日光温室太阳辐射模型构建及应用.pdf

第35 卷 第7 期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.7 160 2019 年 4 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2019 日光温室太阳辐射模型构建及应用许红军 1,2 ，曹晏飞 1 ，李彦荣 2 ，高 杰 2 ，蒋卫杰 2 ，邹志荣 1,2※（1. 西北农林科技大学园艺学院，农业部西北设施园艺工程重点实验室，杨凌 712100 ； 2. 新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052 ） 摘 要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。 关键词温室；模型；太阳辐射；估算；地面；墙体表面；日光温室 doi10.11975/j.issn.1002-6819.2019.07.020 中图分类号S625.5 2 文献标志码 A 文章编号 1002-68192019-07-0160-10 许红军，曹晏飞，李彦荣，高 杰，蒋卫杰，邹志荣. 日光温室太阳辐射模型构建及应用[J]. 农业工程学报，2019，357 160169. doi10.11975/j.issn.1002-6819.2019.07.020 http//www.tcsae.org Xu Hongjun, Cao Yanfei, Li Yanrong, Gao Jie, Jiang Weijie, Zou Zhirong. Establishment and application of solar radiation model in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE, 2019, 357 160－169. in Chinese with English abstract doi 10.11975/j.issn.1002-6819.2019.07.020 http//www.tcsae.org 0 引 言太阳辐射是影响日光温室光、热环境的重要参数。 近年来，合理利用进入温室内的太阳辐射进行温室蓄 热成为温室节能的研究热点 [1] 。 在量化太阳辐射对日光 温室采光、墙体蓄热、植物生产等方面的影响时，均 需要准确可靠的辐射数据做支撑 [2-3] 。中国区域辽阔， 日光温室建设从北纬30°～45°之间，难以采用高精度 测量设备实时收集的方法获取数据温室内太阳辐射数 据。因此，有必要通过模型计算的方法，利用与太阳 辐射相关的气象参数获取不同位置、季节下的太阳辐 射数据，更好地指导温室设计、建造及环境调控。 中国对日光温室内光照环境模拟的研究较早。吴 毅明等 [4-7] 早期就建立了温室内直射光的理论模型，并 编制了计算机程序。 陈端生等 [8-11] 用建立的太阳辐射模收稿日期2019-01-22 修订日期2019-03-28 基金项目宁夏自治区重点研发计划重大项目（2016BZ0901） ；新疆维吾尔 自治区园艺学重点学科基金2016-10758-3 ；新疆维吾尔自治区自然科学基 金（2016D01B028） 作者简介许红军，博士生，主要从事设施园艺工程方面的研究。 E ※通信作者邹志荣，教授，博士，博士生导师，主要从事设施园艺方面的 研究。E 型对温室屋面形状与透光的关系进行了理论分析。杜 军等 [12] 通过角系数方法计算温室内表面太阳辐射净值 量。不过上述研究多基于理论分析，在此基础上，研 究学者对模型的准确性、适用性进行了进一步地探讨。 佟国红等 [13] 通过建立的太阳辐射模型计算了温室各表 面的太阳辐射状况，冬季最冷月模拟结果与实际测试 结果差值不超过5， 但计算模型需已知温室外水平面 太阳辐射照度。陈青云等 [14-16] 探索了山墙对温室太阳 辐射的影响，建立了相关的辐射模型并验证其准确性。 