不同覆蓋材料對日光溫室室內光環(huán)境的影響

楊文雄，馬承偉

( 1.中國農業(yè)大學， 北京　100083； 2.農業(yè)部設施農業(yè)生物環(huán)境工程重點開放實驗室，北京　100083；3.北京農業(yè)職業(yè)學院，北京　102206)

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不同覆蓋材料對日光溫室室內光環(huán)境的影響

楊文雄1,2,3，馬承偉1,2

( 1.中國農業(yè)大學， 北京100083； 2.農業(yè)部設施農業(yè)生物環(huán)境工程重點開放實驗室，北京100083；3.北京農業(yè)職業(yè)學院，北京102206)

摘要：系統(tǒng)研究了6種不同的覆蓋材料聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯復合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)及聚碳酸酯板(PC)對日光溫室室內光環(huán)境的影響，包括平均透光率、直射光與散射光的比例、溫室室內各表面的光輻射照度分布和光輻射日變化情況，目的是全面了解覆蓋材料對日光溫室光分布的影響，旨在從光輻射角度，為日光溫室建造和室內作物種植提供科學依據(jù)。研究結果表明：最好的覆蓋材料為氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)，最差的為聚乙烯膜(PE)。不同覆蓋材料的平均透光率以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最好，均達到67.5%；太陽光經過不同覆蓋材料后，照射到溫室地面的光輻射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大，均為131.8W/m2,以聚乙烯膜(PE)為最小，為114.2W/m2，兩者相差15.4%；11月22-24日，溫室地面的光輻射照度呈逐漸上升的趨勢。對于不同的覆蓋材料，溫室地面的光輻射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大，聚乙烯膜(PE)為最小。

關鍵詞：日光溫室；覆蓋材料；光輻射照度

0引言

透光性能是評價覆蓋材料的重要指標，目前用作日光溫室覆蓋材料主要有聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯復合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)及聚碳酸酯板(PC)等，它們各有其優(yōu)缺點。王楠[1]對24種典型日光溫室透光覆蓋材料的分光透過率進行了測試，結果表明：在400～2 300nm波長范圍內，所有材料的輻射透過率均在80%以上，EVA膜的透過率優(yōu)于PE膜。丁小明[2]選用PE膜、浮法玻璃和PC板，測試比較這3種典型的覆蓋材料透過率和光合有效輻射(PAR)透過率，結果表明：PE膜幾乎不受影響，浮法玻璃相差2%，PC板差異達2%～3.7%。陳強[3]通過對相同結構日光溫室覆蓋PO膜與PE膜后冬季室內溫光環(huán)境的監(jiān)測，結果表明：PO膜覆蓋的溫室透光率較PE膜高4.5%～4.7%。所有這些研究全部集中在對覆蓋材料本身特性上，而沒有研究太陽光透過不同的覆蓋材料后，日光溫室內部的光照環(huán)境發(fā)生了怎樣的變化和分布規(guī)律。而事實上，日光溫室內的光照環(huán)境受到建筑方位、屋面形狀和覆蓋材料等多種因素的影響。軒維艷[4]、李曉豁[5]、佟國紅[6]、孫忠富等[7]提出了日光溫室光照度計算模型或模擬方法；但由于光照在溫室內傳播規(guī)律的復雜性及影響因素眾多，研究者提出的模型很難動態(tài)反映出溫室內各表面的光照分布變化。為此，中國農大農業(yè)部重點實驗室將各種模型和模擬方法綜合集成，首次創(chuàng)造性地提出采用光線逆向回溯的方法和天空等輝度假設，構建日光溫室光輻射環(huán)境模型，使模型更加系統(tǒng)、完整、準確和接近實際。本文以該模型為基礎，編制模擬軟件，重點展開不同覆蓋材料對日光溫室室內光照環(huán)境的影響研究。

本文與以往相關研究的不同之處在于：以往的相關研究大多集中在對覆蓋材料本身特性的研究，如覆蓋材料的透光率及紅藍光透過比等。雖然覆蓋材料自身特性對太陽光透過后的變化情況起到決定作用，但弄清太陽光透過覆蓋材料之后如何對日光溫室的墻面、地面、后屋面，以及內部各面、各點產生影響也同樣重要，因為這關系到處在溫室室內各面、各點的種植作物對光的吸收，從而影響到作物的生長收成和溫室的經濟效益。因此，研究不同覆蓋材料對日光溫室室內光分布的影響十分重要且具有實際意義。

1理論依據(jù)與條件設定

1.1理論依據(jù)

日光溫室內的直射光輻射采用光線逆向回溯的方法確定，散射光輻射采用天空等輝度假設確定[8]。

室內任意一點P的直接輻射照度為

(1)

