（水产养殖专业论文）水产越冬温棚结构优化设计.pdf

u ni v e r s i t y ： _ s u b m i s s i o nd a t e ： g u a n g d o n g o c e a n u n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 作者签名： 大学 性声明 导师的指导下独立进行研究所取得 内容外，本论文不包含任何其他个 文的研究做出重要贡献的个人和集 意识到本声明的法律后果由本人承 2 01 0 年b 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权广东海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：彳参久 新签名：诒觞 2 0lo 年莎月2j 日 2 0 ，9 年舌月，日 水产越冬温棚结构优化设计 摘要 本课题以水产温棚为试验研究对象，在参考国内外温室标准的前提下，针对目前 我国亚热带地区普遍采用的水产温棚，阐述了水产温棚结构优化的重要性和必要性， 并针对水产温棚的结构设计和生产中遇到的实际问题提出了水产温棚设计应考虑的 具体方法和主要因素 本文采用结构受力的方法，把目前广泛应用于民用与工业建筑结构优化的方法用 于水产温棚的结构优化。并运用工程力学理论，按照建筑规范的要求，进行了日光温 室的荷载分析，确定了荷合方式，建立了计算模型，并利用a n s y s 系列软件对其进行 了力学分析。讨论了结构的一般过程，并就水产温棚的特殊情况确定了其结构优化的 一般方法并对优化后的温棚性能进行了实地验证，结果表明优化设计后，温棚的整体 结构的强度有所提高，其抗风雨能力得到加强。 本课题针对普通水产温棚保温性能较差的缺点，运用太阳辐射的相关知识综合分 析了温棚的结构对采光性和保温性的影响，对温棚的保温性能做出了优化设计。并根 据生产实际情况，结合受力分析在满足温棚结构的稳定性和强度要求的前提下尽量减 少温室建造用材，设计出了一种受力、布局合理，节省材料、适合于推广的水产温棚。 关键词：水产温棚、a n s y s 、结构优化、力学分析 a s t u d a y o no p t i m i z a t i o nd e s i g no f a q u a c u l t u r e g r e e n h o u s es t r u c t u r ef o r o v e r w i n t e r i n g f i s h t h er e s e a r c hp r o j e c ti se x p e r i m e n t e do na q u i c u l t u r eg r e e n h o u s e r e f e r t ot h e s t a n d a r do fg r e e n h o u s ea th o m ea n da b r o a d ，o na c c o u n to fa q u i c u l t u r eg r e e n h o u s eb e i n g u n i v e r s a l l yu s e di nt h es u b t r o p i c a la r e ao fc h i n aa tp r e s e n t ，t h i sr e s e a r c hp r o j e c te x p a t i a t e t h ei m p c i r t a n c ea n dn e c e s s i t yo fs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no fa q u i c u l t u r eg r e e n h o u s e t h i s r e s e a r c hp r o j e c ta n a l y z e st h es t r u c t u r ed e s i g no fa q u i c u l t u r eg r e e n h o u s ea n d t h ep r o b l e m s a p p e a r e dd u r i n gt h ep r o d u c t i o n ，c o n c r e t es u g g e s t i o na n dm a i nf a c t o r s a r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n g l y t ou s et h em e t h o do fs u p p o r ts t r u c t u r e ，t h i sr e s e a r c hp r o j e c ta p p l i e st h em e t h o do f s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nw