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1、北 方 干 寒 地 区 日 光 温 室 太 阳 辐 射 预 测 模 型 构 建毕玉革1，麻硕士1，徐轶群2(1 内蒙古农业大学，呼和浩特010018;2 中国建设银行 呼伦贝尔分行，内蒙古 呼伦贝尔021000)摘要:构建适用于北方干旱、寒冷地区的典型日光温室内外太阳辐射的动态预测模型。模型中考虑了天空云量对太阳辐射遮挡和室内作物生长对太阳辐射吸收、反射两个因素的影响，并利用内蒙古农牧业科技园区的日光温室对模型进行了验证。结果表明，模型能预测晴天、多云、阴天天气的日光温室外和室内到达土壤表面的太阳辐射的动态过程，预测值和实测值之间的相对误差不超过 8%。关键词:日光温室;太阳辐射;预测模型中图
2、分类号:S6251文献标识码:A文章编号:1003 188X(2010)12 0011 040引言关于日光温室光环境模型前人研究很多，但成果多用于日光温室结构优化方面1 4，且研究对象大多数是针对北京地区的日光温室进行的5 6。北方干旱、寒冷地区的日光温室光环境模型应用于预测方面的研究几乎没有。北方干旱、寒冷地区包括内蒙古、新疆一带，属于蒙新气候区，特点是半干旱、干旱气候，日照丰富，年总辐射除准噶尔盆地为 120kcal/cm2外，其余大部分地区为 130 170kcal/cm2，年日照时数一般在 3 000h以上，日照百分率在 60%80%以上，北疆分别在 2 600 2 800h 和 60
3、%。但冬季除北疆外，大部分地区干冷，1 月份平均气温在 16 20，春季多大风和风沙，夏季酷热。日光温室内获得的太阳短波辐射是室内环境监控的重要指标，它直接影响室内空气温度和作物生长的光合作用效果。根据日光温室所在地的地理位置、气候特点，考虑天空云量和作物生长对光环境的影响因素，构建了北方干旱、寒冷地区的日光温室内外太阳辐射动态预测模型。根据当地每日天气预报的晴、多云、阴，模型可预测全天以小时为周期的日光温室内、外太阳辐射随时间的变化趋势值。其意义在于根据室外太阳辐射预测值，能确定日光温室保温被的揭盖收稿日期:2010 02 19基金项目:内蒙古自治区预算内基本建设农口重点项目(2008171
4、5)作者简介:毕玉革(1974 )，女，内蒙古呼伦贝尔人，讲师，在职博士，(E mail)biyuge163 163 com。通讯作者:麻硕士(1939 )，男，山西山阴人，教授，博士生导师，(E mail)mashuoshi imau edu cn。时间，科学指导人为调控室内光环境，进一步预测值是温室内热环境模型的前提条件。特别是具有上述气候特色的北方干旱、寒冷地区，日光温室太阳辐射动态预测模型的成功应用意义更是重大。为此，选择典型地区典型结构的日光温室为研究对象，对模型的预测效果进行了冬季试验验证。1模型构建构建适用于北方干旱、寒冷地区的到达日光温室外大地表面的太阳辐射模型和到达室内土壤表
5、面的太阳辐射模型。1 1室外模型根据后尚的研究成果7，北方干旱、寒冷地区适用 HOTTEL 太阳辐射模型。大气层外太阳辐射通量 I0(W/m2)计算公式为I0=Isc 1+0 033cos(2dayNR365)(1)式中Isc太阳常数，取 Isc=1 367W/m2;dayNR从 1 月 1 日算起的天数。大气层外切平面上瞬时太阳辐射通量 I1(W/m2)计算公式为I1=I0sin(2)太阳高度角的正弦值 sin 为sin=sinsin+coscoscos=arcsin(sin(223 45360)cos(2dayNR+10365)=15(SOLhr 12)SOLhr=hour (1 gh15
6、)式中日光温室所在地北纬度();112010 年 12 月农 机 化 研 究第 12 期太阳赤纬角();太阳时角();SOLhr当地太阳时;hour日小时时间，取值 0，23;gh日光温室所在地经度()。将 I1进行直散分离，晴天无云时到达地面的太阳直射通量 I直(W/m2)、散射通量 I散(W/m2)分别为7 8 I直=I1直(3)I散=I1散(4)式中直太阳直射透过率;散散射透过率。直=0+1eksin散=0 271 0 293直0，1，k具有 23 km 能见度的标准晴空大气的物理常数。当海拔高度小于 2 5km 时，可先求解*0，*1，k*，再通过气候类型求解 0，1，k。求解过程为*
7、0=0 423 7 0 008 21(6 h)*1=0 505 5 0 005 95(6 5 h)k*=0 271 1 0 018 58(2 5 h)式中h海 拔 高 度，试 验 日 光 温 室 所 在 地 h=1.086km;0=*0r0;1=*1r1;k=k*rkr0，r1，rk气候修正系数，见表 1 所示。表 1各种气候类型的修正Tab 1Modification on climate style气候类型r0r1rk高纬度，夏天0990 99101中纬度，夏天0970 99102中纬度，冬天1031 01100亚热带0950 98102不同天气条件下，天空中云量的多少直接影响到达地面的太
8、阳辐射通量，用云遮系数法9 对晴天无云到达地面的太阳辐射进行校正，获得少云、多云和阴天天气下到达地面的直射通量 I直(W/m2)与散射通量 I散(W/m2)。I直=I直(1 0 1CC)(5)I散=(I直+I散)(P+Q(CC)+R(CC)2)I直(6)式中CC云量，可根据气象局资料或观察在 1 10之间按晴天、少云、多云和阴天从小到大取值，北方干旱、寒冷地区冬季 CC 取值见表2 所示，其它季节需要进一步研究总结;P，Q，R常数，P，Q，R 的取值与地区和季节有关，取值见表 3 所示10。北方干旱、寒冷地区冬季的 P，Q，R 值通过试验已经验证是适用的，其它季节需要进一步验证。表 2不同天气
