日光溫室內太陽輻射照度分布的試驗研究

杜震宇,謝秋紅,賈 蕾

(1.太原理工大學環境科學與工程學院,太原 030024;2.太原市建筑設計研究院,太原 030001;3.中煤國際工程集團南京設計研究院,江蘇南京 210000)

日光溫室是我國具有自主知識產權,適合當前農村經濟技術水平,簡易、節能、高效的蔬菜生產設施。它的特點是投資低、高透光率、高保溫性能、節約能源、運行成本低、經濟效益高,在我國北方地區得到大面積的推廣,成為北方農村脫貧致富最有效的農業設施之一。太陽輻射是日光溫室內作物生長的基本能量來源。一方面,太陽輻射作為熱源,通過“溫室效應”直接決定日光溫室的熱環境;另一方面,太陽輻射作為光源,制約著溫室作物的光合作用,對作物的產量和質量產生重大影響。因此,日光溫室中光照度及其均勻性是影響日光溫室生產力的重要因素。目前,國內已有一些學者對日光溫室內外太陽光照度進行了測試研究。李小芳[1]對北京地區兩棟構造不同的日光溫室進行了室內外地面太陽輻射照度的連續觀測,給出了不同天氣條件下日光溫室內地面太陽輻射照度的變化規律;王靜[2]等人在甘肅省酒泉市對跨度為6.9 m的單斜面、拋物面和圓-拋物面3種結構類型的日光溫室光環境進行了測試,分析比較了3種不同采光面日光溫室的透光率和南北光照度;佟國紅[3]等人對遼沈I型日光溫室室內中部的光照度進行了測試,僅給出了不同日中午的光照度和透光率;郜慶爐[4]等人對河南新鄉市日光溫室光照特點及其變化規律進行了研究,給出了不同月份室內外光照度的關系和透射率。這些研究結果都與日光溫室所處地區和其結構形式有關。筆者在不同天氣條件下,對太原地區普遍建造的日光溫室的光環境進行了測試,并對光照度的時空分布和PVC膜透光率隨時間的變化進行了分析,旨在為本地區日光溫室的立體栽培提供科學數據。

1 試驗日光溫室與測點布置

1.1 試驗日光溫室

試驗用日光溫室位于太原市小店區,坐北朝南,溫室方位角為南偏西5°,脊高3.3 m,北墻高2.3 m;后墻和山墻均為石灰漿砌實心黏土紅磚,厚度分別為0.80 m和0.37 m;后屋面厚度0.27 m(石棉瓦加紅磚),水平投影長度1.38 m,仰角40°;前屋面塑料薄膜使用三層共擠聚乙烯流滴性的PVC膜(已使用18個月),厚度為2 mm,夜間使用保溫棉被保溫;溫室跨度為8 m,長度為56 m。供試驗日光溫室圍護結構材料的熱物性參數見表1。

1.2 試驗測點布置

為總體了解太陽輻射在日光溫室內的照度及時空分布規律,在溫室中部截面內不同位置上布置8個測點,溫室外布置1個測點,共9個測點。各測點具體位置見圖1。其中測點1位于溫室PVC膜外表面,測點2是測點1對于溫室PVC膜的鏡像點,它的值代表透射進入室內的太陽輻射。

表1 圍護結構材料的熱物性參數

圖1 試驗日光溫室測點布置斷面圖

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

本次試驗是在2009年3月10日—3月30日(春分前后)、太原地區、溫室幾何尺寸和圍護結構熱工參數如1.1所說的條件下,對不同大氣的透明度和不同太陽高度進行溫室內外的太陽輻射照度測試。測試時溫室內種植有低矮的大葉類蔬菜。

2.2 試驗方法

利用光照度儀對溫室外太陽輻射照度、溫室內各測點接受的太陽輻射照度進行測量。每隔 30 min各測點監測一次,記錄不同空間位置和不同時間的測試值。同時利用溫度巡檢儀自動記錄室內外空氣溫度。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果[5,6]

