第35 卷 第7 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 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(yáng)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(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100 ； 2. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052 ） 摘 要：太陽(yáng)輻射是影響日光溫室光、熱環(huán)境的重要參數(shù)，準(zhǔn)確獲得溫室內(nèi)部墻體與地面的太陽(yáng)輻射照度變化規(guī)律可對(duì) 溫室設(shè)計(jì)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(dǎo)意義。該文在總結(jié)已有日光溫室太陽(yáng)輻射模型的基礎(chǔ)上，通 過(guò)氣象數(shù)據(jù)，地球、太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及太陽(yáng)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(yáng)輻 射模型，并利用該模型對(duì)溫室內(nèi)部輻射規(guī)律進(jìn)行分析。采用典型晴天數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平 均偏差最大為63.46 W/m 2 ，平均絕對(duì)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(shí)間即太陽(yáng)方位與太陽(yáng)高 度角的影響更大。溫室墻體表面與地面太陽(yáng)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(yáng)輻射時(shí)間最 長(zhǎng)的節(jié)氣，該日墻體表面與地面太陽(yáng)輻射照度大致相當(dāng)。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(yáng)輻射照度大于地面。不同區(qū)域溫室內(nèi)太陽(yáng)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(yáng)輻射日積累量大，夏季太陽(yáng)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(hù)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(yáng)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(hào)：S625.5 + 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 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(yáng)輻射模型構(gòu)建及應(yīng)用J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(yáng)輻射是影響日光溫室光、熱環(huán)境的重要參數(shù)。 近年來(lái)，合理利用進(jìn)入溫室內(nèi)的太陽(yáng)輻射進(jìn)行溫室蓄 熱成為溫室節(jié)能的研究熱點(diǎn) 1 。 在量化太陽(yáng)輻射對(duì)日光 溫室采光、墻體蓄熱、植物生產(chǎn)等方面的影響時(shí)，均 需要準(zhǔn)確可靠的輻射數(shù)據(jù)做支撐 2-3 。中國(guó)區(qū)域遼闊， 日光溫室建設(shè)從北緯3045之間，難以采用高精度 測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)收集的方法獲取數(shù)據(jù)溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射數(shù) 據(jù)。因此，有必要通過(guò)模型計(jì)算的方法，利用與太陽(yáng) 輻射相關(guān)的氣象參數(shù)獲取不同位置、季節(jié)下的太陽(yáng)輻 射數(shù)據(jù)，更好地指導(dǎo)溫室設(shè)計(jì)、建造及環(huán)境調(diào)控。 中國(guó)對(duì)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(jì)算機(jī)程序。 陳端生等 8-11 用建立的太陽(yáng)輻射模收稿日期：2019-01-22 修訂日期：2019-03-28 基金項(xiàng)目：寧夏自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目（2016BZ0901） ；新疆維吾爾 自治區(qū)園藝學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金(2016-10758-3) ；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基 金（2016D01B028） 作者簡(jiǎn)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(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的 研究。Email：zouzhirong2005163.com 型對(duì)溫室屋面形狀與透光的關(guān)系進(jìn)行了理論分析。杜 軍等 12 通過(guò)角系數(shù)方法計(jì)算溫室內(nèi)表面太陽(yáng)輻射凈值 量。不過(guò)上述研究多基于理論分析，在此基礎(chǔ)上，研 究學(xué)者對(duì)模型的準(zhǔn)確性、適用性進(jìn)行了進(jìn)一步地探討。 佟國(guó)紅等 13 通過(guò)建立的太陽(yáng)輻射模型計(jì)算了溫室各表 面的太陽(yáng)輻射狀況，冬季最冷月模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試 結(jié)果差值不超過(guò)5%， 但計(jì)算模型需已知溫室外水平面 太陽(yáng)輻射照度。