考慮薄膜積灰的日光溫室前屋面采光效率模型構建及應用

張 銳，劉一川，朱德蘭，葛茂生

考慮薄膜積灰的日光溫室前屋面采光效率模型構建及應用

張 銳，劉一川，朱德蘭※，葛茂生

（1. 西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，楊凌 712100；2. 西北農林科技大學 旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100）

為確定自然環(huán)境下日光溫室前屋面的采光效率，通過實測數據獲得楊凌地區(qū)冬季長時間無雨狀態(tài)下棚膜表面的灰塵積累分布情況以及不同太陽入射角及積灰程度下的棚膜透光率，構建了積灰分布模型及棚膜透光率衰減模型，在此基礎上結合太陽入射角計算模型，采用MATLAB作為開發(fā)工具編寫日光溫室前屋面透光率的計算程序。通過輸入溫室地理坐標、日期時間、采光面曲線形狀、朝向、棚膜材料種類，模擬出采光面上的透光率，并在楊凌地區(qū)對模型進行驗證與應用。結果表明：同時考慮灰塵和太陽入射角的影響，建立的透光率模型與實測值的模擬精度較高，3個測點的模型計算值與實測值平均絕對誤差分別為0.90%、2.13%和2.02%；以楊凌冬至日高采光效率為設計目標，將距溫室前屋面底端0.8 m處的點作為控制點，確定2種曲線形狀的溫室，其前屋面控制點高度分別為0.6和0.8 m；朝向為南偏西5°時，在冬至日正午前后2 h內，采光面的太陽入射角處于合理采光角范圍內，采光效率較高；在弱光低溫的冬季，為保障溫室內較高的光照強度，建議選用的前屋面覆蓋材料為白色PO膜。該研究可為日光溫室棚膜表面采光效率的計算及采光面結構的設計優(yōu)化提供依據。

溫室；薄膜；積灰；曲線形狀；朝向；透光率

0 引 言

日光溫室在中國北方地區(qū)應用廣泛，對于保障果蔬的反季節(jié)生產具有重要作用[1-2]。太陽輻射是日光溫室最主要的能量來源，也是影響日光溫室光熱環(huán)境的重要因素[3]。良好的采光性能是高效利用太陽能的基礎，溫室采光主要依靠前屋面，前屋面上覆蓋材料的透光特性決定溫室進光量的大小[4-6]。因此，如何準確計算日光溫室前屋面太陽光透過率，優(yōu)化溫室設計參數，最大程度提高溫室采光效率是近年來溫室園藝裝備研究的重要內容。

為定量計算前屋面太陽輻射捕獲量以指導溫室采光設計，許多學者提出影響采光效率的因素包括經緯度、日期時間、前屋面曲線形狀、朝向和覆蓋材料的透光率等[4]，并建立了溫室采光效率計算模型探究如何提高日光溫室前屋面采光效率[7-9]。Chen等研究了冬季條件下6種溫室結構在不同緯度地區(qū)應用時的太陽輻射捕獲量，提出鋸齒狀溫室在（20°～30.6°N）研究區(qū)域內表現性能最佳[10]。李有等比較了日光溫室中常見的3種采光面的采光效率，結果為：圓弧面>橢圓面>拋物面[11]。但張勇等發(fā)現在相同的高差范圍下，采用不同曲線形式的溫室采光面或單純改變采光面的弧度，其采光效果差異很小，為此張勇等設計出主動采光溫室，當采光面傾角從25°調整到35°時，光照強度透過率可提高20%以上[4,12-13]。白義奎等研究了朝向對溫室進光量的影響，發(fā)現在高緯度地區(qū)偏西的朝向可以讓溫室更多的利用下午的太陽光照，計算出沈陽地區(qū)（41°46′N）溫室在南偏西5°～6°時，進光量最大[14]。

對于前屋面覆蓋材料的研究多關注其透光特性。Chen等在研究中國北方不同地區(qū)溫室最佳朝向時，得出覆蓋材料透光率隨太陽入射角的變化規(guī)律[15]，而許紅軍等提出覆蓋材料透光率除了與太陽入射角有關，還受到薄膜基本透光率的影響[16]。改變覆蓋材料物理化學特性來提高透光率這一方法潛力有限[13]，但通過清潔棚膜在自然條件下使用時表面附著的塵土，可顯著提高棚膜的平均透光率[17-18]。在自然條件下，薄膜表面還會受到灰塵和水滴附著的影響，透光率隨覆蓋時間的延長而降低[19]。Nefise等通過實測使用兩年后的低密度聚乙烯薄膜（low-density polyethylene），得出灰塵累積會使太陽輻射的透過率降低13.2%[20]。Kiattisak等發(fā)現6個月未清洗的溫室薄膜由于灰塵積累導致透光率衰減36%～50%，而由于棚膜老化引起的衰減率僅為1%[21]。相比之下，荷蘭Venlo型溫室非常注重玻璃外表面的清潔，專門開發(fā)出溫室屋頂清洗機械裝置定期清洗玻璃屋頂上的灰塵[22]。而對于中國北方地區(qū)薄膜覆蓋的日光溫室來說，受限于清洗裝備和經濟成本，開展周期性的清洗并不現實[23]。因此，在日光溫室前屋面的采光設計中考慮薄膜表面灰塵的影響，對于提高溫室前屋面透光率模型的計算精度，指導溫室采光設計具有重要意義。

