第20卷,总第111期
2002年1月,第1期《节能技术》
ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYVol.20,SumNo.111
Jan12002,No.1
东北型节能日光温室
———辽沈Ⅰ型日光温室节能设计试验研究
白义奎,王铁良,佟国红,刘文和
(沈阳农业大学水利学院,辽宁沈阳110161)
摘 要:辽沈Ⅰ型日光温室是“九五”国家重大科技产业工程———工厂化高效农业示范工程在全国招标的十三个专题之一———“。在采光性能、保温性能取得了突破性进展,真正达到了高效节能。
关键词:日光温室;节能中图分类号:TK511+15 文献标识码:A -()-03
ExperimentalresearchgreenhouseoftypenortheastofChina
LiaoshenISolarGreenhouse
BAIYi2kui,WANGTie2liang,TONGGuo2hong,LIUWen2he
(HydraulicCollege,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110161,China)
Abstract:TypeLiaoshenIsolargreenhousewasaccomplishmentof“TheninthFive-Yearplan”nation’sfundamentaltechnologicalandindustrialproject———“Theoptimaldesignandimplementationofthestructureandregulationofen2ergysavinggreenhouseoftypenortheastofChina”thatisoneofthethirteenspecialsubjectsaboutindustrializedandhighefficientagriculturedemonstrativeprojectinvitedtendersaroundChina1Thissolargreenhousehasmademanyma2jorbreakthroughsindaylightingandheatinsulationandcompletelyrealizedhighefficientenergysaving.Keywords:solargreenhouse;energysaving
1 辽沈Ⅰ型日光温室概况
辽沈Ⅰ型日光温室是“九五”国家重大科技产业工程———工厂化高效农业示范工程在全国招标的十三个专题之一———“东北型节能日光温室结构及调控设施的优化设计与实施”的研究成果。
节能日光温室是中国华北地区,东北地区特有的农业园艺设施,在其它国家没有类似的温室、连栋温室或大棚,辽沈Ⅰ型日光温室与国内其它形式的温室相比,主要技术指标可以达到如下程度:
(1)在北纬42度及其以南地区,冬季晴天最冷日室内外温差达到30℃,正常年份基本不加温(连阴天和极冷天少量加温)可越冬进行蔬菜生产;
收稿日期 2001-12-05 修改稿日期 2001-12-12
作者简介:白义奎(1968-),男,讲师,从事农业建筑与环境工程研究。
(2)优化剖面形状,冬至时室内后墙、后坡无光照死
角,总进光量比普通温室增加5%～10%;
(3)室内无柱,可利用空间比普通生产温室增加30%,便于机械作业及多层立体栽培;
(4)新材料利用率达到30%;
(5)平均温度比普通生产温室提高3～5℃;
(6)综合生产效益比普通温室提高20%～50%。辽沈Ⅰ型日光温室有四个系列:辽沈Ⅰ型6.0、辽沈Ⅰ型6.5、辽沈Ⅰ型7.0、辽沈Ⅰ型7.5,跨度分别为6.0m、6.5m、7.0m、7.5m。四个系列的日光温室室内均为无柱式,骨架采用钢平面桁架的形式。上弦用Φ1125mm×2175mm焊管,下弦用Φ10mm(6.0m跨)和
・21・
Φ12mm钢筋,腹杆用Φ8mm钢筋。围护结构墙体采用240mm厚砖墙+90mm(或120mm)厚苯板+120mm(或240mm)厚砖墙。后坡采用20mm厚木板+120mm厚苯板+1∶5白灰炉渣找坡平均80mm厚+1∶3水泥砂浆抹面25mm厚+改性沥青防水层。前坡的外覆盖材料采用草帘或草帘加纸被,内部增设二道幕。在温室前地垄墙外设置防寒沟,采用60～90mm厚苯板,深800～1200mm。
