不同覆盖材料对日光温室室内光环境的影响

杨文雄，马承伟

( 1.中国农业大学， 北京　100083； 2.农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室，北京　100083；3.北京农业职业学院，北京　102206)



不同覆盖材料对日光温室室内光环境的影响

杨文雄1,2,3，马承伟1,2

( 1.中国农业大学， 北京100083； 2.农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室，北京100083；3.北京农业职业学院，北京102206)

摘要：系统研究了6种不同的覆盖材料聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯复合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)及聚碳酸酯板(PC)对日光温室室内光环境的影响，包括平均透光率、直射光与散射光的比例、温室室内各表面的光辐射照度分布和光辐射日变化情况，目的是全面了解覆盖材料对日光温室光分布的影响，旨在从光辐射角度，为日光温室建造和室内作物种植提供科学依据。研究结果表明：最好的覆盖材料为氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)，最差的为聚乙烯膜(PE)。不同覆盖材料的平均透光率以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最好，均达到67.5%；太阳光经过不同覆盖材料后，照射到温室地面的光辐射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大，均为131.8W/m2,以聚乙烯膜(PE)为最小，为114.2W/m2，两者相差15.4%；11月22-24日，温室地面的光辐射照度呈逐渐上升的趋势。对于不同的覆盖材料，温室地面的光辐射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大，聚乙烯膜(PE)为最小。

关键词：日光温室；覆盖材料；光辐射照度

0引言

透光性能是评价覆盖材料的重要指标，目前用作日光温室覆盖材料主要有聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯复合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)及聚碳酸酯板(PC)等，它们各有其优缺点。王楠[1]对24种典型日光温室透光覆盖材料的分光透过率进行了测试，结果表明：在400～2 300nm波长范围内，所有材料的辐射透过率均在80%以上，EVA膜的透过率优于PE膜。丁小明[2]选用PE膜、浮法玻璃和PC板，测试比较这3种典型的覆盖材料透过率和光合有效辐射(PAR)透过率，结果表明：PE膜几乎不受影响，浮法玻璃相差2%，PC板差异达2%～3.7%。陈强[3]通过对相同结构日光温室覆盖PO膜与PE膜后冬季室内温光环境的监测，结果表明：PO膜覆盖的温室透光率较PE膜高4.5%～4.7%。所有这些研究全部集中在对覆盖材料本身特性上，而没有研究太阳光透过不同的覆盖材料后，日光温室内部的光照环境发生了怎样的变化和分布规律。而事实上，日光温室内的光照环境受到建筑方位、屋面形状和覆盖材料等多种因素的影响。轩维艳[4]、李晓豁[5]、佟国红[6]、孙忠富等[7]提出了日光温室光照度计算模型或模拟方法；但由于光照在温室内传播规律的复杂性及影响因素众多，研究者提出的模型很难动态反映出温室内各表面的光照分布变化。为此，中国农大农业部重点实验室将各种模型和模拟方法综合集成，首次创造性地提出采用光线逆向回溯的方法和天空等辉度假设，构建日光温室光辐射环境模型，使模型更加系统、完整、准确和接近实际。本文以该模型为基础，编制模拟软件，重点展开不同覆盖材料对日光温室室内光照环境的影响研究。

本文与以往相关研究的不同之处在于：以往的相关研究大多集中在对覆盖材料本身特性的研究，如覆盖材料的透光率及红蓝光透过比等。虽然覆盖材料自身特性对太阳光透过后的变化情况起到决定作用，但弄清太阳光透过覆盖材料之后如何对日光温室的墙面、地面、后屋面，以及内部各面、各点产生影响也同样重要，因为这关系到处在温室室内各面、各点的种植作物对光的吸收，从而影响到作物的生长收成和温室的经济效益。因此，研究不同覆盖材料对日光温室室内光分布的影响十分重要且具有实际意义。

1理论依据与条件设定

1.1理论依据

日光温室内的直射光辐射采用光线逆向回溯的方法确定，散射光辐射采用天空等辉度假设确定[8]。

室内任意一点P的直接辐射照度为

(1)

式中I0—大气层外边界处法向太阳辐射照度；

p—大气透明度，与地理位置和天气情况有关；

m—大气质量；

h—太阳高度角；

ω—计算平面与水平面间的夹角；

CC—云量；

Haze— 雾度；

τzT—覆盖材料对直接辐射的透光率。

室内任意一点P的散射辐射照度为

(2)

