日光溫室壁面太陽(yáng)輻射分布規(guī)律研究

日光溫室壁面太陽(yáng)輻射分布規(guī)律研究

0太陽(yáng)輻射研究太陽(yáng)輻射是日光溫室中唯一的能量來(lái)源。這是研究其熱平衡的前提和基礎(chǔ)。在日光溫室里,墻體和地面是太陽(yáng)輻射的主要受體,也是溫室中保溫蓄熱的載體,它們白天蓄熱,夜間向室內(nèi)放熱,從而保證寒冷季節(jié)夜間室內(nèi)能維持一定的氣溫。所以測(cè)定和分析墻、地表面太陽(yáng)輻射分布規(guī)律對(duì)研究日光溫室墻、地?zé)岘h(huán)境具有重要意義。關(guān)于日光溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射,前人從不同弧形采光面的直射光量、不同結(jié)構(gòu)溫室光環(huán)境特征及補(bǔ)光等多方面做了大量研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],研究多以探討日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和光環(huán)境特征為目的。李小芳等為解決測(cè)量墻體和后屋面太陽(yáng)輻射的困難,提出了用云遮系數(shù)法計(jì)算日光溫室內(nèi)地面、墻體及后屋面的太陽(yáng)輻射。計(jì)算分析了日光溫室山墻對(duì)室內(nèi)太陽(yáng)直接輻射得熱量的影響。佟國(guó)紅等模擬了溫室內(nèi)各表面的太陽(yáng)輻射,得出沈陽(yáng)地區(qū)冬季最冷月溫室內(nèi)后坡單位面積太陽(yáng)輻射照度分別為土壤表面及后墻面的1.45和1.49倍,改變溫室跨度和高度分別對(duì)地面及北墻面太陽(yáng)輻射照度有影響,且呈線性關(guān)系。杜振宇等測(cè)定了日光溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射分布,重點(diǎn)分析了不同天氣條件下太陽(yáng)輻射透射率及室內(nèi)各點(diǎn)太陽(yáng)輻射規(guī)律。指出晴天太陽(yáng)輻射透射率大于陰天;溫室垂直向輻射照度均勻性要好于南北水平向,陰天的輻射照度均勻性要好于晴天。這些研究主要針對(duì)太陽(yáng)輻射(光環(huán)境)測(cè)定分析、模擬計(jì)算,部分涉及了地面太陽(yáng)輻照度,涉及墻體表面的太陽(yáng)輻射除模擬值外,有測(cè)定墻體近表面處太陽(yáng)輻照度的,但不能當(dāng)作墻體表面的太陽(yáng)輻射照度,也就是說(shuō)在日光溫室環(huán)境方面,墻體表面太陽(yáng)輻射值照度實(shí)際測(cè)定的相關(guān)報(bào)道較少。同樣,很多學(xué)者對(duì)建筑物、墻面、壩體等在非水平面表面的太陽(yáng)總輻射和熱量環(huán)境研究時(shí)都采取模擬計(jì)算的方式。易平等通過(guò)對(duì)ILF2000型太陽(yáng)輻射記錄探頭的傾斜安裝,測(cè)定了3個(gè)試驗(yàn)站不同角度太陽(yáng)輻射照度。葛洪川等建議科學(xué)工作者在傾斜使用總?cè)丈浔頃r(shí)要考慮到傾斜效應(yīng)所造成的系統(tǒng)誤差,文中提到“傾斜使用”。除此外,作者未查到有關(guān)非水平面和鉛垂面表面太陽(yáng)輻射照度的測(cè)定方法。在測(cè)定日光溫室墻體表面太陽(yáng)輻射照度時(shí),如果遵循氣象學(xué)原則,水平安裝輻射探頭(探頭表面與地面平行),測(cè)定輻射照度值為墻體近表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,不等同于墻體表面得到的太陽(yáng)輻射照度。為此作者將太陽(yáng)輻射探頭傾斜且與墻面平行的方式安裝,直接測(cè)定墻體表面太陽(yáng)輻射照度,由于太陽(yáng)輻射(光)直接影響著溫室溫度的變化和日光溫室墻體蓄放熱特征[23,24,25,26,27,28,29,30],因此本試驗(yàn)通過(guò)這種方法對(duì)土質(zhì)梯形墻體表面太陽(yáng)總輻射進(jìn)行測(cè)定,揭示土質(zhì)梯形墻體日光溫室墻地表面太陽(yáng)輻射特性,為進(jìn)一步探索土質(zhì)梯形墻體日光溫室墻地?zé)崃凯h(huán)境提供參考。