關(guān)中地區(qū)日光溫室前屋面曲線標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)_趙昱權(quán).pdf

135 科技縱橫農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 關(guān)中地區(qū)日光溫室前屋面曲線標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì) 趙昱權(quán) 1 2 1 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 陜西楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西楊凌 712100 摘要 研究在關(guān)中地區(qū)下不同日光溫室采光面曲線的 設(shè)計(jì)與太陽輻射計(jì)算分析 為關(guān)中地區(qū)日光溫室的設(shè) 計(jì)與建設(shè)提供參考 基于日光溫室基礎(chǔ)定量 以數(shù)學(xué) 理論為依據(jù) 設(shè)計(jì)三種前采光面曲線 并模擬出其太 陽輻射量 結(jié)果 圓弧與冪函數(shù)曲線 雙圓弧曲線 三次樣條曲線的進(jìn)光量分別為310 848 MJ 08 031 MJ 318 126 MJ 從進(jìn)光量角度來看 陜西關(guān)中地區(qū)最優(yōu)的 前屋面曲線為L 3 從節(jié)省材料角度來看 最優(yōu)的前屋 面曲線為L 1 關(guān)鍵詞 日光溫室 采光面曲線設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)化 0 引言 日光溫室前 采光 屋面不僅是溫室的主要的采 光結(jié)構(gòu) 還直接決定了其蓄熱和力學(xué)承載能力等諸多 因素 日光前屋面有多種形式 其形狀主要有橢圓 1 拋物線 雙曲線 2 等多種類型 也有從屋面承載力的要 求角度出發(fā) 得到采光屋面的類型 3 經(jīng)過國內(nèi)學(xué)者 對日光溫室屋面的多年研究 不同形狀的屋面均能保 證良好的采光 蓄熱與承載力要求 但是在實(shí)際日光 溫室工程建設(shè)中 建造者大多對設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不夠重視 主要根據(jù)偏經(jīng)驗(yàn)化的方法來建造 到目前為止也沒有 真正適合于關(guān)中地區(qū)日光溫室建造的具體參數(shù) 楊凌 地處陜西省關(guān)中盆地中部 位于東經(jīng)108 4 北緯 34 16 之間 屬大陸性季風(fēng)氣候 氣候溫和 環(huán)境條 件非常利于發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè) 本研究在確定日光溫室設(shè) 施前屋面角 跨度 脊高等參數(shù)的前提下 結(jié)合以往 學(xué)者的研究成果 以數(shù)學(xué)理論模型為依據(jù) 制定出適 用于關(guān)中地區(qū)日光溫室前采光面的曲線及參數(shù) 1 確定日光溫室基本參數(shù) 1 1 前屋面角計(jì)算 前屋面角的大小決定了溫室前屋面與太陽光線所 構(gòu)成的入射角大小 根據(jù)前人研究 入射角的大小又 影響光線的透過率 4 當(dāng)入射角為零 光線的透過率最 大 但是不符合實(shí)際建設(shè) 故針對日光溫室前屋面角 的選擇問題 前人已有大量研究 綜合來看 前屋面 角的計(jì)算公式為 5 1 2 3 4 式中 日光溫室采光面朝向正南時(shí)的最佳采光 屋面角 10 冬至日上午10時(shí)的理想屋面角 10 冬至日上午10時(shí)的太陽方位角 10 冬至日上午10時(shí)太陽高度角 太陽時(shí)角 取值為 30 地理緯度 咸陽地區(qū)取值為34 太陽赤緯角 咸陽地區(qū)取值為 23 094 太陽入射角 采光設(shè)計(jì)以冬至日為計(jì)算基準(zhǔn) 覆蓋材料的透光率的計(jì)算公式如下 6 5 式中 透明覆蓋材料對太陽輻射的反射比 光在玻璃內(nèi)前進(jìn)時(shí)穿透的比率 根據(jù)以上公式得出日光溫室玻璃的透光率以及太陽 入射角的變化關(guān)系得出數(shù)據(jù) 