溫室內(nèi)輻射空間分布模型研究

宋岷釜++王峰++吳奇++張萌

摘要 參考太陽天文輻射量的計算方法及輻射在山地上重新分配后的空間分布模型，研究北方斜面日光溫室內(nèi)太陽輻射的空間分布。本設(shè)計以日光溫室西墻與北墻相交的下基點為原點，建立空間坐標(biāo)系，模擬溫室東、西山墻及采光屋面的函數(shù)曲線，然后通過計算日光溫室東、西、北山墻對日光溫室內(nèi)任一點的可蔽視角，結(jié)合日光溫室所在地緯度、坡面、溫室結(jié)構(gòu)等參數(shù)得到該點日出日沒時刻，再根據(jù)所求時刻的時角判斷該點是否處在太陽光的直接照射下，進(jìn)一步考慮不同覆蓋薄膜對輻射的透過率，可近似的用該點某一時刻各方位角的仰角占球面全方位角仰角的百分比來計算該點此刻接受到的散射輻射量及總輻射量，從而可模擬出溫室內(nèi)任意一點在任一時刻的輻射量模型。

關(guān)鍵詞 天文輻射；日光溫室；輻射模型

中圖分類號 P422.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）16-0213-02

Abstract Taking solar astronomy，the calculation of radiation and radiation in the mountains after the re-distribution of the spatial distribution model as reference resources，spatial distribution of solar radiation in greenhouse were studied.The design taking north wall point and western wall point intersection as origin，established spatial coordinates，simulated function curve of gable and roof of greenhouse.The design taking north wall point and western wall point intersection as origin，established spatial coordinates，simulated function curve of gable and roof of greenhouse.Combined with latitude，slope and greenhouse structure，sunrise and sunset at any point in the greenhouse were got.Considering the transmittance of the radiation，the radiation and the total radiation were calculated，the radiation model of any point in the greenhouse at any time were simulated.

Key words solar radiation；greenhouse；radiation model

一個地區(qū)由于所處一定的地理緯度，已經(jīng)決定了太陽輻射的天文總量。然而，由于地面起伏變化造成局部地面接收太陽光的狀況存在很大差異，太陽輻射量在地面還存在一個重新分配的過程。不同的坡度、坡向，所受太陽輻射的不同，造成復(fù)雜的太陽輻射空間分布。

考慮地形因素的太陽輻射模型的研究始于20世紀(jì)60年代[1]。由于數(shù)字計算機的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)太陽輻射分析方法的缺陷，氣候氣象學(xué)者開始研究輻射模型的數(shù)學(xué)方法。最近十幾年，對太陽輻射的研究轉(zhuǎn)向太陽輻射模型與GIS的結(jié)合。Dubayah提出了建立地理信息系統(tǒng)中太陽輻射模型，Dozier與James發(fā)展了太陽輻射模型中地形參數(shù)的快速算法。Dubayah和Rich提出了2個模型ATM和SOLA-RFLUX。Kumar、Skidmore和Knowles提出運用數(shù)字高程模型計算晴空條件下太陽直接輻射和散射輻射的模型，該模型可用于計算平原和山地的太陽輻射。Oscar Van Dam進(jìn)行了太陽輻射模擬，Javier G.Corripio針對太陽輻射建模在算法上進(jìn)行了討論[2-4]。本文主要以中國北方最普遍使用的遼沈Ⅰ型溫室為研究對象，分析太陽直接輻射的時空分布狀況。

研究溫室各山墻對待求點的可蔽時角，計算精度取決于山墻模擬曲線的準(zhǔn)確度、溫室空間的大小、太陽方位所在山墻曲線的范圍段，普遍適用于山地、日光溫室等地點輻射值的計算。

1 傾斜面太陽直接輻射強度

研究進(jìn)入溫室內(nèi)的太陽光，既要考慮透明覆蓋材料對光的衰減，也要考慮溫室曲面對光的不同透過率的影響。

在研究太陽輻射進(jìn)入溫室內(nèi)的分布時需充分考慮溫室內(nèi)坡面的弧度問題。太陽輻射到達(dá)采光屋面時的切平面不同，該曲面下的透光率就不同，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)模擬出目標(biāo)溫室的縱切面圖，如圖1所示。

