日光温室的热环境数学模拟及其结构优化

【摘要】：日光温室在我国北方冬季生产中起着非常重要的作用,但目前仍存在部分结构设计不合理,光能利用率低,保温性能差,缺乏室内温度预报软件等问题。 本文于2001年和2003年12月至次年3月对北京地区两栋构造不同的日光温室进行了室内外地面太阳辐射,室内外气温及空气相对湿度,室内外表面温度、热流量,室外风速、风向,土壤湿度等环境要素的连续观测。并利用观测的数据分析了供试日光温室的光温性能特性。 根据日光温室室内空气和北墙、东墙、西墙、后屋面、前屋面覆盖材料、土壤的能量和物质守恒原理,建立了日光温室热环境的动态数学模型。模型中输入参数包括温室地理参数、结构参数、围护结构物性参数和气象初始条件。并采用云遮系数法计算了日光温室内外各个面的太阳辐射得热,详细计算了东西墙在室内地面、北墙、后屋面产生的荫影及其对太阳辐射得热的影响,利用非稳态的热反应系数法求解墙体和后屋面的热传导。模型中输出参数为室内空气温湿度和各内表面的温度。模型利用VB 6.0编程求解,将供试日光温室和验证日光温室连续10天以上不同天气条件下的模拟数据与实测数据进行比较分析,结果发现模拟曲线拟合较好。其模拟值与实测值的绝对误差均在±1.0℃之内,相对误差小于10%。 利用该数学模型对不同材料,不同厚度,不同排列墙体的日光温室保温性能进行了比较,最后指出:在红砖墙中加隔热材料能提高日光温室的保温性能,但增温能力随红砖墙和隔热材料厚度的增加而递减。从理论上验证了红砖墙的厚度应大于36cm才能保证室内气温稳定,使用聚苯板做隔热材料厚度以10cm为较好。在后屋面的优化中,如果仅增加重质实心材料厚度增加温室的保温性能,效果不理想,还容易造成材料浪费。采用三种隔热材料置于其外侧,相同厚度隔热材料的增温能力大于重质实心材料的增温能力,三种隔热材料以聚苯板的保温效果最好。 在数学模型的基础上,开发了日光温室温度预报系统软件。系统包括:输入模块,太阳辐射计算模块,温度模拟和预报模块,温室结构优化模块,数据管理模块,输出模块。太阳辐射计算模块包括室内各个面的太阳辐射计算、任意点的太阳辐射的计算和遮荫状况、不同前屋面的太阳辐射计算、温室间距的计算及温室的光性能评价。向温度预报模块中输入地理参数、结构参数、围护结构的物性、气象初始条件,就能对室内空气温湿度和内表面温度进行预报。该预报系统可以对冬季日光温室的低温预防和耗能提供参考。软件中采用多样化的输入输出方式,同时解决了同一温室地理参数、结构参数、不同墙体和后屋面结构材料物性的重复输入问题,初始条件输入的可控性等问题。此软件在windows平台上运行良好。