呼和浩特市日光温室设计中关键参数的
分析及优化
摘要:本文对传统日光温室设计中普遍存在的主要问题进行了简单阐述；对我市日光温室设计方案中的既定参数进行分析；探讨了温室设计中关键参数科学的计算方法；并以赛罕区根堡村为例对关键参数进行了设计。
--编者·范宏
0引言
采光与保温是日光温室设计与建造的两个最关键的课题,其中采光设计是前提。采光设计的关键参数是前屋面坡度、拱形曲率、温室方位、温室高度以及温室间距。然而传统的计算方法未能充分结合建造地经纬度、海拨、季节、太阳高度、太阳方位、日出日没时间、揭盖帘时间以及温室用途等综合因素，所设计出的参数粗略、随意性大，不能满足高效温室的设计要求。
1传统温室设计中普遍存在问题
1.1前屋面角的设计未达到最优化
前屋面角的大小是影响透光率的重要因素，传统计算方法只参照冬至日正午太阳高度。然而，受地理纬度、季节、气候的影响，太阳的高度、方位、辐射强度每时每刻都在变化。目前实践中应用的前屋面角未能综合的考虑上述因素，因此设计出来的参数不准确，不能充分有效利用太阳能。
1.2拱形面曲度设计不严谨
传统理论认为在塑膜材质确定的前提下，阳光透过率只与前屋面角
或温室高跨比有关而与棚面曲度关系不大，其实不然。透光面越简洁平坦进光量越多，越曲折复杂进光量越少。当太阳高度角一定时，室内进光量会随着棚面曲度的增大而减少，另外散热面积也会加大，不利保温。如图
1：
图1：曲度对透光量影响示意图
目前许多温室在拱形面曲度的设计上更多地考虑伏压棚模的性能，而在透光性的影响方面考虑的较少。
1.3温室高跨比设计不准确
脊高不是单纯的与温室跨度相关，脊高与跨度的比值与前屋面角呈非线性关联函数，上述前屋面角设计的不准确直接影响到脊高与跨度比值的计算。
1.4温室间距设计欠精准
传统计算温室间距多以冬至中午太阳高度角为依据，结果上下午还有很长一段时间遮光，原因是冬季太阳遮光的轨迹呈南凹弧形，以传统方式计算，将会导致揭盖帘时温室东西两侧不能采光，然而设计的间距过大，又会浪费土地资源。精准的温室间距应该确保合理采光时段无遮荫，同时又不会浪费土地资源。
2以赛罕区根堡村为例对设计参数的分析
2.1基础参数经度（度）
111.83纬度（度）40.70海拨（米）1030
冬季主导风向西北风时区+8
2.2既定参数温室方位
角（度）
5温室长度（米）100温室间距前屋面后屋投影（米）角（度）长（米）20281.2跨度脊高下卧（米）（米）
(米)84.20.5
2.3对前屋面角的分析
引用基础参数中的经度、纬度、时区，通过太阳能天文参数计算程式，可计算出根堡村2012
年12月21日太阳高度角全天变化情况(注:计算方法参照《太阳辐射计算讲座》-中国气象科学研究院王炳忠研究员编写)，如表1：
表1：根堡村2012年12月21日太阳高度角全天变化情况
由表1可见，根堡村9:50～15:10时段太阳高度角大于15°，这段时间即为合理采光期（大约持续5个多小时），合理采光期是提供有效太阳能的最佳时段，应当充分加以利用。也就是说，在此时段要保障阳光充分穿透棚膜对室内增温。
而阳光的穿透力受阳光与塑膜的入射角影响，如图1：
图1：阳光对塑膜穿透力示意图
实验证实，阳光透过率随其对塑膜入射角的增大而下降，且呈非线性关系,如表
2:
表2：阳光入射角的变化对透过率的影响
由表2可知，当光线入射角在0°～40°之间时,透过率无明显变化，均在80%以上,当入射角大于45°时，透过率明显下降，当入射角大于60°时，透过率急剧下降。
为了保障在合理采光期达到80%以上的透过率，需要把阳光对棚膜的入射角控制在
40°以内，而这便是通过调整前屋面角来实现的。
图2：前屋面角对阳光入射角的影响示意图
下面我们来考察一下根堡村的温室设计在合理采光期的采光能力。我们引用基础参数中的经度、纬度、海拔、时区可以计算出冬至日太阳高度角、太阳方位角的全天变化情况,再结合温室方向角（正南偏西5°）、温
