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。     

温室采光辅助设计软件(GRLT)的研制——设施农业光环境模拟分析研究之二

本文应用计算机模拟技术,研制了适合我国不同温室光环境分析的辅助设计软件GRLT。该软件可用于分析太阳直接辐射在温室内的时空分布,并能确定出最佳采光的温室结构。GRLT软件可在MS—DOS3.30以上操作系统支持下,在386、286和IBM—PC/XT及其兼容机上运行,用户界面友好,操作方便。它是温室采光优化设计的一种辅助工具。     

考虑薄膜积灰的日光温室前屋面采光效率模型构建及应用

为确定自然环境下日光温室前屋面的采光效率,通过实测数据获得杨凌地区冬季长时间无雨状态下棚膜表面的灰尘积累分布情况以及不同太阳入射角及积灰程度下的棚膜透光率,构建了积灰分布模型及棚膜透光率衰减模型,在此基础上结合太阳入射角计算模型,采用MATLAB作为开发工具编写日光温室前屋面透光率的计算程序。通过输入温室地理坐标、日期时间、采光面曲线形状、朝向、棚膜材料种类,模拟出采光面上的透光率,并在杨凌地区对模型进行验证与应用。结果表明:同时考虑灰尘和太阳入射角的影响,建立的透光率模型与实测值的模拟精度较高,3个测点的模型计算值与实测值平均绝对误差分别为0.90%、2.13%和2.02%;以杨凌冬至日高采光效率为设计目标,将距温室前屋面底端0.8 m处的点作为控制点,确定2种曲线形状的温室,其前屋面控制点高度分别为0.6和0.8 m;朝向为南偏西5°时,在冬至日正午前后2h内,采光面的太阳入射角处于合理采光角范围内,采光效率较高;在弱光低温的冬季,为保障温室内较高的光照强度,建议选用的前屋面覆盖材料为白色PO膜。该研究可为日光温室棚膜表面采光效率的计算及采光面结构的设计优化提供依据。     

连栋温室采光性能评价指标

温室的采光性能决定着进入温室的能量和作物用于光合作用的光合有效辐射大小。但采光性能的优劣在中国缺少明确的评价指标。该文综合分析了已有研究成果,提出了太阳总辐射透过率、光合有效辐射及其在温室内分布的均匀性等3个技术参数作为温室采光性能的评价指标。     

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%。     

基于Ecotect的不同墙体材料猪舍光热环境和热性能分析

北方地区冬季寒冷漫长,为探究北方冬季养猪的采光及保温问题,该文基于Ecotect软件,以吉林省内某大型猪场的典型猪舍为对象,等比例建模仿真,研究猪舍的光热环境及猪场生产区光环境,探究猪舍内不同高度的采光系数及猪场生产区采光情况,分析4种形式不同墙体材料猪舍的保温性能。结果表明,试验猪舍各研究高度采光系数均高于2%,满足绿色建筑标准;猪场生产区采光良好,在大寒日的太阳辐射量可达5.38 MJ/(m2·d),日照充足无遮挡;通过对比4种形式不同墙体材料猪舍的逐月能耗值,计算出4种形式猪舍中黏土多孔砖猪舍、泡沫混凝土猪舍、酚醛夹芯板彩钢猪舍和低密度聚乙烯薄膜温室大棚猪舍的保温性能最好,考虑成本后更推荐炉渣砖砌体猪舍、粉煤灰加气砌块猪舍、聚苯夹芯板彩钢猪舍和低密度聚乙烯薄膜温室大棚猪舍;通过将试验实测值与软件模拟值进行数据对比,计算得出相对误差范围为0.74%～8.62%,验证了模型的可靠性。该文可以为探究北方猪舍的光热环境提供理论依据,为建筑设计师在方案实施前提供更多优化设计方案的思路。     