9、对应的云量取值表Tab2Cloud cover corresponding with weather天气预报云量 CC晴(无云)0 或 1晴(少云)2，3 或 4多云5，6 或 7阴天8，9 或 10表 3P，Q，R 常数值Tab3Constant of P，Q，R季节PQR春10600120008 4夏09600330010 6秋09500300010 8冬11400030008 2到达温室外大地表面的太阳辐射总通量 I2(W/m2)为I2=I直+I散(7)1 2室内模型将日光温室前屋面(即透光面)简化为斜面，透过透光斜面到达作物冠层表面的太阳直射通量 I冠层直(W/m2)和散射通量 I冠层
10、散(W/m2)为I冠层直=I膜直(8)I冠层散=(1+cos2)I散膜散F(9)式中前屋面与水平面夹角();F前屋面对室内地面的角系数;膜直透光膜直射光透过率，随时间变化;膜散透光膜散射光透过率，取 膜散=0.711。参考刘洪6、吴毅明3 和董吉林12 关于采光面透过率的研究成果，求取 膜散的过程如下:日光温室的 膜直受到当地的纬度、时间、前屋面的倾角、方位和内部骨架的因素影响，计算公式为膜直=1ISF(1 IRS)(1 NOSE)式中IRS边框胶条等所占采光面的面积比率;NOSE透光膜受风沙、大气以及煤灰等污染的212010 年 12 月农 机 化 研 究第 12 期程度;ISF受骨架阴影影
11、响的透过率;1透光膜的透过率。1=(1 r)21 r22内投射比，即太阳辐射透过材料内部时材料吸收的比率，按照 Lambeer Bouguer 定律，计算式为 =eklcos。r透光膜对直射光的反射比，根据 Fresnel 公式可以求得。r=12 sin2()sin2(+)+tan2()tan2(+)太阳直射光对透光膜斜面的入射角();太阳直射光在材料内部的折射角();k透光膜的消光系数;l透光膜厚度(m)。式(9)中，前屋面对室内地面的角系数的计算公式为11 F=l1+l2 l32l1式中l1前屋面宽度(m);l2室内地面长度，即温室跨度(m);l3前屋面与室内地面构成三角形的第 3 边长度
12、(m)。到达作物冠层表面的总辐射通量 I冠层(W/m2)为I冠层=I冠层直+I冠层散(10)室内作物对太阳辐射通量的影响主要是吸收并反射一部分，其余的到达土壤表面。作物吸收和反射的太阳辐射通量 I冠层吸、反(W/m2)计算公式为6 I冠层吸、反=I冠层eILA(11)=1 (1 )0 51+(1 )0 5(21+1 6sin)式中ILA作物叶面积指数;作物消光吸收，取 =0 43;作物冠层反射率;单叶的散射系数，取 v=0 2。到达温室内土壤表面的太阳辐射通量 I土壤(W/m2)为I土壤=1 I冠层吸、反(12)依据 笔 者 的 太 阳 辐 射 预 测 模 型 和 前 人 的 研究10 11，
13、可以进一步获得室内到达后墙和后坡的太阳辐射通量，为温室热环境模型构建提供了前提条件。2试验选取内蒙古农牧业科技园区(位于包头市土默特右旗)的一栋日光温室为试验温室，东经为 110 5，北纬 40 5，东西走向，方位角为 0，长度 50m，跨度为6 5m，前屋面斜面长为 6m，走道宽为 0 5m，脊高为3.5m，后墙高为 2 12m，后坡斜面为 1 2m。透光膜是新膜，材料为 3 层复合聚乙烯膜。试验时间为 2009 年 11 月 15 日 2010 年 2 月 5日，保温被揭开时间固定为 9:00 时，盖上时间固定为16:00 时。揭开后保证太阳洒满地面，室内种植紫叶生菜。2 1试验方案日光温
14、室外无遮挡处的地平面和室内土壤水平表面各放置一个 DAVIS 全光谱农用光照传感器，连接Auto 22 数据采集器，数据采集器每隔 10min 采集存储一次数据。通过 RS 485 总线与计算机连接，将数据导入计算机，以 Excel 形式保存，如图 1 所示。图 1日光温室光照度监测系统Fig1The monitoring system of solar radiation in sunlight greenhouse2 2数据处理MATLAB 编写预测模型程序。代入每日天气预报晴或阴的条件(见表 3 所示)，程序就可计算出每日室内、外太阳辐射随小时时间变化的预测值，并将预测值和实测值进行比较
15、分析，见图 2、图 3 和图 4 所示。图 22009 年 11 月 28 日 12 月 3 日日光温室内外太阳辐射预测值与实测值比较图Fig2Forecasted and measured data of solar radiation outside and inside ofsolar greenhouse On November 28 December 3 2009312010 年 12 月农 机 化 研 究第 12 期图 32010 年 1 月 1 日 5 日日光温室内外太阳辐射预测值与实测值比较图Fig 3Forecasted and measured data of solar
