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区域气候与温室工程标准

    一、温室结构类型有很强的地域性 

  温室的结构类型有很强的地域性,在很大程度上,受到本地区气候条件的制约。例如世界上几个温室产业比较发达的国家,温室的结构类型便各具特色。

    荷兰虽然地处高纬,但因位于大西洋之东岸,系海洋性温带气候,冬季不冷,最低气温为-5℃,夏季不热,最高气温不超过30℃,但冬季日照百分率低,日照总量不及北京的一半,光照弱,降雪量大。在这样的气候条件下,温室结构注重承载和采光,围护材料为玻璃,冬季采暖费仅是温室生产运行成本的10%,夏季一般不设降温设施,通风窗比相对较小,仅20-23%。这种温室适合于气候温和,四季温差较小的地区,引入我国后普遍感觉通风面积不够,夏季降温困难,冬季耗热量大。

    以色列地处32°N亚热带荒漠气候区,常年温暖,干燥,最低气温在0℃左右,年降水量不足300mm,日照充足,光照强。在这种气候条件下,采光和采暖均不是主要问题,温室的主体结构相对高大,对雪载考虑较小,风载考虑较多,采暖设备相对简单,而对通风考虑较多,如强调机械通风,限制温室宽度在50m之内等等。同时围护材料采用了一种透光性较差的高强度编织膜,引入我国后,普遍存在透光不足,冬季加热能耗大等问题,甚至遇到雪大的年分造成坍塌。

    二十世纪六十年代,美国研究开发双层充气塑料温室,这种温室比单层塑料温室可节能30%-40%,但同时透光率要下降10%以上,这种温室适用于冬季光照强,日照百分率高于60%的地区。以美国温室分布较多的加利福尼亚地区而言,其12月份太阳辐射强度为:34KJ/cm2;而我国的四川、贵州,长江中下游地区冬季日照百分率不足50%,东北地区地处高纬,冬季太阳高度角小,光照弱,如1月太阳辐射强度仅为20KJ/cm2左右。该类型温室引入这些地区后,普遍感到透光率不足。 

  我国是一个大陆性、季风性气候极强的国家,冬季严寒夏季酷热。一月份我国各地气温较全球同纬度地区低,而且纬度越高,低得越多,东北比同纬度地区低14-18℃,黄淮流域低10-14℃,长江以南低8℃,华南低5℃;七月份气温又比同纬度其他地区高,也是纬度越高,偏高越甚,东北偏高4℃,华北偏高2.5℃,长江中下游地区偏高1.5-2.0℃,要靠消耗矿物燃料来维持温室作物生育的适温,无论冬夏,其能源消耗比欧洲、日本大得多。

    笔者计算过,冬季一亩加热温室,比欧洲、日本耗煤量要高出1/2-3/4,所以荷兰采暖费仅占运行成本的10%,而我国则高达30-50%,正是不堪重负。

    夏季正值我国的雨季,雨热同季也是我国气候的一大特点,空气湿度大,蒸发降温的难度必然增加,用于蒸发降温的能耗必然增加。由此可知发展中国温室产业,既不能照搬也不能模仿国外的模式,必须有自己的温室结构类型及配套设施的标准。 

  我国幅圆辽阔,气候类型多样。从南到北,横跨南热带到北温带等9个气候带和一个高原气候大区;从东到西,穿越湿润、半湿润、干旱、半干旱和荒漠等5个气候区。多样性的气候类型,为发展温室产业提供了多样化的光、热等气候资源的组合,同时也提出了一个重要课题,就是在不同的气候区域内制定相应的温室结构类型和配套设施标准,做好温室工程标准气候区别。像我国这样泱泱大国不应当只是一种模式,这就是说要充分发挥各地气候资源的优势,而避免不利气候因素的影响,根据区域气候的特征和经济效益明确提出我国最适宜、适宜、不适宜和极不适宜发展温室生产的区域,提出各个适宜区内温室建设及配套设施的标准。 

    二、与地区气候相关的温室工程标准的主要内容 

  1.温室结构类型标准 

  (1)风雪荷载 风、雪荷载是温室主体结构设计的依据之一,一地风荷载由基本风压求得,雪荷载即为雪压。我国的基本风压和雪压分布图已列入工业和民用建筑规范之中,并根据分布图可划出若干区域。此外,工业与民用建筑规范之中取10m高处,30年一遇的自记10分钟平均最大风速为计算基本风压的依据,取30年一遇最大 积雪量为计算雪压的依据,而温室的使用寿命一般为20年,温室的高度一般不超过5m,所以在建设温室时运用工业和民用建筑规范中的风、雪压时,应当进行重现期和高度订正。 