h i c hi su n i v e r s a l l yu s e di nc i v i la n d i n d u s t r i a lb u i l d i n gt ot h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fa q u i c u l t u r eg r e e n h o u s es t r u c t u r e t ou s e t h et h e o r yo fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fb u i l d i n gc o d e ，t h r o u g hl o a d i n ga n a l y s i so f t h e s o l a rg r e e n h o u s e ，t h i sr e s e a r c hp r o j e c td e t e r m i n e st h ef o r m u l ao fl o a d i n g ，d e v e l o p st h e c a l c u l a t i o nm o d e l ，a n di m p r o v e db ym e c h a n i c sa n a l y s i sw i t ha n s y ss o f t w a r e t h ep a p e r d i s c u s s e st h eg e n e r a lp r o c e s so ft h es t r u c t u r e ，a n dd e t e r m i n e st h eg e n e r a la p p r o a c ho f t h e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nf o rt h es p e c i a ls i t u a t i o no fa q u i c u l t u r eg r e e n h o u s e t h r o u g h c o n d u c t i n gt h ef i e l dt e s t sf o rt h eo p t i m i z e dp e r f o r m a n c eo f t h eg r e e n h o u s e ，t h ep r a c t i c a l r e s u i t ss h o wt h a tt h es t r e n g t ho ft h eg r e e n h o u s e si n t e g r a ls t r u c t u r ea n dt h ea b i l i t y o f w e a t h e r - r e s i s t a n ta r ee n h a n c e d t h er e s e a r c hp r o j e c ti sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h ew e a k n e s so f t h ec o m m o n g r e e n h o u s e sh e a tp r e s e r v a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a n a l y s e st h eg r e e n h o u s e s t r u c t u r e si m p a c t o nt h ec a p a b i l i t yo fc o l l e c t i n gd a yl i g h t i n ga n dp r e s e r v i n gh e a t ，a n dm a k e s t h eo p t i m a ld e s i g n f o rt h eh e a tp r e s e r v a t i o nc h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls t a t u so fp r o d u c t i o n ，t h e r e s e a r c ha i m st om i n i m i z et h ec o n s t r u c t i o n t i m b e ro nc o n d i t i o nt h a tt h ed e s i g nm e e t s t h e r e q u i r e m e n to f t h eg r e e n h o u s e ss t a b i l i t ya n ds t r e n g t h ，a n dd e s i g n st h ea q u i c u l t u r