第35 卷 第7 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol.35 No.7 160 2019 年 4 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2019 日光溫室太陽輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用許紅軍 1,2 ，曹晏飛 1 ，李彥榮 2 ，高 杰 2 ，蔣衛(wèi)杰 2 ，鄒志榮 1,2（1. 西北農(nóng)林科技大學園藝學院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點實驗室，楊凌 712100 ； 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學林學與園藝學院，烏魯木齊 830052 ） 摘 要：太陽輻射是影響日光溫室光、熱環(huán)境的重要參數(shù)，準確獲得溫室內(nèi)部墻體與地面的太陽輻射照度變化規(guī)律可對 溫室設(shè)計建造、溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控與作物生產(chǎn)起到重要的指導意義。該文在總結(jié)已有日光溫室太陽輻射模型的基礎(chǔ)上，通 過氣象數(shù)據(jù)，地球、太陽的運動規(guī)律以及太陽光線與日光溫室前屋面入射角的關(guān)系，建立了較為完善的日光溫室太陽輻 射模型，并利用該模型對溫室內(nèi)部輻射規(guī)律進行分析。采用典型晴天數(shù)據(jù)對模型進行檢驗，結(jié)果顯示計算值與實測值平 均偏差最大為63.46 W/m 2 ，平均絕對誤差最大為63.48 W/m 2 ，均方根誤差最大為79.18 W/m 2 ，決定系數(shù)在0.950.99 范 圍內(nèi)。利用該模型分析溫室內(nèi)部輻射規(guī)律發(fā)現(xiàn)，相比不同位置屋面角度的影響而言，透光率受時間即太陽方位與太陽高 度角的影響更大。溫室墻體表面與地面太陽輻射照度隨季節(jié)不斷變化，春秋分是一年中墻體與地面接受太陽輻射時間最 長的節(jié)氣，該日墻體表面與地面太陽輻射照度大致相當。春分到秋分期間，地面輻射照度高于墻體表面；從秋分到春分 期間，墻體表面太陽輻射照度大于地面。不同區(qū)域溫室內(nèi)太陽輻射日積累量主要受緯度影響，低緯度地區(qū)較高緯度地區(qū) 而言，冬季太陽輻射日積累量大，夏季太陽輻射日積累量小。研究結(jié)果可為日光溫室內(nèi)墻體蓄熱、屋面優(yōu)化、作物種植、 圍護結(jié)構(gòu)能量平衡等研究提供理論參考與相關(guān)數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：溫室；模型；太陽輻射；估算；地面；墻體表面；日光溫室 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.07.020 中圖分類號：S625.5 + 2 文獻標志碼： A 文章編號： 1002-6819(2019)-07-0160-10 許紅軍，曹晏飛，李彥榮，高 杰，蔣衛(wèi)杰，鄒志榮. 日光溫室太陽輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(7)： 160169. doi：10.11975/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 greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(7): 160169. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.07.020 http:/www.tcsae.org 0 引 言太陽輻射是影響日光溫室光、熱環(huán)境的重要參數(shù)。 近年來，合理利用進入溫室內(nèi)的太陽輻射進行溫室蓄 熱成為溫室節(jié)能的研究熱點 1 。 在量化太陽輻射對日光 溫室采光、墻體蓄熱、植物生產(chǎn)等方面的影響時，均 需要準確可靠的輻射數(shù)據(jù)做支撐 2-3 。中國區(qū)域遼闊， 日光溫室建設(shè)從北緯30°45°之間，難以采用高精度 測量設(shè)備實時收集的方法獲取數(shù)據(jù)溫室內(nèi)太陽輻射數(shù) 據(jù)。因此，有必要通過模型計算的方法，利用與太陽 輻射相關(guān)的氣象參數(shù)獲取不同位置、季節(jié)下的太陽輻 射數(shù)據(jù)，更好地指導溫室設(shè)計、建造及環(huán)境調(diào)控。 