溫室采光面傾角設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 1 頁(yè)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)組長(zhǎng)：黃瑩組長(zhǎng)：黃瑩成員：唐曉宇、丁琦成員：唐曉宇、丁琦2010-1-13自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 2 頁(yè)目目 錄錄1.溫室采光面傾斜角設(shè)計(jì)綜述溫室采光面傾斜角設(shè)計(jì)綜述.31.1 提出問(wèn)題提出問(wèn)題.31.2 知識(shí)背景知識(shí)背景.32. 數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模.52.1 屋面玻璃透光率數(shù)學(xué)模型.52.2 光環(huán)境模型.63. MATLAB 仿真結(jié)果仿真結(jié)果.93.1 采光面傾角變化對(duì)入射角影響的仿真.93.2 對(duì)植物種類(lèi)的推廣.93.3 對(duì)溫室方位的推廣.113.4 對(duì)地理范圍的推廣.124. 結(jié)論結(jié)論.135. 研究

2、拓展研究拓展.136. 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)： .15自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 3 頁(yè)1.溫室采光面傾斜角設(shè)計(jì)綜述溫室采光面傾斜角設(shè)計(jì)綜述1.1 提出問(wèn)題提出問(wèn)題浙江省位于北緯 27.231.5之間，氣候溫暖宜人，土地富庶豐產(chǎn)，自古便被稱(chēng)作“魚(yú)米之鄉(xiāng)”，利于溫室的發(fā)展。隨著農(nóng)林業(yè)科技的發(fā)展，越來(lái)越多的溫室被投入到生產(chǎn)線(xiàn)上，尤其是一些名貴花木的種植更是離不開(kāi)溫室大棚。在生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí)，溫室在建筑結(jié)構(gòu)上的問(wèn)題也日益突出。大多數(shù)進(jìn)口溫室在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是國(guó)外的地理氣候參數(shù)，其功能并不一定適用于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)；國(guó)產(chǎn)溫室也存在溫光性能不好，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單粗放，耗能高，效益低的問(wèn)題；同時(shí)結(jié)構(gòu)和規(guī)范的不統(tǒng)一，

3、給農(nóng)業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)帶來(lái)一定困難，使生產(chǎn)成本增高。因此，研究規(guī)范溫室的結(jié)構(gòu)，推廣標(biāo)準(zhǔn)化溫室，成為當(dāng)前降低溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的一個(gè)重要課題。我們這次自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)選題，旨在研究溫室采光面傾斜角對(duì)溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)的影響，以得到最適宜的溫室采光面傾斜角，以利于節(jié)約能源，便于實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化的統(tǒng)一溫室建筑生產(chǎn)和調(diào)試。隨后能夠有利于下一步的研究和應(yīng)用，以達(dá)到學(xué)以致用，服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)踐和設(shè)計(jì)推廣的最終目的。1.2 知識(shí)背景知識(shí)背景對(duì)于溫室植物來(lái)講，陽(yáng)光是必不可少的一個(gè)自然影響因素。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)和生產(chǎn)實(shí)地考察，我們有這樣一些關(guān)于日光溫室采光面的知識(shí)背景。太陽(yáng)直射光、散射光和反射光均可以透過(guò)采光面進(jìn)入日光

4、溫室。散射光和反射光無(wú)方向性，在透過(guò)采光面進(jìn)入溫室的光輻射中占很少份額，溫室內(nèi)接受的光輻射主要源于直射光。日光溫室采光面的設(shè)計(jì)主要是保證直射光的透過(guò)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。如圖 1 所示是植物生長(zhǎng)過(guò)程中的光照來(lái)源和去向示意圖自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 4 頁(yè)圖圖 1太陽(yáng)光照射到覆蓋材料之后，一部分被吸收，一部分被反射，另一部分則透過(guò)覆蓋材料照射到溫室內(nèi)。太陽(yáng)光線(xiàn)除被吸收外，其余的被反射到溫室外和透射到溫室內(nèi)，這與陽(yáng)光入射角有直接的關(guān)系。其關(guān)系如下：吸收率吸收率+反射率反射率+透光率透光率=100對(duì)于作物來(lái)說(shuō)，存在如下圖 2 所示的熱量平衡數(shù)學(xué)模型：圖圖 2自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 5

