日光温室太阳辐射模型构建及应用

太阳辐射是影响日光温室光、热环境的重要参数,准确获得温室内部墙体与地面的太阳辐射照度变化规律可对温室设计建造、温室内环境调控与作物生产起到重要的指导意义。该文在总结已有日光温室太阳辐射模型的基础上,通过气象数据,地球、太阳的运动规律以及太阳光线与日光温室前屋面入射角的关系,建立了较为完善的日光温室太阳辐射模型,并利用该模型对温室内部辐射规律进行分析。采用典型晴天数据对模型进行检验,结果显示计算值与实测值平均偏差最大为63.46 W/m~2,平均绝对误差最大为63.48 W/m~2,均方根误差最大为79.18 W/m~2,决定系数在0.95～0.99范围内。利用该模型分析温室内部辐射规律发现,相比不同位置屋面角度的影响而言,透光率受时间即太阳方位与太阳高度角的影响更大。温室墙体表面与地面太阳辐射照度随季节不断变化,春秋分是一年中墙体与地面接受太阳辐射时间最长的节气,该日墙体表面与地面太阳辐射照度大致相当。春分到秋分期间,地面辐射照度高于墙体表面;从秋分到春分期间,墙体表面太阳辐射照度大于地面。不同区域温室内太阳辐射日积累量主要受纬度影响,低纬度地区较高纬度地区而言,冬季太阳辐射日积累量大,夏季太阳辐射日积累量小。研究结果可为日光温室内墙体蓄热、屋面优化、作物种植、围护结构能量平衡等研究提供理论参考与相关数据。     

日光温室中直射光的计算机模拟方法——设施农业光环境模拟分析研究之三

在覆盖材料确定时,温室采光屋面的几何形状直接决定着温室的光环境,即温室内的采光量及其时空分布特征。本文的主要研究对象是我国目前较为普及的日光温室。首先,采用数学函数方法,生成各种不同曲率的采光屋面,由此构造出具有不同几何形状的日光温室。第二,根据已经建立起的温室采光理论,建立计算机模拟模型,对其内部的直射光环境进行模拟。通过对模拟结果进行评判对比,可筛选出优化的温室采光结构。因此本项研究可为温室结构优化设计和生产管理提供科学依据和分析工具。     

温室采光设计的理论分析方法——设施农业光环境模拟分析研究之一

本文提供一种温室采光设计的理论计算方法,可针对不同纬度、不同建设方位、不同透明覆盖材料、采光屋面具有不同骨架结构和几何形状的各类单栋温室,建立相应的模拟模型,模拟分析太阳直接辐射透进温室内的时空分布状况,为温室采光优化设计提供模拟分析手段和科学依据。     

日光温室内太阳辐射估算模型的构建

日光温室内不同位置的太阳辐射量是作物光合和蒸腾模拟模型的重要参数,也是研究温室内墙体能量收支平衡方程的重要因子。该文研究了温室围护结构对太阳辐射的遮蔽,建立了可蔽视角的计算公式,在此基础上估算了晴天温室内任一位置的太阳直接辐射、散射辐射和太阳总辐射,并以辽沈Ⅱ型日光温室为例,将模拟结果与实测结果进行了比较,对造成模拟误差的可能原因进行了分析。研究结果表明:日光温室内模拟的散射辐射和总辐射的日变化与实测值趋势较为一致,模拟值要略高于实测值,平均偏高6.4%和8.8%,误差的可能来源有大气透明系数、棚膜透光率的估算误差、承重骨架的遮蔽及人为观测的误差。研究结果可为日光温室内不同位置作物光合蒸腾模拟、群体光分布模拟、围护结构能量平衡等模拟模型提供参考。     

高纬度地区多功能日光温室设计

高纬度地区的传统日光温室常由于结构设计不合理,冬季生产需要补温,果蔬种植和加工环节分离,运输中容易发生冻害,制约该地区温室的冬季生产。该文基于传统日光温室优点及存在问题,结合高寒地区气候特点,从温室结构优化和功能创新2方面提出新型日光温室设计方案。利用经典温室设计理论,结合生产实际,对采光角度、前屋面弧度、保温性能等进行优化,并对雪荷载、风荷载、屋面活荷载、作物吊挂荷载进行计算,利用结构分析软件midas计算温室结构的受力稳定性,对温室各参数设计的合理性进行验证。优化结果为:总跨度16 m,一层种植部分跨度9 m,生产加工部分跨度7 m,总高度6.5 m,前屋面主采光角37°,土地利用率达到1.7。该设计实现了高纬度地区温室冬季不加温种植果蔬,利用传统温室后墙的遮阴部分,创造地上、地下3层使用空间,显著提高了土地利用率,实现种植、加工、存储多种功能集成,是高纬度地区日光温室的一种创新尝试,可以作为棚室种植园区的核心节点温室。     