中國對日光溫室內(nèi)光照環(huán)境模擬的研究較早。吳 毅明等 4-7 早期就建立了溫室內(nèi)直射光的理論模型，并 編制了計算機程序。 陳端生等 8-11 用建立的太陽輻射模收稿日期：2019-01-22 修訂日期：2019-03-28 基金項目：寧夏自治區(qū)重點研發(fā)計劃重大項目（2016BZ0901） ；新疆維吾爾 自治區(qū)園藝學重點學科基金(2016-10758-3) ；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基 金（2016D01B028） 作者簡介：許紅軍，博士生，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。 Email：xuhongjun01163.com 通信作者：鄒志榮，教授，博士，博士生導師，主要從事設(shè)施園藝方面的 研究。Email：zouzhirong2005163.com 型對溫室屋面形狀與透光的關(guān)系進行了理論分析。杜 軍等 12 通過角系數(shù)方法計算溫室內(nèi)表面太陽輻射凈值 量。不過上述研究多基于理論分析，在此基礎(chǔ)上，研 究學者對模型的準確性、適用性進行了進一步地探討。 佟國紅等 13 通過建立的太陽輻射模型計算了溫室各表 面的太陽輻射狀況，冬季最冷月模擬結(jié)果與實際測試 結(jié)果差值不超過5%， 但計算模型需已知溫室外水平面 太陽輻射照度。陳青云等 14-16 探索了山墻對溫室太陽 輻射的影響，建立了相關(guān)的輻射模型并驗證其準確性。 韓亞東等 17 建立了日光溫室山墻可蔽視角的估算模 型，估算了溫室內(nèi)任一位置的直接輻射、間接輻射及 總輻射，但未考慮屋面角度對透光率的影響。馬承偉 等 18-20 在總結(jié)前人太陽輻射模型基礎(chǔ)上建立了較為 完善的日光溫室采光模型。該模型考慮了溫室地理 方位、室外光輻射、溫室朝向和建筑參數(shù)、屋面形 狀和覆蓋材料等多種因素與室內(nèi)光輻射照度的關(guān) 系。該研究為探索日光溫室光輻射環(huán)境的提供了很 有參考價值的成果，但未從根本上說明太陽光與溫 室前屋面的入射關(guān)系。 綜上所述，近年來建立的溫室輻射模型中，一類 是分析太陽光線與溫室結(jié)構(gòu)間關(guān)系的理論模型；一類 是通過溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)過實測數(shù)據(jù)檢驗，用于分析 ·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程· 第7 期 許紅軍等：日光溫室太陽輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用 161 溫室內(nèi)光照環(huán)境變化的太陽輻射模型，該類模型有較 強的實用性。但以往建立的日光溫室太陽輻射模型未 能全面的考慮入射光線與前屋面的關(guān)系。另外，上述 模型在計算地面與墻體表面的太陽輻射照度時，多未 考慮太陽直射光線與地面、墻體表面的夾角，因此難 以獲取地面與墻體表面準確的太陽輻射照度，更無法 分析溫室內(nèi)部墻體與地面季節(jié)性變化規(guī)律。 本文通過氣象數(shù)據(jù)，地球、太陽的運動規(guī)律分析 了太陽光線與日光溫室前屋面形成的入射角以及其變 化，建立了溫室太陽輻射模型并進行數(shù)據(jù)驗證，同時 利用該模型分析溫室內(nèi)部地面與墻體表面太陽輻射變 化，為不同區(qū)域優(yōu)化溫室設(shè)計、環(huán)境調(diào)控提供較為準 確的太陽輻射數(shù)據(jù)。 1 模型概述與構(gòu)建 1.1 模型概述 首先，通過氣象數(shù)據(jù)獲取大氣層外部的太陽輻射 照度，根據(jù)大氣透明度狀況得到溫室前屋面上太陽輻 射照度。其次，通過建立太陽光線與溫室前屋面間的 關(guān)系，求解屋面任意位置、任意時刻的入射角與透光 率。最后，計算地面與墻體表面不同位置的太陽輻射 照度。 1.2 模型構(gòu)建 1.2.1 大氣層外表面太陽輻射照度 21S 0 =S×1+0.034×cos(2N/365) （1） 式中 S 為世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）1981年的推薦值為1 367 W/m 2 ； N 為按天數(shù)順序排列的積日，1月1日為1；2日為2； 其余類推，平年12月31日為365，閏年12月31日為 366；S 0 為某日大氣層外表面太陽輻射照度，W/m 2 。 