1溫室試驗(yàn)和測(cè)試1.1日光溫室非下沉試驗(yàn)日光溫室位于寧夏永寧縣楊和鎮(zhèn)納家戶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)(38°18′N,106°15′E)。溫室為壽光五型日光溫室(非下沉),坐北朝南,東西延長(zhǎng),長(zhǎng)度80m,跨度7.8m,脊高4.3m,后墻高3.3m,底座寬4.5m,收口1.5m,東西山墻及北墻為4.1m厚土搗墻(圖1)。溫室前屋面采用EVA-Ⅰ型長(zhǎng)壽無(wú)滴膜,夜間前屋面覆保溫被保溫,采用電動(dòng)機(jī)卷簾機(jī)。室內(nèi)種植菠菜,平均株高15cm。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量設(shè)計(jì)1.2.1實(shí)際太陽(yáng)輻射光度測(cè)定測(cè)點(diǎn)位于溫室中部,即由東向西約40m處,根據(jù)墻高,在垂直方向?qū)w平均分成3段,3個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于每段的中心,地面同理。具體如表1所示。1)儀器:美國(guó)Campbellsci公司產(chǎn)CR10X-2M數(shù)據(jù)采集器和5個(gè)LI200X硅晶體輻射傳感器,探頭最大誤差±5%,典型±3%,靈敏度為0.2kW/(m2·mV),數(shù)據(jù)每15min采集1次。2)墻體探頭安裝方法:探頭表面與墻面保持平行(通過(guò)用角度修正水平測(cè)量值,再將修正值與傾斜值比較)。由于梯形墻體表面與垂直方向夾角為12.5°,因此探頭表面在墻體也是與垂直方向12.5°夾角的位置向南安裝(簡(jiǎn)稱為傾斜安裝或傾斜測(cè)法),測(cè)定梯形墻體表面實(shí)際太陽(yáng)輻射照度。3)時(shí)間:2012年2月18日-2012年3月10日,共測(cè)試20d,記錄測(cè)試期間晴陰天次數(shù)。1.2.3測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射占?jí)w輻射總量百分率的計(jì)算太陽(yáng)輻射總量(MJ/m2)=∑[15min太陽(yáng)輻射照度(W/m2)×t/1000000],t為時(shí)間,s,為900s。測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射占?jí)w輻射總量百分率=(該測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射/墻體上、中、下3測(cè)點(diǎn)輻射總量之和)×100%。地表同理。數(shù)據(jù)采用DPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件分析。文中白天指白天溫室開(kāi)苫的時(shí)間段,以揭放苫時(shí)間為界。為避免風(fēng)口對(duì)墻體及溫室南面太陽(yáng)輻射的影響,2月18日-3月4日,保溫被全天卷起,不開(kāi)風(fēng)口的狀態(tài),文章中也重點(diǎn)討論這期間的墻體太陽(yáng)輻射情況。1.2.4太陽(yáng)輻射生活區(qū)域的劃分,為太陽(yáng)輻射的實(shí)在完成以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為確定太陽(yáng)輻射探頭傾斜安裝與水平安裝測(cè)定太陽(yáng)輻射照度的差異,3月27日-4月3日,將地面探頭GR-4和GR-5分別移至WR-2和WR-3探頭所在測(cè)點(diǎn),并水平安裝(與地面平行),比較墻體不同測(cè)點(diǎn)2種測(cè)定方法所測(cè)太陽(yáng)輻射照度的差異。2結(jié)果與分析2.12太陽(yáng)輻射分析在墻體2和3測(cè)點(diǎn)(圖1,表1),輻射探頭水平安裝和傾斜安裝的比較結(jié)果如表2所示。表中均值為白天(開(kāi)苫期間)太陽(yáng)輻射照度的平均值,輻射總量為每天太陽(yáng)輻射照度的累積量。由表2可知,在墻體的每一個(gè)測(cè)定點(diǎn),不論晴、陰天,每天傾斜法測(cè)定的太陽(yáng)輻射照度都顯著大于水平法測(cè)定的太陽(yáng)輻射照度。