基于Ladybug Tools對(duì)日光溫室的方位角與光照模擬

管振立，劉義飛，羅 暢，楊云清，海 龍，陶 帥，尹俊偉

（1.塔里木大學(xué)，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾 843300；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，四川 成都 610213）

太陽(yáng)輻射是溫室內(nèi)的主要能量來(lái)源。溫室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量不僅受直射光的影響，還受溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)、覆蓋物等影響[1-2]。通過(guò)數(shù)值模擬得出不同形狀溫室的采光性的各種參數(shù)，進(jìn)而對(duì)溫室采光性能進(jìn)行分析，對(duì)合理地設(shè)計(jì)日光溫室及正確地選擇溫室結(jié)構(gòu)與參數(shù)具有重要意義[3]。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)溫室采光結(jié)構(gòu)、全年光照時(shí)數(shù)變化規(guī)律、作物群體內(nèi)光照分布、光環(huán)境模擬[4-6]等的研究較深，而對(duì)溫室方位角的采光分析等相關(guān)研究較少，溫室模擬的可視化選擇研究也較為欠缺[7-8]。Ladybug Tools（以下簡(jiǎn)稱LBT）工具集包括Honeybee、Butterfly、Dragonfly 和Pollination 等，具有不同功能的模塊，不僅可以計(jì)算能耗、太陽(yáng)輻射、天然采光，還可以進(jìn)行人工照明、自然通風(fēng)、城市熱島效應(yīng)等各類性能模擬與分析[9]。ladybug Tools 運(yùn)用在農(nóng)業(yè)工程中可以精準(zhǔn)建立各類溫室模型，根據(jù)實(shí)際經(jīng)緯度、氣象條件和建筑材料等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行太陽(yáng)輻射變化規(guī)律分析，為溫室太陽(yáng)輻射提供理論依據(jù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)將對(duì)日光溫室的方位角結(jié)合光照時(shí)數(shù)進(jìn)行采光性能的兩個(gè)方面模擬:一是測(cè)試Ladybug tools在測(cè)試溫室光照分析的準(zhǔn)確性；二是測(cè)試方位角變化對(duì)溫室光照的影響。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究以南疆和田縣盛世華強(qiáng)公司日光溫室為研究對(duì)象（79.93°E，37.12°N）。溫室東西方向長(zhǎng)160 m，跨度為14 m，脊高6.5 m，后墻高5.25 m，后屋面仰角40°，后屋面及東西山墻材質(zhì)均由保溫被構(gòu)成。前后間距15 m，左右間距5 m，且現(xiàn)有溫室前屋面的透光率為76%。本試驗(yàn)在14：00—17：00溫室采用遮陽(yáng)網(wǎng)進(jìn)行降溫，測(cè)試期間后屋面及東西山墻保溫被已覆蓋，如圖1-圖2所示。

圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Solar greenhouse structure diagram

圖2 日光溫室剖面圖Fig.2 Section view of solar greenhouse

1.2 試驗(yàn)方法

模擬軟件利用Rhino 對(duì)日光溫室進(jìn)行1∶1 建模。通過(guò)LBT 進(jìn)行模擬，載入和田市EPW（CHN_Kinjiang.Uyhur.Hotan.518280_SWERA）氣候數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)記錄日光溫室內(nèi)光照環(huán)境的儀器，由徐州法拉電子科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的環(huán)境檢測(cè)儀設(shè)備型號(hào)：S21A/S21D，該檢測(cè)儀可記錄24 h的環(huán)境監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)每5 min記錄1次，光照強(qiáng)度測(cè)量范圍：0～130 000 lx并采用無(wú)線傳輸方式。選定監(jiān)測(cè)時(shí)間為2023年6月21日，分別為9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、19：00、20：00，共8 h。另設(shè)定日光溫室方位角的5種變化情況，為East 12°（南偏東12°）、East 8°（南偏東8°）、0°（正南正北）、West 8°（南偏西8°）和West 12°（南偏西12°），溫室記錄儀位置如圖3所示。

圖3 溫室記錄儀位置Fig.3 Greenhouse recorder position

2 模擬過(guò)程與方位分析

2.1 溫室光照分析LBT模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比

試驗(yàn)?zāi)M日期為2023年6月21日夏至，天氣狀況：25～35 ℃，多云轉(zhuǎn)晴，東風(fēng)1 級(jí)。溫室光照分析變化情況，溫室總采光量整體趨勢(shì)是自南向北遞減，后墻東西墻角處采光量最小。當(dāng)天溫室9：00模擬平均光照度為3 613.35 lx，8 h 中均值最高是14：00，為11 312.75 lx。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)9：00平均光照度為3 670.08 lx，由于南疆地區(qū)最高溫時(shí)間為14：00左右，故全天最高光照數(shù)中均值最高為14：00的10 694.17 lx。具體模擬過(guò)程如圖4所示。

