張 銳，劉一川，朱德蘭，葛茂生

考慮薄膜積灰的日光溫室前屋面采光效率模型構(gòu)建及應(yīng)用

張 銳，劉一川，朱德蘭※，葛茂生

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

為確定自然環(huán)境下日光溫室前屋面的采光效率，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得楊凌地區(qū)冬季長(zhǎng)時(shí)間無(wú)雨?duì)顟B(tài)下棚膜表面的灰塵積累分布情況以及不同太陽(yáng)入射角及積灰程度下的棚膜透光率，構(gòu)建了積灰分布模型及棚膜透光率衰減模型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合太陽(yáng)入射角計(jì)算模型，采用MATLAB作為開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)日光溫室前屋面透光率的計(jì)算程序。通過(guò)輸入溫室地理坐標(biāo)、日期時(shí)間、采光面曲線形狀、朝向、棚膜材料種類，模擬出采光面上的透光率，并在楊凌地區(qū)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與應(yīng)用。結(jié)果表明：同時(shí)考慮灰塵和太陽(yáng)入射角的影響，建立的透光率模型與實(shí)測(cè)值的模擬精度較高，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均絕對(duì)誤差分別為0.90%、2.13%和2.02%；以楊凌冬至日高采光效率為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將距溫室前屋面底端0.8 m處的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，確定2種曲線形狀的溫室，其前屋面控制點(diǎn)高度分別為0.6和0.8 m；朝向?yàn)槟掀?°時(shí)，在冬至日正午前后2 h內(nèi)，采光面的太陽(yáng)入射角處于合理采光角范圍內(nèi)，采光效率較高；在弱光低溫的冬季，為保障溫室內(nèi)較高的光照強(qiáng)度，建議選用的前屋面覆蓋材料為白色PO膜。該研究可為日光溫室棚膜表面采光效率的計(jì)算及采光面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

溫室；薄膜；積灰；曲線形狀；朝向；透光率

0 引 言

日光溫室在中國(guó)北方地區(qū)應(yīng)用廣泛，對(duì)于保障果蔬的反季節(jié)生產(chǎn)具有重要作用[1-2]。太陽(yáng)輻射是日光溫室最主要的能量來(lái)源，也是影響日光溫室光熱環(huán)境的重要因素[3]。良好的采光性能是高效利用太陽(yáng)能的基礎(chǔ)，溫室采光主要依靠前屋面，前屋面上覆蓋材料的透光特性決定溫室進(jìn)光量的大小[4-6]。因此，如何準(zhǔn)確計(jì)算日光溫室前屋面太陽(yáng)光透過(guò)率，優(yōu)化溫室設(shè)計(jì)參數(shù)，最大程度提高溫室采光效率是近年來(lái)溫室園藝裝備研究的重要內(nèi)容。

為定量計(jì)算前屋面太陽(yáng)輻射捕獲量以指導(dǎo)溫室采光設(shè)計(jì)，許多學(xué)者提出影響采光效率的因素包括經(jīng)緯度、日期時(shí)間、前屋面曲線形狀、朝向和覆蓋材料的透光率等[4]，并建立了溫室采光效率計(jì)算模型探究如何提高日光溫室前屋面采光效率[7-9]。Chen等研究了冬季條件下6種溫室結(jié)構(gòu)在不同緯度地區(qū)應(yīng)用時(shí)的太陽(yáng)輻射捕獲量，提出鋸齒狀溫室在（20°～30.6°N）研究區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)性能最佳[10]。李有等比較了日光溫室中常見(jiàn)的3種采光面的采光效率，結(jié)果為：圓弧面>橢圓面>拋物面[11]。但張勇等發(fā)現(xiàn)在相同的高差范圍下，采用不同曲線形式的溫室采光面或單純改變采光面的弧度，其采光效果差異很小，為此張勇等設(shè)計(jì)出主動(dòng)采光溫室，當(dāng)采光面傾角從25°調(diào)整到35°時(shí)，光照強(qiáng)度透過(guò)率可提高20%以上[4,12-13]。白義奎等研究了朝向?qū)厥疫M(jìn)光量的影響，發(fā)現(xiàn)在高緯度地區(qū)偏西的朝向可以讓溫室更多的利用下午的太陽(yáng)光照，計(jì)算出沈陽(yáng)地區(qū)（41°46′N）溫室在南偏西5°～6°時(shí)，進(jìn)光量最大[14]。

