应用气象学报  2008, 19 (3): 350-355   PDF    
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刘洪, 郭文利, 李慧君. 北京地区日光温室光环境模拟及分析[J]. 应用气象学报, 2008, 19(3): 350-355.
Liu Hong, Guo Wenli, Li Huijun. Simulation and Analysis on Light Environment of Greenhouse in Beijing Area[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2008, 19(3): 350-355  
北京地区日光温室光环境模拟及分析
刘洪, 郭文利, 李慧君     
北京市气候中心, 北京 100089
2007-07-04 收到, 2007-11-14 收到修改稿.
资助项目: 北京市科委项目“保护地小气候数值模拟及其应用的研究”(H010710060119) 和科技部农业科技成果转化项目“日光温室气象灾害预警系统在京津冀地区的推广应用”(2006GB24160427) 共同资助    
摘要: 针对北京地区典型日光温室, 在2003—2004年试验观测的基础上, 从室内直接辐射、散射辐射及作物生长对辐射影响3个方面, 进行了模拟和分析, 并对地面辐射的模拟结果与实测值进行了比较验证。结果表明:绝对误差为9.41 W/m2, 相关系数达到0.92, 与实测值、文献资料相比, 模拟结果的准确性和趋势有较好的一致性, 对优化温室环境控制方案具有一定的参考价值。
关键词: 日光温室模型    辐射分布    作物生长    
Simulation and Analysis on Light Environment of Greenhouse in Beijing Area
Liu Hong, Guo Wenli, Li Huijun     
Beijing Climate Center, Beijing 100089
Abstract: Daily light integral is determined by outside radiation and the light transmission rate of greenhouse. The greenhouse light environment is affected by factors like latitude, building location, surface material, skeleton structure and configuration density. Typical solar greenhouse is studied that is used to grow tomato and others vegetables in winter in Beijing. Based on the observed data of meteorological elements of radiation, temperature, humidity etc, both inside and outside solar greenhouse, using the mathematical method and computer simulation, the sun-light incidence rate of different surface radian curves of greenhouse is calculated. A mathematical model for solar radiation on the surface of a solar greenhouse is proposed and the heat transfer of a solar greenhouse with 8 m span is simulated. Five aspects are included in the model. Solar greenhouse mainly contains the surface, the back-wall, the roof and the gables, the gables' influence on solar radiation is not considered, assuming that the length of the solar greenhouse is unlimited. The direct radiation, sky radiation and the reflection radiation that the surface receives are calculated. The surface received solar radiation is divided into three parts. One part of the radiation is reflected by the surface, another part is absorbed by surface, the rest of the solar radiation goes into the greenhouse. The radiation distribution is calculated. The greenhouse direct radiation is not fully exposed on the ground. Direct radiation distribution and intensity in various parts of solar greenhouse under different times are calculated. In accordance with the direct radiation transmittance calculation algorithm, the sky radiations transmission rate is calculated. Then, according to the integral methods, sky radiations distribution and intensity in various parts of solar greenhouse under different times are simulate. The influences of crop growth on solar radiation are reflection and absorption. In accordance with crop growth dynamic change, the ground radiation changes. Radiation intensity on ground is calculated based on the law of diminishing index. Based on the experimental data and the literature, the simulating data of the ground radiation are analyzed and compared. The accuracy of simulation models is reasonable. The mean absolute difference is 9.41 W/m2, and the relative coefficient is 0.92. The model is valuable to simulate the relationship between environmental factors and crop growth, and it is significant to provide reference for optimization of greenhouse environment control.
Key words: greenhouse model     radiation distribution     crop growth    
引言

在日光温室中, 太阳辐射是最主要的能量来源。温室的采光量决定于室外太阳直接辐射量与温室对直射光的透过率。温室的地理纬度、建筑方位、采光面的材料、骨架结构和排列密度等等因素都对温室光线的透过率产生影响。番茄是喜光作物, 光照不良, 植株营养水平降低, 会造成大量落花, 影响果实正常发育, 产量降低, 直接影响温室番茄的产量和品质[1-4]。另外, 太阳辐射量与番茄叶片气孔阻抗呈负相关, 是影响植株蒸腾的主要因子之一[5-6], 进而影响温室内温度、湿度。

