日光溫室內(nèi)太陽輻射照度分布的試驗(yàn)研究

杜震宇,謝秋紅,賈 蕾

(1.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024;2.太原市建筑設(shè)計(jì)研究院,太原 030001;3.中煤國際工程集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院,江蘇南京 210000)

日光溫室是我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),適合當(dāng)前農(nóng)村經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平,簡易、節(jié)能、高效的蔬菜生產(chǎn)設(shè)施。它的特點(diǎn)是投資低、高透光率、高保溫性能、節(jié)約能源、運(yùn)行成本低、經(jīng)濟(jì)效益高,在我國北方地區(qū)得到大面積的推廣,成為北方農(nóng)村脫貧致富最有效的農(nóng)業(yè)設(shè)施之一。太陽輻射是日光溫室內(nèi)作物生長的基本能量來源。一方面,太陽輻射作為熱源,通過“溫室效應(yīng)”直接決定日光溫室的熱環(huán)境;另一方面,太陽輻射作為光源,制約著溫室作物的光合作用,對(duì)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。因此,日光溫室中光照度及其均勻性是影響日光溫室生產(chǎn)力的重要因素。目前,國內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)日光溫室內(nèi)外太陽光照度進(jìn)行了測試研究。李小芳[1]對(duì)北京地區(qū)兩棟構(gòu)造不同的日光溫室進(jìn)行了室內(nèi)外地面太陽輻射照度的連續(xù)觀測,給出了不同天氣條件下日光溫室內(nèi)地面太陽輻射照度的變化規(guī)律;王靜[2]等人在甘肅省酒泉市對(duì)跨度為6.9 m的單斜面、拋物面和圓-拋物面3種結(jié)構(gòu)類型的日光溫室光環(huán)境進(jìn)行了測試,分析比較了3種不同采光面日光溫室的透光率和南北光照度;佟國紅[3]等人對(duì)遼沈I型日光溫室室內(nèi)中部的光照度進(jìn)行了測試,僅給出了不同日中午的光照度和透光率;郜慶爐[4]等人對(duì)河南新鄉(xiāng)市日光溫室光照特點(diǎn)及其變化規(guī)律進(jìn)行了研究,給出了不同月份室內(nèi)外光照度的關(guān)系和透射率。這些研究結(jié)果都與日光溫室所處地區(qū)和其結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。筆者在不同天氣條件下,對(duì)太原地區(qū)普遍建造的日光溫室的光環(huán)境進(jìn)行了測試,并對(duì)光照度的時(shí)空分布和PVC膜透光率隨時(shí)間的變化進(jìn)行了分析,旨在為本地區(qū)日光溫室的立體栽培提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)日光溫室與測點(diǎn)布置

1.1 試驗(yàn)日光溫室

試驗(yàn)用日光溫室位于太原市小店區(qū),坐北朝南,溫室方位角為南偏西5°,脊高3.3 m,北墻高2.3 m;后墻和山墻均為石灰漿砌實(shí)心黏土紅磚,厚度分別為0.80 m和0.37 m;后屋面厚度0.27 m(石棉瓦加紅磚),水平投影長度1.38 m,仰角40°;前屋面塑料薄膜使用三層共擠聚乙烯流滴性的PVC膜(已使用18個(gè)月),厚度為2 mm,夜間使用保溫棉被保溫;溫室跨度為8 m,長度為56 m。供試驗(yàn)日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱物性參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置

為總體了解太陽輻射在日光溫室內(nèi)的照度及時(shí)空分布規(guī)律,在溫室中部截面內(nèi)不同位置上布置8個(gè)測點(diǎn),溫室外布置1個(gè)測點(diǎn),共9個(gè)測點(diǎn)。各測點(diǎn)具體位置見圖1。其中測點(diǎn)1位于溫室PVC膜外表面,測點(diǎn)2是測點(diǎn)1對(duì)于溫室PVC膜的鏡像點(diǎn),它的值代表透射進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的熱物性參數(shù)