具體結(jié)果如圖1所示 太 陽入射角在0 40 范圍內(nèi)透光率并無太大的變化 當(dāng) 太陽入射角超過55 時(shí) 玻璃的透光率急劇下降 圖1 太陽入射角與玻璃透光率的對比 在實(shí)際工程上 一般將薄膜透光率衰退程度的 2 作為取值臨界點(diǎn) 在圖中所對應(yīng)的太陽入射角為為 43 聯(lián)立上式求得關(guān)中地區(qū)日光溫室最佳前屋面角 24 446 根據(jù)圖2 利用三角函數(shù)關(guān)系 可以計(jì)算出不同跨 度對應(yīng)前屋面角和脊高的表達(dá)式 將最佳屋面角代入 6 得脊高與后屋面水平投 影關(guān)系式 6 基金項(xiàng)目 陜西省科技創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目 2021QFY08 01 136 科技縱橫 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 注 L 跨度 H 脊高 L 1 前屋面水平投影 P 后屋面水平投 影 前屋面角 圖2 日光溫室總體尺寸 1 2 后屋面水平投影與脊高 圖3 最后一排作物冠層區(qū)域光照示意圖 注 H 1 植株高度 P 1 走道寬度 屋脊最高點(diǎn)至作物冠層太 陽光與水平面夾角 脊高在日光溫室跨度和前屋面傾角確定后 即可 有相應(yīng)公式確定 7 后屋面主要作用是溫室保溫 后屋面面積占溫室 比重越大越有利于保溫 同時(shí)還需考慮前屋面保證夏 至日最后一排植株區(qū)域的頂層白天能接收到太陽光照 射 8 根據(jù)圖3 即要求保證 7 H 1 為一般植株高度 取2 m P 1 為溫室走到寬度 取 0 6 m 代入公式 2 7 得到公式 8 咸陽地區(qū)夏至日太陽高度角h 0夏 為79 代入式 2 8 得 9 聯(lián)立 6 8 兩式 令日光溫室跨度L 10 m 求得出后屋面投影寬度為1 006 m 脊高H 4 092 m 按照前文得到的前屋面角 脊高 跨度以及后屋 面水平投影的相互關(guān)系 設(shè)計(jì)陜西關(guān)中地區(qū)9 m 10 m 11 m三種跨度日光溫室總體尺寸 相應(yīng)的取值如表1 并以10 m跨度為例設(shè)計(jì)3種前屋面曲線 2 建立前屋面曲線 為了方便研究采光面曲線類型 首先對當(dāng)?shù)氐貐^(qū) 目前存在的日光溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比 當(dāng)?shù)厝展鉁厥也?光面基本接近于雙曲線組合形式 且多為圓弧冪函數(shù) 與雙圓組合為主 其次為保證日光溫室離有足夠的作 業(yè)區(qū)域 當(dāng)?shù)氐貐^(qū)要求溫室底腳區(qū)域不能過低 在距 離底腳1 m處 其屋面高度大于等于1 5 m 為方便雨雪 滑落 前屋面在脊高處應(yīng)有一定傾角 為使日光溫室 達(dá)到良好的防風(fēng)效果 采光面最好采用曲線型 9 且多 段曲線型采光面在數(shù)學(xué)上應(yīng)滿足 曲線在交匯處一階 導(dǎo)數(shù)相同 且光滑連續(xù) 為保證陜西關(guān)中地區(qū)對日光溫室的基本要求能夠 實(shí)現(xiàn) 現(xiàn)根據(jù)數(shù)學(xué)理論 基于采光要求 設(shè)計(jì)三種日 光溫室采光面形式 并計(jì)算各溫室內(nèi)太陽輻射總量 2 1 圓弧與冪函數(shù)曲線 冪函數(shù)與圓弧屋面的設(shè)計(jì)原則是 屋面上半部采 用半徑為R的圓 圓心為O 下半曲線為冪函數(shù)曲線 兩端曲線相交于B點(diǎn) 坐標(biāo)為 屋脊點(diǎn)的高度已 經(jīng)確定 坐標(biāo)為C 南底腳的坐標(biāo)為A 初步設(shè)計(jì)日光溫室曲線 如圖3所示 對于屋脊處的上圓 在C點(diǎn)做滿足 c 10 的屋 面切線 過C點(diǎn)做垂足于該切線的直線OC 連接BC兩 點(diǎn) 取垂直平分線并延長 直線OC與 垂直平分線交 于O點(diǎn) 即為上圓的圓心O與半徑R 根據(jù)上述對圓弧的數(shù)學(xué)理論 應(yīng)采用具體的數(shù)學(xué)方法 確定屋面系數(shù) 圓的數(shù)學(xué)公式為 則上圓弧的各個(gè)參數(shù)計(jì)算公式為 10 