日光溫室太陽輻射推算模型的構建

摘要：根據(jù)每日天氣預報資料，構建了日光溫室外太陽輻射推算模型；根據(jù)日光溫室透光率，構建了日光溫室內(nèi)太陽輻射推算模型。模型中考慮了天空云量對太陽輻射的遮擋，并利用吉林省吉林市永吉縣雙河鎮(zhèn)日光溫室對模型進行了驗證。結果表明，模型能預測晴天和多云的日光溫室外和室內(nèi)到達土壤表面的太陽輻射的動態(tài)過程，模型推算值與實測值極顯著相關，相對誤差小于９．５％。

關鍵詞：日光溫室；太陽輻射；推算模型

中圖分類號：Ｓ６２５．５＋１ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）07－1468-03

Ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ of Ｓｏｌａｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ

ＧＵＯ Ｚｈｅｎｇ－ｈａｏ１，２，ＹＵ Ｈａｉ－ｙｅ１，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ１

（１． Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２， Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｉｌｙ ｗｅａｔｈｅｒ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｕｔｓｉｄｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ． Ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒ ｔｈａｔ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ waｓ ｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ mounts ｏｆ ｃｌｏｕｄｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ ｓｈｕａｎｇｈｅ tｏｗｎ， Ｙｏｎｇｊｉ cｏｕｎｔｙ， Ｊｉｌｉｎ pｒｏｖｉｎｃｅ， ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｈａd ｂｅｅｎ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｃould ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｓｉｄｅ ａｎｄ ｏｕｔｓｉｄｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ ｓｕｎｎｙ ａｎｄ ｃｌｏｕｄｙ ｄａｙｓ． Ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｆｒｏｍ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｖａｌｕｅｓ waｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ waｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ９．５％．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： gｒｅｅｎｈｏｕｓｅ； sｏｌａｒ rａｄｉａｔｉｏｎ； pｒｏｊｅｃｔｉｏｎ mｏｄｅｌ

來自太陽輻射的能量，是地球表面上一切有生命的機體賴以生存并與生命環(huán)境相互作用的最重要、最根本的能量源泉［１］。自然條件下，綠色植物進行光合作用制造有機質(zhì)必須有太陽輻射作為惟一能源參與才能完成［２］。太陽輻射實際上是一種電磁波，它有各種不同的波長［３］。以短波輻射為主的太陽輻射通過溫室透光材料進入溫室，在使地溫和氣溫升高的同時轉(zhuǎn)化為長波輻射，長波輻射又被透光材料阻隔在溫室內(nèi)，從而形成溫室內(nèi)熱量積聚，使溫室內(nèi)溫度升高，這一過程稱為“溫室效應”。溫室正是利用“溫室效應”，在作物不適于生長的寒冷季節(jié)通過提高室內(nèi)溫度改變作物生長環(huán)境來達到作物反季節(jié)生產(chǎn)和提高產(chǎn)量的目的。因此，太陽輻射在很大程度上直接影響甚至決定了日光溫室溫光環(huán)境，推算并分析日光溫室太陽輻射時空變化特征具有重要意義。

１ 日光溫室太陽輻射推算模型

１．１ 室外模型

１．１．１ 晴天無云時到達地面的太陽輻射照度

１）太陽直射輻射照度計算。任意平面上得到的太陽直射輻射，與陽光對該平面的入射角有關，如果某平面的傾角為θ時，其所接受的太陽直射輻射照度Ｉｂθ計算公式如下：

Ｉｂθ＝ＩｏＰｍｃｏｓｉ

式中Ｉｏ為大氣層上界的太陽輻射照度，Ｗ／ｍ２； Ｐ為大氣透明系數(shù)，大氣透明系數(shù)在最好晴天取值為０．８５、較好的晴天取值為０．８０、中等晴天取值為０．６５、較差的晴天取值為０．５３［４］；m為大氣質(zhì)量，不同太陽高度角的大氣質(zhì)量數(shù)不同，９０°取１．００、６０°?。保保?、３０°?。常埃啊ⅲ薄闳。玻保梗啊ⅲ啊闳。常担矗埃郏担?； ｉ為入射角（°）；氣層上界的太陽輻射照度Ｉｏ計算公式如下：