1.2.2 地表面任意位置處的太陽輻射照度 計算地球表面某一位置的太陽輻射照度，需要確 定包括太陽高度角、太陽方位角、時角、赤緯角、大 氣層上界面某一時刻的太陽輻射照度、大氣質(zhì)量和大 氣透明度系數(shù)等 21 基本的參數(shù)，見式（2）（7）。本 研究選擇Kretith 和Kreider 22 提出的， 晴朗無云條件下 大氣透明度經(jīng)驗方程，其擬合的大氣透明度系數(shù)的誤 差范圍在3%之內(nèi)。 = 23.45×sin360°(284+N)/365 （2） =(12-t)×15°+(120°-) （3） sin h=sinsin+coscoscos （4） sin =cossin/cosh （5） M= 1/sinh (h30°)， M= 1 229+(614×sin h) 2 1/2 -614×sinh（h30°）（6） T z =0.56×(e -0.56M +e -0.096M )×k （7） 式中 為太陽赤緯角，(°)；為太陽時角，(°)； 為當 地經(jīng)度，(°)； 為當?shù)鼐暥龋?°)；h為太陽高度角，(°)； t為北京時間，計算時間步長為1/6 h ，h；為太陽方 位角，(°)；M 為大氣光學質(zhì)量；k 為大氣透過率計算 參數(shù)，取值0.80.9，本文取值0.8。 對于太陽輻射模型中散射輻射的計算，國內(nèi)外均 采用建立散射比或散射率2 種方法 23 。該文按照Liu 和Jordan24 提出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，將晴朗無云天氣下，太 陽散射輻射按太陽直射輻射一定比例進行計算，具體 見式（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 分別為直射光與散射光大氣透過率；S為 光線通過大氣層到溫室棚膜外表面的太陽輻射照度， W/m 2 。 1.2.3 溫室內(nèi)部墻體、地面太陽輻射照度計算 1）屋面控制方程 以溫室墻體與地面連接處為坐標原點，跨度方向 為X 軸，高度方向為Y 軸建立坐標系。建立屋面各點 （x,y）控制方程，見式（10）。通過對屋面方程求導， 可得出屋面各點處的導數(shù)值，即該點屋面角的正切 值，見式（11）。通過三角函數(shù)求解屋面各點處屋 面角大小。 y =f(x) （10） = arctan(y) （11） 式中 為屋面各點處的屋面角度，(°)； y 為屋面方程 的一次導函數(shù)。 2）入射角與前屋面透光率的關(guān)系 本文采用文獻25提出的方法計算太陽光線與溫 室屋面形成的入射角，見式（12）。依據(jù)文獻18提出 的適用于低霧度透明覆蓋材料透光率隨入射角變化規(guī) 律，計算溫室屋面透光率見式（13）。 cos =cossinh+sincoshcos(-) （12） T=T 0 1-0.93 (90-) (1-/1 000)(090°) （13） 式中為太陽光線與屋面形成的入射角，(°)；為溫室 方位角，南偏西為正，(°)；T 為薄膜在不同屋面角下 的透光率，%；T 0 為薄膜的基本透光率，即入射角為0 時的薄膜的透光率，%。 3）溫室內(nèi)某點對應(yīng)前屋面某點的透光率 采用參考文獻18提出的室內(nèi)坐標點逆向回溯的 方法，確定太陽直射光線通過的屋面對應(yīng)的入射點E， 坐標為（x E ，y E ），見式（14）（15）。由公式（4）、 （5）、（10）、（11）、（14）、（15）聯(lián)立可求出 任意時刻，地面某點（x 0 ，0）、墻體表面某點（0，y 0 ） 處對應(yīng)前屋面位置（x E ，y E ）。 x E =x 0 -y E cos/tanh （14） y E =y 0 -x E tanh/cos （15） 4）墻體、地面的太陽輻射照度 不同時刻下太陽照射溫室內(nèi)部，太陽直射光線與 地面、墻體存在夾角。該夾角隨太陽高度角、太陽方 位角、溫室方位角、墻體表面傾斜角度的不同而不同， 直接影響墻體和地面接受到的太陽輻射不同。如圖1 農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org） 2019 年 162 所示，垂直于太陽光線的輻射照度與水平地面輻射照 度之間的關(guān)系是太陽高度角正弦函數(shù)。垂直于太陽光 線的輻射照度與豎直墻體表面輻射照度關(guān)系除受太陽 高度角的影響外還與太陽的方位角與溫室方位角有 關(guān)，均呈現(xiàn)為余弦函數(shù)關(guān)系。因此，日光溫室內(nèi)墻體 與地面所接受的太陽輻射照度變化可以通過公 式 （16）（17）來表示。 