室前屋面角（28°），经过计算，可以得出根堡村在2012年12月21日阳光对棚面入射角全天变化情况，如表
3：
表3：根堡村2012年12月21日阳光对棚面入射角全天变化情况由表3可见，当合理采光期来临时（9:50，见表1），阳光对棚面入射角为55°，未达到小于40°的要求，直到11:30时，入射角才达到小于40°的要求，然而仅持续了2小时20分，到13:50以后入射角又大于40°，而此时的合理采光期并没有结束（见表1,合理采光期结束于15:10）。
2.3遮荫情况分析
我们引用冬至日太阳高度角、太阳方位角的全天变化情况，再结合温室跨度（8米）、温室脊高（4.2米）、温室后屋投影长（1.2米）、温室下卧(0.5米)，可以计算出根堡村温室在冬至日全天遮荫变化情况，如表
4：
图3：遮荫分析示意图
表4：根堡村2012年12月21日遮荫情况变化表
由表4可知，上午10:00前和下午2:30以后有遮荫，在合理采光期来临时(9:50)遮荫面很小，在合理采光期结束时(15:10)略有遮荫,从上午10:00到下午2:30是没有遮荫的，这保证了在合理采光期有4.5个小时无遮荫，比较合理。
2.4结论
综上所述，赛罕区根堡村冬至日合理采光期是5.3小时，然而阳光对棚膜透过率达到80%以上的时间仅为2.3小时，有3个小时的时段未能充分采收太阳能。由于前屋面角是第一参数，所以当温室设计的跨度不变的前提下，改变屋面角必然要改变脊高，那么原有的遮荫分析就需要重新考证。
3关键参数的优化设计
3.1计算基础参数：
1、首先用GPS 设备测定出构建地经纬度和海拨。
2、比对我市蔬菜价格年内变动情况，选定早春、深秋、寒冬三个季节蔬菜价格居高的日期（d），向前推算出蔬菜播种日期（d'），d～d'即为作物生长周期（T）。
3、找出作物生长周期（T）中太阳赤纬最低的日期（D）。（注：通常以冬至日为计算日）。
4、根据所在地经纬度、海拔，计算出日期（D）从日出到日落（每间隔10分钟）的太阳高度角（α）和方位角（β）。
5、确定合理采光时段。依据太阳高度角（α）随时间的变化情况核定太阳高度角大于15°的时间段，作为合理采光时段。
6、确定日期（D）的揭帘时间（t1）和盖帘时间（t2）。通常情况下以日出后1.5～2小时为揭帘时间，以日落前1～1.5小时为盖帘时间。
7、引用前述太阳高度角（α）和方位角（β）的重要意义在于：通过设计温室的方位角和屋面角度以及曲率最大限度的增加阳光透射率，从而减少反射与折射造成的光能损失。另外该系列指标也是计算温室间距、后屋面仰角的重要依据，后面将依次用到。
3.2温室的构建设计
整体设计规化包括选址、规模、道路、占位仍然参照我市《蔬菜保护地建设技术要求》中的设计标准，笔者在这里仅讨论不同地理标位以及不同用途温室的如下几个关键参数。
1、温室方位角（ω）的确定。通过科学的计算我们发现温室朝向正南全天接受的太阳能辐射量最多。然而朝向正南会使下午集热能力差，夜间蓄温少。考虑到我市冬季夜间长、夜间温度低、早晨揭帘晚，所以早春、冬季上市的温室更多的考虑向正南西偏5°～8°（最多不宜超过10°），而秋后上市的温室可考虑朝向正南方向。
2、确定前屋面角（θ）。前屋面角的大小是影响透光率的首要因子，是温室设计的第一参数，其它参数应该由它来延伸。依据“合理采光时段”理论和入射角与透过率变化函数来优化温室前坡角度。即在太阳高度角（α）大于15°时段必须保证光线与棚面平均入射角（λ）小于40°。公式：
cos λ=
=)2+)−(tan22θ+tan 22α−2tan θ•tan α•COS (β−ω)) （1）11•cos θcos αt 212−1t 1∫λdt ≤40°（2）
注:式中λ为阳光与棚面入射角,θ为前屋面角,α为太阳高度角,β为太阳方位角,ω为温室方位角，t1～t2为太阳高度角大于15°的区间。
将（1）式代入（2）式，即可求出θ，通过计算，呼和浩特市根堡村地理标位的θ值为33°。
