日光溫室壁面太陽輻射分布規(guī)律研究

日光溫室壁面太陽輻射分布規(guī)律研究

0太陽輻射研究太陽輻射是日光溫室中唯一的能量來源。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。所以測定和分析墻、地表面太陽輻射分布規(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。李小芳等為解決測量墻體和后屋面太陽輻射的困難,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輻射。計(jì)算分析了日光溫室山墻對(duì)室內(nèi)太陽直接輻射得熱量的影響。佟國紅等模擬了溫室內(nèi)各表面的太陽輻射,得出沈陽地區(qū)冬季最冷月溫室內(nèi)后坡單位面積太陽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)地面及北墻面太陽輻射照度有影響,且呈線性關(guān)系。杜振宇等測定了日光溫室內(nèi)太陽輻射分布,重點(diǎn)分析了不同天氣條件下太陽輻射透射率及室內(nèi)各點(diǎn)太陽輻射規(guī)律。指出晴天太陽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)太陽輻射(光環(huán)境)測定分析、模擬計(jì)算,部分涉及了地面太陽輻照度,涉及墻體表面的太陽輻射除模擬值外,有測定墻體近表面處太陽輻照度的,但不能當(dāng)作墻體表面的太陽輻射照度,也就是說在日光溫室環(huán)境方面,墻體表面太陽輻射值照度實(shí)際測定的相關(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。易平等通過對(duì)ILF2000型太陽輻射記錄探頭的傾斜安裝,測定了3個(gè)試驗(yàn)站不同角度太陽輻射照度。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輻射照度的測定方法。在測定日光溫室墻體表面太陽輻射照度時(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),測定輻射照度值為墻體近表面太陽輻射強(qiáng)度,不等同于墻體表面得到的太陽輻射照度。為此作者將太陽輻射探頭傾斜且與墻面平行的方式安裝,直接測定墻體表面太陽輻射照度,由于太陽輻射(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)通過這種方法對(duì)土質(zhì)梯形墻體表面太陽總輻射進(jìn)行測定,揭示土質(zhì)梯形墻體日光溫室墻地表面太陽輻射特性,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,長度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型長壽無滴膜,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)與測量設(shè)計(jì)1.2.1實(shí)際太陽輻射光度測定測點(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(通過用角度修正水平測量值,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(簡稱為傾斜安裝或傾斜測法),測定梯形墻體表面實(shí)際太陽輻射照度。3)時(shí)間:2012年2月18日-2012年3月10日,共測試20d,記錄測試期間晴陰天次數(shù)。1.2.3測點(diǎn)太陽輻射占?jí)w輻射總量百分率的計(jì)算太陽輻射總量(MJ/m2)=∑[15min太陽輻射照度(W/m2)×t/1000000],t為時(shí)間,s,為900s。測點(diǎn)太陽輻射占?jí)w輻射總量百分率=(該測點(diǎn)太陽輻射/墻體上、中、下3測點(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輻射的影響,2月18日-3月4日,保溫被全天卷起,不開風(fēng)口的狀態(tài),文章中也重點(diǎn)討論這期間的墻體太陽輻射情況。1.2.4太陽輻射生活區(qū)域的劃分,為太陽輻射的實(shí)在完成以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,為確定太陽輻射探頭傾斜安裝與水平安裝測定太陽輻射照度的差異,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探頭所在測點(diǎn),并水平安裝(與地面平行),比較墻體不同測點(diǎn)2種測定方法所測太陽輻射照度的差異。2結(jié)果與分析2.12太陽輻射分析在墻體2和3測點(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(開苫期間)太陽輻射照度的平均值,輻射總量為每天太陽輻射照度的累積量。由表2可知,在墻體的每一個(gè)測定點(diǎn),不論晴、陰天,每天傾斜法測定的太陽輻射照度都顯著大于水平法測定的太陽輻射照度。在1.65m處6d的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,每天傾斜法測定的太陽輻射照度顯著高于水平法測定的太陽輻射照度,二者平均相差56.6W/m2,日均太陽輻射總量相差1.3MJ/m2;同樣,在0.55m處,也是傾斜法測定的太陽輻射照度值大于水平測法測定的輻射照度,二者平均相差54.2W/m2,日均太陽輻射總量相差2.1MJ/m2。