qū)最后一排作物的冠 第 期北方園藝層全天受到太陽照射為條件 ，建立了一套日光溫室總體尺寸的取值方法 。上述研究都從一定角度對后屋面水平投影寬度的確定做了詳細的推導(dǎo) ，但有些研究暫沒考慮保溫被對后屋面長度和坡度的影響 。該研究從日光溫室的保溫蓄熱原則出發(fā) ，選取夏至日正午和冬至日：這個時間段進行探究 ，致力于得到滿足不同緯度地區(qū)日光溫室后屋面投影寬度的理論計算公式 。在冬季日光溫室采光條件不良 ，太陽高度角較大的情況下 ，當(dāng)后屋面長度越長 ，溫室的保溫蓄熱性能越好 。而到了光照充足的夏季 ，太陽高度角變大 ，較長的后屋面會在溫室后墻以及地面上形成陰影 ，影響溫室后墻處作物的采光 。綜合考慮溫室后屋面在冬季的保溫蓄熱和在夏季作物的充足光照要求 ，得出后屋面水平投影寬度的合理范圍值 。 夏至日日光溫室后屋面水平投影寬度的判定北半球夏至日正午時分的太陽高度角在一年中是最高的 ，在日光溫室后屋面長度一定時 ，太陽高度角越高 ，溫室后屋面在后墻上形成的陰影面積越大 。當(dāng)太陽光線照射至日光溫室后墻底部即溫室種植區(qū)內(nèi)最后一排作物的冠層能夠全天接收到太陽照射時 ，溫室后屋面的長度最長 ，見圖。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可知 ：（）（）， （）（），（） （）。聯(lián)合式 （）（），可得到日光溫室后屋面水平投影長度為 ： （）（）（）。式中 ：參數(shù)詳見圖，與為日光溫室保溫材料相關(guān)參數(shù) ，取值為，取值為。 冬至日日光溫室后屋面水平投影寬度的判定在光照條件不良以及晝夜溫差變化懸殊的冬季 ，要保證日光溫室的保溫性能 ，需在光照量充足的時間段內(nèi) ，照射至溫室后墻上的光照面積最大即溫室后屋面的長度最短 。根據(jù)日光溫室的果菜光照量強度需求 ，提出最小有效光合時間的注 ：為屋脊最高點 ；為太陽直射光線在前屋面上的最高透過點 ；為后墻最高點 ；為太陽光線透過 點在地平面上的投影點 ；為 點在地平面上的垂直投影點 ； 為脊高 ； 為墻體高度，； 為后屋面高度，； 為 點與 點之間的垂直距離 ，；為跨度 ，；為前屋面投影寬度 ，；為后屋面投影寬度 ，；為 點到 點的水平距離 ，；表示 點到 點的水平距離 ，；表示 點到 點水平距離 ，；為前屋面傾角 ，（°）。下同 。： ； ； ； ； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，； ，（°） 圖 夏至日日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)及太陽光線投影示意圖 合理采光時段理論，要求在冬至日正午前后內(nèi) （：），室外太陽輻射能最大限度的透入溫室 ，選取太陽光線照射至后墻最高點 ，見圖。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可知 ：（），（）， （），（），（）， （）。聯(lián)合式 （）（），可得到日光溫室后屋面北方園藝月 （上 ）圖 冬至日日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)及太陽光線投影示意圖 水平投影長度為 ： （）（） （）。式中 ：參數(shù)詳見圖，日光溫室后墻的高度決定著溫室的保溫蓄熱性能 ，冬至日上午：接受太陽光直射的墻體高度的計算公式： （）（）。要使冬季日光溫室后墻體盡可能多的蓄積熱量 ，應(yīng)保證。當(dāng)太陽高度角時 ，溫室后墻體接受太陽光照的面積最大 ，蓄熱保溫性能最好 。通過對日光溫室的保溫蓄熱性能的探究 ，得到不同緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影的計算公式為 ：（）（）（）（）（）。式中 ：日光溫室后屋面水平投影寬度的取值越小 ，對應(yīng)著后屋面坡度越陡 ，即冬季日光溫室的采光量越充足 。在該范圍內(nèi) ，具體取值可根據(jù)不同緯度地區(qū)冬季太陽光照情況以及所種植蔬菜喜溫喜涼特性進行選擇 。 計算機程序計算通過以上分析可知 ，日光溫室后屋面水平投影寬度與溫室跨度 、前屋面角 、溫室后墻接受到太陽光直射高度 、溫室保溫被卷放位置 、太陽高度角以及太陽方位角等因素息息相關(guān) ，對應(yīng)的公式求解也比較繁瑣 。