3、确定温室跨度（s）。温室跨度的设计要结合建设地的规模进行合理规化，前屋而角（θ）一但确定，跨度与高度的比值就确定了,因脊高的设计又会影响到温室间距的设计，所以跨度与间距的比值也确定了。温室的跨度与高度是决定建造成本的重要因素，而温室的跨间比又反映着土地利用率，这些都是需要综合考虑的因素。实际应用中我们可以根据列表分析择优确定，一般参考的跨度为6m～10m。
4、确定后屋面投影（s'）。后屋面短，升温快，但保温性能差；后屋面长，保温性能强，然而升温慢。一般情况下取1.0～1.5m之间，在此范围内，跨度大的温室投影（s'）要长些，跨度小的温室（s'）可短些。
5、确定前窗高度(h),在室内前沿附近，为了不防碍室内作业和农作物的正常生长，我们通常会在室内前沿留有一定高度，一般留作0.8米。
6、确定前窗角度（θ'）,前窗角度要保证冬至日正午阳光垂直照射，以此获取最大的辐射量。
�公式：θ' =90−α正
7、确定前窗投影长（s''）,前窗投影是前窗在水平地面的投影。公式：s ′′=h ÷tan(θ' )
8、确定脊高（H）,脊高由前屋面角、温室跨度、后屋面投影长度、前窗投影长度、前窗高度来确定。
公式：H =tan θ×(s −s ' −s ′′) +h 。
注:式中θ为前屋面角，s为温室跨度，s'为后屋面投影长度，s''为前窗投影长，h为前窗高度。
9、确定后屋面仰角（ψ），仰角低,热对流散失慢，但采光性差；仰角高，有利采光，但热对流散失快。根据实践经验，我们确定为45°。
10、确定后墙高(H')。后墙高度由脊高、后屋面投影、后屋面仰角来确定。
公式：H ' =H −s ' ×tan ψ
注：式中H 为脊高，s'为后屋面投影长，ψ为后屋面仰角。
11、确定前后两栋温室间距（d）。以揭帘时前温室对后温室不遮光为前提计算最佳值。
⑴、引用揭帘时间（t1）的太阳高度角（α1）和方位角（β1）、脊
高（H）、后屋面保温覆盖层厚度、温室方位角（ω）、温室跨度（s）、后屋面投影（s'）。
⑵、通过公式d =cos(β1−ω) ×(H +0. 3) /tan α1+(s −s ' ) 确定前后两屋间距。
注：式中0.3为后屋面保温覆盖层厚度，d为前后两温室前沿到前沿的距离。
以上计算序例实则复杂，然而运用计算机编程，可以对统计的原始数据进行批量化处理，一次性完成所有不同地理标位和不同用途温室的
关键参数的计算。
图4:温室相关参数标示图
【例】：赛罕区根堡村不同跨度温室关键参数值表
单位:米、度
跨度（s）下卧温室方位
角（ω）前屋面角（θ）后屋投影长(s')前窗高（h）前窗角度（θ'）前窗投影长(s'')脊高（H）后屋面仰角（ψ）后墙高(H')温室间距（d)跨高比土地利用率（%）
6.00.5633°0.90.864.140.393.86452.9616.211.5537.02
6.50.5633°1.00.864.140.394.14453.1617.371.5737.42
7.00.5633°1.10.864.140.394.41453.3618.531.5937.78
7.50.5633°1.10.864.140.394.69453.5619.691.6038.09
8.00.5633°1.20.8
8.50.5633°1.30.8
9.00.5633°1.40.864.140.395.52454.1723.181.6338.83
9.50.5633°1.40.8
10.00.5633°1.50.8
64.1464.140.394.96453.76
0.395.24453.97
64.1464.140.395.79454.37
0.396.07454.57
20.8522.021.61
1.62
24.3425.501.64
1.65
38.3638.6139.0339.21
注：土地利用率指温室内面积占总用地面积的百分比。
-11-
