日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗
<p>第 33 卷 第 11 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol.33 No.11 178 2017 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2017 日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗張 勇，鄒志榮 （西北農(nóng)林科技大學園藝學院，農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝重點實驗室，楊凌 712100） 摘 要： 中國的日光溫室實現(xiàn)了高效的太陽能利用，溫室采光面的采光設(shè)計是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個極其重要的方面。但是，在實踐的設(shè)計中，對于自然光入射角小于 40°的光照透過率未進行深入的理論研究，使得溫室采光的設(shè)計長期停滯于經(jīng)驗設(shè)計為主的狀態(tài)。該文采用光學理論計算和試驗研究的方法，詳細分析了溫室采光面在小幅調(diào)整條件下自然光的透過率，以及溫室采光面角度調(diào)整與室內(nèi)光照強度透過率的增加之間的定量關(guān)系。從經(jīng)典光學理論出發(fā)，推導了溫室采光設(shè)計的計算系統(tǒng)計算方法，并結(jié)合理論要求并進行試驗研究。通過理論推導和試驗得到，對于可以主動改變采光角度的主動采光溫室條件下，在太陽光入射角達到 20°，30°和 40°時，太陽光的強度透過率，分別達到了 85.68%，76.47% ，64.72%。特別是當入射角大于 40°時，直射光強度透射率下降更加明顯，在入射角為 50°和 60°時，直射光強度透射率分別為 53.38%和 39.67%。理論分析和試驗研究表明，將溫室采光面的傾角從 25°提高到 35°，理論計算與試驗結(jié)果均表明通過小幅改變溫室采光面的角度即可達到大幅提高溫室強度透過率，當溫室采用了可以改變采光角度的主動采光屋面后，溫室內(nèi)的光照強度透過率可以提高 20.7%22.8%。 關(guān)鍵詞：溫室；太陽能；溫度；主動采光機理；幾何光學；透射率 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 中圖分類號：S152 文獻標志碼：A 文章編號：1002-6819(2017) -11-0178-09 張 勇，鄒志榮. 日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗J. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(11)：178186. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 http:/www.tcsae.org Zhang Yong, Zou Zhirong. Optimization experiment of light transmittance and active lighting mechanism of solar greenhouseJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 178186. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 http:/www.tcsae.org 0 引 言太陽能日光溫室是中國自主研發(fā)的溫室結(jié)構(gòu)，多年來作為具有典型中國特色、規(guī)模巨大的設(shè)施類型，一直是中國溫室園藝裝備升級的重點1-2。 光照是溫室內(nèi)關(guān)鍵的環(huán)境因素之一，是優(yōu)秀溫室建筑設(shè)計所追求的主要目標3。但由于缺乏對溫光基礎(chǔ)理論的深入研究，尤其是對采光理論的研究不足，導致在實踐工作中，對于日光溫室結(jié)構(gòu)的采光設(shè)計大都依靠設(shè)計者的經(jīng)驗進行4。從而導致了大量溫室達不到預(yù)期的設(shè)計效果，進而出現(xiàn)了大面積荒廢閑置的狀況，不但對生產(chǎn)者造成了不必要的經(jīng)濟損失，也對中國設(shè)施農(nóng)業(yè)的良性發(fā)展產(chǎn)生了突出的負面影響。 