果见表2。在前坡水平投影和脊高相同的情况下,优化的采光面比椭圆面、二次抛物面、圆曲面分别增加2.7%～3.5%、1.6%～2.1%、0.4%～0.7%。
表2 辽沈Ⅰ型系列日光温室采光面优化结果
跨 度序列号
[***********]14151617x
6.5
y
x
7.0
y
x
7.5
y
2 剖面几何参数的确定及采光曲面的优化设计
2.1 剖面几何参数的确定
日光温室剖面几何参数如图1所示
。
图1 日光温室剖面几何参数
0.000
0.2000.4000.6000.8001.0001.2801.5601.8402.1202.4002.6802.9603.2403.5203.8004.4.4.6405.2000.0000.5050.7711.0111.2011.3701.5101.6711.8101.9452.0702.1802.3012.4222.5292.6329233.0133.1000.0000.2000.4000.6000.8001.0001.0371.6131.9202.2272.5332.8403.1473.4537600674.4.4.9875.2935.6000.0000.5180.7841.0431.2391.4001.5711.7131.8812.0232.1602.2912.4182.5422.6622.7772.8902.9983.1023.2033.2000.0000.2000.4000.6000.8001.0001.3331.6662.0002.3332.6663.0003.3333.6664.0004.3334.6665.0005.3335.6666.0000.0000.5370.8121.0801.2831.4501.6351.8071.9692.1222.2702.4112.5492.6822.8112.9363.0573.1743.2873.3953.500
图中:L———净跨度,L1———;
L2———,m;
H———脊高,为温室最高点到地面的垂直距
进光量(J)
6.60050×1077.06318×1077.52324×107
注:计算日为冬至日,上午8∶30揭帘,下午15∶30放帘
3 围护结构的保温设计
日光温室的围护结构包括墙体、后坡、前坡、基础与
防寒沟等部分。3.1 墙体保温设计
研究表明,任何单一材料墙体(如砖墙、石墙、土墙等),无论其厚度如何,都难以与多层异质复合墙体相媲美,多层异质复合墙体不但热阻大、蓄热、隔热、保温性能好,而且厚度小,节省材料。辽沈Ⅰ型日光温室采用了以低密度、小导热系数、低造价的聚苯乙烯泡沫塑料板作为墙体隔热层的夹心墙体(如图2所示),其性能指标明显优于其它作法见表3
。
离,m;h———后墙高,指骨架支座距地面的垂直距离,m;β———后坡仰角;α———前坡参考角,指屋脊和前底脚连线与水平面的夹角。
辽沈Ⅰ型系列日光温室(沈阳地区)剖面几何参数见表1。
表1 辽沈Ⅰ型系列日光温室(沈阳地区)剖面几何参数
温室名称辽沈Ⅰ型6.0辽沈Ⅰ型6.5辽沈Ⅰ型7.0辽沈Ⅰ型7.5
净跨度脊高后墙高
脊位比后坡仰角前坡参考角
()
()
()
6.06.57.07.5
0.80.80.80.8
2.93.13.33.5
1.801.902.052.20
32.232.932.331.7
31.130.830.530.3
注:脊位比为前坡水平投影与净跨度的比值(L1/L)
2.2 采光曲面的优化
日光温室的前坡即采光面通常可以采用折线型和
曲线型,辽沈Ⅰ型系列日光温室采用了曲线型(如图1)。计算结果表明,在屋脊和前底脚间不论连以何种线型,总进光量相差不足5%。在以往的研究中,侧重采用各种数学曲线进行连接,事实上,使总进光量最大的采光面不可能与某一数学曲线形成的柱面完全吻合。辽沈Ⅰ型系列日光温室采用了动态规划法进行了优化设计,以沈阳地区为例,辽沈Ⅰ型系列日光温室优化结・22・
图2 加心墙体作法
3.2 后坡保温设计
后坡采用20mm厚木板、120mm厚苯板、1:5白灰炉