S G =S×T×sinh （16） S W =S×T×cosh×cos(-) （17） 式中S G 為地面接受到的太陽輻射，W/m 2 ；S W 為溫室 墻體接受的太陽輻射，W/m 2 。 注：h為太陽高度角， （°） 。 Note: h stands for solar elevation angle, (°). 圖1 太陽輻射照度與太陽高度角關(guān)系 Fig.1 Relationship between solar radiation and solar elevation angle 通過公式（1）（17），可求得任意經(jīng)緯度處、 任意時刻溫室墻體與地面的太陽輻射狀況。 1.3 數(shù)據(jù)處理 利用Matlab 2016b 編程計算， 試驗數(shù)據(jù)采用origin 2017進行數(shù)據(jù)分析及圖表的制作。 2 模型驗證與結(jié)果分析 2.1 日光溫室內(nèi)部墻體與地面太陽輻射驗證 本文以新疆農(nóng)業(yè)大學三坪教學實習基地（N43.92°， E87.35°）日光溫室為例，如圖2 所示，驗證模型的準 確性。 圖2 日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Schematic diagram of solar greenhouse structure 日光溫室坐北朝南， 南偏西8°， 東西方向長60 m ， 跨度為8 m ，脊高3.8 m ，后墻高2.8 m ，后屋面仰角 40°。溫室前屋面使用PO 塑料薄膜。通過測試，入射 角為0 時的薄膜的透光率為65%。后屋面由0.1 m 聚 苯乙烯彩鋼板構(gòu)成，日光溫室后墻采用了0.01 m 水泥 砂漿抹面+0.5 m 實心黏土磚砌體+0.1 m 聚苯乙烯彩鋼 板的復(fù)合墻體。 以溫室長度方向1/2處日光溫室剖面為 主要測量平面。 溫室內(nèi)部太陽輻射由PDE-KI環(huán)境數(shù)據(jù) 記錄儀（哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，測量范 圍：02 000 W/m 2 ，準確度±3%，分辨率1 W/m 2 ）采 集， 分別監(jiān)測溫室長度方向1/2剖面， 墻體內(nèi)表面1.5 m 高度處太陽輻射照度與跨度1/2 處地面太陽輻射照度。 監(jiān)測時間為2018 年1 月至2018 年4 月，測試間隔為 10 min 。為保證溫室墻體與地面及時接受太陽輻射， 測試期間溫室未覆蓋保溫被。 2.1.1 日光溫室前屋面方程的建立 對溫室后墻高度、脊高以及不同跨度處該點前屋 面高度的測量并擬合方程，建立由2 段圓弧組成日光 溫室剖面屋面控制方程，見式（18）（19）。 ( x+1.72) 2 +(y+10.60) 2 =14.71 2 (1.2x7.0) （18）( x-5.28) 2 +(y+1.15) 2 =2.95 2(7.0x8.0) （19） 式中x為日光溫室前屋面曲線某點橫坐標，m；y 為該 點縱坐標，m。 由于溫室前屋面由2 段圓弧組成，故溫室前屋面 各點處的屋面角度 的正切值即圓弧的切線斜率，可 以通過圓的切線方程求出。 =arctan(x+1.72)/(y+10.60) (1.2 x7.0) （20） =arctan(x-5.28)/(y+1.15) (7.0 x8.0) （21） 圖3 描述了日光溫室前屋面各處屋面角變化。由 圖3可知，溫室整體前屋面角度為30°，但是在前屋面 不同位置處屋面角度不一致。屋面角最大值出現(xiàn)在溫 室南底角位置，為67.5°，最小值出現(xiàn)在脊高位置處， 為11.5°。從溫室跨度方向上看，x 在1.2, 3.3 時，溫室 前屋面角在11.5°20°之間；x在(3.3, 5.6 時，屋面角 度在20°30°之間，x在(5.6, 7.2 時， 屋面角度在30° 40°之間，x在(7.2, 8.0 時，該部分為前部立窗，屋面角 度在40°67.6°之間，變化較為明顯。 圖3 日光溫室前屋面各處屋面角變化 Fig.3 Variations of roof angles in solar greenhouse 2.1.2 溫室棚膜不同入射角下的透光率 根據(jù)公式（13）計算在不同入射角下薄膜的透光 率大小如圖4所示。由圖4可知，入射角在050°范圍 內(nèi)透光率下降不明顯，在58.36%65%之間；入射角 在 51°80°范圍內(nèi)透光率下降明顯，在 30.86% 58.05%之間；入射角在81°90°范圍內(nèi)透光率急劇下 降，在028.65%之間。 