太陽光是溫室冬季的極其重要的自然資源，因此需要在溫室生產(chǎn)實踐中應(yīng)達到有效地利用4-5。到達溫室采光的自然光透過率決定于以下 2 個主要方面。溫室外的太陽直射輻射（亦稱直射光）量與溫室對直射光的透射收稿日期：2017-01-01-19 修訂日期：2017-02-27 基金項目：中國博士后基金特別資助（2015T81053 ）；中國博士后基金（2014M562458 ）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2016KTCL02-02 ）；主動采光蓄熱溫室、超大跨度塑料大棚結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能化環(huán)境調(diào)控裝備研制（2016BZ0901） 作者簡介：張 勇，男，陜西榆林人，副教授，博士，主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑園藝研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學園藝學院，712100 。 Email ： Landscapenwsuaf.edu.cn 。中國農(nóng)業(yè)工程學會高級會員：（E041200715S） 率；其次是室外太陽散射輻射量（亦稱散射光）與溫室對散射光的透射率。在晴朗的天氣中，中高緯度地區(qū)直射光量占 80%90%6?？梢?，直射光的光照環(huán)境幾乎代表了溫室內(nèi)的光環(huán)境，因此本文只考慮分析直射光的作用，分析直射光進入溫室的情況。長期以來，日光溫室采光屋面的研究集中在采光弧度的設(shè)計方面，但是，研究結(jié)果表明，不同采光弧度對于提高日光溫室采光性能的貢獻很小，尤其是在采光材料透光率變化較大的情況下，單純通過改變采光面的弧度效果不顯著7-13。 對溫室光環(huán)境的研究，在國外，如日本學者古在豐樹、藏田憲次、英國學者 Critten 曾作過較透徹的理論分析，但大都局限于玻璃溫室14；在中國，對東北、華北地區(qū)廣泛應(yīng)用的單坡面日光溫室的光環(huán)境也作過較深入的研究15-16。但研究均集中在采光屋面的弧度分析方面，對實踐溫室的采光設(shè)計未能提供切實的參考。目前，日光溫室透光覆蓋材料主要為 PE、 PE-EVA 以及 PVC 等塑料薄膜，產(chǎn)品種類繁多，但這些材料按照光學理論計算和測定相應(yīng)透光率與入射角之間變化關(guān)系的物理參數(shù)卻幾乎為空白，這為上述工程計算帶來了很大困難。 而進一步的研究表明，進入溫室內(nèi)的直射光的光照強度的大小又受著吸收率、反射率和透過率的影響17。其中，反射率的影響最大，在自然光線的傳導中，采光面的透過率雖受前屋面角度、薄膜均勻強度、覆蓋到棚架上的薄膜平整程度、薄膜上灰塵和水滴附著多少等多·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·第 11 期 張 勇等：日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗 179 種因素的影響，但采光面的傾角對自然光的透射率影響最大。為此，本文作者提出了日光溫室主動采光的理論和實踐結(jié)構(gòu)，主動采光溫室能夠自主地改變?nèi)展鉁厥也晒馕菝娼嵌?8，進而能大幅提高日光溫室內(nèi)的光照強度，從根本上改善溫室內(nèi)的光照條件。本研究即以主動采光溫室為研究對象，進一步深入挖掘日光溫室的主動采光機理。 1 材料和方法 1.1 材料 中國溫室使用的覆蓋材料主要有塑料膜、浮法玻璃和聚碳酸酯中空板19。在中國這些產(chǎn)品都有相應(yīng)的國家和行業(yè)標準，透光率是衡量產(chǎn)品是否符合標準的一個關(guān)鍵指標，其中， GB 445520規(guī)定透光性棚膜透光率不低于 85%，GB/T 2020221規(guī)定不低于 87%。本文選用了 EVA薄膜作為溫室薄膜覆蓋代表材料進行研究。 1.2 試驗平臺及試驗時間 如圖 1 所示，傾轉(zhuǎn)采光面試驗平臺的活動面與日晷平面處于同一平面，試驗中，開始測量時依照日晷來確定傾轉(zhuǎn)采光面與太陽光垂直，然后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤上的刻度，實現(xiàn)太陽光入射角度從 0° 90°的連續(xù)調(diào)整，進而通過光照度測量儀器對光線不同入射角度下的光照度進行測量。 