屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究——以天津城區(qū)為例.pdf

年第 期 總第 卷 第 期 建筑節(jié)能 生態(tài)城市與環(huán)境 收稿日期 修回日期 基金項目 國家自然科學基金地區(qū)項目 國家自然科學基 金面上項目 天津市科技發(fā)展戰(zhàn)略研究計劃項 目 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 以天津城區(qū)為例 穆大偉 張玉坤 天津大學建筑學院 天津 海南大學土木建筑工程學院 ?？?摘要 通過建立屋頂日光溫室和屋頂現(xiàn)代溫室典型模型 對天津中心城區(qū)建筑屋頂溫室 蔬菜 光 伏復合式生產(chǎn)潛力 進行定量研究 結(jié)果表明 天津市中心城區(qū)可建 萬畝屋頂溫室 通 過實施蔬菜 光伏復合式生產(chǎn) 可生產(chǎn)蔬菜 可生產(chǎn)電力 能夠?qū)崿F(xiàn)天津城區(qū)常住居民蔬菜自給率 生活電力自給率 增加 屋頂溫室管理就業(yè)人員 萬人 關(guān)鍵詞 屋頂溫室 生產(chǎn)性城市 都市農(nóng)業(yè) 中圖分類號 文獻標志碼 文章編號 引言 隨著城市人口數(shù)量的持續(xù)增長和城市生態(tài) 能 源 食品問題的不斷加劇 自然資本已經(jīng)不能滿足需 求 僅減少資源的消耗 不可能真正解決供需的矛 盾 在城市內(nèi)部開展生產(chǎn)活動 將建筑 交通等基 礎(chǔ)設(shè)施作為資源的生產(chǎn)者 對能源 糧食 水 廢物 空 間等資源進行生產(chǎn)和再利用 推動傳統(tǒng)的 消費型城 市 向革新的 生產(chǎn)型城市 轉(zhuǎn)型 成為必然選擇 生產(chǎn)性城市 生產(chǎn)性建筑 有農(nóng)建筑 正能房 等先 鋒性理念紛紛涌現(xiàn) 城市和建筑的生產(chǎn)性變革已經(jīng)嶄 露頭角 建筑屋頂具備開展光伏發(fā)電 蔬菜種植等生產(chǎn)活 動的空間條件 是城市建筑生產(chǎn)性變革的突破點 屋 頂溫室可實現(xiàn) 蔬菜 光伏復合式生產(chǎn) 受到學者的 廣泛關(guān)注 等人將 建筑與屋頂溫室整合 促進能源 水 在兩者之間 相互流通 等人模擬研究表 明 利用建筑內(nèi)高濃度 可顯著提高屋頂溫室蔬菜 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 產(chǎn)量 等人研究表明 與獨立溫室相比 較 屋頂溫室冬季增溫 夏季降溫 節(jié)能 運用全生命周期 和生態(tài)網(wǎng)絡(luò) 方法分析了屋頂溫室番茄 種植的能量流 研究了屋頂 溫室蔬菜花粉對建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響 在實 踐領(lǐng)域 美國哥譚格林公司 首先運 營商業(yè)屋頂溫室 年投產(chǎn)的紐約布魯克林屋頂溫 室面積 年產(chǎn) 蔬菜 取得了良好的經(jīng)濟 效益 加拿大蒙特利爾盧琺農(nóng)場 擁有 屋頂溫室 通過社區(qū)支持農(nóng)業(yè) 的模式 銷售蔬菜產(chǎn)品 德國萊布尼茲農(nóng)業(yè)景觀研究中心 零占地農(nóng)業(yè) 項目的研究成果 屋頂 溫室實踐手冊 為市民和決策者提供技術(shù)支持 已有研究多集中于屋頂溫室與建筑一體化的策 略 建筑節(jié)能 生態(tài)效益及對室內(nèi)環(huán)境的影響 作為 蔬菜和電能的生產(chǎn)者 屋頂溫室的生產(chǎn)潛力直接影響 其作為城市建筑生產(chǎn)性革新措施的價值 定量評估研 究尚待開展 本文以天津為例進行屋頂溫室蔬菜和 光伏復合生產(chǎn)模型建構(gòu)和生產(chǎn)潛力定量評估 為城市 建筑屋頂空間的生產(chǎn)性再利用提供理論依據(jù) 評估模型的建立 作為一種在全世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的蔬菜生產(chǎn) 設(shè)施 溫室具有成熟的設(shè)計原理和技術(shù)參數(shù) 本研究 綜合溫室設(shè)計原理 光伏發(fā)電設(shè)計原理和既有建筑的 基本要求 以天津作為研究地域 建立屋頂溫室模型 天津市位于北緯 東經(jīng) 四季分明 屬暖溫帶半濕潤季風性氣候 天津年平均 氣溫約為 月最熱 月平均溫度 歷史最 高溫度 月最冷 月平均溫度 歷史最 低溫度 