基于Ecotect的连栋温室夏季遮阳节能优化研究_刘雨洁.pdf

2023.04 科学技术创新基于 Ecotect 的连栋温室夏季遮阳节能优化研究刘雨洁，蒋文杰，高新南*（南京农业大学，江苏 南京）经过长期发展，我国夏热冬冷地区的设施蔬菜生产已形成了以连栋温室为主的生产体系，且占产业总面积超过 40%。在进入 7、8 月份高温季节后，温室内作物的光合作用与呼吸作用失去平衡，易出现高温障碍问题，影响作物的品质与产量。为保证作物生长发育正常进行，解决夏季降温冷负荷大、温室设备运行成本高、蔬菜品质及产量低的问题成为温室栽培的关键。本研究以南京地区为代表，夏热冬冷地区温室典型作物黄瓜为例，根据文献查阅及调查走访确定黄瓜生长的适宜环境，并利用层次分析法（Analytic Hierar-chy Process，简称 AHP）构建评估体系。基于相关指标通过 Ecotect 模拟分析温室内部光热环境，结合黄瓜生长的光饱和点等相关条件，优化夏季高温下外遮阳网的最佳遮光率范围和揭盖网时间，旨在提升连栋温室的经济效益及生态效益，增加作物产量，降低温室能耗。最后通过生命周期评价法（Life Cycle Assess-ment，简称 LCA）从温室建造、作物生产管理两方面对优化后的方案进行节能效果定量计算。1黄瓜生长适宜环境因子的确定1.1黄瓜最佳生长条件评估体系的构建黄瓜生长状况主要由产量、果实大小和病虫害三方面反映，对黄瓜苗期长势影响显著的环境因子为光照、温度和湿度，均为正相关1-2。基于此，采用层次分析法构建了夏热冬冷地区黄瓜最佳生长条件的评估体系，共包括产量高、果实大和无病虫害三部分，其为AHP 层次分析中的一级指标，及其共同对应的 5 个二级指标，分别是适度遮阳、湿度适宜、通风良好、温度适宜和采光良好。具体评价指标体系见图 1。图 1夏热冬冷地区黄瓜最佳生长条件评估体系1.2指标权重的确定通过查阅文献3至文献5及产业经营者调查访问，对黄瓜最佳生长条件评估体系中各指标的重要性进行了两两比较，构建了判断矩阵，然后对每一层次的要素利用和积法进行单层次排序，在一致性检验中得出一致性比率 CR，其值小于 0.1，说明判断矩阵一摘要：长期以来，夏季生产能耗大、产量低一直是制约设施蔬菜发展的瓶颈问题，在确保高质高产的前提下寻求低能耗的温室生产方式是当前设施农业的基本要求之一。针对夏热冬冷地区连栋温室夏季遮阳问题，以南京市某连栋温室为例，采用 Ecotect Analysis 模拟分析温室内部光热环境，结合作物生长的适宜条件，确定夏季外遮阳网的改进方案及揭盖网时间，并通过生命周期评价法得出优化后的遮阳方案能在一定程度上降低能耗，这可为外遮阳网的设计及揭盖网时间的确定提供参考。关键词：连栋温室；夏季遮阳；节能优化；Ecotect；生命周期评价法中图分类号：S625.5文献标识码：A文章编号：2096-4390（2023）04-0207-05基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202210307041Z）。作者简介：刘雨洁（2002-），女，本科，研究方向：建筑节能。通讯作者：高新南（1982-），女，博士，讲师，研究方向：建筑节能。207-科学技术创新 2023.04致性良好，指标权重计算结果见表 1。由表 1 可知，光照条件和温度条件的权重占比将近 80%，因而将研究重点放在温室大棚内的温光环境上。为减弱其他因子对研究的干扰，假定选取的温室大棚通风良好，湿度适宜，即不对此两项因子再做分析。表 1黄瓜生长状况评估体系指标权重2夏热冬冷地区连栋温室节能方案的确定2.1连栋温室概况研究对象为江苏南京市某五连栋温室，坐北朝南，占地 1 280 m2，单跨 8 m，总跨 40 m，南北向长32 m；开间 4 m，肩高 3 m，脊高 5 m。该连栋温室以热浸镀锌钢为骨架结构，围护结构为 0.1 mm 厚的聚乙烯（PE）膜。通风降温设备主要为东西两侧各 8 个通风口，距地面 6 m 处的外遮阳网构件，温室内设空调等混合降温装置。