基于语义驱动的日光温室图纸三维建模方法

为了从日光温室施工图纸中重建出温室结构三维模型,提出基于语义映射的施工图纸三维重建方法。首先解析和分类日光温室施工图纸DXF文件,从中识别和理解主要特征构件,建立日光温室构件语义模型并生成分层控制参数,进而基于参数化驱动日光温室三维建模,最后对日光温室三维模型进行真实感渲染。该方法整合CAD制图与三维建模技术,有利于提高日光温室施工图纸的读图效率,建立的三维温室模型具有保真性、交互性和真实感等特性,可用于工程量和造价计算、温室结构优化以及虚拟展示。     

日光温室的热环境理论模型

该文考察了日光温室各部件的湿热平衡，建立、求解并验证数学模型，证明了模型的准确性。分析表明，室内气温主要受室外太阳辐射的影响，而室外气温只具有次要的作用；温室后墙对保证温室热环境具有重要作用，而且其夜间的作用大于白天；随着保温性能的提高，温室的热环境得到稳定改善，特别是当使用透光保温合一型材料时，温室的热环境得到更大的改善。     

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。     

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数（R2）为0.99（n=576）,回归估计标准误差（RMSE）和相对误差（RE）分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R2为0.91（n=576）,RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。     

日光温室空气对流蓄热中空墙体热性能试验

空气对流循环蓄热墙体是一种通体中空型日光温室墙体,其内部中空层与温室空间连通而具有空气对流换热效果。为详细了解该墙体构造的蓄放热特性及其对日光温室热环境的影响,通过与同样构造但中空层封闭的无对流墙体的对比,在北京市通州区试验温室中测试了墙体内部温度分布及变化规律、墙体蓄放热量及其对温室内气温的影响。其结果,与对照墙体相比,对流方式下墙体内部温度分布规律不同,墙体内部整体温度水平较高、且昼夜波动幅度较大,墙体白天蓄热量提高15.1%,夜晚放热量提高14.7%,这一效果使得温室夜间最低温度提高2.2℃,有效提高了墙体的蓄放热能力,改善了温室夜间温度水平。     

利用CFD模型研究日光温室内的空气流动

在温室内空气流动对室内环境具有重要调节作用,因此有必要研究日光温室内空气流动特性。基于计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法,运用大型计算流体动力学软件Fluent对日光温室建立模型,采用标准湍流模型对日光温室内气流分布进行了三维稳态求解。模拟时将日光温室内外空气作为研究对象,并且温室内空间连同其周围的一部分室外空间一起作为CFD模拟的计算领域。对日光温室内气流变化及分布进行了数值模拟,并在温室内进行了气流试验测试,对测量值和计算所得的风速值进行了比较,结果表明,二者最大误差小于9%,说明风速的实测值和模拟值吻合良好,CFD模型有效,且得到了日光温室内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,直观显示了日光温内的流场特性和流动状态,气流从窗户进入沿着底部通风口流出日光温室,并且气流在底部通风口速度分布较均匀,在温室下部形成了较为明显的涡流。该文模拟结果可为东北地区日光温室的优化设计以及温室环境调节等方面提供理论依据。     

考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究

建立柱热源的分层土壤地埋管传热模型,利用分层岩土热响应试验验证模型的准确性,并与均质土壤模型比较分析了不同工况下地埋管换热器的传热特性。结果表明:使用均质土壤模型分析地埋管换热器传热特性会低估该埋管系统的换热能力,在变进口流体温度、变进口流体流速和变管径工况下,用均质土壤模型估算的单位管长换热量及钻孔平均导热系数,比分层土壤模型估算值分别低7.00%和6.62%、6.20%和6.19%、6.57%和6.56%;由于分层土壤模型考虑了土壤热物性沿埋管轴向分布、土壤温度也呈分层非均匀分布的特点。分层土壤、均质土壤模型模拟的最大热作用半径基本相同,且随着模拟时间的延长,分层土壤模型模拟土壤温度场温度分布呈均匀化趋势。由此可见,分层土壤模型可更好的揭示土壤热特性、热传导及热分布规律,将其应用于不同实际工况的系统设计计算可为工程量和工程费用的合理估算提供支持。     