e g r e e n h o u s ew h i c hi sr e a s o n a b l ef o r c el o a d i n g s ，s a v i n gi nm a t e r i a l ，a n ds u i t a b l ef o r p r o m o t i o n k e yw o r d s ：a q u i c u l t u r eg r e e n h o u s e s ，a n s y s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，m e c h a n i c sa n a l y s i s i i 目录 1 】 的问题3 3 1 4 1 学术构想与思路3 1 4 2 主要研究内容3 1 4 3 研究方法、技术路线4 2 试验材料和方法6 2 1 试验地区自然资源条件分析6 2 1 1 太阳台皂6 2 1 2 地面风场7 2 1 3 气温7 2 1 4 降雨7 2 2 试验方案设计8 3 水产养殖温室的设计9 3 1 水产养殖温棚整体建筑设计9 3 1 1 中脊9 3 1 2 固定桩1 0 3 1 3 钢丝1 0 3 1 4 棚膜1l 3 2 采光设计1 2 3 2 1 影响采光的因素1 2 3 2 2 采光优化设计1 3 3 3 保温设计1 5 3 3 1 罗非鱼对温度的要求1 5 3 3 2 温室内的热量收支规律1 5 3 3 3 水产温棚保温性能优化设计1 8 3 4 水产养殖温室建筑材料的选择2 0 3 4 1 骨架材料选择2 0 3 4 2 覆盖材料的选择2 0 3 5 水产养殖温室在实际生产中常见问题优化2 2 3 5 1 塘基过软优化2 2 3 5 2 塘底过软优化2 4 3 5 3 成本优化2 5 3 6 水产养殖温棚建造与施工2 6 3 6 1 水产温棚的场地选择2 6 3 6 2 水产温棚的方位选择2 7 3 6 3 水产温棚的场地的规划2 8 3 6 4 温棚的施工时间2 9 3 6 5 温棚施工的物料准备2 9 3 6 6 温棚的施工3 0 4 水产养殖温室结构优化设计3 3 4 1a n s y s 软件介绍3 3 4 2 简化模型确定3 4 4 3 温棚有限元模型建立3 5 4 3 1 单元类型3 5 4 3 2 材料属性3 5 4 3 3 模型建立3 6 4 4 所受荷载类型3 9 4 4 1 恒荷载3 9 4 4 2 活荷载3 9 4 4 3 风载荷3 9 4 5 荷载组合4 0 4 6 计算结果的分析及建议4 l 4 6 1 恒载荷工况( 模拟静态工况) 4 l 4 6 2 恒荷载+ 活荷载( 模拟人站中梁铺薄膜) 4 1 4 6 3 恒荷载+ 风荷载( 模拟最恶劣大风天气) 4 3 4 6 4 恒荷载+ 活荷载+ 风荷载( 模拟最恶劣大风天气铺薄膜) 4 4 4 6 5 结果优化建议4 6 4 7 本章小结4 6 5 优化后温棚性能检验4 7 5 1 整体结构强度增加4 7 5 2 保温效果明显提升4 7 4 7 4 8 4 9 5 1 5 2 5 7 6 0 6 0 广东海洋大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题研究目的、意义 罗非鱼是联合国粮农组织推广的一种品种，到目前为止，有8 5 个国家，地区 养殖罗非鱼，年产量有1 2 0 万吨。2 0 0 8 年我国罗非鱼产量达到9 7 万吨，约占世界 罗非鱼总产量5 8 。近年来，随着罗非鱼产量逐年增加，以及国际市场需求的不 断扩大，我国罗非鱼出口快速增长。国内有水产养殖专家认为，罗非鱼是我国最具 国际竞争实力的水产养殖品种之一，也是最具产业化发展的品种。台湾省把罗非鱼 称为“2 1 世纪人民之鱼”。目前，广东、海南、广西、福建、北京、山东等地的罗 非鱼养殖都得到了快速的发展，并带动了种苗、饲料、加工、贸易等相关产业的发 展。广东具备养殖罗非鱼的得天独厚的优越条件，是我国养殖罗非鱼最早、养殖面 积最多和产量最高的地区。 罗非鱼属热带性鱼类，其最适生长温度在2 5 - - 一3 5 c ，生存温度在1 5 - 3 7 c ， 而致死温度在i o c 以下。在冬季，不少地方曾经发生较大规模的鱼病和冻死鱼的情 况。2 0 0 8 年的寒灾给罗非鱼的生产带来了沉重打击，有必要对罗非鱼的越冬相关设 施进行改进和优化设计。 本课题希望通过对罗非鱼最常用的越冬设施越冬温室温棚进行优化设计， 为罗非鱼越冬养殖提供参考。 1 2 国内外研究动态和趋势 我国现行的水产越冬设施大致可以分为锅炉越冬、温泉越冬、发电厂余热越冬 及温棚越冬。温泉越冬和利用发电厂预热成本较低，保温效果好，但是其推广受到 地热资源和发电厂资源的限制，所以很难大规模推广；锅炉越冬的保温效果好，但 其需要燃料燃烧放热或利用电能加热，其越冬成本较高，一般用于名贵鱼种的越冬 养殖，不适于大规模的推广；温棚越冬可基本满足亚热带鱼类越冬期间对温度的要 求，其保温效果虽不及温泉越冬、发电厂越热越冬和锅炉越冬，但由于造价低廉， 所以在亚热带地区得到普遍推广，是适用性最佳的越冬设施，下面就温棚的发展做 个简介。 