日光温室主动采光机理与透光率优化试验

中国的日光温室实现了高效的太阳能利用,温室采光面的采光设计是其结构设计中的一个极其重要的方面。但是,在实践的设计中,对于自然光入射角小于40°的光照透过率未进行深入的理论研究,使得温室采光的设计长期停滞于经验设计为主的状态。该文采用光学理论计算和试验研究的方法,详细分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率,以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系。从经典光学理论出发,推导了温室采光设计的计算系统计算方法,并结合理论要求并进行试验研究。通过理论推导和试验得到,对于可以主动改变采光角度的主动采光温室条件下,在太阳光入射角达到20°,30°和40°时,太阳光的强度透过率,分别达到了85.68%,76.47%,64.72%。特别是当入射角大于40°时,直射光强度透射率下降更加明显,在入射角为50°和60°时,直射光强度透射率分别为53.38%和39.67%。理论分析和试验研究表明,将温室采光面的倾角从25°提高到35°,理论计算与试验结果均表明通过小幅改变温室采光面的角度即可达到大幅提高温室强度透过率,当温室采用了可以改变采光角度的主动采光屋面后,温室内的光照强度透过率可以提高20.7%~22.8%。     

日光温室前屋面优化及结构分析

当温室的其他结构参数相同时,调整前屋面的形状,便可获得不同量的太阳辐射。对于日光温室这种主要依赖太阳辐射的温室,确定出最佳的温室前屋面形状以获得更多的太阳辐射显得尤为重要。确定温室最佳前屋面形状,即需确定出温室横剖面前屋面不同点的位置,也即不同地面点...     

中国节能型日光温室的理论和实践

扼要介绍了中国节能型日光温室的基本结构、性能、应用和发展概况,重点介绍了该温室建筑结构参数的优化设计,如温室各建筑参数的几何尺寸,采光屋面的倾角和几何形状,墙体结构,后屋面结构及其仰角和投影,外保温覆盖材料和环境调控手段等。同时还介绍了中国节能型日光温室理论研究成果,如建立了日光温室光、热、空气湿度、土壤温度和力学数学模型,并指出这些成果是日光温室结构优化设计的基础。     

倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验

为了实现了日光温室对太阳能的高效利用,该文提出了一种适用于高性能采光的倾转屋面日光温室。该文对倾转屋面日光温室的室内光照进行理论分析,试验测试了该日光温室的室内光照与蓄热性能,并与传统8和9 m跨的固定采光面温室分别进行了对比分析。试验结构表明,与普通固定采光面日光温室相比,倾转屋面日光温室的采光性能和温度指标有了明显提高。在晴天和多云采光天气条件下,倾转屋面日光温室室内的辐照度较普通8和9 m跨固定采光面日光温室均有较大幅度的增加,整体采光率分别提高41.75%和25.05%,对应的室内的辐照度增加平均值为69.54和38.99 W/m2。倾转屋面日光温室室内的温度有较大幅度的提高,表现为整体温度水平提高,倾转屋面日光温室较普通8m跨固定采光面日光温室,保温时段平均温度整体提高了3.1℃。该研究结果为温室建筑结构的改良和结构优化设计提供了参考。     

日光温室气象环境综合研究(三)——几种弧型采光屋面温室内直射光量的比较研究

本文计算了北京地区四种弧型采光屋面的温室内10～4月各月平均太阳直接辐射日总量(简称直射光总量),并进行了比较。结果表明10～4月室内直射光总量均以圆面——抛物面组合型温室最高,椭圆面最低。圆面和抛物面相比,冬季(11～2月)前者优于后者,春季(3～4月)相反。     

日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性研究

为了进一步提高日光温室内主动蓄放热的热能利用效率,该研究在日光温室内的顶部空间,构建了基于曲面菲涅尔透镜的直散分离系统,该系统对顶部区域的空间利用率为25.8%。利用光学仿真软件对不同入射角的太阳光进行追踪,并对该曲面菲涅尔透镜在典型日条件下的接收效率和焦斑分布进行分析,得到一日内的变化规律。在直射光集热测试方面,正午时段内,该系统的集热效率可以达到45%。对比散射光环境对温室的影响,发现试验区全天光照度减小约为10%~40%。该文以主动集热土垄加温系统提升栽培土垄温度作为试验组,并与不加温对照组进行了比较。试验结果表明,系统可提高土垄温度4.5~5.0℃。连续晴天情况下,土垄加温系统的COP(coefficient of performance)为1.5~1.9。研究表明此新型温室集热方式可提高空间利用率,改善温室内光热环境,同时利用午间强直射光集热,实现太阳能综合利用。     