可以看出，以西山墻北地角為坐標(biāo)原點，溫室豎直高度為z，橫軸為y軸，縱軸為x軸，且y=60.0，x其分段范圍為：0≤x<1.4，1.4≤x<3.32，3.32≤x<5.86，5.86≤x<7.4，7.4≤x<7.72。

對于任意給定時刻，為了便于計算，首先根據(jù)溫室的實際幾何參數(shù)把曲面分割成4個小折面，把曲面問題轉(zhuǎn)化為平面問題[5-9]。小折面數(shù)的多少取決于對計算精度的要求和溫室的結(jié)構(gòu)。從理論上講，當(dāng)著面數(shù)趨于無窮大時，小折面完全逼近曲面。從4個小折面中取出一個折面按斜面計算其瞬時輻射值，其他折面按相同方法處理。

2 模擬設(shè)計

如圖2所示，以西山墻北基點為坐標(biāo)原點，溫室豎直方向為Z坐標(biāo)軸，北墻走向為Y坐標(biāo)軸，西山墻走向為X坐標(biāo)軸，建立空間坐標(biāo)系。根據(jù)實測溫室結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可擬合出溫室后坡及采光屋面的函數(shù)表達(dá)式[10-11]，即：

Z（x）=0.794 6x+2.591 4-0.292 7x+4.118 5-0.019 8x2-0.220 2x+4.085 8-0.199 7x2+1.838 2x-1.798 5-5x2+73.3x-267.8 0≤x<1.4

1.4≤x<3.32

3.32≤x<5.86

5.86≤x<7.4

7.4≤x<7.72

空間高度與距北墻的距離為：x=-0.375z2-0.08z+7.72（圖3）。

3 溫室內(nèi)總輻射強度

3.1 直接輻射強度

在模型所需各參數(shù)給定的情況下，根據(jù)溫室內(nèi)某一點的日出日沒時間規(guī)律判斷該點在某一時刻是否處在太陽光直接照射下，若在某一時刻未處在直接照射下，則該點接收到的直接輻射值為零，否則根據(jù)公式進(jìn)行計算。計算公式如下[12-15]：

S直=S′r，p×η

其中：η-覆蓋材料的透過率。

3.2 散射輻射強度

地面接受的總太陽輻射量由散射輻射（簡稱散射）量和直接輻射（簡稱直射）量兩部分組成。散射部分是太陽經(jīng)大氣層氣體，塵埃散射地面反射等因素形成的輻射部分，與海拔高度、緯度、太陽高度角、大氣質(zhì)量、空氣濕度、地面反射率等參數(shù)有關(guān)。散射輻射再通過塑料薄膜覆蓋的傾斜采光面的衰減，在溫室內(nèi)的分布又受溫室內(nèi)大氣質(zhì)量、山墻、溫室結(jié)構(gòu)遮蔽等的影響而使其空間分布相當(dāng)復(fù)雜。本模型中為了估算溫室內(nèi)任意一點的散射量，做出假設(shè)：任意一點的散射來自于以該點為中心的半球面上各點的散射，并且來自半球面的散射各方向均一。

4 結(jié)語

由于太陽在黃道上的運動不是均勻的，而是時快時慢，因此，真太陽日的長短也就各不相同。同時地球周圍的大氣對太陽光也有明顯的折射作用，一般來自地平方向的光線折光差可達(dá)34°之多。這就意味著當(dāng)太陽中心還在地平線以下50°時，太陽上緣已經(jīng)與地平線相切了。

在溫室內(nèi)，計算某一點的散射輻射值時做了2個理想化的假設(shè)，但在實際溫室中小氣候環(huán)境非常復(fù)雜，多種因素會影響到空間散射輻射分布。再加之溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的多樣性會對設(shè)計結(jié)果有一定的影響，其中龍骨架（溫室縱向主架和附架各65個，每個直徑分別為2.75 cm和1.22 cm；溫室橫向主架5個，直徑為2.24 cm）的存在便會產(chǎn)生一定的誤差，因此設(shè)計中所得的結(jié)果只是一個理論結(jié)果，與實際的數(shù)值會存在一定的偏差。

5 參考文獻(xiàn)

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