在為期三周的測試時間內,選取典型不同天氣條件的連續3天進行室內外光環境分析。2009年3月19日全天晴,室內氣溫39.6～14.6℃,室外氣溫21.7～6.3℃;3月20日(春分)天氣或晴或陰,室內氣溫35.4～16.2℃,室外氣溫 20.8～10.0℃;3月21日陰天,但中午有10 min左右的太陽,室內氣溫29.54～11.9℃,室外氣溫 18.6～3.2℃。圖 2是不同天氣條件下的室內外太陽輻射照度隨時間的變化。圖3是不同天氣條件下PVC膜的透光率隨時間的變化。表2是不同天氣條件下日平均透射率、室內外最大太陽輻射照度和日總太陽輻射照度的比較。為更清楚地了解不同天氣條件下溫室內太陽輻射照度的分布情況,圖4—圖6分別給出了3月19日至3月21日不同天氣條件下室內各點太陽輻射照度的測試結果。表3是不同天氣條件下室內各點太陽輻射照度最大值、最小值和平均值的比較。

圖2 不同天氣條件下室內外太陽輻射照度

圖3 不同天氣條件下PVC膜的透射率

表2 不同天氣條件下的太陽輻射照度比較

圖4 3月19日室內不同點處太陽輻射照度

圖5 3月20日室內不同點處太陽輻射照度

圖6 3月21日不同點處太陽能輻射照度

表3 室內不同測點太陽輻射照度的比較

3.2 試驗結果分析

3.2.1 不同天氣條件下室內外太陽輻射照度比較

從圖2看出,不同天氣條件下的太陽輻射差異顯著,且室內太陽輻射照度與室外太陽輻射照度的變化規律完全一致,其大小主要受室外太陽輻射照度和PVC膜透射率的影響。室內外太陽輻射照度在晴天最強,陰天則最弱,即云量的多少直接影響透過大氣層的太陽輻射量,太陽輻射量隨著云量的增加而急劇下降。晴天,室外太陽輻射隨太陽高度角的變化呈較規則的正弦曲線變化,從早上日出開始不斷增強,在北京時間13:05達到最高值668 W/m2。室外日平均 487 W/m2,室內日平均 351 W/m2。或晴或陰天,太陽輻射波動較大,輻射照度也有所降低,室外日平均285 W/m2,室內日平均185 W/m2,室內外太陽輻射隨太陽高度角的變化不如晴天規則。陰天,室內外太陽輻射照度明顯減少,且一天內變化幅度不大,室外日平均只有77 W/m2,室內日平均也只有50 W/m2左右,室內外太陽輻射隨太陽高度角的變化更不規則。

室內太陽輻射由于受覆蓋材料的透射率,骨架遮蔭、膜上凝結水以及膜受污染程度等的影響,其與室外太陽輻射的比值隨太陽高度角的變化也有所不同。從圖3和表2看出,透射率與太陽高度角密切相關,PVC膜對太陽直射輻射的透過率隨入射角的增大而減小,其透射率為0.42～0.83,其中晴天的平均透射率最大,陰天的最小。或晴或陰和陰天PVC膜的透射率整體比晴天時的透射率要低,尤其是中午太陽高度角較大、入射角較小時差別最大;而在太陽高度角較小、入射角較大的早上和下午,不同天氣條件下的透射率相差不大。晴天,太陽輻射中直射輻射成分占主要部分,PVC膜對太陽輻射透射率隨入射角的變化呈較規則的正弦曲線變化趨勢,北京時間14:00—15:00時之間達到最大值0.83,與標準聚氯乙烯膜對太陽直射輻射的透射率變化規律基本相同,但由于受塵土和凝結水等污染的影響,供試溫室膜的透射率比標準聚氯乙烯膜對太陽直射輻射的透過率略小[7]。陰天,由于云層的影響,到達地面的太陽輻射中散射成分占主要部分,而PVC膜對太陽散射輻射透射率比較穩定,受入射角變化的影響較小,此時室內太陽輻射照度的大小主要受室外太陽輻射照度的影響,而與太陽高度角的變化關系不大。或晴或陰天,由于天氣變化不定,室內外太陽輻射照度和透射率都處于波動狀態。

從表2可知,日平均透射率、最大太陽輻射、日總輻射均受天氣條件的影響,其中日平均透射率受天氣影響最小。晴天室內太陽輻射在午間最大可達到522 W/m2,陰天則僅為101 W/m2。晴天與陰天的室內最大太陽輻射比可達5倍左右。晴天的日總輻射是陰天的6倍以上。所以,日光溫室生產要注意天氣條件變化帶來的影響,陰天適當補光以促進植物光合作用。特別是初春、秋末和冬季的陰天一定要做好保溫措施,預防作物遭受凍害。晴天則要防止白天室溫過高,且要考慮蓄積更多的太陽能轉移到夜間使用。