11 12 13 14 15 根據(jù)前述確定的日光溫室脊高 跨度 以及后屋 面水平投影的數(shù)值 代入上圓弧計(jì)算公式 得出其圓 心坐標(biāo)為 14 277 25 836 半徑為30 39 m 其參 數(shù)方程為 上 圓曲線弧長為 8 49 m 設(shè)下曲線冪函數(shù)方程為 要使兩曲線交 點(diǎn)B處左右鄰域的切線斜率相等 應(yīng)先對圓在B點(diǎn)坐標(biāo) 表1 咸陽地區(qū)日光溫室主要尺寸取值 緯度 latitude 前屋面角 Front roof corner 脊高 H m Ridge height 后屋面水平投影長 m level of back roof 前屋面水平投影長 L 1 m level of front roof 總跨度長 L m Span 34 24 446 3 831 0 952 8 048 9 34 24 446 4 092 1 006 8 994 10 34 24 446 4 266 1 038 9 962 11 計(jì)算方法 137 科技縱橫農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 處求導(dǎo) 得出圓在此處的斜率 將B點(diǎn)坐標(biāo)代入冪函數(shù) 方程中 聯(lián)立斜率與代入坐標(biāo)的兩方程 即可得到冪 函數(shù)曲線方程 為 下圓曲線弧長由曲線積分公式 可求得 為 總弧長L 1 9 524 m 繪制出的第一種前屋面曲線如4所示 圖4 冪函數(shù)與圓弧曲線 2 2 雙圓弧屋面曲線 對于上圓參數(shù)和方程不在做過多贅述 由于下圓的 半徑與上圓重合 下圓方程與上圓設(shè)計(jì)思路相似 連接 AB做垂直平分線并延長 交于上半圓OB線上 即為下 圓的圓心與半徑 另外要注意的是上圓與下圓的交點(diǎn)B 處 其左右鄰域的斜率相等 具體曲線如圖4所示 上圓弧圓心坐標(biāo)為 14 277 25 836 半徑為 30 39 m 其參數(shù)方程為 下圓弧圓心坐標(biāo)為 14 277 25 836 半徑為 30 39 m 其參數(shù)方程為 上下圓弧的弧長分別為 8 49 m 1 89 m 總 弧長L 2 10 35 m 繪制出的第二種前屋面曲線如5所示 圖5 雙圓弧曲線 2 3 三次樣條曲線 三次樣條函數(shù)形式有 式中 為曲線上通過點(diǎn)的坐標(biāo) 為待定參數(shù) 為了方便研究采光面曲線類型 對楊凌智慧園日 光溫室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行考察 當(dāng)?shù)厝展鉁厥也晒饷婊緸?雙曲線 并將所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合 跨度與脊高的數(shù) 值如表2所示 表2 不同跨度對應(yīng)脊高 跨度 L m Span 脊高 H m Ridge height 0 0 0 1 0 695 0 2 0 876 0 3 1 003 0 4 1 105 0 5 1 190 0 6 1 265 0 7 1 331 0 8 0 8 0 9 1 448 1 0 1 5 2 0 1 977 3 0 2 414 4 0 2 806 5 0 3 157 6 0 3 472 7 0 3 744 8 0 4 020 9 0 4 092 根據(jù)表2 求得上函數(shù)表達(dá)式為 下段函數(shù)為自然對數(shù)函數(shù) 上下弧長由曲線積分公式 可 求得 為 圖6 三種日光溫室前屋面曲線對比 138 科技縱橫 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2022年第1期 三種日光溫室曲線如圖6所示 在確定日光溫室設(shè) 施前屋面角 跨度 脊高等參數(shù)的前提下 以數(shù)學(xué)理 論模型為依據(jù) 只需代入基本參數(shù) 利用數(shù)學(xué)算式 即可獲得不同條件下日光溫室曲線方程 利于實(shí)際施 工畫圖 計(jì)算 以及搭建溫室桁架 3 太陽輻射計(jì)算 3 1 太陽通量輻射計(jì)算 根據(jù)太陽總輻射通量公式 10 可計(jì)算兩種曲線在冬 至日一天中溫室內(nèi)的太陽輻射量 公式為 16 式中 溫室揭簾時(shí)間 溫室放簾時(shí)間 B為骨架間距 