圖4 Ladybug tools模擬過(guò)程Fig.4 Ladybug tools simulation process

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)按設(shè)定的8 h。通過(guò)以上兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比，得出兩組RSD 分別：1.10%、3.49%、3.56%、4.34%、4.36%、3.98%、3.23%、1.04%，可見(jiàn)LBT對(duì)于處理的光照分析模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)值相差不超5%，說(shuō)明使用LBT 軟件分析該地區(qū)日平均光照度具較準(zhǔn)的參考價(jià)值。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 日光溫室模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison between simulation and measured data of solar greenhouse

表2 不同方位角模擬對(duì)比Tab.2 Simulation and comparison of different azimuths

2.2 不同方位角變化對(duì)溫室的光照分析

模擬2023年6月21日夏至溫室不同方位角的光照分析變化情況，時(shí)間為9：00、12：00、14：00、18：00、19：00、20：00。角度為East 12°、East 8°、0°、West 8°、West 12°。通過(guò)模擬可以看出，在9：00—14：00，West 8°、East 8°、0°等3 種方位角光照模擬的數(shù)據(jù)誤差均值在0.14%，在18：00—20：00 時(shí)3 種模擬的數(shù)據(jù)誤差均值在2.2%。West 12°、East 12°、0°等9：00—14：00 時(shí)3 種模擬的數(shù)據(jù)誤差均值在0.04%，18：00—20：00 時(shí)3 種模擬的數(shù)據(jù)誤差均值在3.15%。因此，從本文模擬數(shù)據(jù)可知18：00以后由于南疆的日照時(shí)長(zhǎng)和不同的方位角繼而得知：West 12°＞0°＞East 12°、West 8°＞0°＞East 8°，所以偏西南的方位角比正南正北的方位角更優(yōu)，因此，隨著日落的開(kāi)始偏西南比正南和偏東南的更優(yōu)。具體模擬過(guò)程如圖5所示。

圖5 方位角模擬Fig.5 Azimuth simulation

3 結(jié)論

本文借助LBT 模擬分析軟件，從溫室光照性能，到軟件驗(yàn)證，再到不同方位角模擬，對(duì)盛世華強(qiáng)日光溫室進(jìn)行光環(huán)境模擬與分析的測(cè)試，得出以下結(jié)論：

本試驗(yàn)所建立了和田當(dāng)?shù)厝展鉁厥夷Ｐ停浖峁┑耐腹饴适枪潭ㄖ担F(xiàn)實(shí)中受南疆地理位置、大氣透明度、風(fēng)沙等影響，各溫室薄膜的透光率存在一定誤差。因此，LBT模擬在不同地區(qū)使用時(shí)需考慮溫室骨架曲線和透光率等問(wèn)題，根據(jù)不同的差異修改模型模擬各方面參數(shù)。根據(jù)本次試驗(yàn)已知實(shí)測(cè)值與模擬值相對(duì)誤差范圍在1.04%～4.46%，相較于其他軟件，LBT 在不斷更新和完善，所以模擬分析的結(jié)果較為準(zhǔn)確，為溫室模擬的可視化選擇上提供一種方法。由于僅采用1 d 的數(shù)據(jù)對(duì)日光溫室光照性能進(jìn)行了模擬和比較，若實(shí)際應(yīng)用，需結(jié)合1 周及以上的周期開(kāi)展進(jìn)一步的研究，總結(jié)適合南疆地區(qū)生產(chǎn)的溫室采光性能和光照分析，設(shè)計(jì)出優(yōu)化的溫室采光類型，本次試驗(yàn)?zāi)M的方式是可取的，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，因此，試驗(yàn)結(jié)果可信。

和田具有較好的光照條件，不同方位角模擬對(duì)溫室光照有不同的影響，以2023 年6 月21 日夏至為例，5種不同的方位角在18：00以后出現(xiàn)較大的浮動(dòng)，光照度偏West 8°為例光照值為4 514.26 lx對(duì)比0°的3 339.52 lx標(biāo)準(zhǔn)誤差為14.9%，說(shuō)明光照值從優(yōu)到差的角度順序是West 12°＞0°＞East 12°、West 8°＞0°＞East 8°，所以偏西南的方位角更優(yōu)。因此在適宜的條件下可以考慮在南疆地區(qū)建立偏西12°的溫室。