日光温室微气候的模拟与实验研究

运用热力学、传热学和建筑采光的基本理论,建立了日光温室微气候数学模型,编制了计算程序。该程序可以用于模拟分析日光温室室内环境参数的动态过程和分布规律,以及不同太阳辐射,不同围护结构和不同保温覆盖对其参数的影响。为日光温室的广泛应用提供理论依据。     

北京地区典型日光温室直射光环境的模拟与分析——设施农业光环境模拟分析研究之四

在对日光温室采光结构优化研究的基础上,针对北京地区几种典型日光温室的太阳直射光环境,主要从采光量及光分布特征两个方面,进行了模拟和分析。研究结果表明:结构不同的日光温室,采光量及光分布特征均有不同程度的差异,仅以采光总量为例,获得最多采光量与最少采光量者相差高达41.4％,但在地面上的采光量,二者仅相差3.7％,因此对优化的日光温室结构来说,不仅要对日光温室的采光总量做出评价,其分布特征也是不可忽略的重要指标。本研究的结果可对北京地区日光温室结构的进一步优化与改进提供科学依据和参考,对其它地区日光温室结构的优化与改进也有一定的参考价值。     

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。     

用辐热积法模拟温室黄瓜叶面积、光合速率与干物质产量

依据温室黄瓜叶片生长与温度和辐射的关系，用辐热积构建了两种不同整枝方式下的叶面积模拟模型，并与已有的光合速率和干物质生产模型相结合，建立了适合中国种植技术的温室黄瓜光合速率与干物质生产模拟模型，并利用不同品种、基质的试验资料对模型进行了检验。结果表明，本模型比积温法和比叶面积法能更准确地预测温室黄瓜的叶面积和总干重，为温室作物生长模拟提供了新思路。     

大型连栋温室设计风雪荷载分级标准初探

我国温室行业发展迅速,但缺乏必要的规范约束。该文针对我国大型连栋温室的结构强度设计,以建筑设计规范风雪荷载分布图为基础,提出了温室荷载设计的分级。为温室主体结构标准化设计和温室构件规模化生产提供了依据。在荷载分级的基础上,还提出了对温室规格标准化标号的方法和建议     

中国现代温室的主要型式及其性能

目前我国正处在温室设施大发展的年代,大型温室年增长量在百公顷以上,温室型式也各种各样,如何根据当地条件和种植内容,选择经济有效的温室型式及其合理配置是每个温室建设者所首要解决的问题。“九五”期间,在大量引进学习国外温室及其种植技术的基础上,我国温室设施也有了前所未有的发展。但由于温室规范措施滞后,各类温室设计制造,尤其是设计、选型和配套技术还很不成熟,给温室建设者合理选择温室带来了一定困难。针对我国大量发展的温室型式,包括玻璃温室、塑料温室和PC板温室,就其结构特点、主要技术性能进行了分析和阐述,以期为温室设计和建造提供必要的技术依据     

中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向

近年来,中国设施园艺装备产业得到了跨越式发展,一个完备的技术体系正在逐步建立。受设施环境-作物交互影响机理缺乏、设施-设备匹配性差等因素的制约,中国设施园艺装备在稳定性、智能化等方面与国际先进水平仍存在较大差距,制约了产业效益水平和劳动生产效率的提升。有必要对中国设施园艺装备技术进行一个系统总结,为下一步产业的技术研发指明方向。该文在准确把握中国设施园艺装备技术发展现状的基础上,从种苗装备、生产装备、物流装备、管理装备等4个环节入手,将中国设施园艺装备技术与国际发达国家的水平进行了比对,并找出了相关差距。研究得出了中国设施园艺装备技术发展中存在的技术研发系统性持续性不够、与装备匹配的农艺参数积累缺乏、装备的整体性和工程性亟需提高等问题,明确了区域化园艺作物生长机理、北方日光温室结构与装备升级、全产业链自动化作业、园艺信息化智能化管理、非耕地基地化与城镇化装备等未来重点研发的方向,提出了制定设施园艺装备技术创新发展规划、实施设施园艺技术促进与产业促进的"全面赶超"计划、创新以激发协同研发活力的体制机制、强化技术推广服务体系建设等政策建议,从而为指导中国设施园艺装备技术的革新提供借鉴。     