第7 期 許紅軍等：日光溫室太陽輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用 163 圖4 溫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 模型計算值與實測值對比 為充分驗證太陽輻射模型的準確性，本文以測試 期間的典型晴天1月9日，2月9日，3月6日為例， 分別檢驗墻體、地面的太陽輻射照度計算值與實測值 差異，如圖5 所示。由圖5 可知，模擬結(jié)果與測試結(jié) 果變化趨勢一致，但一天內(nèi)接受光照時間計算結(jié)果比 實測值長3040 min 。受骨架等溫室遮光的影響，溫 室內(nèi)輻射測試值一天內(nèi)波動較為明顯。除3 月6 日地 面計算值明顯小于測試值外，其他比較結(jié)果均呈現(xiàn)出 正午前后測試值大于計算值，而日出及日落前后，計 算值要大于實測值，該規(guī)律在墻體上表現(xiàn)的較為明顯。 分析原因可能與溫室棚膜的透光率有關(guān)。受溫室濕度 環(huán)境的影響，冬季早晚時分溫室棚膜內(nèi)表面會出現(xiàn)水 珠、水膜或冰霜，因此溫室棚膜透光率在正午前后與 早晚時分會有一定差異。而模型按照平均透光率計算， 未考慮由此帶來的影響，因此早晚時分計算值要大于 實測值。該文將散射輻射按直射輻射透光規(guī)律進行計 算，未考慮散射輻射在溫室棚膜中的傳播規(guī)律，造成 地面與墻體均呈現(xiàn)正午前后計算結(jié)果較測試值偏小。 根據(jù)公式（16）（17），冬季太陽高度角較小，墻體 受到的影響要大于地面。 至于3 月6 日地面計算值與實測值差異較大，未 呈現(xiàn)出上述規(guī)律， 可能與3月2日3月4日為雨夾雪 轉(zhuǎn)小雪的天氣有關(guān)。3月6日為典型晴天，溫室內(nèi)部可 接受到外部積雪或地面雨水反射的散射光，造成地面 測試值較計算值高。由于墻體距離前屋面外界位置較 遠，由此帶來的影響較小。 圖5 不同日期日光溫室太陽輻射計算值與實測值對比 Fig.5 Comparison between calculated and measured solar radiation values in greenhouse under different dates 為評價模型準確程度，引入輻射模型常用的4 個 評價指標 26 ， 分別為平均偏差 （mean bias error, MBE ） 、 平均絕對誤差（mean absolute error, MAE ），均方根誤 差（root mean square error, RMSE ）和決定系數(shù) （coefficient of determination, R 2 ），檢驗計算值與實測 實的平均偏離值、平均絕對誤差、預(yù)測值在實測值周 圍的離散程度、模型與實測數(shù)據(jù)的吻合度。計算方法 如式（22）（25）所示。模型檢驗數(shù)據(jù)見表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 為溫室地面或墻體太陽輻射模型計算值， W/m 2 ； I m 為溫室地面或墻體太陽輻射實測值，W/m 2 ；I 為溫 室地面或墻體太陽輻射實測值的平均值，W/m 2 ；n 為 一天內(nèi)溫室地面或墻體太陽輻射數(shù)據(jù)總數(shù)量。 由表1 可知，模型計算結(jié)果與測試結(jié)果間有一定 差異。通過典型晴天1月9日，2月9日，3月6日實 測值與計算值進行比較，得出計算值與測試值最大平 均 偏 差 為 63.46 W/m 2 ， 平 均 絕 對 誤 差 最 高 為 農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org） 2019 年 164 63.48 W/m 2 ，均方根誤差最大為79.18 W/m 2 。分析可 知，計算誤差主要是由太陽光線從大氣層外表面到溫 室內(nèi)部之間的復(fù)雜光線傳播狀況造成的。一方面，難 以準確地計算每一天的大氣透明度。另一方面，模型 計算中未考慮散射輻射的透射規(guī)律，也會產(chǎn)生誤差。 此外，前屋面骨架遮擋以及外界直射光透過棚膜轉(zhuǎn)化 為部分散射輻射也會對模型計算造成一定誤差?；?上述原因溫室內(nèi)部太陽輻射實測值波動較大。 表1 溫室太陽輻射模型檢驗數(shù)據(jù) 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 墻體Wall 51.72 62.94 72.84 0.95 地面Ground -16.17 29.49 39.75 0.98 2月9日 墻體Wall 24.23 54.09 65.06 0.95 地面Ground -63.46 63.48 79.18 0.98 3月6日 墻體Wall 35.94 39.94 50.19 0.97 模型的R 2 在0.950.99范圍內(nèi)，說明建立的溫室 太陽輻射模型計算結(jié)果與測試結(jié)果的吻合度較高。 