日光温室中直射光的计算机模拟方法——设施农业光环境模拟分析研究之三

在覆盖材料确定时,温室采光屋面的几何形状直接决定着温室的光环境,即温室内的采光量及其时空分布特征。本文的主要研究对象是我国目前较为普及的日光温室。首先,采用数学函数方法,生成各种不同曲率的采光屋面,由此构造出具有不同几何形状的日光温室。第二,根据已经建立起的温室采光理论,建立计算机模拟模型,对其内部的直射光环境进行模拟。通过对模拟结果进行评判对比,可筛选出优化的温室采光结构。因此本项研究可为温室结构优化设计和生产管理提供科学依据和分析工具。     

温室采光辅助设计软件(GRLT)的研制——设施农业光环境模拟分析研究之二

本文应用计算机模拟技术,研制了适合我国不同温室光环境分析的辅助设计软件GRLT。该软件可用于分析太阳直接辐射在温室内的时空分布,并能确定出最佳采光的温室结构。GRLT软件可在MS—DOS3.30以上操作系统支持下,在386、286和IBM—PC/XT及其兼容机上运行,用户界面友好,操作方便。它是温室采光优化设计的一种辅助工具。     

考虑薄膜积灰的日光温室前屋面采光效率模型构建及应用

为确定自然环境下日光温室前屋面的采光效率,通过实测数据获得杨凌地区冬季长时间无雨状态下棚膜表面的灰尘积累分布情况以及不同太阳入射角及积灰程度下的棚膜透光率,构建了积灰分布模型及棚膜透光率衰减模型,在此基础上结合太阳入射角计算模型,采用MATLAB作为开发工具编写日光温室前屋面透光率的计算程序。通过输入温室地理坐标、日期时间、采光面曲线形状、朝向、棚膜材料种类,模拟出采光面上的透光率,并在杨凌地区对模型进行验证与应用。结果表明:同时考虑灰尘和太阳入射角的影响,建立的透光率模型与实测值的模拟精度较高,3个测点的模型计算值与实测值平均绝对误差分别为0.90%、2.13%和2.02%;以杨凌冬至日高采光效率为设计目标,将距温室前屋面底端0.8 m处的点作为控制点,确定2种曲线形状的温室,其前屋面控制点高度分别为0.6和0.8 m;朝向为南偏西5°时,在冬至日正午前后2h内,采光面的太阳入射角处于合理采光角范围内,采光效率较高;在弱光低温的冬季,为保障温室内较高的光照强度,建议选用的前屋面覆盖材料为白色PO膜。该研究可为日光温室棚膜表面采光效率的计算及采光面结构的设计优化提供依据。     

连栋温室采光性能评价指标

温室的采光性能决定着进入温室的能量和作物用于光合作用的光合有效辐射大小。但采光性能的优劣在中国缺少明确的评价指标。该文综合分析了已有研究成果,提出了太阳总辐射透过率、光合有效辐射及其在温室内分布的均匀性等3个技术参数作为温室采光性能的评价指标。     

日光温室主动采光机理与透光率优化试验

中国的日光温室实现了高效的太阳能利用,温室采光面的采光设计是其结构设计中的一个极其重要的方面。但是,在实践的设计中,对于自然光入射角小于40°的光照透过率未进行深入的理论研究,使得温室采光的设计长期停滞于经验设计为主的状态。该文采用光学理论计算和试验研究的方法,详细分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率,以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系。从经典光学理论出发,推导了温室采光设计的计算系统计算方法,并结合理论要求并进行试验研究。通过理论推导和试验得到,对于可以主动改变采光角度的主动采光温室条件下,在太阳光入射角达到20°,30°和40°时,太阳光的强度透过率,分别达到了85.68%,76.47%,64.72%。特别是当入射角大于40°时,直射光强度透射率下降更加明显,在入射角为50°和60°时,直射光强度透射率分别为53.38%和39.67%。理论分析和试验研究表明,将温室采光面的倾角从25°提高到35°,理论计算与试验结果均表明通过小幅改变温室采光面的角度即可达到大幅提高温室强度透过率,当温室采用了可以改变采光角度的主动采光屋面后,温室内的光照强度透过率可以提高20.7%~22.8%。     