本文根据北京地区现有的日光温室结构, 在2003年9月-2004年6月选择番茄作为研究对象, 建立了温室小气候辐射模拟模型, 用于分析温室内太阳辐射的时空分布状况, 为京郊日光温室建筑结构设计优化和气象灾害预警系统建立提供技术基础和数据支持。

1 试验设计 1.1 温室结构

在大兴区选择代表性较好的日光温室作为试验场所, 结构参数如下:东西长59 m, 脊高3.55 m, 后墙高2.2 m, 跨度7.78 m, 后屋面水平投影长度为1.6 m, 后墙厚度0.6 m, 覆盖薄膜厚度0.12 m, 檩间距、宽度和厚度分别是1.5 m, 0.0268 m和0.0268 m, 主梁跨度、宽度和厚度分别为0.75 m, 0.0268 m和0.0268 m。

1.2 辐射观测

室外辐射采用观象台实时资料, 室内采用自动气象站, 分别测定地面和作物冠层顶部总辐射量的动态变化, 具体观测高度要根据作物不同发育期进行调整。

1.3 作物生长观测

在冬季番茄生长季内, 记录作物生育期、株高和田间管理措施; 每隔15 d取样测定分器官干物质重和叶面积系数, 在苗期取10株, 以后取5株, 剪取地上部分, 回到实验室, 先用打孔法测定样本叶面积, 然后将茎、叶、花和果实等不同器官分开, 放在烘箱中烘干至恒重, 进行测定。

2 模拟原理及模型建立 2.1 采光面接受到的太阳辐射量

京郊日光温室主要由采光面、后墙、后屋面和山墙组成, 通过采光面进入温室的太阳辐射是由直接辐射、散射辐射和地面及地上物体的反射辐射3部分组成[7], 即

(1)

其中

(2)

式 (1)~(2) 中, Rtotal为采光面接受到的太阳辐射量, Rtd为采光面接受到的太阳直接辐射量, Rts为采光面接受到的太阳散射辐射量, Rtr为采光面接受到地面和地上物体的反射辐射量, Rd为地面上垂直于太阳法线面的直接辐射量, Rhd为地面水平面的直接辐射量, Rs为地面水平面的太阳散射辐射量, 单位均为W/m2; h′为采光面上的太阳高度, h为太阳高度, A为太阳方位角, θ为采光面对地面水平面的倾斜角, α为采光面的方位角, ρ地面和地上物体的平均反射率, 京郊可取值为0.18。

2.2 采光面的透光率、吸收率与反射率

采光面接受的太阳辐射, 部分被反射, 其他被折射后进入透明覆盖材料内部, 其中一部分又被透明覆盖材料吸收, 一部分进入温室内部。

覆盖材料的透光率Tl、反射率p、吸收率a分别计算如下[8]:

(3)

式 (3) 中, r为透明覆盖材料对太阳辐射的反射比, 根据Fresnel公式, 计算如下:

(4)

式 (4) 中, θ为太阳辐射对透明覆盖材料的入射角, θ′为太阳辐射在材料内部的折射角。

式 (3) 中, α为内透射比, 即太阳辐射在材料内部前进时被吸收的比率, 按照Lambeert-Bouguer定律, 其表达式为:

(5)

式 (5) 中, e为自然常数, k为材料的消光系数, l为材料厚度。

透明覆盖材料的透光率Trans, 受当地的纬度、时间 (月、日、时、分)、采光曲面的倾角与方位、骨架材料的厚度、宽度以及排列间隔等因素的影响, 其计算公式如下[9]:

(6)

式 (6) 中, ISF为骨架阴影影响的透光率, IRS为边框胶条等所占采光曲面的面积比率, NOSE为透明覆盖材料的污染程度, 北京地区风沙较多, 大气污染严重, 可取值为0.3。

(7)

式 (7) 中,

上式中, LY为日光温室梁的跨度, BB为主梁的宽度, MF为檩条的间距, MB为檩条的宽度, BH为梁的厚度, MH为檩条的厚度, h′为采光面的斜面太阳高度角, A′为采光面的方位角。