复合相变储能保温砂浆在日光温室中的应用效果

为改善日光温室内作物生长的热环境,该文研制了一种适用于日光温室的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆,其相变温度为25.6℃,相变潜热为89.8 k J/kg。并将50 mm的复合相变保温砂浆用于砖墙日光温室的后墙作为试验温室,与无相变材料的原砖墙温室(即对照温室)进行对比试验。在试验周期内,试验温室的室内日最低温度比对照温室平均高出1.5℃,最高可达2.4℃;其中,阴天试验温室的室内温度比对照温室平均高1.6℃;晴天试验温室的室内最高温度比对照温室低1.7℃,室内最大温差比对照温室低3.1℃,夜间(17:00-次日8:00)试验温室室温比对照温室平均高2.7℃;多云期间,试验温室的室内最高温比对照温室低1.4℃,最大温差比对照温室低3.5℃,夜间试验温室室温比对照温室平均高2.3℃;在相同栽培管理条件下,生长旺盛期和坐果期,试验温室的黄瓜植株高度比对照温室分别平均高出17.1和24.6 cm,试验温室内黄瓜的单果质量和单株结果数分别为对照温室的1.4倍和1.3倍,单株产量为对照温室的1.8倍。试验结果表明,复合相变储能保温砂浆具有良好的保温和蓄、放热效果,对日光温室内的热环境具有明显的改善效果,使其更适于黄瓜的生长。     

对中国温室型号规范化编制的探讨

“九五”期间我国以温室为主体的设施园艺事业蓬勃发展,但由于没有全国统一的温室规格标识方法,各温室厂家对温室的编号和命名比较混乱,给用户甚至业内人士选择和辨识温室带来很大困难,也给温室制造和生产造成很多不必要的浪费。该文在分析我国温室规格主要命名方法及其优缺点和合理性的基础上,借鉴大棚国标规格标识方法,提出了通用温室的规格标识方法;并对中国的日光温室提出了一种特殊的规格标识方法,以形成我国温室、大棚、日光温室各成系统的比较全面的规格命名方法。     

冬夏兼用型日光温室内热湿性能分析与应用效果

日光温室是中国北方地区重要的农业设施类型,可进行春提早、秋延后与越冬栽培,但在夏季高温季节使用困难。为了提高苏北地区日光温室的利用效率,该文设计了一种后墙部分可拆装的冬夏兼用型日光温室,该日光温室的后墙包括上下两部分,上部分为镀锌钢架和秸秆块组成的拆装墙体,下部分为空心砌块砌筑的固定墙体。该文以当地传统空心砌块后墙日光温室为对照,首先监测两种日光温室最热月和最冷月的室内外温湿度变化;其次,比较分析了两种日光温室后墙材料热工性能、冬季后墙温度波动和热流密度的差异以及夏季室内空气流动速率的差异;最后,分析比较了两栋日光温室冬夏季室内作物生长状况、产量以及投入产出比。结果显示,冬夏兼用型日光温室固定墙体的热稳定性能和隔热性能分别高于传统空心砌块墙体10.8倍和18.3倍,昼平均热流密度高约19.0%,蓄热时间长约1.0 h,夜间平均热流密度高约18.3%,放热时间长约2.1 h。夏季拆除秸秆块后,冬夏兼用型日光温室内空气流速明显高于对照温室。田间监测发现,与对照温室相比,冬夏兼用型日光温室冬季白天室内平均气温高1.1℃,室内平均湿度低9.1%;夜间室内平均气温高1.0℃,室内平均湿度低6.8%,番茄单株产量显著提高16.7%;夏季通风口面积大,室内空气流速大,通过自然通风排除的热量多,白天室内平均气温低4.0℃,夜晚室内平均气温低3.1℃,日最高气温低1.4~8.1℃,不结球白菜单株鲜质量显著提高38.5%。统计结果显示,与对照温室相比,冬夏兼用型日光温室投入产出比高8.05%。综上,与当地传统空心砌块后墙日光温室相比,冬夏兼用型日光温室冬季保温性能和控湿性能好,夏季通风降温性能优良,能够实现作物的周年生产,在苏北地区具有一定的实用价值。     

