日光温室的采光设计

（二）日光温室的采光设计

日光温室冬季不加温能生产喜温蔬菜，是因为太阳辐射作为免费热源。晴天的白天，太阳升起后，光线通过温室前屋面的薄膜透入室内，由短波光转为长波光，产生热量，提高温度。透入室内的太阳光越多，升温越快，温度越高。采光设计就是最大限度使太阳光透过前屋面进入温室。

1.方位角

日光温室东西延长，前屋面朝向南方。采取正南方位角，正午时太阳高度角最大时与前屋面垂直，采取南偏东5°，则太阳光提前20分钟；采取南偏西5°，则太阳光与前屋面垂直时间延后20分钟。

确定日光温室方位角应根据地理纬度，北纬40°以正南或南偏西5°为宜，北纬39°以南地区以南偏东5°～7°，北纬41°以北经南偏西5°～7°为宜。

2.前屋面采光角

（1）设计前屋面采光角的方法

首先确定温室的跨度和高度，由温室最高点向地面引一条垂线，再从最高点向前底脚引直线，构成一个直角三角形（图4-26）。

图4-26　前屋面与地面的夹角

前屋面与地面形成的夹角，与透入温室的太阳光关系密切，夹角越大透光越多。在跨度相同时，一斜一立式温室透光就少，因为在高度相同的条件下，前屋面与地面的夹角应从温室高度减去前立窗高度（图4-27）。

图4-27　一斜一立式温室前屋面采光角

可见当温室高度、跨度相同的情况下，一斜一立式温室的采光效果比较差。

前屋面与地面的夹角越大，与太阳光构成的角度也越大。前屋面与太阳光呈直角时，即入射角为0°时最理想，称为理想屋面角（图4-28）。

图4-28　理想屋面角示意图

如果按照理想屋面角建造日光温室，屋面极为陡峭，既浪费建材，增加造价，也不便于管理，根本没有实用价值。

例如在北纬40°地区，冬至日的太阳高度角为26.5°，要按理想屋面角设计，则前屋面与地面的夹角应为：

90°-26.5°=63.5°

太阳高度角与光线透过率并非单纯直线关系，当入射角在0°～40°范围内变化时，随着入射角的增大，透光率下降幅度5%，入射角大于40°以后，透光率才明显下降（图4-29）。

图4-29　透光率与入射角的关系

20世纪80年代中期，北纬40°的大连市瓦房店地区，冬季日光温室不加温生产喜温蔬菜成功，其温室前屋面采光角为23.5°，即入射角为40°。全国日光温室协作网专家组经过实地考察认为：日光温室前屋面采光角，以入射角不大于40°为合理屋面角。

（2）合理屋面角

计算合理屋面角的公式：

合理屋面角=90°-h°-40°

式中，h°为太阳高角。

以北纬40°地区为例，已知冬至日太阳高度角为26.5°，则合理屋面角=90°-26.5°-40°=23.5°。北方各地日光温室生产实践表明，按合理屋面角设计建造的温室，在冬季阴天少，日照百分率高的地区，气候正常的年份，不加温在北纬40°地区可生产各种喜温园艺作物，但是低纬度地区，日照百分率低，阴天较多，或日照百分率高地区天气反常，应用效果就不理想，甚至出现问题。为此，专家组经过深入考察研究，提出了合理时段采光屋面理论。

（3）合理时段采光角

从10：00～14：00，4个小时内太阳光的入射角都不大于40°。简易计算合理时段屋面角的方法为：当地纬度减少6.5°。例如，北纬40°地区，日光温室前屋面的采光角应为40°-6.5°=33.5°。

3.后屋面仰角

温室后屋面仰角受后墙高度、后屋面长度、中脊高度的制约。在一定的后屋面长度、中脊高度条件下，抬高后墙，仰角缩小，降低后墙，仰角增大。从有利于采光考虑，后屋面仰角就以当地冬至日太阳高度角为依据，比太阳高度角增加5°～7°。

例如北纬40°地区，日光温室后屋面角应为：26.5°+（5°～7°）=31.5°～33.5°。

（三）日光温室的保温设计

日光温室不加温冬季能生产喜温蔬菜，主要靠科学的采光设计，使大量的太阳辐射能进入温室内，转化为热能，提高了温度，保证光合作用的进行。但是，怎样使已产生的热量持续时间长，防止灾害性天气的低温冷害和冻害，关键在于保温。可见，日光温室的保温和采光同等重要。