16、radiation outside andinside of solar greenhouse On February 1 5，2010图 42010 年 2 月 1 日 5 日日光温室内、外太阳辐射预测值与实测值比较图Fig 4Forecasted and measured data of solar radiation outside andinside of solar greenhouse On January 1 5，20103结果分析从图 2、图 3 和图 4 可以看出，不管晴天、多云，还是阴天的典型天气，预测值与实测值比较接近(去除个别时间突然出现变化的云的影响，实测值明显低于预
17、测值数据)，相对误差低于 8%。4结论构建了北方干寒地区典型日光温室内外太阳辐射动态预测模型。根据天气预报，模型可成功预测晴天、多云、阴天天气情况下的到达室外大地水平面和透过透光膜到达土壤表面的太阳辐射随时间推移的动态过程，误差较小，低于 8%。参考文献:1陈青云 单屋面温室光照环境的数值实验 J 农业工程学报，1993，9(3):96 101 2孙忠富 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J 农业工程学报，1993，9(1):36 42 3吴毅明 温室采光设计的理论分析方法设施农业光环境模拟分析研究之一J 农业工程学报，1992，8(3):73 80 4王静，崔庆法
18、，林茂兹 不同结构日光温室光环境及补光研究 J 农业工程学报，2002，18(4):86 89 5孙忠富 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J 农业工程学报，1993，9(2):45 51 6刘洪，郭文利，李慧君 北京地区日光温室光环境模拟及分析 J 应用气象学报，2008，19(3):350 355 7后尚，田瑞，闫素英 呼和浩特地区太阳辐射模型分析 J 可再生能源，2008，26(2):79 82 8邱国全，夏艳君，杨鸿毅 晴天太阳辐射模型的优化计算 J 太阳能学报，2001，22(4):456 459 9李小芳，陈青云 用云遮系数法计算日光温室内的太
19、阳辐射 J 农业工程学报，2004，20(3):212 216 10李小芳 日光温室的热环境数学模拟及其结构优化 D 北京:中国农业大学，2005 11佟国红，李保明 日光温室内各表面太阳辐射照度的模拟计算 J 中国农业大学学报，2006，11(1):61 65 12董吉林，李亚灵，温祥珍 温室光环境模拟模型及结构参数设计系统J 山西农业大学学报(自然科学版)，2003，23(3):252 255 13张素宁，田胜元 太阳辐射逐时模型的建立J 太阳能学报，1997，18(3):273 277 14曹永华 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J 农业工程学报，19
20、92，8(4):70 77 15Critten D L A computer model to calculate the daily lightintegral and transmissivity of a greenhouseJ Agric EngRes，1983，28:61 76 16Rosa R，Silva A M，Miguel A Solar irradiation inside asingle span greenhouseJ J Agric Eng Res，1989，43:221 229 17Pieters J G，Deltour J M Performances of gre
21、enhouse withthe presence of condensation cladding materials J J AgricEng Res，1997，68:125 137 18Pieters J G，Deltour J M Modeling solar energy input ingreenhouse J Solar Energy，1999，67:119 130(下转第 18 页)412010 年 12 月农 机 化 研 究第 12 期 3Murat Kacira，Sadanori Sase，Limi Okushima Effects ofside vents and span
22、 numbers on wind Induced natural ven-tilation of a gothic multi span greenhouse J JARQ，2004，38(4):227 233 4Mistriotis A Arcidiacono C，Picuno P，et al Computationalanalysis of ventilation in greenhouses at zero and low wind speedsJ Agricultural and Forest Meteorology，1997，88:121 135 5王福军 计算流体动力学分析CFD
23、软件原理与应用 M 北京:清华大学出版社，2004:125CFD Simulations and Predicts for Effect of External airflow Speeds onAirflow Profiles inside Venlo GlasshouseCheng Xiuhua1，2，Mao Hanping1，Ni Jun1(1 Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education Jiangsu Province，Jiang-su University，Z