年平均降水量 與歐美國家不同 中國溫室主要分為兩種類型 中國傳統(tǒng)的節(jié)能型日光溫室和國外引進的現(xiàn)代溫室 節(jié)能型日光溫室北墻和東西山墻為砌體結(jié)構(gòu) 白天吸 熱蓄能 晚上作為熱源給溫室加熱 維持蔬菜生產(chǎn)所 需溫度 能耗較低 現(xiàn)代溫室采用輕鋼結(jié)構(gòu)骨架 玻 璃或 板維護 不具備蓄熱能力 冬季需要加溫以維 持蔬菜生長溫度條件 能耗較高 日光溫室的北墻和 山墻遮擋光照 在連片建設(shè)時需要有足夠的日照間距 脊高的 倍 以保障蔬菜對光照的需求 土地利 用率低 現(xiàn)代溫室結(jié)構(gòu)平面布局靈活 對日照間距的 要求較低 土地利用率較高 由于建筑材料的不同 現(xiàn)代溫室在荷載和施工的便利性方面具有一定優(yōu)勢 綜合分析兩種溫室的優(yōu)缺點可知 作為屋頂溫室 日 光溫室和現(xiàn)代溫室各有利弊 不可簡單地舍棄其一 本文構(gòu)建兩種屋頂溫室典型模型 作為研究分析的基 礎(chǔ) 植物工廠是蔬菜生產(chǎn)設(shè)施的高端形式 可以擺脫 自然環(huán)境的束縛 在人工環(huán)境中維持生產(chǎn) 由于投資 大 技術(shù)難度高 不作為本文研究對象 屋頂日光溫室評估模型 日光溫室是以塑料薄膜為采光覆蓋材料 以太陽 輻射為熱源 靠前屋面最大限度采光和加厚的墻體及 后坡 防寒溝 保溫被 草苫等最大限度地保溫 達到充 分利用光熱資源 創(chuàng)造植物生長適宜環(huán)境的一種我國特 有的保護栽培設(shè)施 科研工作者在傳統(tǒng)日光溫室基礎(chǔ) 上優(yōu)化設(shè)計 開發(fā)出節(jié)能型日光溫室 實現(xiàn)冬季不加溫 或在極端天氣條件下 連續(xù)陰雨雪天超過 少量加 溫即可進行越冬生產(chǎn) 是我國當前主要日光溫室類型 日光溫室結(jié)構(gòu) 日光溫室建設(shè)標準 等標準對日光溫室的前屋 面角和跨度等結(jié)構(gòu)參數(shù)做出了明確的規(guī)定 天津市 位于北緯 選取較為保守的北緯 作 為設(shè)計依據(jù) 據(jù)日光溫室設(shè)計標準 日光溫室適宜跨 度 日光溫室建設(shè)標準 日光溫室 跨度指后墻內(nèi)側(cè)至前屋面骨架底部外邊的水平距離 為 合理前屋面角 本研究選取 作為屋頂日光溫室跨度 后墻厚 含保溫 蓄熱層 后墻和前屋面落在建筑常規(guī)尺寸 的 梁上 有利于墻體荷載傳遞 低緯度地區(qū)可適當加大 日光溫室跨度 北緯 地區(qū) 跨度日光溫室仍 可保障冬季不加溫生產(chǎn)蔬菜 陜西 甘肅等地出現(xiàn)了 的連跨型日光溫室 提高了土地利用率 但冬季 需要加溫以保障蔬菜正常生產(chǎn) 考慮到對日照間距 荷載傳遞和能耗的影響 本研究不選取較大跨度的日 光溫室作為模型 遼寧省和山東省依據(jù)緯度和氣候條件分別制定 遼沈型日光溫室和山東型日光溫室規(guī)范 由前述屋 頂溫室設(shè)計可知 天津屋頂溫室結(jié)構(gòu)與遼沈 型日光 溫室相近 遼沈 型日光溫室以前屋面角符合冬至 日 合理透光率的要求為主要特征 在 北緯 以南地區(qū)可進行冬季不加溫生產(chǎn)喜溫果 菜 是經(jīng)實踐證明生產(chǎn)效果較好的日光溫室結(jié)構(gòu)形 式 作為估算模型更加具有實踐價值 其結(jié)構(gòu)參數(shù)如 表 所示 遼沈 型日光溫室加大了跨度 但脊高達到 對日照間距影響較大 表 屋頂日光溫室模型結(jié)構(gòu)參數(shù) 結(jié)構(gòu)跨度 脊高 后墻高 后屋面水平投影長度 參數(shù) 遼沈 型日光溫室對傳統(tǒng)日光溫室前屋面進行 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 了優(yōu)化 傳統(tǒng)日光溫室前屋面形狀采用數(shù)學曲線進 行連接 事實證明 日光溫室總進光量最大的采光面 不可能與某一數(shù)學曲線完全吻合 遼沈 型節(jié)能日 光溫室采用了動態(tài)規(guī)劃法進行了優(yōu)化設(shè)計 獲得了更 高的透光率 佟國紅 白義奎 王鐵良等對 跨 度遼沈 型節(jié)能日光溫室優(yōu)化結(jié)果如表 所示 作為屋頂日光溫室前屋面曲線 表 遼沈 型節(jié)能日光溫室前屋面優(yōu)化結(jié)果 屋面傾角 日光溫室生產(chǎn)過程中操作人員需要在前屋面進 行除雪 卷膜等維護工作 屋面需要上人 上人屋面 女兒墻高度一般不低于 