圖 1 主動采光溫室試驗平臺 Fig.1 Experiment platform of active lighting solar greenhouse 整個傾轉(zhuǎn)采光面上覆蓋測試用薄膜，而且該采光面可以繞轉(zhuǎn)盤進行旋轉(zhuǎn)，進而可以獲得采光面與太陽光的0° 90°入射角度。本次試驗以 10°為間隔將傾轉(zhuǎn)采光面進行旋轉(zhuǎn)，太陽光的入射角度即可實現(xiàn)從 0°到 90°的連續(xù)變化。為了提高數(shù)據(jù)測量的準確性，光照度測量儀器的數(shù)據(jù)記錄間隔設(shè)定為 30，整個一次 0°到 90°的入射角照度記錄在 10 min 內(nèi)完成。試驗連續(xù)重復 3 次，取計算得到的平光強透過率為本試驗研究數(shù)據(jù)。 冬季日光溫室生產(chǎn)的主要季節(jié)在上年 9次年 3 月份，因此，選取 2016 年 8 月 1 日 2016 年 3 月 1 日之間的典型代表天氣作為代表日，進行詳細的數(shù)據(jù)分析。 1.3 儀器及測點布置 輻射數(shù)據(jù)采集儀：河北鼎睿電子產(chǎn)品銷售有限公司，包括太陽總輻射傳感器探頭和光合有效光量子流密度探頭，測量范圍為太陽總輻射（0 2 000 W/m2），光合有效光量子流密度（0 4 000 mol/m2），測量精度為太陽總輻射 （ 0.1 W/m2）， 光合有效光量子流密度 （0.1 mol·m2）。 試驗溫室位于西北農(nóng)林科技大學農(nóng)業(yè)部西北設(shè)施園藝重點試驗室試驗園中。溫室結(jié)構(gòu)簡圖和試驗溫室照片如圖 1所示。 2座試驗溫室跨度均為 10 m，后墻高度 3.5 m，脊高 5.3 m，溫室長度 24 m；采光面建筑參數(shù)一致，區(qū)別為一個采光面固定，另一個采光面為傾角可調(diào)，采光面角度可以在 25° 35°之間連續(xù)調(diào)整。光照探頭在 2 個溫室中各布置 2 個，總共 4 個測點。光照探頭的布置方式為，沿溫室跨度方向布置在溫室的中部，沿溫室屋脊方向 2 個測點布置在溫室長度方向的幾何 3 等分點，總體為均勻布置。垂直位置位于地面以上 1.2 m 高度處。 2 日光溫室主動采光機理分析 2.1 經(jīng)典光學中的透光材料透射率分析 在經(jīng)典光學中，光波可分為 R 波（反射波）和 T 波（透射波），當不考慮介質(zhì)的吸收和散射時，根據(jù)能量守恒關(guān)系恒有 R+T=1 （ 1） 其中 R 為反射波； T 為透射波。 而反射率是隨光波的入射角改變的，當光波從光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)時，光的反射率隨著入射角的增大而增大，透射率減?。欢敼獠◤墓饷芙橘|(zhì)進入光疏介質(zhì)時，光的反射率隨著入射角的增大而急劇增大，當達到該介質(zhì)的全反射角度時，即發(fā)生全反射，該條件下透射率為 0。為了計算自然光在塑料薄膜上發(fā)生的反射和透射，本研究首先從幾何光學和 Fresnel 公式出發(fā)系統(tǒng)推導了自然光在塑料薄膜上的透射規(guī)律。 2.1.1 自然光透過透光材料的反射系數(shù)和透射系數(shù) 光波在不同透明介質(zhì)界面發(fā)生反射折射時的入射角透射角的關(guān)系見圖 222。 菲涅耳方程式 sin siniittnn = （ 2） 設(shè)：sinsinittitinnn= （3 ） 式中 i， t分別代表入射角和透射角 (°)； ni代表入射介質(zhì)農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org ） 2017 年 180 的折射率；nt代表透射介質(zhì)的折射率。 則根據(jù)經(jīng)典光學 Augustin-Jean Fresnel 公式有自然光透過透光材料時的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為： S 光（光波的垂直分量）的振幅反射系數(shù)為 sin( ) cos cossin( ) cos cosit i it tit i it tnnrnn = =+（4 ）S 光的振幅透射系數(shù)為 22cos sin 2 cossin( ) cos cosit i iit i i tntnn =+（ 5） P 光（光波的平行分量）的振幅反射系數(shù)為 /tan( ) cos costan( ) cos cosit t ii tit t ii tnnrnn =+（ 6） P 光的振幅透射系數(shù)為 /2cos sin 2 cossin( )cos( ) cos cosit i iit it t ii tntnn =+ +（7 ） 其中 r為 S 光（光波的垂直分量）的振幅反射系數(shù)， t為S 光的振幅透射系數(shù)；/r 為 P 光（光波的平行分量）的振幅反射系數(shù)；/t 為 P 光的振幅透射系數(shù)24。 