CN113079881B - 一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法 - Google Patents

一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法属于设施农业建筑节能设计领域。日光温室是我国独创的一种利用太阳能营造热环境的农业设施。为了提高土地利用率、便于机械化作业，希望日光温室的跨度越大越好；然而在冬季，大跨度的温室难以确保喜温果菜越冬生长所需要的热环境。为此，本发明基于研究团队前期关于日光温室建筑空间形态特征参数的计算方法以及主被动式太阳能相变蓄热通风墙体的设计方法，提出了近零能耗周年高效生产的、适应气候变化的大跨度可变空间日光温室设计理念，结合EnergyPlus能耗模拟软件，能给出可变空间日光温室的优化设计方案。

Description

一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温 室优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种利用主被动建筑设计理论与方法及技术，根据不同地理纬度地区气候特点，高效利用太阳能实现周年高产的大跨度可变空间日光温室建筑优化设计方法，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。特殊的建筑空间形态特征，一是日光温室的建筑空间几何尺寸(或是跨度)越大，温室的热环境越是难以保证。从北方地区全年气候条件变化规律看，冬季寒冷，从保障喜温果菜越冬生产必要的热环境角度，小空间(或小跨度)的日光温室，是有利的；而春季以后，气候回暖且逐渐升高，日光温室利用自然气候条件即可正常生产，从便于机械化作业和提高土地利用率的角度，大空间(或大跨度)的日光温室，是有利的。显然，这一大一小的季节矛盾，给日光温室优化设计与建造提出了很大的挑战。以往，更多是以满足冬季越冬生产且设计原则，建造偏小跨度日光温室，其结果是越来越不适应设施农业现代生产的需要，以致严重限制了日光温室技术的发展。
本发明从满足日光温室周年高效生产的角度，结合本团队前期发明专利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”(ZL201710677429.8，授权公告日：2020年8月7日)、发明专利2“日光温室太阳能主-被动式“三重”结构蓄热墙体体系”(ZL201310328662.7，授权公告日：2015年1月7日)的发明思想与技术原理及计算模型，进一步提出了可满足周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室设计理念与优化设计原则。该发明方法可为我国日光温室技术的绿色发展，提供重要理论依据与设计方法参考。
发明内容
本发明涉及一种大跨度可变空间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：
步骤1：根据发明专利1中已得到的公式(1)、(2)、(3)，可以计算得到工程场地适宜高跨比λ，λ为温室脊高与跨度的比值，以及不同跨度条件下对应的日光温室后屋面投影长度C、北墙高度Hw和脊高H，温室结构参数如图2所示。
Figure BDA0002985163270000021
Figure BDA0002985163270000022
Figure BDA0002985163270000023
式中，
Figure BDA0002985163270000024
为冬季蔬菜作物生产关键时期的当地室外平均温度，℃；
Figure BDA0002985163270000025
为冬季蔬菜作物生产关键时期的当地日平均太阳辐射量，MJ/(m2·day)；hs为当地大暑日正午太阳高度角，°；hc为当地大寒日正午太阳高度角，°；Lp为植株高度，m；P为温室走道宽度，m；L为温室跨度，m。
步骤2：根据步骤1得到的工程场地日光温室建筑空间形态特征参数计算结果，即温室脊高与跨度的比值λ、日光温室后屋面投影长度C、北墙高度Hw和脊高H，在SketchUp软件中建立温室几何模型，并且输入温室围护结构热物性参数、作息时间、模拟时段这些限制条件，计算得到相应不同跨度条件对应的日光温室建筑热负荷QiL。这个属于现有技术。
步骤3：根据发明专利2，计算对应日光温室太阳能主-被动式相变蓄热通风北墙体可以提供的供热量QgL。
采用研究团队提出的双集热管多曲面槽式空气集热器数学传热模型[1]及主-被动式相变蓄热通风北墙体数学传热模型[2]，根据图2中所示计算逻辑框架图，可计算得出该墙体表面向温室内的散热量QgL。
步骤4：根据步骤2和步骤3计算出来的温室热负荷QiL和墙体供热量QgL，对温室热负荷和墙体供热量进行耦合分析。令η＝QgL/QiL，η为墙体供热量与温室热负荷的比值，分析η的变化规律，取最优η对应的跨度LN，最优化的LN确定原则为当η的变化不超过2％，选择最小的那个跨度；
规律作为根据步骤1的高跨比确定该工程场地日光温室最优脊高H的依据；进而，可根据步骤1计算该工程场地日光温室优化后的后屋面投影长度C和北墙高度Hw。
步骤5：将步骤4确定的跨度LN作为该工程场地日光温室越冬生产的可适宜跨度，本发明提出将LN+LX作为该工程场地日光温室最优总跨度L*。
关于LX跨度的确定原则：LN跨度一定时，变化LX跨度尺寸，以满足冬季耐寒叶菜生长必要的环境温度为约束条件，以根据能耗模拟软件计算得到的区域热负荷接近为零为目标函数(例如在0上下5％范围内)，相应的LX跨度即为该工程场地日光温室对应最优跨度L*＝LN+LX中的LX跨度。
越冬生产时，在对应LN跨度的大区域与对应LX跨度的小区域分界处沿温室长度方向设置高透光塑料薄膜。在冬季喜温果蔬菜可在大区域种植，耐寒叶菜可在小区域种植；进入春季升温季节，可将设置的高透光塑料薄膜拆除，整个跨度L*作为冬季以外季节的种植区。
附图说明
图1本发明计算逻辑框架图
图2温室结构示意图
1、太阳能主-被动式“三重”结构相变蓄热通风北墙体 2、双集热管多曲面槽式空气集热器 3、后屋面 4、前屋面透明薄膜 5、保温被 6、可变空间塑料隔断。
具体实施方式
下面通过实例进一步说明本发明。
以宁夏吴忠地区为例，具体计算与实施步骤如下。宁夏吴忠地区106.27°、北纬38.47°；需要确保的蔬菜生产关键时期为12月1日至1月31日；查阅对应时期当地的室外空气平均温度为-5.7℃、日平均太阳辐射总量为12.7MJ/(㎡·day)。
1.根据步骤1，可以计算得到工程场地适宜高跨比为0.52，进一步计算不同跨度条件下对应的日光温室后屋面投影长度C、北墙高度Hw和脊高H，具体结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002985163270000041
2.根据步骤2，可以计算得到与表1相应跨度条件下维持室内8℃的日光温室热负荷QiL，结果见表2。
表2
Figure BDA0002985163270000042
3.根据步骤3，计算对应不同跨度日光温室太阳能主-被动式相变蓄热通风北墙体可提供的供热量QgL，结果如下表3所示。
表3
Figure BDA0002985163270000043
4.根据步骤4，计算η如表4，并分析随温室跨度的变化规律。当温室跨度大于10米时，η达到65％左右，且跨度从10米至14米变化时η的增长率只有1％。当温室跨度大于10米时，温室的热负荷逐渐增大，因为η基本不变，温室所需要额外补充的热量也逐渐增大。因此，考虑温室冬季热负荷与供热量的因素，以及温室需要额外补充的供热量，跨度取10米为最优，因此确定LN为10米。
表4
Figure BDA0002985163270000044
5.根据步骤5，当确定LN跨度为10米时，以满足冬季耐寒叶菜生长必要的环境温度(5℃)为约束条件，从1m至4m变化LX跨度尺寸，可根据能耗模拟软件计算得到对应LX区域热负荷如表5。图示结果表明，LX区域热负荷随着LX的增大而增大，且增大速率也随之增加。综合考虑环境温度、土地利用率等影响因素，取LX＝2m，即该工程场地日光温室最优跨度取L*＝LN+LX＝12m。
表5
Figure BDA0002985163270000051
在Surface Construction Elements模块中根据温室实际参数对温室围护结构中材料尺寸和热物性参数进行设置，具体参数如下表；
表6温室围护结构材料热物性参数
Figure BDA0002985163270000052
参考文献
[1]Chao Chen,Fengtao Han,Khamid Mahkamov,et al.Numerical andexperimental study of laboratory and full-scale prototypes of the novel solarmulti-surface air collector with double-receiver tubes integrated into agreenhouse heating system.2020,202:86-103.
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Claims (1)