日光温室薄膜清洗机设计及清洗效果试验

针对当前中国日光温室薄膜清洗效率低及清洗困难的问题,该文研制了一种半自动日光温室薄膜清洗机。整机包括清洗与行走部分,清洗部分主要包括直流电机、2组不同减速比减速器、清洁毛刷以及支撑滚筒,依靠拉绳收放完成升降,实现温室薄膜上下不同位置清洁;行走部分用来整体平移清洗部分,其上的放置平台采用偏心结构设计,方便清洗部分从薄膜放置到行走装置及再次清洗时移动到薄膜表面。以薄膜透光率为指标,开展了清洗速度、喷水压力与流量、刷毛长度对清洗效果影响的研究,得出合理的清洗爬升速度为2.8～5.6 m/min,喷水流量为2～3.5 L/min,毛刷接触薄膜长度为3 cm。通过对自然条件下使用3个月的新换薄膜进行试验,得到清洗后薄膜透光率最高可达90%,与同时更换未清洗薄膜相比提高15个百分点。该装置的使用在减小劳动强度的同时,提高了日光温室薄膜清洗效率、改善了棚内光照条件。     

北墙不同外倾角对日光温室表面风压与体型系数的影响

为探明日光温室北墙外倾角的改变对其屋面风压系数和风荷载体型系数的影响,该研究基于计算流体力学原理,采用数值模拟方法,考虑北风和西北风2种风向,研究了不同北墙外倾角下日光温室表面风压分布规律,并给出不同北墙外倾角情况下的细化分区风荷载体型系数。结果显示：1）风压分布规律为：北风和西北风时日光温室前屋面和后屋面上半部风压系数为负,屋脊处和东、西边缘风吸力集中;随北墙外倾角减小,前屋面上部和后屋面风压系数绝对值明显减小,前屋面下部风压系数无显著变化。2）风荷载体型系数规律：北风时,以北墙外倾角90°（即竖直）为参照,外倾角减至30°可使前屋面上部体型系数的绝对值减小16%～26%,可使前屋面下部体型系数的绝对值增大6%～57%,可使后屋面体型系数绝对值减至0左右;西北风时,前屋面上部和后屋面体型系数绝对值均为西端大、东端小,前屋面下部体型系数绝对值为中间大两端小,屋面风荷载体型系数随北墙外倾角的变化不显著。因此,北墙外倾角的变化导致日光温室屋面风荷载分布发生变化较大,对日光温室结构的抗风性能影响较大,建议日光温室屋面风荷载计算应考虑北墙外倾角的影响,抗风设计时可合理选择北墙外倾角以减小屋面风荷载,边榀骨架结构和围护结构的边缘处需加强。     

日光温室后屋面投影宽度与墙体高度优化

关于日光温室合理的后屋面投影宽度、墙体高度一直存在争议。该文根据不同日期太阳直射光线在日光温室后墙上的投影高度变化,要求当室外最低温度低于0℃时,保证在中午前后4 h(10:00-14:00)内至少有一部分后墙能接受太阳光直射为条件,得出不同纬度地区日光温室墙体接受太阳光直射的合理时期,并据此得出日光温室后屋面投影宽度、墙体高度的计算方法。利用该方法对中国不同结构类型的日光温室后屋面投影宽度、墙体高度进行计算分析,结果显示后屋面投影宽度占跨度的比例为0.04~0.23,其中纬度位于34°~38°之间的西北地区日光温室后屋面投影宽度占跨度的比例最小,为0.04~0.11。该方法计算结果与典型日光温室结构参数吻合,具有可行性,可为中国日光温室的优化设计提供理论指导。     