注: i， r，t分別代表入射角， 反射角和透射角； ni代表入射介質(zhì)的折射率；nt代表透射介質(zhì)的折射率；ikG、rkG、tkG分別代表入射光、反射光、折射光的平行于入射面的光波平行分量（P ），Ei、 Er、 Et分別代表入射光、反射光、折射光的垂直于入射面的光波平行分量（S ）。 Note: i, r, t are the incident angle, reflected angle and transmitted angle, respectively. niis the refractive index of the incident medium, and ntis the refractive index of the transmitting medium. ikG, rkGtkGis parallel(P) of the incident, reflected and transmitted light respectively. Ei, Erand Etare perpendicular (S) of the incident, reflected and transmitted light, respectively. 圖 2 光線透射不同介質(zhì)時入射角與反射角關(guān)系圖23Fig.2 Relation between incident, reflected and transmitted angels for an interface between two isotropic media 2.1.2 光在不同光密介質(zhì)界面的能流反射率和透射率 根據(jù)菲涅耳定律同樣可以得到入射光線的能流反射率和能流透射率22,25： S 光（光波的垂直分量）的能流反射率為 222sin ( )sin ( )ititRr =+（8 ） S 光（光波的垂直分量）的能流透射率為 2222coscoscos 4sin coscos sin ( )ttiitt t iii itnTtnnn =+（9 ） P 光（光波的垂直分量）的能流反射率為 22/ / 2tan ( )tan ( )ititRr =+（ 10） P 光（光波的垂直分量）的能流透射率為 2/ /2222coscoscos 4cos sincos sin ( )cos ( )ttiitt i tii it itnTtnnn =+（ 11） 根據(jù)能量守恒定律，聯(lián)立式（8 ）（11 ）有： / /1, 1RT RT+ =+= （12 ） / /,RRRTTT+ =+= （ 13） 1RT+ = （ 14） 其中當 i=0，入射光線總能流反射率為 2titinnRnn=+（ 15） 對應(yīng)的入射光線總能流透過率為 ()24titinnTnn=+（16 ） 2.1.3 光在不同光密介質(zhì)界面的光強反射率和透射率 在實際的試驗中經(jīng)常用到的光照檢測儀器為照度計，而照度計檢測的是光照的光強，因此可以根據(jù)經(jīng)典光學原理進一步計算光在不同光密界面的光強反射率和透射率。 由于有上述的能流能量守恒，所以入射光線的能流能量等于反射能流+ 透射能流。而入射光線與反射光線的能流分布如圖 3 所示，圖中 wi代表入射光和反射光域的寬度， wt代表透射光域的寬度。在圖 3a 中入射角與反射角相同，因此，光線的入射寬度與反射寬度不發(fā)生變化，而且由于入射光線與反射光線均在空氣中，因此該介質(zhì)中的折射率也相同。 a. 入射光線與反射光線的光線射束區(qū)域 a. Beam area of incident beam and reflected beam b. 入射光線與折射光線的光線射束區(qū)域 b. Beam area of incident and transmitting beam 注：wi代表入射光射束寬度；wt代表折射光射束寬度。 Note: wi is the width of incident beam, wtis the width of transmitting beam. 圖 3 入射光、反射光、透射光射束光域關(guān)系圖 Fig.3 Relation between incident, reflected and transmitting beam area 第 11 期 張 勇等：日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗 181 如果把入射光波強度記為 I1數(shù)值上等于 (R+T)/wi，則記反射波強度記為 I1（數(shù)值上等于 R/wi），透射波強度為為 I2（數(shù)值上等于 T/wt）。 