對(duì)于前屋面覆蓋材料的研究多關(guān)注其透光特性。Chen等在研究中國(guó)北方不同地區(qū)溫室最佳朝向時(shí)，得出覆蓋材料透光率隨太陽(yáng)入射角的變化規(guī)律[15]，而許紅軍等提出覆蓋材料透光率除了與太陽(yáng)入射角有關(guān)，還受到薄膜基本透光率的影響[16]。改變覆蓋材料物理化學(xué)特性來(lái)提高透光率這一方法潛力有限[13]，但通過(guò)清潔棚膜在自然條件下使用時(shí)表面附著的塵土，可顯著提高棚膜的平均透光率[17-18]。在自然條件下，薄膜表面還會(huì)受到灰塵和水滴附著的影響，透光率隨覆蓋時(shí)間的延長(zhǎng)而降低[19]。Nefise等通過(guò)實(shí)測(cè)使用兩年后的低密度聚乙烯薄膜（low-density polyethylene），得出灰塵累積會(huì)使太陽(yáng)輻射的透過(guò)率降低13.2%[20]。Kiattisak等發(fā)現(xiàn)6個(gè)月未清洗的溫室薄膜由于灰塵積累導(dǎo)致透光率衰減36%～50%，而由于棚膜老化引起的衰減率僅為1%[21]。相比之下，荷蘭Venlo型溫室非常注重玻璃外表面的清潔，專門開(kāi)發(fā)出溫室屋頂清洗機(jī)械裝置定期清洗玻璃屋頂上的灰塵[22]。而對(duì)于中國(guó)北方地區(qū)薄膜覆蓋的日光溫室來(lái)說(shuō)，受限于清洗裝備和經(jīng)濟(jì)成本，開(kāi)展周期性的清洗并不現(xiàn)實(shí)[23]。因此，在日光溫室前屋面的采光設(shè)計(jì)中考慮薄膜表面灰塵的影響，對(duì)于提高溫室前屋面透光率模型的計(jì)算精度，指導(dǎo)溫室采光設(shè)計(jì)具有重要意義。

綜上所述，溫室采光的影響因素眾多，而前人建立的溫室采光模型，多集中考慮日光溫室采光結(jié)構(gòu)（采光面曲線形狀、朝向），而理想化了在自然環(huán)境使用時(shí)覆蓋材料表面灰塵積累對(duì)透光率的影響，造成模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大。為此，本文在考慮積灰和太陽(yáng)入射角對(duì)透光率的影響的基礎(chǔ)上，建立日光溫室前屋面采光效率模型，并以楊凌為例進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，通過(guò)研究不同曲面形式、朝向和棚膜材料對(duì)溫室采光效率的影響，確定合理的日光溫室設(shè)計(jì)參數(shù)，以期為日光溫室采光設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 模型構(gòu)建與求解

1.1 日光溫室采光面太陽(yáng)入射角計(jì)算模型

如圖1所示為日光溫室前屋采光面示意圖，坐標(biāo)系為地理坐標(biāo)系，其中軸指向正南方向，軸指向正東方向，軸豎直向上；坐標(biāo)系111為溫室位置坐標(biāo)系，1軸與溫室走向重合，1軸為溫室朝向，1軸與軸重合。

地理坐標(biāo)系與溫室位置坐標(biāo)系111的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

式中(,,)為坐標(biāo)系下任意一點(diǎn)，(1,1,1)為(,,)點(diǎn)在111坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。假設(shè)圖1中點(diǎn)在坐標(biāo)系中時(shí)其坐標(biāo)為(,,)，則在111坐標(biāo)系下，點(diǎn)坐標(biāo)為(1,1,1)，同理可得、、、、的在坐標(biāo)系和111坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

1.1.1 日光溫室棚膜采光面的法線向量

如圖1所示，在111坐標(biāo)系下，點(diǎn)處采光面曲線方程可表示為：

式中(1)為采光面曲線函數(shù)，常用的有拋物線型、圓弧形、橢圓型、單斜線型等。

在111坐標(biāo)系下，點(diǎn)(1,1,1)處的采光曲線法線方程為：

1.1.2 日光溫室棚膜采光面太陽(yáng)直射光線的方向向量

某測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)時(shí)角為該測(cè)點(diǎn)一天里不同時(shí)間的太陽(yáng)位置，太陽(yáng)時(shí)角可由下式（6）～（8）計(jì)算：

式中ST為真太陽(yáng)時(shí)，；TB為北京時(shí)間；TC為測(cè)點(diǎn)位置與北京時(shí)間的時(shí)差，；為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度，(°)，東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù)。

太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的夾角，可由下式（9）～（10）計(jì)算：

太陽(yáng)方位角是太陽(yáng)在方位上的角度，通常被定義為從北方沿著地平線順時(shí)針度量的角[4]。本文取太陽(yáng)方位角南偏東為正，南偏西為負(fù)，太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式如下：