式中λp—可见视角；

τs—干洁新覆盖材料对散射辐射透过率；

φ—太阳光线与计算平面的法线间的夹角；

CCF—云遮系数。

室内任意一点P的总辐射照度为

IP=IzP+IsP

(3)

1.2条件设定

为了研究不同覆盖材料对日光温室室内光照环境的影响，将与温室相关的其他一些条件固定下来。

设定：温室方位北纬纬度40°、经度120°，温室跨度8m、屋脊高度3.94m，屋面类型为双圆曲线。太阳光辐射的指定时刻为：11月22日中午12:00，当日云量为6，日变化为11月22日、23日、24日3天。

2覆盖材料对温室内光环境的影响

借助中国农大农业部重点实验室的光辐射模型，并编制软件，系统研究聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯复合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)及聚碳酸酯板(PC)这6种不同的覆盖材料对日光温室室内光环境的影响，包括平均透光率、直射光与散射光的比例、温室室内各表面的光辐射照度分布和光辐射日变化情况。

2.1平均透光率

根据光辐射模型编制的软件，得到不同覆盖材料温室的透光率，如图1所示。

图1　不同覆盖材料温室的透光率

由图1可以看出：不同覆盖材料的平均透光率，氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最好，均达到67.5%；其次是聚碳酸酯板(PC)、聚氯乙烯膜(PVC)和乙烯醋酸乙烯复合膜(EVA)；聚乙烯膜(PE)为最差。这是由覆盖材料本身的性能决定的。

2.2直射光与散射光的比例

太阳光分为直射光和散射光，其透过温室覆盖材料后会投射到温室的各个空间表面，包括地面、墙面和后屋面；但由于温室作物主要种植在温室地表，所以地面的直射光和散射光的比例对温室作物的生长影响最大。因此，本研究只考虑太阳光经过不同覆盖材料后投射到地面的直射光与散射光的比例情况。

从表1可以看出：太阳光经过不同覆盖材料到达地面后，直射光和散射光几乎各占1/2；透过聚碳酸酯板(PC)、氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)到达地面的直射光比例较高，达55.3%；透过聚乙烯膜(PE)到达地面的直射光比例最小，为48.1%。这说明，不同覆盖材料对日光温室室内地面的直射光和散射光比例影响不大。

表1　地面直射光与散射光的比例

2.3温室内各表面的光辐射照度分布

太阳光透过覆盖材料照射到温室的地面、墙面和后屋面，在冬季，希望温室各表面的光辐射照度相对越大越好，墙面和后屋面的光辐射照度大，则转化为热辐射的效率大，可以提高温室内部的温度，为温室作物的生长提供温室支持。温室地面的光辐射照度大，则温室作物在单位时间单位面积可用来光合作用的能量就大，可提高生长效率。

从图2可以看出：太阳光经过不同覆盖材料后，照射到温室地面的光辐射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大，均为131.8W/m2；以聚乙烯膜(PE)为最小，为114.2W/m2；两者相差15.4%。太阳光经过不同覆盖材料后，到达墙面和后屋面的光辐射照度变化相对较小，但也以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大。从光辐射照度分布角度看，最好的覆盖材料是氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)。

图2　不同覆盖材料温室内各表面的光辐射照度分布

2.4光辐射日变化情况

利用光辐射模型和软件，计算每日太阳光经过不同覆盖材料后到达地面的光辐射照度情况，日变化是指11月22日、11月23日和11月24日，当日云量分别为6、4、2。每日计算太阳光辐射的有效时间，即从8:00-16：00每1h记录1次数据，最后绘制光辐射日变化情况图，如图3所示。

图3　不同覆盖材料的光辐射日变化情况

从图3可以看出：每种覆盖材料的光辐射日变化情况都呈开口向下的抛物线形状，每日的最大光辐射照度在中午12:00时。11月22日-24日，光辐射照度呈逐渐上升的趋势。对于不同的覆盖材料，温室地面的光辐射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大，聚乙烯膜(PE)为最小；11月24日12:00时，氟素膜(ETFE)的光辐射照度比聚乙烯膜(PE)高出了9.7%。

