溫室采光面傾角設計

1、自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 1 頁溫室采光面傾角設計溫室采光面傾角設計組長：黃瑩組長：黃瑩成員：唐曉宇、丁琦成員：唐曉宇、丁琦2010-1-13自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 2 頁目目 錄錄1.溫室采光面傾斜角設計綜述溫室采光面傾斜角設計綜述.31.1 提出問題提出問題.31.2 知識背景知識背景.32. 數(shù)學建模數(shù)學建模.52.1 屋面玻璃透光率數(shù)學模型.52.2 光環(huán)境模型.63. MATLAB 仿真結果仿真結果.93.1 采光面傾角變化對入射角影響的仿真.93.2 對植物種類的推廣.93.3 對溫室方位的推廣.113.4 對地理范圍的推廣.124. 結論結論.135. 研究

2、拓展研究拓展.136. 參考文獻：參考文獻： .15自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 3 頁1.溫室采光面傾斜角設計綜述溫室采光面傾斜角設計綜述1.1 提出問題提出問題浙江省位于北緯 27.231.5之間，氣候溫暖宜人，土地富庶豐產，自古便被稱作“魚米之鄉(xiāng)”，利于溫室的發(fā)展。隨著農林業(yè)科技的發(fā)展，越來越多的溫室被投入到生產線上，尤其是一些名貴花木的種植更是離不開溫室大棚。在生產發(fā)展的同時，溫室在建筑結構上的問題也日益突出。大多數(shù)進口溫室在設計時采用的是國外的地理氣候參數(shù)，其功能并不一定適用于國內生產；國產溫室也存在溫光性能不好，控制系統(tǒng)簡單粗放，耗能高，效益低的問題；同時結構和規(guī)范的不統(tǒng)一，

3、給農業(yè)建筑標準化和生產帶來一定困難，使生產成本增高。因此，研究規(guī)范溫室的結構，推廣標準化溫室，成為當前降低溫室農業(yè)生產成本的一個重要課題。我們這次自動化綜合實驗選題，旨在研究溫室采光面傾斜角對溫室內作物的生長的影響，以得到最適宜的溫室采光面傾斜角，以利于節(jié)約能源，便于實施標準化，規(guī)范化的統(tǒng)一溫室建筑生產和調試。隨后能夠有利于下一步的研究和應用，以達到學以致用，服務于生產實踐和設計推廣的最終目的。1.2 知識背景知識背景對于溫室植物來講，陽光是必不可少的一個自然影響因素。根據(jù)相關研究文獻和生產實地考察，我們有這樣一些關于日光溫室采光面的知識背景。太陽直射光、散射光和反射光均可以透過采光面進入日光

4、溫室。散射光和反射光無方向性，在透過采光面進入溫室的光輻射中占很少份額，溫室內接受的光輻射主要源于直射光。日光溫室采光面的設計主要是保證直射光的透過量滿足設計要求。如圖 1 所示是植物生長過程中的光照來源和去向示意圖自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 4 頁圖圖 1太陽光照射到覆蓋材料之后，一部分被吸收，一部分被反射，另一部分則透過覆蓋材料照射到溫室內。太陽光線除被吸收外，其余的被反射到溫室外和透射到溫室內，這與陽光入射角有直接的關系。其關系如下：吸收率吸收率+反射率反射率+透光率透光率=100對于作物來說，存在如下圖 2 所示的熱量平衡數(shù)學模型：圖圖 2自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 5

5、 頁而在這次研究里，我們主要考慮太陽光照輻射，根據(jù)物理知識我們可以知道，太陽光照輻射可以根據(jù)如下公式計算出來：三個影響光照輻射因數(shù)為采光面積，玻璃透光率，光照強度。采光面積和光照強度并不是我們本次研究的主要對象，而對于不同的溫室采光面傾斜角，玻璃的透光率是不同的，我們針對不同的采光面傾斜角進行研究，務求出最佳的傾斜角，使溫室的玻璃透光率達到最大值。2. 數(shù)學建模數(shù)學建模2.1 屋面玻璃透光率數(shù)學模型屋面玻璃透光率數(shù)學模型對于屋面玻璃透光率，有如下數(shù)學物理公式：222(1)/(1)rar a其中 r界面反射率，玻璃折射率 n=1.526a光在玻璃內前進時穿透的比率，玻璃吸光系數(shù)k=6.851/m

6、對于界面反射率22220.5sin ()/sin () tan ()/tan ()r 對于光在玻璃內墻進時穿透的比率exp/ cosakL其中，L-玻璃厚度 對于玻璃折射率sinsinn通過對這些數(shù)學物理公式模型的 Matlab 仿真，得到如下圖 3 透光率與入射角關系的曲線。radsaaQA I自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 6 頁00.20.40.60.811.21.41.600.10.20.30.40.50.60.70.80.9下 下 下 下 下 下 下 下 下下 下 下下 下 下(/4)圖圖 3右圖是采光面和入射角簡單示意圖：由圖知，合理入射角應小于 40。太陽高度角隨時間變化，要