1.1.3 日光溫室采光面不同位置處的太陽(yáng)入射角

1.2 積灰分布模型

相比前人模型中僅將透光率與溫室棚膜表面太陽(yáng)入射角建立關(guān)系，本模型考慮到了灰塵積累對(duì)不同材料的棚膜透光率的影響，更接近真實(shí)情況[10]。

冬季干燥無(wú)降雨的天氣下，灰塵積累量在一段時(shí)間后達(dá)到峰值，此時(shí)由于灰塵遮擋效應(yīng)對(duì)棚膜透光的影響將達(dá)到最大[19-21]。為定量探究灰塵最大累積程度對(duì)棚膜表面透光率的影響，本文將楊凌地區(qū)2020年12月21日（冬至）前后長(zhǎng)時(shí)間無(wú)降雨影響下的灰塵累積程度作為日光溫室棚膜的最大積灰分布，并假設(shè)灰塵在棚膜表面沿長(zhǎng)度方向上均勻分布，即把圖2中在溫室某剖面上實(shí)測(cè)的斜率—積灰密度關(guān)系應(yīng)用到整個(gè)溫室的長(zhǎng)度方向。1）在楊凌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新園2個(gè)日光溫室中分別剪取覆蓋一段時(shí)間后的白色PO膜和藍(lán)色PO膜（為便于計(jì)算截面面積，盡量剪取方形）；2）用精度為0.01 g的電子秤現(xiàn)場(chǎng)稱量剪取的薄膜質(zhì)量；3）將薄膜帶回實(shí)驗(yàn)室，用清水漂洗，自然風(fēng)干后測(cè)量無(wú)灰塵累積的薄膜質(zhì)量，2次稱量值之差即為灰塵的質(zhì)量。以此為依據(jù)計(jì)算沿棚膜曲線不同位置處（不同斜率）的灰塵密度，如圖2所示，建立積灰密度與斜率的回歸關(guān)系式（14）～（15）。

藍(lán)色PO膜：

白色PO膜：

式中為棚膜曲線上任一點(diǎn)斜率的絕對(duì)值；為積灰密度，g/m2。

從實(shí)測(cè)的積灰密度與采光面曲線斜率的回歸關(guān)系來(lái)看，薄膜表面積灰沿前屋面的分布規(guī)律是上部（上弦）多，中間少，南坡底部多，造成這一現(xiàn)象的原因可能是上弦處屋面平緩，利于灰塵的累積，中間屋面較陡，灰塵附著少，南坡屋面底部雖然更陡，但上部滑落的灰塵大多在此聚集。

本文基于冬春季干燥無(wú)降雨條件實(shí)測(cè)積灰密度和棚膜斜率的關(guān)系，引入了積灰分布模型，但由于各地區(qū)灰塵的沉積速率和成分種類存在差異，對(duì)棚膜透光性能的影響程度也不盡相同。因此，在不同區(qū)域使用該模型時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境和溫室采光面曲線形狀等實(shí)際情況對(duì)積灰分布模型進(jìn)行參數(shù)修正。

1.3 棚膜透光率模型

試驗(yàn)裝置：包括傾轉(zhuǎn)采光板（日晷、可旋轉(zhuǎn)刻度盤(pán)），PLA-30植物光照度分析儀，白色PO膜，藍(lán)色PO膜，灰塵樣本，毛刷，電子秤。

試驗(yàn)方法：如圖3所示，傾轉(zhuǎn)采光板試驗(yàn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)面與日晷平面共面，測(cè)量過(guò)程中始終保證日晷平面上無(wú)指示針的投影，即太陽(yáng)直射光與傾轉(zhuǎn)采光板平面垂直。刻度盤(pán)上標(biāo)定了以10°為間隔的刻度，轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤(pán)可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光入射角從0°～90°的連續(xù)調(diào)節(jié)。在楊凌創(chuàng)新農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)的日光溫室棚膜表面采集灰塵樣品，采集過(guò)程中首先用毛刷將灰塵輕輕掃入量筒中，薄膜上每塊采樣區(qū)域用毛刷輕刷2～3次，然后將采集到的灰塵緩慢倒入透明樣本袋中[24]。傾轉(zhuǎn)采光板平面上覆蓋按采光板大小裁剪的若干18 cm×18 cm薄膜方片，試驗(yàn)時(shí)將其固定在傾轉(zhuǎn)采光板表面，利用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩將實(shí)地取得的灰塵從較高處篩落，使其自然飄落到薄膜表面上[25]。