温室是人类有意的在建筑场所内部模拟并控n 4 , 环境气候从事植物栽培的一 种园艺设施。近年以来，温室开始突破园艺的领域，已经比较广地应用于农、林、 牧、副、渔等的科学研究和生产方面。随着生产体制的变革和基础工业的发展，温 2 、降低温室能源消耗，这不仅对于提高经济效益有重要作用，而且对于全球 资源保护也具有十分重要意义。太阳能是十分具有发展潜力的能源，如何提高太阳 能的利用率，降低温室能耗和增强温室保温性能已经成为近年来的重要课题，此项 研究包括以下内容。第一，为提高日光利用率而进行温室结构优化的研究。由于目 前对日光温室结构性能方面的研究还不够成熟，因此，这方面的研究课题也较多。 主要研究课题有以下几方面。( 1 ) 日光温室方位角的设计。( 2 ) 日光温室采光屋面 倾角的设计。( 3 ) 日光温室适宜跨度。( 4 ) 日光温室前后间距研究。( 5 ) 日光温室 后坡研究。( 6 ) 旧光温室适宜长度。这些研究紧紧围绕增加有效积温，提高阳光利 用率为核心，对于提升日光温室的生产性能具有重要意义。第二研制透光性良好的 新型覆盖材料；第三，提高温室保温性的研究。以上三个方面的研究，都对同光温 室和母室q百室的类钢化温室型滑大用新薄的捣屋能年 广东海洋大学硕士学位论文 室的发展起到积极的促进作用。 3 、温室功能趋于多样化，最早温室是用于种植蔬菜的，后又陆续用于栽培树 木、药材、食用菌、花卉，近几年来开始养猪、养牛、养鸡、以及养鱼等。温室多 用化的经济效益、社会效益、生态效益都较显著，因而其具有广阔的发展前景。1 9 8 8 1 9 8 9 年间，高效节能型日光温室面积不足l 万亩，到1 9 9 0 - - - - , 1 9 9 1 年间，其面积 猛增到6 万多亩，年总产值6 亿多元，年总产量达到4 5 亿k g 。目前，国内对于高 效节能同光温室的研究和推广工作正在不断深入发展。在温室养鱼，尤其是名贵品 种的养殖方面在日本较为普遍，不仅有淡水的品种，而且还有海洋鱼类的幼鱼、幼 苗也在温控室内进行养殖。另外，丹麦、法国、美国等在这方面发展的也很快，己 达到规模化生产的水平。我国近年来在这方面也有较快的发展，广东已经大规模的 利用水产温棚进行罗非鱼的越冬养殖，形成了显著的经济效益。 1 3 我国水产养殖温棚存在的问题 ( 1 ) 在风、雨等荷载作用下，析架部分杆件稳定性差，容易失稳，造成温室坍塌。 ( 2 ) 温室采光角不合理，降低了光线透过率使温室采光不良，白天温度上升缓慢。 ( 3 ) 不注重温棚的检修维护，产生不少缝隙放热，使得不少热量损失。 ( 4 ) 没有统一的建筑设计标准及设计规范。 1 4 学术思路与研究内容 1 4 1 学术构想与思路 本实验对广东省、江西省及海南省等地罗非鱼越冬温棚进行调查，在调查的 基础上取得了越冬温棚的基本数据。运用力学分析软件、热力学知识及太阳辐射等 相关知识对取得越冬温室的数据进行分析，在此基础上对温棚进行优化设计，优化 的内容包括：力学结构优化、保温性能优化、经济性能优化、生产中常见问题的优 化及越冬温棚的设计标准等。最后采取优化后温棚以普通温棚进行对比的方法，检 验优化后的温棚的各项性能。 1 4 2 主要研究内容 以结构有限元理论为理论基础，运用a n s y s 软件系列对水产养殖温棚的结构进 行了分析，并运用工程结构优化的方法优化设计了温室结构。同时正对水产养殖温 棚在实际运用中遇到的问题做出了优化处理方案。内容主要包括以下几个方面： 3 水产越冬温棚结构优化设计 1 、在参考国内外文献的基础上，进行了亚热带水产养殖温棚的建筑设计，包括建 筑方位的确定和温室场地的选择以及生产中常见问题优化设计。 2 、运用a n s y s 软件中的有限元分析软件确定水产养殖温室结构计算简图；分析水 产越冬温棚结构的特点及其在结构本身、风荷载、雨荷载和受力的特性，并结合广 东省的地理、人文、环境气候，讨论温棚的恒荷载、风荷载、附加风荷载的合理取 值，进行了温棚的荷载组合，供同行参考。 3 、在参考国内建筑规范、国内外温室设计规范和有关资料的基础上，提出了水产 越冬温棚的设计建造标准。 1 4 3 研究方法、技术路线 1 、力学结构优化 ( 1 ) 实地测量温棚的各个参数。 主要到罗非鱼养殖的重点地区进行实地测量，分别对茂名、珠海、番禺、高要 化州、吴川等地的越冬温棚进行了实地测量。测量的参数包括：温棚高度、温棚跨 度、温棚结构、温棚的材料、温棚建造费用、保温效果等。 ( 2 ) 建立计算机力学模型。 本部分采用a n s y s 计算机软件，运用实地测量的数据建立温棚的计算机力学模 型。a n s y s 软件是融流体、结构分析于一体的通用大型有限元分析软件。由世界上 最大的有限元分析软件公司a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的交 换和共享，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 该软件主要包括以下部分：前处理模块，分析计算模块还有后处理模块。