連棟玻璃溫室天溝結構對栽培區光環境的影響分析

周 波 孫維拓 郭文忠 周寶昌 石 磊 李光聚

(1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；2.中國農業大學園藝學院，北京 100083；3.壽光市農業農村局，壽光 262700)

0 引言

目前我國已建成的荷蘭型玻璃溫室達140 hm2，在建和計劃建設的荷蘭型溫室近682 hm2[1]。在我國北方地區冬季，以晴朗干燥天氣居多，白天光照充足，夜間溫度較低，加熱需求大，對加熱系統和溫室密閉性、保溫性提出了更高要求[2]。因此，溫室設計必須根據國內的實際情況，從加溫、保溫性能上進行“荷蘭模式”中國本土化的優化創新。對于連棟溫室，屋頂面積遠遠大于周圍結構的面積，溫室供熱系統的能量主要消耗在圍護結構傳熱耗熱上，降低頂部傳熱量對溫室節能至關重要，如連棟玻璃溫室內的保溫幕是重要的節能保溫措施[3]。借鑒中國傳統日光溫室的保溫特性，其前屋面外的保溫被對溫室節能起到重要作用[4]。連棟玻璃溫室的外保溫系統結構設計難度較大，為解決玻璃溫室外保溫問題，郭文忠等[5]設計了一種具有外保溫性能的槽體連棟溫室結構，即壽光型智能玻璃溫室，并在山東省壽光地區成功推廣，應用面積達88 500 m2。該外保溫型溫室將常規最大0.3 m寬的玻璃溫室天溝[6]擴展到1.6 m，用于安裝保溫被及傳動機構。

壽光型智能玻璃溫室獨特的大天溝結構設計，實現了連棟玻璃溫室外保溫系統的安裝，增強了玻璃溫室保溫性。但是，溫室天溝設計需考慮結構荷載[7]、排雨水和冷凝水、保溫、遮陰等因素[8]，在保證排水量和荷載的基礎上，溫室1.6 m寬的天溝會產生較大的遮陰面積，降低了溫室透光率。光是植物光合作用的動力源，遮陰影響光合特性[9]，同時也影響植物蒸騰[10-11]，弱光通常是影響溫室蔬菜作物高產穩產的主要因素[12]。提高覆蓋材料光學性能[13]、增加人工光源等可以改善溫室內光環境。溫室骨架尺寸及幕布系統等均會對溫室內光環境產生不同程度的影響[14]，不同溫室結構的溫室內光環境也不同[15]。唐衛東等[16]構建了一種點光源在溫室內輻射分布的可視化模型，該模型模擬了光源動態分布，但仍缺乏針對不同溫室平行太陽光動態分布的研究。為降低天溝對溫室透光率的影響，周瑩[17]設計了一種可透光天溝，該透光天溝以環氧樹脂為基料，并輔以助劑和透明纖維等材料，可以使由天溝形成的遮陽面積減少60%以上，透光率提高70%以上。但是該材料方法只能用于傳統連棟溫室天溝，不適用于安裝保溫被及傳動機構的溫室。歐洲對于光伏玻璃溫室內透光率的研究表明，覆蓋率每增加1%的光伏板，則溫室內年累積輻射量平均降低0.8%，天溝高度每增加1 m，則光伏溫室內輻射量相應增加3.8%[18-19]。這表明溫室遮陰結構尺寸與溫室設計尺寸之間關系可以進行優化。因太陽角度隨時間變化，南北走向的天溝產生的陰影也會隨時間改變，因此不同天溝寬度、垂直厚度、安裝高度以及相鄰兩天溝間距等因素，對溫室光環境的均勻性會產生不同的影響，而太陽輻射在溫室內分布的均勻性是重要的溫室采光性能評價指標[20]。

為分析連棟溫室天溝對栽培區光環境的影響、優化設計天溝和溫室，本文以輻射均勻性為主要評價指標，從理論上構建溫室內太陽輻射分布動態模型，分析天溝陰影在溫室內的分布規律，進而對壽光型智能玻璃溫室進行天溝和溫室結構優化設計。

1 材料與方法

1.1 假設

為構建天溝寬度、垂直厚度、安裝高度和相鄰兩天溝間距與栽培區內光環境均勻性之間的數學模型，提出如下假設：①天溝只對直射光產生阻擋，散射光在空間內任何一個方向上具有相同的輻射強度。②兩個天溝之間栽培區同一時間內只受一個天溝陰影的影響。③溫室尺寸、天溝數量不受限制，天溝長度在南北方向上無限延伸。④屋面角度對溫室透光率沒有影響。⑤只考慮晴朗天氣條件下室內輻射分布。

