日光温室内太阳辐射照度分布的试验研究

杜震宇,谢秋红,贾 蕾

(1.太原理工大学环境科学与工程学院,太原 030024;2.太原市建筑设计研究院,太原 030001;3.中煤国际工程集团南京设计研究院,江苏南京 210000)

日光温室是我国具有自主知识产权,适合当前农村经济技术水平,简易、节能、高效的蔬菜生产设施。它的特点是投资低、高透光率、高保温性能、节约能源、运行成本低、经济效益高,在我国北方地区得到大面积的推广,成为北方农村脱贫致富最有效的农业设施之一。太阳辐射是日光温室内作物生长的基本能量来源。一方面,太阳辐射作为热源,通过“温室效应”直接决定日光温室的热环境;另一方面,太阳辐射作为光源,制约着温室作物的光合作用,对作物的产量和质量产生重大影响。因此,日光温室中光照度及其均匀性是影响日光温室生产力的重要因素。目前,国内已有一些学者对日光温室内外太阳光照度进行了测试研究。李小芳[1]对北京地区两栋构造不同的日光温室进行了室内外地面太阳辐射照度的连续观测,给出了不同天气条件下日光温室内地面太阳辐射照度的变化规律;王静[2]等人在甘肃省酒泉市对跨度为6.9 m的单斜面、抛物面和圆-抛物面3种结构类型的日光温室光环境进行了测试,分析比较了3种不同采光面日光温室的透光率和南北光照度;佟国红[3]等人对辽沈I型日光温室室内中部的光照度进行了测试,仅给出了不同日中午的光照度和透光率;郜庆炉[4]等人对河南新乡市日光温室光照特点及其变化规律进行了研究,给出了不同月份室内外光照度的关系和透射率。这些研究结果都与日光温室所处地区和其结构形式有关。笔者在不同天气条件下,对太原地区普遍建造的日光温室的光环境进行了测试,并对光照度的时空分布和PVC膜透光率随时间的变化进行了分析,旨在为本地区日光温室的立体栽培提供科学数据。

1 试验日光温室与测点布置

1.1 试验日光温室

试验用日光温室位于太原市小店区,坐北朝南,温室方位角为南偏西5°,脊高3.3 m,北墙高2.3 m;后墙和山墙均为石灰浆砌实心黏土红砖,厚度分别为0.80 m和0.37 m;后屋面厚度0.27 m(石棉瓦加红砖),水平投影长度1.38 m,仰角40°;前屋面塑料薄膜使用三层共挤聚乙烯流滴性的PVC膜(已使用18个月),厚度为2 mm,夜间使用保温棉被保温;温室跨度为8 m,长度为56 m。供试验日光温室围护结构材料的热物性参数见表1。

1.2 试验测点布置

为总体了解太阳辐射在日光温室内的照度及时空分布规律,在温室中部截面内不同位置上布置8个测点,温室外布置1个测点,共9个测点。各测点具体位置见图1。其中测点1位于温室PVC膜外表面,测点2是测点1对于温室PVC膜的镜像点,它的值代表透射进入室内的太阳辐射。

表1 围护结构材料的热物性参数

图1 试验日光温室测点布置断面图

2 试验条件与方法

2.1 试验条件

本次试验是在2009年3月10日—3月30日(春分前后)、太原地区、温室几何尺寸和围护结构热工参数如1.1所说的条件下,对不同大气的透明度和不同太阳高度进行温室内外的太阳辐射照度测试。测试时温室内种植有低矮的大叶类蔬菜。

2.2 试验方法

利用光照度仪对温室外太阳辐射照度、温室内各测点接受的太阳辐射照度进行测量。每隔 30 min各测点监测一次,记录不同空间位置和不同时间的测试值。同时利用温度巡检仪自动记录室内外空气温度。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果[5,6]

在为期三周的测试时间内,选取典型不同天气条件的连续3天进行室内外光环境分析。2009年3月19日全天晴,室内气温39.6～14.6℃,室外气温21.7～6.3℃;3月20日(春分)天气或晴或阴,室内气温35.4～16.2℃,室外气温 20.8～10.0℃;3月21日阴天,但中午有10 min左右的太阳,室内气温29.54～11.9℃,室外气温 18.6～3.2℃。图 2是不同天气条件下的室内外太阳辐射照度随时间的变化。图3是不同天气条件下PVC膜的透光率随时间的变化。表2是不同天气条件下日平均透射率、室内外最大太阳辐射照度和日总太阳辐射照度的比较。为更清楚地了解不同天气条件下温室内太阳辐射照度的分布情况,图4—图6分别给出了3月19日至3月21日不同天气条件下室内各点太阳辐射照度的测试结果。表3是不同天气条件下室内各点太阳辐射照度最大值、最小值和平均值的比较。