如圖 3b 所示，當入射光線在介質(zhì)中發(fā)生折射時，入射角與折射角不同，因此光域發(fā)生了變化。而且由于入射光與折射光處于不同的介質(zhì)中， 2 種介質(zhì)的折射率也不同。推導得到入射光線在入射角不為零時的總能流反射率和總能流透射率分別如下 122111cos;cosIIRTII= （ 17） 進而通過計算得到光的強度反射率和透射率表式。 S光的總光強反射率為 2212212sin ( )sin ( )ssr = =+（18）S 光的總光強透射率為 2222221211124sin cossin ( )ssnntnn = = +（ 19）P 光的總光強反射率為 2212212tan ( )tan ( )ppr = =+（ 20）P 光的總光強透射率為 2221222112124cos sinsin ( )cos ( )pnn = +（ 21） 在不同的入射光中，若入射光為自然光，則可把自然光分成 S 波和 P 波，而且它們的能量相等，都等于自然光的一半，因此，自然光在透光材料的入射界面上的光強透射率為26： 1()2nsp= + （ 22）在溫室透光材料中通常為單層薄膜結(jié)構(gòu)，共有 2 個反射面，因此自然光在透光材料上的總光強透射率為式（ 23）。無論是從空氣到玻璃還是從玻璃到空氣，光的傳播方向都是一樣的。 22Total1()4nsp=+ （ 23）由上面分析可知，在采光面的采光性能分析中，只需確定自然光（太陽入射光）的入射角度，以及 2 種透明介質(zhì)的折射系數(shù)，即可通過經(jīng)典光學中的理論計算獲得自然光的強度透射率和能流透射率。在具體分析中，由于實踐試驗中多采用照度計來測量光照強度，因此理論上也取強度透射率來進行分析。 2.1.4 光在透光薄膜上的計算透射率曲線 根據(jù)以上經(jīng)典光學計算公式計算得到光在入射角情況下透過薄膜后的強度透射率為圖 4 所示，入射角度范圍為 0° 90°，增長間隔為 10°。 從不同光線入射角透光率圖 4 中可以得到，當光線入射角在 20° 以下時，薄膜的光強透射率下降較少，而當光線的入射角進一步增大時，光強透射率開始大幅度下降。當入射角達到 60°時，光強透射率僅為 30%。 圖 4 不同光線入射角薄膜的計算透光率 Fig.4 Calculated transmittance of transparent film in different incidence angle of light 2.2 日光溫室主動采光機理分析 在溫室生產(chǎn)中，植物的生長與溫室內(nèi)的光照強度關(guān)系密切，因此，在溫室作物生產(chǎn)中本研究以光照強度為研究主要內(nèi)容，通過理論分析與試驗驗證，論證溫室采光角變化與溫室內(nèi)部光照強度變化之間的關(guān)系27-29。 為了計算太陽光線在溫室采光薄膜上的透光率，首先需要計算得到太陽光的入射角，為此，本文系統(tǒng)地計算了太陽的逐時高度角、掠射角，進而計算得到了入射角。最后利用理論計算得到的薄膜透光率，對溫室采光面的透光率進行了理論分析。 2.2.1 冬至日太陽高度角逐時計算分析 地球在公轉(zhuǎn)運動中，存在赤緯角 ，所以陽光直射地球的變動范圍用赤緯角表示。同時地球又做自轉(zhuǎn)運動，因此采用時角 表示一天里不同的時間的太陽位置。每日的赤緯角及時角用如下公式計算13： 赤緯角計算式 23.45sin 2( 80) / 365N = （ 24） 時角計算式 015( 12)h = （ 25） 式中 為太陽赤緯角， (°)； N 為以每年的 1 月 1 日起的日序數(shù)， 為太陽的時角， (°)； h0為當日以 24 h 制的時間， s。 其中太陽赤緯角（與太陽直射點緯度相等）以 表示，觀測地地理緯度用 表示（太陽赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負），真太陽時 (時角 )以 表示，有全天逐時太陽高度角以 h 表示，進而得到太陽高度角計算式如下30-35： sin( ) sin sin cos cos cosjht = + （ 26） 得到太陽的方位角計算式如下： ()cos sinsincossh = （ 27） 式中 為地理緯度， (°)； s為方位角。 西安地區(qū)， 緯度 34°16，地理坐標： 34°16N， 108°54E 34.267°N 108.9°E。