“乡村振兴”视角下陕南农业建筑工程环境研究——汉中温室大棚物理性能模拟
时间：2023-04-09 08:50:04 来源：千叶帆 本文已影响人
张心译 张 璐 郭玉萍 李悦童 辛征西 陈 婕
陕西理工大学土木工程与建筑学院
汉中位于陕西省南部，北依秦岭，南屏巴山，中部为汉中盆地，年均气温14℃左右。年日照时数不足2000h，冬季三个月日照时数不足130h，不适合冬季反季节果蔬的栽培。陕南地区温室大棚现状不理想的问题导致蔬菜水果种植产量低，棚内温度不适宜，能源消耗不合理。
本文主要通过调研陕南地区的温室大棚现状，探讨不同材料对温室大棚空间物理性能的影响，借助Ecotect软件模拟分析并计算分析大棚内光环境与热环境，还对大棚进行能耗模拟，从而改善当地作物的种植情况，满足人们的生活需求。该项研究大力响应“大棚经济助力乡村振兴”国家政策，希望此研究结果能在未来为陕南地区的温室大棚建造提供一定的参考价值。
2.1 项目概况
我们选择了陕南地区比较有代表性的城市——汉中。在汉中地区，农村建筑鲜有光、热等方面的数字化分析，因此根据汉中市的气候条件，借助Ecotect软件进行模拟计算，探究温室大棚内采光及热工情况，并对四种不同形式大棚材料的能耗进行分析，最终得出结论。通过调研和分析数据的对比，为今后该地区温室大棚的改造优化提供参考。
2.2 不同材质温室
从2021年3月至今通过实地走访调研得到：陕南地区以砖墙形式大棚、混凝土墙形式大棚、彩钢墙形式大棚及塑料薄膜大棚四种形式的大棚为主。
砖墙形式大棚、混凝土墙形式大棚、彩钢墙形式大棚地点较为固定，不易建造，成本较高。而塑料薄膜大棚是用塑料薄膜覆盖的一种大型拱棚，与其他大棚相比，结构简单、建造和拆装方便；
与中型、小型拱棚相比，坚固耐用，使用寿命长，棚体内空间大，进行农业作业时较为方便、并且也有利于作物生长发育。
大棚按骨架材料分为竹木结构、钢架混凝土结构、钢架结构、钢竹混合结构、全竹、全塑等。竹木结构大棚简视图如图2所示[1]。
图2 塑料薄膜大棚结构图
2.3 Ecotect模拟分析
2.3.1 Ecotect建模
在模拟软件Ecotect里建立陕南地区具有代表性的温室大棚模型，通过Ecotect技术（可实现建筑能耗、材料热工性能、日照分析，阴影及遮阳等的可视化分析）模拟不同材料温室大棚光热环境和热性能分析并计算[2]。如图3所示，a、b分别为软件中建立的温室大棚模型。
图3 温室大棚Ecotect模型
2.3.2 大棚生产区日照模拟
阳光照射能引起植物的各种光生物学反应，促进植物生长和新陈代谢[3]。因此，蔬菜大棚种植区内适宜的日照有重要的意义。
大棚的建筑布局需要考虑整个场区的采光效应和遮挡情况。在满足日照间距的基础上，要以节约用地为原则，合理布局蔬菜大棚，如图4所示，蓝色网格表示全年太阳运动轨迹，测量日照强度的仪器为日照强度仪，日对日照强度的等级还没有一个准确的划分，可以将其转化计算为光照度，再根据光照度来划分，或者将当地一年日照强度最高的值设定为100%，100%～80%为强，80%～60%为较强，60%～40%为一般，40%～20%为较弱，20%～0%为弱。图中红色日照最强，蓝色最弱。其量程范围在0～3000W/m2。
图4 某大棚生产区的日晷模拟图（陕西汉中）
3.1 热环境分析法
利用在Ecotect软件中建立的模型模拟实际的温室大棚建筑（长20m、宽4m、高13m），置换不同的外部材料，并分析大棚内部的能耗情况。模拟过程中，软件的区域参数设置为：大棚内部温度设为24℃，风速设为0.2m/s，湿度设为53%。不改变其它因素，仅改变墙体材料的情况下分析其内部能耗。常见的温室大棚材质有薄膜材料、阳光板材料、玻璃材料等。薄膜材料常见的有低密度聚乙烯薄膜、中密度聚乙烯薄膜和高密度聚乙烯薄膜。
表1 温室大棚材质计算参数表[4]
