CN107506539A - 一种日光温室建筑空间形态特征参数简化设计计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种日光温室建筑空间形态特征参数简化设计计算方法属于设施农业建筑节能设计领域。当建设工程场地的地理纬度、温室需要确保的蔬菜生产关键时期、以及需要建造的日光温室跨度确定，查阅对应时期当地的室外空气平均温度和日平均太阳辐射总量，即可根据本发明方法计算得到对应跨度条件下日光温室的高跨比、后屋面投影长度，以及北墙高度等日光温室建筑空间形态特征参数的优化设计值。计算结果表明，日光温室越冬生产期间，在确保温室环境温度不低于8℃的条件下，需要向“优化设计温室”提供的热量为8340MJ，较“现行温室”的9670MJ减少了14.7％，节能效果显著，为温室全部利用太阳能或其他可再生能源作为补充热源提供了有利条件。

Description

一种日光温室建筑空间形态特征参数简化设计计算方法
技术领域
本发明涉及一种利用被动建筑设计技术，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空间形态特征参数优化设计方法，属于设施农业建筑节能设计领域。
背景技术
日光温室是一个体形系数很大的设施农业建筑，以太阳能为主要资源，利用温室效应改善冬季蔬菜种植环境。其建筑空间由墙体(北、东、西墙体)、后屋面、前屋面、地面等围护结构构成。温室的建筑空间几何尺寸以及建筑围护结构的构造方式与热工性能等都直接影响温室的光照特性、保温与蓄热特性、以及环境的调控能力，它们互相影响、互相制约。温室的高跨比(脊高与跨度之比)、后屋面投影长度、北墙高度构成日光温室的建筑空间形态特征参数。
日光温室创始于我国上世纪八十年代初，但由于长期受传统而原始的农业建筑材料和建造方法束缚，且缺乏科学的理论和技术方法指导，农业建筑的束缚和约束，更多是凭经验设计和建造，导致土地利用率低、日光温室热湿环境质量难以保证，特别是夜间低温高湿现象严重，冻病虫害易发生，直接影响喜温果蔬菜作物越冬生产效率。从日光温室绿色建筑设计的角度，以日光温室前屋面截获太阳辐射能最大为基本原则、以日光温室越冬喜温果蔬菜作物关键生产期可获得的日照时间和日照质量为控制条件，给出了太阳辐射与气象要素双重周期性热作用下，日光温室建筑朝向及其建筑空间形态特征与温室光照、光热的关联关系，并以日光温室越冬喜温果蔬菜作物生长关键期夜间维持必要热湿环境条件所需提供的热负荷最小为控制目标，最后一排蔬菜作物在冬至日全天可接受到太阳照射等为约束条件，构建了基于多元极值理论的日光温室建筑空间形态特征参数优化设计计算简化模型。利用该模型，可以给出不同地理纬度地区日光温室建筑空间形态特征参数的优化设计推荐值。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空间形态特征参数的设计计算方法。当建设工程场地的地理纬度、温室需要确保的蔬菜生产关键时期、以及需要建造的日光温室跨度确定，查阅对应时期当地的室外空气平均温度和日平均太阳辐射总量，即可根据本发明方法计算得到对应跨度条件下日光温室的高跨比、后屋面投影长度，以及北墙高度等日光温室建筑空间形态特征参数的优化设计值。其基本设计计算步骤如下：
1.查阅当地的经度β、纬度确定设计温室的跨度以及温室需要确保的蔬菜生产关键时期，查阅对应时期当地的室外空气平均温度和日平均太阳辐射总量。
2.根据式(1)计算夏至日、大寒日正午时刻的太阳时角ω。
式中，ω为太阳时角，deg；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为全年各日的时差(根据式(2)计算)，min。
e＝9.87sin2B-7.53cos B-1.5sin B (2)
式中，B为系数，在夏至日表示为Bs,大寒日表示为Bc；
夏至日
式中，n为夏至日在一年中的日期序号；
大寒日
式中，n为大寒日在一年中的日期序号。
3.根据式(5)～(6)计算夏至日、大寒日的赤纬角δ；
夏至日
大寒日
式中，δs、δc分别为夏至日、大寒日赤纬角；式(5)或(6)中n分别为夏至日或大寒日在一年中的日期序号。
4.根据式(7)～(8)计算夏至日、大寒日的太阳高度角。
夏至日
大寒日
式中，hs、hc分别为夏至日与大寒日太阳高度角；δs、δc分别为夏至日与大寒日赤纬角；为当地纬度；ωs、ωc分别为夏至日与大寒日太阳时角，由式(1)计算可得。
5.根据式(9)计算日光温室高跨比
式中，H为日光温室脊高，m；L为日光温室跨度，m；为对应需要确保的蔬菜生产关键时期的当地室外平均温度，℃；为对应需要确保的蔬菜生产关键时期的当地日平均太阳辐射总量，MJ/(㎡·day)。
6.根据式(10)计算日光温室后屋面投影长度C。
式中，C为后屋面投影长度，m；LP为植株高度(一般取2m)，m；hs为当地夏至日正午时刻太阳高度角；P为温室走道宽度(一般取0.8m)，m。
7.根据式(11)计算日光温室北墙高度Hw。
式中，Hw为日光温室北墙高度，m；hc为当地大寒日正午时刻太阳高度角。
根据计算得到对应跨度条件下日光温室的高跨比、后屋面投影长度、以及北墙高度，即可作为日光温室建筑空间形态特征参数的优化设计值。
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“本专利设计温室”与“现行温室”在越冬生产期间(12月1日-1月31日)需要提供的热量(图1)。
两温室均为东西向，朝向为南偏西5°，长度为80m、跨度为8m，墙体均为240mm厚砌块砖墙、墙体外侧采用100mm聚苯板保温材料，前屋面采用0.12mm厚的EVA薄膜、夜间覆盖40mm厚保温被，后屋面采用內夹100mm聚苯板保温材料彩钢板。另外，“优化设计温室”的脊高为4.2m，北墙高度为3.3m，后屋面水平投影长度为1.5m；“现行温室”的脊高为3.5m，北墙高度为2.8m，后屋面水平投影长度为0.9m。
图1计算结果表明，日光温室越冬生产期间(12月1日-1月31日)，在确保温室环境温度不低于8℃的条件下，需要向“优化设计温室”提供的热量为8340MJ，较“现行温室”的9670MJ减少了14.7％，节能效果显著，为温室全部利用太阳能或其他可再生能源作为补充热源提供了有利条件。
附图说明
图1北京地区日光温室越冬生产(12月1日-1月31日)供热量分析
具体实施方式
下面通过一实例进一步说明本发明。
以北京地区为例，设计日光温室的跨度为10m。
1.北京地区东经116.3°、北纬39.9°；需要确保的蔬菜生产关键时期为12月1日-1月31日；查阅对应时期当地的室外空气平均温度为-2.14℃、日平均太阳辐射总量为11.2MJ/(㎡·day)。
2.根据式(1)计算夏至日、大寒日正午时刻的太阳时角ω。
1)计算夏至日的时差
已知夏至日在一年中的日期序号为172，根据式(3)则有，
2)根据式(2)则可计算夏至日的时差为，
e＝9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB
＝9.87sin180°-7.53cos90°-1.5sin90°
＝-1.5
3)根据式(1)计算夏至日正午时刻太阳时角，
4)同上1)～3)计算大寒日的时差、正午时刻的太阳时角。
已知大寒日在一年中的日期序号为21，则有
e＝9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB
＝9.87sin(-118.6°)-7.53cos(-59.3°)-1.5sin(-59.3°)
＝-11.2
3.根据式(4)计算夏至日、大寒日的赤纬角δ。
夏至日，
大寒日，
4.根据式(5)计算夏至日、大寒日的太阳高度角h。
夏至日，
hs＝73.3
大寒日，
hc＝29.6
5.根据式(6)计算日光温室高跨比。
6.根据式(7)计算日光温室后屋面投影长度C。
7.根据式(8)计算日光温室北墙高度Hw。