韩亚东等 [17] 建立了日光温室山墙可蔽视角的估算模 型，估算了温室内任一位置的直接辐射、间接辐射及 总辐射，但未考虑屋面角度对透光率的影响。马承伟 等 [18-20] 在总结前人太阳辐射模型基础上建立了较为 完善的日光温室采光模型。该模型考虑了温室地理 方位、室外光辐射、温室朝向和建筑参数、屋面形 状和覆盖材料等多种因素与室内光辐射照度的关 系。该研究为探索日光温室光辐射环境的提供了很 有参考价值的成果，但未从根本上说明太阳光与温 室前屋面的入射关系。 综上所述，近年来建立的温室辐射模型中，一类 是分析太阳光线与温室结构间关系的理论模型；一类 是通过温室结构参数，经过实测数据检验，用于分析 ·农业生物环境与能源工程· 第7 期 许红军等日光温室太阳辐射模型构建及应用 161 温室内光照环境变化的太阳辐射模型，该类模型有较 强的实用性。但以往建立的日光温室太阳辐射模型未 能全面的考虑入射光线与前屋面的关系。另外，上述 模型在计算地面与墙体表面的太阳辐射照度时，多未 考虑太阳直射光线与地面、墙体表面的夹角，因此难 以获取地面与墙体表面准确的太阳辐射照度，更无法 分析温室内部墙体与地面季节性变化规律。 本文通过气象数据，地球、太阳的运动规律分析 了太阳光线与日光温室前屋面形成的入射角以及其变 化，建立了温室太阳辐射模型并进行数据验证，同时 利用该模型分析温室内部地面与墙体表面太阳辐射变 化，为不同区域优化温室设计、环境调控提供较为准 确的太阳辐射数据。 1 模型概述与构建 1.1 模型概述 首先，通过气象数据获取大气层外部的太阳辐射 照度，根据大气透明度状况得到温室前屋面上太阳辐 射照度。其次，通过建立太阳光线与温室前屋面间的 关系，求解屋面任意位置、任意时刻的入射角与透光 率。最后，计算地面与墙体表面不同位置的太阳辐射 照度。 1.2 模型构建 1.2.1 大气层外表面太阳辐射照度 [21]S 0 S［10.034cos2πN/365］ （1） 式中 S 为世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）1981年的推荐值为1 367 W/m 2 ； N 为按天数顺序排列的积日，1月1日为1；2日为2； 其余类推，平年12月31日为365，闰年12月31日为 366；S 0 为某日大气层外表面太阳辐射照度，W/m 2 。 1.2.2 地表面任意位置处的太阳辐射照度 计算地球表面某一位置的太阳辐射照度，需要确 定包括太阳高度角、太阳方位角、时角、赤纬角、大 气层上界面某一时刻的太阳辐射照度、大气质量和大 气透明度系数等 [21] 基本的参数，见式（2）（7）。本 研究选择Kretith 和Kreider [22] 提出的， 晴朗无云条件下 大气透明度经验方程，其拟合的大气透明度系数的误 差范围在3之内。 δ 23.45sin[360°284N/365] （2） τ 12-t15°120°-ψ （3） sin hsinφsinδcosφcosδcosτ （4） sin αcosδsinτ/cosh （5） M 1/sinh h＞30°， M [1 229614sin h 2 ] 1/2 -614sinh（h≤30°）（6） T z 0.56e -0.56M e -0.096M k （7） 式中δ 为太阳赤纬角，°；τ为太阳时角，°；ψ 为当 地经度，°；φ 为当地纬度，°；h为太阳高度角，°； t为北京时间，计算时间步长为1/6 h ，h；α为太阳方 位角，°；M 为大气光学质量；k 为大气透过率计算 参数，取值0.8～0.9，本文取值0.8。 对于太阳辐射模型中散射辐射的计算，国内外均 采用建立散射比或散射率2 种方法 [23] 。该文按照Liu 和Jordan[24] 提出的经验模型，将晴朗无云天气下，太 阳散射辐射按太阳直射辐射一定比例进行计算，具体 见式（8）～（9）。 