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可得出,在墻體表面,不同測定方法測定的太陽輻射照度完全不同,水平測定法實(shí)際測定的為墻體近表面太陽輻射照度,傾斜法測定的為墻體表面實(shí)際得到的太陽輻射照度。因此下文關(guān)于墻、地表面太陽輻射的描述是關(guān)于墻體和地面表面實(shí)際得到太陽輻射照度的討論。2.2物體和地面上的太陽輻射照明設(shè)計(jì)每天都在變化2.2.1墻體太陽輻射厚度墻體表面不同部位太陽輻射照度日變化如圖2所示。由圖2可知,晴天,墻體下部測點(diǎn)太陽輻射照度最強(qiáng),中間次之,上部最弱;陰天墻體太陽輻射照度與晴天墻體太陽輻射照度分布情況類似,具體數(shù)值詳見表3。3個(gè)測點(diǎn)的平均值為下文所指墻體表面太陽輻射照度(WR)。2.2.2有機(jī)溫放射源太陽輻射厚度地面不同部位太陽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輻射照度明顯高于北面地面,具體數(shù)值如表3。2個(gè)測點(diǎn)的平均值為下文所指地面太陽輻射照度(GR)。2.2.3太陽輻射分析在晴、陰天,墻地不同部位太陽輻射照度均值及太陽輻射總量如表3所示。表中輻射照度均值為白天(開苫期間)太陽輻射照度的時(shí)間平均值。由表3可知,晴天,墻體表面上、中、下3點(diǎn)太陽輻射照度依次升高。日均太陽輻射照度分別為187.6、316.7、362.0W/m2,太陽輻射總量為5.74、9.70、11.08MJ/m2,分別占?jí)w太陽輻射總量的21.6%、36.6%和41.8%。中、下2測點(diǎn)太陽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,南面測點(diǎn)太陽輻射大于北面測點(diǎn),南北2測點(diǎn)太陽輻總量分別為11.00和6.74MJ/m2,占地面太陽輻射總量的62.0%和38.0%,2測點(diǎn)太陽輻射照度差異顯著。陰天,墻體3點(diǎn)太陽輻射照度變化與晴天類似,太陽輻射總量依次為0.99、1.50和1.92MJ/m2,分別是墻體太陽輻射總量的22.5%、34.0%和43.5%,3測點(diǎn)之間太陽輻射照度差異均顯著;地面太陽輻射照度也是南面測點(diǎn)大于北面,太陽輻射總量為3.51和2.04MJ/m2,占地面太陽輻射總量的63.2%和36.8%,2測點(diǎn)差異顯著。2.3殼體和地面太陽輻射照顧2.3.1太陽輻射厚度晴、陰天墻體與地面太陽輻射照度比較結(jié)果如圖4所示。平均值均為開苫期間時(shí)間平均值。圖4可知,晴天,墻體平均太陽輻射照度為265.0W/m2,地面平均太陽輻射照度為275.5W/m2。墻地太陽輻射照度變化趨勢相同,二者沒有明顯差異;陰天,墻體平均太陽輻射照度為54.55W/m2,地面平均輻射照度為102.9W/m2。墻體太陽輻射照度明顯小于地面。具體數(shù)據(jù)詳見表4。2.3.2地面和墻體太陽輻射需求比較表4為后墻體與地面每兩小時(shí)太陽輻射總量、平均太陽輻射照度及統(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)太陽輻射總量。太陽輻射照度均值為白天(開苫期間)太陽輻射照度的平均值。由表4可知,地面太陽輻射總量大于墻體太陽輻射總量,但統(tǒng)計(jì)結(jié)果不顯著。晴天,墻體表面太陽輻射總量分別為7.396和8.839MJ/m2,平均為8.117MJ/m2,地面太陽輻射總量分別7.689和8.870MJ/m2,平均為8.280MJ/m2。陰天,地面太陽輻射總量明顯大于墻體,差異顯著。墻體太陽輻射總量分別為1.471和0.497MJ/m2,平均為0.984MJ/m2,地面太陽輻射總量分別2.779、1.357MJ/m2,平均為2.068MJ/m2。2.3.3太陽輻射總量調(diào)查墻地太陽輻射總量如圖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)測定的太陽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),地面太陽輻射總量始終大于墻體太陽輻射總量(3月4日以后由于風(fēng)口打開,受太陽高度角影響,通過風(fēng)口的太陽輻射直接照射在墻表面,致使墻地表面太陽輻射總量結(jié)論相反,說明風(fēng)口對(duì)溫室墻地太陽輻射差異有較大影響)。開風(fēng)口與受光有何關(guān)系尚待進(jìn)一步分析。3墻體表面太陽輻射1)在墻體表面同一測點(diǎn),輻射探頭傾斜法和水平法所測定太陽輻射照度值顯著不同。傾斜法所測值大于水平法所測值,水平測定法實(shí)際測定的為墻體近表面太陽輻射照度,傾斜法測定的應(yīng)為墻體表面實(shí)際得到的太陽輻照度。2)土質(zhì)梯形墻體日光溫室后墻表面太陽輻射照度由上向下逐漸升高。晴天,上、中、下部位表面太陽輻射總量為5.74、9.70和11.08MJ/m2,分別占?jí)w太陽輻射總量的21.6%、36.6%和41.8%。陰天3點(diǎn)表面太陽輻射總量分別為0.99、1.50和1.92MJ/m2,分別占?jí)w太陽輻射總量的22.5%、34.0%和43.5%。3)室內(nèi)地面表面太陽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)太陽輻射總量分別為3.51和2.04MJ/m2。占地面太陽輻射總量的63.2%和36.8%。4)地面平均太陽輻射總量大于墻體平均太陽輻射總量。晴天,墻體表面太陽輻射總量值略低于地面