其中外遮阳网由高密度聚乙烯通过经线和纬线交织编织，遮光率为 45%。2.2节能改造方案的确定黄瓜为喜温植物，适宜生长在热量充足的地区，对光的需要介于阳生和阴生之间。夏热冬冷地区夏季光照强、温度高，过强的光照会对植株的光合作用产生较大的影响，导致吸收二氧化碳受阻，呼吸强度过大。就黄瓜栽培而言，不同生长发育时期，应采取不同的控温措施，在黄瓜嫁接育苗的过程中，可选遮光率高的黑色遮阳网覆盖，但在后期生长过程即 6、7 月则应以透光率高的遮阳网为主。目前夏热冬冷地区对夏季黄瓜栽培所需遮阳网的要求未作出具体的规范，通常采用针数较高的遮阳网进行遮盖，导致光照不足，黄瓜产量低、果实小，尽管一定程度上降低夏季降温冷负荷，但同时也增加了全生命周期的栽培能耗。因此对遮阳率为 20%50%范围内每变动 5%的不同情况作出研究，并与原有遮阳率为 45%的情况比较，综合分析得出最佳遮光率，并确定揭盖网时间。3不同遮光率下连栋温室光热环境模拟分析结合建筑的结构及材料特点，使用 Revit，EcotectAnalysis 以及 Radiance 软件组合对模型进行分析。在Ecotect 里建模，将其导入到 Ecotect 软件中，如图 2 所示，导入 Ecotect 后，载入南京市的 CSWD（ChineseStandard Weather Data）气候数据。本研究重点研究夏季高温天气遮阳网的使用，为获得最佳光照条件，选择典型晴天条件下最热一天（7 月 20 日）的温度数据作为环境条件。图 2南京某 5 跨连栋温室 Ecotect 模型3.1不同遮光率下温室内热环境的变化黄瓜生长最适温度为 25 32，而气象数据显示，南京市在 7 月 20 日达到最高温 37，已大幅度超过黄瓜生长所能承受的范围。为使黄瓜稳产、高产，对温室大棚采取降温措施非常必要。借助 Ecotect中的 Thermal Analysis 得到不同遮阳率的遮阳网覆盖下 7 月 20 日（最高温日）的温室内环境的逐时温度数据，见图 3。图 37 月 20 日不同遮光率下温室内部逐时温度变化由图 3 可知，在均覆盖遮阳网的条件下，7 种不同遮阳率的情况逐时温度差异很小，尽管随着遮光率的上升温室内部温度有所下降，但是日最高温度下降仅在 0.30.7 之间，且与未加盖遮阳网相比，加盖后温度只能下降约 1.01.4。因此，夏热冬冷地区高温天气下遮阳网降温效果并不显著，需要进一步分析温室内的光环境来确定合适的遮阳率范围。目标层 夏季黄瓜最佳生长条件 准则层 产量高 B1-0.6 果实大 B2-0.2 无病虫害 B3-0.2 指标层 适度遮阳 C1 0.505 通风良好 C2 0.055 温度适宜 C3 0.258 采光良好 C4 0.055 湿度适宜 C5 0.127 208-2023.04 科学技术创新3.2不同遮光率下温室内光照强度和平均采光系数的变化根据中国生物质库数据来源，黄瓜的光补偿点为2000 Lx，饱和点为 55000 Lx，光照度低于 20000 Lx或者超过 60000 Lx 则植株生育迟缓。因此，棚内光照度略低于光饱和点时为较适宜范围（4000055000Lx）。利用 Radiance 对所研究温室在无遮阳网情况下做 7 月 20 日从 8：00-17：00 的逐时光照度分析，模拟发现光照度在中午 12：00 时达到最大值，且超过70000 Lx，这对植物生长发育不利，因此，依据中午12：00 的光照度分析并确定遮阳网的遮光率具有一定的合理性。遮光率为 20%50%的不同情况下 12：00时温室内部自然光照度及采光系数值见图 4、图 5。图 4不同遮光率下 12：00 时温室内自然光照度图 5不同遮光率下 12：00 时温室内平均采光系数由图 4 可知，遮阳率和自然采光照度基本呈负线性关系，当遮光率低于 25%时，温室内部的自然光照度高于 55000 Lx，高于植株生长的光饱和点，故遮阳率高于 25%为宜。