T s 0.271 0-0.293 9 T z （8）S′S 0 T z T s （9） 式中T z ，T s 分别为直射光与散射光大气透过率；S′为 光线通过大气层到温室棚膜外表面的太阳辐射照度， W/m 2 。 1.2.3 温室内部墙体、地面太阳辐射照度计算 1）屋面控制方程 以温室墙体与地面连接处为坐标原点，跨度方向 为X 轴，高度方向为Y 轴建立坐标系。建立屋面各点 （x,y）控制方程，见式（10）。通过对屋面方程求导， 可得出屋面各点处的导数值，即该点屋面角的正切 值，见式（11）。通过三角函数求解屋面各点处屋 面角大小。 y fx （10） β arctany′ （11） 式中β 为屋面各点处的屋面角度，°； y′ 为屋面方程 的一次导函数。 2）入射角与前屋面透光率的关系 本文采用文献[25]提出的方法计算太阳光线与温 室屋面形成的入射角，见式（12）。依据文献[18]提出 的适用于低雾度透明覆盖材料透光率随入射角变化规 律，计算温室屋面透光率见式（13）。 cos θcosβsinhsinβcoshcosα-γ （12） TT 0 [1-0.93 90-θ ]1-θ/1 0000≤θ≤90° （13） 式中θ为太阳光线与屋面形成的入射角，°；γ为温室 方位角，南偏西为正，°；T 为薄膜在不同屋面角下 的透光率，；T 0 为薄膜的基本透光率，即入射角为0 时的薄膜的透光率，。 3）温室内某点对应前屋面某点的透光率 采用参考文献[18]提出的室内坐标点逆向回溯的 方法，确定太阳直射光线通过的屋面对应的入射点E， 坐标为（x E ，y E ），见式（14）（15）。由公式（4）、 （5）、（10）、（11）、（14）、（15）联立可求出 任意时刻，地面某点（x 0 ，0）、墙体表面某点（0，y 0 ） 处对应前屋面位置（x E ，y E ）。 x E x 0 -y E cosα/tanh （14） y E y 0 -x E tanh/cosα （15） 4）墙体、地面的太阳辐射照度 不同时刻下太阳照射温室内部，太阳直射光线与 地面、墙体存在夹角。该夹角随太阳高度角、太阳方 位角、温室方位角、墙体表面倾斜角度的不同而不同， 直接影响墙体和地面接受到的太阳辐射不同。如图1 农业工程学报（http//www.tcsae.org） 2019 年 162 所示，垂直于太阳光线的辐射照度与水平地面辐射照 度之间的关系是太阳高度角正弦函数。垂直于太阳光 线的辐射照度与竖直墙体表面辐射照度关系除受太阳 高度角的影响外还与太阳的方位角与温室方位角有 关，均呈现为余弦函数关系。因此，日光温室内墙体 与地面所接受的太阳辐射照度变化可以通过公 式 （16）～（17）来表示。 S G S′Tsinh （16） S W S′Tcoshcosα-γ （17） 式中S G 为地面接受到的太阳辐射，W/m 2 ；S W 为温室 墙体接受的太阳辐射，W/m 2 。 注h为太阳高度角， （°） 。 Note h stands for solar elevation angle, °. 图1 太阳辐射照度与太阳高度角关系 Fig.1 Relationship between solar radiation and solar elevation angle 通过公式（1）（17），可求得任意经纬度处、 任意时刻温室墙体与地面的太阳辐射状况。 1.3 数据处理 利用Matlab 2016b 编程计算， 试验数据采用origin 2017进行数据分析及图表的制作。 2 模型验证与结果分析 2.1 日光温室内部墙体与地面太阳辐射验证 本文以新疆农业大学三坪教学实习基地（N43.92°， E87.35°）日光温室为例，如图2 所示，验证模型的准 确性。 图2 日光温室结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of solar greenhouse structure 日光温室坐北朝南， 南偏西8°， 东西方向长60 m ， 跨度为8 m ，脊高3.8 m ，后墙高2.8 m ，后屋面仰角 40°。