渣找坡平均80mm厚、1:3水泥砂浆抹面25mm厚、改性沥青防水层。总热阻为4.047m2・℃/W。
表3 不同墙体作法性能指标
序号
1
23456墙体作法(多层墙由内至外,mm)240红砖+90苯板+120红砖240红砖+120苯板+120红砖240红砖+120苯板+240红砖240红砖+120珍珠岩+120红砖240红砖+120珍珠岩+240红砖490红砖总热阻(m2・℃/W)
3.197
4.1144.2622.1592.3070.605高于某一限值时,风机启动,使热空气通过地下管道将热量储存于管道周围的土壤中,当凌晨室内空气温度低于某一限值时,风机又启动运转,将室内的冷空气送入地下管道,并吸收管道周围土壤的热量,使其温度升高。
地中热交换系统由风机、地下通风管道、控制系统及附属部分组成。辽沈Ⅰ型日光温室地中热交换系统设计如下(如图4所示)
:
3.3 前坡保温设计
日光温室前坡的面积约为后坡、墙体面积总和的1.7倍,前坡的散热量约占温室总散热量的70%以上,减少前坡的散热量至关重要。日光温室前坡一般是在承重骨架上覆盖塑料薄膜,其夜间的保温主要依靠外覆盖(草帘、纸被或保温被),内部设置天幕。
(1)保温被 辽沈Ⅰ型日光温室采用新型的保温被,保温被上、下面层为高压聚乙烯编织布,中间采用两层丙纶针刺毡加4层牛皮纸缝制而成。经辽宁省建材产品质量监督站测定,其热阻为0.7318m2・℃/W,而4层牛皮纸加一层草帘热阻实测值为0.3906m2・℃/W。前者热阻为后者的1.87倍,保温效果十分理想。经抚顺地区两栋相同温室的对比测试,草帘纸被相比,最低温度提高3℃以上。
(2)内部天幕 速成二道幕,增加热阻,,从而提高保温效果。以2000年大寒前后的使用测试,使用二道幕与不使用对比,可提高夜间气温1～3℃。3.4 基础与防寒沟保温设计
基础埋置于地下,为减少温室地面横向传热损失,在温室的四周设置防寒沟。辽沈Ⅰ型日光温室在前底脚部位设置防寒沟(如图3所示),采用60～90mm厚苯板,埋深800～1200mm
。
图4 (内径100mm)的
8×6×2的空心砖两种材料作每段管道长20m,埋深为450mm,西侧为14管,管间距为450mm,东侧为12道空心砖通风管,管间距为490mm,管内壁总面积与棚内地面积之比分别为0.618和0.649。风槽尺寸宽0.5m,长6m,深0.6m。选用两台单相轴流风机,功率为0.37kW,叶片直径为300mm,流量为3870m3/h,工作压力为225.315Pa。
(1)地中热交换系统对地温的影响
测试结果表明,实施通风后,地温均有显著提高:在35cm处地温升高2.9℃;在25cm处地温升高2.1℃;在15cm处地温升高0.8℃。
(2)地中热交换系统对气温的影响
经实际测试,开风机与不开风机相比,白天气温低1～3℃,夜间或凌晨气温高1～3℃,昼夜温差缩小2～5℃。
(3)地中热交换系统对室内相对湿度的影响
由于冬季温室内部通风换气量极小,相对湿度可达到95%～100%,作物易因湿度高而产生病害,而地下热交换系统则在蓄热过程中进行除温,使空气中的含水量降低约3%～7%。
参考文献
〔1〕周长吉1几种日光温室复合保温被保温性能分析〔J〕1农业工程学报,1999,15(2),168-171.
〔2〕吴德让,李元哲1日光温室地下热交换系统的理论研究〔J〕1农业工程学报,1994,10(1),137-143.
〔3〕吴德让,李元哲1日光温室地下热交换系统的实验和优化设计研究〔J〕1农业工程学报,1994,10(1),144-149.
〔4〕李建伟1镀铝聚酯反光幕的应用〔J〕1农村实用工程技术,1994
(1),7.
图3 防寒沟
4 地中热交换系统设计
地中热交换系统是为有效利用太阳能,在日间由于
温室温度较高,通过此系统把多余的能量贮存起来,夜间温度降低时,再将贮存的能量释放出来,达到使日间温度降低,夜间(尤其是凌晨)室内气温升高的效果。即在温室内部设有风机和地下通风管道,当日间室内温度
〔5〕何韦1温室太阳能地下贮热系统〔J〕1农村实用工程技术,1993
(6),21.
〔6〕魏春云1寒地温室工程(上)〔J〕1农村实用工程技术,1997(12),5.〔7〕魏春云1寒地温室工程(下)〔J〕1农村实用工程技术,1998(1),5.
