《日光温室采光性能的实用型优化研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《日光温室采光性能的实用型优化研究（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、日光温室采光性能的实用型优化研究魏永强农学 0303 班 23 号摘要：本研究根据日光温室空间光强渐减的特点,结合 Beer-Lambert 定律,建立日光温室采光性能的数学模型,通过温室平均采光效率 s 等评价指标,分析了以保定地区为例的模型运算结果,明确了圆弧面、椭圆面、双曲线面、抛物线面 4 种采光屋面曲线方程的最佳参数.并结合肩高、采光面下土地使用效率 评价指标分析发现,在 6 种曲线中,两种复合采光面(圆+地窗型和椭圆+地窗型)的 s 较优而且肩高较大,具有实用性;同时还发现,在同一内跨、脊高和肩高下,二者的采光性能因光程相近而趋同.另外,圆弧面的 s 最高,但是肩高最小,实用性最差
2、;椭圆面和抛物线面在方程参数优化后表现极为相近,虽然肩高较高,但是 s 最低.关键词：日光温室;采光性能;采光效率单斜面温室的采光性能优化一直受到国内外学者的广泛关注。20 世纪 90 年代以来,中国的日光温室采光性能优化研究进展较快。根据日光温室采光屋面单拱形曲面的特点,其优化焦点主要集中在采光屋面的曲线类型上,并从 46 种单一曲线或复合曲线中发现冬季以圆弧面优于椭圆面1。周长吉等7,则分析了现有数学表达式曲线作为采光面优化存在局限性的弊端,采用网格优化法将优化结果光滑连接成为最优采光曲线。为了将日光温室采光性能优化模拟结果和理论应用于生产,尚需要进一步明确以下两个方面:一是确定优型曲线的
3、方程参数。因为一个曲线的方程参数不同,其采光角度不同,采光性能也会有所差异,而且温室内跨和脊高以及高跨比也会对方程参数和采光性能有着明显影响;二是明确优型曲线在生产中应用的可行性。因为单纯以采光量最大化作为优化评价指标会难以构成实用型的优型采光屋面的。例如,优化筛选出的圆弧面1,2,会因其前部低矮区域过大,土地使用效率低2、农事操作困难而难于被生产者接受。李有等2 提出的温室采光面下土地使用效率指标有助于增强采光性能优化的实用性。为此,本研究借鉴并改进引入了温室平均采光效率、合理采光区比率、采光面下土地使用效率等指标,以保定地区(北纬 3851) 为例,结合数学模型运算结果进行了采光性能的实用
4、型优化,同时探索采光屋面优化的原理及其与实际应用相结合的关键点,以期促进我国日光温室生产的进一步发展。 1方法 1.1日光温室采光效率模型为了便于曲型屋面采光性能的研究,在单拱面型日光温室剖面图(图 1)中,将温室地面作轴,并且将轴上的分为等份 ,即=1,2,。其中,第-1 点与第+1 点的轴垂线,与曲型采光屋面分别相交于-1 和+1 点。-1 和+1 两点连线的中点为。只要足够大,-1 和+1 点的连线就会与曲型屋面点逼近。通过点的屋面角度为 ,阳光入射角为 ,太阳高度角为;阳光0 通过采光膜面点进入室内为,再到达受光照部位为。图 1日光温室采光图解.1以某时刻温室内各部位(地面、后墙面、后
5、屋面)接受的日照量与室外膜面上日照量的比值称为温室采光效率,其平均值称为温室平均采光效率 ,可以表达为:=10/ =+0(1)其中,为阳光通过点穿过室内空间到达受光照部位点的光强;0 为室外阳光光强。通过点进入室内膜面内侧的阳光强度,与穿过室内空间到达受光照部位点的光强之间,符合-定律 ,即:=(-)(2)式中, 为温室内空间的大气吸收系数,采用温室内实测方法进行计算。在冬至期 2004 年 12 月 21 日 12:00-13:00,在日光温室内,随机取点至点,在其光程上以 50间隔,采用-2 光合仪进行光合有效辐射测定。3 次重复,并计算大气吸收系数 。采用10.0 进行回归模拟,分析结果
6、为 =0 09680 0038。进入室内的阳光强度为:农膜实测的 与 关系,并参照陈端生等2的经验型公式改良为式(4)。=90-( 2= 0(3)式中, 为薄膜的透光率。薄膜的透光率 与光线入射角 关系的经验型函数公式是根据 0 186)(4)其中, 的单位为弧度。根据日光温室屋面、不同季节太阳的位置、某一地区的地理纬度, 表达为式(5)。=90- -=+0- (5)式中,屋面角度 通过点坐标计算为 ,=(-1- +1)/(+1-1);为太阳高度角; 为当地地理纬度 ;0 为太阳直射的纬度 ,冬至时 0=2326。为膜面点到达受光照部位点的距离,即光线路程,简称为光程。值根据采光屋面优化目标通
7、过各点坐标计算,即(,)、(,) 、( ,0)、(0,)、( 0,0)、(0,0) 、(,) 。其中,为温室采光屋面的水平投影长度、 0 为温室后屋面的水平投影长度、+0 为温室内跨、为温室脊高、0 为后墙高度、为肩高水平投影位点在轴的长度、为肩高。1.2合理采光区比率由于薄膜透光率 在阳光入射角 为 045围内基本不变,所以定为合理入射角10。在合理入射角范围内对应的合理采光屋面区的水平投影长度占整个采光屋面区水平投影长度的比率可以称为合理采光区比率 ,代表着采光性能。通过合理入射角45的界限点(, ), 表达为式(6)。=(-)/(6)1.3 采光面类型优化方案在限定条件(,0)、(0,
