基于Ladybug Tools对日光温室的方位角与光照模拟

管振立，刘义飞，罗 畅，杨云清，海 龙，陶 帅，尹俊伟

（1.塔里木大学，新疆维吾尔自治区 阿拉尔 843300；2.中国农业科学院都市农业研究所，四川 成都 610213）

太阳辐射是温室内的主要能量来源。温室内的太阳辐射量不仅受直射光的影响，还受温室结构参数、覆盖物等影响[1-2]。通过数值模拟得出不同形状温室的采光性的各种参数，进而对温室采光性能进行分析，对合理地设计日光温室及正确地选择温室结构与参数具有重要意义[3]。

目前，学术界对温室采光结构、全年光照时数变化规律、作物群体内光照分布、光环境模拟[4-6]等的研究较深，而对温室方位角的采光分析等相关研究较少，温室模拟的可视化选择研究也较为欠缺[7-8]。Ladybug Tools（以下简称LBT）工具集包括Honeybee、Butterfly、Dragonfly 和Pollination 等，具有不同功能的模块，不仅可以计算能耗、太阳辐射、天然采光，还可以进行人工照明、自然通风、城市热岛效应等各类性能模拟与分析[9]。ladybug Tools 运用在农业工程中可以精准建立各类温室模型，根据实际经纬度、气象条件和建筑材料等相关参数进行太阳辐射变化规律分析，为温室太阳辐射提供理论依据和计算机辅助设计。本试验将对日光温室的方位角结合光照时数进行采光性能的两个方面模拟:一是测试Ladybug tools在测试温室光照分析的准确性；二是测试方位角变化对温室光照的影响。

1 试验地点与方法

1.1 试验地点

本研究以南疆和田县盛世华强公司日光温室为研究对象（79.93°E，37.12°N）。温室东西方向长160 m，跨度为14 m，脊高6.5 m，后墙高5.25 m，后屋面仰角40°，后屋面及东西山墙材质均由保温被构成。前后间距15 m，左右间距5 m，且现有温室前屋面的透光率为76%。本试验在14：00—17：00温室采用遮阳网进行降温，测试期间后屋面及东西山墙保温被已覆盖，如图1-图2所示。

图1 日光温室结构图Fig.1 Solar greenhouse structure diagram

图2 日光温室剖面图Fig.2 Section view of solar greenhouse

1.2 试验方法

模拟软件利用Rhino 对日光温室进行1∶1 建模。通过LBT 进行模拟，载入和田市EPW（CHN_Kinjiang.Uyhur.Hotan.518280_SWERA）气候数据。实测记录日光温室内光照环境的仪器，由徐州法拉电子科技有限责任公司生产的环境检测仪设备型号：S21A/S21D，该检测仪可记录24 h的环境监测，数据每5 min记录1次，光照强度测量范围：0～130 000 lx并采用无线传输方式。选定监测时间为2023年6月21日，分别为9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、19：00、20：00，共8 h。另设定日光温室方位角的5种变化情况，为East 12°（南偏东12°）、East 8°（南偏东8°）、0°（正南正北）、West 8°（南偏西8°）和West 12°（南偏西12°），温室记录仪位置如图3所示。

图3 温室记录仪位置Fig.3 Greenhouse recorder position

2 模拟过程与方位分析

2.1 温室光照分析LBT模拟与实测对比

试验模拟日期为2023年6月21日夏至，天气状况：25～35 ℃，多云转晴，东风1 级。温室光照分析变化情况，温室总采光量整体趋势是自南向北递减，后墙东西墙角处采光量最小。当天温室9：00模拟平均光照度为3 613.35 lx，8 h 中均值最高是14：00，为11 312.75 lx。实测数据9：00平均光照度为3 670.08 lx，由于南疆地区最高温时间为14：00左右，故全天最高光照数中均值最高为14：00的10 694.17 lx。具体模拟过程如图4所示。

图4 Ladybug tools模拟过程Fig.4 Ladybug tools simulation process

实测数据和模拟数据按设定的8 h。通过以上两组数据的对比，得出两组RSD 分别：1.10%、3.49%、3.56%、4.34%、4.36%、3.98%、3.23%、1.04%，可见LBT对于处理的光照分析模拟数据和实测值相差不超5%，说明使用LBT 软件分析该地区日平均光照度具较准的参考价值。具体数据如表1所示。

表1 日光温室模拟与实测数据对比Tab.1 Comparison between simulation and measured data of solar greenhouse

表2 不同方位角模拟对比Tab.2 Simulation and comparison of different azimuths

2.2 不同方位角变化对温室的光照分析

模拟2023年6月21日夏至温室不同方位角的光照分析变化情况，时间为9：00、12：00、14：00、18：00、19：00、20：00。角度为East 12°、East 8°、0°、West 8°、West 12°。通过模拟可以看出，在9：00—14：00，West 8°、East 8°、0°等3 种方位角光照模拟的数据误差均值在0.14%，在18：00—20：00 时3 种模拟的数据误差均值在2.2%。West 12°、East 12°、0°等9：00—14：00 时3 种模拟的数据误差均值在0.04%，18：00—20：00 时3 种模拟的数据误差均值在3.15%。因此，从本文模拟数据可知18：00以后由于南疆的日照时长和不同的方位角继而得知：West 12°＞0°＞East 12°、West 8°＞0°＞East 8°，所以偏西南的方位角比正南正北的方位角更优，因此，随着日落的开始偏西南比正南和偏东南的更优。具体模拟过程如图5所示。

图5 方位角模拟Fig.5 Azimuth simulation

3 结论

本文借助LBT 模拟分析软件，从温室光照性能，到软件验证，再到不同方位角模拟，对盛世华强日光温室进行光环境模拟与分析的测试，得出以下结论：

本试验所建立了和田当地日光温室模型，软件所提供的透光率是固定值，而现实中受南疆地理位置、大气透明度、风沙等影响，各温室薄膜的透光率存在一定误差。因此，LBT模拟在不同地区使用时需考虑温室骨架曲线和透光率等问题，根据不同的差异修改模型模拟各方面参数。根据本次试验已知实测值与模拟值相对误差范围在1.04%～4.46%，相较于其他软件，LBT 在不断更新和完善，所以模拟分析的结果较为准确，为温室模拟的可视化选择上提供一种方法。由于仅采用1 d 的数据对日光温室光照性能进行了模拟和比较，若实际应用，需结合1 周及以上的周期开展进一步的研究，总结适合南疆地区生产的温室采光性能和光照分析，设计出优化的温室采光类型，本次试验模拟的方式是可取的，实验数据较为准确，因此，试验结果可信。

和田具有较好的光照条件，不同方位角模拟对温室光照有不同的影响，以2023 年6 月21 日夏至为例，5种不同的方位角在18：00以后出现较大的浮动，光照度偏West 8°为例光照值为4 514.26 lx对比0°的3 339.52 lx标准误差为14.9%，说明光照值从优到差的角度顺序是West 12°＞0°＞East 12°、West 8°＞0°＞East 8°，所以偏西南的方位角更优。因此在适宜的条件下可以考虑在南疆地区建立偏西12°的温室。