5、 頁(yè)而在這次研究里，我們主要考慮太陽(yáng)光照輻射，根據(jù)物理知識(shí)我們可以知道，太陽(yáng)光照輻射可以根據(jù)如下公式計(jì)算出來(lái)：三個(gè)影響光照輻射因數(shù)為采光面積，玻璃透光率，光照強(qiáng)度。采光面積和光照強(qiáng)度并不是我們本次研究的主要對(duì)象，而對(duì)于不同的溫室采光面傾斜角，玻璃的透光率是不同的，我們針對(duì)不同的采光面傾斜角進(jìn)行研究，務(wù)求出最佳的傾斜角，使溫室的玻璃透光率達(dá)到最大值。2. 數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模2.1 屋面玻璃透光率數(shù)學(xué)模型屋面玻璃透光率數(shù)學(xué)模型對(duì)于屋面玻璃透光率，有如下數(shù)學(xué)物理公式：222(1)/(1)rar a其中 r界面反射率，玻璃折射率 n=1.526a光在玻璃內(nèi)前進(jìn)時(shí)穿透的比率，玻璃吸光系數(shù)k=6.851/m

6、對(duì)于界面反射率22220.5sin ()/sin () tan ()/tan ()r 對(duì)于光在玻璃內(nèi)墻進(jìn)時(shí)穿透的比率exp/ cosakL其中，L-玻璃厚度 對(duì)于玻璃折射率sinsinn通過(guò)對(duì)這些數(shù)學(xué)物理公式模型的 Matlab 仿真，得到如下圖 3 透光率與入射角關(guān)系的曲線(xiàn)。radsaaQA I自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 6 頁(yè)00.20.40.60.811.21.41.600.10.20.30.40.50.60.70.80.9下 下 下 下 下 下 下 下 下下 下 下下 下 下(/4)圖圖 3右圖是采光面和入射角簡(jiǎn)單示意圖：由圖知，合理入射角應(yīng)小于 40。太陽(yáng)高度角隨時(shí)間變化，要

7、保持光線(xiàn)持續(xù)垂直照射到 OH 斜面（即屋頂采光面）是不可能的。采光面直射光透過(guò)率與光線(xiàn)入射角并不呈單調(diào)線(xiàn)性關(guān)系，要滿(mǎn)足在一天中溫室內(nèi)獲得的光輻射達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須保證在一定時(shí)間內(nèi)直射光入射角介于 040之間。2.2 光環(huán)境模型光環(huán)境模型太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角對(duì)于太陽(yáng)高度角 h：sinh=sinsin+coscoscosT0 其中，h-太陽(yáng)高度角，-緯度，-太陽(yáng)赤緯，T0-太陽(yáng)時(shí)角自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 7 頁(yè) 若為正午，太陽(yáng)時(shí)角為 0，則有sinh =sinsin+coscos=cos(-)太陽(yáng)赤緯太陽(yáng)赤緯對(duì)于太陽(yáng)赤緯： =0.3723 + 23.2567sin1 + 0.1149s

8、in21 - 0.1712sin31 - 0.758cos1+ 0.3656cos21+ 0.0201con31其中， 1=2(N+N-N0)/365.2422 其中，N天數(shù)順序排列的積日，2009 年積日為 364 天 N積日訂正值N0=79.6764+0.2422(年份-1985)N=(W-L)/24W=(S+F/60)L=(long+M/60)/15其中，long觀(guān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)度 M分鐘值，換算成與格林尼治時(shí)間差 L，東經(jīng)取負(fù) 號(hào)，西經(jīng)取正號(hào) S觀(guān)測(cè)時(shí)刻的時(shí)值，08:0012:00 F分值注意注意：以上太陽(yáng)赤緯計(jì)算公式適用于我國(guó) 杭州經(jīng)緯度為(120.17E,30.3N)太陽(yáng)時(shí)角太陽(yáng)時(shí)角對(duì)于太

9、陽(yáng)時(shí)角 T0：T0=(TT-12)15TT=TM+Et=CT+Lc+Et2=57.29581其中，TT太陽(yáng)真時(shí) TM地方時(shí)間 Et時(shí)差 CT標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，此處采用北京時(shí)間自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 8 頁(yè) Lc經(jīng)度訂正，4min/度Et=0.0028-7.0924cos2-1.9857sin2-0.6882cos22+9.9059sin22下圖 4 是中國(guó)地區(qū)太陽(yáng)時(shí)差 Et 的周期規(guī)律圖，在計(jì)算中可以用來(lái)驗(yàn)證計(jì)算的正確性。圖圖 4太陽(yáng)方位角太陽(yáng)方位角(A)cosA=-sinT0cos/sinh采光面上方位角采光面上方位角cosA=(cossini-sinh)/(sincosi)采光面入射角

10、采光面入射角cosi=sinhcos+coshsincos(A-Aw) 其中，正南方向時(shí) Aw=0，-采光面傾斜角，i-采光面入射角自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 9 頁(yè)3. Matlab 仿真結(jié)果仿真結(jié)果3.1 采光面傾角變化對(duì)入射角影響的仿真采光面傾角變化對(duì)入射角影響的仿真由圖 3 透光率與入射角關(guān)系的曲線(xiàn)，4O以?xún)?nèi)透光率隨入射角的變化不大可知，溫室生產(chǎn)需要在一天中保證有 4 h 較好的光照條件 ，即要求冬至日 10：0014：00 陽(yáng)光對(duì)溫室斜面入射角 應(yīng)控制在 4O之內(nèi)。88.599.51010.51111.51210203040506070下 下 下 下 下 下 下 下 下 下