3结论

通过光辐射模型和软件，系统研究聚乙烯膜(PE)、乙烯醋酸乙烯复合膜(EVA)、聚氯乙烯膜(PVC)、聚酯膜(PET)、氟素膜(ETFE)和聚碳酸酯板(PC)这6种不同的覆盖材料对日光温室室内光环境的影响。其结果是：不同覆盖材料的平均透光率，氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最好，均达到67.5%，聚乙烯膜(PE)为最差；不同覆盖材料对日光温室室内地面的直射光和散射光比例影响较小。太阳光经过不同覆盖材料后，照射到温室地面的光辐射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大，均为131.8W/m2；以聚乙烯膜(PE)为最小，为114.2W/m2；两者相差15.4%。11月22日-24日，温室地面的光辐射照度呈逐渐上升的趋势。对于不同的覆盖材料，温室地面的光辐射照度以氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)为最大，聚乙烯膜(PE)为最小。综合来看，最好的覆盖材料为氟素膜(ETFE)和聚酯膜(PET)，最差的为聚乙烯膜(PE)。出现这种结果最主要的原因是由覆盖材料本身的特性决定的，温室结构和不同的空间表面也是影响结果的因素之一。

参考文献：

[1]王楠，马承伟，赵淑梅，等.日光温室常用透光覆盖材料辐射透过性能测试研究[J]．沈阳农业大学学报，2013(5)：531-535.

[2]丁小明，周长吉.温室透光覆盖材料透光特性的测试[J]．农业工程学报，2008(8)： 210-213.

[3]程强,刘思莹,曲梅,等.PO膜和PE膜日光温室温光环境比较分析[J]．中国蔬菜，2011，22(24)：72-77.

[4]轩维艳.日光温室采光屋面曲线数学模型的建立与分析[J]．天津农业科学，2006，12(4)：44-46.

[5]佟国红,李保明.日光温室内各表面太阳辐射照度的模拟计算[J].中国农业大学学报，2006，11(1):61-65.

[6]孙忠富,李佑祥,吴毅明.北京地区典型日光温室直射光环境的模拟和分析-设施农业光环境模拟分析研究之四[J]．农业工程学报，1993，9(2)：45-52.

[7]李晓豁.日光温室采光性能的模拟分析[J].黑龙江科技学院学报，2005，15(2)：27-29.

[8]马承伟,赵淑梅,程杰宇,等.日光温室光辐射环境模型构建[J].沈阳农业大学学报,2013，44(5)：513-517.

The Effect of Different Covering Materials on the Indoor Light Environment in Greenhouse

Yang Wenxiong1,2,3， Ma Chengwei1,2

(1.China Agricultural University, Beijing 100083, China;2. Key Lab of Bioenvironmental Engineering, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China; 3. Beijing Vocational College of Agriculture , Beijing 102206, China)

Abstract：This paper systematically studies the effect of 6 kinds of different cover materials: the polyethylene film (PE), ethylene vinyl acetate composite membrane (EVA), polyvinyl chloride (PVC) film, polyester film (PET), Fu Sumo (ETFE), polycarbonate (PC) on the indoor light environment in greenhouse included in a light irradiance distribution of the surface the average transmittance, direct light and scattered light proportion, greenhouse and light radiation, diurnal variation.The purpose is to fully understand the impact of light distribution cover material on the greenhouse, to from the light radiation angle, and provide scientific basis for construction and indoor greenhouse planting crops. The research results show that: the best cover material for fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET), the worst for polyethylene film (PE). The average transmission rate of different covering materials, fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET) was the best, reached 67.5%.The sun after different covering materials, exposure to light irradiance greenhouse ground to fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET) is the largest, are 131.8W/m2, with polyethylene film (PE) is the smallest, is 114.2W/m2,The difference is 15.4%.From November 22nd to November 24th, light irradiance greenhouse ground showed a rising trend. For different cover materials, light irradiance greenhouse ground to fluorine membrane (ETFE) and polyester film (PET) is the largest, polyethylene film (PE) as a minimum.

Key words：greenhouse; cover material; light radiation intensity

文章编号：1003-188X(2016)02-0145-04

中图分类号：S625.1

文献标识码：A

作者简介：杨文雄(1978-)，男，湖北天门人，讲师，博士研究生,(E-mail)24518518@qq.com。

基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划项目(2013AA102407)；北京农业职业学院院级科研项目(XY-YF-14-43)

收稿日期：2015-04-09