3.2.2 不同天氣條件下室內太陽輻射分布

由圖4—圖6和表3分析可知,不同天氣條件下室內不同點處的太陽輻射差異顯著。由于溫室后坡和保溫棉被卷起后遮陰的影響,在初春季節無論何種天氣條件,北墻面的測點一天中基本均處于陰影區,7、8、9測點處的太陽輻射照度明顯低于其余測點處的值。2、3點與4、5、6點處不同高度太陽輻射相差不大且變化規律相同,隨著高度的增加太陽輻射照度增大;7、8、9處卻隨著高度的增加太陽輻射照度減小。晴天太陽輻射照度在高度方向差別不大,陰天幾乎沒差別。但太陽輻射照度從南向北依次減弱,越往里變化幅度越大。這是因為后屋面及保溫棉被對太陽光線的遮擋作用所致,在測量過程中明顯可以看出后墻處被遮蔭出的陰影,使得到達此處輻射僅有散射輻射。溫室豎向的輻射均勻性要好于橫向,陰天的輻射均勻性要好于晴天。晴天,后墻處中高部位太陽輻射照度基本處于100 W/m2以下,且一天內變化幅度最小;隨著太陽高度角的變化,7、8、9點中9點的太陽輻射明顯要大,這是因為靠近后墻地面處只有在中午11:00—14:00太陽高度角較大時才能接受到太陽直射輻射,因此太陽輻射照度突然增大,這一點的輻射照度曲線在11:00左右出現了拐點。在或晴或陰和陰天,7、8、9點的太陽輻射照度差別變小。不同點處的最大、最小太陽輻射相差較大,但最大值或最小值出現時間相同;而日平均太陽輻射2、3點與 4、5、6點相差不大,只有7、8、9點日平均太陽輻射為 100 W/m2,不足其他地方的二分之一。故在初春和深秋,應注意后坡和保溫棉被卷起后遮陰對溫室后墻吸收熱輻射的影響,盡量利用后墻吸熱作用均衡室內全天氣溫。同時應對溫室結構進行優化,將固定后坡改造為活動后坡,在滿足溫室使用要求的前提下,減少室內骨架和支撐柱。

4 試驗結論與建議

4.1 試驗結論

本文在春分前后,對不同天氣條件,太原地區日光溫室內太陽光照度分布的實測得到如下結論:

1)PVC膜對太陽輻射的透射率隨太陽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,陰天的最小。同時晴天室內太陽輻射在午間最大可達陰天的5倍左右。所以,日光溫室在春秋生產也要注意晴天防止室溫過高,陰天預防作物遭受凍害。

2)室內太陽輻射主要受室外太陽輻射和PVC膜對太陽輻射透射率的影響,溫室豎向的輻射均勻性要好于橫向,陰天的輻射均勻性要好于晴天。受后坡和保溫棉被卷起后遮陰對溫室后墻吸收熱輻射的影響,目前這種溫室結構不利于后墻白天吸熱最大化,夜間放熱最大化,從而充分轉移和利用太陽能,全天候平衡室內氣溫。

4.2 建議

在地理因素、幾何因素和物理因素一定的條件下,到達地球并最終進入日光溫室內的太陽輻射能,主要取決于天文因素,即日地距離、太陽赤緯、時角等。本文只對太原地區春分前后日光溫室太陽輻射分布進行了試驗研究,對秋分前后也適用。所以,建議對本地區日光溫室夏至和冬至前后太陽輻射分布進行試驗研究,以便完善該地區基礎數據,為日光溫室數值模擬和結構優化提供原始資料。

[1]李小芳.日光溫室的熱環境數學模擬及其結構優化[D].北京:中國農業大學,2005.

[2]王靜,崔慶法,林茂茲.不同結構日光溫室光環境及補光研究[J].農業工程學報,2002,18(4):86-89.

[3]佟國紅,王恩志,王鐵良,等.遼沈Ⅰ型日光溫室內環境測試分析[J].遼寧農業科學,2003(5):11-12.

[4]郜慶爐,梁云娟,段愛旺.日光溫室內光照特點及其變化規律研究[J].農業工程學報,2003,19(3):200-203.

[5]謝秋紅.全熱回收型日光溫室的試驗研究與數值分析[D].太原:太原理工大學,2009.

[6]賈蕾.自然通風日光溫室熱環境的試驗研究與數值分析[D].太原:太原理工大學,2009.

[7]李兆力.溫室微氣候數學建模與動態模擬[D].天津:天津大學,2004.