在1.65m處6d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,每天傾斜法測(cè)定的太陽(yáng)輻射照度顯著高于水平法測(cè)定的太陽(yáng)輻射照度,二者平均相差56.6W/m2,日均太陽(yáng)輻射總量相差1.3MJ/m2;同樣,在0.55m處,也是傾斜法測(cè)定的太陽(yáng)輻射照度值大于水平測(cè)法測(cè)定的輻射照度,二者平均相差54.2W/m2,日均太陽(yáng)輻射總量相差2.1MJ/m2。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可得出,在墻體表面,不同測(cè)定方法測(cè)定的太陽(yáng)輻射照度完全不同,水平測(cè)定法實(shí)際測(cè)定的為墻體近表面太陽(yáng)輻射照度,傾斜法測(cè)定的為墻體表面實(shí)際得到的太陽(yáng)輻射照度。因此下文關(guān)于墻、地表面太陽(yáng)輻射的描述是關(guān)于墻體和地面表面實(shí)際得到太陽(yáng)輻射照度的討論。2.2物體和地面上的太陽(yáng)輻射照明設(shè)計(jì)每天都在變化2.2.1墻體太陽(yáng)輻射厚度墻體表面不同部位太陽(yáng)輻射照度日變化如圖2所示。由圖2可知,晴天,墻體下部測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射照度最強(qiáng),中間次之,上部最弱;陰天墻體太陽(yáng)輻射照度與晴天墻體太陽(yáng)輻射照度分布情況類似,具體數(shù)值詳見(jiàn)表3。3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值為下文所指墻體表面太陽(yáng)輻射照度(WR)。2.2.2有機(jī)溫放射源太陽(yáng)輻射厚度地面不同部位太陽(yáng)輻射照度日變化如圖3所示。由圖3可知,晴天、陰天溫室南面地面太陽(yáng)輻射照度明顯高于北面地面,具體數(shù)值如表3。2個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值為下文所指地面太陽(yáng)輻射照度(GR)。2.2.3太陽(yáng)輻射分析在晴、陰天,墻地不同部位太陽(yáng)輻射照度均值及太陽(yáng)輻射總量如表3所示。表中輻射照度均值為白天(開(kāi)苫期間)太陽(yáng)輻射照度的時(shí)間平均值。由表3可知,晴天,墻體表面上、中、下3點(diǎn)太陽(yáng)輻射照度依次升高。日均太陽(yáng)輻射照度分別為187.6、316.7、362.0W/m2,太陽(yáng)輻射總量為5.74、9.70、11.08MJ/m2,分別占?jí)w太陽(yáng)輻射總量的21.6%、36.6%和41.8%。中、下2測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射照度差異不顯著,上點(diǎn)與中下2點(diǎn)差異顯著;地面上,南面測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射大于北面測(cè)點(diǎn),南北2測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻總量分別為11.00和6.74MJ/m2,占地面太陽(yáng)輻射總量的62.0%和38.0%,2測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射照度差異顯著。陰天,墻體3點(diǎn)太陽(yáng)輻射照度變化與晴天類似,太陽(yáng)輻射總量依次為0.99、1.50和1.92MJ/m2,分別是墻體太陽(yáng)輻射總量的22.5%、34.0%和43.5%,3測(cè)點(diǎn)之間太陽(yáng)輻射照度差異均顯著;地面太陽(yáng)輻射照度也是南面測(cè)點(diǎn)大于北面,太陽(yáng)輻射總量為3.51和2.04MJ/m2,占地面太陽(yáng)輻射總量的63.2%和36.8%,2測(cè)點(diǎn)差異顯著。2.3殼體和地面太陽(yáng)輻射照顧2.3.1太陽(yáng)輻射厚度晴、陰天墻體與地面太陽(yáng)輻射照度比較結(jié)果如圖4所示。