陳青云等 14-16 探索了山墻對(duì)溫室太陽(yáng) 輻射的影響，建立了相關(guān)的輻射模型并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。 韓亞?wèn)|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(duì)透光率的影響。馬承偉 等 18-20 在總結(jié)前人太陽(yáng)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(jià)值的成果，但未從根本上說(shuō)明太陽(yáng)光與溫 室前屋面的入射關(guān)系。 綜上所述，近年來(lái)建立的溫室輻射模型中，一類 是分析太陽(yáng)光線與溫室結(jié)構(gòu)間關(guān)系的理論模型；一類 是通過(guò)溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，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(yáng)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(yáng)輻射模型，該類模型有較 強(qiáng)的實(shí)用性。但以往建立的日光溫室太陽(yáng)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(jì)算地面與墻體表面的太陽(yáng)輻射照度時(shí)，多未 考慮太陽(yáng)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(zhǔn)確的太陽(yáng)輻射照度，更無(wú)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(guò)氣象數(shù)據(jù)，地球、太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析 了太陽(yáng)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(yáng)輻射模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，同時(shí) 利用該模型分析溫室內(nèi)部地面與墻體表面太陽(yáng)輻射變 化，為不同區(qū)域優(yōu)化溫室設(shè)計(jì)、環(huán)境調(diào)控提供較為準(zhǔn) 確的太陽(yáng)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(guò)氣象數(shù)據(jù)獲取大氣層外部的太陽(yáng)輻射 照度，根據(jù)大氣透明度狀況得到溫室前屋面上太陽(yáng)輻 射照度。其次，通過(guò)建立太陽(yáng)光線與溫室前屋面間的 關(guān)系，求解屋面任意位置、任意時(shí)刻的入射角與透光 率。最后，計(jì)算地面與墻體表面不同位置的太陽(yáng)輻射 照度。 1.2 模型構(gòu)建 1.2.1 大氣層外表面太陽(yáng)輻射照度 21S 0 =S1+0.034cos(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(yáng)輻射照度，W/m 2 。 1.2.2 地表面任意位置處的太陽(yáng)輻射照度 計(jì)算地球表面某一位置的太陽(yáng)輻射照度，需要確 定包括太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角、時(shí)角、赤緯角、大 氣層上界面某一時(shí)刻的太陽(yáng)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(wú)云條件下 大氣透明度經(jīng)驗(yàn)方程，其擬合的大氣透明度系數(shù)的誤 差范圍在3%之內(nèi)。 = 23.45sin360(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+(614sin h) 2 1/2 -614sinh（h30）（6） T z =0.56(e -0.56M +e -0.096M )k （7） 式中 為太陽(yáng)赤緯角，()；為太陽(yáng)時(shí)角，()； 為當(dāng) 地經(jīng)度，()； 為當(dāng)?shù)鼐暥龋?)；h為太陽(yáng)高度角，()； t為北京時(shí)間，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1/6 h ，h；為太陽(yáng)方 位角，()；M 為大氣光學(xué)質(zhì)量；k 為大氣透過(guò)率計(jì)算 參數(shù)，取值0.80.9，本文取值0.8。 對(duì)于太陽(yáng)輻射模型中散射輻射的計(jì)算，國(guó)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(yàn)?zāi)Ｐ?，將晴朗無(wú)云天氣下，太 陽(yáng)散射輻射按太陽(yáng)直射輻射一定比例進(jìn)行計(jì)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(guò)率；S為 光線通過(guò)大氣層到溫室棚膜外表面的太陽(yáng)輻射照度， W/m 2 。 1.2.3 溫室內(nèi)部墻體、地面太陽(yáng)輻射照度計(jì)算 1）屋面控制方程 以溫室墻體與地面連接處為坐標(biāo)原點(diǎn)，跨度方向 為X 軸，高度方向?yàn)閅 軸建立坐標(biāo)系。建立屋面各點(diǎn) （x,y）控制方程，見式（10）。通過(guò)對(duì)屋面方程求導(dǎo)， 可得出屋面各點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)值，即該點(diǎn)屋面角的正切 值，見式（11）。通過(guò)三角函數(shù)求解屋面各點(diǎn)處屋 面角大小。 y =f(x) （10） = arctan(y) （11） 式中 為屋面各點(diǎn)處的屋面角度，()； y 為屋面方程 的一次導(dǎo)函數(shù)。 2）入射角與前屋面透光率的關(guān)系 本文采用文獻(xiàn)25提出的方法計(jì)算太陽(yáng)光線與溫 室屋面形成的入射角，見式（12）。