温室前屋面使用PO 塑料薄膜。通过测试，入射 角为0 时的薄膜的透光率为65。后屋面由0.1 m 聚 苯乙烯彩钢板构成，日光温室后墙采用了0.01 m 水泥 砂浆抹面0.5 m 实心黏土砖砌体0.1 m 聚苯乙烯彩钢 板的复合墙体。 以温室长度方向1/2处日光温室剖面为 主要测量平面。 温室内部太阳辐射由PDE-KI环境数据 记录仪（哈尔滨物格电子技术有限公司生产，测量范 围0～2 000 W/m 2 ，准确度±3，分辨率1 W/m 2 ）采 集， 分别监测温室长度方向1/2剖面， 墙体内表面1.5 m 高度处太阳辐射照度与跨度1/2 处地面太阳辐射照度。 监测时间为2018 年1 月至2018 年4 月，测试间隔为 10 min 。为保证温室墙体与地面及时接受太阳辐射， 测试期间温室未覆盖保温被。 2.1.1 日光温室前屋面方程的建立 对温室后墙高度、脊高以及不同跨度处该点前屋 面高度的测量并拟合方程，建立由2 段圆弧组成日光 温室剖面屋面控制方程，见式（18）～（19）。 x1.72 2 y10.60 2 14.71 2 1.2≤x＜7.0 （18） x-5.28 2 y1.15 2 2.95 27.0≤x≤8.0 （19） 式中x为日光温室前屋面曲线某点横坐标，m；y 为该 点纵坐标，m。 由于温室前屋面由2 段圆弧组成，故温室前屋面 各点处的屋面角度β 的正切值即圆弧的切线斜率，可 以通过圆的切线方程求出。 β arctanx1.72/y10.60 1.2 ≤x＜7.0 （20） β arctanx-5.28/y1.15 7.0 ≤x≤8.0 （21） 图3 描述了日光温室前屋面各处屋面角变化。由 图3可知，温室整体前屋面角度为30°，但是在前屋面 不同位置处屋面角度不一致。屋面角最大值出现在温 室南底角位置，为67.5°，最小值出现在脊高位置处， 为11.5°。从温室跨度方向上看，x 在[1.2, 3.3] 时，温室 前屋面角在11.5°～20°之间；x在3.3, 5.6] 时，屋面角 度在20°～30°之间，x在5.6, 7.2] 时， 屋面角度在30°～ 40°之间，x在7.2, 8.0] 时，该部分为前部立窗，屋面角 度在40°～67.6°之间，变化较为明显。 图3 日光温室前屋面各处屋面角变化 Fig.3 Variations of roof angles in solar greenhouse 2.1.2 温室棚膜不同入射角下的透光率 根据公式（13）计算在不同入射角下薄膜的透光 率大小如图4所示。由图4可知，入射角在050°范围 内透光率下降不明显，在58.36～65之间；入射角 在 51°～80°范围内透光率下降明显，在 30.86～ 58.05之间；入射角在81°～90°范围内透光率急剧下 降，在0～28.65之间。 第7 期 许红军等日光温室太阳辐射模型构建及应用 163 图4 温室棚膜不同入射角下的透光率 Fig.4 Transmittance of greenhouse film at different incidence angles 2.1.3 模型计算值与实测值对比 为充分验证太阳辐射模型的准确性，本文以测试 期间的典型晴天1月9日，2月9日，3月6日为例， 分别检验墙体、地面的太阳辐射照度计算值与实测值 差异，如图5 所示。由图5 可知，模拟结果与测试结 果变化趋势一致，但一天内接受光照时间计算结果比 实测值长30～40 min 。受骨架等温室遮光的影响，温 室内辐射测试值一天内波动较为明显。除3 月6 日地 面计算值明显小于测试值外，其他比较结果均呈现出 正午前后测试值大于计算值，而日出及日落前后，计 算值要大于实测值，该规律在墙体上表现的较为明显。 分析原因可能与温室棚膜的透光率有关。受温室湿度 环境的影响，冬季早晚时分温室棚膜内表面会出现水 珠、水膜或冰霜，因此温室棚膜透光率在正午前后与 早晚时分会有一定差异。而模型按照平均透光率计算， 未考虑由此带来的影响，因此早晚时分计算值要大于 实测值。