綜上所述，本文認為用該模型來計算某地區(qū)某時 刻墻體與地面的太陽輻射照度較為準確，用于分析溫 室內(nèi)不同季節(jié)地面與墻體表面輻射規(guī)律以及透光率的 變化規(guī)律的準確性高。因此，本文將根據(jù)上述模型分 析溫室前屋面不同位置處的透光率變化，墻體與地面 的輻射變化規(guī)律。 2.2 不同時刻下溫室前屋面各點入射角與透光率變化 為進一步揭示溫室內(nèi)墻體與地面輻射變化規(guī)律， 作者以該文提到的2 段圓弧前屋面以正南方向為例， 分析前屋面各點處的屋面角變化與冬至日不同時刻溫 室屋面各處透光率變化，如圖6所示。 太陽距離地球遙遠，照射溫室前屋面太陽光線可 認為是一束平行光線。平行光線照射在屋面角度不同 的位置上，造成入射角與透光率也不相同。本文中所 使用的時間均為北京時間。新疆地域遼闊，測試區(qū)域 當?shù)貢r間與北京時間存在2 h 左右時差，即北京時間 14:00 即為當?shù)貢r間的12:00。由圖6 可知，對于溫室 前屋面同一位置而言，13:0016:00 范圍內(nèi)入射角與 透光率變化不明顯，10:0013:00 與16:0019:00 范 圍內(nèi)入射角與透光率隨時間變化較為明顯。對于同一 時間不同位置來說，13:0016:00在不同位置處的入射 角變化明顯，但透光率變化差異較??；10:0013:00與 16:0019:00范圍內(nèi)入射角隨時間變化不大，但是透光 率變化差異較大。相比受屋面角度的影響而言，透光率 受時間即太陽方位角與太陽高度角的影響更大。 圖6 不同時刻下溫室前屋面入射角與透光率變化 Fig.6 Incidence angle and transmittance variation of front roof in greenhouse at different time 2.3 不同位置溫室光照的變化規(guī)律 在冬至日，以該文提到的2 段圓弧前屋面以正南 方向為例，薄膜基礎(chǔ)透光率為65%條件下選擇跨度方 向前部x=7 m ，中部x=4 m ，后部x=1 m 處地面，墻體 表面高度為下部y=0.5 m ，中部y=1.5 m ，上部y=2.5 m 處不同位置，分析不同時刻地面與墻體表面太陽輻射 變化如圖7所示。 圖7 日光溫室不同位置處太陽輻射照度與對應(yīng)入射角、透光率變化 Fig.7 Variations of solar radiation, corresponding incidence angles and transmittance at different locations in solar greenhouse 第7 期 許紅軍等：日光溫室太陽輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用 165 由圖7 可知，冬至日墻體表面太陽輻射照度在各 時刻明顯高于地面。由圖7 a 可知，太陽光線在在不同 時刻，不同位置處太陽輻射照度變化不明顯，前部比 中部和后部全天平均高出5.75 W/m 2 與3.58 W/m 2 。對 應(yīng)的入射角變化明顯，前中后部正午時差異達到最大， 對應(yīng)的入射角分別為7.68°、30.88°、36.33°。但各位置 處透光率變化不明顯，前部處位置比中部與后部全天 平均高出2.85%與1.57%。 由圖7b可知，墻體表面不同位置處太陽輻射、對 應(yīng)的入射角與透光率變化均不明顯。下部太陽輻射照 度比中部與上部全天平均高出16.94與7.02 W/m 2 ，對 應(yīng)的入射角度正午時達最大差異，上中下對應(yīng)的入射 角度分別為50.83°、45.45°、40.55°。下部透光率比中 部與上部全天平均高出3.43%與1.47%。 由此可見溫室地面與墻體表面不同位置處的太陽 輻射照度受屋面各處屋面角差異帶來的影響很小。 2.4 一年中墻體表面與地面太陽輻射照度變化規(guī)律 測試期間發(fā)現(xiàn)，受外界太陽高度角、太陽方位角 與前屋面透光率的綜合影響，溫室墻體表面與地面太 陽輻射照度隨季節(jié)的變化而變化。本文以24節(jié)氣中的 冬至、立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分、立冬 節(jié)氣為例分析了一年中地面和墻體表面的輻射變化， 如圖8所示。由圖8c、圖8g可知，春分日與秋分日是 一年中墻體與地面接受太陽輻射時間最長的一天， 該日，墻體表面與地面太陽輻射照度大致相當。