測(cè)試指標(biāo)：用精度0.01 g的電子秤稱出薄膜上的灰塵質(zhì)量。灰塵質(zhì)量與薄膜面積之比即為積灰密度（g/m2），見(jiàn)式（16）。試驗(yàn)時(shí)以10°為間隔旋轉(zhuǎn)傾轉(zhuǎn)采光板，用PLA-30植物光照分析儀測(cè)量太陽(yáng)入射角從0°～90°變化時(shí)膜后和膜前的光照強(qiáng)度，兩者的比值即為棚膜透光率[4-5,12,26]，見(jiàn)式（17）。為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)在2021年1月18日－2021年1月19日2個(gè)典型晴天進(jìn)行。天氣晴朗時(shí)，中高緯度地區(qū)直射光量占80%～90%，因此直射光環(huán)境幾乎代表了溫室內(nèi)的光照環(huán)境，所以本文只考慮直射光的作用[7,16,18]。由于光照強(qiáng)度隨時(shí)間變化，所以每組試驗(yàn)及數(shù)據(jù)記錄在10 min內(nèi)完成，每個(gè)傾轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)測(cè)量重復(fù)3次，取平均值計(jì)算薄膜透光率。

數(shù)據(jù)處理：

式中2為布灰后的傾轉(zhuǎn)采光板和灰塵的總質(zhì)量，g；1為傾轉(zhuǎn)采光板的質(zhì)量，g；為傾轉(zhuǎn)采光板上的薄膜的面積，m2。

積灰對(duì)直射光透光效果的影響主要取決于積灰的密度、灰塵級(jí)配和直射光入射方向等[27]?；覊m主要是土壤中的小顆粒經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)和大氣環(huán)流作用，逐漸附著累積到棚膜表面，顆粒級(jí)配差異并不顯著[28]。因此本模型以2種棚膜在不同積灰密度和太陽(yáng)入射角下共90組處理的透光率試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立關(guān)于積灰密度與太陽(yáng)入射角的溫室薄膜透光率定量預(yù)測(cè)模型。將室外試驗(yàn)數(shù)據(jù)在MATLAB2018a中進(jìn)行Polynomial多項(xiàng)式擬合，圖4為2種薄膜在不同積灰密度和太陽(yáng)入射角下的擬合結(jié)果，從圖4可知，太陽(yáng)入射角一定時(shí)，薄膜透光率隨積灰密度的增大逐漸減小，當(dāng)積灰密度一定時(shí)，太陽(yáng)入射角越大，透光率越小。

式（18）和（19）分別為白色PO膜與藍(lán)色PO膜的透光衰減率擬合方程，其擬合系數(shù)2分別為0.968和0.935，均方差RMSE為2.998和3.852，表明擬合公式可以較好地反映積灰密度和太陽(yáng)入射角對(duì)薄膜透光衰減規(guī)律的影響。

白色PO膜：

藍(lán)色PO膜：

1.4 溫室采光面平均透光率計(jì)算

a. 白色PO膜

a. White PO film

1.5 驗(yàn)證方法

為驗(yàn)證采光效率模型的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證試驗(yàn)于2021年1月18日典型晴天在楊凌創(chuàng)新農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)進(jìn)行。測(cè)量溫室后墻高度，脊高和不同跨度處前屋面高度并擬合出拋物線型的棚膜曲面控制方程，該溫室坐北朝南，覆蓋材料為藍(lán)色PO膜，其采光面曲線的擬合方程見(jiàn)式（21）。

式中(1)為該點(diǎn)的縱坐標(biāo)，m。

如圖5所示，在溫室總長(zhǎng)的1/3處，沿棚膜表面從上到下依次取1（240.00，390.81），2（530.00，306.24），3（830.00，125.73）共3個(gè)點(diǎn)，分別測(cè)試9:00－16:00之間各個(gè)時(shí)刻薄膜前和薄膜后的光照強(qiáng)度，兩者之比即為測(cè)點(diǎn)在該時(shí)刻的透光率。

1.6 模型求解

1.6.1 求解思路

根據(jù)日光溫室采光面太陽(yáng)入射角計(jì)算模型、積灰分布模型和棚膜透光率模型，以MATLAB為開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)日光溫室前屋面采光效率計(jì)算模型，程序框圖如圖6所示。輸入?yún)?shù)包括棚膜種類，控制點(diǎn)高度，采光面曲線形狀，朝向，經(jīng)度，緯度，日序數(shù)和時(shí)間；輸出參數(shù)為平均透光率。

1.6.2 求解步驟

1）輸入控制點(diǎn)高度、采光面曲線形狀和朝向等參數(shù)，根據(jù)式（1）～（5）擬合出曲線形狀的曲面函數(shù)并進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，進(jìn)而計(jì)算棚膜上任一點(diǎn)的法線方向向量。

2）輸入經(jīng)度，緯度，日序數(shù)和時(shí)間等參數(shù)，根據(jù)式（6）～（12）計(jì)算出任意地點(diǎn)任意日期任意時(shí)刻的太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角，進(jìn)而得出棚膜上任一點(diǎn)的太陽(yáng)直射方向向量。