3.2 大棚热环境结果分析
3.2.1 大棚单体热环境分析
大棚内部环境温度随外界环境而变化，太阳光照射产生的热效应起到控制室内温度，促进植物生长的作用[5]。根据蔬菜生长发育对温度的要求，可将蔬菜分为：恒温蔬菜、日间高夜间低蔬菜等。例如，汉中地区所适宜种植的水果——草莓就属于日间高夜间低果蔬类，充分发挥光合作用有效抑制呼吸作用、增加水果的含糖量。因此我们适当的改变大棚的材料，来模拟大棚中适宜果蔬生长的最佳物理环境。
为更好的了解汉中冬季温室大棚的热环境情况，此次模拟试验选取于1月1日，大棚中部距地面0.8m高度的环境温度变化情况。模拟中大棚采用聚乙烯单层薄膜围护，用Ecotect软件进行模拟分析。
3.2.2 得热分析
在Ecotect软件中实际的模型赋予低密度单层膜，膜厚度为1mm，模拟了大棚内部一天内逐时得热规律。由图5可知，蓝色断线表示外部温度，无大幅度起伏，维持在0℃左右；
绿色断线表示风速，风速间断变化幅度较大，夜间3点-6点风速增大，日间15点-23点波动较大、风速降低；
橙色断线表示光束太阳能，恒定不变，保持在0kWh/m2；
橙色点划线为辐射温度，在日间8时-13时逐渐增大，13-15时逐渐减少至0℃，在12-13时达到峰值约为-5℃。
图5 逐日得热分析模拟云图（中国汉中）
3.2.3 逐月度日数
本模拟实验采用低密度聚乙烯单层塑料薄膜，模拟了大棚内部一年中的逐月度日数——汉中地区所有可见热量区域图，如图6所示。图中横坐标为月份，纵坐标为度日数，显示的是逐月度日数条形分布图。1、2、3、4、10、11、12月度日数负增长，最大值可达400（DD为degree-day）；
而5、6、7、8、9为正值，最大值在135（DD）左右。说明：该地区寒冷月份多，天数值见深色柱状图。
图6 逐月度日数——所有可见热量区域图（中国汉中）
如表2显示，该地区冬季得热天数长，夏季凉爽天数长。
表2 逐月度日数-所有可见热量区域数据表格（中国汉中）
3.2.4 温度得热比
低密度聚乙烯单层塑料薄膜在对大棚进行保护的同时，能保障大棚内部的恒温性质，大棚边缘的温度比中部低2℃～3℃，这就是大棚的边际效应[4]。图7展示了全年的大棚温度得热量。将实际温度与模拟温度（如图7）进行比较，分析结果表明波动规律基本一致，差异不显著。
图7显示了全年范围内室外温度——得热散点分布图，总得热量在0～18000Wh/m2区间呈点状散布。其中点状线表示较为理想的状态，在8000Wh/m2～18000Wh/m2区间内温度得热比最理想，最适宜水果大棚的种植。
图7 温度/得热比较模拟图（中国汉中）
4.1 光环境分析法
根据陕西省汉中市地区气候条件，运用Ecotect软件，模拟大棚月太阳平均照射量以及在聚乙烯单层塑料薄膜和空心砖两种不同材料下大棚的月太阳总照射量。
我国GB 50180—1993《城市居住区规划设计规范》规定：“建筑间距，应以满足日照要求为基础，综合考虑采光、通风、消防、防震、管线埋设、避免视线干扰等要求确定”。建筑布置以满足日照要求作为确定建筑间距的主要依据，所以运用Ecotect软件分析大棚内光环境、热环境以及日照等情况，能够可视化及定量计算[6]。
4.2 大棚光环境结果分析
4.2.1 大棚月太阳平均照射量
日照产生的光效应可以起到提高室内温度，促进植物生长的作用。在调查蔬菜生长发育中对光强的要求时发现，汉中地区适宜种植的草莓、蓝莓属于强光照果蔬类。为了提高产量，本研究重点在此模拟实验中适当改变大棚的材料，能够在软件中直观地可视化地看到大棚内光环境变化具体数值。
本试验采用聚乙烯单层塑料薄膜和空心砖两种材质，模拟大棚每日太阳平均照射量。由于砖墙和单层塑料膜大棚日太阳平均照射量几乎无差别。所以，图8和图9是材质为聚乙烯单层塑料薄膜的大棚的每日太阳平均照射量模拟结果，由模拟情况可得图8（以聚乙烯单层塑料薄膜为例），其每日太阳平均照射量分布范围是1664Wh/m2～5797Wh/m2，冬季采光稍弱，春、夏、秋三季采光情况良好，能有效提供植物生长所需的太阳辐射量，满足《绿色建筑评价标准》。
