基于覆盖层能量平衡法的园艺设施覆盖材料传热系数理论解析与验证

该文提出了一种园艺设施覆盖材料传热分析以及传热系数的理论计算方法,即覆盖层能量平衡法。该方法通过覆盖层辐射传热和对流换热的能量平衡,建立全面反映覆盖材料传热各主要影响因素的传热模型,得出了传热系数的理论解析计算方法,可根据覆盖材料的红外辐射发射率、反射率和透过率等热物理特性和保温比、角系数等与覆盖层构造相关的参数以及设施内外气温、天空辐射温度、植物与室内地面温度、室外风速等工作环境条件,定量分析覆盖层的传热,得出传热系数的理论计算值。     

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。     

温室多层覆盖传热的数值模拟与验证

为准确地掌握温室中不同材料和不同使用条件下多层覆盖的传热和保温特性,该文在前人研究的基础上建立了温室多层覆盖传热的理论模型,并开发了模拟其传热过程与计算传热量和传热系数的计算机程序,可根据覆盖材料的红外辐射特性、覆盖层构造参数以及工作环境等条件,定量分析覆盖层的传热情况,得出传热量以及传热系数的理论计算值。实测结果表明,传热量以及传热系数的理论计算值与试验测定值较为一致,表明该多层覆盖传热的理论模型具有较高的准确性。     

影响大豆NDVI的气象因素多元回归分析

针对太阳辐射、大气温度、空气湿度和风速等气象因素对大豆归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)在每天不同时间的影响,提高大豆NDVI的监测精度。该研究采用Green Seeker手持式光谱仪对大豆苗期、花荚期和成熟期3个主要生育阶段的NDVI值以小时为单位进行连续监测,并收集测量时的太阳辐射、大气温度、空气湿度和风速等气象数据,采用偏最小二乘法、逐步回归和岭回归方法,建立不同气象因素对大豆NDVI值影响的回归模型,并分析其定量关系。结果表明,影响大豆不同生育期NDVI变化的主要气象因素为太阳辐射和大气温度,风速和空气湿度的影响较小,可以忽略不计。经对3种模型进行预测精度评价后得出,岭回归模型的预测精度最佳,其在3个阶段的预测均方根误差(RMSE)分别为0.034、0.018和0.016,决定系数(R2)分别为0.820、0.908和0.934,其次为逐步回归法,偏最小二乘法的预测精度最低。     

基于MODIS数据用两步法构建四川省地面太阳辐射计算模型

以MODIS遥感资料为基础数据,采用统计模型反演的方法,构建了两步法计算高分辨率地面太阳辐射量的计算模型。第一步基于遥感云量与地面日照百分率的相关关系,计算格点各月日照百分率值;第二步基于日照百分率与太阳辐射量的相关关系,计算格点太阳辐射量。应用本方案对四川省1km格点分辨率地面太阳辐射量进行计算,并利用6个辐射站总辐射实测值对计算结果进行检验。结果表明：四川省年总辐射量在3102～6659MJ·m^-2,最低值出现在四川盆地东南部,最高值出现在川西高原西部。利用地面辐射站观测资料进行检验,结果表明各站各月太阳辐射量计算值与实际观测结果基本一致,年辐射量计算绝对误差均小于100MJ·m^-2,相对误差均小于2%,表明该模型模拟精度较高,可用于四川省地面太阳辐射量计算。     

日光温室热环境模拟模型的构建

该文建立了日光温室热环境模拟模型,定量描述了日光温室内的太阳辐射、对流换热、辐射换热、热传导、自然通风和水分相变带来的潜热对日光温室热环境的影响,根据质能平衡和传热学理论,得到一组关于覆盖物、室内空气、温室分层后墙、分层地面土壤、分层后坡和作物热平衡的微分方程组。利用MATLAB的强大计算能力与VB的良好用户界面建立模拟计算软件,可求得温室各组成部分的温度。通过试验验证,该模型能够比较准确预测日光温室环境温度。     

密闭遮光型甲鱼温室热环境模拟与试验

为了预测和评价密闭遮光型甲鱼温室的湿热环境,构建了甲鱼温室湿热环境的一维传热理论模型。采用欧拉数值计算方法求解甲鱼温室的传热方程组,编制了基于Matlab的计算机程序,根据屋顶材料的热传导系数、屋顶的红外辐射特性、温室的结构参数、温室热量输入与气象参数等条件,模拟甲鱼温室传热过程,该模型可以获得甲鱼温室任意时刻的屋顶内外表面温度、室内温湿度、养殖水体温度以及热流量等数据信息,可为甲鱼温室的湿热环境综合分析提供依据。通过建立相应试验方案对模型结果进行验证,实测结果表明,屋顶外表面、内表面模拟温度与实测温度平均误差为1.96和0.9℃,养殖水体与室内空气模拟温度与实测温度平均误差为0.32与1.3℃,室内相对湿度模拟与实测平均误差为3%。模型的理论计算值与试验测定值较为一致,表明甲鱼温室的一维传热理论模型具有较高的准确性。     

