连栋玻璃温室天沟结构对栽培区光环境的影响分析

周 波 孙维拓 郭文忠 周宝昌 石 磊 李光聚

(1.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2.中国农业大学园艺学院，北京 100083；3.寿光市农业农村局，寿光 262700)

0 引言

目前我国已建成的荷兰型玻璃温室达140 hm2，在建和计划建设的荷兰型温室近682 hm2[1]。在我国北方地区冬季，以晴朗干燥天气居多，白天光照充足，夜间温度较低，加热需求大，对加热系统和温室密闭性、保温性提出了更高要求[2]。因此，温室设计必须根据国内的实际情况，从加温、保温性能上进行“荷兰模式”中国本土化的优化创新。对于连栋温室，屋顶面积远远大于周围结构的面积，温室供热系统的能量主要消耗在围护结构传热耗热上，降低顶部传热量对温室节能至关重要，如连栋玻璃温室内的保温幕是重要的节能保温措施[3]。借鉴中国传统日光温室的保温特性，其前屋面外的保温被对温室节能起到重要作用[4]。连栋玻璃温室的外保温系统结构设计难度较大，为解决玻璃温室外保温问题，郭文忠等[5]设计了一种具有外保温性能的槽体连栋温室结构，即寿光型智能玻璃温室，并在山东省寿光地区成功推广，应用面积达88 500 m2。该外保温型温室将常规最大0.3 m宽的玻璃温室天沟[6]扩展到1.6 m，用于安装保温被及传动机构。

寿光型智能玻璃温室独特的大天沟结构设计，实现了连栋玻璃温室外保温系统的安装，增强了玻璃温室保温性。但是，温室天沟设计需考虑结构荷载[7]、排雨水和冷凝水、保温、遮阴等因素[8]，在保证排水量和荷载的基础上，温室1.6 m宽的天沟会产生较大的遮阴面积，降低了温室透光率。光是植物光合作用的动力源，遮阴影响光合特性[9]，同时也影响植物蒸腾[10-11]，弱光通常是影响温室蔬菜作物高产稳产的主要因素[12]。提高覆盖材料光学性能[13]、增加人工光源等可以改善温室内光环境。温室骨架尺寸及幕布系统等均会对温室内光环境产生不同程度的影响[14]，不同温室结构的温室内光环境也不同[15]。唐卫东等[16]构建了一种点光源在温室内辐射分布的可视化模型，该模型模拟了光源动态分布，但仍缺乏针对不同温室平行太阳光动态分布的研究。为降低天沟对温室透光率的影响，周莹[17]设计了一种可透光天沟，该透光天沟以环氧树脂为基料，并辅以助剂和透明纤维等材料，可以使由天沟形成的遮阳面积减少60%以上，透光率提高70%以上。但是该材料方法只能用于传统连栋温室天沟，不适用于安装保温被及传动机构的温室。欧洲对于光伏玻璃温室内透光率的研究表明，覆盖率每增加1%的光伏板，则温室内年累积辐射量平均降低0.8%，天沟高度每增加1 m，则光伏温室内辐射量相应增加3.8%[18-19]。这表明温室遮阴结构尺寸与温室设计尺寸之间关系可以进行优化。因太阳角度随时间变化，南北走向的天沟产生的阴影也会随时间改变，因此不同天沟宽度、垂直厚度、安装高度以及相邻两天沟间距等因素，对温室光环境的均匀性会产生不同的影响，而太阳辐射在温室内分布的均匀性是重要的温室采光性能评价指标[20]。

为分析连栋温室天沟对栽培区光环境的影响、优化设计天沟和温室，本文以辐射均匀性为主要评价指标，从理论上构建温室内太阳辐射分布动态模型，分析天沟阴影在温室内的分布规律，进而对寿光型智能玻璃温室进行天沟和温室结构优化设计。

1 材料与方法

1.1 假设

为构建天沟宽度、垂直厚度、安装高度和相邻两天沟间距与栽培区内光环境均匀性之间的数学模型，提出如下假设：①天沟只对直射光产生阻挡，散射光在空间内任何一个方向上具有相同的辐射强度。②两个天沟之间栽培区同一时间内只受一个天沟阴影的影响。③温室尺寸、天沟数量不受限制，天沟长度在南北方向上无限延伸。④屋面角度对温室透光率没有影响。⑤只考虑晴朗天气条件下室内辐射分布。