基于Ecotect的不同墙体材料猪舍光热环境和热性能分析

北方地区冬季寒冷漫长,为探究北方冬季养猪的采光及保温问题,该文基于Ecotect软件,以吉林省内某大型猪场的典型猪舍为对象,等比例建模仿真,研究猪舍的光热环境及猪场生产区光环境,探究猪舍内不同高度的采光系数及猪场生产区采光情况,分析4种形式不同墙体材料猪舍的保温性能。结果表明,试验猪舍各研究高度采光系数均高于2%,满足绿色建筑标准;猪场生产区采光良好,在大寒日的太阳辐射量可达5.38 MJ/(m2·d),日照充足无遮挡;通过对比4种形式不同墙体材料猪舍的逐月能耗值,计算出4种形式猪舍中黏土多孔砖猪舍、泡沫混凝土猪舍、酚醛夹芯板彩钢猪舍和低密度聚乙烯薄膜温室大棚猪舍的保温性能最好,考虑成本后更推荐炉渣砖砌体猪舍、粉煤灰加气砌块猪舍、聚苯夹芯板彩钢猪舍和低密度聚乙烯薄膜温室大棚猪舍;通过将试验实测值与软件模拟值进行数据对比,计算得出相对误差范围为0.74%～8.62%,验证了模型的可靠性。该文可以为探究北方猪舍的光热环境提供理论依据,为建筑设计师在方案实施前提供更多优化设计方案的思路。     

日光温室微气候的模拟与实验研究

运用热力学、传热学和建筑采光的基本理论,建立了日光温室微气候数学模型,编制了计算程序。该程序可以用于模拟分析日光温室室内环境参数的动态过程和分布规律,以及不同太阳辐射,不同围护结构和不同保温覆盖对其参数的影响。为日光温室的广泛应用提供理论依据。     

北京地区典型日光温室直射光环境的模拟与分析——设施农业光环境模拟分析研究之四

在对日光温室采光结构优化研究的基础上,针对北京地区几种典型日光温室的太阳直射光环境,主要从采光量及光分布特征两个方面,进行了模拟和分析。研究结果表明:结构不同的日光温室,采光量及光分布特征均有不同程度的差异,仅以采光总量为例,获得最多采光量与最少采光量者相差高达41.4％,但在地面上的采光量,二者仅相差3.7％,因此对优化的日光温室结构来说,不仅要对日光温室的采光总量做出评价,其分布特征也是不可忽略的重要指标。本研究的结果可对北京地区日光温室结构的进一步优化与改进提供科学依据和参考,对其它地区日光温室结构的优化与改进也有一定的参考价值。     

倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验

为了实现了日光温室对太阳能的高效利用,该文提出了一种适用于高性能采光的倾转屋面日光温室。该文对倾转屋面日光温室的室内光照进行理论分析,试验测试了该日光温室的室内光照与蓄热性能,并与传统8和9 m跨的固定采光面温室分别进行了对比分析。试验结构表明,与普通固定采光面日光温室相比,倾转屋面日光温室的采光性能和温度指标有了明显提高。在晴天和多云采光天气条件下,倾转屋面日光温室室内的辐照度较普通8和9 m跨固定采光面日光温室均有较大幅度的增加,整体采光率分别提高41.75%和25.05%,对应的室内的辐照度增加平均值为69.54和38.99 W/m2。倾转屋面日光温室室内的温度有较大幅度的提高,表现为整体温度水平提高,倾转屋面日光温室较普通8m跨固定采光面日光温室,保温时段平均温度整体提高了3.1℃。该研究结果为温室建筑结构的改良和结构优化设计提供了参考。     

用辐热积法模拟温室黄瓜叶面积、光合速率与干物质产量

依据温室黄瓜叶片生长与温度和辐射的关系,用辐热积构建了两种不同整枝方式下的叶面积模拟模型,并与已有的光合速率和干物质生产模型相结合,建立了适合中国种植技术的温室黄瓜光合速率与干物质生产模拟模型,并利用不同品种、基质的试验资料对模型进行了检验。结果表明,本模型比积温法和比叶面积法能更准确地预测温室黄瓜的叶面积和总干重,为温室作物生长模拟提供了新思路。     

彩钢板保温装配式节能日光温室的温光性能

针对传统日光温室防雨、防雪、防风、防火能力差,以及室内光温环境分布不均匀等问题,研制开发彩钢板保温装配式节能日光温室,该温室骨架为半圆弧形钢结构,采用岩棉彩钢板滑动保温覆盖形式和可移动保温山墙方法,温室跨度12 m、脊高5.5 m、长度65 m,屋面采光角高达41.5°。该日光温室采用水循环系统和空气-地中热交换系统代替土墙和砖墙等蓄热体,解决了装配式日光温室的蓄放热问题,实现了日光温室部件的工厂化生产和安装的标准化装配。与对照（辽沈Ⅲ型土墙日光温室）比较,彩钢板保温装配式节能日光温室脊高前移、位于温室中部,温室后部遮光减少,土地利用率提高20%以上,屋面采光角增加16.3°,采光率提高5.3%,晚间室外大气温度在-25.8℃时,室内气温在13℃以上,室内外温差达到39.1℃,比对照温室提高2.3～3.5℃。彩钢板保温装配式节能日光温室栽培空间大,采光好,升温快,室内横向和纵向光照和温度分布均匀,植株生长整齐,有效解决了传统日光温室抵御雨、雪、风、火自然灾害能力差的问题。该温室集成了大型连体温室温光分布均匀和传统日光温室蓄热保温好的优点,提高了太阳能的利用效率,温室总体温光性能超过对照温室,且滑动覆盖易于实现日光温室保温覆盖件的精准控制,为中国日光温室的自动化控制和现代化提供新途径。     