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。     

温室甜椒生长与产量预测模型

基于光温的作物生长模拟模型是进行温室作物和环境优化调控的有力工具。通过不同品种、不同生态地点的温室播期试验,定量分析辐射和温度对甜椒干物质分配和果实采收指数的影响,以及果实干物质量增长和鲜质量增长的关系,建立以辐热积为预测指标的甜椒干物质分配模型,并将其与光合作用驱动的干物质生产模型以及果实干物质量增长和鲜质量增长的定量关系相结合,建立温室甜椒生长动态与产量预测模型。利用与建模相独立的试验资料对模型进行检验,结果表明,模型对Venlo型连栋温室和日光温室中种植的不同品种甜椒的干物质生产与分配和产量的预测结果较好,建立的模型参数少且易获取,实用性较强,可以为中国温室甜椒生产中光温的管理提供决策支持。     

日光温室山墙对室内太阳直接辐射得热量的影响

该文计算了日光温室室内各个面的太阳直接辐射，结果表明：山墙内侧的太阳直接辐射日变化规律不同于室内其它各个面。对于长度较短的温室，如果忽略山墙的作用，将会忽略山墙内外侧太阳辐射对室内得热的影响，同时忽略山墙在室内各个面产生的阴影，从而高估了室内其它面的太阳辐射得热，高估值随着温室长度的递减而递增，给日光温室热环境的分析带来误差。该文还测量了日光温室各个面的热流量，分析了山墙的蓄热放热过程及其随温室长度变化对室内得热的影响。因此，对长度较短的温室，必须考虑山墙对室内得热的影响。同时也为日光温室长度的确定和室内作物布局提供理论依据。     

考虑动态吸收率的玻璃温室覆盖层温度预测模型

覆盖层温度是影响温室热环境的重要因素之一。为了实现温室覆盖层温度预测,该研究以玻璃温室覆盖层为研究对象,综合考虑太阳辐射吸收、对流换热等能量传递形式,建立温室覆盖层温度预测模型。为提高模型精度,该研究进一步提出温室覆盖层动态吸收率计算方法,并使用该方法将覆盖层太阳辐射吸收率分为直射辐射吸收率、散射辐射吸收率与地表反射辐射吸收率分别计算,进而精确计算覆盖层吸收太阳辐射。为验证模型正确性及其精度,在山东省泰安市选择3个时段开展相关验证试验并得出如下结论,温室覆盖层温度预测值与测量值变化趋势较为一致,模型计算值与覆盖层温度测量值的决定系数R^2最小为0.92,均方根误差RMSE最大为2.05℃,通过与相关模型对比得出该研究提出的模型能够精确预测覆盖层温度。     

日光温室保温被传热的理论解析及验证

为掌握日光温室保温被的传热及其保温特性,该文运用传热学理论,建立了模拟辐射、对流以及导热等形式的传热方程,在此基础上构建了日光温室保温被这类厚型覆盖材料的传热理论模型,编制了计算机程序。该模型通过对保温被内、外表面与环境间的有效辐射、投射辐射的分析,来确定辐射换热量;根据能量平衡的原理,建立了保温被表面通过对流传热、辐射传热的传热量与内部传热量之间的关系。所建立的计算方法与程序可根据覆盖材料的红外辐射特性、导热系数、覆盖层的构造参数及工作环境等条件,定量分析保温被覆盖层的传热,计算其传热量及传热系数值。试验测试结果表明,保温被的传热量及传热系数的理论计算值与试验测定值较为一致,该文的方法为保温被一类厚型覆盖材料提供了保温性定量分析评价的理论手段。     