该文将散射辐射按直射辐射透光规律进行计 算，未考虑散射辐射在温室棚膜中的传播规律，造成 地面与墙体均呈现正午前后计算结果较测试值偏小。 根据公式（16）（17），冬季太阳高度角较小，墙体 受到的影响要大于地面。 至于3 月6 日地面计算值与实测值差异较大，未 呈现出上述规律， 可能与3月2日－3月4日为雨夹雪 转小雪的天气有关。3月6日为典型晴天，温室内部可 接受到外部积雪或地面雨水反射的散射光，造成地面 测试值较计算值高。由于墙体距离前屋面外界位置较 远，由此带来的影响较小。 图5 不同日期日光温室太阳辐射计算值与实测值对比 Fig.5 Comparison between calculated and measured solar radiation values in greenhouse under different dates 为评价模型准确程度，引入辐射模型常用的4 个 评价指标 [26] ， 分别为平均偏差 （mean bias error, MBE ） 、 平均绝对误差（mean absolute error, MAE ），均方根误 差（root mean square error, RMSE ）和决定系数 （coefficient of determination, R 2 ），检验计算值与实测 实的平均偏离值、平均绝对误差、预测值在实测值周 围的离散程度、模型与实测数据的吻合度。计算方法 如式（22）（25）所示。模型检验数据见表1。 MBE c m 1 1 n i I I n ∑ - （22） MAE c m 1 1 n i I I n - ∑（23） RMSE 2 c m 1 1 n i I I n ∑ - （24） R 2 1- 2 m c 1 2 m 1 n i n i I I I I - - ∑ ∑（25） 式中I c 为温室地面或墙体太阳辐射模型计算值， W/m 2 ； I m 为温室地面或墙体太阳辐射实测值，W/m 2 ；I 为温 室地面或墙体太阳辐射实测值的平均值，W/m 2 ；n 为 一天内温室地面或墙体太阳辐射数据总数量。 由表1 可知，模型计算结果与测试结果间有一定 差异。通过典型晴天1月9日，2月9日，3月6日实 测值与计算值进行比较，得出计算值与测试值最大平 均 偏 差 为 63.46 W/m 2 ， 平 均 绝 对 误 差 最 高 为 农业工程学报（http//www.tcsae.org） 2019 年 164 63.48 W/m 2 ，均方根误差最大为79.18 W/m 2 。分析可 知，计算误差主要是由太阳光线从大气层外表面到温 室内部之间的复杂光线传播状况造成的。一方面，难 以准确地计算每一天的大气透明度。另一方面，模型 计算中未考虑散射辐射的透射规律，也会产生误差。 此外，前屋面骨架遮挡以及外界直射光透过棚膜转化 为部分散射辐射也会对模型计算造成一定误差。基于 上述原因温室内部太阳辐射实测值波动较大。 表1 温室太阳辐射模型检验数据 Table 1 Tested data based on greenhouse solar radiation model 日期Date 位置Position MBE/ W·m -2 MAE/ W·m -2 RMSE/ W·m -2 R 2地面Ground 4.8 13.88 16.7 0.99 1月9日 墙体Wall 51.72 62.94 72.84 0.95 地面Ground -16.17 29.49 39.75 0.98 2月9日 墙体Wall 24.23 54.09 65.06 0.95 地面Ground -63.46 63.48 79.18 0.98 3月6日 墙体Wall 35.94 39.94 50.19 0.97 模型的R 2 在0.95～0.99范围内，说明建立的温室 太阳辐射模型计算结果与测试结果的吻合度较高。 综上所述，本文认为用该模型来计算某地区某时 刻墙体与地面的太阳辐射照度较为准确，用于分析温 室内不同季节地面与墙体表面辐射规律以及透光率的 变化规律的准确性高。