由 圖8c、圖8d、圖8e、圖8f、圖8g 可知，春分至秋 分期間，地面輻射高于墻體表面輻射，在夏至日差 異達到最大值。由圖8g、圖8h、圖8a、圖8b、圖 8c 可知，從秋分至春分期間，該階段為日光溫室的 主要生產(chǎn)階段，墻體表面太陽輻射大于地面太陽輻 射，因此，墻體在該階段的蓄熱保溫作用尤為重要。 從接受光照時間來講，墻體表面在春秋分時刻接受 太陽照射時間最長，為12 h 。夏至日與冬至日日溫 室內(nèi)接受太陽輻射時間最短，為8 h 。此處計算分析 為烏魯木齊數(shù)據(jù)，其他地區(qū)受經(jīng)緯度的影響會有差 異。造成春秋分光照時間長，而冬夏至光照時間短 現(xiàn)象的原因與太陽方位有關(guān)。春分日和秋分日，太 陽從正東方升起，然后從正西日落，從日出到日落 太陽光線都可以照射溫室內(nèi)。而夏至日，太陽從東 北方升起，繞過東向南，然后經(jīng)西南向到西北向日 落。早晚太陽光照射溫室北墻外表面，當太陽光繞 過正東方向后才會照射到溫室內(nèi)。冬至日，太陽從 東南方升起，然后在西南向日落，且在一年之中晝 間時段最短、夜間時段最長。 圖8 日光溫室內(nèi)太陽輻射周年變化 Fig.8 Variation of solar radiation in solar greenhouse all around year 2.5 不同地區(qū)墻體表面與地面太陽輻射變化 對于不同地區(qū)的日光溫室，溫室前屋面角與屋面 形狀也不盡相同。為了解一年中墻體表面與地面太陽 輻射照度在不同地區(qū)的變化規(guī)律， 該文以前屋面角30° 為例，以文中提到的2 段圓弧為屋面形狀，選擇北京 （N39.90°，E116.40°）、西安（N34.27°，E108.93°）、 沈陽 （N41.80°，E123.38°） 、 壽光 （N36.86°，E118.73°） 、 烏魯木齊（N43.92°，E87.35°）等地，若全年為晴天， 計算全年日輻射積累量進行了分析，如圖9所示。 由圖9 a 可知，北京、西安、沈陽、壽光以及烏魯 木齊5個地區(qū)的地面平均日輻射積累量分別為10.30、 11.05、10.02、10.74、9.69 MJ/m 2 。在冬至至立夏期間， 地面日輻射累積量不斷增加。在立夏到立秋期間達到 一年中日輻射累積量的最大值，這段時間內(nèi)日輻射累 積量變化不大，立秋至冬至階段，地面日輻射累積量 不斷下降，冬至日前后達到最低值。由圖9 b 可知，北 京、西安、沈陽、壽光以及烏魯木齊5 個地區(qū)的墻體 表面平均日輻射累積量為 8.12、7.49、8.31、7.31、 8.44 MJ/m 2 。 墻體日輻射積累量在立冬至立春期間變化 不大，在立春至夏至期間不斷降低，而在夏至至立冬 農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org） 2019 年 166 期間開始不斷增加。由圖9 c 可知，就地面和墻體日輻 射累積量總和來講，北京、西安、沈陽、壽光以及烏 魯木齊5 個地區(qū)的平均日輻射累積量分別為 18.43、 18.54、18.32、18.55、18.12 MJ/m 2 ，5個地區(qū)墻體與地 面全年輻射累積量大致相當。在春秋分前后達到最大 值，在冬至前后積累量為全年最小。受緯度的影響， 秋分至春分期間，隨緯度降低，冬季墻體和地面獲取 的太陽輻射積累量依次降低，呈現(xiàn)出西安壽光北 京沈陽烏魯木齊的趨勢。而夏季則剛好相反，春 分至秋分期間，西安壽光北京沈陽烏魯木齊。 圖9 日光溫室太陽輻射日積累量年變化 Fig.9 Variation of daily solar radiation accumulation in solar greenhouse all around year 3 討 論 1）本研究建立的溫室內(nèi)太陽輻射模型為晴天（無 云）的計算模型。該模型假設(shè)較少，溫室方程各參數(shù) 均由實際測試得出，測試區(qū)域冬季多為晴朗無云天氣， 周邊無遮擋，無污染。因此模型計算較為準確，模型 R 2 較高。但是受地理位置、海拔、污染物等影響，各 地區(qū)大氣透明度不盡相同，各地溫室類型與薄膜的基 本透光率也不同。因此，使用該模型在不同區(qū)域時應(yīng) 該以當?shù)販厥夜羌軐嶋H建立方程，根據(jù)實際對模型各 參數(shù)修正。 2）通過模型計算不同時刻下溫室前屋面各點入射 角與透光率變化發(fā)現(xiàn)，相比受不同位置處屋面角度的 影響而言，透光率受太陽高度角與太陽方位角的影響 更大。這與郜慶爐等 27-28 得出的各季節(jié)不同天氣條件 溫室內(nèi)的太陽總輻射量與室外的太陽總輻射量存在顯 著的相關(guān)關(guān)系的結(jié)論一致。