3）將棚膜法線方向向量和太陽(yáng)直射方向向量的計(jì)算值代入式（13），得出的兩向量夾角即為棚膜上任一點(diǎn)處的太陽(yáng)入射角。

4）引入積灰分布模型，聯(lián)立式（14）～（20），將積灰密度和太陽(yáng)入射角的計(jì)算結(jié)果代入透光衰減率模型，得出平均透光率。

2 模型驗(yàn)證與結(jié)果分析

2.1 模型驗(yàn)證與對(duì)比

將棚膜采光面透光率隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)值與不同模型的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比[10,29]，結(jié)果如圖7所示。透光率計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)式（22）和（23）。

Chen等[10]模型：

馬承偉等[29]模型：

式中0為薄膜的基本透光率，即棚膜表面清潔時(shí)入射角為0的薄膜透光率，%，藍(lán)膜取90%。

由圖7可知，1，2，33個(gè)測(cè)點(diǎn)的模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均絕對(duì)誤差分別為0.90%，2.13%和2.02%，由于本文考慮了灰塵積累對(duì)棚膜表面透光率的衰減作用，更接近真實(shí)情況。

若將本文模型中考慮的灰塵影響去除，與Chen等[10]模型和馬承偉等[29]模型的透光率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)3個(gè)測(cè)點(diǎn)處，棚膜在無(wú)灰塵積累下的透光率計(jì)算值與這2個(gè)模型計(jì)算結(jié)果十分接近，這是由于在溫室太陽(yáng)輻射模型的構(gòu)建中前人均將覆蓋材料視為干燥清潔狀態(tài)，而實(shí)際在干燥無(wú)降雨的條件下，薄膜表面很快就會(huì)附著大量灰塵，嚴(yán)重削弱自然光的透射率，本模型在無(wú)灰塵條件下的計(jì)算值進(jìn)一步證明了日光溫室薄膜表面的透光率除了與太陽(yáng)入射角有關(guān)，也在較大程度上受到棚膜表面灰塵的影響。

當(dāng)太陽(yáng)入射角小于40°時(shí)，光線的反射率低于3.4%[4]，因此0～40°是合理的采光角范圍。對(duì)比1、2、33個(gè)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的透光率可知，透光率大小排序?yàn)?>2>1。這是因?yàn)?測(cè)點(diǎn)在一天中太陽(yáng)入射角均大于40°，而1測(cè)點(diǎn)的太陽(yáng)入射角在11:00－15:00內(nèi)小于40°。冬季太陽(yáng)高度角偏低，日光溫室前屋采光面在一天中的大部分時(shí)間都處于不合理的采光角范圍，靠近前屋面底部的區(qū)域，太陽(yáng)入射角較小，故透過(guò)率較大。

采光面的透光率受到前屋面角度、薄膜上灰塵附著和薄膜均勻平整程度等因素的影響[4]?；覊m附著的影響隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大，以2測(cè)點(diǎn)為例，一天中各個(gè)時(shí)刻實(shí)測(cè)的透光率均小于無(wú)灰塵計(jì)算值，平均偏差為16.2%，表明在冬季干燥少雨的西北地區(qū)，灰塵對(duì)棚膜表面透光率的削減作用不容忽視。

本模型的實(shí)測(cè)和計(jì)算值存在一定差距，可能由以下幾個(gè)原因引起：1）本文僅考慮直射光的作用，但在實(shí)際情況中，由于大氣折射，儀器測(cè)量時(shí)也受到散射光的影響；2）模型中的不同種類覆蓋材料的透光率回歸關(guān)系是基于嶄新棚膜得到的，但在實(shí)地驗(yàn)證時(shí)大棚膜已覆蓋一段時(shí)間，存在老化、褶皺等；3）棚膜積灰受到保溫棉被的壓實(shí)作用；4）試驗(yàn)中存在人為遮擋造成的誤差或儀器放置角度不同引起的測(cè)量誤差。

模型精度得到驗(yàn)證后，下文以前屋面透光率計(jì)算模型為基礎(chǔ)，對(duì)楊凌地區(qū)溫室前屋面曲線形狀，朝向和覆蓋材料種類對(duì)采光效率的影響進(jìn)行探究，進(jìn)而提出楊凌地區(qū)日光溫室合理的采光設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2 采光面曲線形狀對(duì)采光效率的影響

以跨度=9.8m，覆蓋材料為藍(lán)色PO膜的拋物線型大棚和單斜線型大棚為例[30]，為保證溫室采光面前部能滿足植物正常生長(zhǎng)的高度要求，采光面前部高度不能過(guò)低[31]。因此在棚膜曲面函數(shù)參數(shù)的設(shè)置中，將距溫室前屋面底部0.8 m處棚膜曲線上的點(diǎn)設(shè)為控制點(diǎn)，拋物線型和單斜線型大棚的控制點(diǎn)高度變化范圍分別設(shè)為[0.4 m，0.7 m]和[0.4 m，0.9 m]，對(duì)比不同控制點(diǎn)高度對(duì)棚膜采光效率的影響。