1.2 計算方法

壽光型智能玻璃溫室裝有外保溫被，其外保溫系統如圖1a所示，溫室保溫被及傳動裝置安裝于溫室天溝中，可以實現玻璃溫室外保溫設計。其立面設計如圖1b所示，溫室初始設計跨度13.6 m(天溝之間間距12 m，天溝寬度1.6 m)，天溝下沿與地面凈高度6.3 m，天溝及保溫層整體厚度為0.86 m。相鄰天溝之間為栽培區，天溝正下方為操作路面(非栽培區)。圖1c為溫室效果圖。為構建數學模型，在平面坐標系XOY中建立平面坐標系簡圖(圖1d)，其中溫室一個天溝的水平投影面最東側與地面交點為坐標原點，X軸為跨度方向，東側為正，Y軸為高度方向，向上為正。天溝寬度為W、垂直厚度為D、安裝高度為H、相鄰兩天溝間距為L，某時刻太陽光線在XOY坐標系投影與X軸正方向之間的夾角為α，天溝陰影兩側端點的X坐標分別為

(1)

(2)

為保證太陽高度角低時，能夠計算出不同位置天溝在栽培區域的陰影位置(圖1d)，Xa和Xb利用取余計算。

采取劃分栽培區域內陰影及非陰影區域的方法，在栽培區內進行均勻取樣，將L均勻分為n個線段，產生n+1個樣本點。隨著時間的變化，所有樣本點的陰影狀態可計為二維矩陣S，行方向代表取樣點空間位置，列方向為時間序列，其列數為n+1，行數為時間向量t的長度。t(j)時刻S的計算式為：

當Xa(j)

(3)

當Xa(j)>Xb(j)時

(4)

其中

式中l——時間向量t的長度

S(j,i)——矩陣中第j行第i列的元素

tset——太陽落山時刻

trise——太陽升起時刻

Δt——取樣時間間隔，s

S(j,i)為0時代表取樣點在此時刻處于陰影區域，值為1時表示處于非陰影區域。

一年中，某一時刻的太陽位置及與地球一特定地點的入射光線角度可通過理論計算得出，而同樣可以利用太陽常數，計算晴朗天氣條件下固定時刻到達地面的太陽輻射強度。太陽高度角h(t)、方位角θ(t)以及太陽輻射強度R(t)的計算，參考《日光溫室設計規范》(NY/T 3223—2018)及文獻[21]。溫室跨度太陽光線在XOY面投影與X軸正方向夾角α為

α=arctan(tanhsinθ)

(5)

在栽培區內時刻t(j)，第i個取樣點處直射光輻射強度計算式為

q(t(j))=R(t(j))S(j,i)sinh(t(j))τ

(6)

式中τ——溫室覆蓋材料透光率

各個取樣點處日累積輻射強度Q可利用矩陣進行列求和求出，即

Q=∑10-6q(t)Δt

(7)

Q為n+1個元素的行向量，表示栽培區內n+1個點上，每個點的日累積輻射強度。

1.3 均勻性與敏感性分析

為保證最佳的天溝尺寸及位置設計，保證陰影在東西方向移動過程中，需要最大化保證栽培區內一天累積光照的均勻性。采用上述數學模型，可以計算樣本點輻射強度，引入變異系數作為光照均勻性的評價標準，變異系數越小，樣本間離散程度越小[22]。

為比較各個因素對光環境的影響程度，可進行敏感性分析。敏感性分析是從定量分析的角度研究有關因素發生某種變化對某一個或一組關鍵指標影響程度的一種不確定分析方法[23]。本研究采用單因素敏感性方法分析不同天溝設計尺寸對室內光照強度和均勻性的影響。

2 結果與分析

2.1 天溝陰影對溫室光環境的影響

為分析壽光型智能玻璃溫室大天溝對溫室內光環境的影響，選取正午太陽高度角最低，太陽輻射強度最小的冬至日(12月21日)進行分析。圖2為冬至日溫室內從日升到日落時間，通過模型計算得出的單跨栽培區域光照強度分布圖。其中留白區域為天溝產生的陰影?？梢钥闯?，在日出后和日落前，整個栽培區域內均有頻繁的陰影帶掃過，這是因為太陽高度角低時，溫室東西側遠處不同位置的天溝都會在不同時間對栽培區域產生陰影，而且同一條天溝在栽培區內產生的陰影時間很短。該時間段內太陽輻射強度相對較弱。12:00前后，有2條最寬的陰影帶隨時間變化，從西到東均勻掃過整個栽培區。該2條陰影帶由緊臨栽培區域兩側的天溝產生，同時也是在輻射強度最強時間，對栽培區域內光環境影響最大的陰影。圖3為冬至日和秋分日栽培區內不同位置處光照日累積輻射。累積輻射曲線有3個峰值，分別位于天溝兩側區域和栽培區正中間。冬至日累積輻射最大值為4.535 MJ/m2，出現在緊臨天溝兩側位置，而秋分日(9月22日)最大值10.821 MJ/m2則位于栽培區域正中間。最小值(冬至日4.475 MJ/m2，秋分日10.645 MJ/m2)都位于天溝與栽培區域中間位置之間。冬至日時，該溫室栽培區內平均累積輻射強度為4.500 MJ/m2，標準差為0.009 MJ/m2，變異系數為0.002。

