日光溫室主動(dòng)采光機(jī)理與透光率優(yōu)化試驗(yàn)

張 勇，鄒志榮

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

日光溫室主動(dòng)采光機(jī)理與透光率優(yōu)化試驗(yàn)

張 勇，鄒志榮

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

中國(guó)的日光溫室實(shí)現(xiàn)了高效的太陽能利用，溫室采光面的采光設(shè)計(jì)是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)極其重要的方面。但是，在實(shí)踐的設(shè)計(jì)中，對(duì)于自然光入射角小于40°的光照透過率未進(jìn)行深入的理論研究，使得溫室采光的設(shè)計(jì)長(zhǎng)期停滯于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主的狀態(tài)。該文采用光學(xué)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究的方法，詳細(xì)分析了溫室采光面在小幅調(diào)整條件下自然光的透過率，以及溫室采光面角度調(diào)整與室內(nèi)光照強(qiáng)度透過率的增加之間的定量關(guān)系。從經(jīng)典光學(xué)理論出發(fā)，推導(dǎo)了溫室采光設(shè)計(jì)的計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算方法，并結(jié)合理論要求并進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過理論推導(dǎo)和試驗(yàn)得到，對(duì)于可以主動(dòng)改變采光角度的主動(dòng)采光溫室條件下，在太陽光入射角達(dá)到20°，30°和40°時(shí)，太陽光的強(qiáng)度透過率，分別達(dá)到了85.68%，76.47%，64.72%。特別是當(dāng)入射角大于40°時(shí)，直射光強(qiáng)度透射率下降更加明顯，在入射角為50°和60°時(shí)，直射光強(qiáng)度透射率分別為53.38%和39.67%。理論分析和試驗(yàn)研究表明，將溫室采光面的傾角從25°提高到35°，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果均表明通過小幅改變溫室采光面的角度即可達(dá)到大幅提高溫室強(qiáng)度透過率，當(dāng)溫室采用了可以改變采光角度的主動(dòng)采光屋面后，溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度透過率可以提高20.7%～22.8%。

溫室；太陽能；溫度；主動(dòng)采光機(jī)理；幾何光學(xué)；透射率

0 引 言

太陽能日光溫室是中國(guó)自主研發(fā)的溫室結(jié)構(gòu)，多年來作為具有典型中國(guó)特色、規(guī)模巨大的設(shè)施類型，一直是中國(guó)溫室園藝裝備升級(jí)的重點(diǎn)[1-2]。光照是溫室內(nèi)關(guān)鍵的環(huán)境因素之一，是優(yōu)秀溫室建筑設(shè)計(jì)所追求的主要目標(biāo)[3]。但由于缺乏對(duì)溫光基礎(chǔ)理論的深入研究，尤其是對(duì)采光理論的研究不足，導(dǎo)致在實(shí)踐工作中，對(duì)于日光溫室結(jié)構(gòu)的采光設(shè)計(jì)大都依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行[4]。從而導(dǎo)致了大量溫室達(dá)不到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，進(jìn)而出現(xiàn)了大面積荒廢閑置的狀況，不但對(duì)生產(chǎn)者造成了不必要的經(jīng)濟(jì)損失，也對(duì)中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展產(chǎn)生了突出的負(fù)面影響。

太陽光是溫室冬季的極其重要的自然資源，因此需要在溫室生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)達(dá)到有效地利用[4-5]。到達(dá)溫室采光的自然光透過率決定于以下2個(gè)主要方面。溫室外的太陽直射輻射（亦稱直射光）量與溫室對(duì)直射光的透射率；其次是室外太陽散射輻射量（亦稱散射光）與溫室對(duì)散射光的透射率。在晴朗的天氣中，中高緯度地區(qū)直射光量占80%～90%[6]。可見，直射光的光照環(huán)境幾乎代表了溫室內(nèi)的光環(huán)境，因此本文只考慮分析直射光的作用，分析直射光進(jìn)入溫室的情況。長(zhǎng)期以來，日光溫室采光屋面的研究集中在采光弧度的設(shè)計(jì)方面，但是，研究結(jié)果表明，不同采光弧度對(duì)于提高日光溫室采光性能的貢獻(xiàn)很小，尤其是在采光材料透光率變化較大的情況下，單純通過改變采光面的弧度效果不顯著[7-13]。

