日光溫室建筑設(shè)計(jì)中包括場(chǎng)地的選擇、場(chǎng)地的布局以及溫室各部位的尺寸、選材等。日光溫室各部位的尺寸即是日光溫室建筑設(shè)計(jì)參數(shù)，主要包括溫室方位、溫室跨度、高度、前后屋面角度、墻體和后屋面厚度、后屋面水平投影、防寒溝尺寸和溫室長(zhǎng)度等。在確定日光溫室建筑參數(shù)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮采光、保溫、作物生育和作業(yè)空間等問(wèn)題。
由于日光溫室的基本能源來(lái)自太陽(yáng)，又需要在嚴(yán)寒冬天使用，因此特別要強(qiáng)調(diào)充分采光，嚴(yán)密保溫，白天讓盡可能多的太陽(yáng)光能進(jìn)入室內(nèi)，并蓄積起來(lái)；夜間盡可能減少室內(nèi)熱量逸出溫室，使室內(nèi)維持一定的溫度水平。因此除了堅(jiān)固以外，充分采光和嚴(yán)密保溫是日光溫室設(shè)計(jì)的基本要求，同時(shí)也應(yīng)考慮作物生育和人工作業(yè)空間等問(wèn)題。
一、方位 溫室的方位是指溫室屋脊的走向。日光溫室僅靠向陽(yáng)面采光，東西山墻和后墻都不透光，所以一般都是坐北朝南，東西延長(zhǎng)，采光面朝向正南以充分采光。在生產(chǎn)實(shí)踐中，某些地區(qū)如東北、西北早晨比傍晚寒冷得多，或早晨多霧的地區(qū)，方位可偏西5度－10度，以便更充分地利用下午的光照，這叫“搶陰”。在冬季并不嚴(yán)寒，且大霧不多的地區(qū)，如北京，溫室方位可以偏東5度-10度，以充分利用上午的陽(yáng)光，又避免西北寒風(fēng)的襲擊，上午的光質(zhì)比午后的好，有利于作物的光合作用，這叫“搶陽(yáng)”。
二、跨度 是指溫室后墻內(nèi)側(cè)至采光面底腳間的距離。溫室跨度的大小，對(duì)于溫室采光、保溫、作物生長(zhǎng)發(fā)育和作業(yè)都有很大的影響。在溫室高度和后屋面高度一定的情況下，溫室跨度大其采光面的角度勢(shì)必減小，因而不利于白天采光增溫;同時(shí)又增加了散熱面積，不利于夜間保溫。但跨度小，土地利用率低。因此應(yīng)兼顧上述幾個(gè)方面來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)首先要滿(mǎn)足采光和保溫的要求，根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝庠O(shè)定的最低溫度來(lái)確定溫室的跨度。
當(dāng)室外設(shè)定溫度為-12℃時(shí)，選擇跨度7.0－8.0m；當(dāng)室外設(shè)定溫度為-15℃－-18℃時(shí)，選擇跨度6.5－7.5m；當(dāng)室外設(shè)定溫度為-18℃時(shí)，選擇跨度5.5－6.5m。目前一般認(rèn)為日光溫室的跨度以6－8 m為宜，若生產(chǎn)喜溫的園藝作物，北緯40－41度以北地區(qū)7－8m,40度以南地區(qū)8m為宜。
三、脊高 也稱(chēng)溫室高度，是指溫室屋脊至地面的垂直距離?？缍认嗤臏厥遥档蜏厥业募垢?，溫室過(guò)于低矮，會(huì)減小溫室的采光屋面的角度、吸熱面積和溫室空間，不利于采光、增溫和作物生育；適當(dāng)增加脊高，有利于溫室采光、增溫、作物生育和人工操作；但如若脊過(guò)高溫室過(guò)高，會(huì)增加建筑溫室的成本，而且還會(huì)因散熱面積過(guò)大而影響保溫。因此溫室的脊高和溫室的跨度應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?，可以根?jù)跨度來(lái)確定脊高。表2為不同跨度下可選擇的脊高，供讀者參考。
四、溫室長(zhǎng)度 溫室適當(dāng)長(zhǎng)一些，可減少兩山墻遮光面積的比例。但如溫室過(guò)長(zhǎng)，影響通風(fēng)，一般溫室長(zhǎng)以50－60m為宜。
五、相鄰溫室的間距 指南北兩棟溫室的間距，自南棟溫室后墻根至北棟溫室采光面底腳應(yīng)不小于當(dāng)?shù)囟燎昂笳鐣r(shí)陰影距離。例如在北京地區(qū)，南北兩排溫室間距，應(yīng)不小于溫室屋脊高加卷起草苫高的兩倍。