湿帘-风机降温下的温室热/流场模拟及降温系统参数优化

为提高温室夏季降温环境性能,提出了一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的温室湿帘-风机系统的降温环境优化设计方法。采用太阳射线追踪法来模拟太阳辐射对夏季温室内流场环境的影响,并结合温室内作物的多孔介质模型,构建并求解温室三维非稳态模型,模拟了湿帘-风机降温下的温室内部温度场与速度场分布情况。模拟结果与试验测量的温度值和风速值进行了对比,其平均误差分别在4%和6%以内,验证了建立的温室CFD模型的准确性。结合正交试验方法,基于CFD模型对不同温室长度、湿帘面积和风机速度参数条件下的室内降温环境进行了优化设计。根据模拟优化获得的不同配置方案结果,建立了温室长度、湿帘面积和风机速度参数的拟合结果,为夏季华东沿海地区Venlo型温室湿帘-分机降温系统的设计提供了可靠的理论依据。     

农业温室小气候动态模型研究与仿真

温室小气候具有非线性、强耦合、强干扰、时变等特点。基于热力学和传热学原理,以物质和能量守恒为原则,考虑室外温度、太阳辐射强度、风速和室内湿度等相关因素,建立了以PC板为主要材料的温室温度动态数学模型,采用迭代算法对数学模型中不易确定的参数（叶面积指数）进行了参数估计。以安徽农业大学农业试验园的PC板温室为例,基于Matlab平台,对该温室的数学模型进行了仿真验证。试验结果表明,该温室动态模型的计算输出与实测数据基本吻合,具有较好的通用性。     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾-辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾-辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾-辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。     

玻璃温室和塑料大棚内逐时气温模拟模型

2014-2016年在江苏省不同地区选择塑料大棚和玻璃温室进行设施内气温监测,基于设施内日最高和最低气温,采用余弦分段函数、正弦分段函数、正弦-指数分段函数、一次分段函数和神经网络模型分别模拟不同季节和不同天气状况（晴天和阴雨天）下的逐时气温日变化,探究利用室内最高和最低气温模拟计算逐时气温的方法,以及设施内逐时气温日变化规律。结果表明：5种模型均可通过当日最高、最低气温模拟逐时气温变化,其中神经网络模拟精度较高（RMSE=0.69℃）,并且受温室类型、天气状况和季节变化的影响较小,普适性较高;正弦-指数分段函数模拟效果最好（RMSE=0.43℃）,且受天气和季节的影响较小,但其受温室本身特性和地区的影响较大;余弦分段函数（RMSE=0.85℃）和正弦分段函数（RMSE=0.78℃）模拟效果相近,且受天气和地区的影响;一次分段函数准确度较低（RMSE=0.90℃）且误差变化较大。各方法对塑料大棚内逐时气温的模拟精度均高于玻璃温室。模型模拟精度的季节变化因模型和温室类型有一定差异,但通常情况下,春季和冬季的模拟误差大于秋季,夏季误差最小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究

针对日光温室夜间温度过低,难以满足作物生长需求这一问题。设计了一种水幕帘蓄放热系统,该系统以日光温室墙体结构为依托,以水为介质进行热量的蓄积与释放,白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能,同时将能量储存在水池中,夜晚利用水循环通过水幕帘释放热量,以提高日光温室内温度。试验测试结果表明,应用该水幕帘蓄放热系统可将温室内夜间温度提高5.4℃以上,可将作物根际温度提高1.6℃以上;该系统夜间通过水幕帘的放热量达到4.9～5.6MJ/m2;日光温室蓄放热量的增加,实现了西红柿的安全过冬生产,同时将西红柿的上市时间至少提前20d。该研究成果对日光温室结构的改进、温度调控有较大的科学意义。     

用云遮系数法计算日光温室内太阳辐射

由于测量日光温室墙体、后屋面的太阳辐射不方便，从而使不同天气条件下墙体的传热机制分析以及室内温度的预测较为困难。该文应用云遮系数法，计算了不同云量天气条件下到达日光温室内外地面太阳辐射通量密度，并进行了计算值与实测值相关性分析检验，结果表明：在已知云量的条件下，可以运用云遮系数法计算日光温室内地面、墙体和后屋面太阳辐照度。     

基于CFD的下沉式日光温室保温性能分析

为了深入了解下沉式日光温室的保温性能,该文基于非稳态传热模型,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件模拟盖帘状态下下沉式日光温室的温度场,并采用试验对CFD模拟温室内的温度场进行验证,验证结果表明,CFD对下沉式日光温室盖帘状态下温度场的模拟具有较高的可信度.为了提高下沉式日光温室的保温效率,使用CFD软件对不同盖帘时间的下沉式日光温室的温度场进行模拟,并分析其对热能分布的影响.结果表明,不同盖帘时刻对下沉式日光温室夜间温度的影响差异显著;在午后弱光、室内外温差较大条件下,提前盖帘可以显著提高日光温室内夜间温度.该研究为CFD在下沉式日光温室研究中的应用及下沉式日光温室盖帘管理提供参考.