8、)、(0,0)、( 0,0)、0=0,=0=-1,=510,=2 04 4下,椭圆面方程(-0)2/ 2+(-0)2/2=1 可以转化为(-+)2/2+1-(-)2/2=1 。转化后其方程参数主要受控于、。类似地,可以相应进行双曲线方程(-0)2/ 2-(-0)2/2=1、抛物线方程( -0)2=-2(- 0)、圆弧面方程(-0)2+(-0)2=2 的转化。在限定条件: ( ,0)、(0,)、(0,0) 、(0,0)、(,) 、=0=-1、=510、 =1 64 4下,亦可以类似地进行椭圆+地窗采光面方程组(-0)2/2+(-0)2/2=1 与=/(-)+/(- ),和圆弧面+地窗采光面方程组
9、( -0)2+(- 0)2=2 与=/(-) +/(-)的转化。转化后其方程参数主要受控于、。1.4采光面下土地使用效率根据李有等2提出的“温室土地使用效率”指标改进为采光面下土地使用效率 ,以采光面距离地面高度超过 100区域的水平投影长度与前屋面水平投影长度之比来表示。2模型运算结果与分析 2.1采光面曲线参数与采光性能以保定地区(北纬 3851) 为例对采光效率模型进行运算 ,结果表明: 在一定的脊高或内跨下,椭圆采光屋面的采光效率 随着方程参数的增加而增加。当=220(相应的=8 62 18 97)时,达到最大值(图 2-和 )。因此,在脊高 2 04 8范围内和内跨611范围内,椭圆
10、面曲线的最佳参数=220、=8 6218 97。类似地,圆弧面的最佳参数为=220;双曲线采光屋面的 随着的增加而降低(图 2-和), 其=0 11 0, =0 0310 0; 抛物线屋面为=33 33192 00(本文未列出相应数据)。图 2曲线参数或对日光温室采光效率 影响.22.2采光面曲线类型与采光性能在上述采光面曲线最佳参数下,对四种单一曲线的采光面的采光效率对比发现(图 3-和图 4-), 在一定的脊高( 图中取值 3 2) 或内跨(图中取值 7 0)下,圆形采光面的 最高,椭圆形和抛物线形的最低 (二者几乎重合),双曲线形居中。在图 3-和图 4-的两种复合采光面中,在一定的内跨
11、和脊高 (图中取值 3 2)不变的情况下,将肩高调至相同时(图中取值 0 9),圆+地窗型和椭圆+地窗型的 基本接近。虽然二者的 值低于圆弧面和双曲线面,但是高于椭圆面和抛物线面。2.3脊高和内跨与采光性能从图 3-可见,温室内跨对四种单一曲面 的影响较为明显,呈现随着内跨增加而降低的趋势。然而,尽管温室脊高对 的影响也较为明显,但是随着脊高增加而降低的趋势却较弱(图 4-)。另外,两种复合采光面的 随着内跨的增加和脊高的变化趋势相反,前者呈降低趋势、后者呈增加趋势(图 3-和图 4-)。从图 3-发现,随着温室内跨增加(6 11), 椭圆面和抛物面的合理采光区比率 迅速下降; 而在内跨610
12、范围内,圆面和双曲线面的 达到最大值 1 0。相比之下,从图 4-发现,随着温室脊高增加(24 8), 椭圆面和抛物面的 迅速增加;而在脊高 2 44 8范围内,圆面和双曲线面的 达到最大值 1 0。另外,在内跨 68和脊高 2 84 8范围内,两种复合采光面的 达到最大值 1 0。四种单一曲线采光面的肩高受温室内跨和脊高影响较大。优化的评价指标尚有不妥之处。因为尽管屋面曲线类型不同,但是所经历的日进程或月进程是相同的,除非在评价温室东西两山墙遮光性能时会表现出差异。因此,本研究综合了二者优点,在建模时选定冬至这一天,并以其中午 12:00 这一刻进行了室内空间受光面日照量的累加。另外,李有等
13、2提出采用采光膜面平均采光效率进行采光性能评价。但是本研究在模拟运算结果中发现,膜面平均采光效率随着温室内跨的增加和脊高的降低而增加,与生产中的表现恰好相反。分析其原因发现,以在任一入射角下的入射辐射占垂直时的比例计算的膜面平均采光效率,仅仅反映了采光角度的合理状况和透进膜面内侧的辐射状况,没有反映出温室内受光部位,包括地面、墙面、后屋面的辐射获得状况。为此,本研究提出温室平均采光效率的概念,并以温室内各部位(地面、后墙面、后屋面) 接受的日照量与室外膜面上日照量的比值的平均值称为温室平均采光效率。该参数在本研究对日光温室采光性能的评价中达到了较为理想的效果。3.2肩高是温室采光性能优化中的重
14、要参数之一本研究通过模拟运算结果发现,温室平均采光效率表达的温室采光性能,不仅受脊高、内跨与高跨比(有关数据未列出) 的明显影响,而且受温室肩高的影响明显。这一点在目前的有关模拟优化方面文献中尚无报道。因此提出肩高也是温室采光性能优化中的重要参数之一。肩高不仅明显影响温室的采光性能(图 5-), 而且在采光屋面曲线类型优化中还可反映出温室前部植株生长空间和人工农事操作空间状况(图 3-和图 4-),结合李有等 2提出的“温室土地使用效率 ”指标改进的“采光面下土地使用效率”指标(图 5-), 会更能说明肩高是温室采光性能优化中的重要参数。3.3光程值是温室采光性能优化中的重要评价指标之一从以往的文献报道中可知,在同一脊高内跨下,比较 46 种单一曲线或复合曲线中发现,冬季以圆弧面优于椭圆面1。本研究也获得类似的结果 (图 3-和图 4-)