圖1 試驗(yàn)日光溫室測點(diǎn)布置斷面圖

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)是在2009年3月10日—3月30日(春分前后)、太原地區(qū)、溫室?guī)缀纬叽绾蛧o(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如1.1所說的條件下,對(duì)不同大氣的透明度和不同太陽高度進(jìn)行溫室內(nèi)外的太陽輻射照度測試。測試時(shí)溫室內(nèi)種植有低矮的大葉類蔬菜。

2.2 試驗(yàn)方法

利用光照度儀對(duì)溫室外太陽輻射照度、溫室內(nèi)各測點(diǎn)接受的太陽輻射照度進(jìn)行測量。每隔 30 min各測點(diǎn)監(jiān)測一次,記錄不同空間位置和不同時(shí)間的測試值。同時(shí)利用溫度巡檢儀自動(dòng)記錄室內(nèi)外空氣溫度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果[5,6]

在為期三周的測試時(shí)間內(nèi),選取典型不同天氣條件的連續(xù)3天進(jìn)行室內(nèi)外光環(huán)境分析。2009年3月19日全天晴,室內(nèi)氣溫39.6～14.6℃,室外氣溫21.7～6.3℃;3月20日(春分)天氣或晴或陰,室內(nèi)氣溫35.4～16.2℃,室外氣溫 20.8～10.0℃;3月21日陰天,但中午有10 min左右的太陽,室內(nèi)氣溫29.54～11.9℃,室外氣溫 18.6～3.2℃。圖 2是不同天氣條件下的室內(nèi)外太陽輻射照度隨時(shí)間的變化。圖3是不同天氣條件下PVC膜的透光率隨時(shí)間的變化。表2是不同天氣條件下日平均透射率、室內(nèi)外最大太陽輻射照度和日總太陽輻射照度的比較。為更清楚地了解不同天氣條件下溫室內(nèi)太陽輻射照度的分布情況,圖4—圖6分別給出了3月19日至3月21日不同天氣條件下室內(nèi)各點(diǎn)太陽輻射照度的測試結(jié)果。表3是不同天氣條件下室內(nèi)各點(diǎn)太陽輻射照度最大值、最小值和平均值的比較。

圖2 不同天氣條件下室內(nèi)外太陽輻射照度

圖3 不同天氣條件下PVC膜的透射率

表2 不同天氣條件下的太陽輻射照度比較

圖4 3月19日室內(nèi)不同點(diǎn)處太陽輻射照度

圖5 3月20日室內(nèi)不同點(diǎn)處太陽輻射照度

圖6 3月21日不同點(diǎn)處太陽能輻射照度

表3 室內(nèi)不同測點(diǎn)太陽輻射照度的比較

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 不同天氣條件下室內(nèi)外太陽輻射照度比較

從圖2看出,不同天氣條件下的太陽輻射差異顯著,且室內(nèi)太陽輻射照度與室外太陽輻射照度的變化規(guī)律完全一致,其大小主要受室外太陽輻射照度和PVC膜透射率的影響。室內(nèi)外太陽輻射照度在晴天最強(qiáng),陰天則最弱,即云量的多少直接影響透過大氣層的太陽輻射量,太陽輻射量隨著云量的增加而急劇下降。晴天,室外太陽輻射隨太陽高度角的變化呈較規(guī)則的正弦曲線變化,從早上日出開始不斷增強(qiáng),在北京時(shí)間13:05達(dá)到最高值668 W/m2。室外日平均 487 W/m2,室內(nèi)日平均 351 W/m2。或晴或陰天,太陽輻射波動(dòng)較大,輻射照度也有所降低,室外日平均285 W/m2,室內(nèi)日平均185 W/m2,室內(nèi)外太陽輻射隨太陽高度角的變化不如晴天規(guī)則。陰天,室內(nèi)外太陽輻射照度明顯減少,且一天內(nèi)變化幅度不大,室外日平均只有77 W/m2,室內(nèi)日平均也只有50 W/m2左右,室內(nèi)外太陽輻射隨太陽高度角的變化更不規(guī)則。