由图 5 可知，采光系数的变化趋势与光照度的变化趋势一致，采光系数随着遮光率的增大而减小。由于模拟结果为平均采光系数，为确保温室内部采光均匀，控制平均采光系数大于 50%。当遮阳率高于 35%时，温室内平均采光系数低于 50%，不利于作物整体质量的提升。综上，基于对不同遮光率12：00 时温室内部自然光照度和采光系数的对比研究，可知夏热冬冷地区夏季黄瓜生长的适宜遮阳率范围为 25%35%。3.3不同遮光率的遮阳网揭盖网时间分析前文确定了遮阳网合适的遮光率范围为 25%35%，以遮阳率为 30%的遮阳网为例做揭盖网时间分析，无遮阳网和增设遮阳率为 30%的遮阳网情景下9：0016：00 温室内自然光照度变化趋势对比分析见图 6。由 前 文 可 知 将 室 内 自 然 光 照 度 控 制 在4000055000 Lx 范围内最为合适，因此以 55000 Lx和 40000 Lx 为参照点确定揭盖网时间。未加盖遮阳网时，自然光照度在上午 9：30 开始超过 55000 Lx，且若在此时加盖遮阳网能保证温室内自然光照度正好超过 40000 Lx，因此盖网时间宜为 9：30；加盖遮阳网后，温室内部自然光照度于 15：00 低于 40000 Lx，且此时自然状态下温室内光照度为 55000 Lx，若在此时揭网，既能保证黄瓜不因过早揭网而导致的高温胁迫，又能使不因盖网时间过长而造成光照不充分，即盖网时间为 9：30，揭网时间为 15：00。图 6无遮阳和遮光率 30%的温室内部光照度变化对比4基于 LCA 的温室节能前后能耗对比塑料连栋温室的能耗计算以 LCA 为理论依据。它可以评估某个产品、过程或活动从原材料获取、生产、使用、直至最终处置整个生命周期产生的影响。黄瓜的 LCA 评价法包括温室建造和作物生产管理两部分。连栋温室生产单位产量作物的能耗计算公式为式 A，式 A 中温室建造所需能耗与温室作物生产管理所需能耗分别由式 B 与式 C 计算得出。A 温室生态系统生产单位产量温室作物所需能耗（MJ kg-1）+单位面积单位时间建造温室所需能耗 作物生长周期 单位面积作物所需能耗单位面积温室作物产量209-科学技术创新 2023.04B 单位面积单位时间建造温室所需能耗（MJhm-2 day-1）C 单位面积作物生产管理所需能耗（MJ hm-2）利用 Ecotect 对改造前后温室（即遮阳网遮阳率分别为 45%和 30%）进行热工分析，温室夏季降温主要采用空调等混合降温系统，计算所得改造前温室降温冷负荷为 1.59106kw h，改造后温室降温冷负荷为1.61106kw h。遮阳率 45%的遮阳网使用市面上 4针的遮阳网，使用数量为 400 kg/hm2，遮阳率 30%的遮阳网使用市面上 2 针的遮阳网，使用数量为 200kg/hm2。由 3.1 节可知，遮阳网的优化对温室内热环境改变微弱，即降低遮阳率后虽提高了一部分控温能耗，但优化后的遮阳网使得温室内光照位于植物生长适宜的条件范围，能够提高作物产量，并减少遮阳网造价，从而降低黄瓜全生命周期的生产培育能耗。由文献6可知，不同寡照程度对黄瓜产量有一定的影响，寡照程度越强，黄瓜产量越小，利用插值法可求得优化后的遮阳装置（遮阳率30%）较原有遮阳装置（遮阳率 45%）能够提产 11.9%。改造前该连栋温室一个生长周期（120 天）内黄瓜产量约为11 000 kg/hm2，因此改进遮阳设施后，黄瓜提产至 12309 kg/hm2。物质输入量及能耗当量由文献7查得，列出清单并对改进前后的温室能耗进行 LCA 计算与分析，详见表 2 至表 4。能耗计算结果表明，该连栋温室改造前生产单位产量黄瓜所需能耗约为 570.158 MJ，改造后生产单位产量黄瓜所需能耗约为 515.216 MJ，节能率约为10%，符合经济效益与生态效益，遮阳网优化方案可行有效。5结论本研究通过对夏热冬冷地区某连栋温室黄瓜栽培的不同可能改造方案进行模拟分析，得出以下结论：（1）采用层次分析法构建了夏热冬冷地区黄瓜最佳生长条件的评估体系，得出光照