・23・
第20卷,总第111期
2002年1月,第1期《节能技术》
ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYVol.20,SumNo.111
Jan12002,No.1
东北型节能日光温室
———辽沈Ⅰ型日光温室节能设计试验研究
白义奎,王铁良,佟国红,刘文和
(沈阳农业大学水利学院,辽宁沈阳110161)
摘 要:辽沈Ⅰ型日光温室是“九五”国家重大科技产业工程———工厂化高效农业示范工程在全国招标的十三个专题之一———“。在采光性能、保温性能取得了突破性进展,真正达到了高效节能。
关键词:日光温室;节能中图分类号:TK511+15 文献标识码:A -()-03
ExperimentalresearchgreenhouseoftypenortheastofChina
LiaoshenISolarGreenhouse
BAIYi2kui,WANGTie2liang,TONGGuo2hong,LIUWen2he
(HydraulicCollege,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110161,China)
Abstract:TypeLiaoshenIsolargreenhousewasaccomplishmentof“TheninthFive-Yearplan”nation’sfundamentaltechnologicalandindustrialproject———“Theoptimaldesignandimplementationofthestructureandregulationofen2ergysavinggreenhouseoftypenortheastofChina”thatisoneofthethirteenspecialsubjectsaboutindustrializedandhighefficientagriculturedemonstrativeprojectinvitedtendersaroundChina1Thissolargreenhousehasmademanyma2jorbreakthroughsindaylightingandheatinsulationandcompletelyrealizedhighefficientenergysaving.Keywords:solargreenhouse;energysaving
1 辽沈Ⅰ型日光温室概况
辽沈Ⅰ型日光温室是“九五”国家重大科技产业工程———工厂化高效农业示范工程在全国招标的十三个专题之一———“东北型节能日光温室结构及调控设施的优化设计与实施”的研究成果。
节能日光温室是中国华北地区,东北地区特有的农业园艺设施,在其它国家没有类似的温室、连栋温室或大棚,辽沈Ⅰ型日光温室与国内其它形式的温室相比,主要技术指标可以达到如下程度:
(1)在北纬42度及其以南地区,冬季晴天最冷日室内外温差达到30℃,正常年份基本不加温(连阴天和极冷天少量加温)可越冬进行蔬菜生产;
收稿日期 2001-12-05 修改稿日期 2001-12-12
作者简介:白义奎(1968-),男,讲师,从事农业建筑与环境工程研究。
(2)优化剖面形状,冬至时室内后墙、后坡无光照死
角,总进光量比普通温室增加5%～10%;
(3)室内无柱,可利用空间比普通生产温室增加30%,便于机械作业及多层立体栽培;
(4)新材料利用率达到30%;
(5)平均温度比普通生产温室提高3～5℃;
(6)综合生产效益比普通温室提高20%～50%。辽沈Ⅰ型日光温室有四个系列:辽沈Ⅰ型6.0、辽沈Ⅰ型6.5、辽沈Ⅰ型7.0、辽沈Ⅰ型7.5,跨度分别为6.0m、6.5m、7.0m、7.5m。四个系列的日光温室室内均为无柱式,骨架采用钢平面桁架的形式。上弦用Φ1125mm×2175mm焊管,下弦用Φ10mm(6.0m跨)和
・21・
Φ12mm钢筋,腹杆用Φ8mm钢筋。围护结构墙体采用240mm厚砖墙+90mm(或120mm)厚苯板+120mm(或240mm)厚砖墙。后坡采用20mm厚木板+120mm厚苯板+1∶5白灰炉渣找坡平均80mm厚+1∶3水泥砂浆抹面25mm厚+改性沥青防水层。前坡的外覆盖材料采用草帘或草帘加纸被,内部增设二道幕。在温室前地垄墙外设置防寒沟,采用60～90mm厚苯板,深800～1200mm。
