（二）日光溫室的采光設(shè)計

日光溫室冬季不加溫能生產(chǎn)喜溫蔬菜，是因為太陽輻射作為免費熱源。晴天的白天，太陽升起后，光線通過溫室前屋面的薄膜透入室內(nèi)，由短波光轉(zhuǎn)為長波光，產(chǎn)生熱量，提高溫度。透入室內(nèi)的太陽光越多，升溫越快，溫度越高。采光設(shè)計就是最大限度使太陽光透過前屋面進入溫室。

1.方位角

日光溫室東西延長，前屋面朝向南方。采取正南方位角，正午時太陽高度角最大時與前屋面垂直，采取南偏東5°，則太陽光提前20分鐘；采取南偏西5°，則太陽光與前屋面垂直時間延后20分鐘。

確定日光溫室方位角應(yīng)根據(jù)地理緯度，北緯40°以正南或南偏西5°為宜，北緯39°以南地區(qū)以南偏東5°～7°，北緯41°以北經(jīng)南偏西5°～7°為宜。

2.前屋面采光角

（1）設(shè)計前屋面采光角的方法

首先確定溫室的跨度和高度，由溫室最高點向地面引一條垂線，再從最高點向前底腳引直線，構(gòu)成一個直角三角形（圖4-26）。

圖4-26　前屋面與地面的夾角

前屋面與地面形成的夾角，與透入溫室的太陽光關(guān)系密切，夾角越大透光越多。在跨度相同時，一斜一立式溫室透光就少，因為在高度相同的條件下，前屋面與地面的夾角應(yīng)從溫室高度減去前立窗高度（圖4-27）。

圖4-27　一斜一立式溫室前屋面采光角

可見當(dāng)溫室高度、跨度相同的情況下，一斜一立式溫室的采光效果比較差。

前屋面與地面的夾角越大，與太陽光構(gòu)成的角度也越大。前屋面與太陽光呈直角時，即入射角為0°時最理想，稱為理想屋面角（圖4-28）。

圖4-28　理想屋面角示意圖

如果按照理想屋面角建造日光溫室，屋面極為陡峭，既浪費建材，增加造價，也不便于管理，根本沒有實用價值。

例如在北緯40°地區(qū)，冬至日的太陽高度角為26.5°，要按理想屋面角設(shè)計，則前屋面與地面的夾角應(yīng)為：

90°-26.5°=63.5°

太陽高度角與光線透過率并非單純直線關(guān)系，當(dāng)入射角在0°～40°范圍內(nèi)變化時，隨著入射角的增大，透光率下降幅度5%，入射角大于40°以后，透光率才明顯下降（圖4-29）。

圖4-29　透光率與入射角的關(guān)系

20世紀(jì)80年代中期，北緯40°的大連市瓦房店地區(qū)，冬季日光溫室不加溫生產(chǎn)喜溫蔬菜成功，其溫室前屋面采光角為23.5°，即入射角為40°。全國日光溫室協(xié)作網(wǎng)專家組經(jīng)過實地考察認(rèn)為：日光溫室前屋面采光角，以入射角不大于40°為合理屋面角。

（2）合理屋面角

計算合理屋面角的公式：

合理屋面角=90°-h°-40°

式中，h°為太陽高角。

以北緯40°地區(qū)為例，已知冬至日太陽高度角為26.5°，則合理屋面角=90°-26.5°-40°=23.5°。北方各地日光溫室生產(chǎn)實踐表明，按合理屋面角設(shè)計建造的溫室，在冬季陰天少，日照百分率高的地區(qū)，氣候正常的年份，不加溫在北緯40°地區(qū)可生產(chǎn)各種喜溫園藝作物，但是低緯度地區(qū)，日照百分率低，陰天較多，或日照百分率高地區(qū)天氣反常，應(yīng)用效果就不理想，甚至出現(xiàn)問題。為此，專家組經(jīng)過深入考察研究，提出了合理時段采光屋面理論。

（3）合理時段采光角

從10：00～14：00，4個小時內(nèi)太陽光的入射角都不大于40°。簡易計算合理時段屋面角的方法為：當(dāng)?shù)鼐暥葴p少6.5°。例如，北緯40°地區(qū)，日光溫室前屋面的采光角應(yīng)為40°-6.5°=33.5°。

3.后屋面仰角

溫室后屋面仰角受后墻高度、后屋面長度、中脊高度的制約。在一定的后屋面長度、中脊高度條件下，抬高后墻，仰角縮小，降低后墻，仰角增大。從有利于采光考慮，后屋面仰角就以當(dāng)?shù)囟寥仗柛叨冉菫橐罁?jù)，比太陽高度角增加5°～7°。

例如北緯40°地區(qū)，日光溫室后屋面角應(yīng)為：26.5°+（5°～7°）=31.5°～33.5°。

（三）日光溫室的保溫設(shè)計

日光溫室不加溫冬季能生產(chǎn)喜溫蔬菜，主要靠科學(xué)的采光設(shè)計，使大量的太陽輻射能進入溫室內(nèi)，轉(zhuǎn)化為熱能，提高了溫度，保證光合作用的進行。但是，怎樣使已產(chǎn)生的熱量持續(xù)時間長，防止災(zāi)害性天氣的低溫冷害和凍害，關(guān)鍵在于保溫。可見，日光溫室的保溫和采光同等重要。