依據(jù)文獻(xiàn)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(jì)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(yáng)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(shí)的薄膜的透光率，%。 3）溫室內(nèi)某點(diǎn)對(duì)應(yīng)前屋面某點(diǎn)的透光率 采用參考文獻(xiàn)18提出的室內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)逆向回溯的 方法，確定太陽(yáng)直射光線通過(guò)的屋面對(duì)應(yīng)的入射點(diǎn)E， 坐標(biāo)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(shí)刻，地面某點(diǎn)（x 0 ，0）、墻體表面某點(diǎn)（0，y 0 ） 處對(duì)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(yáng)輻射照度 不同時(shí)刻下太陽(yáng)照射溫室內(nèi)部，太陽(yáng)直射光線與 地面、墻體存在夾角。該夾角隨太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)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(yáng)輻射不同。如圖1 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org） 2019 年 162 所示，垂直于太陽(yáng)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(yáng)高度角正弦函數(shù)。垂直于太陽(yáng)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(yáng) 高度角的影響外還與太陽(yáng)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(yáng)輻射照度變化可以通過(guò)公 式 （16）（17）來(lái)表示。 S G =STsinh （16） S W =STcoshcos(-) （17） 式中S G 為地面接受到的太陽(yáng)輻射，W/m 2 ；S W 為溫室 墻體接受的太陽(yáng)輻射，W/m 2 。 注：h為太陽(yáng)高度角， （） 。 Note: h stands for solar elevation angle, (). 圖1 太陽(yáng)輻射照度與太陽(yáng)高度角關(guān)系 Fig.1 Relationship between solar radiation and solar elevation angle 通過(guò)公式（1）（17），可求得任意經(jīng)緯度處、 任意時(shí)刻溫室墻體與地面的太陽(yáng)輻射狀況。 1.3 數(shù)據(jù)處理 利用Matlab 2016b 編程計(jì)算， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用origin 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖表的制作。 2 模型驗(yàn)證與結(jié)果分析 2.1 日光溫室內(nèi)部墻體與地面太陽(yáng)輻射驗(yàn)證 本文以新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪教學(xué)實(shí)習(xí)基地（N43.92， E87.35）日光溫室為例，如圖2 所示，驗(yàn)證模型的準(zhǔn) 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(zhǎng)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(guò)測(cè)試，入射 角為0 時(shí)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(shí)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(zhǎng)度方向1/2處日光溫室剖面為 主要測(cè)量平面。 溫室內(nèi)部太陽(yáng)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(cè)量范 圍：02 000 W/m 2 ，準(zhǔn)確度3%，分辨率1 W/m 2 ）采 集， 分別監(jiān)測(cè)溫室長(zhǎng)度方向1/2剖面， 墻體內(nèi)表面1.5 m 高度處太陽(yáng)輻射照度與跨度1/2 處地面太陽(yáng)輻射照度。 監(jiān)測(cè)時(shí)間為2018 年1 月至2018 年4 月，測(cè)試間隔為 10 min 。為保證溫室墻體與地面及時(shí)接受太陽(yáng)輻射， 測(cè)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(duì)溫室后墻高度、脊高以及不同跨度處該點(diǎn)前屋 面高度的測(cè)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(diǎn)橫坐標(biāo)，m；y 為該 點(diǎn)縱坐標(biāo)，m。 由于溫室前屋面由2 段圓弧組成，故溫室前屋面 各點(diǎn)處的屋面角度 的正切值即圓弧的切線斜率，可 以通過(guò)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(shí)，溫室 前屋面角在11.520之間；x在(3.3, 5.6 時(shí)，屋面角 度在2030之間，x在(5.6, 7.2 時(shí)， 屋面角度在30 40之間，x在(7.2, 8.0 時(shí)，該部分為前部立窗，屋面角 度在4067.6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(jì)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 5180范圍內(nèi)透光率下降明顯，在 30.86% 58.05%之間；入射角在8190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(yáng)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(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 為充分驗(yàn)證太陽(yáng)輻射模型的準(zhǔn)確性，本文以測(cè)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(yàn)墻體、地面的太陽(yáng)輻射照度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值 差異，如圖5 所示。