連棟玻璃溫室天溝結(jié)構(gòu)對(duì)栽培區(qū)光環(huán)境的影響分析

周 波 孫維拓 郭文忠 周寶昌 石 磊 李光聚

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，北京 100083；3.壽光市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，壽光 262700)

0 引言

目前我國已建成的荷蘭型玻璃溫室達(dá)140 hm2，在建和計(jì)劃建設(shè)的荷蘭型溫室近682 hm2[1]。在我國北方地區(qū)冬季，以晴朗干燥天氣居多，白天光照充足，夜間溫度較低，加熱需求大，對(duì)加熱系統(tǒng)和溫室密閉性、保溫性提出了更高要求[2]。因此，溫室設(shè)計(jì)必須根據(jù)國內(nèi)的實(shí)際情況，從加溫、保溫性能上進(jìn)行“荷蘭模式”中國本土化的優(yōu)化創(chuàng)新。對(duì)于連棟溫室，屋頂面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍結(jié)構(gòu)的面積，溫室供熱系統(tǒng)的能量主要消耗在圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱上，降低頂部傳熱量對(duì)溫室節(jié)能至關(guān)重要，如連棟玻璃溫室內(nèi)的保溫幕是重要的節(jié)能保溫措施[3]。借鑒中國傳統(tǒng)日光溫室的保溫特性，其前屋面外的保溫被對(duì)溫室節(jié)能起到重要作用[4]。連棟玻璃溫室的外保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，為解決玻璃溫室外保溫問題，郭文忠等[5]設(shè)計(jì)了一種具有外保溫性能的槽體連棟溫室結(jié)構(gòu)，即壽光型智能玻璃溫室，并在山東省壽光地區(qū)成功推廣，應(yīng)用面積達(dá)88 500 m2。該外保溫型溫室將常規(guī)最大0.3 m寬的玻璃溫室天溝[6]擴(kuò)展到1.6 m，用于安裝保溫被及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

壽光型智能玻璃溫室獨(dú)特的大天溝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了連棟玻璃溫室外保溫系統(tǒng)的安裝，增強(qiáng)了玻璃溫室保溫性。但是，溫室天溝設(shè)計(jì)需考慮結(jié)構(gòu)荷載[7]、排雨水和冷凝水、保溫、遮陰等因素[8]，在保證排水量和荷載的基礎(chǔ)上，溫室1.6 m寬的天溝會(huì)產(chǎn)生較大的遮陰面積，降低了溫室透光率。光是植物光合作用的動(dòng)力源，遮陰影響光合特性[9]，同時(shí)也影響植物蒸騰[10-11]，弱光通常是影響溫室蔬菜作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要因素[12]。提高覆蓋材料光學(xué)性能[13]、增加人工光源等可以改善溫室內(nèi)光環(huán)境。溫室骨架尺寸及幕布系統(tǒng)等均會(huì)對(duì)溫室內(nèi)光環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響[14]，不同溫室結(jié)構(gòu)的溫室內(nèi)光環(huán)境也不同[15]。唐衛(wèi)東等[16]構(gòu)建了一種點(diǎn)光源在溫室內(nèi)輻射分布的可視化模型，該模型模擬了光源動(dòng)態(tài)分布，但仍缺乏針對(duì)不同溫室平行太陽光動(dòng)態(tài)分布的研究。為降低天溝對(duì)溫室透光率的影響，周瑩[17]設(shè)計(jì)了一種可透光天溝，該透光天溝以環(huán)氧樹脂為基料，并輔以助劑和透明纖維等材料，可以使由天溝形成的遮陽面積減少60%以上，透光率提高70%以上。但是該材料方法只能用于傳統(tǒng)連棟溫室天溝，不適用于安裝保溫被及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫室。歐洲對(duì)于光伏玻璃溫室內(nèi)透光率的研究表明，覆蓋率每增加1%的光伏板，則溫室內(nèi)年累積輻射量平均降低0.8%，天溝高度每增加1 m，則光伏溫室內(nèi)輻射量相應(yīng)增加3.8%[18-19]。這表明溫室遮陰結(jié)構(gòu)尺寸與溫室設(shè)計(jì)尺寸之間關(guān)系可以進(jìn)行優(yōu)化。因太陽角度隨時(shí)間變化，南北走向的天溝產(chǎn)生的陰影也會(huì)隨時(shí)間改變，因此不同天溝寬度、垂直厚度、安裝高度以及相鄰兩天溝間距等因素，對(duì)溫室光環(huán)境的均勻性會(huì)產(chǎn)生不同的影響，而太陽輻射在溫室內(nèi)分布的均勻性是重要的溫室采光性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[20]。

