CN107480449B - 一种日光温室建筑朝向简化设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种日光温室建筑朝向简化设计方法属于设施农业建筑节能设计领域。本发明以日光温室越冬反季节生产喜温果蔬菜关键期的温室前屋面累计截获太阳总辐射量最大为控制目标，以温室日照时间和日照质量为约束条件，构建了基于数学极值理论的日光温室建筑最佳朝向的设计计算简化模型。利用该模型，可以给出不同地理纬度地区日光温室建筑朝向的优化设计推荐值。该发明方法为我国相关设计标准或规范的制定提供了重要理论依据。当工程场地的地理纬度、温室需要确保的蔬菜生产关键生产期确定，即可根据本发明计算得到日光温室建筑最佳朝向的优化设计值，最佳建筑朝向下日光温室节能效果显著。

Description

一种日光温室建筑朝向简化设计方法
技术领域
本发明涉及一种日光温室建筑朝向设计技术，根据不同地理纬度地区气候特点高效利用太阳能的日光温室建筑朝向优化设计方法，属于设施农业建筑节能设计领域。
背景技术
日光温室是一种依靠被动接收太阳光热能维持温室内环境温度，以满足反季节越冬蔬菜作物生产需求的设施农业建筑。日光温室的建筑朝向不但直接影响日光温室一天可接受的日照时间，同时还影响有效日照时间内日光温室墙体和地面被阳光照射的面积(也称光斑面积)。由于太阳运动轨迹和辐射强度的动态变化特性，科学确定位于不同地理纬度日光温室建筑的最佳朝向，对确保日光温室在蔬菜生产关键生产期间可获得足够的日照时间和日照质量、为蔬菜作物营造必要的光热环境，具有非常重要的意义。
目前我国尚未形成具有指导意义的日光温室建筑朝向设计方法，更多还是凭借经验，给出的取值范围大而且各方法之间的差异也较大，从南偏东30°到南偏西40°皆有涉及可参考性不强。例如，行业标准《日光温室技术条件》(NY_T 610-2002)中规定，“日光温室采光面朝南，屋脊线东西走向。以当地正南向为准，温室方位南向偏角不应超过±10°”；国家标准《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》(GB/T 19165-2003)中规定，“坐北朝南，东西向延长，偏东或偏西不宜超过10°”；国家标准《寒地节能日光温室建造规程》(GB/T 19561-2004)中关于温室朝向的规定，“温室坐北朝南，东西延长，方位应采用当地正南偏东5°至偏西5°”。本发明以日光温室越冬反季节生产喜温果蔬菜关键期的温室前屋面累计截获太阳总辐射量最大为控制目标，以温室日照时间和日照质量为约束条件，构建了基于数学极值理论的日光温室建筑最佳朝向的设计简化模型。利用该模型，可以给出不同地理纬度地区日光温室建筑朝向的优化设计推荐值。该发明方法为我国相关设计标准或规范的制定提供了重要理论依据。
发明内容
本发明涉及一种日光温室建筑最佳朝向计算的设计方法。当工程场地的地理纬度、温室需要确保的蔬菜生产关键生产期确定，即可根据本发明方法计算得到日光温室建筑最佳朝向的优化设计值。基本设计步骤如下：
1.查阅当地的经度β、和纬度
Figure GDA0002675622350000021
确定设计温室冬季需要确保的蔬菜生产的关键时期。
2.根据式(1)和式(2)计算蔬菜生产关键时期内每天的日出时间和日落时间。
Figure GDA0002675622350000022
式中，Tr为蔬菜生产关键时期内每天的日出时间，h；β为当地的经度，°E；
Figure GDA0002675622350000023
为当地纬度，°N；N为计算日在一年中的日期序号；
Figure GDA0002675622350000024
式中，Ts为蔬菜生产关键时期内每天的日落时间，h。
3.根据式(3)和式(4)计算蔬菜生产关键时期内每天日光温室前屋面保温覆盖物开启和关闭的时间。
Figure GDA0002675622350000025
Figure GDA0002675622350000026
式中，t1和t2分别为蔬菜生产关键时期内每天日光温室前屋面保温覆盖物开启和关闭的时间，h。
4.根据式(5)计算蔬菜关键生产时期内每天的赤纬角δ。
Figure GDA0002675622350000027
5.根据式(6)计算蔬菜关键生产时期内每天温室前屋面保温覆盖物开启时段内(t1～t2)各时刻太阳时角ω.
Figure GDA0002675622350000028
式中，Hs为对应时段内的计算时刻，h；βs为所在地区标准时间的经度(例如中国采用北京所在的东8时区的区时作为标准时间，为120°E)，°E；e为全年各日的时差(根据式(7)计算)，min；
e＝9.87sin 2B-7.53cos B-1.5sin B (7)
Figure GDA0002675622350000031
式中，B为角度系数。
6.根据式(9)计算日光温室建筑最佳朝向。
Figure GDA0002675622350000032
式中，n1、n2分别为蔬菜生产关键时期起始日期和终止日期，按一年中的日期序号，计算时刻t的取值间隔为0.1。
为了评价优化设计方法的节能性，分别计算比较了北京地区日光温室不同建造朝向时前屋面整个日光温室冬季蔬菜生产关键时期(11月1日-2月28日)的累计进光量(图1)。
进行比较的温室空间结构形态相同，跨度为5.8m，脊高为2.9m，后墙高2.3m，前坡屋面仰角为30°，长度为40m。图1计算结果表明，随着温室朝向由南偏东12°向南偏西12°变化，日光温室冬季蔬菜生产关键时期(11月1日-2月28日)前屋面累计进光量先增大后减小，最大值出现在南偏西6°位置。日光温室朝向南偏西6°情况下累计进光量可比南偏东12°情况下增加35MJ/m2，累计进光量可增加3.2％。最佳建筑朝向下日光温室节能效果显著。
附图说明
图1北京地区日光温室朝向与前屋面累计进光量的关系
具体实施方式
下面以北京地区为例进一步说明本发明。
1.北京地区的经度为116.3°E，纬度为39.9°N；日光温室冬季蔬菜生产关键时期为11月1日至次年2月28日。
2.根据式(1)及式(2)计算当地日光温室冬季蔬菜生产关键时期内每天的日出时间和日落时间，以大寒日为例，日期序数为21，
Figure GDA0002675622350000041
Figure GDA0002675622350000042
2.根据式(3)及式(4)计算当地反季节生产期内每天日光温室前屋面保温覆盖物开启和关闭的时间，以大寒日为例
Figure GDA0002675622350000043
Figure GDA0002675622350000044
3.根据式(5)计算当地反季节生产期内每天赤纬角δ的值，以大寒日为例，
Figure GDA0002675622350000045
4.根据式(6)计算当地反季节生产期内每天前屋面保温覆盖物开启时段内各时刻太阳时角ω，以大寒日前屋面保温覆盖物开启和关闭时刻为例计算太阳时角，
Figure GDA0002675622350000046
Figure GDA0002675622350000047
Figure GDA0002675622350000051
Figure GDA0002675622350000052
计算结果可知，大寒日前屋面保温覆盖物开启时刻太阳时角为-54.5°，关闭时刻太阳时角为64°，其他计算时刻(t的取值间隔Δt＝0.1)太阳时角可按照相同方法计算得到。
5.根据式(9)计算日光温室最佳建造朝向。同大寒日的计算方法，计算日光温室冬季蔬菜生产关键期每天的前屋面保温覆盖物开启和关闭时间、赤纬角，并计算各个时刻的太阳时角，将其带入式(9)求和可得北京地区日光温室最佳建造朝向为南偏西6°。