果见表2。在前坡水平投影和脊高相同的情况下,优化的采光面比椭圆面、二次抛物面、圆曲面分别增加2.7%～3.5%、1.6%～2.1%、0.4%～0.7%。
表2 辽沈Ⅰ型系列日光温室采光面优化结果
跨 度序列号
[***********]14151617x
6.5
y
x
7.0
y
x
7.5
y
2 剖面几何参数的确定及采光曲面的优化设计
2.1 剖面几何参数的确定
日光温室剖面几何参数如图1所示
。
图1 日光温室剖面几何参数
0.000
0.2000.4000.6000.8001.0001.2801.5601.8402.1202.4002.6802.9603.2403.5203.8004.4.4.6405.2000.0000.5050.7711.0111.2011.3701.5101.6711.8101.9452.0702.1802.3012.4222.5292.6329233.0133.1000.0000.2000.4000.6000.8001.0001.0371.6131.9202.2272.5332.8403.1473.4537600674.4.4.9875.2935.6000.0000.5180.7841.0431.2391.4001.5711.7131.8812.0232.1602.2912.4182.5422.6622.7772.8902.9983.1023.2033.2000.0000.2000.4000.6000.8001.0001.3331.6662.0002.3332.6663.0003.3333.6664.0004.3334.6665.0005.3335.6666.0000.0000.5370.8121.0801.2831.4501.6351.8071.9692.1222.2702.4112.5492.6822.8112.9363.0573.1743.2873.3953.500
图中:L———净跨度,L1———;
L2———,m;
H———脊高,为温室最高点到地面的垂直距
进光量(J)
6.60050×1077.06318×1077.52324×107
注:计算日为冬至日,上午8∶30揭帘,下午15∶30放帘
3 围护结构的保温设计
日光温室的围护结构包括墙体、后坡、前坡、基础与
防寒沟等部分。3.1 墙体保温设计
研究表明,任何单一材料墙体(如砖墙、石墙、土墙等),无论其厚度如何,都难以与多层异质复合墙体相媲美,多层异质复合墙体不但热阻大、蓄热、隔热、保温性能好,而且厚度小,节省材料。辽沈Ⅰ型日光温室采用了以低密度、小导热系数、低造价的聚苯乙烯泡沫塑料板作为墙体隔热层的夹心墙体(如图2所示),其性能指标明显优于其它作法见表3
。
离,m;h———后墙高,指骨架支座距地面的垂直距离,m;β———后坡仰角;α———前坡参考角,指屋脊和前底脚连线与水平面的夹角。
辽沈Ⅰ型系列日光温室(沈阳地区)剖面几何参数见表1。
表1 辽沈Ⅰ型系列日光温室(沈阳地区)剖面几何参数
温室名称辽沈Ⅰ型6.0辽沈Ⅰ型6.5辽沈Ⅰ型7.0辽沈Ⅰ型7.5
净跨度脊高后墙高
脊位比后坡仰角前坡参考角
()
()
()
6.06.57.07.5
0.80.80.80.8
2.93.13.33.5
1.801.902.052.20
32.232.932.331.7
31.130.830.530.3
注:脊位比为前坡水平投影与净跨度的比值(L1/L)
2.2 采光曲面的优化
日光温室的前坡即采光面通常可以采用折线型和
曲线型,辽沈Ⅰ型系列日光温室采用了曲线型(如图1)。计算结果表明,在屋脊和前底脚间不论连以何种线型,总进光量相差不足5%。在以往的研究中,侧重采用各种数学曲线进行连接,事实上,使总进光量最大的采光面不可能与某一数学曲线形成的柱面完全吻合。辽沈Ⅰ型系列日光温室采用了动态规划法进行了优化设计,以沈阳地区为例,辽沈Ⅰ型系列日光温室优化结・22・
图2 加心墙体作法
3.2 后坡保温设计
后坡采用20mm厚木板、120mm厚苯板、1:5白灰炉
渣找坡平均80mm厚、1:3水泥砂浆抹面25mm厚、改性沥青防水层。总热阻为4.047m2・℃/W。