湿帘-风机降温下的温室热/流场模拟及降温系统参数优化

为提高温室夏季降温环境性能,提出了一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的温室湿帘-风机系统的降温环境优化设计方法。采用太阳射线追踪法来模拟太阳辐射对夏季温室内流场环境的影响,并结合温室内作物的多孔介质模型,构建并求解温室三维非稳态模型,模拟了湿帘-风机降温下的温室内部温度场与速度场分布情况。模拟结果与试验测量的温度值和风速值进行了对比,其平均误差分别在4%和6%以内,验证了建立的温室CFD模型的准确性。结合正交试验方法,基于CFD模型对不同温室长度、湿帘面积和风机速度参数条件下的室内降温环境进行了优化设计。根据模拟优化获得的不同配置方案结果,建立了温室长度、湿帘面积和风机速度参数的拟合结果,为夏季华东沿海地区Venlo型温室湿帘-分机降温系统的设计提供了可靠的理论依据。     

日光温室内太阳辐射估算模型的构建

日光温室内不同位置的太阳辐射量是作物光合和蒸腾模拟模型的重要参数,也是研究温室内墙体能量收支平衡方程的重要因子。该文研究了温室围护结构对太阳辐射的遮蔽,建立了可蔽视角的计算公式,在此基础上估算了晴天温室内任一位置的太阳直接辐射、散射辐射和太阳总辐射,并以辽沈Ⅱ型日光温室为例,将模拟结果与实测结果进行了比较,对造成模拟误差的可能原因进行了分析。研究结果表明:日光温室内模拟的散射辐射和总辐射的日变化与实测值趋势较为一致,模拟值要略高于实测值,平均偏高6.4%和8.8%,误差的可能来源有大气透明系数、棚膜透光率的估算误差、承重骨架的遮蔽及人为观测的误差。研究结果可为日光温室内不同位置作物光合蒸腾模拟、群体光分布模拟、围护结构能量平衡等模拟模型提供参考。     

哈尔滨节能温室结构特点及其性能

哈尔滨地处北方寒冷地区,冬季温室蔬菜生产,需要加温消耗大量能源,节能是温室能否大发展的关 键。哈尔滨市蔬菜研究所与建成机械厂合作,研制了一种太阳能为主要能源,保温为主要手段,以补温为辅的薄膜拱架式节能温室,其结构特点: (1)采光好 为了充分利用寒冷季节的光能,一方面加大温室采光面角度,另一方面又要降低温室的高度,故采取拱架式结构。哈尔滨春分时节太阳高度角为43°7′。该温室拱架大部分受光面角度为30°     

密闭遮光型甲鱼温室热环境模拟与试验

为了预测和评价密闭遮光型甲鱼温室的湿热环境,构建了甲鱼温室湿热环境的一维传热理论模型。采用欧拉数值计算方法求解甲鱼温室的传热方程组,编制了基于Matlab的计算机程序,根据屋顶材料的热传导系数、屋顶的红外辐射特性、温室的结构参数、温室热量输入与气象参数等条件,模拟甲鱼温室传热过程,该模型可以获得甲鱼温室任意时刻的屋顶内外表面温度、室内温湿度、养殖水体温度以及热流量等数据信息,可为甲鱼温室的湿热环境综合分析提供依据。通过建立相应试验方案对模型结果进行验证,实测结果表明,屋顶外表面、内表面模拟温度与实测温度平均误差为1.96和0.9℃,养殖水体与室内空气模拟温度与实测温度平均误差为0.32与1.3℃,室内相对湿度模拟与实测平均误差为3%。模型的理论计算值与试验测定值较为一致,表明甲鱼温室的一维传热理论模型具有较高的准确性。     