Ｉｏ＝1 3671+0.033cos■

ｄｎ為日序，即１月１日為１， ２月１日為３２，其余依次類推。

２）太陽散射輻射照度計算。建筑圍護結構外表面從空中所接受的散射輻射包括３項，即天空散射輻射、地面反射輻射和大氣長波輻射，其中天空散射輻射是關鍵項。在給出太陽總輻射照度的數(shù)據(jù)時，散射輻射一般只計算其中天空散射輻射一項［６］。如果某平面的傾角為θ時，其所接受的太陽散射輻射照度Ｉｄθ計算公式如下：

Ｉｄθ＝Idcos2■

式中，Ｉｄ為晴天水平面的天空散射輻射照度，計算公式如下：

Ｉｄ＝■Ｉ0■sinβ

式中，β為太陽高度角（°）。

３）太陽總輻射照度計算。地球上任何一個地方，任意一種傾斜面上，獲得的太陽總輻射照度Ｉｓθ等于該傾斜面上所接受的直射輻射照度Ｉｂθ和散射輻射照度Ｉｄθ的總和，計算公式如下：

Ｉｓθ＝Ｉｂθ＋Ｉｄθ

１．１．２ 有云時到達地面的太陽輻射照度 一天中，若部分為陰天，部分為晴天，則定義該日為一個“有云日”［２］。對于有云日來說，其情況極為復雜，目前還沒有非常好的辦法來進行統(tǒng)計計算。在氣象上常以天空中出現(xiàn)的云量（用符號“ｃｃ”表示）的多少計算天氣晴朗的程度。將云量多少分為０～１０級，當云量ｃｃ≤2時可以認為是全晴天氣，用前述晴天的太陽輻射計算公式來計算；當２＜ｃｃ＜８是一般常見天氣，每天之間可能出現(xiàn)晴、多云或陰三種狀態(tài)；當ｃｃ≥８時，基本上是多云或陰，不會出現(xiàn)晴的狀態(tài)［６］。此時，由于云量的多少直接影響透過大氣層的太陽輻射量，所以，有人提出用云量的數(shù)量計算來進行修正，作為有云日地面上接受的太陽輻射照度，云遮系數(shù)法就是這種方法。有云日水平面上太陽總輻射照度ＩＨＣ可按下式近似計算：

ＩＨＣ＝ＩＨＣＣＦ

式中，ＩＨ為晴天水平面太陽總輻射照度，計算公式如下：

ＩＨ＝Ｉｂ＋Ｉｄ＝ＩｏＰ ｍ+■sinβ

Ｉｂ為水平面的太陽直接輻射照度，Ｗ／ｍ２

Ｉｂ＝ＩoＰｍｓｉｎβ

ＣＣＦ為云遮系數(shù)，它可根據(jù)天空云量多少按下式求得：

ＣＣＦ＝Ｐ＋Ｑ（ＣＣ）＋Ｒ（ＣＣ）２

式中，Ｐ、Ｑ、Ｒ為常數(shù)值，與地區(qū)和季節(jié)有關，具體見表１。

１．２ 室內(nèi)模型

溫室內(nèi)光照度受溫室透光率的直接影響。溫室透光率與溫室方位、類型、溫室結構、溫室內(nèi)設備的布置、透光材料類型及老化程度、透光覆蓋材料的結露情況及污染程度等諸多因素有關。溫室內(nèi)太陽總輻射照度按下式計算［８］：