冬季溫室陰影對溫室光環境的影響較大[24]，本研究主要針對太陽輻射最弱的冬至日，優化分析溫室栽培區域內光照環境，利用建立的陰影帶數學模型進行不同情景模擬。n取1 000，Δt為0.01 h，溫室透光率80%。初始溫室天溝設計尺寸參考壽光實際溫室尺寸，L為12.00 m，H為6.30 m，D為0.86 m，W為1.60 m。保持其他因素不變，改變其中單個因素進行敏感性和均勻性分析。

2.2 天溝結構對溫室光環境的影響

表1～4分別為冬至日山東省壽光地區不同天溝高度、不同天溝垂直厚度、不同天溝寬度、不同天溝間距情景下溫室單跨栽培區內從東到西各個樣本點日累積輻射平均值、標準差、變異系數，及三者的相對敏感度。變異系數代表了光環境均勻性程度。其中變異系數最小值為0.002，表明在所有天溝設計數據組合中，此設計值對應栽培區域內光環境均勻性最好，其中初始天溝設計尺寸的變異系數也為0.002。

表1 不同天溝高度單跨栽培區內從東到西各樣本點日累積輻射平均值、標準差、變異系數和相對敏感度

在初始值的基礎上，改變天溝高度、垂直厚度和寬度，日累積輻射平均值的敏感度都小于等于零，表明這3個設計參數與栽培區域內日累積輻射平均值呈負相關，增加天溝高度、垂直厚度和寬度，都會降低光照強度。相反，天溝間距與日累積輻射平均值呈正相關，增加天溝間距，可以提高栽培區內光照強度。為增加栽培區域內光照強度，可以在滿足溫室功能設計的基礎之上，提高天溝間距，降低天溝高度，減少天溝垂直厚度和寬度。而標準差和變異系數的相對敏感度，在單個變量從小到大的變化范圍之內，都是從負值逐漸變成正值，表明天溝設計參數與光照均勻性之間由負相關性變成了正相關性，變異系數在范圍內存在一個最小值，即光照均勻性的最佳設計值。

表2 不同天溝垂直厚度單跨栽培區內從東到西各樣本點日累積輻射平均值、標準差、變異系數和相對敏感度

表3 不同天溝寬度單跨栽培區內從東到西各樣本點日累積輻射平均值、標準差、變異系數和相對敏感度

表4 不同天溝間距單跨栽培區內從東到西各樣本點日累積輻射平均值、標準差、變異系數和相對敏感度

由表1～4可以看出，對日累積輻射平均值影響程度從大到小依次為天溝間距、天溝寬度、天溝垂直厚度和天溝高度。隨著天溝間距的增加，相應其栽培區域也會增加，天溝陰影對栽培區域的影響會降低，在這4個因素中，增加天溝間距是增加光照強度最有效的措施，該結論與文獻[25]一致。而天溝高度幾乎對光照強度沒有影響。而標準差和變異系數的相對敏感度是動態的，其絕對值都是先減小后增加。表明在合適的設計范圍之內，其影響程度逐漸減低，不同組合之間光照均勻性差異不大。而在不合理的設計參數情況下，改變其中任意一個值都會對光照均勻性產生很大的影響。

2.3 最小變異系數設計

為尋找天溝投影面積和高度之間規律，將所有情景設計參數中，變異系數最小的組合進行整理統計，并計算了天溝高度、垂直厚度之和與天溝間距、天溝寬度之和的比值，即(H+D)/(L+W)，結果見表5。由表5可知，最小變異系數的設計組合情況下，(H+D)/(L+W)的值均在0.49～0.54之間。該模擬計算結果的統計結論還不具備整體代表性，但具有一定的參考意義。

表5 最小變異系數設計參數

3 結束語

構建了連棟溫室天溝對溫室內太陽輻射強度影響的動態模型。結合壽光型智能玻璃溫室大天溝設計，探討了天溝對溫室栽培區內光照強度及均勻性的影響。模型分析結果表明，天溝結構對栽培區內日累積輻射平均值的影響程度從大到小依次為天溝間距、天溝寬度、天溝垂直厚度和天溝高度。從當地冬至日室內太陽輻射分布均勻性角度分析，壽光型智能玻璃溫室的天溝尺寸設計為相鄰兩天溝間距12.00 m、天溝水平寬度1.60 m、垂直厚度0.86 m、天溝下沿離地面高度6.30 m，屬于合理設計范圍之內，可保證栽培區內最佳的光照均勻性。不同情景下的模型模擬結果表明，為確保證栽培區內的光照均勻性，在栽培區內輻射強度變異系數最小的情況下，天溝高度、天溝垂直厚度之和與天溝間距、天溝寬度之和的比值在0.49～0.54之間。利用溫室內輻射分布模型，通過改變地理緯度可以計算不同地區應用壽光型智能玻璃溫室的室內光照分布情況，為壽光型智能玻璃溫室在不同地區的設計應用提供了理論依據。