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南疆戈壁日光温室结构设计与改进

时间:2014-09-17 来源:未知 作者:小韩 本文字数:4011字
论文摘要

  引言

  新疆位于我国的西北部,土地面积占全国 1/6,然而沙漠和戈壁面积占到全区面积的 43. 0% ; 人均耕地面积为 0. 20hm2,为全国人均耕地面积( 1. 41hm2) 的14 . 2 % 。尤其是南疆三地州,人均可耕地面积 仅为0. 14hm2,仅为全国人均耕地面积10%。另外,新疆地处欧亚大陆腹地,远离海洋,东、南、北三面环山,属典型的大陆干旱气候,冬季干燥少雨。人地矛盾及雨水稀缺的客观条件严重制约了新疆地区农业经济的发展。然而,新疆有着得天独厚的太阳能资源丰富的优势,冬季仍可保证累计日照总数高达 1 050 ~1 550h,充足的光热资源为新疆地区反季节种植提供了天然保障。

  为充分利用新疆地区丰富的光热资源,缓解气候干旱导致土地荒废及可耕土地稀少带来的农业种植压力,发展戈壁温室产业是提高新疆农业种植产量、实现农业经济增长的重要途径。戈壁园艺设施农业已辐射到南疆喀什等地区、东疆克州及北疆阿勒泰等地区的多个县市,有着不可估量的产业潜力。本次结构设计对象专门针对南疆三地州的喀什地区及克州等地戈壁条件下的温室进行。

  1 设计依据

  根据戈壁日光温室所在地特殊复杂的天气条件和地理条件,对戈壁地区的纬度、太阳高度角、冻土层深度以及近 10 年极端最低气温进行深入调查,并以此为依据开展戈壁日光温室的设计。气候及地理信息如表 1 所示。【表1】
论文摘要
  
  2 结构设计

  戈壁日光温室结构设计主要包括日光温室的方位设计、温室尺寸设计两个方面,设计范围为喀什、克州及和田地区,适用于新疆以南、北纬 37 ~ 40°、经度75 ~ 80°地区。

  2. 1 方位设计

  日光温室一般要求尽可能使温室的后墙照上太阳,方位设计坐北朝南,东西延长。但在我国高纬度冬季比较寒冷的北方,冬季为接受到更多的阳光,一般采取南偏西的方式,部分地区采取偏东的方式。无论偏东还是偏西,角度应小于 10°。另一方面,温室的朝向一定要考虑温室所在地冬天风吹袭的方向,一般为西北风,避开直接面对温室前屋面。综合考虑戈壁条件下的各种因素,本次设计为南偏西 8°。

  2. 2 温室尺寸设计

  2. 2. 1 跨度设计

  克州、喀什地区的纬度在 37 ~39. 5°之间,温室跨度 8m 较为合适,具体可参照部分标准并按照当地的实际情况采取适宜的跨度。克州戈壁地区光照资源丰富,气温及光照有利温室的栽培,适当增加温室的跨度,扩大温室栽培床的面积,最大限度地节约成本。喀什的越冬温室跨度可以取到 8. 5m,春提早秋延晚温室不超过 9m。

  2. 2. 2 采光角设计

  采光角是温室接受日光的重要因素,温室结构参数中影响温室采光的是采光角,也称前屋面角。一般来说,温室的采光角不能大于 50°,否则会导致入射光的效果急剧下降。温室的前屋面拱架形状对于采光率影响较小,一般小于 3% ; 但设计时必须考虑到应有利于冬季积雪的滑落和雨水的排放,不能兜水。此外,要创造适合温室卷帘机卷放的骨架形状。合理的前屋面角 β 宜按照下式确定: β≥-δ-35°。其中,β 为采光角;  为纬度; δ 为太阳赤纬。