呼和浩特市日光温室设计中关键参数的
分析及优化
摘要:本文对传统日光温室设计中普遍存在的主要问题进行了简单阐述；对我市日光温室设计方案中的既定参数进行分析；探讨了温室设计中关键参数科学的计算方法；并以赛罕区根堡村为例对关键参数进行了设计。
--编者·范宏
0引言
采光与保温是日光温室设计与建造的两个最关键的课题,其中采光设计是前提。采光设计的关键参数是前屋面坡度、拱形曲率、温室方位、温室高度以及温室间距。然而传统的计算方法未能充分结合建造地经纬度、海拨、季节、太阳高度、太阳方位、日出日没时间、揭盖帘时间以及温室用途等综合因素，所设计出的参数粗略、随意性大，不能满足高效温室的设计要求。
1传统温室设计中普遍存在问题
1.1前屋面角的设计未达到最优化
前屋面角的大小是影响透光率的重要因素，传统计算方法只参照冬至日正午太阳高度。然而，受地理纬度、季节、气候的影响，太阳的高度、方位、辐射强度每时每刻都在变化。目前实践中应用的前屋面角未能综合的考虑上述因素，因此设计出来的参数不准确，不能充分有效利用太阳能。
1.2拱形面曲度设计不严谨
传统理论认为在塑膜材质确定的前提下，阳光透过率只与前屋面角
或温室高跨比有关而与棚面曲度关系不大，其实不然。透光面越简洁平坦进光量越多，越曲折复杂进光量越少。当太阳高度角一定时，室内进光量会随着棚面曲度的增大而减少，另外散热面积也会加大，不利保温。如图
1：
图1：曲度对透光量影响示意图
目前许多温室在拱形面曲度的设计上更多地考虑伏压棚模的性能，而在透光性的影响方面考虑的较少。
1.3温室高跨比设计不准确
脊高不是单纯的与温室跨度相关，脊高与跨度的比值与前屋面角呈非线性关联函数，上述前屋面角设计的不准确直接影响到脊高与跨度比值的计算。
1.4温室间距设计欠精准
传统计算温室间距多以冬至中午太阳高度角为依据，结果上下午还有很长一段时间遮光，原因是冬季太阳遮光的轨迹呈南凹弧形，以传统方式计算，将会导致揭盖帘时温室东西两侧不能采光，然而设计的间距过大，又会浪费土地资源。精准的温室间距应该确保合理采光时段无遮荫，同时又不会浪费土地资源。
2以赛罕区根堡村为例对设计参数的分析
2.1基础参数经度（度）
111.83纬度（度）40.70海拨（米）1030
冬季主导风向西北风时区+8
2.2既定参数温室方位
角（度）
5温室长度（米）100温室间距前屋面后屋投影（米）角（度）长（米）20281.2跨度脊高下卧（米）（米）
(米)84.20.5
2.3对前屋面角的分析
引用基础参数中的经度、纬度、时区，通过太阳能天文参数计算程式，可计算出根堡村2012
年12月21日太阳高度角全天变化情况(注:计算方法参照《太阳辐射计算讲座》-中国气象科学研究院王炳忠研究员编写)，如表1：
表1：根堡村2012年12月21日太阳高度角全天变化情况
由表1可见，根堡村9:50～15:10时段太阳高度角大于15°，这段时间即为合理采光期（大约持续5个多小时），合理采光期是提供有效太阳能的最佳时段，应当充分加以利用。也就是说，在此时段要保障阳光充分穿透棚膜对室内增温。
而阳光的穿透力受阳光与塑膜的入射角影响，如图1：
图1：阳光对塑膜穿透力示意图
实验证实，阳光透过率随其对塑膜入射角的增大而下降，且呈非线性关系,如表
2:
表2：阳光入射角的变化对透过率的影响
由表2可知，当光线入射角在0°～40°之间时,透过率无明显变化，均在80%以上,当入射角大于45°时，透过率明显下降，当入射角大于60°时，透过率急剧下降。
为了保障在合理采光期达到80%以上的透过率，需要把阳光对棚膜的入射角控制在
40°以内，而这便是通过调整前屋面角来实现的。
图2：前屋面角对阳光入射角的影响示意图
下面我们来考察一下根堡村的温室设计在合理采光期的采光能力。我们引用基础参数中的经度、纬度、海拔、时区可以计算出冬至日太阳高度角、太阳方位角的全天变化情况,再结合温室方向角（正南偏西5°）、温