Claims (1)

1.一种日光温室建筑空间形态特征参数简化设计计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)查阅当地的经度β、纬度确定设计温室的跨度以及温室需要确保的蔬菜生产关键时期，查阅对应时期当地的室外空气平均温度和日平均太阳辐射总量；
2)根据式(1)计算夏至日、大寒日正午时刻的太阳时角ω；
<mrow> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;beta;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mn>15</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>e</mi> <mn>60</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mn>15</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，ω为太阳时角，deg；βs为所在地区标准时间的经度；e为全年各日的时差，min，根据式(2)计算；
e＝9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB (2)
式中，B为系数，在夏至日表示为Bs,大寒日表示为Bc；
夏至日
式中，n为夏至日在一年中的日期序号；
大寒日
式中，n为大寒日在一年中的日期序号。
3)根据式(5)～(6)计算夏至日、大寒日的赤纬角δ；
夏至日
大寒日
式中，δs、δc分别为为夏至日、大寒日赤纬角；式(5)～(6)中n分别为夏至日或大寒日在一年中的日期序号；
4)根据式(7)～(8)计算夏至日、大寒日的太阳高度角；
夏至日
大寒日
式中，hs、hc分别为夏至日与大寒日太阳高度角；δs、δc分别为夏至日与大寒日赤纬角；为当地纬度；ωs、ωc分别为夏至日与大寒日太阳时角，由式(1)计算可得；
5)根据式(9)计算日光温室高跨比
<mrow> <mfrac> <mi>H</mi> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mn>0.4301</mn> <mo>-</mo> <mn>0.0008249</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mover> <mi>t</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>0.007702</mn> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mover> <mi>I</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>S</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，H为日光温室脊高，m；L为日光温室跨度，m；为对应需要确保的蔬菜生产关键时期的当地室外平均温度，℃；为对应需要确保的蔬菜生产关键时期的当地日平均太阳辐射总量，MJ/(㎡·day)；
6)根据式(10)计算日光温室后屋面投影长度C；
<mrow> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>H</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>P</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>h</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>H</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mi>P</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>10</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，C为后屋面投影长度，m；LP为植株高度，m；hs为当地夏至日正午时刻太阳高度角；P为温室走道宽度，m；
7)根据式(11)计算日光温室北墙高度Hw；
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mi>w</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>H</mi> <mo>-</mo> <mo>{</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>H</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>P</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>h</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>H</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mi>P</mi> <mo>}</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mi>tan</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>h</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中，Hw为日光温室北墙高度，m；hc为当地大寒日正午时刻太阳高度角；
根据计算得到对应跨度条件下日光温室的高跨比、后屋面投影长度、以及北墙高度，作为日光温室建筑空间形态特征参数的优化设计值。
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