由圖5 可知，模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié) 果變化趨勢(shì)一致，但一天內(nèi)接受光照時(shí)間計(jì)算結(jié)果比 實(shí)測(cè)值長(zhǎng)3040 min 。受骨架等溫室遮光的影響，溫 室內(nèi)輻射測(cè)試值一天內(nèi)波動(dòng)較為明顯。除3 月6 日地 面計(jì)算值明顯小于測(cè)試值外，其他比較結(jié)果均呈現(xiàn)出 正午前后測(cè)試值大于計(jì)算值，而日出及日落前后，計(jì) 算值要大于實(shí)測(cè)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(shí)分溫室棚膜內(nèi)表面會(huì)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(shí)分會(huì)有一定差異。而模型按照平均透光率計(jì)算， 未考慮由此帶來(lái)的影響，因此早晚時(shí)分計(jì)算值要大于 實(shí)測(cè)值。該文將散射輻射按直射輻射透光規(guī)律進(jìn)行計(jì) 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(jì)算結(jié)果較測(cè)試值偏小。 根據(jù)公式（16）（17），冬季太陽(yáng)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(jì)算值與實(shí)測(cè)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(cè)試值較計(jì)算值高。由于墻體距離前屋面外界位置較 遠(yuǎn)，由此帶來(lái)的影響較小。 圖5 不同日期日光溫室太陽(yáng)輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比 Fig.5 Comparison between calculated and measured solar radiation values in greenhouse under different dates 為評(píng)價(jià)模型準(zhǔn)確程度，引入輻射模型常用的4 個(gè) 評(píng)價(jià)指標(biāo) 26 ， 分別為平均偏差 （mean bias error, MBE ） 、 平均絕對(duì)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(yàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè) 實(shí)的平均偏離值、平均絕對(duì)誤差、預(yù)測(cè)值在實(shí)測(cè)值周 圍的離散程度、模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合度。計(jì)算方法 如式（22）（25）所示。模型檢驗(yàn)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(yáng)輻射模型計(jì)算值， W/m 2 ； I m 為溫室地面或墻體太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值，W/m 2 ；I 為溫 室地面或墻體太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值的平均值，W/m 2 ；n 為 一天內(nèi)溫室地面或墻體太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)總數(shù)量。 由表1 可知，模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果間有一定 差異。通過(guò)典型晴天1月9日，2月9日，3月6日實(shí) 測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，得出計(jì)算值與測(cè)試值最大平 均 偏 差 為 63.46 W/m 2 ， 平 均 絕 對(duì) 誤 差 最 高 為 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（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(jì)算誤差主要是由太陽(yáng)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(zhǔn)確地計(jì)算每一天的大氣透明度。另一方面，模型 計(jì)算中未考慮散射輻射的透射規(guī)律，也會(huì)產(chǎn)生誤差。 此外，前屋面骨架遮擋以及外界直射光透過(guò)棚膜轉(zhuǎn)化 為部分散射輻射也會(huì)對(duì)模型計(jì)算造成一定誤差?；?上述原因溫室內(nèi)部太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)值波動(dòng)較大。 表1 溫室太陽(yáng)輻射模型檢驗(yàn)數(shù)據(jù) Table 1 Tested data based on greenhouse solar radiation model 日期Date 位置Position MBE/ (Wm -2 ) MAE/ (Wm -2 ) RMSE/ (Wm -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(shuō)明建立的溫室 太陽(yáng)輻射模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的吻合度較高。 