前处 理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，方便用户构造有限元模型；分 析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、电 磁场分析、流体动力学分析、压电分析、声场分析以及多物理场的耦合分析，可模 拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力：后处理模块可将计 算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、 透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以曲 线、图表形式显示或输出。 对温室结构进行力学分析之前，必须加以简化，略去不重要的细节，用一个能 反映其基本受力和变形性能的简化的计算模型来代替实际结构。 本文将按照“建立计算机力学模型的原则 ( 周长吉，1 9 9 6 ) 来建立计算机模型： 1 计算模型应能反映实际结构的主要受力和变形性能 2 保留主要因素，略去次要因素，使计算模型便于计算 4 广东海洋大学硕士学位论文 3 结构计算模型和适用计算方法所依据的模型应该一致 4 结构稳定计算和结构布置方案相符合 5 结构稳定计算和构造设计相符合 在确定了力学计算简图之后，把各种数据输入计算简图。在输入数据的时候要 严格按照水产养殖温棚点的坐标以及直线、结构的尺寸、圆的方程来输入，同时确 定各单元在几何尺寸和材料特性数据库中相应代码，从而得到了水产养殖温棚的力 学计算机模型。 ( 3 ) 温棚受力组合分析 温棚的荷载分为活荷载和恒荷载，活荷载包括：风荷载、雨水荷载、施工活 荷载；恒荷载包括：覆盖材料自重，骨架结构自重。中国建筑荷载规范采用了国 际“结构安全度联合会( j o s s ) 提供的一种近似的荷载组合概率模型( 建筑结构荷 载规范，2 0 0 2 ) j本试验将按“规范”，对温棚进行各种荷载组合分析。 2 、保温性能的优化 ( 1 ) 采光角的优化 温棚的保温性能中，很重要一部分内容就是阳光的透过率，阳光的透过率和覆 盖的透明材料的材质及采光角有直接的关系。在调查中发现，现有水产养殖温棚的 采光角度并没有经过科学的计算，而采光角的大小是直接影响温棚目光透过率的一 个重要因素，如采光面设置不合理会极大的影响温棚的采光，对温棚的保温增温不 利，也不利于罗非鱼的越冬，因此很有必要对越冬温棚的采光角进行合理计算。本 文将参照中国节能温室对最佳采光角度的计算方法对水产越冬温棚的最佳采光角 度进行设计。 ( 2 ) 降低缝隙放热的优化 温棚热量损失的一个重要原因就是缝隙放热，调查中发现温棚薄膜与塘基接触 的地方存在不少缝隙，这样导致温棚内的热气向外散失，损失了不少的热量，对温 棚的保温不利，因此本文会针对这一情况进行优化设计。 3 、经济性能的优化 主要从温棚的建造成本方面进行优化。本课题分析了建造温棚的相关材料及不 同结构温棚的成本，并以此为基础采取了相关降低温棚建造成本的方案可供同行参 考。 水产越冬温棚结构优化设计 2 试验材料和方法 2 1 试验地区自然资源条件分析 一个地区的自然资源是发展温室的限制因素，因此研究温室所在地区的自然条 件，对温室的布局和相应采取的措施就显得相当重要。为此，先对广州番禺地区可 利用的自然资源条件进行分析。 2 1 1 太阳能 从项目区的地理位置来看，其太阳能资源属于四类地区。从番禺地区月平均日 照时数变化曲线( 见表2 1 ) 中可以看出，夏季和冬季日照时间长，春季日照时间 短，全年总日照时数约为1 8 0 6 7 小时。 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 7 户1 入 y l i l lltl ili盎 冬冬冬冬冬 表2 1 番禺地区日照曲线图 夏季7 月份辐射强度最高( 5 9 5 7 8 3 k j mk j i m z m ) ，春季4 月份梅雨季节期间， 辐射强度最低( 1 6 0 0 2 0 k j m z m ) ，太阳在一天中的辐射也是随时发生变化的，其 日变化大体呈正弦曲线变化，而且从东南、南、西南三方辐射到温室内的多为直射 光，能量大，特别时每天中午1 2 时左右的辐射量最大。十分明显，从接受太阳辐 射热量和采光这两方面，温室只能是座北朝南。又由于在最冷季节，每天从日出到 日没只有9 个小时左右，而且还伴随着西北风，这就需要在朝南向阳和避开主导风 向之间找平衡，寻求最有利的方位。 6 学位论文 根据番禺气象台近年的逐日气象资料，统计出番禺的多年风向玫瑰图。由表 8 1 可见，番禺近年以东南风为最多，达1 7 8 ，其次为北风，达1 3 1 。另外， 南风、西北风、东北风、东风也在1 0 至5 。