為分析連棟溫室天溝對(duì)栽培區(qū)光環(huán)境的影響、優(yōu)化設(shè)計(jì)天溝和溫室，本文以輻射均勻性為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，從理論上構(gòu)建溫室內(nèi)太陽輻射分布動(dòng)態(tài)模型，分析天溝陰影在溫室內(nèi)的分布規(guī)律，進(jìn)而對(duì)壽光型智能玻璃溫室進(jìn)行天溝和溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 材料與方法

1.1 假設(shè)

為構(gòu)建天溝寬度、垂直厚度、安裝高度和相鄰兩天溝間距與栽培區(qū)內(nèi)光環(huán)境均勻性之間的數(shù)學(xué)模型，提出如下假設(shè)：①天溝只對(duì)直射光產(chǎn)生阻擋，散射光在空間內(nèi)任何一個(gè)方向上具有相同的輻射強(qiáng)度。②兩個(gè)天溝之間栽培區(qū)同一時(shí)間內(nèi)只受一個(gè)天溝陰影的影響。③溫室尺寸、天溝數(shù)量不受限制，天溝長度在南北方向上無限延伸。④屋面角度對(duì)溫室透光率沒有影響。⑤只考慮晴朗天氣條件下室內(nèi)輻射分布。

1.2 計(jì)算方法

壽光型智能玻璃溫室裝有外保溫被，其外保溫系統(tǒng)如圖1a所示，溫室保溫被及傳動(dòng)裝置安裝于溫室天溝中，可以實(shí)現(xiàn)玻璃溫室外保溫設(shè)計(jì)。其立面設(shè)計(jì)如圖1b所示，溫室初始設(shè)計(jì)跨度13.6 m(天溝之間間距12 m，天溝寬度1.6 m)，天溝下沿與地面凈高度6.3 m，天溝及保溫層整體厚度為0.86 m。相鄰天溝之間為栽培區(qū)，天溝正下方為操作路面(非栽培區(qū))。圖1c為溫室效果圖。為構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，在平面坐標(biāo)系XOY中建立平面坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖(圖1d)，其中溫室一個(gè)天溝的水平投影面最東側(cè)與地面交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為跨度方向，東側(cè)為正，Y軸為高度方向，向上為正。天溝寬度為W、垂直厚度為D、安裝高度為H、相鄰兩天溝間距為L，某時(shí)刻太陽光線在XOY坐標(biāo)系投影與X軸正方向之間的夾角為α，天溝陰影兩側(cè)端點(diǎn)的X坐標(biāo)分別為

(1)

(2)

為保證太陽高度角低時(shí)，能夠計(jì)算出不同位置天溝在栽培區(qū)域的陰影位置(圖1d)，Xa和Xb利用取余計(jì)算。

采取劃分栽培區(qū)域內(nèi)陰影及非陰影區(qū)域的方法，在栽培區(qū)內(nèi)進(jìn)行均勻取樣，將L均勻分為n個(gè)線段，產(chǎn)生n+1個(gè)樣本點(diǎn)。隨著時(shí)間的變化，所有樣本點(diǎn)的陰影狀態(tài)可計(jì)為二維矩陣S，行方向代表取樣點(diǎn)空間位置，列方向?yàn)闀r(shí)間序列，其列數(shù)為n+1，行數(shù)為時(shí)間向量t的長度。t(j)時(shí)刻S的計(jì)算式為：