7、保持光線持續(xù)垂直照射到 OH 斜面（即屋頂采光面）是不可能的。采光面直射光透過率與光線入射角并不呈單調線性關系，要滿足在一天中溫室內獲得的光輻射達到設計要求，必須保證在一定時間內直射光入射角介于 040之間。2.2 光環(huán)境模型光環(huán)境模型太陽高度角太陽高度角對于太陽高度角 h：sinh=sinsin+coscoscosT0 其中，h-太陽高度角，-緯度，-太陽赤緯，T0-太陽時角自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 7 頁 若為正午，太陽時角為 0，則有sinh =sinsin+coscos=cos(-)太陽赤緯太陽赤緯對于太陽赤緯： =0.3723 + 23.2567sin1 + 0.1149s

8、in21 - 0.1712sin31 - 0.758cos1+ 0.3656cos21+ 0.0201con31其中， 1=2(N+N-N0)/365.2422 其中，N天數(shù)順序排列的積日，2009 年積日為 364 天 N積日訂正值N0=79.6764+0.2422(年份-1985)N=(W-L)/24W=(S+F/60)L=(long+M/60)/15其中，long觀測點經度 M分鐘值，換算成與格林尼治時間差 L，東經取負 號，西經取正號 S觀測時刻的時值，08:0012:00 F分值注意注意：以上太陽赤緯計算公式適用于我國 杭州經緯度為(120.17E,30.3N)太陽時角太陽時角對于太

9、陽時角 T0：T0=(TT-12)15TT=TM+Et=CT+Lc+Et2=57.29581其中，TT太陽真時 TM地方時間 Et時差 CT標準時間，此處采用北京時間自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 8 頁 Lc經度訂正，4min/度Et=0.0028-7.0924cos2-1.9857sin2-0.6882cos22+9.9059sin22下圖 4 是中國地區(qū)太陽時差 Et 的周期規(guī)律圖，在計算中可以用來驗證計算的正確性。圖圖 4太陽方位角太陽方位角(A)cosA=-sinT0cos/sinh采光面上方位角采光面上方位角cosA=(cossini-sinh)/(sincosi)采光面入射角

10、采光面入射角cosi=sinhcos+coshsincos(A-Aw) 其中，正南方向時 Aw=0，-采光面傾斜角，i-采光面入射角自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 9 頁3. Matlab 仿真結果仿真結果3.1 采光面傾角變化對入射角影響的仿真采光面傾角變化對入射角影響的仿真由圖 3 透光率與入射角關系的曲線，4O以內透光率隨入射角的變化不大可知，溫室生產需要在一天中保證有 4 h 較好的光照條件 ，即要求冬至日 10：0014：00 陽光對溫室斜面入射角 應控制在 4O之內。88.599.51010.51111.51210203040506070下 下 下 下 下 下 下 下 下 下

11、下 下 下 下 下Time/下下 下 下 i =24=28=32=36=40圖圖 5由圖 5 可知，隨著屋頂傾斜角的減小，溫室相繼進入最佳采光時間段（太陽光入射角為 040范圍），但是考慮溫室結構中屋脊的工程力學承受等因素，屋頂傾斜角不宜過大，且在冬季時，過早的光照在寒冷溫度的影響下，并沒有什么很多的用處，所以綜合以上考慮因素，選擇 32作為杭州一般植物溫室最佳屋頂傾斜角，此時溫室方位為正南方。自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 10 頁3.2 對植物種類的推廣對植物種類的推廣下圖 6 為透光率變化仿真曲線：由圖 6 可知，對于不同傾斜角下的玻璃透光率，在 9：30 之后的差別是不大的，在11

12、：00 后基本相似。88.599.51010.51111.5120.780.80.820.840.860.880.9Time/下下 下 下下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 =24=28=32=36=40圖圖 6所以根據(jù)不同植物的日照特性，可以調整溫室屋頂?shù)膬A斜角，以滿足不同植物對長短日照的需求。短日照植物可以采用較小的屋頂傾斜角，長日照植物采用較大的屋頂傾斜角。考慮溫度等各方面氣候影響,選用 32 度作為一般瓜果類作物(喜光作物)玻璃溫室屋角傾斜度,早晴朗的天氣里,早上九點開始有較好的采光角度,一天有 56h 較好的采光時段.對于蝴蝶蘭一類的喜陰作物,則可根據(jù)

13、其生長特征,選擇適當?shù)慕嵌纫赃m應其光照要求自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 11 頁3.3 對溫室方位的推廣對溫室方位的推廣88.599.51010.51111.51215202530354045505560下 下 下 下 下 下 下 15下 下 下 下 下 下 下 下Time/下下 下 下 i =24=28=32=36=40圖圖 788.599.51010.51111.512202530354045505560下 下 下 下 下 下 下 30下 下 下 下 下 下 下 下Time/下下 下 下 i =24=28=32=36=40圖圖 8自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 12 頁圖 7、圖