對(duì)溫室光環(huán)境的研究，在國(guó)外，如日本學(xué)者古在豐樹、藏田憲次、英國(guó)學(xué)者Critten曾作過較透徹的理論分析，但大都局限于玻璃溫室[14]；在中國(guó)，對(duì)東北、華北地區(qū)廣泛應(yīng)用的單坡面日光溫室的光環(huán)境也作過較深入的研究[15-16]。但研究均集中在采光屋面的弧度分析方面，對(duì)實(shí)踐溫室的采光設(shè)計(jì)未能提供切實(shí)的參考。目前，日光溫室透光覆蓋材料主要為PE、PE-EVA以及PVC等塑料薄膜，產(chǎn)品種類繁多，但這些材料按照光學(xué)理論計(jì)算和測(cè)定相應(yīng)透光率與入射角之間變化關(guān)系的物理參數(shù)卻幾乎為空白，這為上述工程計(jì)算帶來了很大困難。

而進(jìn)一步的研究表明，進(jìn)入溫室內(nèi)的直射光的光照強(qiáng)度的大小又受著吸收率、反射率和透過率的影響[17]。其中，反射率的影響最大，在自然光線的傳導(dǎo)中，采光面的透過率雖受前屋面角度、薄膜均勻強(qiáng)度、覆蓋到棚架上的薄膜平整程度、薄膜上灰塵和水滴附著多少等多種因素的影響，但采光面的傾角對(duì)自然光的透射率影響最大。為此，本文作者提出了日光溫室主動(dòng)采光的理論和實(shí)踐結(jié)構(gòu)，主動(dòng)采光溫室能夠自主地改變?nèi)展鉁厥也晒馕菝娼嵌萚18]，進(jìn)而能大幅提高日光溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度，從根本上改善溫室內(nèi)的光照條件。本研究即以主動(dòng)采光溫室為研究對(duì)象，進(jìn)一步深入挖掘日光溫室的主動(dòng)采光機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 材料

中國(guó)溫室使用的覆蓋材料主要有塑料膜、浮法玻璃和聚碳酸酯中空板[19]。在中國(guó)這些產(chǎn)品都有相應(yīng)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，透光率是衡量產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其中，GB 4455[20]規(guī)定透光性棚膜透光率不低于85%，GB/T 20202[21]規(guī)定不低于87%。本文選用了EVA薄膜作為溫室薄膜覆蓋代表材料進(jìn)行研究。

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)及試驗(yàn)時(shí)間

如圖1所示，傾轉(zhuǎn)采光面試驗(yàn)平臺(tái)的活動(dòng)面與日晷平面處于同一平面，試驗(yàn)中，開始測(cè)量時(shí)依照日晷來確定傾轉(zhuǎn)采光面與太陽光垂直，然后轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤上的刻度，實(shí)現(xiàn)太陽光入射角度從0°～90°的連續(xù)調(diào)整，進(jìn)而通過光照度測(cè)量?jī)x器對(duì)光線不同入射角度下的光照度進(jìn)行測(cè)量。

圖1 主動(dòng)采光溫室試驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experiment platform of active lighting solar greenhouse

整個(gè)傾轉(zhuǎn)采光面上覆蓋測(cè)試用薄膜，而且該采光面可以繞轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以獲得采光面與太陽光的0°～90°入射角度。本次試驗(yàn)以10°為間隔將傾轉(zhuǎn)采光面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，太陽光的入射角度即可實(shí)現(xiàn)從0°到90°的連續(xù)變化。為了提高數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，光照度測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)定為30′，整個(gè)一次0°到90°的入射角照度記錄在10 min內(nèi)完成。試驗(yàn)連續(xù)重復(fù)3次，取計(jì)算得到的平光強(qiáng)透過率為本試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)。

冬季日光溫室生產(chǎn)的主要季節(jié)在上年9～次年3月份，因此，選取2016年8月1日－2016年3月1日之間的典型代表天氣作為代表日，進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。

1.3 儀器及測(cè)點(diǎn)布置

輻射數(shù)據(jù)采集儀：河北鼎睿電子產(chǎn)品銷售有限公司，包括太陽總輻射傳感器探頭和光合有效光量子流密度探頭，測(cè)量范圍為太陽總輻射（0～2 000 W/m2），光合有效光量子流密度（0～4 000 μmol/m2），測(cè)量精度為太陽總輻射（0.1 W/m2），光合有效光量子流密度（0.1 μmol·m2）。