2.3 温室内直接辐射的透射和分布

本文不考虑山墙对太阳辐射的影响, 将采光面和墙面作为改善温室光热环境的主要构成部分。采光曲面的形状影响直接辐射的进入量。目前可选用圆、双曲线、抛物线、椭圆、对数曲线、摆线等6种标准数学函数模拟采光曲面, 经比较验证, 采用圆弧曲线函数的模拟结果最为理想。确定脊高 (Zm)、后墙高 (Zn)、过道宽度 (P)、跨度 (XI) 等4个参数, 就可以利用圆的变换方程生成圆形采光曲面[10-11]:

(8)

式 (8) 中, 圆心点坐标 (xi, yi) 落在 (P, Zm) 和 (XI, 0) 两点连线的垂直中分线上, 且必须使yi≤0。

为了计算方便, 可以把曲面化成n个小平面, 当n取较大值时, 即可逼近曲面, 见图 1[10]。n值大小可任意设定, 一般跨度为8 m左右的温室, 取n=40足够, 本文中n=30。

图 1. 采光曲面转化为n个平面 Fig 1. Transform curved surface into planes

在曲面转化为平面的基础上, 任取第i个小平面进行讨论, 首先, 判断是否有光通过第i个小平面进入温室, 如果有光进入, 则判断到达温室内的位置, 反之, 如果无光进入, 则判断第i +1个小平面是否有光进入。

进入温室的太阳辐射并不是完全投射在地面上, 应当考虑其在温室各个部位的分布状况及辐射强度。在一天的不同时刻, 太阳辐射的分布是不断变化的, 温室内部辐射的模拟, 应根据不同时段计算各部位接受到的辐射强度。在任意时刻, 透过第i个小平面进入温室的直接辐射, 可以用以下公式计算[12-13]:

(9)

式 (9) 中, Rgi (t), Rzi (t), Rzhi (t) 分别为t时刻第i个小平面在地面、后墙面和后屋面上的透过直接辐射量。Rd (t) 为t时刻法线方向上的直接辐射量, Ri (t) 为t时刻第i个小平面的直接辐射透过率, 它是透明覆盖材料本身的透过率、骨架阴影、污染程度、边框胶条面积率等因素的函数, At为t时刻太阳方位角, β为后屋面与水平面的夹角, ht为t时刻太阳高度角, Ah为温室的方位角, 取值为0。

计算每个小平面在温室内的投影位置和透过直接辐射量后, 即可得到温室内直接辐射的瞬时分布状况, 即采光曲面不同部位的透过辐射。在t时刻到达温室内的直接辐射总量为[14]:

(10)

式 (10) 中, Sgi, Szi, Szhi分别为t时刻在地面、后墙面、后屋面的太阳辐射总量。

温室内瞬时光分布特征, 只能反映计算时刻温室内的光分布状况, 并不能代表温室总体的光分布特征, 温室总体采光特征只能用累积直射光的分布特征加以描述。温室中全体接受的直接辐射

(11)

式 (11) 中, t1和t2分别为太阳的起落时间。

在任意时刻, 由于采光曲面上每点的太阳入射角不同, 所以辐射透过率也不同, 因此导致了温室内部辐射分布的不均匀性。为解决这个问题, 模型中采用了分段计算的方法, 首先, 将温室跨度沿x轴方向取n等份, xi到P的距离

(12)

然后计算各小平面透过直接辐射的积累值, 即可得到地面上n个区段上的直接辐射分布状况。

2.4 日光温室的散射辐射分布

中国式日光温室可看作1/2个天球面受光的温室, 采光曲面可以分为若干个带状倾斜窗户, 设一个带状窗户的上下两个长边与地面平行, 且对室内某点P的仰角分别为θ1, θ2, 再把带状窗户划分为若干个小窗户, 令小窗户的两个侧边对P点所形成的方位角分别为φ1和φ2(以脊向处为0), 对于θ1, θ2和φ1, φ2所划定的小窗户I, 其对P点的天空率Usi的计算方法如下[7]:

(13)

成立条件为 (tan φ1/cosθ1)>0, (tan φ2/cosθ1)>0, (tan φ1/cosθ2)>0, (tan φ2/cosθ2)>0。

再仿照直射辐射透过率的算法, 即可算出散射辐射的透过率, 然后按照积分方法, 计算出温室内散射辐射的分布状况。

2.5 作物生长对辐射的吸收和反射

番茄生长对太阳辐射的影响主要是反射和吸收, 根据番茄生长状况变化, 到达地面的辐射量也随之发生变化。太阳辐射在番茄冠层中的分布一般可以认为服从指数递减规律, 其算法如下[15]:

(14)

式 (14) 中, Rgc是作物生长状况下到达地面的辐射量, ρ为冠层反射率, Rg为到达作物冠层顶部的辐射量, 可认为与空温室中到达地面辐射量相同, k为作物消光系数, 取值为0.43, ILA为叶面积指数, 为单叶的散射系数, 取值为0.2, β为太阳高度角。

3 模拟结果及分析

由于温室在试验观测阶段考虑不够成熟, 因此室内辐射只布置了地面0 cm和150 cm的两个测点, 在后期, 2个测点均位于作物冠层内, 因此辐射模拟的验证只能验证地面的辐射, 无法进行冠层上部辐射模拟验证。

本文模拟了2004年1月12日-3月3日辐射在温室内部的分布状况, 图 2为模拟检验结果, 相关系数达到了0.92。图 3显示了2004年1月13日08:00(北京时, 下同)-1月18日18:00的地面得到辐射的模拟值与实测值相比较的情况, 平均绝对误差为9.41 W/m2, 从图中可以看出, 模拟值与实测值的动态变化比较一致, 模拟效果较好。

图 2. 地面辐射模拟值和实测值相关图 Fig 2. Comparison between of simulated radiation and the actual radiation on ground in greenhouse

图 3. 2004年1月13-18日地面辐射模拟值与实测值之比较 Fig 3. Comparison between simulated radiation and the actual radiation on ground in greenhouse during Jan 13-18, 2004

由2004年1月18日07:00-1月22日17:00温室中地面、后墙和后屋面得到的辐射对比 (图 4) 可以看出, 地面和后墙得到的辐射变化趋势相同, 后墙单位面积得到的辐射量高于地面。这与理论上的结论也是一致的。而后屋面得到的辐射量很少。

图 4. 2004年1月18-22日温室中地面、后墙和后屋面辐射变化动态 Fig 4. Variations of simulated radiation on ground, back wall and back surface in greenhouse during Jan 18-22, 2004

4 结论与讨论

综合各种影响因素, 建立了日光温室辐射模拟模型, 并利用长时间定点试验观测数据, 对地面辐射的模拟结果进行比较验证, 绝对误差为9.41 W/m2, 相关系数达到0.92。说明该模型在一定程度上能够较为准确地模拟日光温室内部辐射的分布状况, 对组建温室小气候模拟模型和优化温室环境控制方案具有一定的参考价值。

因为没有布置日光温室内后墙和后屋面的辐射观测, 因此, 只能在建立温度模型时, 根据热量平衡方程, 对该部分模块进行修改和校验, 这需要在今后的工作中进一步完善。温室内番茄为宽窄行种植, 随着作物生长, 地面辐射分布不均匀性也随之变化。在试验中, 地面辐射的测点布置在宽行和窄行之间的位置上, 将观测结果作为地面辐射的平均值处理, 因此, 本文的模拟结果只反映了温室内部的总体状况, 而不能描述辐射在地面分布的变化状况。

本文研究结果为温室结构优化和改进设计提供了一种研究方法和分析工具。京郊日光温室结构多样, 不同结构温室之间获得辐射量相差很大, 在研究中仅选择其中一种进行了模拟校验, 在以后的研究工作中, 将实现多种结构的温室辐射模拟, 并结合温室热量、湿度模型, 进行结构优化设计, 达到节约能源、提高经济效益的目的; 模拟结果还需在业务工作中进一步验证, 并根据验证结果对模型进行调校和完善。

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