以每年冬至日（ 12 月 21 日）為例，依據(jù)太陽高度角計算公式詳細計算每一個時刻的太陽高度角，如圖 5 所示。 從太陽高度角在冬至日當日的變化，可以得到太陽高度角僅在冬至日當天 9:00 13:00 超過 30°，其他時段均小于 30°。 農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org ） 2017 年 182 圖 5 太陽高度角逐時分析圖（冬至日） Fig.5 Analysis chart of solar altitude (winter solstice) 2.2.2 溫室采光面太陽掠射角分析 太陽隨緯度、日期和時間變化的位置確定后，根據(jù)空間幾何光學就可以確定進入溫室的太陽光線的透射角。太陽光線的入射角定義為入射光線與光照射平面的夾角，幾何關(guān)系如圖 6 所示。 注：g為光線掠射角，h 為太陽高度角， 為傾斜采光面的傾角，s為方位角。 Note:g is the grazing angle. h is the sun elevation angle. is the dip angle of greenhouse inclined lighting surface, sis the azimuth. 圖 6 太陽光線掠射角 Fig.6 Sunrays grazing angle 自然光掠射角 g計算 arctan(tan cos )g sh =+ （ 28） 式中 為溫室前屋面傾角， (°)。 根據(jù)以上關(guān)系，太陽光在不同傾角屋面的掠射角如圖 7 所示。 圖 7 太陽光線在 25°和 35°傾角采光面掠射角 Fig.7 Sunrays grazing angle of 25° and 35° inclined lighting surface 從圖 7 中可以得到，冬至日太陽光在 25°傾角屋面上的入射掠射角均在 50°以下，而且接近 50°的掠射角僅維持了 11:00 至 13:00 之間的 2 h，其他時間均小于 45°。而相比之下太陽光在 35°傾角屋面上的入射掠射角均在 52°以上，而且在 08： 00 至 15： 30 之間的 7.5 h 之間均能大于 60°， 有利于太陽光線以較高的效率透射溫室采光材料。 2.2.3 溫室采光面太陽光入射角分析 依據(jù)幾何光學有 90g i = （ 29）結(jié)合上述分析，以及太陽光在不同傾斜面上的掠射角與自然光線入射角的關(guān)系，根據(jù)計算得到太陽光在 25°和 35°傾角屋面上的入射角如圖 8 所示。 從圖 8 中可以得到，冬至日太陽光在 25°傾角屋面上的入射角均在 40°以上，而且接近 40°的入射角僅維持了11:00 至 13:00 之間的 2 個小時，其他時間均大于 45°，處于不合理的太陽光入射時段。而相比之下太陽光在 35°傾角屋面上的入射角均在 35°以下， 而且在 08:00 至 15:30之間的 7.5 h 之間均能小于 30°，因此幾乎全天都處于高效采光時段，有利于溫室內(nèi)光照強度的提高。 圖 8 太陽光在 25°和 35°傾角屋面入射角曲線 Fig.8 Curve of sunrays incident angle of 25° and 35° inclined surface 2.2.4 不同傾角溫室采光面太陽光強度透過率理論分析 為了得到溫室采光面由傾角 25°主動變?yōu)?35°后與溫室陽光透過率的定量關(guān)系，本研究按照上述的理論計算方法，逐時計算了太陽光在 01 月 13 日當日，在 25°和 35°的傾角下的計算透過率，結(jié)果如表 1 所示。 表 1 日光溫室不同傾角采光面的平均計算透光率 Table 1 Transmissivity of light intensity in solar greenhouse with 25°or 35° inclination lighting surface % 時間Time25°傾角 Dip angle of 25° 35°傾角 Dip angle of 35° 07:00 45.48 70.18 07:30 48.31 73.05 08:00 51.24 75.60 08:30 54.08 77.84 09:00 56.68 79.91 09:30 59.03 81.63 10:00 61.15 82.97 10:30 62.77 84.01 11:00 63.92 84.70 11:30 64.48 85.04 12:00 64.34 84.97 12:30 63.63 84.57 13:00 62.48 83.79 13:30 60.70 82.74 14:00 58.56 81.29 14:30 56.20 79.45 15:00 53.42 77.45 15:30 50.73 75.06 16:00 47.78 72.47 16:30 44.76 69.68 由表可知，溫室采光面在 35°傾角下較 25°傾角下平均強度透過率提高了 22.8%；由圖 5 可知，從早晨 7:00至下午 16:30 分，太陽高度角在時刻變化，為了求得溫室傾斜采光面的平均太陽截獲率，首先求得冬至日平均的太陽高度角為 20°。