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1、日光温室采光性能的实用型优化研究魏永强农学0303班23号摘 要：本研究根据日光温室空间光强渐减的特点,结合Beer-Lambert定律,建立日光温室采光性能的数学模型,通过温室平均采光效率ηs等评价指标,分析了以保定地区为例的模型运算结果,明确了圆弧面、椭圆面、双曲线面、抛物线面4种采光屋面曲线方程的最佳参数.并结合肩高、采光面下土地使用效率Ψ评价指标分析发现,在6种曲线中,两种复合采光面(圆+地窗型和椭圆+地窗型)的ηs较优而且肩高较大,具有实用性;同时还发现,在同一内跨、脊高和肩高下,二者的采光性能因光程相近而趋同.另外,圆弧面的ηs最高,但是肩高最小,实用
2、性最差;椭圆面和抛物线面在方程参数优化后表现极为相近,虽然肩高较高,但是ηs最低.关键词：日光温室;采光性能;采光效率单斜面温室的采光性能优化一直受到国内外学者的广泛关注。20世纪90年代以来,中国的日光温室采光性能优化研究进展较快。根据日光温室采光屋面单拱形曲面的特点,其优化焦点主要集中在采光屋面的曲线类型上,并从4～6种单一曲线或复合曲线中发现冬季以圆弧面优于椭圆面[1]。周长吉等[7],则分析了现有数学表达式曲线作为采光面优化存在局限性的弊端,采用网格优化法将优化结果光滑连接成为最优采光曲线。为了将日光温室采光性能优化模拟结果和理论应用于生产,尚需要进一步明
3、确以下两个方面:一是确定优型曲线的方程参数。因为一个曲线的方程参数不同,其采光角度不同,采光性能也会有所差异,而且温室内跨和脊高以及高跨比也会对方程参数和采光性能有着明显影响;二是明确优型曲线在生产中应用的可行性。因为单纯以采光量最大化作为优化评价指标会难以构成实用型的优型采光屋面的。例如,优化筛选出的圆弧面[1,2],会因其前部低矮区域过大,土地使用效率低[2]、农事操作困难而难于被生产者接受。李有等[2]提出的温室采光面下土地使用效率指标有助于增强采光性能优化的实用性。为此,本研究借鉴并改进引入了温室平均采光效率、合理采光区比率、采光面下土地使用效率等指标,以
4、保定地区(北纬38°51′)为例,结合数学模型运算结果进行了采光性能的实用型优化,同时探索采光屋面优化的原理及其与实际应用相结合的关键点,以期促进我国日光温室生产的进一步发展。1 方法1.1 日光温室采光效率模型为了便于曲型屋面采光性能的研究,在单拱面型日光温室剖面图(图1)中,将温室地面作ｘ轴,并且将ｘ轴上的ＯＡ分为ｍ等份,即ｉ=1,2,……,ｍ。其中,第ｉ-1点与第ｉ+1点的ｘ轴垂线,与曲型采光屋面ＡＢ分别相交于Ｐｉ-1和Ｐｉ+1点。Ｐｉ-1和Ｐｉ+1两点连线的中点为Ｐｉ。只要ｍ足够大,Ｐｉ-1和Ｐｉ+1点的连线就会与曲型屋面Ｐｉ点逼近。通过Ｐｉ点的屋面角度为
5、α,阳光入射角为θ,太阳高度角为ｈ′;阳光Ｉ0通过采光膜面Ｐｉ点进入室内为Ｉ′,再到达受光照部位为Ｉｉ。图1 日光温室采光图解Ｆｉｇ.1 Ｄｉａｇｒａｍｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｌｉｇｈｔｉｎｇ以某时刻温室内各部位(地面、后墙面、后屋面)接受的日照量与室外膜面上日照量的比值称为温室采光效率,其平均值称为温室平均采光效率ηｓ,可以表达为:ηｓ=∑ｍｉ=1ＩｉＩ0/ｍ=ＩＡＤ+ＩＣＤ+ＩＢＣｍ·Ｉ0(1)其中,Ｉｉ为阳光通过Ｐｉ点穿过室内空间到达受光照部位Ｑｉ点的光强;Ｉ0为室外阳光光强。通过Ｐｉ点进入室内膜面内侧的阳光强度Ｉ′,与穿过室内空间到达受光照部位Ｑｉ点的光强
6、Ｉｉ之间,符合Ｂｅｅｒ-Ｌａｍｂｅｒｔ定律,即:Ｉｉ=Ｉ′·ｅｘｐ(-εｓ)(2)式中,ε为温室内空间的大气吸收系数,采用温室内实测方法进行计算。在冬至期2004年12月21日12:00-13:00,在日光温室内,随机取Ｐｉ点至Ｑｉ点,在其光程ｓ上以50ｃｍ间隔,采用ＣＩＲＡＳ-2光合仪进行光合有效辐射ＰＡＲ测定。3次重复,并计算大气吸收系数ε。采用ＳＰＳＳ10.0进行回归模拟,分析结果为ε=00968±00038。进入室内的阳光强度Ｉ′为:ＩＰＶＣ农膜实测的λ与θ关系,并参照陈端生等[2]的经验型公式改良为式(4)。λ=90-ｅｘｐ(θ×2′=λ·Ｉ0(3)式中
7、,λ为薄膜的透光率。薄膜的透光率λ与光线入射角θ关系的经验型函数公式是根据01ｍｍ86)(4)其中,θ的单位为弧度。根据日光温室屋面、不同季节太阳的位置、某一地区的地理纬度,θ表达为式(5)。θ=90°-α-ｈ′=δ+δ0-α(5)式中,屋面角度α通过Ｐ点坐标计算为,ｔｇα=(ｙｉ-1-ｙｉ+1)/(ｘｉ+1-ｘｉ-1);ｈ′为太阳高度角;δ为当地地理纬度;δ0为太阳直射的纬度,冬至时δ0=23°26′。ｓ为膜面Ｐｉ点到达受光照部位Ｑｉ点的距离,即光线路程,简称为光程。ｓ值根据采光屋面优化目标通过各点坐标计算,即Ｐｉ(ｘｉ,ｙｉ)、Ｑｉ(ｘｉ→ｊ,ｙｉ→ｊ)、Ａ(
8、ｗ,0)、