試驗(yàn)溫室位于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝重點(diǎn)試驗(yàn)室試驗(yàn)園中。溫室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和試驗(yàn)溫室照片如圖1所示。2座試驗(yàn)溫室跨度均為10 m，后墻高度3.5 m，脊高5.3 m，溫室長(zhǎng)度24 m；采光面建筑參數(shù)一致，區(qū)別為一個(gè)采光面固定，另一個(gè)采光面為傾角可調(diào)，采光面角度可以在25°～35°之間連續(xù)調(diào)整。光照探頭在2個(gè)溫室中各布置2個(gè)，總共4個(gè)測(cè)點(diǎn)。光照探頭的布置方式為，沿溫室跨度方向布置在溫室的中部，沿溫室屋脊方向2個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在溫室長(zhǎng)度方向的幾何3等分點(diǎn)，總體為均勻布置。垂直位置位于地面以上1.2 m高度處。

2 日光溫室主動(dòng)采光機(jī)理分析

2.1 經(jīng)典光學(xué)中的透光材料透射率分析

在經(jīng)典光學(xué)中，光波可分為R波（反射波）和T波（透射波），當(dāng)不考慮介質(zhì)的吸收和散射時(shí)，根據(jù)能量守恒關(guān)系恒有

其中R為反射波；T為透射波。

而反射率是隨光波的入射角改變的，當(dāng)光波從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，光的反射率隨著入射角的增大而增大，透射率減??；而當(dāng)光波從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，光的反射率隨著入射角的增大而急劇增大，當(dāng)達(dá)到該介質(zhì)的全反射角度時(shí)，即發(fā)生全反射，該條件下透射率為0。為了計(jì)算自然光在塑料薄膜上發(fā)生的反射和透射，本研究首先從幾何光學(xué)和Fresnel公式出發(fā)系統(tǒng)推導(dǎo)了自然光在塑料薄膜上的透射規(guī)律。

2.1.1 自然光透過透光材料的反射系數(shù)和透射系數(shù)

光波在不同透明介質(zhì)界面發(fā)生反射折射時(shí)的入射角透射角的關(guān)系見圖2[22]。

菲涅耳方程式

式中θi，θt分別代表入射角和透射角(°)；ni代表入射介質(zhì)的折射率；nt代表透射介質(zhì)的折射率。

則根據(jù)經(jīng)典光學(xué)Augustin-Jean Fresnel公式有自然光透過透光材料時(shí)的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為：

S光（光波的垂直分量）的振幅反射系數(shù)為

其中r⊥為S光（光波的垂直分量）的振幅反射系數(shù)，t⊥為S光的振幅透射系數(shù)；//r為P光（光波的平行分量）的振幅反射系數(shù)；//t為P光的振幅透射系數(shù)[24]。

圖2 光線透射不同介質(zhì)時(shí)入射角與反射角關(guān)系圖[23]Fig.2 Relation between incident, reflected and transmitted angels for an interface between two isotropic media

2.1.2 光在不同光密介質(zhì)界面的能流反射率和透射率

根據(jù)菲涅耳定律同樣可以得到入射光線的能流反射率和能流透射率[22,25]：

S光（光波的垂直分量）的能流反射率為

S光（光波的垂直分量）的能流透射率為

P光（光波的垂直分量）的能流反射率為

其中當(dāng)θi=0，入射光線總能流反射率為

對(duì)應(yīng)的入射光線總能流透過率為

2.1.3 光在不同光密介質(zhì)界面的光強(qiáng)反射率和透射率

在實(shí)際的試驗(yàn)中經(jīng)常用到的光照檢測(cè)儀器為照度計(jì)，而照度計(jì)檢測(cè)的是光照的光強(qiáng)，因此可以根據(jù)經(jīng)典光學(xué)原理進(jìn)一步計(jì)算光在不同光密界面的光強(qiáng)反射率和透射率。

由于有上述的能流能量守恒，所以入射光線的能流能量等于反射能流+透射能流。而入射光線與反射光線的能流分布如圖3所示，圖中wi代表入射光和反射光域的寬度，wt代表透射光域的寬度。在圖3a中入射角與反射角相同，因此，光線的入射寬度與反射寬度不發(fā)生變化，而且由于入射光線與反射光線均在空氣中，因此該介質(zhì)中的折射率也相同。