年平均静风频率为11 7 o 番禺 的地面风向存在非常明显的季节变化，秋季和冬季偏北风为主，春季和夏季以 偏南风为主，反映出明显的季风气候特征。静风出现频率以春季和冬季最多， 达1 8 1 4 ，秋季则最少，为4 夏季则处于平均状况，为11 o 表8 5 - 1 风向频率的风速 从近年的气象资料看，番禺市全年平均风速为1 9 m s ，全年各月份的平均风速 略有差异，变化幅度在1 6 m s 2 7 m s ，变化范围不大。 2 1 3 气温 区内气温，冬无严寒，夏不酷热。由于受地形和季风影响，南北气温稍有差异， 北部比南部稍高l 左右。年均积温在7 9 0 0 - - - 8 1 0 0 之间。最多为8 2 1 4 3 。c ，最 少为7 7 6 9 o 。c ，变幅4 4 5 3 c 。从5 月中旬至1 0 月中旬，气温变化最小，平均在 2 5 * ( 2 - - - , 2 8 之间；2 月份温度变化最大，乍暖还寒，忽冷忽热，相差可近一倍。高 低温差1 5 2 。c 。日夜温差在6 。c - - - - 9 之间。 低温期短，无霜期长。最低气温5 ，历年平均约8 天，主要出现在1 月份。 约有一半年份出现霜冻。平均初霜1 月6 日，终霜1 月2 0 日。无霜期年约3 5 2 天。 2 1 4 降雨 区内雨量充沛。年均降雨量为1 6 3 5 6 毫米，最多可达2 6 5 2 8 毫米，最少是一 年为1 0 3 0 1 毫米。南部降雨稍多，年均1 6 0 0 - - - , 1 7 0 0 毫米，北部与中部稍少，年均 1 4 0 0 - , 1 6 0 0 毫米。全区陆地面积年均降雨总量1 2 9 4 亿立方米。降雨量的季节分配 不均，旱季雨季分明。降雨集中在4 - - 9 月，这6 个月的降雨量平均达1 3 2 3 4 毫米， 7 水产越冬温棚结构优化设计 占全年的8 1 。1 0 月至次年3 月的降附量只占全年的1 9 。区内各地的降雨强 由于地势高低不同，受季风影响程度不一，以及台风路线关系，造成降雨强度不 总的情况是南部大雨暴雨的天数略多于北部。历年统计，中雨( 1 5 毫米) 日数年均 3 3 天， 4 0 、8 0 、1 5 0 毫米降雨日数年均分别为1 7 4 天、5 天和1 3 天。偶有 一日降雨超过3 0 0 毫米的。大雨、暴雨时段为5 9 月，尤其是台风带来的大雨暴 雨。 2 2 试验方案设计 在建筑材料相同的情况下，温室结构对室内的温度起着决定性的作用。为了分 析经过优化后的温室其保温性能的提升，试验中分别测定了普通温室和优化后温室 的室内气温和水温这四项内容，测试在早上9 点进行，连续测量1 个月。 大学硕士学位论文 用的温棚和种植业中所采用的温棚有较大的 也没有太多外形的变化，主要是两面采光型 日光温室。我国亚热带地区的水产养殖温棚与种植业中所运用的温棚相比，其跨度 要大的多，跨度可达8 0 米或以上；水产养殖温棚结构相对简单，由中脊、固定桩、 钢丝及塑料薄膜组成。 3 1 1 中脊 中脊是支持温棚棚膜、钢丝等物的支柱，并承担风雨荷载，是水产越冬温棚稳 固的保障。因此，中脊在建造过程中要掌握好质量，一定要严格按照要求来做。中 脊横贯池塘的南北两侧塘基的中央，一般由直径6 c m 的木材制成，其水平高度为2 5 ， 长度视不同的池塘有所不同，较为合理的长度是8 0 m ；在中脊的下方是立柱，立柱 的一端与中脊相连，另外一端与塘底相连，起到支持中脊的作用，立柱一般也是由 直径6 c m 的木材组成，立柱的间距为1 5 米。 图3 - 1 水产温棚中脊示意图 9 啡 狲如 瓣 l l o 2 水产越冬温棚结构优化设计 3 1 2 固定桩 固定桩的作用是固定温棚上的钢丝，固定桩一般由直径4 a m ，长度1 m 的木 作而成。其中地面部分3 0 a m ，地下部分7 0 a m 。固定桩可分为两种密度，池塘 两侧的固定桩因其所固定的钢丝作为棚膜的主要载体，所以密度较大，每问隔 需设定一个固定桩。池塘南北两侧的固定桩所固定的钢丝只起到固定棚膜不被 走的作用，所以的密度较小，每间隔l o o c m 设定一个固定桩。 北一 图3 2 水产温棚固定桩不恿图 3 1 3 钢丝 钢丝的主要作用是固定棚膜和作为棚膜的承重部件。一般选用# 6 钢丝。钢丝分 为上下两层，下层钢丝为东西走向，其作为棚膜的承重部件，其密度较大，间隔为 5 0 c m ；上层钢丝作为固定棚膜的主要部件，其密度较小，间隔为1 m 。先铺设下层钢 丝，然后再铺设上层钢丝。上层钢丝的铺设方法是，先将钢丝的一端固定在池塘东 西两侧任意一侧的起始固定桩上，然后让钢丝在中脊上方通过，接着把钢丝固定到 池塘对面相应的固定桩上，余下的钢丝铺设方法都一样；上层钢丝的在下层钢丝和 薄膜都铺设完毕后再行铺设，将钢丝的一端固定在池塘南北两侧任意一侧的起始固 1 0 0 0 0 0 0 0 1 广东海洋大学硕士学位论文 定桩上，让钢丝从棚膜上穿过，然后将钢丝固定在池塘对面相对应得同定桩上。 形7 嚆 雾。 ， 0 h ，o 、i ? 