1.日光溫室熱量損失的途徑

（1）貫流放熱

透入日光溫室的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能后，以對流、輻射方式把熱量傳導(dǎo)到與外界接觸的維護結(jié)構(gòu)（后墻、山墻、后屋面、前屋面）的內(nèi)表面，從內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到外表面，再以輻射和對流的方式散發(fā)到大氣中去。這個過程叫貫流放熱，也叫透射放熱。貫流放熱是溫室熱量損失的主要途徑，放熱快慢、放熱量多少，取決于維護結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）縫隙放熱

溫室后墻與后屋面結(jié)合處有縫隙，后墻、山墻有縫隙，前屋面覆蓋的薄膜有孔洞，管理人員進出溫室開關(guān)溫室門，都會通過對流方式把溫室的熱量放到外面去。

（3）地中傳熱

白天接受太陽輻射能，轉(zhuǎn)化為熱能后，熱能向地下傳導(dǎo)，大部分熱能傳導(dǎo)到地下，成為土壤貯熱。傳導(dǎo)來的熱量，加上原來的熱量，以兩種主要途徑向室外散失：一種是夜間或陰天地面沒有熱量補給時，由地表面向空氣中釋放熱量，進行熱交換，地表溫度低于下層溫度，下層土壤的熱量便向地表傳導(dǎo)。由于溫室四周被凍土層包圍，熱量就要通過橫向傳導(dǎo)，散失到室外。

日光溫室從太陽輻射獲得熱量，又以以上3種方式損失熱量。熱量損失的途徑見圖4-30、圖4-31。

圖4-30　日光溫室夜間熱平衡示意圖

圖4-31　日光溫室白天熱平衡示意圖

日光溫室的保溫設(shè)計就是在科學(xué)采光設(shè)計的基礎(chǔ)上，千方百計地減少放熱速度和放熱量，使日光溫室獲得的熱量始終多于放出的熱量。

2.提高日光溫室保溫性能的措施

（1）減少貫流放熱

日光溫室損失熱量最多的是貫流放熱，保溫設(shè)計把貫流放熱的減少放在首位。減少貫流放熱的措施是降低圍護結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)。降低導(dǎo)熱系數(shù)的途徑是對后墻、山墻和后屋面加大厚度，或采用異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，前屋面夜間覆蓋草苫保溫。

土筑墻或毛石筑墻，外側(cè)培土，使墻體總厚度超過當(dāng)?shù)貎鐾翆雍穸鹊?0%～50%，導(dǎo)熱系數(shù)最低。永久式的墻體和后屋面，采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)，后墻和山墻采用磚砌夾心墻，內(nèi)墻24厘米，外墻11.5厘米，中間留出空隙13.5厘米，總厚度49厘米。中空、填珍珠巖、爐渣、鋸末，墻體的貯熱和保溫效果也有差異（表4-10）。

表4-10　夾心墻不同填充物蓄熱保溫比較

后屋面鋪木板箔，上面加草苫再鋪爐渣，抹水泥砂漿，進行防水處理，可降低后屋面的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫效果。

日光溫室貫流放熱量最大部分是前屋面的塑料薄膜，面積大，導(dǎo)熱最快，晴天太陽光照強，透入室內(nèi)的太陽輻射能多，轉(zhuǎn)化的熱量超過放出的熱量，溫度就上升，到了午后，隨著太陽高度角的縮小，透入室內(nèi)的太陽輻射能減少，轉(zhuǎn)化的熱量小于貫流放熱放出的熱量以后，溫度開始下降。夜間熱能來源斷絕，放熱照常進行，就需要覆蓋草苫保溫。北緯40°地區(qū)冬季用5厘米厚草苫覆蓋，北緯40°以北地區(qū)在草苫下增蓋4層牛皮紙被（表4-11）。

（2）減少地中橫向傳導(dǎo)放熱

在根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件增加墻體厚度的情況下，日光溫室的后部和靠近山墻處的地中橫向傳導(dǎo)散熱量較少，主要是前底腳下的地中橫向傳導(dǎo)散熱量大，對地溫影響明顯，所以對前底腳下的土壤進行絕熱處理是必要的。

普遍采用的措施是在前底腳外挖一條深50～60厘米、寬30～40厘米深的溝，襯上薄膜裝軟草包嚴(yán)，培土踩實。

（3）減少縫隙放熱

嚴(yán)寒冬季，日光溫室的室內(nèi)外溫差很大，溫室一旦有縫隙，在大溫差的作用下就會形成強烈的對流熱交換，導(dǎo)致大量散熱。為了減少縫隙散熱，在筑墻時要避免出現(xiàn)裂縫：前屋面薄膜要蓋嚴(yán)，除放風(fēng)時不應(yīng)有縫隙和孔洞；后屋面與后墻交接處要嚴(yán)實。進出口處應(yīng)設(shè)置作業(yè)間，通向溫室的門口要掛棉門簾，室內(nèi)靠門處用薄膜圍出緩沖帶，防止開門時冷風(fēng)直接吹到蔬菜上。