24、henjiang 212013，China;2 Collage of Animal Science Technology，Yangzhou University，Yangzhou225009，China)Abstract:The 3 D numerical simulation was done based on the CFD technique for the natural ventilated Venlo glass-house under the specific boundary conditions The standard turbulent model and DO radi
25、ation model were used for nu-merical computations The measurement was conducted to validate the CFD model The results showed the simulatedvalues were good agreed with measured values for the average airflow velocities in the empty glasshouse，and the averagerelative error was 13 4%Then，the CFD models
26、 were used to predict the airflow profiles with external wind speeds of1 5ms1and 2ms1 A linear relationship between ventilation rates and the outside wind speeds was founded，andthe decided coefficient R2=0 984 6 the wind speeds was a key factor for ventilation rates At crops level the airflowprofile
27、s were uniform and it was affected slightly for lower external wind speed The higher airflow speeds and vertex wereobserved when the external wind speeds increase and there is an obvious grade along vertical heightKey words:glasshouse;airflow speed;CFD;simulation(上接第 14 页)Abstract ID:1003 188X(2010)
28、12 0011 EAForecasting Model of Shortwave Solar Radiation in Chinese SunlightGreenhouse in the North Drought Cold AreaBi Yuge1，Ma Shuoshi1，Xu Yiqun2(1 Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China;2 China Construction Bank Branches in Hulunbuir，Hulunbuir 021000，China)Abstract:A dynamic f
29、orecasting model of shortwave solar radiation outside and inside of Chinese solar sunlight green-house in the north drought cold area is presented Two aspects are included in the model The influence of cloud coveron shortwave solar radiation is keeping out and influences of crop growth on shortwave
30、solar radiation are reflection andabsorption To validate the correctness of the model，an experiment was carried out in the Chinese solar sunlight green-house in the Inner Mongolia agriculture science and technology park The results show that the shortwave solar radiationforecasted agreed well with the measured data in the condition of sunny，cloudy and overcast sky of weather forecast，with the relative error no more than 8%Key words:Chinese solar sunlight greenhouse;shortwave solar radiation;forecasting model812010 年 12 月农 机 化 研 究第 12 期