宽谱带转光棚膜力学与光学特性及提高番茄产量和品质

为探索添加VTR-660转光剂后涂覆型棚膜的力学特性、光学特性及日光温室覆盖该转光膜对番茄产量和果实品质的影响。该研究采用了荧光光度计、红外光谱仪和双光束紫外可见光分光光度计对试样棚膜"传统内添加EVA消雾无滴棚膜"(F1,对照)、"涂覆型持久流滴耐老化消雾无滴棚膜"(F2)和"添加了VTR-660转光剂后涂覆型宽谱带紫外转红棚膜"(F3)的光学特性进行分析;参照国家标准测定了试样棚膜的力学特性(厚度、拉伸强度、断裂伸长率和直角撕裂强度);并对覆盖不同试样棚膜日光温室内的温光环境(光照强度、气温和地温)、番茄的生理和产量指标进行了测试。结果显示:与F1相比,F3纵向的拉伸强度和直角撕裂强度分别显著提高了30.72%和7.20%(P0.05);在4 000~1 430,1 430~770和770~400 cm-13个波段下的红外线透过率积分面积分别显著提高13.69%,61.78%和41.83%(P0.05);紫外吸光度显著降低了49.21%(P0.05);覆盖宽谱带紫转红棚膜日光温室(T3)番茄每公顷产量比覆盖传统内添加型EVA消雾无滴膜(T1)显著提高了25.71%(P0.05),果实维生素C和番茄红素含量分别显著提高了11.11%和33.04%(P0.05)。由此可知,添加VTR-660转光剂的宽谱带紫转红棚膜显著提高了红外线透过率,改善了日光温室内的温光环境,提高了番茄产量并改善了果实品质。     

PO和PVC薄膜温室的光温环境及其与薄膜流滴性的关系

本研究通过对ＰＯ薄膜和ＰＶＣ薄膜温室光温环境的连续测量，分析比较了两种温室光温环境，同时测量了薄膜内表面凝结水量的差异，推导出了计算温室内外气温差的简便计算式，在该计算式中包含了薄膜内表面凝结水量对透光率的影响     

日光温室薄膜全自动清洗机研制与试验

针对日光温室薄膜人工清洗劳动强度大、自动化清洗设备缺乏的现状，该研究设计了一种日光温室薄膜全自动清洗机。为减小整机质量并降低成本，采用双蜗轮蜗杆电机分别驱动清洗主机的毛刷与爬升轴；设计地面移位换行装置，用以承载清洗主机沿温室长度方向移动；为实现自动换行清洗，设计棚顶移位换行装置，调整棚顶吊绳安装高度，避免吊绳在换行作业时与棚面产生干涉而影响换行质量或损伤薄膜。基于多传感器融合与数据校验技术，保证清洗主机、棚顶与地面移位装置间的协作实时性、一致性及可靠性。为验证设计方案的合理性与可行性，以参照日光温室跨度、脊高、肩高参数10:1制作模型温室，按外形尺寸5:1加工清洗样机，并进行对齐、倾斜偏移及清洗效果验证试验。结果表明，清洗主机升降时的水平偏移量在±3°以内，左右偏移量在±7 mm以内（换行操作时各偏移量无累积）；地面与棚顶移位换行装置的单次换行误差与多次换行累计误差均在1 mm左右；毛刷材料选型与关键参数设计合理，可对薄膜表面灰尘进行有效清洗，洗净率为95.4%，清洗效果明显该清洗机在丰富国内日光温室清洗装备类型的同时，有效解决了团队前期研发清洗机质量大易伤膜、自动化水平低等问题，为温室大棚薄膜相关清洗设备的设计研发提供了参考。     

双膜双被装配式日光温室在郑州地区的小气候测试

2020年11月1日-2021年2月28日,在河南郑州地区对冬春季双膜双被装配式日光温室内外温度、光照和湿度小气候进行测定,以探明其温光性能。在温室内外分别布置环境自动记录仪,每台记录仪均连接温湿度传感器和光照传感器,实现数据的自动监测与传输。结果表明：观测期内,温室内旬平均气温为11.4～21.4℃,旬平均最低气温为9.4～16.7℃;温室内0.1m深处旬平均土壤温度为15.4～22.9℃,旬平均最低土壤温度为15.0～22.1℃,温室内外最大气温差和土温差分别为17.0℃和15.6℃。全年最冷时段（1月上旬）温室外旬平均最低气温为−7.9℃,0.1m处土壤温度旬平均最低值为2.2℃,而此时段温室内旬平均最低气温和0.1m处土壤温度旬平均最低值分别达到9.9℃和15.8℃。11月−翌年2月,温室内光照度逐渐增大,晴天光照度在2000～22000lx,11月、12月、1月和2月晴天日平均透光率分别为42%、52%、49%和45%,12月透光率最高,不同月份透光率存在明显差异;阴天温室光照度在300～4000lx,各月阴天日平均透光率分别为34%、35%、36%和33%,透光率差异不明显。11月下旬−1月下旬,温室内夜间湿度为95.4%～99.0%,夜间叶片沾湿时长占比为89.1%～99.5%,温室内湿度大。观测结果说明双膜双被结构日光温室在黄淮地区冬春季具有较好的保温性能,有利于进行喜温果菜类的越冬生产,具有一定的推广应用价值,但是存在温室透光率偏低、光照弱等问题。