綜上所述，本文認(rèn)為用該模型來(lái)計(jì)算某地區(qū)某時(shí) 刻墻體與地面的太陽(yáng)輻射照度較為準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)刻下溫室前屋面各點(diǎn)入射角與透光率變化 為進(jìn)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?yàn)槔?分析前屋面各點(diǎn)處的屋面角變化與冬至日不同時(shí)刻溫 室屋面各處透光率變化，如圖6所示。 太陽(yáng)距離地球遙遠(yuǎn)，照射溫室前屋面太陽(yáng)光線可 認(rèn)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(shí)間均為北京時(shí)間。新疆地域遼闊，測(cè)試區(qū)域 當(dāng)?shù)貢r(shí)間與北京時(shí)間存在2 h 左右時(shí)差，即北京時(shí)間 14:00 即為當(dāng)?shù)貢r(shí)間的12:00。由圖6 可知，對(duì)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(shí)間變化較為明顯。對(duì)于同一 時(shí)間不同位置來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)間即太陽(yáng)方位角與太陽(yáng)高度角的影響更大。 圖6 不同時(shí)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?yàn)槔?，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(shí)刻地面與墻體表面太陽(yáng)輻射 變化如圖7所示。 圖7 日光溫室不同位置處太陽(yáng)輻射照度與對(duì)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(yáng)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(yáng)輻射照度在各 時(shí)刻明顯高于地面。由圖7 a 可知，太陽(yáng)光線在在不同 時(shí)刻，不同位置處太陽(yáng)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(duì) 應(yīng)的入射角變化明顯，前中后部正午時(shí)差異達(dá)到最大， 對(duì)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(yáng)輻射、對(duì) 應(yīng)的入射角與透光率變化均不明顯。下部太陽(yáng)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(duì) 應(yīng)的入射角度正午時(shí)達(dá)最大差異，上中下對(duì)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(yáng) 輻射照度受屋面各處屋面角差異帶來(lái)的影響很小。 2.4 一年中墻體表面與地面太陽(yáng)輻射照度變化規(guī)律 測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)，受外界太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射時(shí)間最長(zhǎng)的一天， 該日，墻體表面與地面太陽(yáng)輻射照度大致相當(dāng)。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(dá)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(yáng)輻射大于地面太陽(yáng)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(shí)間來(lái)講，墻體表面在春秋分時(shí)刻接受 太陽(yáng)照射時(shí)間最長(zhǎng)，為12 h 。夏至日與冬至日日溫 室內(nèi)接受太陽(yáng)輻射時(shí)間最短，為8 h 。此處計(jì)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(huì)有差 異。造成春秋分光照時(shí)間長(zhǎng)，而冬夏至光照時(shí)間短 現(xiàn)象的原因與太陽(yáng)方位有關(guān)。春分日和秋分日，太 陽(yáng)從正東方升起，然后從正西日落，從日出到日落 太陽(yáng)光線都可以照射溫室內(nèi)。而夏至日，太陽(yáng)從東 北方升起，繞過(guò)東向南，然后經(jīng)西南向到西北向日 落。早晚太陽(yáng)光照射溫室北墻外表面，當(dāng)太陽(yáng)光繞 過(guò)正東方向后才會(huì)照射到溫室內(nèi)。冬至日，太陽(yáng)從 東南方升起，然后在西南向日落，且在一年之中晝 間時(shí)段最短、夜間時(shí)段最長(zhǎng)。 圖8 日光溫室內(nèi)太陽(yáng)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(yáng)輻射變化 對(duì)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(yáng) 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(yáng) （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(jì)算全年日輻射積累量進(jìn)行了分析，如圖9所示。 由圖9 a 可知，北京、西安、沈陽(yáng)、壽光以及烏魯 木齊5個(gè)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(dá)到 一年中日輻射累積量的最大值，這段時(shí)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(dá)到最低值。由圖9 b 可知，北 京、西安、沈陽(yáng)、壽光以及烏魯木齊5 個(gè)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(xué)報(bào)（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(lái)講，北京、西安、沈陽(yáng)、壽光以及烏 魯木齊5 個(gè)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(gè)地區(qū)墻體與地 面全年輻射累積量大致相當(dāng)。