因此，本文将根据上述模型分 析温室前屋面不同位置处的透光率变化，墙体与地面 的辐射变化规律。 2.2 不同时刻下温室前屋面各点入射角与透光率变化 为进一步揭示温室内墙体与地面辐射变化规律， 作者以该文提到的2 段圆弧前屋面以正南方向为例， 分析前屋面各点处的屋面角变化与冬至日不同时刻温 室屋面各处透光率变化，如图6所示。 太阳距离地球遥远，照射温室前屋面太阳光线可 认为是一束平行光线。平行光线照射在屋面角度不同 的位置上，造成入射角与透光率也不相同。本文中所 使用的时间均为北京时间。新疆地域辽阔，测试区域 当地时间与北京时间存在2 h 左右时差，即北京时间 1400 即为当地时间的1200。由图6 可知，对于温室 前屋面同一位置而言，1300－1600 范围内入射角与 透光率变化不明显，1000－1300 与1600－1900 范 围内入射角与透光率随时间变化较为明显。对于同一 时间不同位置来说，1300－1600在不同位置处的入射 角变化明显，但透光率变化差异较小；1000－1300与 1600－1900范围内入射角随时间变化不大，但是透光 率变化差异较大。相比受屋面角度的影响而言，透光率 受时间即太阳方位角与太阳高度角的影响更大。 图6 不同时刻下温室前屋面入射角与透光率变化 Fig.6 Incidence angle and transmittance variation of front roof in greenhouse at different time 2.3 不同位置温室光照的变化规律 在冬至日，以该文提到的2 段圆弧前屋面以正南 方向为例，薄膜基础透光率为65条件下选择跨度方 向前部x7 m ，中部x4 m ，后部x1 m 处地面，墙体 表面高度为下部y0.5 m ，中部y1.5 m ，上部y2.5 m 处不同位置，分析不同时刻地面与墙体表面太阳辐射 变化如图7所示。 图7 日光温室不同位置处太阳辐射照度与对应入射角、透光率变化 Fig.7 Variations of solar radiation, corresponding incidence angles and transmittance at different locations in solar greenhouse 第7 期 许红军等日光温室太阳辐射模型构建及应用 165 由图7 可知，冬至日墙体表面太阳辐射照度在各 时刻明显高于地面。由图7 a 可知，太阳光线在在不同 时刻，不同位置处太阳辐射照度变化不明显，前部比 中部和后部全天平均高出5.75 W/m 2 与3.58 W/m 2 。对 应的入射角变化明显，前中后部正午时差异达到最大， 对应的入射角分别为7.68°、30.88°、36.33°。但各位置 处透光率变化不明显，前部处位置比中部与后部全天 平均高出2.85与1.57。 由图7b可知，墙体表面不同位置处太阳辐射、对 应的入射角与透光率变化均不明显。下部太阳辐射照 度比中部与上部全天平均高出16.94与7.02 W/m 2 ，对 应的入射角度正午时达最大差异，上中下对应的入射 角度分别为50.83°、45.45°、40.55°。下部透光率比中 部与上部全天平均高出3.43与1.47。 由此可见温室地面与墙体表面不同位置处的太阳 辐射照度受屋面各处屋面角差异带来的影响很小。 2.4 一年中墙体表面与地面太阳辐射照度变化规律 测试期间发现，受外界太阳高度角、太阳方位角 与前屋面透光率的综合影响，温室墙体表面与地面太 阳辐射照度随季节的变化而变化。本文以24节气中的 冬至、立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬 节气为例分析了一年中地面和墙体表面的辐射变化， 如图8所示。由图8c、图8g可知，春分日与秋分日是 一年中墙体与地面接受太阳辐射时间最长的一天， 该日，墙体表面与地面太阳辐射照度大致相当。