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华北型(双层充气)连栋塑料温室光环境数值模型研究

潘强  
【摘要】: 华北型连栋塑料温室具有良好的节能特性,是国内自行设计、开发的第一种 双层充气膜温室。本文首次系统地研究了双层充气连栋塑料温室光环境,根据塑 料薄膜对光辐射的漫射特性和规则透射特性,从光度学中光能传递的基本理论出 发,引入蒙特卡罗方法、光线跟踪方法和辐射度方法,建立双层充气连栋塑料温 室光环境模型,实现了双层充气膜和中空PC板透光过程的精确描述。 1、华北型连栋塑料温室采用双层充气薄膜覆盖后,在北京地区冬季透光率降低 15%左右,其中直射光透光率比单层覆盖降低14.1%,散射光透光率降低 15.1%。室内太阳辐射的漫射成分较高,室内光能分布均匀,无明显阴影,对 于提高床面光照分布的均匀性以及提高作物群体的光能利用率有利。研究表 明,冬季华北型温室室内平均光照强度全天低于2000Lux,喜光作物的栽培需 进行人工补光。 2、试验和模型模拟结果表明,温室平均透光率随时间变化不大。光辐射分布规律 为:跨中高,两侧低,跨中与天沟下方透光率相差5%左右。温室纵向光照分 布呈现“南面高、中间平、北墙附近出现峰值”的特点,南面山墙处透光率最 高,山墙顶部投影以北逐渐减低15~30%。北部透光率峰值位于北山墙1跨远 处,由北山墙反射引起,透光率高出温室中部1%左右。本研究提出温室重点 补光区域应在各栋中部以北天沟位置,自控系统光照(量子流密度)传感器应 布置在温室中部天沟与跨中之间,以反映温室平均太阳辐射获得情况。 3、对中空PC板的透光研究表明,验证了前人(董仁杰,1997)提出的M-C方法 可以实现复杂盖层透光特性描述的结论。 4、本文提出,双层充气连栋塑料温室盖层对光辐射具有明显的漫射作用,传统光 环境模型无法进行精确描述。作者提出基于光度学原理的“二步法”光能传递 理论,用于双层充气连栋塑料温室光环境模拟。将光线跟踪技术用于直射光传 递和分布描述,首次引入温室光环境研究的辐射度方法实现了漫射光在各表面 间的传递和分布的精确模拟,改进的光线跟踪和辐射度方法对双层充气塑料连 栋温室光环境的模拟精度满足科研和生产控制要求。 5、提出假设:连栋塑料温室内任意点的透光率增益等于各单栋塑料温室增益值之 和。验证了推论:无限跨温室平均透光率增益=单跨增益在跨度方向上的积分/ 跨度。散射光条件下连栋塑料温室的光环境状况可由单栋温室测量值通过叠加 模型进行推测,结合直射光条件下的垂直立柱投影法,本文提出了双层充气连 栋塑料温室光环境简化模型,并得到实验验证。 6、发现冷凝和积尘对温室透光影响重大。北京地区冬季无滴情况下双层充气膜的 博士学位论文 论文摘要 ’ 透过率要比有滴状态透光率高约 14%,积尘降低透光率约 10%。 7、对室内太阳辐射的分布进行了研究,地面获得60%以上太阳辐射,北山墙获得 15%左右的太阳辐射,并通过反射对山墙前的地面作出重要贡献。 8、对温室透光率影响因素进行了模拟分析,提出: 门)双层充气膜充气厚度对室内光环境的影响(小于1%)可以忽略。 (2)南山墙对室内光环境造成重大影响,随着温室长度的减小,影响程度加 大。采用透光率高的材料作为南山墙,可以大大缓解短温室的冬季弱光 环境。 7 (3)温室方位、长度和结构尺寸对透光率分布均产生影响。温室方位改为东 西向冬季可以提高透光率 10%左右。 (4)较短的温室平均透光率高,但光辐射分布的均匀性差。在散射光条件 下,低墙高将导致连栋温室内光环境不均匀。 (5)屋顶高度小导致全天辐射波动大,而大屋顶高度又使得中午时分透光率 降低,断面光辐射分布均匀性变差。作者推荐使用大屋顶高度,以提高 上午透光能力。 作者对双层充气膜温室的进一步研究提出了建议。


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