  (2)空间体量 温室的空间尺寸,涉及到温室保温和通风两个方面,我国东北地区,冬季严寒,夏季不热,应当强调保温,温室空间,特别是温室的高度不宜太大;南方地区,冬季不冷,夏季湿热,风机湿帘降温系统的效果不理想,更应强调通风,温室空间,特别是高度,应大一些;而我国西北地区,冬季严寒,夏季酷热,如何兼顾两者,确定合理的空间尺寸,则是难题,需要深入研究。 

  (3)围护材料 围护材料的选择,除考虑成本、寿命外还应考虑材料的透光性和保温性两个方面,玻璃、单层塑料,双层充气塑料,聚碳脂板的保温性和透光性各具特点,如前所述双层充气塑料温室,不宜在冬季光照弱,日照百分率低于60%和冬季<5℃负积温>-600℃的地区发展,前者如我国42°N以北的东北地区,川黔地区,后者如江淮平原,渭河平原,黄淮平原等。 

  2.配套设施工艺标准 

  (1)最大采暖负荷 最大采暖负荷是决定采暖设备容量的重要依据。这是由室内外设定温度,采暖负荷系数k和保温覆盖材料的热节省率f确定的,其中室内设定温度由栽培的作物而定,室外设定温度则由地区气候条件而定,如取最近几年-10年一遇的最低气温。k和f则分别根据围护结构和保温覆盖材料的性能决定,但现有的k,f值都是在温暖地区最低气温在0℃左右、微风下测得的。在中国北方冬季寒冷、土壤冻结、季风强的地区,对k,f要进行订正,大约最低气温每降低10℃,k值要增加5%,f值要减少50%。 

  (2)夏季降温系统的选择目前中国温室夏季降温系统的主要形式有:自然通风和强制通风、室外或室内遮阳,风机-湿帘降温系统,喷雾水膜降温系统,或这三种类型降温系统的组合。

    应当说这些降温系统,都有一定的降温能力,但都有一定的局限。如依靠通风降温,则可使室内外温差控制在5℃以内。这就是说,当室外最高气温达到30℃或以上时,仅靠通风,室内气温将超过35℃。遮阳一般可使室内温度下降3-10℃。内遮阳的可使室内温度下降3-5℃,外遮阳的降温更好一些,但外遮阳系统投资高,建造难度大,易受外界不良气象条件的破坏。所以夏季不十分炎热的地区,不必设置外遮阳系统。

   风机湿帘降温系统和喷雾降温系统,都是基于蒸发原理,一般这种系统可使室内气温低于室外气温,但高于室外湿球温度1-2℃。由此可见这种系统的降温效果视室外空气湿度而定,炎热潮湿的地区和季节效果不好,效果最好的应当在炎热干燥的地区和季节,当然夏季并不炎热的地区,就不必采用此种系统了。

    有效通风量是设计风机湿帘降温系统的关键参数,取决于室内外设定的空气温度和湿度,室内空气温湿度一般设定为30℃和80%。室外空气温湿度视地区气候条件而定。既不必以极端最高温度和最大相对湿度而定,也不能以夏季的平均气象条件而定,可以以进出口最大温差≤5℃,最大相对湿度差≤10%来确定。如在北京以空气温度为30℃,相对湿度为62%来确定有效通风量,而相应的平均和极端气象条件则分别为:28.6℃,56%和36℃,70%。 

  三、与温室工程标准相关的主要气候要素地区分布特点(图略) 

  关於设施园艺生产的气候区划问题,曾进行过不少探讨,各方面都认识到温室区划的重要性,这需要建立统一的指标体系和区划体系,从上面的分析可以看出,在制定温室标准和区划时至少下列气候指标是必须考虑的。 

  (1)太阳辐射和日照状况; 

  (2)冬季气温,夏季温、湿度; 

  (3)风压; 

  (4)雪压。 

1.太阳辐射 

  太阳辐射提供了温室植物生产必须的光、热资源,在温室采光设计,采暖设计,降温设计以至覆盖材料选择等方面,都需要考虑当地太阳辐射的状况,包括光照强弱(太阳辐射能量大小)和日照时间长短等。 

  根据我国太阳辐射和日照分布的特点,全国可分成四个区域。 

  (1)太阳能丰富区域。位于内蒙古、甘肃大部、南疆和青藏高原,该区域年总辐射量在150kcal/cm2以上,年日照时数在3300h以上,日照百分率在75%以上。 

  (2)太阳能较丰富区 包括北疆、东北西部内蒙古东部和华北、陕北、宁夏、甘肃一部分和青藏高原东侧。年总辐射130-150kcal/cm2,日照时数2600-3000h,日照百分率60-70%。  

