日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)的應用研究

摘要 日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了將復雜的、工作量巨大的模擬計算方法，轉化為方便使用的輔助設計工具。日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)能夠生成日光溫室建筑設計示意圖，可以進行屋面形狀參數(shù)計算與分析評價，能夠進行指定時刻室內(nèi)光輻射分析，為日光溫室的參數(shù)優(yōu)化和合理建造提供科學依據(jù)。

關鍵詞 日光溫室；光環(huán)境；模擬系統(tǒng)

中圖分類號S26+1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10762-03

基金項目北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院技術研發(fā)與示范推廣基金項目（XYYF1443）。

作者簡介楊文雄（1978- ），男，湖北天門人，博士研究生，研究方向：設施農(nóng)業(yè)。*通訊作者，馬承偉，教授，博士生導師。

光照是溫室內(nèi)重要的環(huán)境因素之一，良好的室內(nèi)光照不僅是植物生長發(fā)育的必要條件，也是溫室內(nèi)獲取太陽熱能、產(chǎn)生良好室內(nèi)熱環(huán)境的重要保證條件，是溫室建筑設計所追求的主要目標。

國外對溫室內(nèi)光環(huán)境及其影響因素已有較多研究，Rosa 計算了朝向對室內(nèi)透光量的影響[1]，Pieters 和 Deltour 計算了薄膜、作物、土壤吸收的太陽輻照量并考慮了玻璃框、采光面上的冷凝等因素對室內(nèi)透光量的影響[2-3]，但這些研究均是針對單棟或連棟全光溫室的。軒維艷[4]通過數(shù)學方法，并結合計算機模擬，對日光溫室不同弧度的采光屋面太陽光入射率進行了嚴密的計算。孫忠富等[5-8]用數(shù)學曲線表示了溫室各種采光面形狀，并模擬計算了溫室內(nèi)各表面的直射光透過量。焦麗[9]研究了屋面形狀、跨度、脊高、骨架疏密程度等對溫室內(nèi)光照環(huán)境的影響。由于光照在溫室內(nèi)傳播規(guī)律的復雜性以及影響因素眾多，其中還有很多尚未探明的問題。其主要障礙是，光照環(huán)境模型非常復雜，對室內(nèi)光照環(huán)境的模擬預測，需進行大量的分析計算，因此，目前研究者們所提出的溫室光照環(huán)境模型和模擬預測方法還難以在一般的溫室設計中得到應用。

中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部設施農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程重點開放實驗室根據(jù)直接輻射與散射輻射的不同傳播規(guī)律，確定了在不同時刻和不同條件下的直接輻射與散射輻射的空間分布，且在模型中還考慮了透明覆蓋材料的霧度對直射與散射光輻射影響等問題。提出的日光溫室光環(huán)境模型反映因素全面、結構完整、提供的計算參數(shù)齊備，使溫室光環(huán)境模型對室內(nèi)光輻射的模擬更加接近實際和更加準確[10]。

1日光溫室光輻射環(huán)境模型的構建

模型的基本單元是建立溫室內(nèi)任意指定點在任意指定方向、任意指定時刻的光輻射（直接與散射輻射）計算模型。

建模的總體思路：直接輻射，采用沿光線逆向回溯的方法，建立計算點P與屋面日光入射點T間的對應關系；散射輻射，采用天空等輝度假設，采用計算點對屋面及室外天空的可見視角比例確定其散射輻射。

最后，得到室內(nèi)計算點P處的直接光輻射照度

2日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)的應用研究

日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)，應用VC++計算機程序語言編制，實現(xiàn)了將復雜的、工作量巨大的模擬計算方法，轉化為可以方便使用的輔助設計工具。日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)可以針對給定了建設地點的地理方位、溫室朝向和建筑參數(shù)、屋面形狀和覆蓋材料的日光溫室，進行屋面形狀參數(shù)計算與分析評價以及指定時刻的屋面透光率、室內(nèi)各部位（墻體和地面等）各點的光輻射照度以及光輻射分布密度、光輻射能量累積值等光輻射相關指標的計算與分析，給出多種評價參數(shù)的數(shù)據(jù)和圖表，據(jù)此可以對日光溫室室內(nèi)的光照環(huán)境進行綜合評價，從而比較和優(yōu)選設計方案，或提供給栽培生產(chǎn)的管理決策參考。

2.1日光溫室建筑設計通過設置日光溫室所處的經(jīng)緯度、溫室方位角及室外太陽輻射和建筑參數(shù)的確定、屋面曲線類型選擇、覆蓋材料參數(shù)輸入，系統(tǒng)可以自動生成日光溫室建筑參數(shù)示意圖（圖2）。

2.2進行屋面形狀參數(shù)計算與分析評價屋面類型分為雙圓組合屋面、折線形屋面、橢圓屋面和直線圓弧組合屋面等。不同的屋面類型，系統(tǒng)得到的屋面形狀參數(shù)不同。屋面形狀的分析與評價內(nèi)容包括：總平均屋面傾角，屋脊處的屋面傾角，前屋面前部的高度，屋面各處的曲率半徑等。

設定當?shù)乇本暰暥葁d = 40.0°，室內(nèi)凈跨度L=8 000 mm，以“雙圓組合屋面”為例，系統(tǒng)得到的屋面形狀如下參數(shù)。

2.2.1圓弧的半徑與圓心坐標、曲線連接點的坐標。上段圓弧半徑R1=17 978.4 mm；圓心坐標a1=-2 187.3 mm，b1=-13 716.4 mm。