1.2 计算方法

寿光型智能玻璃温室装有外保温被，其外保温系统如图1a所示，温室保温被及传动装置安装于温室天沟中，可以实现玻璃温室外保温设计。其立面设计如图1b所示，温室初始设计跨度13.6 m(天沟之间间距12 m，天沟宽度1.6 m)，天沟下沿与地面净高度6.3 m，天沟及保温层整体厚度为0.86 m。相邻天沟之间为栽培区，天沟正下方为操作路面(非栽培区)。图1c为温室效果图。为构建数学模型，在平面坐标系XOY中建立平面坐标系简图(图1d)，其中温室一个天沟的水平投影面最东侧与地面交点为坐标原点，X轴为跨度方向，东侧为正，Y轴为高度方向，向上为正。天沟宽度为W、垂直厚度为D、安装高度为H、相邻两天沟间距为L，某时刻太阳光线在XOY坐标系投影与X轴正方向之间的夹角为α，天沟阴影两侧端点的X坐标分别为

(1)

(2)

为保证太阳高度角低时，能够计算出不同位置天沟在栽培区域的阴影位置(图1d)，Xa和Xb利用取余计算。

采取划分栽培区域内阴影及非阴影区域的方法，在栽培区内进行均匀取样，将L均匀分为n个线段，产生n+1个样本点。随着时间的变化，所有样本点的阴影状态可计为二维矩阵S，行方向代表取样点空间位置，列方向为时间序列，其列数为n+1，行数为时间向量t的长度。t(j)时刻S的计算式为：

当Xa(j)

(3)

当Xa(j)>Xb(j)时

(4)

其中

式中l——时间向量t的长度

S(j,i)——矩阵中第j行第i列的元素

tset——太阳落山时刻

trise——太阳升起时刻

Δt——取样时间间隔，s

S(j,i)为0时代表取样点在此时刻处于阴影区域，值为1时表示处于非阴影区域。

一年中，某一时刻的太阳位置及与地球一特定地点的入射光线角度可通过理论计算得出，而同样可以利用太阳常数，计算晴朗天气条件下固定时刻到达地面的太阳辐射强度。太阳高度角h(t)、方位角θ(t)以及太阳辐射强度R(t)的计算，参考《日光温室设计规范》(NY/T 3223—2018)及文献[21]。温室跨度太阳光线在XOY面投影与X轴正方向夹角α为

α=arctan(tanhsinθ)

(5)

在栽培区内时刻t(j)，第i个取样点处直射光辐射强度计算式为

q(t(j))=R(t(j))S(j,i)sinh(t(j))τ

(6)

式中τ——温室覆盖材料透光率

各个取样点处日累积辐射强度Q可利用矩阵进行列求和求出，即

Q=∑10-6q(t)Δt

(7)

Q为n+1个元素的行向量，表示栽培区内n+1个点上，每个点的日累积辐射强度。

1.3 均匀性与敏感性分析

为保证最佳的天沟尺寸及位置设计，保证阴影在东西方向移动过程中，需要最大化保证栽培区内一天累积光照的均匀性。采用上述数学模型，可以计算样本点辐射强度，引入变异系数作为光照均匀性的评价标准，变异系数越小，样本间离散程度越小[22]。

为比较各个因素对光环境的影响程度，可进行敏感性分析。敏感性分析是从定量分析的角度研究有关因素发生某种变化对某一个或一组关键指标影响程度的一种不确定分析方法[23]。本研究采用单因素敏感性方法分析不同天沟设计尺寸对室内光照强度和均匀性的影响。

2 结果与分析

2.1 天沟阴影对温室光环境的影响

为分析寿光型智能玻璃温室大天沟对温室内光环境的影响，选取正午太阳高度角最低，太阳辐射强度最小的冬至日(12月21日)进行分析。图2为冬至日温室内从日升到日落时间，通过模型计算得出的单跨栽培区域光照强度分布图。其中留白区域为天沟产生的阴影。可以看出，在日出后和日落前，整个栽培区域内均有频繁的阴影带扫过，这是因为太阳高度角低时，温室东西侧远处不同位置的天沟都会在不同时间对栽培区域产生阴影，而且同一条天沟在栽培区内产生的阴影时间很短。该时间段内太阳辐射强度相对较弱。12:00前后，有2条最宽的阴影带随时间变化，从西到东均匀扫过整个栽培区。该2条阴影带由紧临栽培区域两侧的天沟产生，同时也是在辐射强度最强时间，对栽培区域内光环境影响最大的阴影。图3为冬至日和秋分日栽培区内不同位置处光照日累积辐射。累积辐射曲线有3个峰值，分别位于天沟两侧区域和栽培区正中间。冬至日累积辐射最大值为4.535 MJ/m2，出现在紧临天沟两侧位置，而秋分日(9月22日)最大值10.821 MJ/m2则位于栽培区域正中间。最小值(冬至日4.475 MJ/m2，秋分日10.645 MJ/m2)都位于天沟与栽培区域中间位置之间。冬至日时，该温室栽培区内平均累积辐射强度为4.500 MJ/m2，标准差为0.009 MJ/m2，变异系数为0.002。