當(dāng)Xa(j)

(3)

當(dāng)Xa(j)>Xb(j)時(shí)

(4)

其中

式中l(wèi)——時(shí)間向量t的長度

S(j,i)——矩陣中第j行第i列的元素

tset——太陽落山時(shí)刻

trise——太陽升起時(shí)刻

Δt——取樣時(shí)間間隔，s

S(j,i)為0時(shí)代表取樣點(diǎn)在此時(shí)刻處于陰影區(qū)域，值為1時(shí)表示處于非陰影區(qū)域。

一年中，某一時(shí)刻的太陽位置及與地球一特定地點(diǎn)的入射光線角度可通過理論計(jì)算得出，而同樣可以利用太陽常數(shù)，計(jì)算晴朗天氣條件下固定時(shí)刻到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度。太陽高度角h(t)、方位角θ(t)以及太陽輻射強(qiáng)度R(t)的計(jì)算，參考《日光溫室設(shè)計(jì)規(guī)范》(NY/T 3223—2018)及文獻(xiàn)[21]。溫室跨度太陽光線在XOY面投影與X軸正方向夾角α為

α=arctan(tanhsinθ)

(5)

在栽培區(qū)內(nèi)時(shí)刻t(j)，第i個(gè)取樣點(diǎn)處直射光輻射強(qiáng)度計(jì)算式為

q(t(j))=R(t(j))S(j,i)sinh(t(j))τ

(6)

式中τ——溫室覆蓋材料透光率

各個(gè)取樣點(diǎn)處日累積輻射強(qiáng)度Q可利用矩陣進(jìn)行列求和求出，即

Q=∑10-6q(t)Δt

(7)

Q為n+1個(gè)元素的行向量，表示栽培區(qū)內(nèi)n+1個(gè)點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)的日累積輻射強(qiáng)度。

1.3 均勻性與敏感性分析

為保證最佳的天溝尺寸及位置設(shè)計(jì)，保證陰影在東西方向移動(dòng)過程中，需要最大化保證栽培區(qū)內(nèi)一天累積光照的均勻性。采用上述數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算樣本點(diǎn)輻射強(qiáng)度，引入變異系數(shù)作為光照均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，變異系數(shù)越小，樣本間離散程度越小[22]。

為比較各個(gè)因素對(duì)光環(huán)境的影響程度，可進(jìn)行敏感性分析。敏感性分析是從定量分析的角度研究有關(guān)因素發(fā)生某種變化對(duì)某一個(gè)或一組關(guān)鍵指標(biāo)影響程度的一種不確定分析方法[23]。本研究采用單因素敏感性方法分析不同天溝設(shè)計(jì)尺寸對(duì)室內(nèi)光照強(qiáng)度和均勻性的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 天溝陰影對(duì)溫室光環(huán)境的影響

