目前,发展“戈壁农业”是缓解粮菜争地矛盾、充分利用非耕地自然资源的有效途径。日光温室是“戈壁农业”的生产单元,其运行过程遵循“零耗能”绿色建筑理念,利用太阳能为植物创造适宜的生长环境。河西走廊地区具有丰富的戈壁光热资源,保证了“戈壁农业”生产的可持续能源供应。甘肃农业大学设施农业课题组基于传统日光温室理论,为河西走廊地区设计了五种不同墙体结构被动式日光温室:法兰式堆砂墙体日光温室(FLG)、混凝土堆砂墙体日光温室(CLG)、石砌堆砂墙体日光温室(GLG)、空心砖堆砂墙体日光温室(HLG)、加气块堆砂墙体日光温室(ALG)。这些日光温室结构的推广应用充分利用了戈壁光热资源,推动了河西走廊戈壁地区设施园艺产业的发展,产生了经济、社会与生态效益。但是,现阶段日光温室设计过程中仍存在围护结构热工设计侧重于隔热性能、对蓄热保温的考虑不充分,未能将温室系统能量传递各环节联系起来、系统揭示日光温室光热环境营造机制,普遍依赖定性研究、未能结合当地地理环境等问题。这使基于传统日光温室设计理论为河西走廊戈壁地区设计的典型结构日光温室不能发挥预期的效果,进而制约了生产力。为此,本研究分析了周期性外界环境条件下河西走廊典型结构日光温室光热环境营造涉及的动态传热过程,通过定量描述各能量传递环节,建立并验证了日光温室光热环境模型;利用所建模型,对日光温室光热环境的营造过程进行了定量刻画,并对围护结构的周期性蓄放热性能及温室环境营造系统性能进行了研究,以期为河西走廊地区日光温室结构设计、环境调控、种植模式的优化提供理论依据。主要研究工作与结果如下:1.构建了日光温室光环境模型。模型将采光前屋面等效为日光温室系统的辐射光源,综合考虑了天气条件、日光温室形状参数、建筑材料光学特性、太阳辐射传播模式对日光温室光环境的影响,通过采用数学语言表述不同类型辐射传递环节的特征及联系,对温室系统光环境的营造过程进行了准确刻画:首先通过建立前屋面参数方程分析了弧形前屋面变化倾角对太阳辐射透过率的影响,基于外界太阳辐射环境的动态变化规律,实现了对温室光源辐射强度不均匀性的准确描述;其次,通过追踪太阳光线路径、明确光源辐射角度分布,阐明了屋面光源向室内空间的直接辐射与散射辐射的散布规律;最后利用迭代运算对太阳辐射在室内空间的多次反射现象进行了模拟再现。通过上述环节的逐步推进,明确了不同结构日光温室室内太阳辐射的时空分布及分配情况。2.构建了日光温室热环境模型。模型的构建基于采光时段日光温室集取的太阳辐射能对一个运行周期(采光时段+夜间时段)内温室系统能量平衡的影响:首先利用观测数据,初步确定了温室各部件在热环境营造中发挥的作用及换热工况,从能量传递的角度分析了温室系统整体与外界环境之间、各组成模块之间的联系,建立了以室内空气模块为核心的温室系统能量平衡方程;其次对各换热环节中不同模式(热传导、热对流、短波太阳辐射、长波热辐射)的能量传递规律进行了定量描述,同时,对温室气体发射与吸收长波辐射的特性进行了探讨,并将这部分能量传递量化引入各换热环节,参与温室系统的能量平衡;最后基于不同工况对温室系统各部件的动态换热过程进行了分析,并针对各换热表面分别建立了能量平衡方程,明确了室内空气模块从温室系统中获得的各项热增益。通过联立以上数学模型,实现了对日光温室热环境营造过程的定量刻画。3.利用建立的日光温室光热环境模型,围绕河西走廊地区五种典型结构日光温室的光热环境营造过程开展了研究。以沿温室东西走向长度为1.0 m的空间单元为研究对象,得出以下结论:1)五种典型结构日光温室的太阳辐射时空分布差异不明显。在作物生长空间范围(垂直高度≤2.0 m)内,太阳辐射照度由南至北、由下至上逐渐减弱,春分日采光时段的平均光照度分布为42000~51000 lux,夏至日为54000~57200 lux,秋分日为40000~46000 lux,冬至日为22000~35000 lux。夏至日靠近北墙出现平均宽1.6 m的阴影区域。2)在晴朗冬至日,FLG、CLG、GLG、HLG(ALG)集取并用于光热环境营造的有效太阳辐射分别为124.15、118.90、120.49、119.65 MJ。不同结构日光温室中太阳辐射的分配存在差异:FLG的北墙有效太阳辐射较CLG、GLG、HLG(ALG)分别多出25.4%、29.4%、34.8%,地面有效太阳辐射的偏差在6.5%以内。3)晴天条件下的一个运行周期内,相较于室外气温(-13~0?C),FLG、CLG、GLG、HLG、AL G室内气温平均提高26.44、24.77、24.27、22.73、22.95?C。HLG与ALG中分别出现了8.7 h与9.6 h的低温时段(<10?C)。为了消除低温环境对作物造成不利影响,HLG与ALG的运行需配备辅助加温设施。4)FLG、CLG、GLG的热稳定性优于HLG与ALG。晴天条件下的一个运行周期内,五种结构温室室内空气模块的净热增益分别为-0.0057、-0.0059、-0.0054、-0.0070、-0.0079 MJ/m~3,HLG与ALG中空气热损失较其他温室平均高出23.7%与39.6%。5)在日光温室热环境营造中,北墙及地下部分发挥蓄热式换热器的作用。一个运行周期内,北墙FL、CL、GL、HL、AL的有效热蓄积/释放量分别为18.60、15.62、16.20、6.59、4.75 MJ,热效率分别为79.5%、77.1%、78.5%、60.2%、65.1%;对应地下部分的有效热蓄积/释放量分别为19.81、19.89、19.85、24.84、26.56 MJ,热效率分别为77.5%、76.9%、76.6%、80.3%、81.1%。6)夜间时段,五种结构北墙对室内空气总热损失的能量补偿分别为46.4%、42.2%、43.1%、19.8%、13.1%,对应地下部分的的能量补偿分别为51.9%、55.9%、55.0%、77.5%、83.8%。当HL与AL无法保证充足的放热量时,地下部分充分发挥其蓄热保温性能,但无法有效改善温室热环境。7)FLG、CLG、GLG、HLG、ALG的太阳辐射有效利用率分别为28.7%、27.7%、27.7%、24.5%、24.3%。FLG兼具采光、升温、保温性能优势与成本效益,充分发挥了日光温室对戈壁光热资源的利用潜能,是河西走廊地区发展“戈壁农业”首选的温室类型。