Claims (1)

1.一种日光温室建筑朝向简化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1).查阅当地的经度β、和纬度
Figure FDA0002675622340000019
确定设计温室冬季需要确保的蔬菜生产的关键时期；
2).根据式(1)和式(2)计算蔬菜生产关键时期内每天的日出时间和日落时间；
Figure FDA0002675622340000011
式中，Tr为蔬菜生产关键时期内每天的日出时间，h；β为当地的经度，°E；
Figure FDA0002675622340000012
为当地纬度，°N；N为计算日在一年中的日期序号；
Figure FDA0002675622340000013
式中，Ts为蔬菜生产关键时期内每天的日落时间，h；
3).根据式(3)和式(4)计算蔬菜生产关键时期内每天日光温室前屋面保温覆盖物开启和关闭的时间；
Figure FDA0002675622340000014
Figure FDA0002675622340000015
式中，t1和t2分别为蔬菜生产关键时期内每天日光温室前屋面保温覆盖物开启和关闭的时间，h；
4).根据式(5)计算蔬菜关键生产时期内每天的赤纬角δ；
Figure FDA0002675622340000016
5).根据式(6)计算蔬菜关键生产时期内每天温室前屋面保温覆盖物开启时段内即t1～t2内各时刻太阳时角ω.
Figure FDA0002675622340000017
式中，Hs为对应时段内的计算时刻，h；βs为所在地区标准时间的经度，°E；e为全年各日的时差，min；
e＝9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB (7)
Figure FDA0002675622340000018
式中，B为角度系数；
6).根据式(9)计算日光温室建筑最佳朝向；
Figure FDA0002675622340000021
式中，n1、n2分别为蔬菜生产关键时期起始日期和终止日期，按一年中的日期序号。
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