日光温室采光设计应注意哪些问题?

塑料薄膜日光温室是以太阳能为主要热源的温室。秋、冬、春三季室外气温很低,所以对建筑结构的要求是:充足的采光和严格的保温,满足桃树生长和结果的需要。所谓全光照,就是在室内拦截最大的光能。从建筑结构上,我们应该注意以下几个方面:

(1)日光温室的朝向

在我国北方寒冷地区,日光温室都是北向南,东西延伸建造的。在建筑朝向上,有人主张东边更好,理由是上午光合作用比下午强,东边能更早接受到直射光。

桃树日光温室的生产实践证明,在我国北方寒冷的冬季,不加热的日光温室不能过早揭草,否则室内温度不但不会上升,反而会下降。其实太阳出来后要过一段时间才能揭开草。因此,温室的朝向最好是朝西,这样可以延长下午室内的光照时间,有助于夜间保持较高的温度。在辽宁、河北东北部和山东,日光温室的朝向一般是向西3° ~ 5°。

(2)前屋顶的采光角度和形状

日光温室的向阳面多为塑料薄膜制成的采光屋顶,与地平面的夹角称为屋顶采光角(图28)。屋顶某一点的法线(屋顶某一点的切线的垂直线)与太阳光线的夹角就是太阳光线的入射角。屋顶采光角的大小和太阳高度角(太阳光线与地面的夹角)形成不同的光线入射角,光线的反射损失因入射角不同而不同。太阳高度角随季节变化,同一时期不同纬度的太阳高度角也不同。冬季至日前后每隔一个节气,太阳高度角增加约4°,在夏季至日达到最大值。

图28温室前屋顶的采光角、光线入射角和太阳仰角。

1.入射角2。太阳仰角3度。切点处的采光角。

当太阳照在日光温室采光顶上时,有三种作用:一是半透明材料(塑料薄膜)及其附着物的吸收,二是半透明材料的反射,三是透过半透明材料进入温室。该关系可以由下面的公式表示:

吸收率+反射率+透射率=100%

目前,温室的透光率主要取决于反射率。反射率越小,透射率越高。

反射率与光的入射角关系最密切。当光线入射角为0,即太阳仰角加上屋顶采光角等于90°时,则反射率为0,透光率最大。此时的采光角是理想的前车顶采光角。但这并不容易做到。比如北纬40°,冬季至日上中午的太阳高度角为26.6°,屋顶采光角应为90°-26.6° = 63.4°;为了达到如此大的采光角,需要大幅度增加中脊高度或者缩短温室跨度。不仅保暖困难,更重要的是,这个采光角在冬季的至日上只是短时间被称为理想采光角,没有这个时间就不存在了。

从图29可以看出,当太阳光线入射角在0° ~ 40°范围内变化时,随着入射角的增大,透光率略有下降,但总的下降幅度不到5%,即冬季至日中午太阳高度角与温室采光角之和为50°时,透光率下降很小,所以温室前屋顶采光角通常以50°为参数设计。比如一个日光温室设计在北纬40°,太阳仰角26.6°,理想的屋顶采光角应该是90°-26.6° = 63.4°,以50°为参数,合理的屋顶采光角应该是50°-26.6° = 23.4°。

图29入射角和透光率之间的关系

一般温室前屋顶采光角平均为20° ~ 30°。在冬季实际生产中,中足尤其是中段是冬春桃树生产的主要检光面,其面积应占前顶的3/5 ~ 3/4。至于靠近屋顶的上部,主要考虑方便拔放草和排除雨雪堆积。为了增加温室前屋顶采光角,第二代高效节能日光温室采光屋顶一般设计为双曲面半拱圆形。

(3)背坡标高和宽度

后坡要保持一定的仰角,小仰角必然遮挡太多。后坡的仰角要视使用季节而定,但至少要大于冬季至日上当地中午太阳的高度角,以保证冬季太阳能照在后墙上,增加后墙的蓄热。背坡应保持适当的宽度,以利于隔热。太原市赵忠多点调查表明,当室外温度为-20℃,前采光面和后坡面投影宽度分别为4米和2米时,温室内最低温度为8.5℃。5.5m和1.5m的温室,室内最低温度为5.9℃。也就是说,加宽后坡宽度有利于保温,但春秋两季后坡过宽,室内遮阳面积大,影响后排桃树的生长、果实品质和产量。背坡宽度应兼顾采光和保温。一般背坡在地面上的水平投影宽度约为1米。

(4)相邻温室之间的距离

两排大棚间距小,会造成前排大棚遮挡后排大棚,间距大,浪费土地。要在不影响后温室采光的前提下,尽量减小间距。

前后温室间距的计算方法如下:根据温室高度(加上卷草高度,一般按0.5m计算)、当地地理纬度和冬季至日中午的太阳高度角,按下列公式计算:

S=H/tgH0-L1-L2+1

式中:S——两排温室之间的距离;

H——温室中高(包括容积吃水);

TgH0——冬季至日当地太阳高度角的正切值;

L1——温室最高点到后墙内侧的水平距离;

L2——后墙底部宽度。

例如,温室高3米,通风后3.5米,北纬40度,冬季至日中午26.6度,其正切值为0.5。后坡水平投影1.2米,后墙底宽1.5米。代入公式:

即后温室前脚到前温室后壁根的距离应为5.3m(图30)。

图30前后排温室遮阳示意图

(5)温室的长度

温室长度适当可以减少两侧山墙的遮阳面积比例,增加有效面积,但温室太长不方便管理。一般温室长度为60 ~ 80米。