高纬度地区多功能日光温室设计

高纬度地区的传统日光温室常由于结构设计不合理,冬季生产需要补温,果蔬种植和加工环节分离,运输中容易发生冻害,制约该地区温室的冬季生产。该文基于传统日光温室优点及存在问题,结合高寒地区气候特点,从温室结构优化和功能创新2方面提出新型日光温室设计方案。利用经典温室设计理论,结合生产实际,对采光角度、前屋面弧度、保温性能等进行优化,并对雪荷载、风荷载、屋面活荷载、作物吊挂荷载进行计算,利用结构分析软件midas计算温室结构的受力稳定性,对温室各参数设计的合理性进行验证。优化结果为:总跨度16 m,一层种植部分跨度9 m,生产加工部分跨度7 m,总高度6.5 m,前屋面主采光角37°,土地利用率达到1.7。该设计实现了高纬度地区温室冬季不加温种植果蔬,利用传统温室后墙的遮阴部分,创造地上、地下3层使用空间,显著提高了土地利用率,实现种植、加工、存储多种功能集成,是高纬度地区日光温室的一种创新尝试,可以作为棚室种植园区的核心节点温室。     

基于图像技术的温室光分布研究

温室内光照环境对作物生长有重要影响,然而受温室形状、方位、覆盖材料、天气等各因素的影响,温室内光分布一直是研究的难点。该文提出基于计算机视觉技术和基于图像的光照技术来采集温室内真实环境的光分布,通过高动态范围图像的制作,以及从图像中的光源信息的提取,得到温室内光分布的辐射度图,该图能够真实反映不同天气情况下以及一天中不同时刻、不同方向的光照强度分布,能较好地模拟场景周围的自然光照。该研究将为温室内复杂光源分布的获取和作物冠层顶部入射辐射的研究提供准确的光照模型。     

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数（R2）为0.99（n=576）,回归估计标准误差（RMSE）和相对误差（RE）分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R2为0.91（n=576）,RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。     

冰雹冲击下温室玻璃破损情景数值模拟

为研究温室玻璃的抗冰雹冲击性能,该文采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了温室玻璃和随机冰雹的有限元模型。考虑冰雹的随机性,模拟了冰雹冲击温室玻璃的全过程;得到了不同粒径冰雹对温室玻璃的破损效果;研究了冰雹对不同厚度、不同平面尺寸、不同支撑情况的温室玻璃的破损效果;同时,对温室玻璃的抗雹性能进行了评估。结果表明:玻璃板受冰雹群冲击时的破损效果不等于单个冰雹冲击时的简单叠加;4 mm厚的玻璃板基本可以满足大部分玻璃温室的抗雹要求;温室玻璃板长宽比取值建议在1.5左右;通过控制玻璃板支撑条件来提高温室玻璃板的抗冲击性能并不可靠;保证冰雹冲击时玻璃板的整体稳定性,使主体结构不出现大跨度裂纹而形成较大碎片,应是玻璃温室抗雹设计的主要目标。该研究可为温室抗冰雹设计提供参考。     

基于CFD的日光温室墙体蓄热层厚度的确定

日光温室墙体蓄放热能力的优劣取决于墙体蓄放热特性与蓄热层厚度,确定日光温室蓄热层厚度,对于推进日光温室墙体改进意义重大。该研究以温室内太阳辐射与室外气温作为输入条件,按照试验温室实际尺寸和相关关系进行参数化建模并模拟计算不同月份墙体蓄热层厚度。选择乌鲁木齐地区2018年1月-4月典型晴天进行测试,以温室地面、墙体表面的太阳辐射为输入条件,室外空气温度为边界条件,利用AutodeskCFD软件对晴天9:00至次日9:00的温室砖墙内部温度场进行了模拟,并通过对比墙体内部0、10、20、30、40、50 cm处温度测点的实测值与模拟值验证模拟结果的准确性。结果表明,温室墙体模拟结果与测试结果吻合度较高,1月9日、2月9日、3月6日各层平均误差均在1.5℃以下,4月6日实际值与模拟值误差较大,模拟值较实际值滞后,趋势随着深度与墙体温度的升高而更加明显。在温室墙体材料、结构、室内外的光温环境的共同影响下,温室墙体传热是一个复杂的非稳态过程。砖墙温室与土墙温室类似,墙体可划分为"保温层、稳定层、蓄热层",各层的厚度与墙体蓄热材料、保温材料的热物性有关。对墙体温度场、各层的温度衰减因子以及延迟时间分析可知,墙体厚度在0～30 cm范围内,墙体温度波动较为明显,墙体厚度大于30 cm时,温室墙体一天内温度波动较为平缓,波幅较小。随着气温回升,温室墙体内部温度整体提高,各层温度波动相差不大。在温室结构、保温性能不变的情况下,温室蓄热层厚度及波动情况受外界光温环境的综合影响较小。综上所述,采用CFD模拟温室墙体温度场的变化,并根据温室墙体温度场变化确定温室墙体蓄热层厚度是可行的,可靠性较高。该研究可为其他区域优选温室墙体结构,推进日光温室墙体改进提供依据和参考。