綜上所述，溫室采光的影響因素眾多，而前人建立的溫室采光模型，多集中考慮日光溫室采光結構（采光面曲線形狀、朝向），而理想化了在自然環(huán)境使用時覆蓋材料表面灰塵積累對透光率的影響，造成模型計算結果與實際情況偏差較大。為此，本文在考慮積灰和太陽入射角對透光率的影響的基礎上，建立日光溫室前屋面采光效率模型，并以楊凌為例進行驗證和應用，通過研究不同曲面形式、朝向和棚膜材料對溫室采光效率的影響，確定合理的日光溫室設計參數，以期為日光溫室采光設計提供理論依據。

1 模型構建與求解

1.1 日光溫室采光面太陽入射角計算模型

如圖1所示為日光溫室前屋采光面示意圖，坐標系為地理坐標系，其中軸指向正南方向，軸指向正東方向，軸豎直向上；坐標系111為溫室位置坐標系，1軸與溫室走向重合，1軸為溫室朝向，1軸與軸重合。

地理坐標系與溫室位置坐標系111的坐標系轉換關系如下：

式中(,,)為坐標系下任意一點，(1,1,1)為(,,)點在111坐標系下對應的坐標。假設圖1中點在坐標系中時其坐標為(,,)，則在111坐標系下，點坐標為(1,1,1)，同理可得、、、、的在坐標系和111坐標系下的坐標。

1.1.1 日光溫室棚膜采光面的法線向量

如圖1所示，在111坐標系下，點處采光面曲線方程可表示為：

式中(1)為采光面曲線函數，常用的有拋物線型、圓弧形、橢圓型、單斜線型等。

在111坐標系下，點(1,1,1)處的采光曲線法線方程為：

1.1.2 日光溫室棚膜采光面太陽直射光線的方向向量

某測點的太陽時角為該測點一天里不同時間的太陽位置，太陽時角可由下式（6）～（8）計算：

式中ST為真太陽時，；TB為北京時間；TC為測點位置與北京時間的時差，；為當地的經度，(°)，東經為正，西經為負。

太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的夾角，可由下式（9）～（10）計算：

太陽方位角是太陽在方位上的角度，通常被定義為從北方沿著地平線順時針度量的角[4]。本文取太陽方位角南偏東為正，南偏西為負，太陽方位角的計算公式如下：

1.1.3 日光溫室采光面不同位置處的太陽入射角

1.2 積灰分布模型

相比前人模型中僅將透光率與溫室棚膜表面太陽入射角建立關系，本模型考慮到了灰塵積累對不同材料的棚膜透光率的影響，更接近真實情況[10]。

冬季干燥無降雨的天氣下，灰塵積累量在一段時間后達到峰值，此時由于灰塵遮擋效應對棚膜透光的影響將達到最大[19-21]。為定量探究灰塵最大累積程度對棚膜表面透光率的影響，本文將楊凌地區(qū)2020年12月21日（冬至）前后長時間無降雨影響下的灰塵累積程度作為日光溫室棚膜的最大積灰分布，并假設灰塵在棚膜表面沿長度方向上均勻分布，即把圖2中在溫室某剖面上實測的斜率—積灰密度關系應用到整個溫室的長度方向。1）在楊凌現代農業(yè)創(chuàng)新園2個日光溫室中分別剪取覆蓋一段時間后的白色PO膜和藍色PO膜（為便于計算截面面積，盡量剪取方形）；2）用精度為0.01 g的電子秤現場稱量剪取的薄膜質量；3）將薄膜帶回實驗室，用清水漂洗，自然風干后測量無灰塵累積的薄膜質量，2次稱量值之差即為灰塵的質量。以此為依據計算沿棚膜曲線不同位置處（不同斜率）的灰塵密度，如圖2所示，建立積灰密度與斜率的回歸關系式（14）～（15）。

藍色PO膜：

白色PO膜：

式中為棚膜曲線上任一點斜率的絕對值；為積灰密度，g/m2。

從實測的積灰密度與采光面曲線斜率的回歸關系來看，薄膜表面積灰沿前屋面的分布規(guī)律是上部（上弦）多，中間少，南坡底部多，造成這一現象的原因可能是上弦處屋面平緩，利于灰塵的累積，中間屋面較陡，灰塵附著少，南坡屋面底部雖然更陡，但上部滑落的灰塵大多在此聚集。

本文基于冬春季干燥無降雨條件實測積灰密度和棚膜斜率的關系，引入了積灰分布模型，但由于各地區(qū)灰塵的沉積速率和成分種類存在差異，對棚膜透光性能的影響程度也不盡相同。因此，在不同區(qū)域使用該模型時應根據當地氣象環(huán)境和溫室采光面曲線形狀等實際情況對積灰分布模型進行參數修正。