為分析壽光型智能玻璃溫室大天溝對(duì)溫室內(nèi)光環(huán)境的影響，選取正午太陽高度角最低，太陽輻射強(qiáng)度最小的冬至日(12月21日)進(jìn)行分析。圖2為冬至日溫室內(nèi)從日升到日落時(shí)間，通過模型計(jì)算得出的單跨栽培區(qū)域光照強(qiáng)度分布圖。其中留白區(qū)域?yàn)樘鞙袭a(chǎn)生的陰影?？梢钥闯觯谌粘龊蠛腿章淝?，整個(gè)栽培區(qū)域內(nèi)均有頻繁的陰影帶掃過，這是因?yàn)樘柛叨冉堑蜁r(shí)，溫室東西側(cè)遠(yuǎn)處不同位置的天溝都會(huì)在不同時(shí)間對(duì)栽培區(qū)域產(chǎn)生陰影，而且同一條天溝在栽培區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的陰影時(shí)間很短。該時(shí)間段內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度相對(duì)較弱。12:00前后，有2條最寬的陰影帶隨時(shí)間變化，從西到東均勻掃過整個(gè)栽培區(qū)。該2條陰影帶由緊臨栽培區(qū)域兩側(cè)的天溝產(chǎn)生，同時(shí)也是在輻射強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)間，對(duì)栽培區(qū)域內(nèi)光環(huán)境影響最大的陰影。圖3為冬至日和秋分日栽培區(qū)內(nèi)不同位置處光照日累積輻射。累積輻射曲線有3個(gè)峰值，分別位于天溝兩側(cè)區(qū)域和栽培區(qū)正中間。冬至日累積輻射最大值為4.535 MJ/m2，出現(xiàn)在緊臨天溝兩側(cè)位置，而秋分日(9月22日)最大值10.821 MJ/m2則位于栽培區(qū)域正中間。最小值(冬至日4.475 MJ/m2，秋分日10.645 MJ/m2)都位于天溝與栽培區(qū)域中間位置之間。冬至日時(shí)，該溫室栽培區(qū)內(nèi)平均累積輻射強(qiáng)度為4.500 MJ/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 MJ/m2，變異系數(shù)為0.002。

冬季溫室陰影對(duì)溫室光環(huán)境的影響較大[24]，本研究主要針對(duì)太陽輻射最弱的冬至日，優(yōu)化分析溫室栽培區(qū)域內(nèi)光照環(huán)境，利用建立的陰影帶數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不同情景模擬。n取1 000，Δt為0.01 h，溫室透光率80%。初始溫室天溝設(shè)計(jì)尺寸參考?jí)酃鈱?shí)際溫室尺寸，L為12.00 m，H為6.30 m，D為0.86 m，W為1.60 m。保持其他因素不變，改變其中單個(gè)因素進(jìn)行敏感性和均勻性分析。

2.2 天溝結(jié)構(gòu)對(duì)溫室光環(huán)境的影響

表1～4分別為冬至日山東省壽光地區(qū)不同天溝高度、不同天溝垂直厚度、不同天溝寬度、不同天溝間距情景下溫室單跨栽培區(qū)內(nèi)從東到西各個(gè)樣本點(diǎn)日累積輻射平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，及三者的相對(duì)敏感度。變異系數(shù)代表了光環(huán)境均勻性程度。其中變異系數(shù)最小值為0.002，表明在所有天溝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)組合中，此設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)栽培區(qū)域內(nèi)光環(huán)境均勻性最好，其中初始天溝設(shè)計(jì)尺寸的變異系數(shù)也為0.002。

表1 不同天溝高度單跨栽培區(qū)內(nèi)從東到西各樣本點(diǎn)日累積輻射平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和相對(duì)敏感度

在初始值的基礎(chǔ)上，改變天溝高度、垂直厚度和寬度，日累積輻射平均值的敏感度都小于等于零，表明這3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)與栽培區(qū)域內(nèi)日累積輻射平均值呈負(fù)相關(guān)，增加天溝高度、垂直厚度和寬度，都會(huì)降低光照強(qiáng)度。相反，天溝間距與日累積輻射平均值呈正相關(guān)，增加天溝間距，可以提高栽培區(qū)內(nèi)光照強(qiáng)度。為增加栽培區(qū)域內(nèi)光照強(qiáng)度，可以在滿足溫室功能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，提高天溝間距，降低天溝高度，減少天溝垂直厚度和寬度。而標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的相對(duì)敏感度，在單個(gè)變量從小到大的變化范圍之內(nèi)，都是從負(fù)值逐漸變成正值，表明天溝設(shè)計(jì)參數(shù)與光照均勻性之間由負(fù)相關(guān)性變成了正相關(guān)性，變異系數(shù)在范圍內(nèi)存在一個(gè)最小值，即光照均勻性的最佳設(shè)計(jì)值。