女兒墻陰影距離計算 女兒墻冬至日陰影占地 考慮到日光溫室前 屋面腳的內(nèi)部空間較低 蔬菜生長受限 日光溫室前 屋面底腳退出女兒墻 據(jù)上述數(shù)據(jù)設(shè)計屋頂日 光溫室模型 如圖 所示 屋頂現(xiàn)代溫室評估模型 現(xiàn)代溫室是指設(shè)施內(nèi)的環(huán)境實現(xiàn)了計算機自動 控制 基本上不受自然氣候條件下災(zāi)害性天氣和不良 圖 屋頂日光溫室評估模型 環(huán)境條件的影響 周年全天候進行設(shè)施園藝作物生產(chǎn) 的大型溫室 現(xiàn)代溫室結(jié)構(gòu)類型較多 拱圓型塑料溫 室 鋸齒型塑料溫室 桁架結(jié)構(gòu)雙屋面溫室 型 玻璃溫室應(yīng)用較為廣泛 其中拱圓型塑料溫室和 型玻璃溫室的應(yīng)用面積相對較大 型溫 室也是全球范圍內(nèi)面積最大的玻璃溫室類型 本研究 以 型溫室作為屋頂現(xiàn)代溫室的建模原型 結(jié)合常 用建筑構(gòu)造和屋頂特殊環(huán)境條件 進行適應(yīng)性設(shè)計 型溫室源自于荷蘭 采用鍍鋅型鋼作為結(jié) 構(gòu)材料 水平桁架做主要承力構(gòu)件 與立柱形成穩(wěn)定 結(jié)構(gòu) 荷蘭 型溫室每跨水平桁架上支撐 個 跨的小屋面 中國對 型溫室進行了 改進 將小屋面的跨度改為 形成了 和 跨度的溫室 評估模型采用 跨度 每跨 個 的小屋面 如圖 所示 型溫室小屋面左 右間隔式蝶形開窗 齒輪齒條驅(qū)動 通風效果較好 光伏設(shè)計 屋頂溫室的設(shè)計需要兼顧光伏組件的發(fā)電效率 和蔬菜生長的光環(huán)境需求 實現(xiàn)發(fā)電效益和農(nóng)業(yè)收入 綜合效益最大化 屋面角和光伏組件覆蓋方式直接 影響光伏組件發(fā)電量 溫室內(nèi)部光照強度和光照分布 均勻程度 屋頂溫室屋面角 光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范 推薦天 津地區(qū)并網(wǎng)系統(tǒng)最佳傾角是 通過 軟 件模擬可知 天津全年光伏發(fā)電最佳傾角的范圍是 魏曉明等人利用 軟件計 算了更大范圍屋面角下單位面積太陽能薄膜電池的 年發(fā)電量 如圖 所示 屋面角在 范圍之間變 化時 太陽能薄膜電池單位面積年發(fā)電量變化幅度不 大 基本在 之內(nèi) 由此可知 屋頂溫室的屋面角 的選擇具有較大的靈活性 在滿足蔬菜生長的同時 光伏發(fā)電量仍然可以保持在較高水平 屋頂溫室評估模型以遼沈 型節(jié)能日光溫室和 型現(xiàn)代溫室為原型 其設(shè)計出發(fā)點是獲得良好 的室內(nèi)光照條件 保障蔬菜生產(chǎn) 遼沈 型節(jié)能日光 溫室前屋面為曲面 由表 可知 屋面從 的角 度變化范圍為 前屋面底角部位與屋脊部位 設(shè)置通風口 不布置太陽能薄膜 太陽能薄膜的覆蓋 位置為 處屋面角度為 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 處屋面角度為 為使模擬簡化 將光伏薄膜鋪設(shè) 位置近似作為一條直線 光伏薄膜傾角為 屋頂 現(xiàn)代溫室采用 型溫室作為設(shè)計原型 屋面角為 圖 屋頂現(xiàn)代溫室評估模型 圖 傾角對太陽能薄膜電池發(fā)電量的影響 對比光伏組件對傾角的要求和屋頂溫室光伏組 件傾角的設(shè)計值可知 屋頂日光溫室光伏薄膜傾角 屋頂 溫室屋面傾角 并不是光伏組 件最佳傾角 但對發(fā)電量的影響幅度較小 能夠兼顧 溫室光環(huán)境要求和光伏發(fā)電效率 光伏組件覆蓋方式 按照光伏板的鋪設(shè)方式 光伏溫室可以分為全鋪 式光伏溫室和部分鋪式光伏溫室 全鋪式光伏溫室 是將溫室屋頂全鋪上光伏板 發(fā)電用光達到最大 溫 室內(nèi)光照弱 僅可種植食用菌等厭光性植物 部分鋪 式光伏溫室是將光伏組件間隔排列鋪設(shè)的溫室 內(nèi)部 的光照較全光照弱 但可以種植大部分的園藝作物 兼顧光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 其中棋盤狀排列方式 的溫室的光照相對均勻一些 學者分別對日光溫室和現(xiàn)代溫室的光伏組件鋪 設(shè)方式進行了研究 趙雪 鄒志榮等人研究了非晶硅 電池組件和 板在 數(shù)量比條件下日光溫室的光 環(huán)境 晴天光伏日光溫室正午前后 內(nèi)的太陽總輻 射 波長范圍為 透過率為 光合有 效光量子流密度 波長范圍為 透過率為 光伏溫室番茄的株高 