為了使研究成果能更好的應(yīng)用于實際 ，現(xiàn)利用編輯了相關(guān)計算程序 ，使用時只需輸入當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥戎狄约叭展鉁厥业囊恍┕潭▍?shù) ，就可直接得到日光溫室后屋面水平投影寬度值 。程序流程圖及相關(guān)計算界面見圖。圖 主程序流程簡圖 方法驗證為了驗證該研究的日光溫室后屋面水平投影寬度理論計算公式的合理性 ，選取陜西西安地區(qū)的相關(guān)參數(shù)進行計算 ，并將計算結(jié)果與日光溫室設(shè)計規(guī)范中的陜西西安數(shù)據(jù)進行比較分析 ，計算公式如下所示 ，結(jié)果見表。（） （ 槡）（）。式中 ：表示日光溫室后屋面水平投影寬度 ；表 示 日 光 溫 室 走 道 寬 度 ，一 般 取；表示日光溫室脊高 ；表示日光溫室室內(nèi)外地面高差 ，下挖地面為正 ；表示夏季溫室 內(nèi) 作 物 的 植 株 高 度 ，吊 蔓 作 物 一 般 ??；表示夏季計算日正午太陽高度角 。由表可知 ，該研究理論計算公式得出的結(jié)果與陜西省地方標準日光溫室建設(shè)規(guī)范相符合 。在該日光溫室后屋面水平投影寬度的合理范圍值內(nèi) ，取值越小 ，后屋面的坡度越陡即后墻接受光照 第 期北方園藝的面積越大 ，蓄熱量越多 ；反之 ，光照面積越小 ，蓄熱量越少 。在該范圍內(nèi) ，溫室種植戶可根據(jù)所種植蔬菜的喜溫喜涼特性進行合理選擇 。除此之外 ，該后屋面長度下的溫室保溫比 （溫室內(nèi)土地面積與地上覆蓋面積之比 ）很接近于，保溫效果較好 。 結(jié)果與分析綜合園藝學(xué)以及建筑熱工氣候區(qū)劃的最冷月均溫度和日平均溫度日數(shù)可知 ，我國適宜發(fā)展日光溫室的地區(qū)主要集中在北緯°以北的地區(qū) ，其核心區(qū)被認為在北緯°°地區(qū)。在設(shè)定日光溫室跨度為，保溫材料水平投影寬度為的前提下 ，結(jié)合各緯度地區(qū)的氣候條件以及適宜種植蔬菜的喜溫喜涼特性進行區(qū)域劃分 。具體區(qū)域劃分（表）。表 陜西西安日光溫室總體尺寸計算值與建設(shè)規(guī)范的比對 ， 城市緯度（°）跨度脊高 前屋面角 （°）后墻高度 后屋面水平投影寬度 西安 西安 注 ：表中 行數(shù)值為日光溫室設(shè)計規(guī)范值 ；行為計算值 。： ； 表 不同地區(qū)日光溫室后屋面水平投影寬度 區(qū)域分布 重點區(qū)域劃分 亞區(qū)劃分 （°）主要區(qū)域 主要種植蔬菜種類 冬季日照百分率 后屋面水平投影寬度 日光溫室適用類型 東北溫帶（）遼寧中北部 、吉林東南部和內(nèi)蒙古東南部 東北溫帶日光溫室重點區(qū)東北冷溫帶（）內(nèi)蒙古東中部 、吉林西北部和黑龍江南部茄果類 、瓜 類 、豆 類 等喜溫蔬菜以及芹菜 、韭菜 、小 白 菜 、萵 苣 等喜涼蔬菜 冬季需 加 強 蓄 熱 增溫和保溫防寒 ，溫室內(nèi)要設(shè) 熱 風(fēng) 爐 等 臨時加溫設(shè)施 ，盡量增加光照 強 度 和 光 照時間東北寒溫帶（）內(nèi)蒙古東北部和黑龍江中部 環(huán)渤海溫帶（）遼寧 西 南 部 、北 京 、天津 、河北中北部 黃淮海及環(huán)渤海暖溫帶日光溫室重點區(qū)黃河中下游暖溫帶（）河北 南 部 、山 東 、河 南北部 、山西茄果類 、瓜 類 、豆 類 等喜溫 果 菜 及 芹 菜 、韭菜 、小白 菜 、萵 苣 等 喜涼葉 菜 ，蔬 菜 上 市 期為 月 至 翌 年月 冬季加 強 蓄 熱 增 溫和保溫防寒措施 ，盡量增加 光 照 度 和 光照時間 ，夏季采取短期遮陽降溫措施淮河流域暖溫帶（）河南 中 南 部 、蘇 北 、安徽中北部 青藏高原寒溫帶（）西藏中部 、青海東部 西北溫帶干旱及青藏高寒日光溫室重點區(qū)新疆冷溫帶（）新疆中南部茄果類 、瓜 類 、豆 類 等喜溫 蔬 菜 及 芹 菜 、韭菜 、萵苣等喜涼蔬菜 冬季應(yīng) 加 強 蓄 熱 增溫和保溫防寒 ，溫室內(nèi)應(yīng)設(shè) 熱 風(fēng) 爐 等 臨時加溫設(shè)施 ，盡量增加 光 照 度 和 光 照時間黃土高原溫帶（）陜西 、甘肅 、寧夏 、內(nèi)蒙古中部 北方園藝月 （上 ） 結(jié)論與建議該研究根據(jù)日光溫室的保溫蓄熱準則 ，在選取夏至日正午和冬至日： 個時間段保證日光溫室能獲得足夠的采光量和蓄熱量的前提下 ，從構(gòu)建日光溫室最佳整體結(jié)構(gòu)性能的角度 ，確定了不同緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影寬度的理論計算公式 。