  (3)太阳能可利用区 包括东北大部,内蒙古呼伦贝尔盟,黄河、长江中下游,两广、台湾、福建及贵州一部分,年辐射总量110-130kcal/cm2,日照时数2600h,年日照百分率60%。 

  (4)太阳能贫乏区 

  以四川盆为中心的四川、贵州大部分地区和广西、湖南部分地区,年总辐射量80-110kcal/cm2,日照时数在1800h以下,年日照百分率40%以下。 

2.冬季气温(以一月份为例) 

  长城一线以北,一月份平均气温-10℃以下,其中东北、北疆和西藏藏北高原在-12℃以下,东北北部和准噶尔盆地在-20~-30℃以下,秦岭、淮河以南在0℃以上,南岭以南及闽南在10℃以上。 

  一月份平均最低气温的0℃线位于上海、杭州、武汉和四川盆地北部边缘,广州、南宁以南在10℃以上,东北北部,藏北高原,北疆西北部在-30℃以上。 

3.夏季气温(以七月份气温为例) 

  东北大部七月份平均气温在20℃以上,沈阳、北京、西安一线以南,在25℃以上,淮河以南及四川盆地东部都在28℃以上,盆地和河谷地区(如鄱阳湖地区,长江河谷地区)都是高温中心。 

  七月份平均最高气温和平均气温一致,东北地区一般在30℃以下,华北平原及以南地区在30℃以上,长江中下游及以南地区在34℃以上,是最闷热的地区,吐鲁番是温度最高的地区,平均最高气温达40℃,沿海地区30-32℃以下。 

4.夏季空气相对湿度(以7月份平均相对湿度为例) 

  7月,我国大部分地区进入雨季,是全年相对湿度最高的季节。我国东部7月份平均相对湿度都在70%以上,沿海地区,四川、贵州、西藏东南部在80%以上,长江中下游地区在75%以上,个别地区超过80%,而最潮湿地区在云南西南部,达90%左右,最干旱的地区在新疆,青藏高原,柴达木盆地,内蒙古、甘肃西部仅30-50%。 

5.风压 

  (1)最大风压区:包括东南沿海和岛屿,风压值70-80kg/m2以上; 

  (2)次大风压区:包括东北、华北,西北北部,40-60kg/m2; 

  (3)较大风压区:包括青藏高原30-50kg/m2; 

  (4)最小风压区:包括云南、贵州、四川和湖南西部、湖北西部,20-30kg/m2。 

6.雪压 

  (1)最大雪压区,在新疆北部,雪压值50kg/m2以上; 

  (2)次大雪压区,包括东北、内蒙古北部,长江中下游,四川西部,贵州北部一般在30kg/m2; 

  (3)低雪压区,包括华北、西北大部和青藏高原,20-30kg/m2; 

  (4)无雪压区,南岭和武夷山以南地区。 

四、我国各气候区域主要气候特征 

  下面从温室工程标准及区划的角度,简要叙述我国各气候区域的主要气候特征。 

  1.东北气候区 

  辽宁、吉林、黑龙江三省,属温带湿润半湿润气候区。冬季漫长、严寒,春季风大,夏季短促、暖热湿润。全年总辐射100-130kcal/cm2,日照时数2800-3000h,日照百分率60~70%。冬季长达6-7个月,一月平均气温-6~-30℃,最低气温,南部-21~-28℃,北部达-40℃以下,日最低气温<0℃的天数南部为115天,北部达220天,<-30℃天数,松嫩平原达20-50天,兴安岭80~100天,但沿海地区没有<-30℃的天数,降雪天数南部10~15天,北部40天,积雪日数西南部20~40天,三江平原120天,漠河160天,长白山100-120天,最大积雪深度20-40cm,日平均气温≤10℃天数北部200天以上,南部180天以下。夏季短促,三江平原75天,松嫩平原50天,嫩江以北无夏天,七月份平均气温在20℃以上,日最高气温≥30℃的天数松嫩平原不到20天,极端最高气温多数可达38℃以上,沿海35℃以下,7月相对湿度70-80%,冬季盛行偏北风,夏季盛偏南风,春季风速最大,辽河河谷大风日数在50天以上。 