下段圓弧半徑R2=4 832.2 mm；圓心坐標a2 =3 872.6 mm，b2=-2 050.2 mm。

上下兩段圓弧接點橫坐標xm=6 100.0 mm，縱坐標ym=2 238.0 mm。

雙圓的半徑與圓心坐標，以及曲線連接點的坐標，是確定屋面形狀的關鍵，以上三者確定了，則屋面形狀就確定了，見圖3。

2.2.2溫室參數(shù)。屋脊處屋面傾角βj = 10.86°；屋脊距室外地面高度Hj =3 940 mm ；后墻高度Hw=2 930 mm ；后屋面水平投影寬度Lj=1 200 mm；屋面南北兩端部之間水平距離Lw=7 000 mm；后墻頂向北傾移距離ew=0 mm；室內(nèi)地面下沉深度hc=400 mm ；屋面前部控制點a距屋面南端部水平距離La=1 000 mm；離室內(nèi)地面高度ha=1 854 mm。

屋架南端距室內(nèi)南邊界距離Ld=200 mm；距室外地面高度hd=100 mm；屋脊處屋架上下弦間垂直距離bj=300 mm ；南底腳處屋架上下弦間水平距離bd=150 mm。

2.2.3屋面形狀的分析與評價。該溫室的總平均屋面傾角為28.75°；屋面前部距南底腳 1 000 mm處屋面高度為1 854 mm。而較為合理的總平均屋面傾角=28.8°；屋脊的合理高度=3 941 mm。

總體評價：總平均屋面傾角合理；屋脊處屋面傾角合理；前屋面前部略偏高，但仍在允許范圍內(nèi)；屋面曲率合適，屋面曲線半徑適當。

2.3指定時刻日光溫室內(nèi)光輻射的分析

2.3.1指定時刻k給定點j處的光輻射照度。在計算直接照度Izjk、散射照度Isjk的基礎上，計算總照度：

2.3.2指定時刻k室內(nèi)各表面情況。系統(tǒng)可以計算溫室內(nèi)各表面在指定時刻k的照度分布和累計光輻射通量（功率）分布（表1）。

2.3.2.1溫室內(nèi)各表面在指定時刻k的照度分布。系統(tǒng)計算給出在指定時刻k，后屋面、墻面、地面以及指定面各自范圍內(nèi)光輻射照度的最大值Ijkmax以及平均值k：

式中：ns為各表面計算分段的數(shù)量，按等分的原則劃分。

各表面照度分布的不均勻度為：

2.3.2.2在指定時刻k單位溫室長度范圍內(nèi)各表面的累計光輻射通量（功率）分布。在指定時刻，（沿東西方向）取1 m溫室長度，計算后屋面、墻面、地面以及指定面各自范圍內(nèi)的累計光輻射通量（式中Δlj為在溫室橫截面內(nèi)，各計算點j所代表的表面分段的寬度）為：

2.3.2.3指定時刻k全溫室范圍的光輻射測定結果。針對全溫室范圍，包括后屋面、墻面與地面的光輻射統(tǒng)計量，給出指定時刻k總光輻射的最大照度與平均照度，單位溫室長度范圍內(nèi)的累計光輻射通量。

以默認的指定時刻，12月22日（冬至）正午12：00為例，進行室內(nèi)光輻射測定：12月22日12：00，屋面日光入射角為：121～51.11°，平均34.03°；屋面直射透光率：59.4%～645%，平均62.3%；散射透光率647%，總平均透光率635%；室外水平面輻照度為395.6 W/m2。

從表1中可以看出，溫室內(nèi)各表面在指定時刻的光照度，墻面最大，后屋面最小，但在指定時刻單位溫室長度范圍內(nèi)，溫室內(nèi)各表面的累計光輻射通量（功率），卻是地面最大，后屋面最小。這說明在能量積累方面，地面的能量積累能力強于墻面。從表1中還可以看出，在能量貢獻方面，墻面和地面都以直射光為主，而后屋面，直射光和散射光的比例接近1∶1。

3小結

日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)實現(xiàn)了將復雜的、工作量巨大的模擬計算方法，轉化為方便使用的輔助設計工具。運用該輔助設計工具進行設計，針對給定建設地點的地理方位、溫室朝向和建筑參數(shù)、屋面形狀和覆蓋材料等數(shù)據(jù)，進行了溫室內(nèi)各點面的光輻射照度以及光輻射分布密度、光輻射能量累積值等相關指標的計算與分析，并據(jù)此進行了日光溫室室內(nèi)光照環(huán)境的綜合評價。運用結果證明日光溫室光環(huán)境模擬系統(tǒng)可以在建設前比較優(yōu)選設計方案，可節(jié)省設計時間和建造成本，為日光溫室的參數(shù)優(yōu)化和合理建造提供科學依據(jù)，該方法技術上穩(wěn)定、可靠可推廣應用。

參考文獻

[1] ROSA R，SILVA A M，MIGUEL A.Solar irradiation inside a single span greenhouse[J].Agric Eng Res，1989，43：221-229.

[2] PIETERS J G，DEHOUR J M.Performances of greenhouse with the presence of condensation on cladding materials [J].Agric Eng Res，1997，68：125-137.

[3] PIECERS J G，DELTOUR J M.Modeling solar energy input in greenhouse[J].Solar Energy，1999，67：119-130.