14、 8 是采用了不同的溫室方位（南偏東 15和南偏東 30）時的圖線，進行這兩個仿真舉例是想說明，根據(jù)不同的溫室方位，可以采用相同的方法進行研究，得到最佳的傾斜角度。3.4 對地理范圍的推廣對地理范圍的推廣下表 1 是不同緯度（浙江地區(qū)）下冬至太陽入射角的變化 (傾斜角為 32) 表表 1自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 13 頁表表 1（續(xù)）（續(xù)）這表明當各緯度地區(qū)采用同一采光面傾斜角度時各緯度間對光線入射率影響不大。以 12 時光線入射率為例，最高與最低緯度光線入射率相差基本可忽略不計;再從占有較好采光時段的時間來看，當采用同一采光面傾斜角時，各緯度大約在 9 點左右先后進入較好的采光時間

15、全天較好采光時段歷時均大于 4h符合最佳采光時段選擇的設定標準。說明溫室采光面傾斜角在最佳值附近變化幾度時，對溫室采光性能影響不大。故可選擇 32 作為浙江全省節(jié)能型日光溫室采光面傾斜角度。4. 結論結論由以上的數(shù)學建模和 Matlab 仿真，我們可以得到如下的結論：對于我們建立的杭州地區(qū)正南方位普通植物一般模型，屋頂傾斜角 32是能夠滿足光照條件的最佳角度。根據(jù)不同的植物類型及其對光照的不同生長要求，可以采用不同的屋頂傾斜角來滿足其對日照的需求。為了適應不同的溫室方位，我們也給出了研究最佳屋頂傾斜角的一般思路，同時將這一結論從杭州地區(qū)推廣到了浙江省全省范圍內，具有一定的實用價值，并且給出了一

16、個溫室屋頂傾斜角選擇的規(guī)范化過程。5. 研究拓展研究拓展為了進一步拓展溫室屋頂傾斜角的研究，我們對于現(xiàn)在發(fā)達國家新興并且進行了一定范圍內應用的全開啟式新型溫室采取了一些研究。全開啟式新型溫室打破了傳統(tǒng)的溫室頂部固定的方式，采用了以溫室天溝為固定軸，整個屋面能繞天溝旋轉，達到溫室頂部全開的目的，給作物的生長提供全部的自然光照，滿足作物生長所需的多種光譜能量的需求。屋面可開啟式連棟溫室最大的優(yōu)勢是解決好溫室內低透光和濾波的難題，在適宜的季節(jié)里，讓植物完全接受自然光的全波輻射，與外界空氣直接接觸，使溫室內作物不再嬌嫩，品質更優(yōu)異。頂部大角度張開，使溫室內外完全相通，通風效果良好，通風效率近100%，

17、與傳統(tǒng)溫室相比，極大的降低了溫室降溫的運行成本。白天當溫室溫度偏高時，頂窗開啟后，配合內遮蔭的遮蔭效果和溫室側開窗的通風，使溫室在溫度高時轉變?yōu)檎谑a棚，達到有效降溫的目的；當晚上溫度偏低時，將溫室頂部關閉，在配合內保溫遮蔭系統(tǒng)，又能達到高檔溫室的保溫效果。我們運用 Matlab 中的 Simulink 功能，搭建了全開式溫室屋頂?shù)?PID 控制結構，并進行了仿真，與傳統(tǒng)式固定屋頂進行了對比如下：自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 14 頁圖 9 是 Simulink 的全開式溫室屋頂角度的 PID 控制結構圖圖 9下圖 10 是傳統(tǒng)固定式屋頂（傾角 30）仿真結果：圖圖 10下圖 11 是全開

18、式溫室屋頂?shù)姆抡娼Y果：自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 15 頁圖圖 11可見，全開式屋頂可以更好的使用光能，更靈活的調整出適合植物生長的環(huán)境。在未來的溫室科技中，有更大的發(fā)展和應用空間。6. 參考文獻：參考文獻：不同結構日光溫室光環(huán)境及補光研究王靜，崔慶法，林茂茲(蘭州大學)對太陽高度角的了解及其計算方法費云霞 王春順 (大慶市氣象局)高寒地區(qū)大型日光溫室的采光設計陳 健 劉志杰(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)基于 MATLAB 的溫室環(huán)境參數(shù)優(yōu)化王麗艷。 ，崔國 ，郭樹國 ，邱立春(1沈陽農業(yè)大學工程學院，沈陽 1 10161；2朝陽工程技術學校，遼寧朝陽 122000；3沈陽化工學院機械工程學院，沈陽 110142)氣象用太陽赤緯和時差計算方法研究 于賀軍（北京交通大學，北京 100044）日光溫室采光屋面曲線數(shù)學模型的建立與分析軒維艷(天津市寶坻區(qū)林業(yè)局，天津寶坻，301800)日光溫室方位角實驗研究 林川渝 （內蒙古自治區(qū)農業(yè)廳，呼和浩特 010010）自動化綜合實驗溫室采光面傾角設計第 16 頁日光溫室環(huán)境預測模型構建辛本勝，喬曉軍，滕光輝(I北京農業(yè)信息技術研究中心，北京 100089；2中 I 玉 I