莖粗在開花期與傳統(tǒng)溫 室有差異 番茄產(chǎn)量和品質(zhì)與傳統(tǒng)日光溫室無顯著性 差異 董微 周增產(chǎn)等人測量了 型光伏溫室 的透光率 在南側(cè)屋面光伏板 間隔排列的情況下 溫室內(nèi)照度為 平均透 光率為 可滿足蔬菜生長需求 對比兩者的 研究結(jié)果可知 溫室南側(cè)屋面采用 間隔排列的情況 下 光伏日光溫室的透光率低于 型溫室 對蔬菜 生長產(chǎn)生影響 對番茄的產(chǎn)量和品質(zhì)無顯著性影響 據(jù)此 本研究屋頂日光溫室南屋面光伏組件和塑 料薄膜按 數(shù)量比間隔式布局 進一步提高溫室內(nèi) 光照強度 屋頂 型溫室光伏組件和玻璃屋面按 數(shù)量比間隔式布局 與董微 周增產(chǎn)等人研究的溫 室保持一致 見圖 該布局方式兼顧光伏發(fā)電和 蔬菜生產(chǎn) 達到綜合效益最大化 根據(jù)兩種溫室的特點 屋頂溫室選取不同的光伏 組件和尺寸 屋頂日光溫室選取薄膜電池作為光伏 組件 有利于光伏組件與日光溫室前屋面曲線相一 致 屋頂日光溫室后屋面不鋪設(shè)光伏組件 前屋面底 腳和頂部各 位置為通風口 不鋪設(shè)光伏薄膜 前屋面光伏組件寬度與溫室拱架間距相同 為 光伏組件長度 屋頂 型溫室選取多晶硅 電池作為光伏組件 北側(cè)屋面不鋪設(shè)光伏組件 南側(cè) 屋面光伏組件與小屋面玻璃尺寸相同 為 對蔬菜種植沒有影響的建筑構(gòu)件屋頂 包括 輔助房間 樓梯間屋頂 日光溫室山墻部位的屋面均 鋪設(shè)光伏組件 根據(jù)以上設(shè)計 屋頂日光溫室光伏組 件面積 屋頂 溫室光伏組件面積 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 圖 屋頂溫室光伏設(shè)計 天津市屋頂溫室面積 進行屋頂溫室生產(chǎn)潛力評估 需要首先明確屋頂 溫室的面積 在建筑屋頂面積的基礎(chǔ)上 以建筑屋頂 溫室利用率及其修正系數(shù)調(diào)整建筑荷載 日照間距 建筑平面形狀 建筑屋頂構(gòu)件和設(shè)備等因素的影響 確定屋頂溫室面積 天津市城區(qū)建筑屋頂面積 城市建筑屋頂面積是屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏 發(fā)電生產(chǎn)潛力研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 不同學者采用多 種方法進行天津市屋頂面積研究 宮盛男 張玉坤等 人利用 軟件提取天津中心區(qū)建筑屋頂?shù)耐队懊?積 天津城區(qū)建筑屋頂總面積 為 其中 平屋頂 坡屋頂 坡屋頂面積包 含數(shù)量較少的曲面屋頂 折板屋頂?shù)炔灰?guī)則形式的屋 頂 該統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括和平 南開 河東 河西 紅橋和北 辰共計 個區(qū)的建筑屋頂面積 張華 王立雄等人 通過控規(guī)中的用地面積和建筑密度計算建筑的占地 面積 通過調(diào)研確定建筑屋頂面積與建筑占地面積的 比值 進而計算出天津市建筑屋頂總面積 計算公 式為 建筑屋頂總面積 建筑用地面積 建筑密度 屋頂面積與占地面積的比值 計算結(jié)果為 天津市中 心城區(qū)建筑屋頂總面積為 該計算數(shù)據(jù)包 括除歷史風貌保護區(qū)之外的天津市外環(huán)線以內(nèi)區(qū)域 通過 軟件人工逐一提取建筑屋頂面積的方法工 作量較大 誤差較小 通過計算獲得建筑屋頂面積的 方法受到計算參數(shù)準確性的影響較大 本研究采用 利用 軟件提取的天津建筑屋頂面積作為基礎(chǔ)數(shù) 據(jù) 即天津城區(qū)建筑屋頂總面積 為 建筑屋頂溫室利用率 受到建筑荷載 日照間距的限制 部分建筑不具 備屋頂溫室建設(shè)的客觀條件 建筑屋頂溫室利用率 為可建溫室的屋頂面積與總屋頂面積的比值 張華 王立雄等人采用天正日照分析軟件模擬建筑屋面光 照條件 計算得到天津市建筑屋頂光伏利用率 內(nèi)環(huán) 建筑屋頂光伏利用率的平均值為 內(nèi)環(huán)至中環(huán)為 進行屋頂溫室建設(shè) 除光照條件的限制之 外 建筑荷載 日照間距等因素的限制條件更加苛刻 建筑屋頂溫室利用率低于建筑屋頂光伏利用率 故而 本研究將建筑屋頂溫室利用率 設(shè)置為 不具 備屋頂溫室建設(shè)條件的建筑仍然可以單獨開展屋頂 