11、下 下 下 下 下Time/下下 下 下 i =24=28=32=36=40圖圖 5由圖 5 可知，隨著屋頂傾斜角的減小，溫室相繼進(jìn)入最佳采光時(shí)間段（太陽(yáng)光入射角為 040范圍），但是考慮溫室結(jié)構(gòu)中屋脊的工程力學(xué)承受等因素，屋頂傾斜角不宜過(guò)大，且在冬季時(shí)，過(guò)早的光照在寒冷溫度的影響下，并沒(méi)有什么很多的用處，所以綜合以上考慮因素，選擇 32作為杭州一般植物溫室最佳屋頂傾斜角，此時(shí)溫室方位為正南方。自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 10 頁(yè)3.2 對(duì)植物種類(lèi)的推廣對(duì)植物種類(lèi)的推廣下圖 6 為透光率變化仿真曲線(xiàn)：由圖 6 可知，對(duì)于不同傾斜角下的玻璃透光率，在 9：30 之后的差別是不大的，在11

12、：00 后基本相似。88.599.51010.51111.5120.780.80.820.840.860.880.9Time/下下 下 下下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 =24=28=32=36=40圖圖 6所以根據(jù)不同植物的日照特性，可以調(diào)整溫室屋頂?shù)膬A斜角，以滿(mǎn)足不同植物對(duì)長(zhǎng)短日照的需求。短日照植物可以采用較小的屋頂傾斜角，長(zhǎng)日照植物采用較大的屋頂傾斜角?？紤]溫度等各方面氣候影響,選用 32 度作為一般瓜果類(lèi)作物(喜光作物)玻璃溫室屋角傾斜度,早晴朗的天氣里,早上九點(diǎn)開(kāi)始有較好的采光角度,一天有 56h 較好的采光時(shí)段.對(duì)于蝴蝶蘭一類(lèi)的喜陰作物,則可根據(jù)

13、其生長(zhǎng)特征,選擇適當(dāng)?shù)慕嵌纫赃m應(yīng)其光照要求自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 11 頁(yè)3.3 對(duì)溫室方位的推廣對(duì)溫室方位的推廣88.599.51010.51111.51215202530354045505560下 下 下 下 下 下 下 15下 下 下 下 下 下 下 下Time/下下 下 下 i =24=28=32=36=40圖圖 788.599.51010.51111.512202530354045505560下 下 下 下 下 下 下 30下 下 下 下 下 下 下 下Time/下下 下 下 i =24=28=32=36=40圖圖 8自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 12 頁(yè)圖 7、圖

14、 8 是采用了不同的溫室方位（南偏東 15和南偏東 30）時(shí)的圖線(xiàn)，進(jìn)行這兩個(gè)仿真舉例是想說(shuō)明，根據(jù)不同的溫室方位，可以采用相同的方法進(jìn)行研究，得到最佳的傾斜角度。3.4 對(duì)地理范圍的推廣對(duì)地理范圍的推廣下表 1 是不同緯度（浙江地區(qū)）下冬至太陽(yáng)入射角的變化 (傾斜角為 32) 表表 1自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 13 頁(yè)表表 1（續(xù)）（續(xù)）這表明當(dāng)各緯度地區(qū)采用同一采光面傾斜角度時(shí)各緯度間對(duì)光線(xiàn)入射率影響不大。以 12 時(shí)光線(xiàn)入射率為例，最高與最低緯度光線(xiàn)入射率相差基本可忽略不計(jì);再?gòu)恼加休^好采光時(shí)段的時(shí)間來(lái)看，當(dāng)采用同一采光面傾斜角時(shí)，各緯度大約在 9 點(diǎn)左右先后進(jìn)入較好的采光時(shí)間

15、全天較好采光時(shí)段歷時(shí)均大于 4h符合最佳采光時(shí)段選擇的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明溫室采光面傾斜角在最佳值附近變化幾度時(shí)，對(duì)溫室采光性能影響不大。故可選擇 32 作為浙江全省節(jié)能型日光溫室采光面傾斜角度。4. 結(jié)論結(jié)論由以上的數(shù)學(xué)建模和 Matlab 仿真，我們可以得到如下的結(jié)論：對(duì)于我們建立的杭州地區(qū)正南方位普通植物一般模型，屋頂傾斜角 32是能夠滿(mǎn)足光照條件的最佳角度。根據(jù)不同的植物類(lèi)型及其對(duì)光照的不同生長(zhǎng)要求，可以采用不同的屋頂傾斜角來(lái)滿(mǎn)足其對(duì)日照的需求。為了適應(yīng)不同的溫室方位，我們也給出了研究最佳屋頂傾斜角的一般思路，同時(shí)將這一結(jié)論從杭州地區(qū)推廣到了浙江省全省范圍內(nèi)，具有一定的實(shí)用價(jià)值，并且給出了一