1.日光温室热量损失的途径

（1）贯流放热

透入日光温室的太阳辐射能转化为热能后，以对流、辐射方式把热量传导到与外界接触的维护结构（后墙、山墙、后屋面、前屋面）的内表面，从内表面传导到外表面，再以辐射和对流的方式散发到大气中去。这个过程叫贯流放热，也叫透射放热。贯流放热是温室热量损失的主要途径，放热快慢、放热量多少，取决于维护结构的导热系数。

（2）缝隙放热

温室后墙与后屋面结合处有缝隙，后墙、山墙有缝隙，前屋面覆盖的薄膜有孔洞，管理人员进出温室开关温室门，都会通过对流方式把温室的热量放到外面去。

（3）地中传热

白天接受太阳辐射能，转化为热能后，热能向地下传导，大部分热能传导到地下，成为土壤贮热。传导来的热量，加上原来的热量，以两种主要途径向室外散失：一种是夜间或阴天地面没有热量补给时，由地表面向空气中释放热量，进行热交换，地表温度低于下层温度，下层土壤的热量便向地表传导。由于温室四周被冻土层包围，热量就要通过横向传导，散失到室外。

日光温室从太阳辐射获得热量，又以以上3种方式损失热量。热量损失的途径见图4-30、图4-31。

图4-30　日光温室夜间热平衡示意图

图4-31　日光温室白天热平衡示意图

日光温室的保温设计就是在科学采光设计的基础上，千方百计地减少放热速度和放热量，使日光温室获得的热量始终多于放出的热量。

2.提高日光温室保温性能的措施

（1）减少贯流放热

日光温室损失热量最多的是贯流放热，保温设计把贯流放热的减少放在首位。减少贯流放热的措施是降低围护结构的导热系数。降低导热系数的途径是对后墙、山墙和后屋面加大厚度，或采用异质复合结构，前屋面夜间覆盖草苫保温。

土筑墙或毛石筑墙，外侧培土，使墙体总厚度超过当地冻土层厚度的30%～50%，导热系数最低。永久式的墙体和后屋面，采用异质结构，后墙和山墙采用砖砌夹心墙，内墙24厘米，外墙11.5厘米，中间留出空隙13.5厘米，总厚度49厘米。中空、填珍珠岩、炉渣、锯末，墙体的贮热和保温效果也有差异（表4-10）。

表4-10　夹心墙不同填充物蓄热保温比较

后屋面铺木板箔，上面加草苫再铺炉渣，抹水泥砂浆，进行防水处理，可降低后屋面的导热系数，提高保温效果。

日光温室贯流放热量最大部分是前屋面的塑料薄膜，面积大，导热最快，晴天太阳光照强，透入室内的太阳辐射能多，转化的热量超过放出的热量，温度就上升，到了午后，随着太阳高度角的缩小，透入室内的太阳辐射能减少，转化的热量小于贯流放热放出的热量以后，温度开始下降。夜间热能来源断绝，放热照常进行，就需要覆盖草苫保温。北纬40°地区冬季用5厘米厚草苫覆盖，北纬40°以北地区在草苫下增盖4层牛皮纸被（表4-11）。

（2）减少地中横向传导放热

在根据当地气候条件增加墙体厚度的情况下，日光温室的后部和靠近山墙处的地中横向传导散热量较少，主要是前底脚下的地中横向传导散热量大，对地温影响明显，所以对前底脚下的土壤进行绝热处理是必要的。

普遍采用的措施是在前底脚外挖一条深50～60厘米、宽30～40厘米深的沟，衬上薄膜装软草包严，培土踩实。

（3）减少缝隙放热

严寒冬季，日光温室的室内外温差很大，温室一旦有缝隙，在大温差的作用下就会形成强烈的对流热交换，导致大量散热。为了减少缝隙散热，在筑墙时要避免出现裂缝：前屋面薄膜要盖严，除放风时不应有缝隙和孔洞；后屋面与后墙交接处要严实。进出口处应设置作业间，通向温室的门口要挂棉门帘，室内靠门处用薄膜围出缓冲带，防止开门时冷风直接吹到蔬菜上。