以該太陽高度角繪制溫室采光面在25°和 3°度傾角下的陽光截獲長度得到圖 9。 由圖 9 可知，第 11 期 張 勇等：日光溫室主動采光機理與透光率優(yōu)化試驗 183 當溫室前采光面傾角由 25°升為 35°后，對應(yīng)的陽光截獲量增加了 11.59%。特別當升起的后坡部分采用柔性的保溫覆蓋材料時，該部分增加的入射光線不會透射到溫室外，而是保留在溫室內(nèi)，因此形成凈光照入射量的增加。因此，通過理論計算即可得到，當溫室前采光面傾角由25°升為 35°時，綜合采光性能預(yù)期提高 34.7%。 圖 9 太陽光線在 25°和 35°傾角采光面光能截獲率 Fig.9 Sunrays interception of 25°and 35°inclined lighting surface 3 塑料薄膜日光溫室透光試驗及結(jié)果分析 3.1 太陽光在 PE 薄膜上實測透射率曲線試驗 太陽光不同輻射角度下的薄膜透光率試驗方法，是將 1 000 mm×1 000 mm 大小的供試薄膜貼于一個可以180°旋轉(zhuǎn)的自制透光率試驗平臺上，如圖 1a 所示；將照度計保持與該薄膜平行，薄膜直接平行覆蓋在照度感光鏡頭上，分別測定薄膜在太陽光入角為： 0°、 10°、 20°、30°、 40°、 50°、 60°、 70°、 80°、 90°；共 10 個角度下的透光率，試驗重復 3 次，最后計算平均透光率，進而分析試驗結(jié)果。其中，計算透光率（ %） =（透過試樣的光照強度 /射到試樣上的光照強度） ×100。 本試驗以溫室作物生產(chǎn)的主要月份為例進行分析，分別以 2016 年 01 月 13 日（晴），的試驗測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，得到太陽光在可旋轉(zhuǎn)傾角采光面上（如圖 1a 所示），全天太陽光透射率變化曲線如圖 10 所示，和不同傾角采光面上計算透過率的分析圖。 注： AVE-10， AVE-12， AVE-16 分別指 00-10： 00， 00-12： 00， 00-16： 00時的平均光照透射率；CAL 為計算光照透過率。下同。 Note: AVE-10, AVE-12 and AVE-16 are average transmittance at 00-10：00, 00-12： 00 and 00-16： 00, respectively. CAL is the calculated transmittance. The same below. 圖 10 太陽光線透過率隨采光面傾角變化圖 Fig.10 Variation of sunrays transmittance with dip angle of arbitrary inclination lighting surface 圖 10 中 AVE-10:00、 AVE-12:00 和 AVE-16:00 分別代表了傾角變化傾斜面在不同時刻和不同傾角條件下的3 次實測透過率平均值，而 CAL 則代表該天的理論計算光線透過率值。 通過圖 10 可知，太陽光線的理論計算透率值與實測值的變化趨勢一致，而且在光線入射角在 30°以下時基本重合，因此表明本研究的理論計算式能準確反映變化采光傾角的實際透過率變化。而且，進一步分析得到，當光線入射角由 10°變?yōu)?40°時，試驗傾斜薄膜采光面的透光率減少了 19.7%，而同時計算透過率從 89.92%減少為64.48%，減少了 25.44%。當入射光線入射角由 0°變?yōu)?10°時，計算透過率和實測透過率均保持穩(wěn)定和一致。 3.2 自然光中直射部分在 PE 薄膜上實測透射率曲線 溫室內(nèi)的光照環(huán)境用透光量及其在時間及空間上的分布來表示，它受室內(nèi)地面和采光面的形狀大小、屋頂結(jié)構(gòu)、方位、地理位置、室外日射等多因素影響。在晴朗天氣，直射光量占總光量的 80% 90%，因此直射光的光照環(huán)境幾乎代表了溫室內(nèi)的光照環(huán)境，所以本研究著重分析直射光的透光6。