平均值均為開(kāi)苫期間時(shí)間平均值。圖4可知,晴天,墻體平均太陽(yáng)輻射照度為265.0W/m2,地面平均太陽(yáng)輻射照度為275.5W/m2。墻地太陽(yáng)輻射照度變化趨勢(shì)相同,二者沒(méi)有明顯差異;陰天,墻體平均太陽(yáng)輻射照度為54.55W/m2,地面平均輻射照度為102.9W/m2。墻體太陽(yáng)輻射照度明顯小于地面。具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。2.3.2地面和墻體太陽(yáng)輻射需求比較表4為后墻體與地面每?jī)尚r(shí)太陽(yáng)輻射總量、平均太陽(yáng)輻射照度及統(tǒng)計(jì)結(jié)果。表中時(shí)間段以揭苫為起始時(shí)間,2h一個(gè)時(shí)間段,統(tǒng)計(jì)墻地每個(gè)時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)輻射總量。太陽(yáng)輻射照度均值為白天(開(kāi)苫期間)太陽(yáng)輻射照度的平均值。由表4可知,地面太陽(yáng)輻射總量大于墻體太陽(yáng)輻射總量,但統(tǒng)計(jì)結(jié)果不顯著。晴天,墻體表面太陽(yáng)輻射總量分別為7.396和8.839MJ/m2,平均為8.117MJ/m2,地面太陽(yáng)輻射總量分別7.689和8.870MJ/m2,平均為8.280MJ/m2。陰天,地面太陽(yáng)輻射總量明顯大于墻體,差異顯著。墻體太陽(yáng)輻射總量分別為1.471和0.497MJ/m2,平均為0.984MJ/m2,地面太陽(yáng)輻射總量分別2.779、1.357MJ/m2,平均為2.068MJ/m2。2.3.3太陽(yáng)輻射總量調(diào)查墻地太陽(yáng)輻射總量如圖5所示。圖中陰天為2月23日、24日、25日,3月2日、3日,4日8日,其余為晴天或多云天氣。由圖5可知,在試驗(yàn)的20d的時(shí)間里,墻體表面3點(diǎn)太陽(yáng)輻射總量都是下部點(diǎn)最大,中部次之,頂部最小。地面2點(diǎn)測(cè)定的太陽(yáng)輻射總量也是南面大于北面。晴天,墻體表面3點(diǎn)輻射總量差異較大,陰天3者差異較小,地面同理。在2月19日-3月4日15d內(nèi),地面太陽(yáng)輻射總量始終大于墻體太陽(yáng)輻射總量(3月4日以后由于風(fēng)口打開(kāi),受太陽(yáng)高度角影響,通過(guò)風(fēng)口的太陽(yáng)輻射直接照射在墻表面,致使墻地表面太陽(yáng)輻射總量結(jié)論相反,說(shuō)明風(fēng)口對(duì)溫室墻地太陽(yáng)輻射差異有較大影響)。開(kāi)風(fēng)口與受光有何關(guān)系尚待進(jìn)一步分析。3墻體表面太陽(yáng)輻射1)在墻體表面同一測(cè)點(diǎn),輻射探頭傾斜法和水平法所測(cè)定太陽(yáng)輻射照度值顯著不同。傾斜法所測(cè)值大于水平法所測(cè)值,水平測(cè)定法實(shí)際測(cè)定的為墻體近表面太陽(yáng)輻射照度,傾斜法測(cè)定的應(yīng)為墻體表面實(shí)際得到的太陽(yáng)輻照度。2)土質(zhì)梯形墻體日光溫室后墻表面太陽(yáng)輻射照度由上向下逐漸升高。晴天,上、中、下部位表面太陽(yáng)輻射總量為5.74、9.70和11.08MJ/m2,分別占?jí)w太陽(yáng)輻射總量的21.6%、36.6%和41.8%。陰天3點(diǎn)表面太陽(yáng)輻射總量分別為0.99、1.50和1.92MJ/m2,分別占?jí)w太陽(yáng)輻射總量的22.5%、34.0%和43.5%。3)室內(nèi)地面表面太陽(yáng)輻射照度由南向北依次降低。晴天,南、北2點(diǎn)地面表面太陽(yáng)輻射總量分別為11.00和6.74MJ/m2,占地面輻射總量的62.0%和38.0%;陰天2點(diǎn)太陽(yáng)輻射總量分別為3.51和2.04MJ/m2。占地面太陽(yáng)輻射總量的63.2%和36.8%。4)地面平均太陽(yáng)輻射總量大于墻體平均太陽(yáng)輻射總量。晴天,墻體表面太陽(yáng)輻射總量值略低于地面