在春秋分前后達(dá)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(yáng)輻射積累量依次降低，呈現(xiàn)出西安壽光北 京沈陽(yáng)烏魯木齊的趨勢(shì)。而夏季則剛好相反，春 分至秋分期間，西安壽光北京沈陽(yáng)烏魯木齊。 圖9 日光溫室太陽(yáng)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(yáng)輻射模型為晴天（無(wú) 云）的計(jì)算模型。該模型假設(shè)較少，溫室方程各參數(shù) 均由實(shí)際測(cè)試得出，測(cè)試區(qū)域冬季多為晴朗無(wú)云天氣， 周邊無(wú)遮擋，無(wú)污染。因此模型計(jì)算較為準(zhǔn)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(shí)應(yīng) 該以當(dāng)?shù)販厥夜羌軐?shí)際建立方程，根據(jù)實(shí)際對(duì)模型各 參數(shù)修正。 2）通過(guò)模型計(jì)算不同時(shí)刻下溫室前屋面各點(diǎn)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(yáng)高度角與太陽(yáng)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(yáng)總輻射量與室外的太陽(yáng)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(jì)算墻體與地面 不同位置處太陽(yáng)輻射變照度化時(shí)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(yáng)輻射相差不大。在生產(chǎn)實(shí)踐中，也并未顯著的體現(xiàn)出 屋面角度大小對(duì)溫室實(shí)際生產(chǎn)的影響。因此，作者認(rèn)為 對(duì)于溫室設(shè)計(jì)而言，尤其是前屋面角的設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)一步 探索， 明確屋面角與屋面形狀對(duì)溫室內(nèi)地面與墻體表面 的太陽(yáng)輻射的影響。 3）溫室墻體與地面太陽(yáng)輻射全年的變化規(guī)律主要 是受太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角的影響。在開展季節(jié)性 墻體蓄熱方面的研究時(shí)，可根據(jù)此規(guī)律合理設(shè)計(jì)墻體 蓄熱能力。另一方面，墻體表面太陽(yáng)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(yáng)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(shí)，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(gè)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(yáng)輻射照度有待進(jìn)一步研究。 圖10 墻體傾斜對(duì)太陽(yáng)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(wú)云條件下的溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射 變化。針對(duì)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(zhǎng)度、方位角、墻體傾 角等對(duì)溫室內(nèi)部太陽(yáng)輻射的影響，可通過(guò)本文提出的 方法來(lái)進(jìn)一步探索。 4 結(jié) 論 1）本研究通過(guò)氣象數(shù)據(jù)，地球、太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 建立了晴天（無(wú)云）的日光溫室太陽(yáng)輻射模型。通過(guò) 對(duì)典型晴天實(shí)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行比較，計(jì)算值與真實(shí) 值平均偏差最大為63.46 W/m 2 ，平均絕對(duì)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(jì)算某地區(qū)某時(shí)刻墻體與地 面的太陽(yáng)輻射照度較為準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)間變化不明顯；同一時(shí)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(dāng)天其他時(shí)間段，溫室前屋面各點(diǎn)入射角與透光 率隨時(shí)間變化較為明顯；同一時(shí)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(shí)間即太陽(yáng)方位與 太陽(yáng)高度角的影響更大。 3）溫室墻體表面與地面太陽(yáng)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(yáng)輻射時(shí)間 最長(zhǎng)的節(jié)氣，該日墻體表面與地面太陽(yáng)輻射照度大致 相當(dāng)。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(yáng)輻射照 度大于地面太陽(yáng)輻射照度。不同區(qū)域溫室內(nèi)太陽(yáng)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(yáng)輻射量大，夏季輻射量小。 參 考 文 獻(xiàn) 1 鮑恩財(cái)，曹晏飛，鄒志榮，等. 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研 究進(jìn)展J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(xué)