不同曲面形式的日光溫室的控制點(diǎn)高度對(duì)棚膜透光率的影響趨勢(shì)如圖8所示，2種采光面曲線形狀的透光率均先增大再減小，這是因?yàn)橹形鐣r(shí)刻的太陽(yáng)入射角最小，即陽(yáng)光最接近于直射，此時(shí)的透光率最高；而早晨和黃昏的太陽(yáng)入射角較大，即薄膜曲面對(duì)陽(yáng)光的折射率較大，透過(guò)率較小。在拋物線擬合的棚膜曲面中，控制點(diǎn)高度差異對(duì)透光率存在一定的影響，控制點(diǎn)高度越高，透光率越低；與之不同的是，單斜線型大棚在不同控制點(diǎn)高度下的透光率差異并不顯著，當(dāng)控制點(diǎn)高為0.7或0.8 m時(shí)，2條曲線接近重合且為最大值。在考慮不同控制點(diǎn)高度對(duì)透光率的影響時(shí)，應(yīng)綜合考慮溫室土地利用效率，即在保證光照的情況下盡量多的種植作物，保證人員可操作空間。因此在不顯著降低透光率的情況下，得出拋物線型大棚控制點(diǎn)高度為0.6 m，單斜線型大棚的控制點(diǎn)高度為0.8 m。

2.3 溫室朝向?qū)Σ晒庑实挠绊?/h3>

在溫室其他結(jié)構(gòu)相同的條件下，造成溫室內(nèi)環(huán)境差異的主要原因是溫室的朝向[32-33]。本研究基于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)律和透光衰減模型，以楊凌地區(qū)為例給出了2種前屋面曲線形狀的日光溫室在不同朝向下的透光率變化情況，如圖9所示。對(duì)比2種采光面曲線形式的棚型可知，在南偏東10°～南偏西10°的朝向區(qū)間內(nèi)，透光率最大時(shí)刻都處于13:00左右，該時(shí)刻棚膜表面的太陽(yáng)入射角最小?！白背?，東西走向”是大部分日光溫室的方位朝向，但在中國(guó)北方緯度較高的地區(qū)，上午揭簾時(shí)間較晚，使得溫室內(nèi)下午實(shí)際日照時(shí)間比上午長(zhǎng)，因此溫室朝向應(yīng)適當(dāng)向西偏轉(zhuǎn)以盡可能利用下午的光照。

本文以楊凌2020年冬至日為例，計(jì)算溫室的揭簾和閉簾時(shí)間[10]，見(jiàn)式（24）和（25）。

式中1為揭簾時(shí)間；2為閉簾時(shí)間；1為冬至日楊凌當(dāng)?shù)厝粘鰰r(shí)間，7:50；2為冬至日楊凌當(dāng)?shù)厝章鋾r(shí)間，17:42，楊凌位于北緯34.16°。

理論計(jì)算出冬至日楊凌當(dāng)?shù)亟液煏r(shí)間為早晨8:24，閉簾時(shí)間為下午17:22，由此可知，上午和下午溫室接受光照的時(shí)間均大致為4.5 h，不同朝向的溫室在上午和下午的透光率有一定差異，南偏東朝向的溫室雖然上午棚膜透光率高，但冬季早上氣溫低，較高的透光率對(duì)溫室內(nèi)部增溫效果不明顯，而且根據(jù)實(shí)地調(diào)查得知，農(nóng)民控制的實(shí)際揭簾時(shí)間一般在9:00左右，所以日光溫室上午的受光時(shí)間更短，因此楊凌地區(qū)的溫室朝向應(yīng)為南偏西。根據(jù)GB/T 19165-2003《日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能要求》中對(duì)溫室方位的規(guī)定[34]：偏東或偏西不宜超過(guò)10°，并且為了兼顧利用上午的太陽(yáng)光照，防止過(guò)分偏西導(dǎo)致正午時(shí)刻太陽(yáng)直射光損失大，升溫不足[35]。得出楊凌地區(qū)的拋物線和單斜線日光溫室朝向的推薦值為南偏西5°?？蓾M足在冬至日正午前后2 h內(nèi)，采光面的太陽(yáng)入射角處于合理采光角范圍內(nèi)，采光效率較高。