圖3 入射光、反射光、透射光射束光域關(guān)系圖Fig.3 Relation between incident, reflected and transmitting beam area

如果把入射光波強(qiáng)度記為I1[數(shù)值上等于(R+T)/wi]，則記反射波強(qiáng)度記為I′1（數(shù)值上等于R/wi），透射波強(qiáng)度為為I2（數(shù)值上等于T/wt）。

如圖3b所示，當(dāng)入射光線在介質(zhì)中發(fā)生折射時(shí)，入射角與折射角不同，因此光域發(fā)生了變化。而且由于入射光與折射光處于不同的介質(zhì)中，2種介質(zhì)的折射率也不同。推導(dǎo)得到入射光線在入射角不為零時(shí)的總能流反射率和總能流透射率分別如下

進(jìn)而通過計(jì)算得到光的強(qiáng)度反射率和透射率表式。S光的總光強(qiáng)反射率為

S光的總光強(qiáng)透射率為

P光的總光強(qiáng)反射率為

P光的總光強(qiáng)透射率為

在不同的入射光中，若入射光為自然光，則可把自然光分成S波和P波，而且它們的能量相等，都等于自然光的一半，因此，自然光在透光材料的入射界面上的光強(qiáng)透射率為[26]：

在溫室透光材料中通常為單層薄膜結(jié)構(gòu)，共有2個(gè)反射面，因此自然光在透光材料上的總光強(qiáng)透射率為式（23）。無論是從空氣到玻璃還是從玻璃到空氣，光的傳播方向都是一樣的。

由上面分析可知，在采光面的采光性能分析中，只需確定自然光（太陽入射光）的入射角度，以及2種透明介質(zhì)的折射系數(shù)，即可通過經(jīng)典光學(xué)中的理論計(jì)算獲得自然光的強(qiáng)度透射率和能流透射率。在具體分析中，由于實(shí)踐試驗(yàn)中多采用照度計(jì)來測(cè)量光照強(qiáng)度，因此理論上也取強(qiáng)度透射率來進(jìn)行分析。

2.1.4 光在透光薄膜上的計(jì)算透射率曲線

根據(jù)以上經(jīng)典光學(xué)計(jì)算公式計(jì)算得到光在入射角情況下透過薄膜后的強(qiáng)度透射率為圖4所示，入射角度范圍為0°～90°，增長(zhǎng)間隔為10°。

從不同光線入射角透光率圖4中可以得到，當(dāng)光線入射角在20° 以下時(shí)，薄膜的光強(qiáng)透射率下降較少，而當(dāng)光線的入射角進(jìn)一步增大時(shí)，光強(qiáng)透射率開始大幅度下降。當(dāng)入射角達(dá)到60°時(shí)，光強(qiáng)透射率僅為30%。

圖4 不同光線入射角薄膜的計(jì)算透光率Fig.4 Calculated transmittance of transparent film in different incidence angle of light

2.2 日光溫室主動(dòng)采光機(jī)理分析

在溫室生產(chǎn)中，植物的生長(zhǎng)與溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度關(guān)系密切，因此，在溫室作物生產(chǎn)中本研究以光照強(qiáng)度為研究主要內(nèi)容，通過理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，論證溫室采光角變化與溫室內(nèi)部光照強(qiáng)度變化之間的關(guān)系[27-29]。

為了計(jì)算太陽光線在溫室采光薄膜上的透光率，首先需要計(jì)算得到太陽光的入射角，為此，本文系統(tǒng)地計(jì)算了太陽的逐時(shí)高度角、掠射角，進(jìn)而計(jì)算得到了入射角。最后利用理論計(jì)算得到的薄膜透光率，對(duì)溫室采光面的透光率進(jìn)行了理論分析。

2.2.1 冬至日太陽高度角逐時(shí)計(jì)算分析

地球在公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，存在赤緯角δ，所以陽光直射地球的變動(dòng)范圍用赤緯角表示。同時(shí)地球又做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用時(shí)角ω表示一天里不同的時(shí)間的太陽位置。每日的赤緯角及時(shí)角用如下公式計(jì)算[13]：

赤緯角計(jì)算式

時(shí)角計(jì)算式

式中δ為太陽赤緯角，(°)；N為以每年的1月1日起的日序數(shù)，ω為太陽的時(shí)角，(°)；h0為當(dāng)日以24 h制的時(shí)間，s。

其中太陽赤緯角（與太陽直射點(diǎn)緯度相等）以δ表示，觀測(cè)地地理緯度用φ表示（太陽赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負(fù)），真太陽時(shí)(時(shí)角)以ω表示，有全天逐時(shí)太陽高度角以h表示，進(jìn)而得到太陽高度角計(jì)算式如下[30-35]：