室前屋面角（28°），经过计算，可以得出根堡村在2012年12月21日阳光对棚面入射角全天变化情况，如表
3：
表3：根堡村2012年12月21日阳光对棚面入射角全天变化情况由表3可见，当合理采光期来临时（9:50，见表1），阳光对棚面入射角为55°，未达到小于40°的要求，直到11:30时，入射角才达到小于40°的要求，然而仅持续了2小时20分，到13:50以后入射角又大于40°，而此时的合理采光期并没有结束（见表1,合理采光期结束于15:10）。
2.3遮荫情况分析
我们引用冬至日太阳高度角、太阳方位角的全天变化情况，再结合温室跨度（8米）、温室脊高（4.2米）、温室后屋投影长（1.2米）、温室下卧(0.5米)，可以计算出根堡村温室在冬至日全天遮荫变化情况，如表
4：
图3：遮荫分析示意图
表4：根堡村2012年12月21日遮荫情况变化表
由表4可知，上午10:00前和下午2:30以后有遮荫，在合理采光期来临时(9:50)遮荫面很小，在合理采光期结束时(15:10)略有遮荫,从上午10:00到下午2:30是没有遮荫的，这保证了在合理采光期有4.5个小时无遮荫，比较合理。
2.4结论
综上所述，赛罕区根堡村冬至日合理采光期是5.3小时，然而阳光对棚膜透过率达到80%以上的时间仅为2.3小时，有3个小时的时段未能充分采收太阳能。由于前屋面角是第一参数，所以当温室设计的跨度不变的前提下，改变屋面角必然要改变脊高，那么原有的遮荫分析就需要重新考证。
3关键参数的优化设计
3.1计算基础参数：
1、首先用GPS 设备测定出构建地经纬度和海拨。
2、比对我市蔬菜价格年内变动情况，选定早春、深秋、寒冬三个季节蔬菜价格居高的日期（d），向前推算出蔬菜播种日期（d'），d～d'即为作物生长周期（T）。
3、找出作物生长周期（T）中太阳赤纬最低的日期（D）。（注：通常以冬至日为计算日）。
4、根据所在地经纬度、海拔，计算出日期（D）从日出到日落（每间隔10分钟）的太阳高度角（α）和方位角（β）。
5、确定合理采光时段。依据太阳高度角（α）随时间的变化情况核定太阳高度角大于15°的时间段，作为合理采光时段。
6、确定日期（D）的揭帘时间（t1）和盖帘时间（t2）。通常情况下以日出后1.5～2小时为揭帘时间，以日落前1～1.5小时为盖帘时间。
7、引用前述太阳高度角（α）和方位角（β）的重要意义在于：通过设计温室的方位角和屋面角度以及曲率最大限度的增加阳光透射率，从而减少反射与折射造成的光能损失。另外该系列指标也是计算温室间距、后屋面仰角的重要依据，后面将依次用到。
3.2温室的构建设计
整体设计规化包括选址、规模、道路、占位仍然参照我市《蔬菜保护地建设技术要求》中的设计标准，笔者在这里仅讨论不同地理标位以及不同用途温室的如下几个关键参数。
1、温室方位角（ω）的确定。通过科学的计算我们发现温室朝向正南全天接受的太阳能辐射量最多。然而朝向正南会使下午集热能力差，夜间蓄温少。考虑到我市冬季夜间长、夜间温度低、早晨揭帘晚，所以早春、冬季上市的温室更多的考虑向正南西偏5°～8°（最多不宜超过10°），而秋后上市的温室可考虑朝向正南方向。
2、确定前屋面角（θ）。前屋面角的大小是影响透光率的首要因子，是温室设计的第一参数，其它参数应该由它来延伸。依据“合理采光时段”理论和入射角与透过率变化函数来优化温室前坡角度。即在太阳高度角（α）大于15°时段必须保证光线与棚面平均入射角（λ）小于40°。公式：
cos λ=
=)2+)−(tan22θ+tan 22α−2tan θ•tan α•COS (β−ω)) （1）11•cos θcos αt 212−1t 1∫λdt ≤40°（2）
注:式中λ为阳光与棚面入射角,θ为前屋面角,α为太阳高度角,β为太阳方位角,ω为温室方位角，t1～t2为太阳高度角大于15°的区间。
将（1）式代入（2）式，即可求出θ，通过计算，呼和浩特市根堡村地理标位的θ值为33°。