室內(nèi)太陽輻射由于受覆蓋材料的透射率,骨架遮蔭、膜上凝結(jié)水以及膜受污染程度等的影響,其與室外太陽輻射的比值隨太陽高度角的變化也有所不同。從圖3和表2看出,透射率與太陽高度角密切相關(guān),PVC膜對(duì)太陽直射輻射的透過率隨入射角的增大而減小,其透射率為0.42～0.83,其中晴天的平均透射率最大,陰天的最小。或晴或陰和陰天PVC膜的透射率整體比晴天時(shí)的透射率要低,尤其是中午太陽高度角較大、入射角較小時(shí)差別最大;而在太陽高度角較小、入射角較大的早上和下午,不同天氣條件下的透射率相差不大。晴天,太陽輻射中直射輻射成分占主要部分,PVC膜對(duì)太陽輻射透射率隨入射角的變化呈較規(guī)則的正弦曲線變化趨勢(shì),北京時(shí)間14:00—15:00時(shí)之間達(dá)到最大值0.83,與標(biāo)準(zhǔn)聚氯乙烯膜對(duì)太陽直射輻射的透射率變化規(guī)律基本相同,但由于受塵土和凝結(jié)水等污染的影響,供試溫室膜的透射率比標(biāo)準(zhǔn)聚氯乙烯膜對(duì)太陽直射輻射的透過率略小[7]。陰天,由于云層的影響,到達(dá)地面的太陽輻射中散射成分占主要部分,而PVC膜對(duì)太陽散射輻射透射率比較穩(wěn)定,受入射角變化的影響較小,此時(shí)室內(nèi)太陽輻射照度的大小主要受室外太陽輻射照度的影響,而與太陽高度角的變化關(guān)系不大。或晴或陰天,由于天氣變化不定,室內(nèi)外太陽輻射照度和透射率都處于波動(dòng)狀態(tài)。

從表2可知,日平均透射率、最大太陽輻射、日總輻射均受天氣條件的影響,其中日平均透射率受天氣影響最小。晴天室內(nèi)太陽輻射在午間最大可達(dá)到522 W/m2,陰天則僅為101 W/m2。晴天與陰天的室內(nèi)最大太陽輻射比可達(dá)5倍左右。晴天的日總輻射是陰天的6倍以上。所以,日光溫室生產(chǎn)要注意天氣條件變化帶來的影響,陰天適當(dāng)補(bǔ)光以促進(jìn)植物光合作用。特別是初春、秋末和冬季的陰天一定要做好保溫措施,預(yù)防作物遭受凍害。晴天則要防止白天室溫過高,且要考慮蓄積更多的太陽能轉(zhuǎn)移到夜間使用。

3.2.2 不同天氣條件下室內(nèi)太陽輻射分布

由圖4—圖6和表3分析可知,不同天氣條件下室內(nèi)不同點(diǎn)處的太陽輻射差異顯著。由于溫室后坡和保溫棉被卷起后遮陰的影響,在初春季節(jié)無論何種天氣條件,北墻面的測點(diǎn)一天中基本均處于陰影區(qū),7、8、9測點(diǎn)處的太陽輻射照度明顯低于其余測點(diǎn)處的值。2、3點(diǎn)與4、5、6點(diǎn)處不同高度太陽輻射相差不大且變化規(guī)律相同,隨著高度的增加太陽輻射照度增大;7、8、9處卻隨著高度的增加太陽輻射照度減小。晴天太陽輻射照度在高度方向差別不大,陰天幾乎沒差別。但太陽輻射照度從南向北依次減弱,越往里變化幅度越大。這是因?yàn)楹笪菝婕氨孛薇粚?duì)太陽光線的遮擋作用所致,在測量過程中明顯可以看出后墻處被遮蔭出的陰影,使得到達(dá)此處輻射僅有散射輻射。溫室豎向的輻射均勻性要好于橫向,陰天的輻射均勻性要好于晴天。晴天,后墻處中高部位太陽輻射照度基本處于100 W/m2以下,且一天內(nèi)變化幅度最小;隨著太陽高度角的變化,7、8、9點(diǎn)中9點(diǎn)的太陽輻射明顯要大,這是因?yàn)榭拷髩Φ孛嫣幹挥性谥形?1:00—14:00太陽高度角較大時(shí)才能接受到太陽直射輻射,因此太陽輻射照度突然增大,這一點(diǎn)的輻射照度曲線在11:00左右出現(xiàn)了拐點(diǎn)。在或晴或陰和陰天,7、8、9點(diǎn)的太陽輻射照度差別變小。不同點(diǎn)處的最大、最小太陽輻射相差較大,但最大值或最小值出現(xiàn)時(shí)間相同;而日平均太陽輻射2、3點(diǎn)與 4、5、6點(diǎn)相差不大,只有7、8、9點(diǎn)日平均太陽輻射為 100 W/m2,不足其他地方的二分之一。故在初春和深秋,應(yīng)注意后坡和保溫棉被卷起后遮陰對(duì)溫室后墻吸收熱輻射的影響,盡量利用后墻吸熱作用均衡室內(nèi)全天氣溫。同時(shí)應(yīng)對(duì)溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將固定后坡改造為活動(dòng)后坡,在滿足溫室使用要求的前提下,減少室內(nèi)骨架和支撐柱。