大棚型日光温室设计及光效应初探

大棚型温室是针对目前北方高寒地区日光温室春夏秋主要生产季节光照条件差的问题而设计的.通过实验测试、分析及建造成本比较认为大棚型温室的建造成本比土打墙日光温室稍高,而显著低于砖墙日光温室.大棚型温室内光照条件在5、6、7月份,无论晴天还是阴天均优于日光温室,特别在温室的北部表现更为突出.良好的光照条件为温室高产、优质奠定了基础.     

日光温室地源热泵供暖碳足迹的生命周期分析

为分析日光温室地源热泵供暖的碳足迹,该文以日光温室地源热泵供暖系统中浅层地热能的存储、提取、制冷压缩提升和温室末端供暖整个过程为研究对象,对系统的温室气体排放和单位温室供暖面积的排放水平进行分析,构建基于生命周期分析LCA(life cycle assessment)的日光温室地源热泵供暖碳足迹分析方法。同时以北京地区日光温室地源热泵系统冬季供暖采集的试验数据为依据,分析和计算出北京地区日光温室在采用燃煤和燃气2种不同发电方式下地源热泵系统的供暖碳足迹和基于20 a和100 a温室地源热泵供暖碳足迹的全球变化潜能(global warming potential,GWP,单位为二氧化碳当量排放-CO2-eq.)的变化。研究表明,在北京地区采用燃煤和燃气驱动地源热泵系统的碳足迹GWP分别为257和72 g/(m2·d)。基于100 a的GWP总量比20 a的计算值分别减少了1.6%和5.4%。对比荷兰Venlo型温室天然气供暖,该研究中采用燃煤发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹是其1.39倍,而燃气发电驱动日光温室地源热泵供暖的碳足迹仅为Venlo型温室供暖的41%。采用燃气发电驱动的地源热泵供暖系统具有更低的碳足迹。     

相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善

该文以北京市郊区某蔬菜种植基地日光温室为研究对象,将所研制的新型相变蓄热墙体材料应用于日光温室北墙内表面,通过提高温室墙体太阳能集热与蓄热能力,达到提高太阳能热利用效率和改善日光温室热环境的目的。采用40mm厚相变蓄热墙体材料板的试验温室与同尺寸的普通砖墙的对照温室比较,2010年12月21日至2011年1月18日的比较试验结果表明:草帘开启时段(白天),前者后墙表面温度平均提高1～2.7℃,耕作层(0～20cm)土壤平均温度提升0.5℃,室内环境平均温度提升0.2～2.1℃;草帘关闭时段(夜间),试验温室后墙表面温度平均提高2.1～4.3℃,耕作层土壤平均温度提升0.5～1.4℃,室内环境平均温度提升1.6～2.1℃。所研制的相变蓄热墙体材料较好地改善了温室作物生长热环境,提高了日光温室的太阳能热利用率。     

大棚型日光温室设计及光效应初探

大棚型温室是针对目前北方高寒地区日光温室春夏秋主要生产季节光照条件差的问题而设计的。通过实验测试、分析及建造成本比较认为：大棚型温室的建造成本比土打墙日光温室稍高，而显著低于砖墙日光温室。大棚型温室内光照条件在5、6、7月份，无论晴天还是阴天均优于日光温室，特别在温室的北部表现更为突出。良好的光照条件为温室高产、优质奠定了基础。