光伏生產(chǎn)或者屋頂農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 為使研究條理更加清晰 明確 該部分建筑不作為研究范圍 建筑屋頂溫室利用率修正系數(shù) 對于可建屋頂溫室的建筑 屋頂面積仍然不簡單 地等同于溫室的面積 主要受到兩方面因素的影響 一方面是溫室與屋頂平面的契合度 屋頂溫室評估 模型選取最簡單的矩形建筑平面 現(xiàn)代溫室與建筑屋 頂平面完全契合 日光溫室平面占建筑屋頂平面的 實踐中建筑平面形狀各異 屋頂難以被溫室完 全覆蓋 第二方面是樓頂?shù)慕ㄖ?gòu)件 設(shè)備以及輔助 房間 主要包括樓梯間 電梯間 貯藏間 設(shè)備間等 需 要占據(jù)部分屋頂面積 模型中屋頂日光溫室輔助房 間面積 占比為 屋頂現(xiàn)代溫室輔助房間 面積 占比為 綜合兩個評估模 型 輔助房間占屋頂面積約 基于上述兩點原因 需要對建筑屋頂溫室利用率 進行修正 建筑屋頂溫室利用率修正系數(shù)為溫室面 積與建筑屋頂面積的比值 屋頂現(xiàn)代溫室為輕鋼結(jié) 構(gòu)形式 平面靈活性較強 屋頂溫室利用率修正系數(shù) 取 屋頂日光溫室以矩形為主要形式 靈活 性較低 與建筑屋頂平面契合度低 另外 在進深較 大的屋頂進行多棟日光溫室建設(shè) 需要留有 倍 脊高的日照間距 導致建筑屋頂溫室利用率進一步降 低 因而建筑屋頂日光溫室利用率修正系數(shù) 取 屋頂溫室面積 在確定建筑屋頂面積后 結(jié)合建筑屋頂溫室利用 率和修正系數(shù) 確定天津市屋頂溫室面積 天津市屋 頂溫室面積 建筑屋頂總面積 建筑屋頂溫室利用 率 屋頂溫室利用率修正系數(shù) 屋頂現(xiàn)代溫室和屋頂日光溫室的利用率修正系 數(shù)不同 進行屋頂溫室面積評估 需要確定兩者在總 量上的比例 屋頂現(xiàn)代溫室為輕鋼玻璃結(jié)構(gòu)形式 施 工較為便捷 形式靈活 外形較日光溫室美觀 設(shè)定其 占屋頂溫室總量的 屋頂日光溫室占比 分 別估算屋頂日光溫室和屋頂現(xiàn)代溫室的面積 屋頂日光溫室 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 屋頂現(xiàn)代溫室 據(jù)上述研究 天津市城區(qū)包括和平 南開 河東 河西 紅橋和北辰 個區(qū) 可建屋頂日光溫室 可建屋頂現(xiàn)代溫室 總計可建屋 頂溫室 換算為農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域常用單位 天津城區(qū)可建屋頂溫室 畝 作為傳統(tǒng)的消耗型城市 天津市的生產(chǎn)性空間有 限 通過生產(chǎn)空間在建筑空間上的疊加 可以重新開 發(fā)出 萬畝屋頂溫室 這意味著天津市蔬菜所帶 來的生態(tài)足跡部分可以減少 萬畝 如果將蔬菜運 輸損耗的 計算在內(nèi) 可以縮減的 生態(tài)足跡為 萬畝 萬畝的農(nóng)業(yè)設(shè)施用地轉(zhuǎn)換為生態(tài)用 地 對區(qū)域生態(tài)具有較大的貢獻 屋頂溫室的生產(chǎn)潛力 屋頂溫室的生產(chǎn)潛力是生產(chǎn)面積與單位面積產(chǎn) 能的乘積 在計算生產(chǎn)面積時 需要通過屋頂溫室模 型確定蔬菜種植利用率和光伏發(fā)電利用率 在確定單 位面積產(chǎn)能時 需要使用 模擬屋頂溫室的發(fā) 電量 屋頂溫室蔬菜種植利用率和光伏發(fā)電利用率 依據(jù)屋頂溫室模型進行蔬菜種植設(shè)計和光伏設(shè) 計 計算屋頂溫室蔬菜種植利用率和光伏發(fā)電利用 率 蔬菜種植利用率 為種植面積與溫室面積的 比值 光伏發(fā)電利用率 為光伏面積與溫室面積 的比值 屋頂溫室采用單層栽培床進行蔬菜種植 床寬 床間通道寬 種植人員在栽培床兩側(cè)管 理蔬菜 溫室主要通道寬 便于生產(chǎn)資料和產(chǎn) 品的運輸 屋頂溫室種植設(shè)計如圖 所示 屋頂溫室 內(nèi)部設(shè)備間 樓梯間 貯藏間等輔助房間不安排蔬菜 種植 屋頂溫室建筑構(gòu)件遮陽部位和外側(cè)女兒墻遮陽 部位不宜進行蔬菜種植 依據(jù)種植設(shè)計 屋頂日光溫 室蔬菜種植面積為 溫室平面尺寸為 蔬菜種植利用率 屋頂現(xiàn)代溫室 蔬菜種植面積為 溫室平面尺寸 蔬菜種植利用率 本文 部分已經(jīng)進行屋頂溫室光伏設(shè)計 如 圖 所示 屋頂日光溫室光伏組件面積 溫室 平面尺寸為 屋頂日光溫室光伏組件利用 率 屋頂現(xiàn)代溫室光伏組件面積 溫室平面尺寸 屋頂現(xiàn)代溫室 光伏組件利用率 圖 