1.3 棚膜透光率模型

試驗裝置：包括傾轉采光板（日晷、可旋轉刻度盤），PLA-30植物光照度分析儀，白色PO膜，藍色PO膜，灰塵樣本，毛刷，電子秤。

試驗方法：如圖3所示，傾轉采光板試驗平臺的旋轉面與日晷平面共面，測量過程中始終保證日晷平面上無指示針的投影，即太陽直射光與傾轉采光板平面垂直。刻度盤上標定了以10°為間隔的刻度，轉動刻度盤可實現太陽光入射角從0°～90°的連續(xù)調節(jié)。在楊凌創(chuàng)新農業(yè)示范園內的日光溫室棚膜表面采集灰塵樣品，采集過程中首先用毛刷將灰塵輕輕掃入量筒中，薄膜上每塊采樣區(qū)域用毛刷輕刷2～3次，然后將采集到的灰塵緩慢倒入透明樣本袋中[24]。傾轉采光板平面上覆蓋按采光板大小裁剪的若干18 cm×18 cm薄膜方片，試驗時將其固定在傾轉采光板表面，利用標準檢驗篩將實地取得的灰塵從較高處篩落，使其自然飄落到薄膜表面上[25]。

測試指標：用精度0.01 g的電子秤稱出薄膜上的灰塵質量?；覊m質量與薄膜面積之比即為積灰密度（g/m2），見式（16）。試驗時以10°為間隔旋轉傾轉采光板，用PLA-30植物光照分析儀測量太陽入射角從0°～90°變化時膜后和膜前的光照強度，兩者的比值即為棚膜透光率[4-5,12,26]，見式（17）。為提高數據準確性，試驗在2021年1月18日－2021年1月19日2個典型晴天進行。天氣晴朗時，中高緯度地區(qū)直射光量占80%～90%，因此直射光環(huán)境幾乎代表了溫室內的光照環(huán)境，所以本文只考慮直射光的作用[7,16,18]。由于光照強度隨時間變化，所以每組試驗及數據記錄在10 min內完成，每個傾轉角度的數據測量重復3次，取平均值計算薄膜透光率。

數據處理：

式中2為布灰后的傾轉采光板和灰塵的總質量，g；1為傾轉采光板的質量，g；為傾轉采光板上的薄膜的面積，m2。

積灰對直射光透光效果的影響主要取決于積灰的密度、灰塵級配和直射光入射方向等[27]。灰塵主要是土壤中的小顆粒經風力搬運和大氣環(huán)流作用，逐漸附著累積到棚膜表面，顆粒級配差異并不顯著[28]。因此本模型以2種棚膜在不同積灰密度和太陽入射角下共90組處理的透光率試驗數據為基礎，建立關于積灰密度與太陽入射角的溫室薄膜透光率定量預測模型。將室外試驗數據在MATLAB2018a中進行Polynomial多項式擬合，圖4為2種薄膜在不同積灰密度和太陽入射角下的擬合結果，從圖4可知，太陽入射角一定時，薄膜透光率隨積灰密度的增大逐漸減小，當積灰密度一定時，太陽入射角越大，透光率越小。

式（18）和（19）分別為白色PO膜與藍色PO膜的透光衰減率擬合方程，其擬合系數2分別為0.968和0.935，均方差RMSE為2.998和3.852，表明擬合公式可以較好地反映積灰密度和太陽入射角對薄膜透光衰減規(guī)律的影響。

白色PO膜：

藍色PO膜：

1.4 溫室采光面平均透光率計算

a. 白色PO膜

a. White PO film

1.5 驗證方法

為驗證采光效率模型的準確性，驗證試驗于2021年1月18日典型晴天在楊凌創(chuàng)新農業(yè)示范園內進行。測量溫室后墻高度，脊高和不同跨度處前屋面高度并擬合出拋物線型的棚膜曲面控制方程，該溫室坐北朝南，覆蓋材料為藍色PO膜，其采光面曲線的擬合方程見式（21）。

式中(1)為該點的縱坐標，m。

如圖5所示，在溫室總長的1/3處，沿棚膜表面從上到下依次取1（240.00，390.81），2（530.00，306.24），3（830.00，125.73）共3個點，分別測試9:00－16:00之間各個時刻薄膜前和薄膜后的光照強度，兩者之比即為測點在該時刻的透光率。

1.6 模型求解

1.6.1 求解思路

根據日光溫室采光面太陽入射角計算模型、積灰分布模型和棚膜透光率模型，以MATLAB為開發(fā)工具編寫日光溫室前屋面采光效率計算模型，程序框圖如圖6所示。輸入參數包括棚膜種類，控制點高度，采光面曲線形狀，朝向，經度，緯度，日序數和時間；輸出參數為平均透光率。

1.6.2 求解步驟

1）輸入控制點高度、采光面曲線形狀和朝向等參數，根據式（1）～（5）擬合出曲線形狀的曲面函數并進行坐標系轉換，進而計算棚膜上任一點的法線方向向量。

2）輸入經度，緯度，日序數和時間等參數，根據式（6）～（12）計算出任意地點任意日期任意時刻的太陽高度角和太陽方位角，進而得出棚膜上任一點的太陽直射方向向量。

3）將棚膜法線方向向量和太陽直射方向向量的計算值代入式（13），得出的兩向量夾角即為棚膜上任一點處的太陽入射角。

4）引入積灰分布模型，聯立式（14）～（20），將積灰密度和太陽入射角的計算結果代入透光衰減率模型，得出平均透光率。

2 模型驗證與結果分析

2.1 模型驗證與對比

將棚膜采光面透光率隨時間變化的實測值與不同模型的計算值進行對比[10,29]，結果如圖7所示。透光率計算表達式見式（22）和（23）。

Chen等[10]模型：

馬承偉等[29]模型：

式中0為薄膜的基本透光率，即棚膜表面清潔時入射角為0的薄膜透光率，%，藍膜取90%。

由圖7可知，1，2，33個測點的模型計算值與實測值平均絕對誤差分別為0.90%，2.13%和2.02%，由于本文考慮了灰塵積累對棚膜表面透光率的衰減作用，更接近真實情況。