得到太陽的方位角計(jì)算式如下：

式中φ為地理緯度， (°)；γs為方位角。

西安地區(qū)，緯度34°16′，地理坐標(biāo)：34°16′N，108°54′E－34.267°N 108.9°E。以每年冬至日（12月21日）為例，依據(jù)太陽高度角計(jì)算公式詳細(xì)計(jì)算每一個(gè)時(shí)刻的太陽高度角，如圖5所示。

從太陽高度角在冬至日當(dāng)日的變化，可以得到太陽高度角僅在冬至日當(dāng)天9:00－13:00超過30°，其他時(shí)段均小于30°。

圖5 太陽高度角逐時(shí)分析圖（冬至日）Fig.5 Analysis chart of solar altitude (winter solstice)

2.2.2 溫室采光面太陽掠射角分析

太陽隨緯度、日期和時(shí)間變化的位置確定后，根據(jù)空間幾何光學(xué)就可以確定進(jìn)入溫室的太陽光線的透射角。太陽光線的入射角定義為入射光線與光照射平面的夾角，幾何關(guān)系如圖6所示。

圖6 太陽光線掠射角Fig.6 Sunray’s grazing angle

自然光掠射角θg計(jì)算

式中α為溫室前屋面傾角，(°)。

根據(jù)以上關(guān)系，太陽光在不同傾角屋面的掠射角如圖7所示。

圖7 太陽光線在25°和35°傾角采光面掠射角Fig.7 Sunray’s grazing angle of 25° and 35° inclined lighting surface

從圖7中可以得到，冬至日太陽光在25°傾角屋面上的入射掠射角均在50°以下，而且接近50°的掠射角僅維持了11:00至13:00之間的2 h，其他時(shí)間均小于45°。而相比之下太陽光在35°傾角屋面上的入射掠射角均在52°以上，而且在08：00至15：30之間的7.5 h之間均能大于60°，有利于太陽光線以較高的效率透射溫室采光材料。

2.2.3 溫室采光面太陽光入射角分析

依據(jù)幾何光學(xué)有

結(jié)合上述分析，以及太陽光在不同傾斜面上的掠射角與自然光線入射角的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算得到太陽光在25°和35°傾角屋面上的入射角如圖8所示。

從圖8中可以得到，冬至日太陽光在25°傾角屋面上的入射角均在40°以上，而且接近40°的入射角僅維持了11:00至13:00之間的2個(gè)小時(shí)，其他時(shí)間均大于45°，處于不合理的太陽光入射時(shí)段。而相比之下太陽光在35°傾角屋面上的入射角均在35°以下，而且在08:00至15:30之間的7.5 h之間均能小于30°，因此幾乎全天都處于高效采光時(shí)段，有利于溫室內(nèi)光照強(qiáng)度的提高。

圖8 太陽光在25°和35°傾角屋面入射角曲線Fig.8 Curve of sunray’s incident angle of 25° and 35° inclined surface

2.2.4 不同傾角溫室采光面太陽光強(qiáng)度透過率理論分析

為了得到溫室采光面由傾角25°主動(dòng)變?yōu)?5°后與溫室陽光透過率的定量關(guān)系，本研究按照上述的理論計(jì)算方法，逐時(shí)計(jì)算了太陽光在01月13日當(dāng)日，在25°和35°的傾角下的計(jì)算透過率，結(jié)果如表1所示。

表1 日光溫室不同傾角采光面的平均計(jì)算透光率Table 1 Transmissivity of light intensity in solar greenhouse with 25°or 35° inclination lighting surface %

由表可知，溫室采光面在35°傾角下較25°傾角下平均強(qiáng)度透過率提高了22.8%；由圖5可知，從早晨7:00至下午16:30分，太陽高度角在時(shí)刻變化，為了求得溫室傾斜采光面的平均太陽截獲率，首先求得冬至日平均的太陽高度角為20°。以該太陽高度角繪制溫室采光面在25°和3°度傾角下的陽光截獲長(zhǎng)度得到圖9。由圖9可知，當(dāng)溫室前采光面傾角由25°升為35°后，對(duì)應(yīng)的陽光截獲量增加了11.59%。特別當(dāng)升起的后坡部分采用柔性的保溫覆蓋材料時(shí)，該部分增加的入射光線不會(huì)透射到溫室外，而是保留在溫室內(nèi)，因此形成凈光照入射量的增加。因此，通過理論計(jì)算即可得到，當(dāng)溫室前采光面傾角由25°升為35°時(shí)，綜合采光性能預(yù)期提高34.7%。