由 图8c、图8d、图8e、图8f、图8g 可知，春分至秋 分期间，地面辐射高于墙体表面辐射，在夏至日差 异达到最大值。由图8g、图8h、图8a、图8b、图 8c 可知，从秋分至春分期间，该阶段为日光温室的 主要生产阶段，墙体表面太阳辐射大于地面太阳辐 射，因此，墙体在该阶段的蓄热保温作用尤为重要。 从接受光照时间来讲，墙体表面在春秋分时刻接受 太阳照射时间最长，为12 h 。夏至日与冬至日日温 室内接受太阳辐射时间最短，为8 h 。此处计算分析 为乌鲁木齐数据，其他地区受经纬度的影响会有差 异。造成春秋分光照时间长，而冬夏至光照时间短 现象的原因与太阳方位有关。春分日和秋分日，太 阳从正东方升起，然后从正西日落，从日出到日落 太阳光线都可以照射温室内。而夏至日，太阳从东 北方升起，绕过东向南，然后经西南向到西北向日 落。早晚太阳光照射温室北墙外表面，当太阳光绕 过正东方向后才会照射到温室内。冬至日，太阳从 东南方升起，然后在西南向日落，且在一年之中昼 间时段最短、夜间时段最长。 图8 日光温室内太阳辐射周年变化 Fig.8 Variation of solar radiation in solar greenhouse all around year 2.5 不同地区墙体表面与地面太阳辐射变化 对于不同地区的日光温室，温室前屋面角与屋面 形状也不尽相同。为了解一年中墙体表面与地面太阳 辐射照度在不同地区的变化规律， 该文以前屋面角30° 为例，以文中提到的2 段圆弧为屋面形状，选择北京 （N39.90°，E116.40°）、西安（N34.27°，E108.93°）、 沈阳 （N41.80°，E123.38°） 、 寿光 （N36.86°，E118.73°） 、 乌鲁木齐（N43.92°，E87.35°）等地，若全年为晴天， 计算全年日辐射积累量进行了分析，如图9所示。 由图9 a 可知，北京、西安、沈阳、寿光以及乌鲁 木齐5个地区的地面平均日辐射积累量分别为10.30、 11.05、10.02、10.74、9.69 MJ/m 2 。在冬至至立夏期间， 地面日辐射累积量不断增加。在立夏到立秋期间达到 一年中日辐射累积量的最大值，这段时间内日辐射累 积量变化不大，立秋至冬至阶段，地面日辐射累积量 不断下降，冬至日前后达到最低值。由图9 b 可知，北 京、西安、沈阳、寿光以及乌鲁木齐5 个地区的墙体 表面平均日辐射累积量为 8.12、7.49、8.31、7.31、 8.44 MJ/m 2 。 墙体日辐射积累量在立冬至立春期间变化 不大，在立春至夏至期间不断降低，而在夏至至立冬 农业工程学报（http//www.tcsae.org） 2019 年 166 期间开始不断增加。由图9 c 可知，就地面和墙体日辐 射累积量总和来讲，北京、西安、沈阳、寿光以及乌 鲁木齐5 个地区的平均日辐射累积量分别为 18.43、 18.54、18.32、18.55、18.12 MJ/m 2 ，5个地区墙体与地 面全年辐射累积量大致相当。在春秋分前后达到最大 值，在冬至前后积累量为全年最小。受纬度的影响， 秋分至春分期间，随纬度降低，冬季墙体和地面获取 的太阳辐射积累量依次降低，呈现出西安＞寿光＞北 京＞沈阳＞乌鲁木齐的趋势。而夏季则刚好相反，春 分至秋分期间，西安＜寿光＜北京＜沈阳＜乌鲁木齐。 图9 日光温室太阳辐射日积累量年变化 Fig.9 Variation of daily solar radiation accumulation in solar greenhouse all around year 3 讨 论 1）本研究建立的温室内太阳辐射模型为晴天（无 云）的计算模型。该模型假设较少，温室方程各参数 均由实际测试得出，测试区域冬季多为晴朗无云天气， 周边无遮挡，无污染。因此模型计算较为准确，模型 R 2 较高。但是受地理位置、海拔、污染物等影响，各 地区大气透明度不尽相同，各地温室类型与薄膜的基 本透光率也不同。因此，使用该模型在不同区域时应 该以当地温室骨架实际建立方程，根据实际对模型各 参数修正。 