當入射光為自然光時，散射光的強度與觀察方向有關(guān)，其關(guān)系為如下式所示7()2/21coss sII=+ （ 30） 式中 Is為當入射角為 s時的散射光強度； I/2為垂直于入射光線方向上的散射光強度， s入射光線與散射光線之間的夾角， (°)。 對于光強度檢測儀器來說，由于散射光會產(chǎn)生一個和光照方向無關(guān)的基礎(chǔ)光照度基準值（散射光的透過率僅受透光材料本身的透過率影響），該照度并不能準確反映直射光的透過率狀況。為了聚焦太陽光直射光透過率分析，本研究中特剝離了散射光強度對于傾斜面透過率的影響，具體方法為通過式（ 30）對不同入射角度下的散射光強進行計算，并在最后的實測強度中減去經(jīng)計算得到的散射光照強度，最后即可得到僅考慮直射光線的光照強度。進而通過對 0 90°的傾斜面的直射透過率進行進一步逐一計算，得到了不同傾角溫室采光面的太陽光直射強度透過率如圖 11 所示。 注：AVE-D 為去掉散射影響的平均光照透射率。 Note: AVE-D is the average transmittance daylight intensity taking out scattering influence. 圖 11 太陽光線直射光透過率隨采光面傾角變化圖 Fig.11 Variation of direct sunrays with dip angle of arbitrary inclination lighting surface 農(nóng)業(yè)工程學報（http:/www.tcsae.org ） 2017 年 184 由圖 11 可知，僅考慮直射光時，光線透射率的理論計算與實測值基本吻合，在入射角為 0 40°時，平均相對誤差為 0.79%，相對誤差最大為 1.57%。當入射角為 20°、30°和 40°時，太陽光強透過率分別為 85.68%、 76.47%、64.72%。當入射角大于 50°時，計算值與實測值相對誤差較大。入射角為 50°、 60°時，直射光強度透射率分別為53.38%和 39.67%?？紤]到在實踐中，太陽直射光在溫室的傾斜面上的入射角小于 52°，因此，以試驗數(shù)據(jù)為基準再次計算溫室采光傾角由 25°變?yōu)?35°的試驗強度透過率。試驗分析結(jié)果如圖 12 所示。 從圖 12 可知，對比溫室采光屋面傾角為 25°和 35°的試驗結(jié)果，可以得到實測太陽光的直射光強透過率平均提高了 20.7%；而計算得到的太陽光的直射光強透過率平均提高了 22.8%；實測的太陽光直射透過率比理論計算結(jié)果小 2.1%。 圖 12 25°和 35°傾角屋面的計算和實測透過率 Fig.12 Transmittance of calculations (CAL) and experiments measurements(EXP) at 25° and 35° inclined lighting surface 3.3 自然光在溫室 PE 薄膜上實測透射率試驗 分析圖 13 得到，當溫室采光面由 25°變?yōu)?35°后，溫室內(nèi)的整體透光率得到了提升，計算得到的平均透過率提升了 23.27%。該透過率較試驗平臺測試的透過高2.57%，較理論計算透過率高 0.47%。因此，可以表明理論計算和測試均有很好的一致性。 圖 13 35°傾轉(zhuǎn)屋面和 25°固定屋面溫室光輻照度圖 Fig.13 Light irradiance of experiment solar greenhouse with 35° inclined lighting surface or 25°fixed roof 4 討 論 在上述分析中，當入射角超過 50°后，計算值與實測值開始出現(xiàn)較大的相對誤差，在 50°和 60°時相對誤差分別為 11.07%和 33.00%。進而計算算術(shù)平均誤差，在入射角為 0 40， 0 50， 0 60 的范圍內(nèi)，算術(shù)平均誤差分別為 0.79%， 2.51%和 7%。主要因為，當入射角超過 40°后，太陽光中的散射光的占比大幅上升，在 40°和 50°時分別達到了 30.7%和 33.4%，而且隨著入射角增加進一步增加。進而導致了計算值和實測值出現(xiàn)了較大的差異。但是，在實踐中溫室采光面的太陽光入射角均在 52°以內(nèi)，因此，該誤差對于溫室傾斜面采光的影響較小。 5 結(jié) 論 以溫室的傾斜采光面和太陽直射光為研究內(nèi)容，通過理論計算和試驗分析得到如下初步結(jié)論： 1）對于可以主動改變采光角度的主動采光溫室條件下，當入射角為 0 10°范圍時，采光面的太陽光強度透射率基本保持不變；而當入射角大于</p>
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