式中I0—大氣層外邊界處法向太陽輻射照度；

p—大氣透明度，與地理位置和天氣情況有關；

m—大氣質量；

h—太陽高度角；

ω—計算平面與水平面間的夾角；

CC—云量；

Haze— 霧度；

τzT—覆蓋材料對直接輻射的透光率。

室內任意一點P的散射輻射照度為

(2)

式中λp—可見視角；

τs—干潔新覆蓋材料對散射輻射透過率；

φ—太陽光線與計算平面的法線間的夾角；

CCF—云遮系數(shù)。

室內任意一點P的總輻射照度為

IP=IzP+IsP

(3)

1.2條件設定

為了研究不同覆蓋材料對日光溫室室內光照環(huán)境的影響，將與溫室相關的其他一些條件固定下來。

設定：溫室方位北緯緯度40°、經度120°，溫室跨度8m、屋脊高度3.94m，屋面類型為雙圓曲線。太陽光輻射的指定時刻為：11月22日中午12:00，當日云量為6，日變化為11月22日、23日、24日3天。

2覆蓋材料對溫室內光環(huán)境的影響

借助中國農大農業(yè)部重點實驗室的光輻射模型，并編制軟件，系統(tǒng)研究聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯復合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)及聚碳酸酯板(PC)這6種不同的覆蓋材料對日光溫室室內光環(huán)境的影響，包括平均透光率、直射光與散射光的比例、溫室室內各表面的光輻射照度分布和光輻射日變化情況。

2.1平均透光率

根據(jù)光輻射模型編制的軟件，得到不同覆蓋材料溫室的透光率，如圖1所示。

圖1　不同覆蓋材料溫室的透光率

由圖1可以看出：不同覆蓋材料的平均透光率，氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最好，均達到67.5%；其次是聚碳酸酯板(PC)、聚氯乙烯膜(PVC)和乙烯醋酸乙烯復合膜(EVA)；聚乙烯膜(PE)為最差。這是由覆蓋材料本身的性能決定的。

2.2直射光與散射光的比例

太陽光分為直射光和散射光，其透過溫室覆蓋材料后會投射到溫室的各個空間表面，包括地面、墻面和后屋面；但由于溫室作物主要種植在溫室地表，所以地面的直射光和散射光的比例對溫室作物的生長影響最大。因此，本研究只考慮太陽光經過不同覆蓋材料后投射到地面的直射光與散射光的比例情況。

從表1可以看出：太陽光經過不同覆蓋材料到達地面后，直射光和散射光幾乎各占1/2；透過聚碳酸酯板(PC)、氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)到達地面的直射光比例較高，達55.3%；透過聚乙烯膜(PE)到達地面的直射光比例最小，為48.1%。這說明，不同覆蓋材料對日光溫室室內地面的直射光和散射光比例影響不大。

表1　地面直射光與散射光的比例

2.3溫室內各表面的光輻射照度分布

太陽光透過覆蓋材料照射到溫室的地面、墻面和后屋面，在冬季，希望溫室各表面的光輻射照度相對越大越好，墻面和后屋面的光輻射照度大，則轉化為熱輻射的效率大，可以提高溫室內部的溫度，為溫室作物的生長提供溫室支持。溫室地面的光輻射照度大，則溫室作物在單位時間單位面積可用來光合作用的能量就大，可提高生長效率。

從圖2可以看出：太陽光經過不同覆蓋材料后，照射到溫室地面的光輻射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大，均為131.8W/m2；以聚乙烯膜(PE)為最小，為114.2W/m2；兩者相差15.4%。太陽光經過不同覆蓋材料后，到達墻面和后屋面的光輻射照度變化相對較小，但也以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大。從光輻射照度分布角度看，最好的覆蓋材料是氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)。

圖2　不同覆蓋材料溫室內各表面的光輻射照度分布

2.4光輻射日變化情況

利用光輻射模型和軟件，計算每日太陽光經過不同覆蓋材料后到達地面的光輻射照度情況，日變化是指11月22日、11月23日和11月24日，當日云量分別為6、4、2。每日計算太陽光輻射的有效時間，即從8:00-16：00每1h記錄1次數(shù)據(jù)，最后繪制光輻射日變化情況圖，如圖3所示。

圖3　不同覆蓋材料的光輻射日變化情況

從圖3可以看出：每種覆蓋材料的光輻射日變化情況都呈開口向下的拋物線形狀，每日的最大光輻射照度在中午12:00時。11月22日-24日，光輻射照度呈逐漸上升的趨勢。對于不同的覆蓋材料，溫室地面的光輻射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大，聚乙烯膜(PE)為最小；11月24日12:00時，氟素膜(ETFE)的光輻射照度比聚乙烯膜(PE)高出了9.7%。