若將本文模型中考慮的灰塵影響去除，與Chen等[10]模型和馬承偉等[29]模型的透光率計算結果進行比較，發(fā)現3個測點處，棚膜在無灰塵積累下的透光率計算值與這2個模型計算結果十分接近，這是由于在溫室太陽輻射模型的構建中前人均將覆蓋材料視為干燥清潔狀態(tài)，而實際在干燥無降雨的條件下，薄膜表面很快就會附著大量灰塵，嚴重削弱自然光的透射率，本模型在無灰塵條件下的計算值進一步證明了日光溫室薄膜表面的透光率除了與太陽入射角有關，也在較大程度上受到棚膜表面灰塵的影響。

當太陽入射角小于40°時，光線的反射率低于3.4%[4]，因此0～40°是合理的采光角范圍。對比1、2、33個測點在各個時刻的透光率可知，透光率大小排序為3>2>1。這是因為3測點在一天中太陽入射角均大于40°，而1測點的太陽入射角在11:00－15:00內小于40°。冬季太陽高度角偏低，日光溫室前屋采光面在一天中的大部分時間都處于不合理的采光角范圍，靠近前屋面底部的區(qū)域，太陽入射角較小，故透過率較大。

采光面的透光率受到前屋面角度、薄膜上灰塵附著和薄膜均勻平整程度等因素的影響[4]。灰塵附著的影響隨著時間增長而逐漸增大，以2測點為例，一天中各個時刻實測的透光率均小于無灰塵計算值，平均偏差為16.2%，表明在冬季干燥少雨的西北地區(qū)，灰塵對棚膜表面透光率的削減作用不容忽視。

本模型的實測和計算值存在一定差距，可能由以下幾個原因引起：1）本文僅考慮直射光的作用，但在實際情況中，由于大氣折射，儀器測量時也受到散射光的影響；2）模型中的不同種類覆蓋材料的透光率回歸關系是基于嶄新棚膜得到的，但在實地驗證時大棚膜已覆蓋一段時間，存在老化、褶皺等；3）棚膜積灰受到保溫棉被的壓實作用；4）試驗中存在人為遮擋造成的誤差或儀器放置角度不同引起的測量誤差。

模型精度得到驗證后，下文以前屋面透光率計算模型為基礎，對楊凌地區(qū)溫室前屋面曲線形狀，朝向和覆蓋材料種類對采光效率的影響進行探究，進而提出楊凌地區(qū)日光溫室合理的采光設計參數。

2.2 采光面曲線形狀對采光效率的影響

以跨度=9.8m，覆蓋材料為藍色PO膜的拋物線型大棚和單斜線型大棚為例[30]，為保證溫室采光面前部能滿足植物正常生長的高度要求，采光面前部高度不能過低[31]。因此在棚膜曲面函數參數的設置中，將距溫室前屋面底部0.8 m處棚膜曲線上的點設為控制點，拋物線型和單斜線型大棚的控制點高度變化范圍分別設為[0.4 m，0.7 m]和[0.4 m，0.9 m]，對比不同控制點高度對棚膜采光效率的影響。

不同曲面形式的日光溫室的控制點高度對棚膜透光率的影響趨勢如圖8所示，2種采光面曲線形狀的透光率均先增大再減小，這是因為中午時刻的太陽入射角最小，即陽光最接近于直射，此時的透光率最高；而早晨和黃昏的太陽入射角較大，即薄膜曲面對陽光的折射率較大，透過率較小。在拋物線擬合的棚膜曲面中，控制點高度差異對透光率存在一定的影響，控制點高度越高，透光率越低；與之不同的是，單斜線型大棚在不同控制點高度下的透光率差異并不顯著，當控制點高為0.7或0.8 m時，2條曲線接近重合且為最大值。在考慮不同控制點高度對透光率的影響時，應綜合考慮溫室土地利用效率，即在保證光照的情況下盡量多的種植作物，保證人員可操作空間。因此在不顯著降低透光率的情況下，得出拋物線型大棚控制點高度為0.6 m，單斜線型大棚的控制點高度為0.8 m。

2.3 溫室朝向對采光效率的影響

在溫室其他結構相同的條件下，造成溫室內環(huán)境差異的主要原因是溫室的朝向[32-33]。本研究基于太陽運動軌跡規(guī)律和透光衰減模型，以楊凌地區(qū)為例給出了2種前屋面曲線形狀的日光溫室在不同朝向下的透光率變化情況，如圖9所示。對比2種采光面曲線形式的棚型可知，在南偏東10°～南偏西10°的朝向區(qū)間內，透光率最大時刻都處于13:00左右，該時刻棚膜表面的太陽入射角最小?！白背?，東西走向”是大部分日光溫室的方位朝向，但在中國北方緯度較高的地區(qū)，上午揭簾時間較晚，使得溫室內下午實際日照時間比上午長，因此溫室朝向應適當向西偏轉以盡可能利用下午的光照。