表3 不同墙体作法性能指标
序号
1
23456墙体作法(多层墙由内至外,mm)240红砖+90苯板+120红砖240红砖+120苯板+120红砖240红砖+120苯板+240红砖240红砖+120珍珠岩+120红砖240红砖+120珍珠岩+240红砖490红砖总热阻(m2・℃/W)
3.197
4.1144.2622.1592.3070.605高于某一限值时,风机启动,使热空气通过地下管道将热量储存于管道周围的土壤中,当凌晨室内空气温度低于某一限值时,风机又启动运转,将室内的冷空气送入地下管道,并吸收管道周围土壤的热量,使其温度升高。
地中热交换系统由风机、地下通风管道、控制系统及附属部分组成。辽沈Ⅰ型日光温室地中热交换系统设计如下(如图4所示)
:
3.3 前坡保温设计
日光温室前坡的面积约为后坡、墙体面积总和的1.7倍,前坡的散热量约占温室总散热量的70%以上,减少前坡的散热量至关重要。日光温室前坡一般是在承重骨架上覆盖塑料薄膜,其夜间的保温主要依靠外覆盖(草帘、纸被或保温被),内部设置天幕。
(1)保温被 辽沈Ⅰ型日光温室采用新型的保温被,保温被上、下面层为高压聚乙烯编织布,中间采用两层丙纶针刺毡加4层牛皮纸缝制而成。经辽宁省建材产品质量监督站测定,其热阻为0.7318m2・℃/W,而4层牛皮纸加一层草帘热阻实测值为0.3906m2・℃/W。前者热阻为后者的1.87倍,保温效果十分理想。经抚顺地区两栋相同温室的对比测试,草帘纸被相比,最低温度提高3℃以上。
(2)内部天幕 速成二道幕,增加热阻,,从而提高保温效果。以2000年大寒前后的使用测试,使用二道幕与不使用对比,可提高夜间气温1～3℃。3.4 基础与防寒沟保温设计
基础埋置于地下,为减少温室地面横向传热损失,在温室的四周设置防寒沟。辽沈Ⅰ型日光温室在前底脚部位设置防寒沟(如图3所示),采用60～90mm厚苯板,埋深800～1200mm
。
图4 (内径100mm)的
8×6×2的空心砖两种材料作每段管道长20m,埋深为450mm,西侧为14管,管间距为450mm,东侧为12道空心砖通风管,管间距为490mm,管内壁总面积与棚内地面积之比分别为0.618和0.649。风槽尺寸宽0.5m,长6m,深0.6m。选用两台单相轴流风机,功率为0.37kW,叶片直径为300mm,流量为3870m3/h,工作压力为225.315Pa。
(1)地中热交换系统对地温的影响
测试结果表明,实施通风后,地温均有显著提高:在35cm处地温升高2.9℃;在25cm处地温升高2.1℃;在15cm处地温升高0.8℃。
(2)地中热交换系统对气温的影响
经实际测试,开风机与不开风机相比,白天气温低1～3℃,夜间或凌晨气温高1～3℃,昼夜温差缩小2～5℃。
(3)地中热交换系统对室内相对湿度的影响
由于冬季温室内部通风换气量极小,相对湿度可达到95%～100%,作物易因湿度高而产生病害,而地下热交换系统则在蓄热过程中进行除温,使空气中的含水量降低约3%～7%。
参考文献
〔1〕周长吉1几种日光温室复合保温被保温性能分析〔J〕1农业工程学报,1999,15(2),168-171.
〔2〕吴德让,李元哲1日光温室地下热交换系统的理论研究〔J〕1农业工程学报,1994,10(1),137-143.
〔3〕吴德让,李元哲1日光温室地下热交换系统的实验和优化设计研究〔J〕1农业工程学报,1994,10(1),144-149.
〔4〕李建伟1镀铝聚酯反光幕的应用〔J〕1农村实用工程技术,1994
(1),7.
图3 防寒沟
4 地中热交换系统设计
地中热交换系统是为有效利用太阳能,在日间由于
温室温度较高,通过此系统把多余的能量贮存起来,夜间温度降低时,再将贮存的能量释放出来,达到使日间温度降低,夜间(尤其是凌晨)室内气温升高的效果。即在温室内部设有风机和地下通风管道,当日间室内温度
〔5〕何韦1温室太阳能地下贮热系统〔J〕1农村实用工程技术,1993
(6),21.
〔6〕魏春云1寒地温室工程(上)〔J〕1农村实用工程技术,1997(12),5.〔7〕魏春云1寒地温室工程(下)〔J〕1农村实用工程技术,1998(1),5.
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