4 試驗(yàn)結(jié)論與建議

4.1 試驗(yàn)結(jié)論

本文在春分前后,對(duì)不同天氣條件,太原地區(qū)日光溫室內(nèi)太陽光照度分布的實(shí)測得到如下結(jié)論:

1)PVC膜對(duì)太陽輻射的透射率隨太陽高度角的增大而增大,早晚最小,中午最大。晴天的透射率最大,陰天的最小。同時(shí)晴天室內(nèi)太陽輻射在午間最大可達(dá)陰天的5倍左右。所以,日光溫室在春秋生產(chǎn)也要注意晴天防止室溫過高,陰天預(yù)防作物遭受凍害。

2)室內(nèi)太陽輻射主要受室外太陽輻射和PVC膜對(duì)太陽輻射透射率的影響,溫室豎向的輻射均勻性要好于橫向,陰天的輻射均勻性要好于晴天。受后坡和保溫棉被卷起后遮陰對(duì)溫室后墻吸收熱輻射的影響,目前這種溫室結(jié)構(gòu)不利于后墻白天吸熱最大化,夜間放熱最大化,從而充分轉(zhuǎn)移和利用太陽能,全天候平衡室內(nèi)氣溫。

4.2 建議

在地理因素、幾何因素和物理因素一定的條件下,到達(dá)地球并最終進(jìn)入日光溫室內(nèi)的太陽輻射能,主要取決于天文因素,即日地距離、太陽赤緯、時(shí)角等。本文只對(duì)太原地區(qū)春分前后日光溫室太陽輻射分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)秋分前后也適用。所以,建議對(duì)本地區(qū)日光溫室夏至和冬至前后太陽輻射分布進(jìn)行試驗(yàn)研究,以便完善該地區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為日光溫室數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供原始資料。

[1]李小芳.日光溫室的熱環(huán)境數(shù)學(xué)模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[2]王靜,崔慶法,林茂茲.不同結(jié)構(gòu)日光溫室光環(huán)境及補(bǔ)光研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(4):86-89.

[3]佟國紅,王恩志,王鐵良,等.遼沈Ⅰ型日光溫室內(nèi)環(huán)境測試分析[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué),2003(5):11-12.

[4]郜慶爐,梁云娟,段愛旺.日光溫室內(nèi)光照特點(diǎn)及其變化規(guī)律研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(3):200-203.

[5]謝秋紅.全熱回收型日光溫室的試驗(yàn)研究與數(shù)值分析[D].太原:太原理工大學(xué),2009.

[6]賈蕾.自然通風(fēng)日光溫室熱環(huán)境的試驗(yàn)研究與數(shù)值分析[D].太原:太原理工大學(xué),2009.

[7]李兆力.溫室微氣候數(shù)學(xué)建模與動(dòng)態(tài)模擬[D].天津:天津大學(xué),2004.