16、個(gè)溫室屋頂傾斜角選擇的規(guī)范化過(guò)程。5. 研究拓展研究拓展為了進(jìn)一步拓展溫室屋頂傾斜角的研究，我們對(duì)于現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家新興并且進(jìn)行了一定范圍內(nèi)應(yīng)用的全開(kāi)啟式新型溫室采取了一些研究。全開(kāi)啟式新型溫室打破了傳統(tǒng)的溫室頂部固定的方式，采用了以溫室天溝為固定軸，整個(gè)屋面能繞天溝旋轉(zhuǎn)，達(dá)到溫室頂部全開(kāi)的目的，給作物的生長(zhǎng)提供全部的自然光照，滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)所需的多種光譜能量的需求。屋面可開(kāi)啟式連棟溫室最大的優(yōu)勢(shì)是解決好溫室內(nèi)低透光和濾波的難題，在適宜的季節(jié)里，讓植物完全接受自然光的全波輻射，與外界空氣直接接觸，使溫室內(nèi)作物不再嬌嫩，品質(zhì)更優(yōu)異。頂部大角度張開(kāi)，使溫室內(nèi)外完全相通，通風(fēng)效果良好，通風(fēng)效率近100%，

17、與傳統(tǒng)溫室相比，極大的降低了溫室降溫的運(yùn)行成本。白天當(dāng)溫室溫度偏高時(shí)，頂窗開(kāi)啟后，配合內(nèi)遮蔭的遮蔭效果和溫室側(cè)開(kāi)窗的通風(fēng)，使溫室在溫度高時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)檎谑a棚，達(dá)到有效降溫的目的；當(dāng)晚上溫度偏低時(shí)，將溫室頂部關(guān)閉，在配合內(nèi)保溫遮蔭系統(tǒng)，又能達(dá)到高檔溫室的保溫效果。我們運(yùn)用 Matlab 中的 Simulink 功能，搭建了全開(kāi)式溫室屋頂?shù)?PID 控制結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真，與傳統(tǒng)式固定屋頂進(jìn)行了對(duì)比如下：自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 14 頁(yè)圖 9 是 Simulink 的全開(kāi)式溫室屋頂角度的 PID 控制結(jié)構(gòu)圖圖 9下圖 10 是傳統(tǒng)固定式屋頂（傾角 30）仿真結(jié)果：圖圖 10下圖 11 是全開(kāi)

18、式溫室屋頂?shù)姆抡娼Y(jié)果：自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 15 頁(yè)圖圖 11可見(jiàn)，全開(kāi)式屋頂可以更好的使用光能，更靈活的調(diào)整出適合植物生長(zhǎng)的環(huán)境。在未來(lái)的溫室科技中，有更大的發(fā)展和應(yīng)用空間。6. 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：不同結(jié)構(gòu)日光溫室光環(huán)境及補(bǔ)光研究王靜，崔慶法，林茂茲(蘭州大學(xué))對(duì)太陽(yáng)高度角的了解及其計(jì)算方法費(fèi)云霞 王春順 (大慶市氣象局)高寒地區(qū)大型日光溫室的采光設(shè)計(jì)陳 健 劉志杰(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)基于 MATLAB 的溫室環(huán)境參數(shù)優(yōu)化王麗艷。 ，崔國(guó) ，郭樹(shù)國(guó) ，邱立春(1沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 1 10161；2朝陽(yáng)工程技術(shù)學(xué)校，遼寧朝陽(yáng) 122000；3沈陽(yáng)化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110142)氣象用太陽(yáng)赤緯和時(shí)差計(jì)算方法研究 于賀軍（北京交通大學(xué)，北京 100044）日光溫室采光屋面曲線(xiàn)數(shù)學(xué)模型的建立與分析軒維艷(天津市寶坻區(qū)林業(yè)局，天津?qū)氎妫?01800)日光溫室方位角實(shí)驗(yàn)研究 林川渝 （內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)業(yè)廳，呼和浩特 010010）自動(dòng)化綜合實(shí)驗(yàn)溫室采光面傾角設(shè)計(jì)第 16 頁(yè)日光溫室環(huán)境預(yù)測(cè)模型構(gòu)建辛本勝，喬曉軍，滕光輝(I北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100089；2中 I 玉 I