本文以楊凌2020年冬至日為例，計算溫室的揭簾和閉簾時間[10]，見式（24）和（25）。

式中1為揭簾時間；2為閉簾時間；1為冬至日楊凌當地日出時間，7:50；2為冬至日楊凌當地日落時間，17:42，楊凌位于北緯34.16°。

理論計算出冬至日楊凌當地揭簾時間為早晨8:24，閉簾時間為下午17:22，由此可知，上午和下午溫室接受光照的時間均大致為4.5 h，不同朝向的溫室在上午和下午的透光率有一定差異，南偏東朝向的溫室雖然上午棚膜透光率高，但冬季早上氣溫低，較高的透光率對溫室內部增溫效果不明顯，而且根據實地調查得知，農民控制的實際揭簾時間一般在9:00左右，所以日光溫室上午的受光時間更短，因此楊凌地區(qū)的溫室朝向應為南偏西。根據GB/T 19165-2003《日光溫室和塑料大棚結構與性能要求》中對溫室方位的規(guī)定[34]：偏東或偏西不宜超過10°，并且為了兼顧利用上午的太陽光照，防止過分偏西導致正午時刻太陽直射光損失大，升溫不足[35]。得出楊凌地區(qū)的拋物線和單斜線日光溫室朝向的推薦值為南偏西5°?？蓾M足在冬至日正午前后2 h內，采光面的太陽入射角處于合理采光角范圍內，采光效率較高。

2.4 薄膜材料對采光效率的影響

溫室薄膜最重要的2個特征是透光率和保溫[36]。目前西北干旱地區(qū)溫室覆膜材料主要是白色PO膜，但由于西北地區(qū)夏季太陽光照強度大，為避免太陽輻射對棚內作物的灼傷，緩解溫室內的高溫氣候，近年來農戶更偏向使用不同顏色的轉光膜[37]，如綠色PO膜（增加綠色光照，抑制雜草生長），紅色PO膜（透射更多紅光，阻擋其他不利色光），藍色PO膜（保溫性能更優(yōu)）等，雖然不同顏色PO膜的透光率相比白色PO膜降低了約5%～15%，但針對不同作物的特定栽種需求，其他顏色的PO膜能為農戶提供更多選擇。綜上所述，本試驗選取保溫性能較好的藍色PO膜和透光率較好的白色PO膜，探究2種覆蓋材料的初始透光性能和灰塵積累對其透光率的影響。

圖10為拋物線型大棚上覆蓋的白色PO膜和藍色PO膜在清潔狀態(tài)和灰塵覆蓋下透光率隨時間的變化曲線。

由圖10可知，清潔狀態(tài)下白膜比藍膜的初始透光率更高，平均高出8.65%?；覊m累積后，藍膜透光率衰減更明顯，同等條件下比白膜降低了10.05%。結合圖2的積灰密度隨斜率分布曲線進行分析：兩種薄膜在斜率相同時灰塵分布存在一定差異，該拋物線型大棚有2/3跨度的斜率絕對值在0.4～0.8范圍內，而該斜率區(qū)間內藍膜的灰塵累積量大于白膜，所以其透光衰減更多，此外，藍膜為達到更好的保溫性能，厚度稍大也是其初始透光和積灰后透光均低于白膜的原因。因此，在弱光低溫的冬季，為保障溫室內較高的光照強度，建議選用的前屋面覆蓋材料為白色PO膜。

3 討 論

積灰分布模型是本研究相比其他溫室采光效率模型的創(chuàng)新之處，考慮薄膜表面灰塵的影響更符合溫室真實的采光情況。下文主要從模型假設、通用性以及模型不足3個方面進行討論。

在模型構建過程中，假設灰塵在棚膜表面沿東西走向上均勻分布，但實際情況是壓膜線一般位于兩根拱架之間，壓膜線與薄膜接觸位置處也聚集了部分灰塵，因此，在溫室薄膜沿長度方向上，灰塵并不完全是均勻分布，但在每天的卷放簾過程中，保溫被對薄膜表面灰塵存在吸附，壓實和重分布作用，一定程度上使灰塵的分布均勻化，而且非均勻分布的區(qū)域長度占整個溫室長度的比例很小，故假設不考慮壓膜線的影響。

積灰分布模型具有一定的通用性，通過將前屋面斜率與積灰密度建立關系，不論棚型（拋物線型、單斜面型、圓弧—直線型、冪函數型等）有何區(qū)別，僅需知道曲線方程，即可求得棚膜上任一點沿跨度方向上的斜率，進而得到棚膜曲面上任一點的積灰密度。從試驗方法來看，“實地取灰”和“篩分飄落”可以較真實地模擬灰塵在空氣中運移的過程，使灰塵分布更接近自然狀況。