并與日光溫室設(shè)計規(guī)范進行比較 ，結(jié)果顯示二者相吻合 ，表明該方法具有一定的可信度。通過計算得出的各緯度地區(qū)日光溫室后屋面水平投影寬度的合理范圍值 ，可根據(jù)溫室內(nèi)種植作物的喜溫喜涼特性進行適當(dāng)調(diào)節(jié) ，相比以往理論計算公式更加靈活 。因此該研究提出的日光溫室后屋面水平投影寬度的計算方法可為中國日光溫室規(guī)范化設(shè)計提供參考 。參考文獻周長吉 中國日光溫室結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新 （三 ）：溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新 中國蔬菜 ，（）：郭艷玲 ，李石 ，陳國輝 后屋面水平投影長度對日光溫室性能的研究 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ，（）：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 北方園藝 ，（）：陳振東 青海新型日光溫室性能的研究 楊凌 ：西北農(nóng)林科技大學(xué) ，周長吉 中國日光溫室結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新 （一 ）：基于被動儲放熱理論的墻體改良與創(chuàng)新 中國蔬菜 ，（）：何斌 溫室直射光光環(huán)境計算機模擬計算 楊凌 ：西北農(nóng)林科技大學(xué) ，李軍 ，鄒志榮 ，楊旭 ，等 西北型節(jié)能日光溫室采光設(shè)計中方位角和前屋面角的分析 、探討與應(yīng)用 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報 ，（）：魏曉明 ，周長吉 ，曹楠 ，等 中國日光溫室結(jié)構(gòu)及性能的演變江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，（）：曹晏飛 ，荊海薇 ，趙淑梅 ，等 日光溫室后屋面投影寬度與墻體高度優(yōu)化 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 ，（）：農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司日光溫室發(fā)展的適宜地區(qū)及優(yōu)型結(jié)構(gòu)參數(shù) 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) ，（）：軒維艷日光溫室采光屋面曲線數(shù)學(xué)模型的建立與分析天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，（）：張利華 ，劉杰 ，徐為根 ，等日光溫室前屋面角的設(shè)計研究江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，（）：王云冰 ，鄒志榮 ，張志新 ，等關(guān)中地區(qū)不同后屋仰角日光溫室保溫性能分析 中國農(nóng)業(yè)氣象 ，（）：楊文雄 ，馬承偉溫室跨度對日光溫室光照環(huán)境的影響模擬研究 農(nóng)機化研究 ，（）：何斌 ，王宏麗 ，鄒志榮內(nèi)蒙古烏海非耕地日光溫室建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計 北方園藝 ，（）：劉彥辰 ，鄒志榮 ，胡曉輝 ，等陜西關(guān)中地區(qū)不同跨度日光溫室光溫環(huán) 境 分 析 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報 （自 然 科 學(xué) 版 ），（）：鄒志榮 ，邵孝侯設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程學(xué)北京：中國農(nóng)業(yè)出版社 ，金鮮華 ，鄒志榮 ，趙雪跨度對山地日光溫室性能的影響農(nóng)機化研究，（）： ， ， （ ， ， ； ， ， ）： ， ， ， ， （：） ， ， ： ； ； 第 期北方園藝