1.一种可适于周年近零能耗高效生产的大跨度可变空间日光温室优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据公式(1)、(2)、(3)，计算得到工程场地适宜高跨比λ，λ为温室脊高与跨度的比值，以及不同跨度条件下对应的日光温室后屋面投影长度C、北墙高度Hw和脊高H；
Figure FDA0002985163260000011
Figure FDA0002985163260000012
Figure FDA0002985163260000013
式中，
Figure FDA0002985163260000014
为冬季蔬菜作物生产关键时期的当地室外平均温度，℃；
Figure FDA0002985163260000015
为冬季蔬菜作物生产关键时期的当地日平均太阳辐射量，MJ/(m2·day)；hs为当地大暑日正午太阳高度角，°；hc为当地大寒日正午太阳高度角，°；Lp为植株高度，m；P为温室走道宽度，m；L为温室跨度，m；
步骤2：根据步骤1得到的工程场地日光温室建筑空间形态特征参数计算结果，即温室脊高与跨度的比值λ、日光温室后屋面投影长度C、北墙高度Hw和脊高H，在SketchUp软件中建立温室几何模型，并且输入温室围护结构热物性参数、作息时间、模拟时段这些限制条件，计算得到相应不同跨度条件对应的日光温室建筑热负荷QiL；
步骤3：计算对应日光温室太阳能主-被动式相变蓄热通风北墙体提供的供热量QgL；
步骤4：根据步骤2和步骤3计算出来的温室热负荷QiL和墙体供热量QgL，对温室热负荷和墙体供热量进行耦合分析；令η＝QgL/QiL，η为墙体供热量与温室热负荷的比值，分析η的变化规律，取最优η对应的跨度LN，最优化的LN确定原则为当η的变化不超过2％，选择最小的那个跨度；
步骤5：将步骤4确定的跨度LN作为该工程场地日光温室越冬生产的可适宜跨度，将LN+LX作为该工程场地日光温室最优总跨度L*；
关于LX跨度的确定原则：LN跨度一定时，变化LX跨度尺寸，以满足冬季耐寒叶菜生长必要的环境温度为约束条件，以根据能耗模拟软件计算得到的区域热负荷接近为零为目标函数，相应的LX跨度即为该工程场地日光温室对应最优跨度L*＝LN+LX中的LX跨度。
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