表2 不同天溝垂直厚度單跨栽培區(qū)內(nèi)從東到西各樣本點(diǎn)日累積輻射平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和相對(duì)敏感度

表3 不同天溝寬度單跨栽培區(qū)內(nèi)從東到西各樣本點(diǎn)日累積輻射平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和相對(duì)敏感度

表4 不同天溝間距單跨栽培區(qū)內(nèi)從東到西各樣本點(diǎn)日累積輻射平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和相對(duì)敏感度

由表1～4可以看出，對(duì)日累積輻射平均值影響程度從大到小依次為天溝間距、天溝寬度、天溝垂直厚度和天溝高度。隨著天溝間距的增加，相應(yīng)其栽培區(qū)域也會(huì)增加，天溝陰影對(duì)栽培區(qū)域的影響會(huì)降低，在這4個(gè)因素中，增加天溝間距是增加光照強(qiáng)度最有效的措施，該結(jié)論與文獻(xiàn)[25]一致。而天溝高度幾乎對(duì)光照強(qiáng)度沒有影響。而標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的相對(duì)敏感度是動(dòng)態(tài)的，其絕對(duì)值都是先減小后增加。表明在合適的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，其影響程度逐漸減低，不同組合之間光照均勻性差異不大。而在不合理的設(shè)計(jì)參數(shù)情況下，改變其中任意一個(gè)值都會(huì)對(duì)光照均勻性產(chǎn)生很大的影響。

2.3 最小變異系數(shù)設(shè)計(jì)

為尋找天溝投影面積和高度之間規(guī)律，將所有情景設(shè)計(jì)參數(shù)中，變異系數(shù)最小的組合進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算了天溝高度、垂直厚度之和與天溝間距、天溝寬度之和的比值，即(H+D)/(L+W)，結(jié)果見表5。由表5可知，最小變異系數(shù)的設(shè)計(jì)組合情況下，(H+D)/(L+W)的值均在0.49～0.54之間。該模擬計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)結(jié)論還不具備整體代表性，但具有一定的參考意義。

表5 最小變異系數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 結(jié)束語

構(gòu)建了連棟溫室天溝對(duì)溫室內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度影響的動(dòng)態(tài)模型。結(jié)合壽光型智能玻璃溫室大天溝設(shè)計(jì)，探討了天溝對(duì)溫室栽培區(qū)內(nèi)光照強(qiáng)度及均勻性的影響。模型分析結(jié)果表明，天溝結(jié)構(gòu)對(duì)栽培區(qū)內(nèi)日累積輻射平均值的影響程度從大到小依次為天溝間距、天溝寬度、天溝垂直厚度和天溝高度。從當(dāng)?shù)囟寥帐覂?nèi)太陽輻射分布均勻性角度分析，壽光型智能玻璃溫室的天溝尺寸設(shè)計(jì)為相鄰兩天溝間距12.00 m、天溝水平寬度1.60 m、垂直厚度0.86 m、天溝下沿離地面高度6.30 m，屬于合理設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，可保證栽培區(qū)內(nèi)最佳的光照均勻性。不同情景下的模型模擬結(jié)果表明，為確保證栽培區(qū)內(nèi)的光照均勻性，在栽培區(qū)內(nèi)輻射強(qiáng)度變異系數(shù)最小的情況下，天溝高度、天溝垂直厚度之和與天溝間距、天溝寬度之和的比值在0.49～0.54之間。利用溫室內(nèi)輻射分布模型，通過改變地理緯度可以計(jì)算不同地區(qū)應(yīng)用壽光型智能玻璃溫室的室內(nèi)光照分布情況，為壽光型智能玻璃溫室在不同地區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了理論依據(jù)。