但積灰的定量研究很多，本研究在建立前屋面采光效率模型時重點關注薄膜積灰密度與透光率的關系，而對于影響灰塵密度的各種其他因素：如保溫被材料、卷放的影響、風速、風向及附近是否存在空氣污染源和大氣環(huán)境質量等尚未深入探討，并且針對薄膜表面灰塵的成分、來源以及不同地區(qū)灰塵的累計沉降速率等問題，也有待進一步的研究。

4 結 論

本研究考慮了積灰和太陽入射角對棚膜采光效率的影響，建立了日光溫室前屋面采光效率計算模型。以溫室進光量最大為目標，應用該模型對楊凌地區(qū)日光溫室采光面曲線形狀，朝向和棚膜材料進行探究，主要得到以下結論：

1）建立的日光溫室前屋面采光效率模型與實測值的模擬精度較高，3個測點的模型計算值與實測值平均絕對誤差分別為0.90%，2.13%和2.02%，得出有灰較無灰情況使棚膜透光效率平均降低約16.2%，表明灰塵對棚膜透光存在較大影響。本模型在無灰情況下的計算值與前人研究中提出的透光率公式計算值很接近，說明以往的研究總是將棚膜表面假設為理想的無灰清潔狀態(tài)，所以透光率計算值比實測值偏高。

2）應用該模型對楊凌地區(qū)常見日光溫室大棚的前屋面曲線形狀、朝向和覆蓋材料類型進行探究，結果表明，拋物線型和單斜線型兩種曲線狀的溫室，當前屋面控制點高度分別為0.6 和0.8 m時，其透光率較高；朝向為南偏西5°時，在冬至日正午前后2 h內，棚膜表面的太陽入射角處于合理采光角范圍內，采光效率較高；冬季日照時數少，光照強度弱，為增加溫室采光，建議選取覆蓋材料為白色PO膜。

[1] 丁敏，施旭棟，李密密，等. 薄膜承載力及其對日光溫室結構穩(wěn)定性能的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2013，29(12)：194-202.

Ding Min, Shi Xudong, Li Mimi, et al. Load-bearing capacity of films and its effect on structure stability of Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(12): 194-202. (in Chinese with English abstract)

[2] 王洪義，祖歌，楊鳳軍，等. 高緯度地區(qū)多功能日光溫室設計[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(6)：170-178.

Wang Hongyi, Zu Ge, Yang Fengjun, et al. Design of multi-functional solar greenhouses in high latitude areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(6): 170-178. (in Chinese with English abstract)

[3] 鮑恩財，曹晏飛，鄒志榮，等. 節(jié)能日光溫室蓄熱技術研究進展[J].農業(yè)工程學報，2018，34(6)：1-14.

Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[4] 張勇，鄒志榮. 日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(11)：178-186.

Zhang Yong, Zou Zhirong. Optimization experiment of light transmittance and active lighting mechanism of solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 178-186. (in Chinese with English abstract)

[5] 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，2008，24(8)：210-213.

Ding Xiaoming, Zhou Changji. Test and measurement of solar visible radiation transmittance of greenhouse glazing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(8): 210-213. (in Chinese with English abstract)

[6] Tong X J, Sun Z P, Nick S, et al. Energy sustainability performance of a sliding cover solar greenhouse: Solar energy capture aspects[J]. Biosystems Engineering, 2018. 176(10): 88-102.

[7] 陳青云. 單屋面溫室光照環(huán)境的數值實驗[J]. 農業(yè)工程學報，1993，9(3)：96-101.

Chen Qingyun. Numerical experiments on direct light transmission of single roof greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1993, 9(3): 96-101. (in Chinese with English abstract)

[8] 吳毅明，曹永華，孫忠富，等. 溫室采光設計的理論分析方法：設施農業(yè)光環(huán)境模擬分析研究之一[J]. 農業(yè)工程學報，1992，8(3)：73-80.

Wu Yiming, Cao Yonghua, Sun Zhongfu, et al. An analytical method of light transmissivity in greenhouse design[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1992, 8(3): 73-80. (in Chinese with English abstract)

[9] Noureddine Choab, Amine Allouhi, Anas El Maakoul, et al. Review on greenhouse microclimate and application: Design parameters, thermal modeling and simulation, climate controlling technologies[J]. Solar Energy, 2019. 191(8): 109-137.

[10] Chen J, Ma Y, Pang Z. A mathematical model of global solar radiation to select the optimal shape and orientation of the greenhouses in southern China[J]. Solar Energy, 2020. 205(5): 380-389.

[11] 李有，張述景，王謙，等. 日光溫室采光面三效率計算模式及其優(yōu)化選擇研究[J]. 生物數學學報，2001，16(2)：198-203.

[12] 張勇，鄒志榮. 高效可變采光傾角日光溫室的結構及其性能研究[J]. 西北農林科技大學學報，2013，41(11)：113-118,124.

Zhang Yong, Zou Zhirong. Structure and properties of solar-greenhouse with variable incidence angle[J]. Journal of Northwest A&F University, 2013, 41(11): 113-118, 124. (in Chinese with English abstract)

[13] 張勇，鄒志榮，李建明. 傾轉屋面日光溫室的采光及蓄熱性能試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2014，30(1)：129-137.