圖9 太陽光線在25°和35°傾角采光面光能截獲率Fig.9 Sunray’s interception of 25°and 35°inclined lighting surface

3 塑料薄膜日光溫室透光試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 太陽光在PE薄膜上實(shí)測(cè)透射率曲線試驗(yàn)

太陽光不同輻射角度下的薄膜透光率試驗(yàn)方法，是將1 000 mm×1 000 mm大小的供試薄膜貼于一個(gè)可以180°旋轉(zhuǎn)的自制透光率試驗(yàn)平臺(tái)上，如圖1a所示；將照度計(jì)保持與該薄膜平行，薄膜直接平行覆蓋在照度感光鏡頭上，分別測(cè)定薄膜在太陽光入角為：0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°；共10個(gè)角度下的透光率，試驗(yàn)重復(fù)3次，最后計(jì)算平均透光率，進(jìn)而分析試驗(yàn)結(jié)果。其中，計(jì)算透光率（%）=（透過試樣的光照強(qiáng)度/射到試樣上的光照強(qiáng)度）×100。

本試驗(yàn)以溫室作物生產(chǎn)的主要月份為例進(jìn)行分析，分別以2016年01月13日（晴），的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，得到太陽光在可旋轉(zhuǎn)傾角采光面上（如圖1a所示），全天太陽光透射率變化曲線如圖10所示，和不同傾角采光面上計(jì)算透過率的分析圖。

圖10 太陽光線透過率隨采光面傾角變化圖Fig.10 Variation of sunray’s transmittance with dip angle of arbitrary inclination lighting surface

圖10 中AVE-10:00、AVE-12:00和AVE-16:00分別代表了傾角變化傾斜面在不同時(shí)刻和不同傾角條件下的3次實(shí)測(cè)透過率平均值，而CAL則代表該天的理論計(jì)算光線透過率值。

通過圖10可知，太陽光線的理論計(jì)算透率值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)一致，而且在光線入射角在30°以下時(shí)基本重合，因此表明本研究的理論計(jì)算式能準(zhǔn)確反映變化采光傾角的實(shí)際透過率變化。而且，進(jìn)一步分析得到，當(dāng)光線入射角由10°變?yōu)?0°時(shí)，試驗(yàn)傾斜薄膜采光面的透光率減少了19.7%，而同時(shí)計(jì)算透過率從89.92%減少為64.48%，減少了25.44%。當(dāng)入射光線入射角由0°變?yōu)?0°時(shí)，計(jì)算透過率和實(shí)測(cè)透過率均保持穩(wěn)定和一致。

3.2 自然光中直射部分在PE薄膜上實(shí)測(cè)透射率曲線

溫室內(nèi)的光照環(huán)境用透光量及其在時(shí)間及空間上的分布來表示，它受室內(nèi)地面和采光面的形狀大小、屋頂結(jié)構(gòu)、方位、地理位置、室外日射等多因素影響。在晴朗天氣，直射光量占總光量的80%～90%，因此直射光的光照環(huán)境幾乎代表了溫室內(nèi)的光照環(huán)境，所以本研究著重分析直射光的透光[6]。當(dāng)入射光為自然光時(shí)，散射光的強(qiáng)度與觀察方向有關(guān)，其關(guān)系為如下式所示[7]

式中Iθs為當(dāng)入射角為θs時(shí)的散射光強(qiáng)度；Iπ/2為垂直于入射光線方向上的散射光強(qiáng)度，θs入射光線與散射光線之間的夾角，(°)。