  克州地理纬度为 37°,冬至日太阳高度角为-26°,计算得出该地区 β≥28°,设计时采用 28°。这样设计主要是考虑到戈壁的风一般比较大,采用前屋面较小仰角有利于排风,减小大风对温室的破坏。

  2. 2. 3 后屋面设计

  温室蓄热能力主要取决于后屋面长度,后屋面材料的组成将决定温室特别是夜间保温能力。由于温室后屋面夜间的温度“补偿”能力,使温室内的温度波动不会过大。后屋面不能过长也不能过短,过短会失去了日光温室设置后屋面的蓄热意义,但过长也会导致温室内靠近北墙的区域遮光。根据相关规定,后屋面投影宽度与跨度之比在 0. 17 ~ 0. 25 范围内较为合适。按照温室 8m 属于较大跨度选择 0. 17 ~ 0. 20,北方一般地区选 0. 17 ~ 0. 20,室外温度较高取 0. 17~ 0. 20 的原则设计。根据克州戈壁气候条件,本设计取值为 0. 20,克州戈壁温室后屋面长 1. 6m。

  2. 2. 4 脊高设计

  采光角的大小和后屋面长度决定着温室脊高,设计时应考虑到这一点。在戈壁地区温室脊高不宜太高,最好不要超过 3. 5m。温室高度高可提高温室的采光性能; 但过高会使温室内的空间增大,浪费建造材料且增加成本,加大了散热量。在戈壁条件下,太阳辐射强、风沙较大、冬季的昼夜温差比较大,因此设计合理的高度取值应达到光照和保温相互协调的目的。降低脊高可有效地降低冬季寒风的接触面积,增加温室的使用年限,提高温室的保温性能。因此,在戈壁条件下,设计温室的脊高定位 3. 4m。

  2. 2. 5 后屋面角设计

  对于戈壁条件下的温室设计,其抗风雪性能需要考虑的第一因素。按照在冬至日前后半个月温室的后屋面都能够照上太阳的原则,后屋面角应比冬至日太阳高度角大于 8°才可保证这个条件。过大会造成温室的脊高过高,迎风面过大。合理的后屋面角可降低后墙的高度,使温室北墙分担更多后屋面材料负荷,减少后屋面承重,从而减少骨架的载荷,减少骨架成本; 也可增加温室后屋面保温和蓄热材料,提高整个温室的保温蓄热能力。喀什克州冬至日太阳高度角 α1= 90°-( 37°+25°) = 26°。因此,根据上述的大于8°的原则,后屋面角应大于 34°,设计时采用 40°。

  3 优化设计

  3. 1 墙体设计

  温室的墙体由温室的后墙、东西两侧的山墙构成,墙体材料既要求有隔热能力,还要求有一定的蓄热能力。设计时,墙体所具有的热阻应大于所要求的低限热阻,但戈壁就地取材的材料成分比较复杂,墙体材料不可能由一种纯粹的粘土、碎石或沙子组成,往往是按照一定的比例掺杂而成。在南疆克州、喀什戈壁地区,从节约成本的角度考虑戈壁料砂石堆砌土墙最为合适,温室内侧通过混凝土浇筑确定框架后堆土。温室的设计温度-21℃,按照公式计算出墙体厚度,即RO= δ1/ λ1+δ2/ λ2+ … +δn/ λn其中,RO为总热阻; δi为墙体厚度,m; λi为导热系数。计算出温室建造墙体厚度不小于 1. 8m。后屋面符合材料的低限热阻 3. 0m2·k/W,实际建造做法依次为最外层 0. 1m 草泥、0. 3m 秸秆捆、0. 05m 芦苇板、0. 15mm 厚塑料防水薄膜。经计算,总热阻为 3. 7m2·k / W,满足后屋面低限热阻。3. 2 前屋面设计。。