3結論

通過光輻射模型和軟件，系統(tǒng)研究聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯復合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)和聚碳酸酯板(PC)這6種不同的覆蓋材料對日光溫室室內光環(huán)境的影響。其結果是：不同覆蓋材料的平均透光率，氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最好，均達到67.5%，聚乙烯膜(PE)為最差；不同覆蓋材料對日光溫室室內地面的直射光和散射光比例影響較小。太陽光經過不同覆蓋材料后，照射到溫室地面的光輻射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大，均為131.8W/m2；以聚乙烯膜(PE)為最小，為114.2W/m2；兩者相差15.4%。11月22日-24日，溫室地面的光輻射照度呈逐漸上升的趨勢。對于不同的覆蓋材料，溫室地面的光輻射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)為最大，聚乙烯膜(PE)為最小。綜合來看，最好的覆蓋材料為氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)，最差的為聚乙烯膜(PE)。出現(xiàn)這種結果最主要的原因是由覆蓋材料本身的特性決定的，溫室結構和不同的空間表面也是影響結果的因素之一。

參考文獻：

[1]王楠，馬承偉，趙淑梅，等.日光溫室常用透光覆蓋材料輻射透過性能測試研究[J]．沈陽農業(yè)大學學報，2013(5)：531-535.

[2]丁小明，周長吉.溫室透光覆蓋材料透光特性的測試[J]．農業(yè)工程學報，2008(8)： 210-213.

[3]程強,劉思瑩,曲梅,等.PO膜和PE膜日光溫室溫光環(huán)境比較分析[J]．中國蔬菜，2011，22(24)：72-77.

[4]軒維艷.日光溫室采光屋面曲線數(shù)學模型的建立與分析[J]．天津農業(yè)科學，2006，12(4)：44-46.

[5]佟國紅,李保明.日光溫室內各表面太陽輻射照度的模擬計算[J].中國農業(yè)大學學報，2006，11(1):61-65.

[6]孫忠富,李佑祥,吳毅明.北京地區(qū)典型日光溫室直射光環(huán)境的模擬和分析-設施農業(yè)光環(huán)境模擬分析研究之四[J]．農業(yè)工程學報，1993，9(2)：45-52.

[7]李曉豁.日光溫室采光性能的模擬分析[J].黑龍江科技學院學報，2005，15(2)：27-29.

[8]馬承偉,趙淑梅,程杰宇,等.日光溫室光輻射環(huán)境模型構建[J].沈陽農業(yè)大學學報,2013，44(5)：513-517.

The Effect of Different Covering Materials on the Indoor Light Environment in Greenhouse

Yang Wenxiong1,2,3， Ma Chengwei1,2

(1.China Agricultural University, Beijing 100083, China;2. Key Lab of Bioenvironmental Engineering, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China; 3. Beijing Vocational College of Agriculture , Beijing 102206, China)

Abstract：This paper systematically studies the effect of 6 kinds of different cover materials: the polyethylene film (PE), ethylene vinyl acetate composite membrane (EVA), polyvinyl chloride (PVC) film, polyester film (PET), Fu Sumo (ETFE), polycarbonate (PC) on the indoor light environment in greenhouse included in a light irradiance distribution of the surface the average transmittance, direct light and scattered light proportion, greenhouse and light radiation, diurnal variation.The purpose is to fully understand the impact of light distribution cover material on the greenhouse, to from the light radiation angle, and provide scientific basis for construction and indoor greenhouse planting crops. The research results show that: the best cover material for fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET), the worst for polyethylene film (PE). The average transmission rate of different covering materials, fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET) was the best, reached 67.5%.The sun after different covering materials, exposure to light irradiance greenhouse ground to fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET) is the largest, are 131.8W/m2, with polyethylene film (PE) is the smallest, is 114.2W/m2,The difference is 15.4%.From November 22nd to November 24th, light irradiance greenhouse ground showed a rising trend. For different cover materials, light irradiance greenhouse ground to fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET) is the largest, polyethylene film (PE) as a minimum.

Key words：greenhouse; cover material; light radiation intensity

文章編號：1003-188X(2016)02-0145-04

中圖分類號：S625.1

文獻標識碼：A

作者簡介：楊文雄(1978-)，男，湖北天門人，講師，博士研究生,(E-mail)24518518@qq.com。

基金項目：“十二五”農村領域國家科技計劃項目(2013AA102407)；北京農業(yè)職業(yè)學院院級科研項目(XY-YF-14-43)

收稿日期：2015-04-09