  大部分地区风压50-60kg/m2,雪压20-40kg/m2。 

  2.华北气候区 

  包括阴山南,秦岭淮河以北,黄土高原,黄淮海平原,属温带半湿润气候区。冬季寒冷干燥夏季炎热多雨。全年总辐射渭河流域,汉水上游110-120kcal/cm2,山西高原,华北平原130-140kcal/cm2,日照时数和日照百分率,渭河流域、汉水上游分别为2000h和40-50%;山西高原,华北平原分别为2600-2800h和60%以上。一月份平均气温平原0~-6℃,黄土高原南部-4~-8℃,北部山区-10~-12℃,一月份平均最低气温-20~-30℃,渭河流域,华北平原,滨海地区≥-20℃。冬季比较长,黄土高原5个月,平原4.5~5个月,日最低气温≤-20℃的天数,平原≤0.5天,黄土高原1-5天,日平均气温≤0℃的日数,黄河以北100-150天,黄淮之间75-100天,≤10℃的天数平原140-150天,高原180-200天。夏季不短、平原3.5-4个月;高原、沿海2-3个月。7月平均气温,平原26~28℃;高原22~26℃,平均最高气温,平原30~32℃,高原和沿海28~30℃,极端最高气温≥35℃的日数10-20天,7月相对湿度70-80%。春季风最大,大风日数黄河、海河下游25天,黄土高原,渭河流域5-10天,其它地区10-25天。风压值30-50kg/m2,大部分地区雪压值30kg/m2左右,渭河流域20-30kg/m2。 

  3.华中区气候区 

  包括南岭-武夷山以北,秦岭淮河以南,四川西部-云贵高原以东地区,热带季风气候。冬温多阴雨,夏季除西部多雨外,酷热少雨,东部多台风。全年总辐射90kcal/cm2,日照百分率≤30%,是全国光照条件最差的地区,冬长100-125天,重庆、成都仅80-90天;夏长110-120天,重庆145天,南昌150天。一月份平均气温除山区<0℃外,大部地区在0-8℃,月平均最低气温4~-4℃,四川盆地为冬暖区,长江中下中游地区为冬冷区;极端最低气温,四川盆地、贵州高原-4~-8℃,长江中下游地区在-10℃以上,个别地区如合肥<-20℃。冬有寒潮大风,夏有台风,全年大风天数达10-25天,7月平均相对温度达80%。基本风压值20-30kg/m2,雪压值20-40kg/m2。 

  4.华南气候区 

  南岭、武夷山以南,贵州高原以西地区,南亚热带、热带季风气候。冬季低温多阴雨,夏季睛朗少雨,日照强、多台风。年总辐射100-130kcal/cm2,大部分地区日照时数为2000h,日照百分率为40-50%。冬长2-3个月,夏长5个月,福安-韶关以南夏长11个月,无冬季。一月平均温度在10℃以上,只有当强寒潮入侵时,极端最低气温短时降至0℃以下,7月平均气温28℃以上,平均最高气温33℃以上,极端最高气温38-42.5℃,≥35℃日数内陆、河谷地30-40天,其余地区不到10天。基本风压,沿海地区可达50-70kg/m2以上,其余地区20-40kg/m2,无雪压。七月相对湿度80%以上。 

  5.蒙新气候区 

  包括内蒙古,新疆,暖温带半干旱、干旱气候。冬季除北疆外,大部分地区干冷,春季多大风、风沙,夏季酷热,日照丰富,年总辐射除准噶尔盆地为120kcal/cm2外,其余大部分地区为130~170kcal/cm2,年日照时数一般在3000h以上,日照百分率在60%-80%以上,北疆分别在2600-2800h和60%。冬季严寒,一月平均气温-16~-20℃,南疆-8~-12℃。夏季酷热,7月平均气温20-24℃,吐鲁番盆地28-32℃,7月相对湿度30-50%。基本风压50-60kg/m2;雪压,北疆60-80kg/m2,内蒙古、南疆20-30g/m2。 

  7.西南气候区 

  包括青藏高原以南的四川西部,云南,立体气候。年总辐射120-150kcal/cm2。干湿季分明,干季11-4月,日照充足温暖,1月日照百分率高达60-80%,平均气温12-14℃。雨季5-10月,天气温凉,潮湿,如7月份平均气温20-24℃,相对温度80%左右。基本风压值30kg/m2左右,无雪压。 

8.青藏高原气候区 

  高原立体气候,日光充足,为全国之最,年总辐射200kcal/cm2以上,日照时数3000h以上,日照百分率80%。冬冷夏凉,1月平均气温-20℃ 下,7月平均气温20℃,基本风压40-50kg/m2,雪压20-30kg/m2。 

  综上所述,各气候区有着各自的特点。如东北气候为温室建设提供了极为严峻的条件:冬季寒冷,光弱,风、雪压大。华北气候,风压雪压小,冬季冷,夏季热。华中气候,光照差,夏季湿热,东部地区多台风。华南气候、冬季多阴雨,夏季湿热,沿海地区多台风。蒙新气候,日照丰富,冬严寒,夏酷热干燥,风压大,个别地区雪压高。西南气候,干湿季分明,冬暖,夏凉,湿度大,风压小,无雪压。青藏高原气候,日照充足,冬冷夏凉,风压高,雪压小。 

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