L為曲線方程 S an 為太陽輻射通量 3 2 計(jì)算結(jié)果對比 對于第一種溫室曲線 結(jié)果為 對于第二種溫室曲線 結(jié)果為 對于第三種溫室曲線 結(jié)果為 由結(jié)果可知 總弧長關(guān)系為 太陽輻射通量關(guān) 系為 從進(jìn)光量角度來看 陜西關(guān)中地區(qū)最優(yōu)的前屋面 曲線為 從節(jié)省材料角度來看 陜西關(guān)中地區(qū)最優(yōu)的 前屋面曲線為 4 結(jié)論 以關(guān)中楊凌地區(qū)的太陽輻射和氣候特征為例 在確 定溫室設(shè)施前屋面角 跨度 脊高等基礎(chǔ)參數(shù)的前提 下 設(shè)計(jì)了兩種溫室采光面曲線 并分別對兩種曲線 進(jìn)行太陽輻射通量的計(jì)算 得出一套咸陽地區(qū)日光溫 室前屋面曲線參數(shù)的設(shè)計(jì) 通過與對比北京地區(qū)歷年 實(shí)測日光溫室內(nèi)輻射量 11 的結(jié)果以及參考陜西省日光 溫室設(shè)計(jì)建造規(guī)范等相關(guān)資料 表明此類日光溫室前 屋面曲線設(shè)計(jì)的方法具有一定的參考價(jià)值和可行性 由于決定日光溫室前屋面曲線方程的取值有很多 因素 本文設(shè)計(jì)結(jié)果只是針對基礎(chǔ)參數(shù)固定的情況下 進(jìn)行分析 未能考慮溫室整體荷載等多方面的影響 同時(shí)也需要在日后的設(shè)計(jì)中更加深入和提高 參考文獻(xiàn) 1 周長吉 有立柱鋼管骨架日光溫室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)工 程學(xué)報(bào) 1994 1 157 160 2 軒維艷 日光溫室采光屋面曲線數(shù)學(xué)模型的建立與分析 J 天津農(nóng)業(yè)科學(xué) 2006 12 4 44 46 3 王朝棟 史為民 裴先文 4種曲線形日光溫室前屋面采光 性能及其拱架力學(xué)性能的比較 A 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué) 報(bào) 2010 38 8 143 150 4 裴先文 史為民 曲良舉 等 南疆巴州地區(qū)日光溫室前屋 面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 J 北方園藝 2010 16 63 66 5 吳毅民 曹永華 孫忠富 溫室采光設(shè)計(jì)的理論分析方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 1992 8 3 75 78 6 張仲保 光線入射角及光照強(qiáng)度對日光溫室棚膜透光率 的影響 J 甘肅農(nóng)業(yè)科技 2014 4 20 22 23 7 侯螢螢 日光溫室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 J 農(nóng)機(jī)服務(wù) 2017 34 17 144 8 魏曉明 周長吉 曹楠 等 基于光照的日光溫室總體尺寸 確定方法研究 J 北方園藝 2010 15 1 5 9 李青云 園藝設(shè)施建造與環(huán)境調(diào)控 M 金盾出版社 2008 10 白義奎 劉文合 王鐵良 等 日光溫室朝向?qū)M(jìn)光量的影 響分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2005 36 2 73 75 84 11 劉洪 郭文利 李慧君 北京地區(qū)日光溫室光環(huán)境模擬及 分析 J 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào) 2008 19 3 350 355 表3 兩種日光溫室前屋面曲線表達(dá)式與太陽輻射通量 曲線類型 Category 函數(shù)表達(dá)式 Function expression 總弧長 Total arc length 太陽輻射通量 Solar radiation flux 圓弧與冪函數(shù)曲線 L 1 9 524m S z1 310 848MJ 雙圓弧曲線 L 2 10 35m S z2 308 031MJ 三次樣條函數(shù) L 3 10 33m S z3 318 126MJ