一? ，端、；w ? p 。 ，r ， ，? p 巾 图3 3 水产温棚上f 层钢丝示意图 3 1 4 棚膜 棚膜是温棚保温的主要部件，其能在一定程度上阻隔温棚内外的空气对流，并 能降低温棚内的长波辐射向外透射，所以可以使温棚内的气温升高。由于水产温棚 面积较大( 1 0 亩左右) ，棚膜的面积也相应的较大。而市场上无法购买到如此大的 塑料薄膜，因此需要我们将购买回来的几张塑料薄膜粘贴在一起成为一张较大的棚 膜。方法是将两张塑料薄膜的边缘重叠，平放在一块平滑木材上，再在其上放一张 牛皮纸，然后用2 0 0 。c 的电熨斗加热，慢慢的在牛皮纸上加一定的压力通过，即 可粘贴两块塑料薄膜。 图3 - 4 水产养殖温棚结构示意图 1 一中脊；2 一固定桩：3 钢丝；4 一池塘；5 一塘基 l l 该温棚具有结构简单，造价较低，取材方便，有一定的抗风能力等优点，因此 在我国亚热带地区得到普遍推广。 3 2 采光设计 3 2 1 影响采光的因素 1 、自然因素 自然因素包括海拔高度、季节变化、地理纬度、局部小气候及天气等状况。从 地理纬度上看，地理纬度越高，太阳高度角越小，到达该地的太阳辐射就越小。从 季节上看，太阳光的强度随季节的变化而产生周期性的变化：冬至一春分一夏至， 阳光的强度越来越大。夏至一秋分一冬至，则正好相反，日照时间逐渐缩短，阳光 强度越来越小。从天气上看，阴雨天、多云天的光照强度均小于晴天光照强度。从 海拔高度上看，海拔越高，空气越稀薄，光照越强。从一天之中看，阳光辐射强度 从早晨到中午逐渐加强，正午之后逐渐减弱直到日落。从大气条件看，大气的透明 度越高，水分含量越低，则太阳辐射强度越高。从局部小气候来看，北部有山等屏 障物，南部无遮阴的小地区内，光照条件会相对较好。 广东海洋大学硕士学位论文 由于自然因素的客观性，其不以人的意志而改变，所以在建造温室温棚前要做 到因地制宜，根据当地的情况采取相应的措施，切勿照搬抄袭别人的经验。 2 、人为因素 人为因素主要是技术上的问题，如：建造材料的选取、温室采光角度的大小、 透明覆盖材料的材质等等，都会影响温室的采光量。对于人为因素，在设计温室温 棚的时候就应周密考虑，尽量克服不负面的影响。 3 2 2 采光优化设计 1 、确定合理的温室坐落方位 温室的坐落方位角直接影响温室采光面与太阳辐射形成的最有利采光角度的时 间。一天中，正午的太阳高度角最大，太阳与采光屋面的形成的太阳入射角也最大， 此时正是温室获取太阳辐射最多的时候。因此一般主张日光温室采取正南方位角。 在水产养殖温棚中，一个温温棚的面积可达到1 0 余亩，比一般蔬菜生产温棚要 大数倍，且水产养殖温棚一般仅由钢丝和木竹结构组成，稳定性相对较差，若水产 养殖温棚采取东西走向会加大迎风面，不利于温棚的结构安全；同时水产养殖温棚 的外表全由透明材料覆盖，阳光可以从任何角度射入温棚内，温棚方位角对温棚采 光的影响轻微。因此基于上述考虑，水产养殖温棚一般采取南北走向布置。 2 、采光角优化设计 太阳光照射到温室温棚的采光屋面上时，一部分被薄膜和外表附着的灰尘及薄 膜内附着的水滴吸收，一部分被反射出去，剩下的才透射到温室里。反射、吸收、 透过的光强的百分比分别叫做反射率、吸收率、透过率。其关系如下： 吸收率+ 反射率+ 透过率= 1 0 0 薄膜在某段时间内对光的吸收率是相对稳定的，聚氯乙烯和聚乙烯薄膜的吸收 率都在1 0 上下。光的透过率主要是由采光面的反射率决定的。根据光学原理，光 的反射率大小和入射角大小有关：入射角越大，反射率也越大；入射角越小，透过 率越大。但是，入射角与透过率的关系并不是简单的线性关系。其关系见下表。 射 单 透 入 最为理想，因此我们把0 。的太阳入射角称为“理想棚面角。但实际上这是不可能 和不科学的，因为如果要达到理想采光角，那么棚面角将达到6 0 。 - 7 0 。，如此， 大棚的棚面将十分陡峭，中脊过高，其抗风性，保温性能将很差，建造费用会过高。 我们可以从表3 1 发现，当太阳入射角在0 。 - - - 4 0 。之间变化时，透光率只有轻微 的减少，因此，设计水产越冬温棚时只要将其阳光入射角保持在0 一- - 4 0 。间即可。 实际生产中，可以用下列公式进行温室采光角的优化计算： 温室合理采光角= 当地地理纬度一6 。3 3 ( 吴国兴日光温室设计建造与经营管理) 该公式的推导过程如下： 温棚合理采光角= 合理阳光入射角一太阳高度角 1 4 来源主要是靠太阳能。科学的设计采光角和温室坐落方位可以最大限度的提高白天 温室获取太阳辐射的能量，提高了温棚内的气温和水温。但是到了夜间或阴雨天， 没有或很少外来热量补给，温室处在一个持续散失热量的状态中，因此，要降低热 量的损失，关键是如何减少散热的速度，保温设计就成了不可忽视的方面。 3 3 1 罗非鱼对温度的要求 罗非鱼属热带暖水性鱼类，其耐寒能力较弱，最适生长水温在2 8 一3 3 之间， 1 8 以下摄食能力减退，1 2 以下开始死亡。因此温棚内的水温至少要保持在1 2 以上，才不至于在越冬期间引起罗非鱼的大批死亡。