2.4 薄膜材料對(duì)采光效率的影響

溫室薄膜最重要的2個(gè)特征是透光率和保溫[36]。目前西北干旱地區(qū)溫室覆膜材料主要是白色PO膜，但由于西北地區(qū)夏季太陽(yáng)光照強(qiáng)度大，為避免太陽(yáng)輻射對(duì)棚內(nèi)作物的灼傷，緩解溫室內(nèi)的高溫氣候，近年來(lái)農(nóng)戶更偏向使用不同顏色的轉(zhuǎn)光膜[37]，如綠色PO膜（增加綠色光照，抑制雜草生長(zhǎng)），紅色PO膜（透射更多紅光，阻擋其他不利色光），藍(lán)色PO膜（保溫性能更優(yōu)）等，雖然不同顏色PO膜的透光率相比白色PO膜降低了約5%～15%，但針對(duì)不同作物的特定栽種需求，其他顏色的PO膜能為農(nóng)戶提供更多選擇。綜上所述，本試驗(yàn)選取保溫性能較好的藍(lán)色PO膜和透光率較好的白色PO膜，探究2種覆蓋材料的初始透光性能和灰塵積累對(duì)其透光率的影響。

圖10為拋物線型大棚上覆蓋的白色PO膜和藍(lán)色PO膜在清潔狀態(tài)和灰塵覆蓋下透光率隨時(shí)間的變化曲線。

由圖10可知，清潔狀態(tài)下白膜比藍(lán)膜的初始透光率更高，平均高出8.65%。灰塵累積后，藍(lán)膜透光率衰減更明顯，同等條件下比白膜降低了10.05%。結(jié)合圖2的積灰密度隨斜率分布曲線進(jìn)行分析：兩種薄膜在斜率相同時(shí)灰塵分布存在一定差異，該拋物線型大棚有2/3跨度的斜率絕對(duì)值在0.4～0.8范圍內(nèi)，而該斜率區(qū)間內(nèi)藍(lán)膜的灰塵累積量大于白膜，所以其透光衰減更多，此外，藍(lán)膜為達(dá)到更好的保溫性能，厚度稍大也是其初始透光和積灰后透光均低于白膜的原因。因此，在弱光低溫的冬季，為保障溫室內(nèi)較高的光照強(qiáng)度，建議選用的前屋面覆蓋材料為白色PO膜。

3 討 論

積灰分布模型是本研究相比其他溫室采光效率模型的創(chuàng)新之處，考慮薄膜表面灰塵的影響更符合溫室真實(shí)的采光情況。下文主要從模型假設(shè)、通用性以及模型不足3個(gè)方面進(jìn)行討論。

在模型構(gòu)建過(guò)程中，假設(shè)灰塵在棚膜表面沿東西走向上均勻分布，但實(shí)際情況是壓膜線一般位于兩根拱架之間，壓膜線與薄膜接觸位置處也聚集了部分灰塵，因此，在溫室薄膜沿長(zhǎng)度方向上，灰塵并不完全是均勻分布，但在每天的卷放簾過(guò)程中，保溫被對(duì)薄膜表面灰塵存在吸附，壓實(shí)和重分布作用，一定程度上使灰塵的分布均勻化，而且非均勻分布的區(qū)域長(zhǎng)度占整個(gè)溫室長(zhǎng)度的比例很小，故假設(shè)不考慮壓膜線的影響。

積灰分布模型具有一定的通用性，通過(guò)將前屋面斜率與積灰密度建立關(guān)系，不論棚型（拋物線型、單斜面型、圓弧—直線型、冪函數(shù)型等）有何區(qū)別，僅需知道曲線方程，即可求得棚膜上任一點(diǎn)沿跨度方向上的斜率，進(jìn)而得到棚膜曲面上任一點(diǎn)的積灰密度。從試驗(yàn)方法來(lái)看，“實(shí)地取灰”和“篩分飄落”可以較真實(shí)地模擬灰塵在空氣中運(yùn)移的過(guò)程，使灰塵分布更接近自然狀況。

但積灰的定量研究很多，本研究在建立前屋面采光效率模型時(shí)重點(diǎn)關(guān)注薄膜積灰密度與透光率的關(guān)系，而對(duì)于影響灰塵密度的各種其他因素：如保溫被材料、卷放的影響、風(fēng)速、風(fēng)向及附近是否存在空氣污染源和大氣環(huán)境質(zhì)量等尚未深入探討，并且針對(duì)薄膜表面灰塵的成分、來(lái)源以及不同地區(qū)灰塵的累計(jì)沉降速率等問(wèn)題，也有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

本研究考慮了積灰和太陽(yáng)入射角對(duì)棚膜采光效率的影響，建立了日光溫室前屋面采光效率計(jì)算模型。以溫室進(jìn)光量最大為目標(biāo)，應(yīng)用該模型對(duì)楊凌地區(qū)日光溫室采光面曲線形狀，朝向和棚膜材料進(jìn)行探究，主要得到以下結(jié)論：