图2 不同天气条件下室内外太阳辐射照度

图3 不同天气条件下PVC膜的透射率

表2 不同天气条件下的太阳辐射照度比较

图4 3月19日室内不同点处太阳辐射照度

图5 3月20日室内不同点处太阳辐射照度

图6 3月21日不同点处太阳能辐射照度

表3 室内不同测点太阳辐射照度的比较

3.2 试验结果分析

3.2.1 不同天气条件下室内外太阳辐射照度比较

从图2看出,不同天气条件下的太阳辐射差异显著,且室内太阳辐射照度与室外太阳辐射照度的变化规律完全一致,其大小主要受室外太阳辐射照度和PVC膜透射率的影响。室内外太阳辐射照度在晴天最强,阴天则最弱,即云量的多少直接影响透过大气层的太阳辐射量,太阳辐射量随着云量的增加而急剧下降。晴天,室外太阳辐射随太阳高度角的变化呈较规则的正弦曲线变化,从早上日出开始不断增强,在北京时间13:05达到最高值668 W/m2。室外日平均 487 W/m2,室内日平均 351 W/m2。或晴或阴天,太阳辐射波动较大,辐射照度也有所降低,室外日平均285 W/m2,室内日平均185 W/m2,室内外太阳辐射随太阳高度角的变化不如晴天规则。阴天,室内外太阳辐射照度明显减少,且一天内变化幅度不大,室外日平均只有77 W/m2,室内日平均也只有50 W/m2左右,室内外太阳辐射随太阳高度角的变化更不规则。

室内太阳辐射由于受覆盖材料的透射率,骨架遮荫、膜上凝结水以及膜受污染程度等的影响,其与室外太阳辐射的比值随太阳高度角的变化也有所不同。从图3和表2看出,透射率与太阳高度角密切相关,PVC膜对太阳直射辐射的透过率随入射角的增大而减小,其透射率为0.42～0.83,其中晴天的平均透射率最大,阴天的最小。或晴或阴和阴天PVC膜的透射率整体比晴天时的透射率要低,尤其是中午太阳高度角较大、入射角较小时差别最大;而在太阳高度角较小、入射角较大的早上和下午,不同天气条件下的透射率相差不大。晴天,太阳辐射中直射辐射成分占主要部分,PVC膜对太阳辐射透射率随入射角的变化呈较规则的正弦曲线变化趋势,北京时间14:00—15:00时之间达到最大值0.83,与标准聚氯乙烯膜对太阳直射辐射的透射率变化规律基本相同,但由于受尘土和凝结水等污染的影响,供试温室膜的透射率比标准聚氯乙烯膜对太阳直射辐射的透过率略小[7]。阴天,由于云层的影响,到达地面的太阳辐射中散射成分占主要部分,而PVC膜对太阳散射辐射透射率比较稳定,受入射角变化的影响较小,此时室内太阳辐射照度的大小主要受室外太阳辐射照度的影响,而与太阳高度角的变化关系不大。或晴或阴天,由于天气变化不定,室内外太阳辐射照度和透射率都处于波动状态。

从表2可知,日平均透射率、最大太阳辐射、日总辐射均受天气条件的影响,其中日平均透射率受天气影响最小。晴天室内太阳辐射在午间最大可达到522 W/m2,阴天则仅为101 W/m2。晴天与阴天的室内最大太阳辐射比可达5倍左右。晴天的日总辐射是阴天的6倍以上。所以,日光温室生产要注意天气条件变化带来的影响,阴天适当补光以促进植物光合作用。特别是初春、秋末和冬季的阴天一定要做好保温措施,预防作物遭受冻害。晴天则要防止白天室温过高,且要考虑蓄积更多的太阳能转移到夜间使用。