多层覆盖连栋温室热环境模型构建

建立了多层覆盖连栋温室的温、湿度动态机理模型，定量描述了温室内的对流换热、土壤热传导、太阳辐射、长波热辐射、植物蒸腾、地面蒸发、水汽凝结、机械通风和自然通风等物理过程，根据质能平衡原理，对覆盖材料、室内空气、作物、土壤等建立了质能平衡方程。在给定的边界条件下，通过求解质能平衡方程，可求得室内温、湿度和各组成部分如覆盖材料、土壤、植物等的温度以及各部分间的能流、蒸汽流密度。利用有效辐射的概念，推导出了内外遮阳幕、内外覆盖材料、作物冠层、地表、室外天空之间的辐射热交换计算方法。利用压力分布法，推导出了具有顶窗、侧窗和湿垫等多个通风口时的风压和热压通风量计算式。与其他研究者提出的温室环境模型相比，本模型具有更为广泛的适用性。     

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。     

基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定

日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度,确定日光温室蓄热层厚度,对于推进日光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件,按照试验温室实际尺寸和相关关系进行参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区2018年1月-4月典型晴天进行测试,以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件,室外空气温度为边界条件,利用AutodeskCFD软件对晴天9:00至次日9:00的温室砖墙内部温度场进行了模拟,并通过对比墙体内部0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果的准确性。结果表明,温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高,1月9日、2月9日、3月6日各层平均误差均在1.5℃以下,4月6日实际值与模拟值误差较大,模拟值较实际值滞后,趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下,温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似,墙体可划分为"保温层、稳定层、蓄热层",各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层的温度衰减因子以及延迟时间分析可知,墙体厚度在0～30 cm范围内,墙体温度波动较为明显,墙体厚度大于30 cm时,温室墙体一天内温度波动较为平缓,波幅较小。随着气温回升,温室墙体内部温度整体提高,各层温度波动相差不大。在温室结构、保温性能不变的情况下,温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述,采用CFD模拟温室墙体温度场的变化,并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的,可靠性较高。该研究可为其他区域优选温室墙体结构,推进日光温室墙体改进提供依据和参考。     

严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性

土壤温度及蓄放热特性是保温型塑料大棚土壤传热特性的重要体现。因此,为定性、定量地阐明棚内土壤温度变化规律和蓄放热特性,在严寒地区生产性大棚内进行了试验测试,并通过构建大棚土壤热量平衡简化方程、温差拟合等方法对土壤蓄放热特性进行了理论分析。研究结果表明：1）土壤温度波幅随深度的增加呈乘幂函数递减,通过计算得出测试地区大棚土壤的蓄热层平均厚度约为0.55～0.80 m;2）棚内土壤横向地中传热损失占土壤总热损失的9.8%～24.7%,若将此部分热量用于提高土壤温度,则棚内土壤平均温度可提高0.3～0.5 ℃;3）天气条件对土壤蓄放热性能的影响较大：晴天日累积蓄热量比多云天多37.2%～50.6%左右,日累积放热量比多云天多44.7%～64.3%;晴天的最大蓄热流量和日累积蓄热量均是阴天的4倍以上,与蓄热性能相比,晴天与阴天的土壤放热性能差异较小。土壤蓄放热量主要受表层土壤与气温温差的影响,棚内外气温差对其影响较小。     

日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析

针对目前国内日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,该文提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法;结合试验结果,提出了关于该结构墙体传热性能分析方法及其评价指标。分析结果表明：1）三重结构墙体有着较好的蓄放热性能,利用墙体内侧（温室侧）的相变蓄热材料,可以显著提高墙体太阳能利用率,在太阳日累计辐照量为9.32 MJ/m2下,比参照温室北墙体的有效蓄热量提高了26.6%;夜间,相变温室三重结构墙体的累积供热量比参照温室砌块砖墙体的提高了16.2%,并且该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量为80.0 MJ/m3,是三重结构墙体中砌块砖层有效蓄热量的10倍;2）透过前坡屋面照射在温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限,约占0.90 m厚三重结构墙体的33.3%,并且在温室墙体内部存在着温度稳定区,其厚度占0.90 m厚三重结构墙体的61.1%。试验结果表明仅通过增加温室墙体厚度以提高墙体的太阳能显热蓄热效率是非常有限的。该研究结果可为日光温室墙体的合理构筑、相变蓄热技术在日光温室的应用以及温室墙体的相变传热问题分析提供参考。