對(duì)于光強(qiáng)度檢測(cè)儀器來說，由于散射光會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和光照方向無關(guān)的基礎(chǔ)光照度基準(zhǔn)值（散射光的透過率僅受透光材料本身的透過率影響），該照度并不能準(zhǔn)確反映直射光的透過率狀況。為了聚焦太陽光直射光透過率分析，本研究中特剝離了散射光強(qiáng)度對(duì)于傾斜面透過率的影響，具體方法為通過式（30）對(duì)不同入射角度下的散射光強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，并在最后的實(shí)測(cè)強(qiáng)度中減去經(jīng)計(jì)算得到的散射光照強(qiáng)度，最后即可得到僅考慮直射光線的光照強(qiáng)度。進(jìn)而通過對(duì)0～90°的傾斜面的直射透過率進(jìn)行進(jìn)一步逐一計(jì)算，得到了不同傾角溫室采光面的太陽光直射強(qiáng)度透過率如圖11所示。

圖11 太陽光線直射光透過率隨采光面傾角變化圖Fig.11 Variation of direct sunray’s with dip angle of arbitrary inclination lighting surface

由圖11可知，僅考慮直射光時(shí)，光線透射率的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)值基本吻合，在入射角為0～40°時(shí)，平均相對(duì)誤差為0.79%，相對(duì)誤差最大為1.57%。當(dāng)入射角為20°、30°和40°時(shí)，太陽光強(qiáng)透過率分別為85.68%、76.47%、64.72%。當(dāng)入射角大于50°時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較大。入射角為50°、60°時(shí)，直射光強(qiáng)度透射率分別為53.38%和39.67%?？紤]到在實(shí)踐中，太陽直射光在溫室的傾斜面上的入射角小于52°，因此，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)再次計(jì)算溫室采光傾角由25°變?yōu)?5°的試驗(yàn)強(qiáng)度透過率。試驗(yàn)分析結(jié)果如圖12所示。

從圖12可知，對(duì)比溫室采光屋面傾角為25°和35°的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到實(shí)測(cè)太陽光的直射光強(qiáng)透過率平均提高了20.7%；而計(jì)算得到的太陽光的直射光強(qiáng)透過率平均提高了22.8%；實(shí)測(cè)的太陽光直射透過率比理論計(jì)算結(jié)果小2.1%。

圖12 25°和35°傾角屋面的計(jì)算和實(shí)測(cè)透過率Fig.12 Transmittance of calculations (CAL) and experiments measurements(EXP) at 25° and 35° inclined lighting surface

3.3 自然光在溫室PE薄膜上實(shí)測(cè)透射率試驗(yàn)

分析圖13得到，當(dāng)溫室采光面由25°變?yōu)?5°后，溫室內(nèi)的整體透光率得到了提升，計(jì)算得到的平均透過率提升了23.27%。該透過率較試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試的透過高2.57%，較理論計(jì)算透過率高0.47%。因此，可以表明理論計(jì)算和測(cè)試均有很好的一致性。

圖13 35°傾轉(zhuǎn)屋面和25°固定屋面溫室光輻照度圖Fig.13 Light irradiance of experiment solar greenhouse with 35° inclined lighting surface or 25°fixed roof

4 討 論

在上述分析中，當(dāng)入射角超過50°后，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值開始出現(xiàn)較大的相對(duì)誤差，在50°和60°時(shí)相對(duì)誤差分別為11.07%和33.00%。進(jìn)而計(jì)算算術(shù)平均誤差，在入射角為0～40，0～50，0～60的范圍內(nèi)，算術(shù)平均誤差分別為0.79%，2.51%和7%。主要因?yàn)?，?dāng)入射角超過40°后，太陽光中的散射光的占比大幅上升，在40°和50°時(shí)分別達(dá)到了30.7%和33.4%，而且隨著入射角增加進(jìn)一步增加。進(jìn)而導(dǎo)致了計(jì)算值和實(shí)測(cè)值出現(xiàn)了較大的差異。但是，在實(shí)踐中溫室采光面的太陽光入射角均在52°以內(nèi)，因此，該誤差對(duì)于溫室傾斜面采光的影響較小。

5 結(jié) 論

以溫室的傾斜采光面和太陽直射光為研究?jī)?nèi)容，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)分析得到如下初步結(jié)論：

1）對(duì)于可以主動(dòng)改變采光角度的主動(dòng)采光溫室條件下，當(dāng)入射角為0～10°范圍時(shí)，采光面的太陽光強(qiáng)度透射率基本保持不變；而當(dāng)入射角大于10°時(shí)，傾斜采光面的直射強(qiáng)度透射率開始逐步減?。辉谔柟馊肷浣沁_(dá)到20°，30°，40°時(shí)，太陽光的強(qiáng)度透過率，分別達(dá)到了85.68%，76.47%，64.72%。特別是當(dāng)入射角大于40°時(shí)，直射光強(qiáng)度透射率下降更加明顯，在入射角為50°和60°時(shí)，直射光強(qiáng)度透射率分別為53.38%和39.67%。