3.2.2 不同天气条件下室内太阳辐射分布

由图4—图6和表3分析可知,不同天气条件下室内不同点处的太阳辐射差异显著。由于温室后坡和保温棉被卷起后遮阴的影响,在初春季节无论何种天气条件,北墙面的测点一天中基本均处于阴影区,7、8、9测点处的太阳辐射照度明显低于其余测点处的值。2、3点与4、5、6点处不同高度太阳辐射相差不大且变化规律相同,随着高度的增加太阳辐射照度增大;7、8、9处却随着高度的增加太阳辐射照度减小。晴天太阳辐射照度在高度方向差别不大,阴天几乎没差别。但太阳辐射照度从南向北依次减弱,越往里变化幅度越大。这是因为后屋面及保温棉被对太阳光线的遮挡作用所致,在测量过程中明显可以看出后墙处被遮荫出的阴影,使得到达此处辐射仅有散射辐射。温室竖向的辐射均匀性要好于横向,阴天的辐射均匀性要好于晴天。晴天,后墙处中高部位太阳辐射照度基本处于100 W/m2以下,且一天内变化幅度最小;随着太阳高度角的变化,7、8、9点中9点的太阳辐射明显要大,这是因为靠近后墙地面处只有在中午11:00—14:00太阳高度角较大时才能接受到太阳直射辐射,因此太阳辐射照度突然增大,这一点的辐射照度曲线在11:00左右出现了拐点。在或晴或阴和阴天,7、8、9点的太阳辐射照度差别变小。不同点处的最大、最小太阳辐射相差较大,但最大值或最小值出现时间相同;而日平均太阳辐射2、3点与 4、5、6点相差不大,只有7、8、9点日平均太阳辐射为 100 W/m2,不足其他地方的二分之一。故在初春和深秋,应注意后坡和保温棉被卷起后遮阴对温室后墙吸收热辐射的影响,尽量利用后墙吸热作用均衡室内全天气温。同时应对温室结构进行优化,将固定后坡改造为活动后坡,在满足温室使用要求的前提下,减少室内骨架和支撑柱。

4 试验结论与建议

4.1 试验结论

本文在春分前后,对不同天气条件,太原地区日光温室内太阳光照度分布的实测得到如下结论:

1)PVC膜对太阳辐射的透射率随太阳高度角的增大而增大,早晚最小,中午最大。晴天的透射率最大,阴天的最小。同时晴天室内太阳辐射在午间最大可达阴天的5倍左右。所以,日光温室在春秋生产也要注意晴天防止室温过高,阴天预防作物遭受冻害。

2)室内太阳辐射主要受室外太阳辐射和PVC膜对太阳辐射透射率的影响,温室竖向的辐射均匀性要好于横向,阴天的辐射均匀性要好于晴天。受后坡和保温棉被卷起后遮阴对温室后墙吸收热辐射的影响,目前这种温室结构不利于后墙白天吸热最大化,夜间放热最大化,从而充分转移和利用太阳能,全天候平衡室内气温。

4.2 建议

在地理因素、几何因素和物理因素一定的条件下,到达地球并最终进入日光温室内的太阳辐射能,主要取决于天文因素,即日地距离、太阳赤纬、时角等。本文只对太原地区春分前后日光温室太阳辐射分布进行了试验研究,对秋分前后也适用。所以,建议对本地区日光温室夏至和冬至前后太阳辐射分布进行试验研究,以便完善该地区基础数据,为日光温室数值模拟和结构优化提供原始资料。

[1]李小芳.日光温室的热环境数学模拟及其结构优化[D].北京:中国农业大学,2005.

[2]王静,崔庆法,林茂兹.不同结构日光温室光环境及补光研究[J].农业工程学报,2002,18(4):86-89.

[3]佟国红,王恩志,王铁良,等.辽沈Ⅰ型日光温室内环境测试分析[J].辽宁农业科学,2003(5):11-12.

[4]郜庆炉,梁云娟,段爱旺.日光温室内光照特点及其变化规律研究[J].农业工程学报,2003,19(3):200-203.

[5]谢秋红.全热回收型日光温室的试验研究与数值分析[D].太原:太原理工大学,2009.

[6]贾蕾.自然通风日光温室热环境的试验研究与数值分析[D].太原:太原理工大学,2009.

[7]李兆力.温室微气候数学建模与动态模拟[D].天津:天津大学,2004.