2）通过模型计算不同时刻下温室前屋面各点入射 角与透光率变化发现，相比受不同位置处屋面角度的 影响而言，透光率受太阳高度角与太阳方位角的影响 更大。这与郜庆炉等 [27-28] 得出的各季节不同天气条件 温室内的太阳总辐射量与室外的太阳总辐射量存在显 著的相关关系的结论一致。图7 中，计算墙体与地面 不同位置处太阳辐射变照度化时发现， 在透光屋面角度 差异较大的情况下， 地面以及墙体表面不同位置处的太 阳辐射相差不大。在生产实践中，也并未显著的体现出 屋面角度大小对温室实际生产的影响。因此，作者认为 对于温室设计而言，尤其是前屋面角的设计，应进一步 探索， 明确屋面角与屋面形状对温室内地面与墙体表面 的太阳辐射的影响。 3）温室墙体与地面太阳辐射全年的变化规律主要 是受太阳高度角与太阳方位角的影响。在开展季节性 墙体蓄热方面的研究时，可根据此规律合理设计墙体 蓄热能力。另一方面，墙体表面太阳辐射照度与墙体 的倾斜角度有关。如图10，以乌鲁木齐该温室为例， 冬至日，在墙体高度不变的情况下，墙体内表面倾斜 第7 期 许红军等日光温室太阳辐射模型构建及应用 167 10°，可增加墙体内表面面积1.54，墙体日累积蓄热 量增加了0.40 MJ/m 2 ，墙体表面倾斜至20°时，可增加 墙体内表面面积 6.62，墙体日累积蓄热量可增加 0.49 MJ/m 2 。 从另一个角度揭示了寿光厚土墙温室蓄热 能力较好不仅是与蓄热体积大有关，还与其墙体特殊 结构有关。另外，墙面由直面变成倾斜面，则占用了 地面的部分面积，比较“直面地面”和“倾斜面地 面”太阳辐射照度有待进一步研究。 图10 墙体倾斜对太阳辐射日积累量的影响 Fig.10 Effect of wall inclined on daily solar radiation accumulation 本文只分析了晴朗无云条件下的温室内太阳辐射 变化。针对于植物冠层遮阴、不同天气状况、保温被 卷放位置、不同后屋面倾角及长度、方位角、墙体倾 角等对温室内部太阳辐射的影响，可通过本文提出的 方法来进一步探索。 4 结 论 1）本研究通过气象数据，地球、太阳的运动规律 建立了晴天（无云）的日光温室太阳辐射模型。通过 对典型晴天实测值与计算值进行比较，计算值与真实 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。计算某地区某时刻墙体与地 面的太阳辐射照度较为准确，用于分析温室内不同季 节地面与墙体表面辐射规律以及透光率的变化规律的 准确性高。 2）冬至日正午前后2 h 范围内，温室前屋面各位 置入射角与透光率随时间变化不明显；同一时刻前屋 面各位置处入射角变化明显，但透光率变化不明显。 而在当天其他时间段，温室前屋面各点入射角与透光 率随时间变化较为明显；同一时刻前屋面各位置处入 射角变化不大，但透光率变化差异较为明显。相比于 受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。 3）温室墙体表面与地面太阳辐射随季节的变化而 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 辐射照度。从秋分到春分期间，墙体表面太阳辐射照 度大于地面太阳辐射照度。不同区域温室内太阳辐射 状况主要受纬度影响，低纬度地区较高纬度地区而言， 冬季太阳辐射量大，夏季辐射量小。 [参 考 文 献] [1] 鲍恩财，曹晏飞，邹志荣，等. 节能日光温室蓄热技术研 究进展[J]. 农业工程学报，2018，3461－14. Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE, 2018, 346 1 －14. in Chinese with English abstract [2] 许红军，曹晏飞，李彦荣，等. 基于CFD 的日光温室墙体 蓄热层厚度的确定[J]. 农业工程学