1）建立的日光溫室前屋面采光效率模型與實(shí)測(cè)值的模擬精度較高，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值平均絕對(duì)誤差分別為0.90%，2.13%和2.02%，得出有灰較無(wú)灰情況使棚膜透光效率平均降低約16.2%，表明灰塵對(duì)棚膜透光存在較大影響。本模型在無(wú)灰情況下的計(jì)算值與前人研究中提出的透光率公式計(jì)算值很接近，說(shuō)明以往的研究總是將棚膜表面假設(shè)為理想的無(wú)灰清潔狀態(tài)，所以透光率計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏高。

2）應(yīng)用該模型對(duì)楊凌地區(qū)常見(jiàn)日光溫室大棚的前屋面曲線形狀、朝向和覆蓋材料類型進(jìn)行探究，結(jié)果表明，拋物線型和單斜線型兩種曲線狀的溫室，當(dāng)前屋面控制點(diǎn)高度分別為0.6 和0.8 m時(shí)，其透光率較高；朝向?yàn)槟掀?°時(shí)，在冬至日正午前后2 h內(nèi)，棚膜表面的太陽(yáng)入射角處于合理采光角范圍內(nèi)，采光效率較高；冬季日照時(shí)數(shù)少，光照強(qiáng)度弱，為增加溫室采光，建議選取覆蓋材料為白色PO膜。

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Establishment and application of daylighting efficiency model for the front roof covered with dust film in solar greenhouses

Zhang Rui, Liu Yichuan, Zhu Delan※, Ge Maosheng

(1.,712100,; 2.,,,712100,)

Highly efficient use of solar energy depends mainly on the reasonable daylighting design of the front roof in a solar greenhouse. This study aims to establish a daylighting efficiency model for the front roof of a solar greenhouse in a natural environment. Taking Yangling district, Shanxi Province of China, as the study area, the dust accumulation and distribution were also acquired on the surface of greenhouse film under the conditions of no rain for a long time in winter. The light transmittance of greenhouse film was evaluated under different solar incidence angles and ash accumulation. An ash accumulation distribution model and a light transmittance attenuation model were constructed for the greenhouse film, further combining with the calculation model of solar incidence angles. Matlab platform was selected to develop the script for the calculation program of light transmittance for the front roof in a solar greenhouse. The transmittance of the daylighting surface was first simulated using the geographic coordinates of a greenhouse, date and time, the curve shape of the daylighting surface, orientation, and the type of film materials. A field test was also carried out to verify the model in the study area. The results showed that: 1) There was a similar simulation accuracy of the transmittance model and the measured value when considering both the influence of dust accumulation and solar incidence angles. The average absolute error of calculated and measured values at three measuring points were 0.90%, 2.13%, and 2.02%, respectively. The transmittance efficiency of greenhouse plastic film decreased by about 16.2% in the case of ash accumulation, compared with that without ash accumulation. This indicated that there was great significance of ash accumulation to precisely predict the light transmittance. 2) The high transmittance of the winter solstice was taken as the design goal in the study area, while the point of 0.8m away from the bottom of the front roof in the greenhouse was determined as the control point. The optimal heights of control points on the front roof were 0.6 and 0.8 m for the greenhouses with the parabolic and the single-oblique curves. Correspondingly, the solar incidence angles of the daylighting surface were within the reasonable range of daylighting angles within 2 h before and after noon on the winter solstice, when the construction orientation was 5° from the south by west. Therefore, the daylighting efficiency and energy capture were higher than those in the other orientations. 3) Two kinds of plastic films were tested to make sure the higher light intensity in the greenhouse. It was found that the white PO film performed better in winter, where the outside environment was in low light level and cold. As a result, it was suggested to select the white PO film as the covering material of the front roof. This finding can provide a promising theoretical foundation to calculate the daylighting efficiency of the film surface, thereby optimizing the daylighting surface structure in a greenhouse.

greenhouse; film; ash accumulation; curve shape; orientation; light transmittance

張銳，劉一川，朱德蘭，等. 考慮薄膜積灰的日光溫室前屋面采光效率模型構(gòu)建及應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(13)：190-199.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022 http://www.tcsae.org

Zhang Rui, Liu Yichuan, Zhu Delan, et al. Establishment and application of daylighting efficiency model for the front roof covered with dust film in solar greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 190-199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022 http://www.tcsae.org

2021-04-21

2021-06-28

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFE0103000）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020ZDLNY01-01）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52009111）

張銳，研究方向?yàn)闇厥医ㄖY(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境。Email：17780525381@163.com

朱德蘭，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵O(shè)施水肥與環(huán)境調(diào)控技術(shù)研究，Email：dlzhu@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022

S625.1

A

1002-6819(2021)-13-0190-10