六、采光屋面的角度和形狀 采光屋面也稱(chēng)前屋面，其作用是采光和保溫。采光屋面的角度即采光與地面的夾角。必須保持采光屋面有一定的角度，使得采光屋面與太陽(yáng)光線(xiàn)所構(gòu)成的入射角盡量小。當(dāng)然入射角等于0度，陽(yáng)光與采光屋面垂直時(shí)最理想，因?yàn)檫@時(shí)采光屋面對(duì)陽(yáng)光的反射率等于0，射到采光面上的陽(yáng)光幾乎可以全部透進(jìn)溫室中。但這是做不到的，因?yàn)槎咎?yáng)高度角很小，要使采光面與陽(yáng)光垂直，采光面必須很陡，如在北京采光面與地面的夾角要達(dá)到60度以上，這樣北墻必須相當(dāng)高。太陽(yáng)位置是在時(shí)刻移動(dòng)著的，而且日光溫室的采光面一般都是曲面，同一時(shí)刻采光面上各點(diǎn)的陽(yáng)光入射角也是不同的，因此要做到采光面上所有的點(diǎn)在所有時(shí)刻與太陽(yáng)光線(xiàn)垂直顯然是不可能的。筆者從總體優(yōu)化角度出發(fā)，既考慮溫室使用季節(jié)內(nèi)太陽(yáng)位置的變化又考慮采光面的形狀，模擬不同采光角度下室內(nèi)太陽(yáng)輻射量，充分采光，建議溫室采光屋面的坡度如表3所列。
從表3可以看出，由于太陽(yáng)位置冬季偏低，春季升高，在溫室的前沿底腳附近，角度應(yīng)保持在60－70度左右，中部應(yīng)保持在30度左右，上部靠近屋脊處10－20度左右。有的地區(qū)將半拱圓式日光溫室的采光面分成若干個(gè)切線(xiàn)角，自前屋面底腳開(kāi)始每1m一個(gè)切線(xiàn)角。前底角50－60度，1m切線(xiàn)角處35－40度，2m處25－30度，3m處20－25度，4m處15－20度，最上部15度左右。
確定采光面的形狀時(shí)要兼顧到如下幾點(diǎn)：采光性；便于雨水流失，下雨時(shí)雨水不會(huì)滯留在棚膜上形成“兜水”；易被壓膜線(xiàn)壓緊，有風(fēng)時(shí)不會(huì)“兜”風(fēng)；離前屋面底腳0.5－1.0m處應(yīng)有一定的空間，便于工作人員操作，有利于作物生長(zhǎng)。 筆者曾研究過(guò)幾種典型的采光面形狀與溫室透光率的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在相同的高度、跨度下，圓一拋物面組合式屋面透光率最高，一坡一立式和橢圓型最差，圓面和拋物面的居中。實(shí)踐表明：這種形狀的屋面頂部附近角度較大雨水容易流走，不易“兜水”；腰部拱圓弧度較大，易被壓膜線(xiàn)壓緊，不易“兜風(fēng)”；而且前底角附近空間較大，便于操作。蘭州大學(xué)的觀測(cè)也表明：圓一拋物面組合式屋面透光率比拋物面和單斜面溫室分別高出4.5%和2%。據(jù)鞍山市園藝所觀測(cè)，同是跨度為7m，中脊高為3m的溫室，冬季一坡一立式溫室透光率為56％，圓弧型的透光率為60％。
七、墻體 墻體是日光溫室的重要組成部分，它一方面是溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，起著避風(fēng)、擋雨、支撐和承重的作用；另一方面墻體還是一個(gè)吸熱、蓄熱、放熱體，起著調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度的作用，因此墻體建筑的熱效應(yīng)對(duì)于改善溫室的熱環(huán)境有積極的作用。墻體建筑包括兩個(gè)環(huán)節(jié)。一是墻體的厚度，二是墻體的做法。
墻體的厚度 鞍山市園藝研究所對(duì)墻體厚度與保溫性能進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了三種不同厚度的土墻：①土墻厚50cm，外側(cè)覆蓋一層塑料薄膜；②土墻厚100cm；③土墻厚150cm，其它條件相同。其結(jié)果表明：自11月上旬－2月上旬，②比①室內(nèi)最低氣溫高0.6℃－0.7℃；③比②室內(nèi)最低氣溫高0.1℃－0.2℃；室內(nèi)最高氣溫分別差0.2℃－0.5℃和0.1℃－0.3℃。由此可知，隨著墻體厚度的增加，保溫能力提高。但并不等于墻體越厚越好。如上述試驗(yàn)中，100cm厚的土墻較50cm厚的保溫明顯；而150cm厚的土墻較100cm厚的增溫幅度不大，也就是實(shí)用意義不大。一般來(lái)說(shuō)在江淮平原、華北南部土墻以0.8－1.0m為宜；華北平原北部、遼寧南部1.0－1.5 m為宜，磚墻以50－60cm為宜，有中間隔層的更好。