3、确定温室跨度（s）。温室跨度的设计要结合建设地的规模进行合理规化，前屋而角（θ）一但确定，跨度与高度的比值就确定了,因脊高的设计又会影响到温室间距的设计，所以跨度与间距的比值也确定了。温室的跨度与高度是决定建造成本的重要因素，而温室的跨间比又反映着土地利用率，这些都是需要综合考虑的因素。实际应用中我们可以根据列表分析择优确定，一般参考的跨度为6m～10m。
4、确定后屋面投影（s'）。后屋面短，升温快，但保温性能差；后屋面长，保温性能强，然而升温慢。一般情况下取1.0～1.5m之间，在此范围内，跨度大的温室投影（s'）要长些，跨度小的温室（s'）可短些。
5、确定前窗高度(h),在室内前沿附近，为了不防碍室内作业和农作物的正常生长，我们通常会在室内前沿留有一定高度，一般留作0.8米。
6、确定前窗角度（θ'）,前窗角度要保证冬至日正午阳光垂直照射，以此获取最大的辐射量。
�公式：θ' =90−α正
7、确定前窗投影长（s''）,前窗投影是前窗在水平地面的投影。公式：s ′′=h ÷tan(θ' )
8、确定脊高（H）,脊高由前屋面角、温室跨度、后屋面投影长度、前窗投影长度、前窗高度来确定。
公式：H =tan θ×(s −s ' −s ′′) +h 。
注:式中θ为前屋面角，s为温室跨度，s'为后屋面投影长度，s''为前窗投影长，h为前窗高度。
9、确定后屋面仰角（ψ），仰角低,热对流散失慢，但采光性差；仰角高，有利采光，但热对流散失快。根据实践经验，我们确定为45°。
10、确定后墙高(H')。后墙高度由脊高、后屋面投影、后屋面仰角来确定。
公式：H ' =H −s ' ×tan ψ
注：式中H 为脊高，s'为后屋面投影长，ψ为后屋面仰角。
11、确定前后两栋温室间距（d）。以揭帘时前温室对后温室不遮光为前提计算最佳值。
⑴、引用揭帘时间（t1）的太阳高度角（α1）和方位角（β1）、脊
高（H）、后屋面保温覆盖层厚度、温室方位角（ω）、温室跨度（s）、后屋面投影（s'）。
⑵、通过公式d =cos(β1−ω) ×(H +0. 3) /tan α1+(s −s ' ) 确定前后两屋间距。
注：式中0.3为后屋面保温覆盖层厚度，d为前后两温室前沿到前沿的距离。
以上计算序例实则复杂，然而运用计算机编程，可以对统计的原始数据进行批量化处理，一次性完成所有不同地理标位和不同用途温室的
关键参数的计算。
图4:温室相关参数标示图
【例】：赛罕区根堡村不同跨度温室关键参数值表
单位:米、度
跨度（s）下卧温室方位
角（ω）前屋面角（θ）后屋投影长(s')前窗高（h）前窗角度（θ'）前窗投影长(s'')脊高（H）后屋面仰角（ψ）后墙高(H')温室间距（d)跨高比土地利用率（%）
6.00.5633°0.90.864.140.393.86452.9616.211.5537.02
6.50.5633°1.00.864.140.394.14453.1617.371.5737.42
7.00.5633°1.10.864.140.394.41453.3618.531.5937.78
7.50.5633°1.10.864.140.394.69453.5619.691.6038.09
8.00.5633°1.20.8
8.50.5633°1.30.8
9.00.5633°1.40.864.140.395.52454.1723.181.6338.83
9.50.5633°1.40.8
10.00.5633°1.50.8
64.1464.140.394.96453.76
0.395.24453.97
64.1464.140.395.79454.37
0.396.07454.57
20.8522.021.61
1.62
24.3425.501.64
1.65
38.3638.6139.0339.21
注：土地利用率指温室内面积占总用地面积的百分比。
-11-