屋頂溫室蔬菜種植平面圖 單位面積生產(chǎn)潛力 以色列 美國等設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達國家溫室蔬菜產(chǎn)量 可達 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)單位面積蔬菜產(chǎn)量 為 受益于城市內(nèi)高技術(shù)服務(wù)的便捷性和 人才 資金的相對集中 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)水平能夠 達甚至超過到設(shè)施農(nóng)業(yè)平均水平 為使評估結(jié)果更具 可靠性 本研究仍以設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜平均產(chǎn)量進行計 算 即屋頂溫室蔬菜產(chǎn)量為 利用 模擬屋頂溫室光伏發(fā)電量 屋頂日光溫室采用薄膜光伏組件 鋪設(shè)位置為 的位置 傾斜角度為 經(jīng)模擬 屋頂日光溫 室模型年發(fā)電量為 單位面積光伏薄膜發(fā) 電量 屋頂 溫室采用多 晶硅光伏組件 傾斜角為 經(jīng)模擬 模型年發(fā)電 量為 單位面積光伏組件發(fā)電量 蔬菜生產(chǎn)潛力 進行屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)潛力計算的思路為 屋頂 溫室蔬菜產(chǎn)量 屋頂溫室面積 蔬菜種植利用率 單位面積產(chǎn)量 屋頂日光溫室蔬菜產(chǎn)量 為 屋頂現(xiàn)代溫室蔬菜產(chǎn)量 為 天津城區(qū)既有建筑屋頂溫室蔬菜年產(chǎn)量為 在天津城區(qū)進行蔬菜生產(chǎn) 可以減少蔬菜的運輸 量 即減少蔬菜的 食物里程 黃經(jīng)南等人研究表 明 武漢市的蔬菜幾乎都不是本地產(chǎn)品 主要來自于 山東省 海南省等地 菠菜 油菜等深色蔬菜的平均食 物里程為 白菜 山藥等淺色蔬菜的食物里 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 程為 通過屋頂溫室的實施 天津市 可以減少 蔬菜的食物里程 減少由運 輸造成的碳排放及空氣污染 具有一定的生態(tài)意義 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)也減少了在暴雪等極端惡略天氣 條件下 運輸不便 市區(qū)蔬菜供應(yīng)緊張情況的出現(xiàn) 光伏發(fā)電潛力 屋頂溫室光伏發(fā)電量的計算思路與蔬菜產(chǎn)量 相同 屋頂日光溫室發(fā)電量 為 屋頂現(xiàn)代溫室發(fā)電量 為 天津城區(qū)既有建筑屋頂溫室光伏發(fā)電量為 屋頂溫室光伏發(fā)電有助于降低天津城區(qū)對外界 電源的依賴程度 據(jù) 天津統(tǒng)計年鑒 年 火力 發(fā)電量仍然是天津主要電力來源 占比達 屋頂溫室利用太陽能光伏發(fā)電 滿足本地部分能源需 求 減少天津市火力發(fā)電所帶來的環(huán)境問題 自給率分析 屋頂溫室的實施使建筑具備生產(chǎn)蔬菜和電力的 功能 實現(xiàn)城市資源部分自給自足 并為城市居民提 供就業(yè)崗位 具有顯著的經(jīng)濟與社會價值 蔬菜和電力自給率 據(jù) 天津統(tǒng)計年鑒 年天津市和平 南開 河東 河西 紅橋和北辰 個區(qū)常住人口數(shù)量總計為 萬人 天津市人均生活電力消費量為 人均新鮮蔬菜消費量為 據(jù)此計 算天津城區(qū)蔬菜需求量和生活電力需求量及通過屋 頂溫室實現(xiàn)的自給率 天津城區(qū)蔬菜需求量 通過屋頂溫室生產(chǎn)蔬菜 可實現(xiàn)蔬菜自給率達 天津城區(qū)生活電力需求量 通過屋頂溫室光伏發(fā)電 可實現(xiàn)生活電力自給率達 由此可知 通過實施屋頂溫室蔬菜 光伏復合式 生產(chǎn) 天津城區(qū)可實現(xiàn)蔬菜自給率 生活電力 自給率 安排就業(yè)人口 設(shè)施農(nóng)業(yè)采用自動化環(huán)境調(diào)控技術(shù) 水肥一體化 灌溉系統(tǒng)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施 大大提高了勞動效 率 人均可管理 畝溫室 受到城市建筑單體分散 式布局的影響 屋頂溫室的生產(chǎn)難以實現(xiàn)集約化生 產(chǎn) 降低了人均可管理屋頂溫室面積 本研究采取較 