關(guān)于墻體的保溫性能，主要應(yīng)考慮墻體材料的導(dǎo)熱性、吸熱性和蓄熱性，保溫性能好的墻體，應(yīng)是由吸熱、蓄熱性好，但導(dǎo)熱能力差的材料。例如普通石料對(duì)太陽(yáng)輻射的熱吸收系數(shù)為0.68，紅磚為0.7－0.77。磚吸熱系數(shù)比石料高，導(dǎo)熱系數(shù)小，蓄熱系數(shù)略遜于土。土蓄熱系數(shù)較高，導(dǎo)熱系數(shù)也?。皇瘔﹄m蓄熱系數(shù)較高，但吸熱系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)卻很大。故磚墻、土墻較好。
可以根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)定的最低溫度確定墻體必要的熱阻值r，由此r值和各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)，即可根據(jù)有關(guān)公式求出墻體的厚度。表5列出了幾種墻體做法的例子，供讀者參考。
墻體的做法 日光溫室的墻體有兩種做法，即單質(zhì)墻體和異質(zhì)復(fù)合墻體兩種。單質(zhì)墻體是由單一的土、磚或石塊砌成。異質(zhì)復(fù)合墻體一般內(nèi)層是磚，中間有干土、爐渣等夾層，外層為磚、石或加氣磚。近年來(lái)隨著科學(xué)園區(qū)的興建，各地紛紛建立了一些高檔次的日光溫室，普遍采用一定厚度的聚苯板做中間夾層。異質(zhì)復(fù)合墻體中間夾層內(nèi)填充材料一般有干土、煤渣、珍珠巖、干稻草、鋸末等。根據(jù)筆者的觀測(cè)凡夾層填充隔熱材料的，均比未填任何材料的空心夾層室內(nèi)最低氣溫高。由表7可以看出：珍珠巖效果最好，煤渣次之。由于聚苯板導(dǎo)熱系數(shù)比煤渣、珍珠巖小的多，其隔熱效果應(yīng)當(dāng)更好。
在選擇夾層隔熱材料時(shí),要考慮其隔熱性,考慮材料費(fèi)用，不要用有機(jī)物質(zhì)做隔熱材料，有機(jī)物質(zhì)在高溫、高濕下易腐爛，不僅起不到隔熱作用，反而有損于墻體的堅(jiān)固性。
一些研究指出墻體外層用加氣磚的比用普通磚的保溫效果高，室內(nèi)氣溫可相應(yīng)提高0.5℃－0.8℃。
八、后屋面 后屋面連接墻和采光面，也是溫室的重要組成部分，起著圍護(hù)、防雨擋風(fēng)和保溫的作用。后屋面的有無(wú)及其厚度影響溫室的保溫能力。根據(jù)寧夏農(nóng)業(yè)科學(xué)院的研究，無(wú)后屋面的簡(jiǎn)易日光溫室，在室內(nèi)生一煤爐的加溫條件下，室內(nèi)氣溫維持在8.6℃－9.7℃之間，最低氣溫在0℃左右，10－20cm地溫為7.8℃－8.6℃；而有后屋面的溫室，無(wú)煤爐加溫，平均氣溫可達(dá)12.3℃－14.4℃，最低氣溫3.0℃－3.5℃，10－20cm地溫為12.3℃－14.4℃。兩種溫室的差異主要受后屋面的影響。后屋面的做法也有兩個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)是后屋面的寬度，另一個(gè)是后屋面的做法。
后屋面的寬度 后屋面的寬度由其仰角和水平投影決定。后屋面應(yīng)保持一定仰角(后屋面與地面夾角)，仰角太小勢(shì)必遮光太多，后屋面的仰角應(yīng)視使用季節(jié)而定，但至少應(yīng)略大于當(dāng)?shù)囟琳鐣r(shí)的太陽(yáng)高度角，以保證冬季陽(yáng)光能照滿(mǎn)后墻，增加后墻的熱量，一般應(yīng)保持在35－45度之間。
后屋面應(yīng)保持適當(dāng)?shù)膶挾?，后屋面太寬，春秋季?jié)室內(nèi)遮光面積很大，影響后排作物的生育和產(chǎn)量；后屋面太窄，對(duì)保溫不利。因此要兼顧采光和保溫兩個(gè)方面。后屋面投影即中脊至地面垂線(xiàn)點(diǎn)到后墻根的距離。南方地區(qū)后屋面水平投影可短些，北方地區(qū)應(yīng)長(zhǎng)些。筆者研究認(rèn)為： 后屋面寬窄影響溫室采光和保溫兩個(gè)方面，后屋面窄一些有利于采光增溫，但不利于保溫；寬一些有利于保溫，但不利于采光增溫。筆者曾計(jì)算過(guò)溫室的保溫率和增溫率與后屋面投影大小的關(guān)系，并將保溫率和增溫率綜合成一個(gè)熱效應(yīng)指標(biāo)，結(jié)果表明當(dāng)后屋面投影為溫