冬季温室阴影对温室光环境的影响较大[24]，本研究主要针对太阳辐射最弱的冬至日，优化分析温室栽培区域内光照环境，利用建立的阴影带数学模型进行不同情景模拟。n取1 000，Δt为0.01 h，温室透光率80%。初始温室天沟设计尺寸参考寿光实际温室尺寸，L为12.00 m，H为6.30 m，D为0.86 m，W为1.60 m。保持其他因素不变，改变其中单个因素进行敏感性和均匀性分析。

2.2 天沟结构对温室光环境的影响

表1～4分别为冬至日山东省寿光地区不同天沟高度、不同天沟垂直厚度、不同天沟宽度、不同天沟间距情景下温室单跨栽培区内从东到西各个样本点日累积辐射平均值、标准差、变异系数，及三者的相对敏感度。变异系数代表了光环境均匀性程度。其中变异系数最小值为0.002，表明在所有天沟设计数据组合中，此设计值对应栽培区域内光环境均匀性最好，其中初始天沟设计尺寸的变异系数也为0.002。

表1 不同天沟高度单跨栽培区内从东到西各样本点日累积辐射平均值、标准差、变异系数和相对敏感度

在初始值的基础上，改变天沟高度、垂直厚度和宽度，日累积辐射平均值的敏感度都小于等于零，表明这3个设计参数与栽培区域内日累积辐射平均值呈负相关，增加天沟高度、垂直厚度和宽度，都会降低光照强度。相反，天沟间距与日累积辐射平均值呈正相关，增加天沟间距，可以提高栽培区内光照强度。为增加栽培区域内光照强度，可以在满足温室功能设计的基础之上，提高天沟间距，降低天沟高度，减少天沟垂直厚度和宽度。而标准差和变异系数的相对敏感度，在单个变量从小到大的变化范围之内，都是从负值逐渐变成正值，表明天沟设计参数与光照均匀性之间由负相关性变成了正相关性，变异系数在范围内存在一个最小值，即光照均匀性的最佳设计值。

表2 不同天沟垂直厚度单跨栽培区内从东到西各样本点日累积辐射平均值、标准差、变异系数和相对敏感度

表3 不同天沟宽度单跨栽培区内从东到西各样本点日累积辐射平均值、标准差、变异系数和相对敏感度

表4 不同天沟间距单跨栽培区内从东到西各样本点日累积辐射平均值、标准差、变异系数和相对敏感度

由表1～4可以看出，对日累积辐射平均值影响程度从大到小依次为天沟间距、天沟宽度、天沟垂直厚度和天沟高度。随着天沟间距的增加，相应其栽培区域也会增加，天沟阴影对栽培区域的影响会降低，在这4个因素中，增加天沟间距是增加光照强度最有效的措施，该结论与文献[25]一致。而天沟高度几乎对光照强度没有影响。而标准差和变异系数的相对敏感度是动态的，其绝对值都是先减小后增加。表明在合适的设计范围之内，其影响程度逐渐减低，不同组合之间光照均匀性差异不大。而在不合理的设计参数情况下，改变其中任意一个值都会对光照均匀性产生很大的影响。

2.3 最小变异系数设计

为寻找天沟投影面积和高度之间规律，将所有情景设计参数中，变异系数最小的组合进行整理统计，并计算了天沟高度、垂直厚度之和与天沟间距、天沟宽度之和的比值，即(H+D)/(L+W)，结果见表5。由表5可知，最小变异系数的设计组合情况下，(H+D)/(L+W)的值均在0.49～0.54之间。该模拟计算结果的统计结论还不具备整体代表性，但具有一定的参考意义。

表5 最小变异系数设计参数

3 结束语

构建了连栋温室天沟对温室内太阳辐射强度影响的动态模型。结合寿光型智能玻璃温室大天沟设计，探讨了天沟对温室栽培区内光照强度及均匀性的影响。模型分析结果表明，天沟结构对栽培区内日累积辐射平均值的影响程度从大到小依次为天沟间距、天沟宽度、天沟垂直厚度和天沟高度。从当地冬至日室内太阳辐射分布均匀性角度分析，寿光型智能玻璃温室的天沟尺寸设计为相邻两天沟间距12.00 m、天沟水平宽度1.60 m、垂直厚度0.86 m、天沟下沿离地面高度6.30 m，属于合理设计范围之内，可保证栽培区内最佳的光照均匀性。不同情景下的模型模拟结果表明，为确保证栽培区内的光照均匀性，在栽培区内辐射强度变异系数最小的情况下，天沟高度、天沟垂直厚度之和与天沟间距、天沟宽度之和的比值在0.49～0.54之间。利用温室内辐射分布模型，通过改变地理纬度可以计算不同地区应用寿光型智能玻璃温室的室内光照分布情况，为寿光型智能玻璃温室在不同地区的设计应用提供了理论依据。