Ｉｉｎ＝Ｉｂθτｂ＋Ｉｄθτｄ

式中，Ｉｂθ為到達溫室外壁面太陽直接輻射照度，Ｗ／ｍ２；Ｉｄθ為到達溫室外壁面太陽散射輻射照度，Ｗ／ｍ２；τｂ為直射光的透過率；τｄ為散射光的透過率，τｂ取決于直射光的入射角和相應的透光材料透射率：

τｂ＝τα（１－ｒ１）（１－ｒ２）（１－ｒ３）

τα為干潔透光材料在入射角為α時的透射率；ｒ１為溫室構架、設備等不透光材料的遮光損失，一般大型溫室不超過5%，小型溫室不超過10%；ｒ２為溫室覆蓋材料因老化造成的透光損失；ｒ３為水滴和塵埃造成的透光損失，一般水滴透光損失可達20%~30%，塵埃透光損失可達15%~20%，τｄ取決于散射光的入射角和相應的透光材料透射率。

τｄ＝τｄ０（１－ｒ１）（１－ｒ２）（１－ｒ３）

τｄ０為干潔透光材料對散射光透射率；ｒ１、ｒ２、ｒ３同上。

２ 結果及分析

２．１ 試驗布置基本情況

試驗地點位于吉林省吉林市永吉縣雙河鎮(zhèn)。雙河鎮(zhèn)位于吉林市與長春市中間偏南部，適合溫室生產(chǎn)。所涉及的試驗數(shù)據(jù)來自雙河鎮(zhèn)內(nèi)的一棟日光溫室，該溫室為單棟節(jié)能型塑料薄膜日光溫室，東西走向，坐北朝南，長６０ ｍ，跨度５．７０ ｍ，前坡面和后坡面為鋼結構一體化半拱形桁架，中脊高 ２．７０ ｍ，后墻高１．８５ ｍ。后墻和山墻為磚結構，厚０．５４ ｍ，后墻有中空部分，添加 ０．０５ ｍ珍珠巖等保溫材料。薄膜材料采用聚氯乙烯膜，厚０．８ ｍｍ。在室外距供試日光溫室５ ｍ遠的３ ｍ高臺上設置一個ＤＦＹ２型天空輻射表（日本英弘精機制，ＭＳ－６０１型），日光溫室內(nèi)中央地面設置一個ＤＦＹ２型天空輻射表（日本英弘精機制，ＭＬ－０２０型），進行太陽輻射的測定。

２．２ 結果分析

運用ＭＡＴＬＡＢ編制程序求解模型。代入每日天氣預報的條件，程序就可計算出每日室內(nèi)、外太陽輻射隨時間變化的預測值，并將預測值和實測值進行比較分析。圖１顯示了晴天日光溫室內(nèi)、外太陽輻射照度預測值與實測值的模擬結果；圖２顯示了多云天日光溫室內(nèi)、外太陽輻射照度預測值與實測值的模擬結果。對晴天、多云天擬合檢驗，模擬計算得到日光溫室內(nèi)、外太陽輻射照度預測值與實測值極顯著正相關，相對誤差小于９．５％。

３ 小結

基于每日天氣預報資料，繼承了前人的研究成果，模型的預測值與實測值極顯著相關，相對誤差小于９．５％，精度較高。晴天時，太陽短波輻射為主，覆蓋材料對短波輻射透射率高，室內(nèi)外輻射照度變化同步、明顯；多云天時，云層與地面間長波輻射較多，又多被覆蓋材料阻擋在溫室外部，所以溫室內(nèi)輻射照度變化比室外變化緩慢，變化幅度小。本模型雖然誤差小、精度高，但模型檢驗結果還存在一定的誤差，有測量儀器本身的問題，也有大氣氣溶膠等污染物對太陽輻射影響方面的原因。由于模型所需氣象資料均為氣象臺站常規(guī)觀測項目， 適合當?shù)靥栞椛涞哪M計算，所以具有很好的推廣前景。

參考文獻：

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