Zhang Yong, Zou Zhirong, Li Jianming. Performance experiment on lighting and thermal storage in tilting roof solar-greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(1): 129-137. (in Chinese with English abstract)

[14] 白義奎，劉文合，王鐵良，等. 日光溫室朝向對進光量的影響分析[J]. 農業(yè)機械學報，2005，36(2)：73-75，84.

Bai Yikui, Liu Wenhe, Wang Tieliang, et al. Analysis of orientation influenced sunlight in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(2): 73-75, 84. (in Chinese with English abstract)

[15] Chen C, Li Y, Li N, et al. A computational model to determine the optimal orientation for solar greenhouses located at different latitudes in China[J]. Solar Energy, 2018. 165(2): 19-26.

[16] 許紅軍，曹晏飛，李彥榮，等. 日光溫室太陽輻射模型構建及應用[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(7)：160-169.

Xu Hongjun, Cao Yanfei, Li Yanrong, et al. Establishment and application of solar radiation model in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(7): 160-169. (in Chinese with English abstract)

[17] 何培祥，汪洋，何家成，等. 磁力輪式塑料大棚清洗裝置的設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(21)：102-108.

He Peixiang, Wang Yang, He Jiacheng, et al. Design and experiment of cleaning device with magnetic wheels for plastic greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 102-108. (in Chinese with English abstract)

[18] 李天華，陳大軍，魏珉，等.日光溫室薄膜清洗機設計及清洗效果試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(19)：245-251.

Li Tianhua, Chen Dajun, Wei Min, et al. Design of film cleaning machine for solar greenhouse and its cleaning effect[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(19): 245-251. (in Chinese with English abstract)

[19] 郭泳，楊延杰，李天來，等. 高寒地區(qū)日光溫室越冬周年生產適用棚膜的篩選[J]. 沈陽農業(yè)大學學報，2006，37(1)：17-21.

Guo Yong, Yang Yanjie, Li Tianlai, et al. Selecting the plastic film of solar greenhouse used for whole year and over winter production in deep cold regions[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2006, 37(1): 17-21. (in Chinese with English abstract)

[20] Nefise Yasemin Emekli, Kenan Büyükta?, Ali Ba??etin?elik. Changes of the light transmittance of the LDPE films during the service life for greenhouse application[J]. Journal of Building Engineering, 2016, 6(2): 126-132.

[21] Kiattisak Sangpradit. Study of the solar transmissivity of plastic cladding materials and influence of dust and dirt on greenhouse cultivations[J]. Energy Procedia, 2014. 56(7): 566-573.

[22] 陳大軍. 日光溫室薄膜高效清洗機的研制與試驗研究[D].泰安：山東農業(yè)大學，2019.

Chen Dajun. Design and Experimental Study of High Efficiency Film Cleaning Machine for Solar Greenhouse[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[23] 齊飛，魏曉明，張躍峰. 中國設施園藝裝備技術發(fā)展現狀與未來研究方向[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(24)：1-9.

Qi Fei, Wei Xiaoming, Zhang Yuefeng. Development status and future research emphase on greenhouse horticultural equipment and its relative technology in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 1-9. (in Chinese with English abstract)

[24] 王勝捷，田瑞，郭梟，等. 光伏組件積灰特性及其透射衰減規(guī)律研究[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(22)：216-224.

Wang Shengjie, Tian Rui, Guo Xiao, et al. Dust accumulation characteristics and transmission attenuation law of photovoltaic modules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 242-250. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊亞林，朱德蘭，李丹，等. 積灰和光照強度對光伏組件輸出功率的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(5)：203-211.

Yang Yalin, Zhu Delan, Li Dan, et al. Influence of dust accumulation and light intensity on output power of photovoltaic modules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 203-211. (in Chinese with English abstract)

[26] 國家建筑材料工業(yè)局. 建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定GB/T 2680-94[S]. 北京：中國標準出版社，1994.

[27] 臧建彬，王亞偉，王曉東. 灰塵沉積影響光伏發(fā)電的理論和試驗研究[J]. 太陽能學報，2014，35(4)：624-629.

Zang Jianbin, Wang Yawei, Wang Xiaodong. Computation model and experiment of dust deposition affecting transmittance of photovoltaic module[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2014, 35(4): 624-629. (in Chinese with English abstract)

[28] 周戀彤，董黎明，趙鈺，等. 北京城區(qū)道路灰塵季節(jié)性粒度分布及分形特征[J]. 中國環(huán)境科學，2015，35(6)：1610-1619.

Zhou Liantong, Dong Liming, Zhao Yu, et al. Particle size distribution and fractal dimension characteristics of urban road dust in four seasons in Beijing[J]. China Environmental Science, 2015, 35(6): 1610-1619. (in Chinese with English abstract)

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

Ma Chengwei, Zhao Shumei, Cheng Jieyu, et al. On establishing light environment model in Chinese solar greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2013, 44(5): 513-517. (in Chinese with English abstract)

[30] Huang L, Deng L, Li A, et al. Analytical model for solar radiation transmitting the curved transparent surface of solar greenhouse[J]. Journal of Building Engineering, 2020. 32: 101785.

[31] 王靜，崔慶法，林茂茲. 不同結構日光溫室光環(huán)境及補光研究[J]. 農業(yè)工程學報，2002，18(4)：86-89.