如图9所示，聚乙烯单层塑料薄膜的大棚每日太阳平均照射量在7月达到最大值5800Wh/m2，在12月为最低值1700Wh/m2；
每日太阳平均照射量大于5000Wh/m2的有5月、6月、7月、8月四个月份；
除1月以外，其余月份每日太阳平均照射量均大于2000Wh/m2。
图9 每日太阳平均照射量数据表格（中国汉中）横坐标为月
4.2.2 大棚月太阳总照射量
本模拟实验分别采用聚乙烯单层塑料薄膜和空心砖，模拟了大棚内部一年中每月太阳辐射，得到每月太阳总照射量模拟云图。
如图10，横坐标为月份，纵坐标为月总计太阳辐射量。1、2、3、10、11、12月太阳总照射量小，两种材料几乎无差别，月太阳辐射量最大值在180000Wh/m2，最小值为32000Wh/m2；
而4、5、6、7、8、9月太阳总照射量大，两种材料有一定差别，聚乙烯单层塑料薄膜月总计太阳辐射量的最大值可达170000Wh/m2，但空心砖材质的大棚可达到180000Wh/m2。说明：该地寒冷月份多，月总计太阳辐射量两种材质不同，空心砖材料的大棚更具优势。
图1 四种温室大棚形式
图10 每月太阳总照射量模拟云图（中国汉中）
如图11，大棚每月太阳总照射量均高于30000Wh/m2[7]。其中，空心砖材质大棚和单层塑料膜材质大棚月太阳总照射量都在7月时达到最高值，分别为180000Wh/m2和170000Wh/m2；
同样都在12月时达到最低值，分别为50000Wh/m2和32000Wh/m2。两者之间对比数值相差较小，各研究高度区域每月太阳总照射量大，采光情况好，满足GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》。
图11 每月太阳总照射量数据表格（中国汉中）
4.3 光环境分析结论
本文以陕南地区的蔬菜大棚为研究对象，采用聚乙烯单层塑料薄膜和砖为材料，利用Ecotect软件进行原尺寸建模，对其内部空间的光环境进行了分析，在模拟计算中对比其逐时太阳辐射量、日平均太阳辐射量、月总计太阳辐射量，分析发现材质不同的情况下，日平均太阳辐射量基本相同，但月平均辐射量砖墙材质大棚数值要稍高于单层塑料膜大棚数值，究其原因是砖对于太阳辐射有一定的吸收和蓄热作用，塑料由于材质太薄，太光滑则会反射一部分太阳辐射，且不能蓄热，但综合考虑到经济效益（砖墙47元/m2，单层塑料膜4元/m2～6元/m2），在太阳辐射量相差不大的情况下，仍推荐采用单层塑料薄膜大棚。
①本文以陕南地区的蔬菜大棚为研究对象，采用聚乙烯塑料薄膜为材料，利用Ecotect建模软件进行实例的模拟，对其内部空间构造及各个构件的热环境和光环境进行了分析，在模拟计算中对比各项能耗量。
②Ecotect技术是计算建筑热环境，光环境，实现建筑节能设计的一个重要手段，也是未来建筑节能设计发展方向[8]。
③通过汉中市大棚围护结构的光环境与热环境分析,塑料薄膜大棚结构简单、建造和拆装方便，并且也有利于作物生长发育。
④计算机分析结果表明，该地区农村大棚可采用适合的技术，增加光照，大棚温度控制在20℃效果最佳，可提高大棚中作物的生长速度，提高产量，改善食用口感。
⑤通过数据分析聚乙烯单层塑料薄膜的密度变化对植物接收到的的太阳辐射并无太大的影响，对比砖墙材质大棚发现，大棚日平均太阳辐射量基本相同，由于砖墙材料的蓄热特性，导致月平均辐射量砖墙材质大棚要稍高于单层塑料膜大棚，但考虑到经济效益，在太阳辐射量相差不大的情况下，仍推荐采用单层塑料膜大棚。
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