為保守的人均管理 畝溫室進行就業(yè)人口計算 由部分研究可知 天津市建筑屋頂溫室面積 畝 在人均管理 畝溫室的情況下 可安排就 業(yè)人口為 人 即通過實施屋頂溫室可提供溫室 管理就業(yè)崗位 萬個 在中國快速城鎮(zhèn)化的大背 景下 成為城市居民的農(nóng)業(yè)人口就業(yè)問題逐步引起關(guān) 注 特別是年齡較大 長期從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民 在 城市內(nèi)較難找到適宜的就業(yè)崗位 屋頂溫室的實施 為這部分城市化農(nóng)民提供了發(fā)揮自身技術(shù)專長的就 業(yè)崗位 有助于提高城市人口的就業(yè)率 結(jié)果與討論 為使評估結(jié)果具有較高的可信度 研究過程中各 參數(shù)設(shè)置采用了較為保守的數(shù)值 屋頂日光溫室的 塑料薄膜與光伏薄膜的比值設(shè)置為 日光溫室山 墻部位未設(shè)計光伏組件 考慮這些因素的情況下 屋 頂日光溫室光伏發(fā)電量仍然具有一定的提高空間 城市屋頂溫室種植具備多層立體種植的技術(shù)條件 先 進的無土栽培技術(shù)可以提高蔬菜單位面積產(chǎn)量 研究 過程中蔬菜產(chǎn)量仍然以設(shè)施農(nóng)業(yè)平均產(chǎn)量為依據(jù) 技術(shù)的進步將提高屋頂溫室的生產(chǎn)潛力 中國設(shè)施栽 培技術(shù)正在逐步縮小與發(fā)達國家的差距 溫室蔬菜產(chǎn) 量穩(wěn)步提高 受益于光伏組件的研發(fā)進展 光伏發(fā)電 效率不斷提高 研究中較為保守的參數(shù)取值保障了 生產(chǎn)潛力評估的可信度 同時也應(yīng)意識到 屋頂溫室 的生產(chǎn)潛力尚有提高的空間 屋頂溫室不僅具有蔬菜生產(chǎn)和光伏發(fā)電的功能 還具有節(jié)能 增加交流空間 改善城市生態(tài)等意義 屋頂溫室的建設(shè)形成了建筑頂層的緩沖空間 對建筑 頂層具有隔熱 保溫的作用 并可利用建筑的富余熱 量和富余冷量 建筑和溫室的能耗形成了互補的較少 效果 屋頂溫室在種植 采購等過程中為城市居民提 供了交流的空間 并可為學校提供農(nóng)業(yè)教育的機會 為兒童提供親近自然 接近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便利條件 據(jù)孟建民估算 中國現(xiàn)有屋頂面積 但并未被有效利用起來 王卓然等人的調(diào)查研究 表明 建筑屋頂被大部分人忽略 技術(shù)并不是城市屋 頂空間再利用的限制因素 主要原因是由于人們對使 用屋頂空間意識的缺失以及合理的市場機制與產(chǎn)業(yè) 鏈 朱勝萱 高寧等人在上海的屋頂農(nóng)業(yè)實踐工 作中遇到了法規(guī)盲區(qū) 現(xiàn)有政策無法對接 找不到城 市層面管理主體等種種尷尬 進行城市屋頂溫室 穆大偉 等 屋頂溫室蔬菜生產(chǎn)與光伏發(fā)電復合生產(chǎn)潛力研究 建設(shè) 同樣受到政策 法規(guī)及管理方面的限制 本文 對屋頂溫室生產(chǎn)潛力的評估有助于提高人們對城市 生產(chǎn)功能的認知 有助于促進相關(guān)規(guī)范 法律的制定 與建筑屋頂相似 城市道路 城市綠地 建筑立面等空 間均具備生產(chǎn)性再開發(fā)的條件 僅城市屋頂可實現(xiàn) 蔬菜自給率 在進行城市立體化再開發(fā)之后 城市在食品 能源等方面的自給程度將會大大增加 甚至能夠?qū)崿F(xiàn)部分資源的消耗量大于產(chǎn)出量 實現(xiàn)城 市由 消耗型 向 生產(chǎn)型 的轉(zhuǎn)變 總之 通過建立屋頂溫室典型模型 對天津既有 建筑 蔬菜 光伏復合生產(chǎn)潛力 進行定量研究 天津 市城區(qū)既有建筑屋頂可生產(chǎn)蔬菜 可生產(chǎn)電力 可實現(xiàn)天津城區(qū) 常住居民蔬菜自給率 生活電力自給率 增加屋頂溫室管理就業(yè)崗位 萬個 參考文獻 張玉坤 鄭婕 新精神 的召喚 當代城市與建筑的世紀轉(zhuǎn) 型 建筑學報 諾伯特 費什 托馬斯 威爾肯 產(chǎn)能 建筑和街區(qū)作為可再生能 量來源 祝泮瑜 譯 北京 清華大學出版社 馬運鳳 集成屋頂農(nóng)業(yè)的兼農(nóng)循環(huán)住宅構(gòu)建研究 濟南 山東 建筑大學 李天來 日光溫室蔬菜栽培理論與實踐 北京 中國農(nóng)業(yè)出版 社 白義奎 王鐵良 佟國紅 等 東北型節(jié)能日光溫室 