2）通過小幅改變溫室采光面的角度即可達(dá)到大幅提高溫室強(qiáng)度透過率。理論分析和試驗(yàn)研究表明，將溫室采光面的傾角從25°提高到35°，理論計(jì)算溫室內(nèi)的直射光強(qiáng)度透過率可以提高22.8%，試驗(yàn)研究得到，溫室內(nèi)的直射光強(qiáng)度透過率實(shí)際提高為20.7%。理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果均表示，當(dāng)溫室采用了可以改變采光角度的主動(dòng)采光屋面后，溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度透過率可以得到大幅度地提高。

3）當(dāng)溫室采光面的傾角從25°提高到35°，溫室采光面的截獲陽光面積實(shí)際得到了擴(kuò)大，但該增加量隨太陽入射角不斷變化。初步研究表明，溫室由于采光面截獲面積變大而增加的采光量為11.59%。

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Optimization experiment of light transmittance and active lighting mechanism of solar greenhouse

Zhang Yong, Zou Zhirong
(Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest, Ministry of Agriculture, College of Horticulture, Northwest University of Agriculture & Forestry, Yangling 712100, China)

Solar greenhouses without heating systems have been utilized extensively for vegetable production in Northeast China since the 1980s. Solar greenhouses play a critical role in self-researched and self-developed greenhouse structure and technologies in China. Solar greenhouses rely on sunlight, of course, as their primary energy source in the absence of a heating system. They are simple in structure, and relatively inexpensive to build and maintain through the winter. Sunshine is a scarce resource from November to next February, so the available light must be very efficiently utilized. Optical light transmittance is the most important characteristic of the solar greenhouse. Unfortunately for greenhouse designers, there exist few theories related or methods for analyzing the light transmittance characteristics of transparent materials. When natural light propagates from its origin into the greenhouse, a complex process of reflection and refraction is generated in the rough air/lighting-surface interface; the relationship between the inclined angle of the lighting surface and the transmitted natural light intensity was investigated at length in this study. We investigated the light transmission properties of typical Chinese solar greenhouse materials according to solar energy application theory. We developed a corresponding mathematical model, which was then used to simulate and analyze variations of indirect solar radiation in a typical greenhouse under varying parameters, (such as structural shape, latitude, azimuth, skeleton, covering material). We found that direct light intensity for a solar greenhouse could be improved by changing the inclined angle of the lighting surface from 25° to 35°; this improvement was predicted according to classical optical theory and verified through experimentation. The transmitted direct light intensity remained nearly constant when the incident angle was less than 10°, and then declined steadily when the incident angle exceeded 10°. Direct light intensity transmittance values were 85.68%, 76.47%, and 64.72% at the incident angles of 20°, 30°, and 40°, respectively. The transmitted direct light intensity significantly decreased when the angle of incidence exceeded 40°; the transmittance values were 53.38% and 39.67% at the angles of 50° and 60°, respectively. There was a highly significant correlation between the theoretical analysis and experimental results, which confirmed that the light intensity transmittance of the greenhouse lighting surface can be dramatically increased by slightly increasing the inclined angle of the lighting surface. The theoretical and experimental values of light intensity transmittance improved by 22.8% and 20.7%, respectively, when raising the incident angle from 25° to 35°. By comparison, the calculated values were, again, in good agreement with experimental values; the deviations in the calculated values can be amended through further research. The conclusions presented here may provide a theoretical reference for future studies on greenhouse lighting surface optimization design, as well as a practical reference for future solar greenhouse developers.

greenhouse; solar energy; temperature; mechanism of active day lighting; geometrical optics; transmittance

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023

S152

A

1002-6819(2017)-11-0178-09

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doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 http://www.tcsae.org

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2017-01-01-19

2017-02-27

中國(guó)博士后基金特別資助（2015T81053）；中國(guó)博士后基金（2014M562458）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目（2016KTCL02-02）；主動(dòng)采光蓄熱溫室、超大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化環(huán)境調(diào)控裝備研制（2016BZ0901）

張 勇，男，陜西榆林人，副教授，博士，主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑園藝研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，712100。

Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn。中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：（E041200715S）