Wang Jing, Cui Qingfa, Lin Maozi. Illumination environment of different structural solar greenhouses and their supplement illumination[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002, 18(4): 86-89. (in Chinese with English abstract)

[32] Xu Demin, Li Yiming, Zhang Yue, et al. Effects of orientation and structure on solar radiation interception in Chinese solar greenhouse[J]. Plos One, 2020, 15(11): e0242002.

[33] Ravi Gupta, Tiwari G N, Anil Kumar, et al. Calculation of total solar fraction for different orientation of greenhouse using 3D-shadow analysis in Auto-CAD[J]. Energy and Buildings, 2012, 47(11): 27-34.

[34] 北京市質量技術監(jiān)督局，日光溫室和塑料大棚結構與性能要求GB/T 19165-2003[S]. 北京：中國標準出版社，2003.

[35] 曹偉，李永奎，白義奎. 溫室方位角對日光溫室溫度環(huán)境的影響[J]. 農機化研究，2009，31(5)：183-184，189.

[36] 王宇欣，李丹春，黃斌，等. DRP溫室透光覆蓋材料性能表征研究[J]. 農業(yè)機械學報，2020，51(4)：320-327.

Wang Yuxin, Li Danchun, Huang Bin, et al. Performance characterization of DRP greenhouse transparent covering material[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(4): 320-327. (in Chinese with English abstract)

[37] 閆妍，于賢昌，廉世勛，等. 寬譜帶轉光棚膜力學與光學特性及其提高番茄產量和品質[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(13)：255-262.

Yan Yan, Yu Xianchang, Lian Shixun, et al. Mechanical and optical properties of broadband UV-to-red conversion plastic films and its improving effect on tomato yield and quality[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 255-262. (in Chinese with English abstract)

Establishment and application of daylighting efficiency model for the front roof covered with dust film in solar greenhouses

Zhang Rui, Liu Yichuan, Zhu Delan※, Ge Maosheng

(1.,712100,; 2.,,,712100,)

Highly efficient use of solar energy depends mainly on the reasonable daylighting design of the front roof in a solar greenhouse. This study aims to establish a daylighting efficiency model for the front roof of a solar greenhouse in a natural environment. Taking Yangling district, Shanxi Province of China, as the study area, the dust accumulation and distribution were also acquired on the surface of greenhouse film under the conditions of no rain for a long time in winter. The light transmittance of greenhouse film was evaluated under different solar incidence angles and ash accumulation. An ash accumulation distribution model and a light transmittance attenuation model were constructed for the greenhouse film, further combining with the calculation model of solar incidence angles. Matlab platform was selected to develop the script for the calculation program of light transmittance for the front roof in a solar greenhouse. The transmittance of the daylighting surface was first simulated using the geographic coordinates of a greenhouse, date and time, the curve shape of the daylighting surface, orientation, and the type of film materials. A field test was also carried out to verify the model in the study area. The results showed that: 1) There was a similar simulation accuracy of the transmittance model and the measured value when considering both the influence of dust accumulation and solar incidence angles. The average absolute error of calculated and measured values at three measuring points were 0.90%, 2.13%, and 2.02%, respectively. The transmittance efficiency of greenhouse plastic film decreased by about 16.2% in the case of ash accumulation, compared with that without ash accumulation. This indicated that there was great significance of ash accumulation to precisely predict the light transmittance. 2) The high transmittance of the winter solstice was taken as the design goal in the study area, while the point of 0.8m away from the bottom of the front roof in the greenhouse was determined as the control point. The optimal heights of control points on the front roof were 0.6 and 0.8 m for the greenhouses with the parabolic and the single-oblique curves. Correspondingly, the solar incidence angles of the daylighting surface were within the reasonable range of daylighting angles within 2 h before and after noon on the winter solstice, when the construction orientation was 5° from the south by west. Therefore, the daylighting efficiency and energy capture were higher than those in the other orientations. 3) Two kinds of plastic films were tested to make sure the higher light intensity in the greenhouse. It was found that the white PO film performed better in winter, where the outside environment was in low light level and cold. As a result, it was suggested to select the white PO film as the covering material of the front roof. This finding can provide a promising theoretical foundation to calculate the daylighting efficiency of the film surface, thereby optimizing the daylighting surface structure in a greenhouse.

greenhouse; film; ash accumulation; curve shape; orientation; light transmittance

張銳，劉一川，朱德蘭，等. 考慮薄膜積灰的日光溫室前屋面采光效率模型構建及應用[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(13)：190-199.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022 http://www.tcsae.org

Zhang Rui, Liu Yichuan, Zhu Delan, et al. Establishment and application of daylighting efficiency model for the front roof covered with dust film in solar greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 190-199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022 http://www.tcsae.org

2021-04-21

2021-06-28

國家重點研發(fā)計劃（2021YFE0103000）；陜西省重點研發(fā)計劃（2020ZDLNY01-01）；國家自然科學基金項目（52009111）

張銳，研究方向為溫室建筑結構及光熱環(huán)境。Email：17780525381@163.com

朱德蘭，教授，博士生導師，研究方向為設施水肥與環(huán)境調控技術研究，Email：dlzhu@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022

S625.1

A

1002-6819(2021)-13-0190-10