圖7 中，計算墻體與地面 不同位置處太陽輻射變照度化時發(fā)現(xiàn)， 在透光屋面角度 差異較大的情況下， 地面以及墻體表面不同位置處的太 陽輻射相差不大。在生產(chǎn)實踐中，也并未顯著的體現(xiàn)出 屋面角度大小對溫室實際生產(chǎn)的影響。因此，作者認為 對于溫室設(shè)計而言，尤其是前屋面角的設(shè)計，應(yīng)進一步 探索， 明確屋面角與屋面形狀對溫室內(nèi)地面與墻體表面 的太陽輻射的影響。 3）溫室墻體與地面太陽輻射全年的變化規(guī)律主要 是受太陽高度角與太陽方位角的影響。在開展季節(jié)性 墻體蓄熱方面的研究時，可根據(jù)此規(guī)律合理設(shè)計墻體 蓄熱能力。另一方面，墻體表面太陽輻射照度與墻體 的傾斜角度有關(guān)。如圖10，以烏魯木齊該溫室為例， 冬至日，在墻體高度不變的情況下，墻體內(nèi)表面傾斜 第7 期 許紅軍等：日光溫室太陽輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用 167 10°，可增加墻體內(nèi)表面面積1.54%，墻體日累積蓄熱 量增加了0.40 MJ/m 2 ，墻體表面傾斜至20°時，可增加 墻體內(nèi)表面面積 6.62%，墻體日累積蓄熱量可增加 0.49 MJ/m 2 。 從另一個角度揭示了壽光厚土墻溫室蓄熱 能力較好不僅是與蓄熱體積大有關(guān)，還與其墻體特殊 結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，墻面由直面變成傾斜面，則占用了 地面的部分面積，比較“直面+地面”和“傾斜面+地 面”太陽輻射照度有待進一步研究。 圖10 墻體傾斜對太陽輻射日積累量的影響 Fig.10 Effect of wall inclined on daily solar radiation accumulation 本文只分析了晴朗無云條件下的溫室內(nèi)太陽輻射 變化。針對于植物冠層遮陰、不同天氣狀況、保溫被 卷放位置、不同后屋面傾角及長度、方位角、墻體傾 角等對溫室內(nèi)部太陽輻射的影響，可通過本文提出的 方法來進一步探索。 4 結(jié) 論 1）本研究通過氣象數(shù)據(jù)，地球、太陽的運動規(guī)律 建立了晴天（無云）的日光溫室太陽輻射模型。通過 對典型晴天實測值與計算值進行比較，計算值與真實 值平均偏差最大為63.46 W/m 2 ，平均絕對誤差最大為 63.48 W/m 2 ，均方根誤差最大為79.18 W/m 2 ，決定系 數(shù)在0.950.99 范圍內(nèi)。計算某地區(qū)某時刻墻體與地 面的太陽輻射照度較為準確，用于分析溫室內(nèi)不同季 節(jié)地面與墻體表面輻射規(guī)律以及透光率的變化規(guī)律的 準確性高。 2）冬至日正午前后2 h 范圍內(nèi)，溫室前屋面各位 置入射角與透光率隨時間變化不明顯；同一時刻前屋 面各位置處入射角變化明顯，但透光率變化不明顯。 而在當天其他時間段，溫室前屋面各點入射角與透光 率隨時間變化較為明顯；同一時刻前屋面各位置處入 射角變化不大，但透光率變化差異較為明顯。相比于 受屋面角度的影響而言，透光率受時間即太陽方位與 太陽高度角的影響更大。 3）溫室墻體表面與地面太陽輻射隨季節(jié)的變化而 變化。春秋分是一年中墻體與地面接受太陽輻射時間 最長的節(jié)氣，該日墻體表面與地面太陽輻射照度大致 相當。春分到秋分期間，地面輻射照度高于墻體表面 輻射照度。從秋分到春分期間，墻體表面太陽輻射照 度大于地面太陽輻射照度。不同區(qū)域溫室內(nèi)太陽輻射 狀況主要受緯度影響，低緯度地區(qū)較高緯度地區(qū)而言， 冬季太陽輻射量大，夏季輻射量小。 參 考 文 獻 1 鮑恩財，曹晏飛，鄒志榮，等. 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研 究進展J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(6)：114. Bao Encai, Cao Yanfei, Zou Zhirong, et al. Research progress of thermal storage technology in energy-saving solar greenhousesJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 1 14. (in Chinese with English abstract) 2 許紅軍，曹晏飛，李彥榮，等. 基于CFD 的日光溫室墻體 蓄熱層厚度的確定J. 農(nóng)業(yè)工程學