  日光温室前屋面既是温室采光面,也是热量散失的主要通道,占到整个温室散热总比的 80% ~ 90% 。

  因此,为了阻止日光温室前屋面散热,应采取一定的措施并尽可能地储热,以维持日光温室冬季特别是夜间的温度,这一点尤为重要。克州戈壁冬季雨、雪较少,冻土层深度仅为 0. 6m,但风大且太阳辐射强。考虑到这一条件,此次选用抗老化性能比较好、密度较大( ≥1. 6kg/m2) 的保温被作为前屋面夜间覆盖保温材料,温室薄膜也尽量选用抗摔打能力强、防紫外线较好的 EVA 膜。

  3. 3 间距设计

  在温室与温室之间的间距设计上,应保证冬至日温室前屋面的受光时间不少于 6h,并以此为结构设计的主要原则。【图1】
论文摘要
  
  克州的纬度为 37°,太阳高度角为 26°,脊高3. 4m,保温被卷至顶部的厚度 0. 5m,后墙宽 1. 8m,后屋面投影长度1. 4 ~2m。按照公式 D =( h/tanα) - L+R 计算,温室的合理间距应为 D=( 3. 9/tan26°) -3. 4+1=5. 6m,即温室间距理论计算值约为 5. 6m。考虑到戈壁地区的土地资源比较丰富,实际操作一般放在 7 ~8m。

  3. 4 长度设计
  
  温室长度设计时,主要就墙体的冷热膨胀程度、配套装备的操作性等来考虑。如果保温被采用草帘等较重的保温材料,一般温室长度不超过 60m; 如果密度较小的保温被,可到 80 ~ 100m。另外一方面,戈壁温室的墙体材料一般情况下应就地取材,用当地的戈壁料筑墙。如果太长,易造成墙体堆料松散,承重能力差,造成墙体垮塌。

  3. 5 栽培床设计

  由于戈壁的特殊气候条件( 风大、昼夜温差大、太阳辐射强等) ,采用温室栽培床下挖可显著减少温室内外地温的热交换,且可以有效避风,提高保温被等辅助装备的适用寿命。栽培床在温室的基础以下,可以利用土壤温度变化缓慢特性以及地热,使温室地温比没有下挖的温室提高 3° ~ 6°。戈壁地区温室栽培地下挖的适合深度在 0. 3 ~0. 5m 较为合适,一般不要超过 0. 5m。下挖深度不宜过深,过深增加建设成本,且没有明显效果。栽培床下挖太深,在温室的前屋面0. 5 ~ 0. 8m 内将会形成阴影,采光会受到影响。

  4 结论

  1) 此次戈壁温室结构设计的结构参数主要有温室方位角南偏西 8°,跨度 8 ~ 9m,脊高 3. 4m,前屋面角 28°,后坡仰角 40°,后坡投影长度为 1. 6m。优化设计主要有: 温室与温室之间距离为 7 ~ 8m; 温室长度为 60 ~ 80m; 温室墙体材料采用混凝土框架结构后堆砌戈壁料,厚度不小于 1. 8m; 栽培床下挖 0. 5m; 选用抗老化性能比较好、密度较大( ≥1. 6kg/m2) 保温被等。设计是在以往戈壁温室建设的基础上进行再次设计与优化,但其保温效果及实用性如何仍然有待于进一步的验证与研究。

  2) 戈壁温室设计要考虑: 一是温室脊高设计不宜过高、温室长度不能太长,否则易造成低温高湿现象;二是温室要选用抗老化性强、防辐射及抗拉强度好的保温被,选用防紫外线、抗撕裂性较好的薄膜; 三是戈壁温室的墙体因为大多数就地取材,采用戈壁料堆砌,比较松散,容易垮塌且保温蓄热性不好,因此最好采用混凝土框架结构; 四是前屋面角设计不宜过大,以有效避风为原则; 五是跨度可以合理增大,但栽培床要下挖。总之,对于戈壁日光温室的设计,应充分考虑新疆戈壁地区的气候变化、地理特征及就地取材等因素进行设计。

  参考文献:

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