正是因为温棚的保温工作没做好， 2 0 0 8 年的寒灾才导致了大批罗非鱼冻死，导致了巨大的经济损失，所以提高温棚的保 温性能是优化设计的重点。 3 3 2 温室内的热量收支规律 水产养殖日光温室的热量主要来自太阳辐射。太阳辐射是一种短波辐射，其被 温室内的地面、骨架、水面、空气等吸收转化为热能，并通过长波辐射、传导和对 流等方式把热量散失到周围的空间。当室内所获得的热量与散失的热量相等，温室 内温度保持不变；当温室内获得热量大于其散失的热量，则温室内气温升高；而当 温室内散失的热量大于温室获得的热量时，温室内的温度就下降。这就是温室内热 平衡。 水产越冬温棚结构优化设计 图3 6 白天水产养殖温棚热量收支示意图 图3 7 夜间水产养殖温棚热量收支示意图 温室内温度的升高是由两方面原因引起的，一是塑料薄膜可以透过太阳短波 辐射，但透入到温室内的短波辐射被地面吸收之后又以长波辐射反射出来，但由于 薄膜透过长波辐射的能力要比透过短波辐射的能力差的多，所以长波辐射所携带的 热量就被留在了温棚内部，使得温棚内的温度升高。另外还有一点是温棚的薄膜阻 1 6 闭的空间，阻断了其与外 围环境中造成的，经实地 调查发现，水产养殖温棚的热量损失主要包括了以下几个方面： ( 1 ) 贯流放热： 贯流放热是指日过温室获得的太阳辐射能转化为热能之后，又以辐射、对流 的方式传导至温室与外界接触的各个结构部件的内表面，而后再以辐射加对流的方 式散失到大气中。 贯流放热是温室热量损失的最主要方式，其所损失的热量可以占到温室损失 热量6 0 - - - 7 0 。如下图，当温棚内的温度高于外界温度，就存在了一定的温差，温 棚内的热量经过空气对流，将热量传递到温棚的外面。这就是一个典型的贯流放热 过程。水产养殖温棚的外覆盖材料全部采用透明材料覆盖，其贯流放热量很 大。 图3 8 贯流放热示意图 ( 2 ) 缝隙放热 目光温室内的热量有一部分会通过门、薄膜的缝隙以对流的方式传递到室外。 这种放热叫缝隙放热。 水产养殖温棚塑料薄膜结合处以及塑料薄膜与塘基结合处会存在缝隙，在温棚 内外存在温差的情况下，温棚内的热空气就会借助这些缝隙向外流动，同时温棚外 的冷空气也会经过这些缝隙流入温棚内，这样就导致了温棚内温度的降低。其放热 1 7 水产越冬温棚结构优化设计 的多少首先和缝隙多少有关，因此，为了减少缝隙放热，保证温室的严 要。 ( 3 ) 水中传热 水中传热指温棚内的热量透过池水传递到外部的一种热量损失，水中传热对水 产养殖温棚的影响较小，所以本文不做详细论述。 ( 4 ) 热量的平衡公式 由上述分析我们可以推导出温棚内热量的平衡公式： q r = q s + q t + q v q r 一采光面一天透入的太阳热量 q s 水中传热 q t 一贯流放热 q v - - b - - 缝隙放热 从式中可以看出：当投射到温室温棚内的太阳辐射q r 大于q s ( 地中传热) 、 q t ( 贯流放热) 、q v ( 缝隙放热) 的总和时，温室内就有多余的热量，温室内的温 度就会升高；当q r 一定时，设法降低q s 、q t 、q v 就可以剩余热量。这就是温室保 温设计的理论依据。 3 3 3 水产温棚保温性能优化设计 ( 1 ) 降低贯流放热 温室温棚热量损失最大的就是贯流放热，贯流放热与室内外温差和各维护结构 的表面积及其贯流放热系数成正比。也就是说，维护结构表面积越大、室内外温差 和贯流放热系数越大，贯流放热量就越高。其数学表达式如下： q t = k ( t 内一t 外) 式中： q t 一贯流放热量 一各维护结构的表面积 k - 各维护结构的贯流放热系数 t 内一室内气温 t 外一室外气温 广东海洋大学硕士学位论文 结构材料及厚度 k ( 千焦米2 e 。c 时) 聚氯乙烯薄膜0 1 m m 聚乙烯薄膜0 1 m m 5 0 c m 土墙 3 8 c m 厚砖墙 6 a m 钢筋混凝士 5 c m 钢筋混凝土 5 a m 草毡 2 3 0 2 4 0 4 2 5 8 1 6 o 1 8 5 1 2 6 表3 2 不同维护结构贯流放热系数 因此，降低贯流放热的有效方法是降低维护材料的导热系数，尽量采取导热系 数小的覆盖材料构建温室，如0 1 毫米厚的聚氯乙烯薄膜就比o 1 毫米厚的聚乙烯 薄膜保温性能要好；并尽量加大温室覆盖材料的厚度，另外贯流放热与风速的大小 成正比，所以选择地形时要注意避开风1 ：3 ，最好在温室群的背面有山等自然屏障遮 挡北风。 ( 2 ) 减少缝隙放热 在冬季，温室的内外温差较大，因此缝隙处会产生强烈的对流，导致热量的大 量损失。水产养殖温室塑料薄膜与地面接触的地方存在很多的缝隙，这里会产生大 量的缝隙放热，为降低这部分的热量损失，最简便的做法是将薄膜的边缘卷起，用 沙袋压实。如下图 1 9 水产越冬温棚结构优化设计 图3 9 减少缝隙放热的措施 有条件的地方可沿池塘四周挖沟，将薄膜的边缘埋入沟内。另外在铺设薄膜之 前要检查薄膜是否破损，如有破损要修补好后再进行铺设。 最后在温棚的进出口处，由于工作人员的进出会导