遼沈 型 日光溫室節(jié)能設(shè)計試驗研究 節(jié)能技術(shù) 佟國紅 李永奎 孟少春 等 利用動態(tài)規(guī)劃設(shè)計溫室前屋面最佳 形狀的研究 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報 周長吉 溫室工程設(shè)計手冊 北京 中國農(nóng)業(yè)出版社 柴江權(quán) 夏明建 光伏溫室發(fā)展前景廣闊 長江蔬菜 劉立功 趙連法 劉超 等 光伏太陽能溫室的特點及應(yīng)用前 景 中國蔬菜 趙雪 鄒志榮 光伏日光溫室冬季發(fā)電效果初探 西北農(nóng)林科 技大學學報 自然科學版 董微 周增產(chǎn) 劉文璽 等 光伏溫室室內(nèi)外環(huán)境條件對比 農(nóng) 業(yè)工程 宮盛男 張玉坤 張睿 等 基于打破 空間互斥性 假設(shè)的既有城 市生態(tài)足跡分析研究 城市發(fā)展研究 下轉(zhuǎn)第 頁 王洪瑞 等 節(jié)能監(jiān)管平臺在高校用水管理中的應(yīng)用 比情況 該食堂正常每日用水量約 夜間正常用 水量基本為 該漏水點的發(fā)現(xiàn)和處理 每天可以減 少水資源浪費 以上 每年可減少水資源浪費 以上 圖 某食堂兩天的每小時用水量對比圖 地下漏水點大多位置隱蔽 水流向不易發(fā)覺 依 靠傳統(tǒng)的人工抄表和檢查工作極難發(fā)現(xiàn) 自動化 精 細化的節(jié)能監(jiān)管平臺的建立使得用水異?？杉皶r有 效地得到監(jiān)測 有效 高效地利用節(jié)能監(jiān)管平臺 可大 大減少水資源浪費 真正發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)能減排的效用 為社會和國家的水資源節(jié)約提供切實助力 結(jié)語 高校建筑仍存在很大節(jié)能潛力 節(jié)能監(jiān)管平 臺系統(tǒng)為高校能源管理提供了科學化 可視化的高校 能源管理工具 通過該平臺系統(tǒng)的運行 管理人員可 發(fā)現(xiàn)校園長期存在的能耗癥結(jié) 并有針對性的改善用 能情況 以此形成良性循環(huán) 本文提出的利用節(jié)能監(jiān) 管平臺對用水管理的新思路 可廣泛有效地用于地下 漏水發(fā)掘和處理 此外 節(jié)能監(jiān)管平臺的建成 也推 動了學校后勤信息化建設(shè) 打破了傳統(tǒng)的依賴人工和 經(jīng)驗管理能源的狀況 參考文獻 張平 國外水資源管理實踐及對我國的借鑒 治淮 譚洪衛(wèi) 徐鈺琳 胡承益 等 全球氣候變化應(yīng)對與我國高校校園建 筑節(jié)能監(jiān)管 建筑熱能通風空調(diào) 赫娜 程銘遠 陳石 節(jié)約型校園節(jié)能監(jiān)管平臺的建設(shè)與應(yīng)用 建筑節(jié)能 高彪 譚洪衛(wèi) 宋亞超 高校校園建筑用能現(xiàn)狀及存在問題分 析 以長三角地區(qū)某綜合型大學為例 建筑節(jié)能 紀建英 王軍 光電直讀式遠傳水表及集中抄表系統(tǒng) 中國計 量 王曼伊 王志強 周霞 等 基于能耗監(jiān)管平臺的某高校宿舍用能調(diào) 查分析 建筑節(jié)能 作者簡介 王洪瑞 男 山東新泰人 控制工程專業(yè) 碩士 主 要從事節(jié)能技術(shù)和智能控制技術(shù)研究 上接第 頁 張華 王立雄 李卓 城市建筑屋頂光伏利用潛力評估方法及其應(yīng) 用 城市問題 黃經(jīng)南 李丹哲 許琴 我國大城市的食物里程及對規(guī)劃的啟 示 以武漢市為例 國際城市規(guī)劃 孟建民 迎接城市農(nóng)業(yè)化革命 中國建設(shè)報 王卓然 羅杰威 陳陽 城市建筑屋頂改造與再利用探析 建筑 節(jié)能 朱勝萱 高寧 屋頂農(nóng)場的意義及實踐以上海 天空菜園 系列為 例 風景園林 魏曉明 周長吉 丁小明 等 光伏發(fā)電溫室的現(xiàn)狀及技術(shù)前景研 究 中國農(nóng)業(yè)工程學會 年學術(shù)年會論文集 重慶 中國農(nóng)業(yè) 工程學會 年學術(shù)年會 作者簡介 穆大偉 男 內(nèi)蒙古赤峰人 畢業(yè)于天津大學 建筑 設(shè)計及其理論專業(yè) 博士研究生 副教授 主要從事都市農(nóng)業(yè)及生產(chǎn)性 建筑研究 通訊作者 張玉坤 男 天津人 博士 教授 博導 主要從事都 市農(nóng)業(yè)及生產(chǎn)性城市研究