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《日光溫室采光性能的實用型優(yōu)化研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、日光溫室采光性能的實用型優(yōu)化研究魏永強農(nóng)學0303班23號摘 要：本研究根據(jù)日光溫室空間光強漸減的特點,結(jié)合Beer-Lambert定律,建立日光溫室采光性能的數(shù)學模型,通過溫室平均采光效率ηs等評價指標,分析了以保定地區(qū)為例的模型運算結(jié)果,明確了圓弧面、橢圓面、雙曲線面、拋物線面4種采光屋面曲線方程的最佳參數(shù).并結(jié)合肩高、采光面下土地使用效率Ψ評價指標分析發(fā)現(xiàn),在6種曲線中,兩種復合采光面(圓+地窗型和橢圓+地窗型)的ηs較優(yōu)而且肩高較大,具有實用性;同時還發(fā)現(xiàn),在同一內(nèi)跨、脊高和肩高下,二者的采光性能因光程相近而趨同.另外,圓弧面的ηs最高,但是肩高最小,實用
2、性最差;橢圓面和拋物線面在方程參數(shù)優(yōu)化后表現(xiàn)極為相近,雖然肩高較高,但是ηs最低.關(guān)鍵詞：日光溫室;采光性能;采光效率單斜面溫室的采光性能優(yōu)化一直受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。20世紀90年代以來,中國的日光溫室采光性能優(yōu)化研究進展較快。根據(jù)日光溫室采光屋面單拱形曲面的特點,其優(yōu)化焦點主要集中在采光屋面的曲線類型上,并從4～6種單一曲線或復合曲線中發(fā)現(xiàn)冬季以圓弧面優(yōu)于橢圓面[1]。周長吉等[7],則分析了現(xiàn)有數(shù)學表達式曲線作為采光面優(yōu)化存在局限性的弊端,采用網(wǎng)格優(yōu)化法將優(yōu)化結(jié)果光滑連接成為最優(yōu)采光曲線。為了將日光溫室采光性能優(yōu)化模擬結(jié)果和理論應用于生產(chǎn),尚需要進一步明
3、確以下兩個方面:一是確定優(yōu)型曲線的方程參數(shù)。因為一個曲線的方程參數(shù)不同,其采光角度不同,采光性能也會有所差異,而且溫室內(nèi)跨和脊高以及高跨比也會對方程參數(shù)和采光性能有著明顯影響;二是明確優(yōu)型曲線在生產(chǎn)中應用的可行性。因為單純以采光量最大化作為優(yōu)化評價指標會難以構(gòu)成實用型的優(yōu)型采光屋面的。例如,優(yōu)化篩選出的圓弧面[1,2],會因其前部低矮區(qū)域過大,土地使用效率低[2]、農(nóng)事操作困難而難于被生產(chǎn)者接受。李有等[2]提出的溫室采光面下土地使用效率指標有助于增強采光性能優(yōu)化的實用性。為此,本研究借鑒并改進引入了溫室平均采光效率、合理采光區(qū)比率、采光面下土地使用效率等指標,以
4、保定地區(qū)(北緯38°51′)為例,結(jié)合數(shù)學模型運算結(jié)果進行了采光性能的實用型優(yōu)化,同時探索采光屋面優(yōu)化的原理及其與實際應用相結(jié)合的關(guān)鍵點,以期促進我國日光溫室生產(chǎn)的進一步發(fā)展。1 方法1.1 日光溫室采光效率模型為了便于曲型屋面采光性能的研究,在單拱面型日光溫室剖面圖(圖1)中,將溫室地面作ｘ軸,并且將ｘ軸上的ＯＡ分為ｍ等份,即ｉ=1,2,……,ｍ。其中,第ｉ-1點與第ｉ+1點的ｘ軸垂線,與曲型采光屋面ＡＢ分別相交于Ｐｉ-1和Ｐｉ+1點。Ｐｉ-1和Ｐｉ+1兩點連線的中點為Ｐｉ。只要ｍ足夠大,Ｐｉ-1和Ｐｉ+1點的連線就會與曲型屋面Ｐｉ點逼近。通過Ｐｉ點的屋面角度為
5、α,陽光入射角為θ,太陽高度角為ｈ′;陽光Ｉ0通過采光膜面Ｐｉ點進入室內(nèi)為Ｉ′,再到達受光照部位為Ｉｉ。圖1 日光溫室采光圖解Ｆｉｇ.1 Ｄｉａｇｒａｍｏｆｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｌｉｇｈｔｉｎｇ以某時刻溫室內(nèi)各部位(地面、后墻面、后屋面)接受的日照量與室外膜面上日照量的比值稱為溫室采光效率,其平均值稱為溫室平均采光效率ηｓ,可以表達為:ηｓ=∑ｍｉ=1ＩｉＩ0/ｍ=ＩＡＤ+ＩＣＤ+ＩＢＣｍ·Ｉ0(1)其中,Ｉｉ為陽光通過Ｐｉ點穿過室內(nèi)空間到達受光照部位Ｑｉ點的光強;Ｉ0為室外陽光光強。通過Ｐｉ點進入室內(nèi)膜面內(nèi)側(cè)的陽光強度Ｉ′,與穿過室內(nèi)空間到達受光照部位Ｑｉ點的光強
6、Ｉｉ之間,符合Ｂｅｅｒ-Ｌａｍｂｅｒｔ定律,即:Ｉｉ=Ｉ′·ｅｘｐ(-εｓ)(2)式中,ε為溫室內(nèi)空間的大氣吸收系數(shù),采用溫室內(nèi)實測方法進行計算。在冬至期2004年12月21日12:00-13:00,在日光溫室內(nèi),隨機取Ｐｉ點至Ｑｉ點,在其光程ｓ上以50ｃｍ間隔,采用ＣＩＲＡＳ-2光合儀進行光合有效輻射ＰＡＲ測定。3次重復,并計算大氣吸收系數(shù)ε。采用ＳＰＳＳ10.0進行回歸模擬,分析結(jié)果為ε=00968±00038。進入室內(nèi)的陽光強度Ｉ′為:ＩＰＶＣ農(nóng)膜實測的λ與θ關(guān)系,并參照陳端生等[2]的經(jīng)驗型公式改良為式(4)。λ=90-ｅｘｐ(θ×2′=λ·Ｉ0(3)式中
7、,λ為薄膜的透光率。薄膜的透光率λ與光線入射角θ關(guān)系的經(jīng)驗型函數(shù)公式是根據(jù)01ｍｍ86)(4)其中,θ的單位為弧度。根據(jù)日光溫室屋面、不同季節(jié)太陽的位置、某一地區(qū)的地理緯度,θ表達為式(5)。θ=90°-α-ｈ′=δ+δ0-α(5)式中,屋面角度α通過Ｐ點坐標計算為,ｔｇα=(ｙｉ-1-ｙｉ+1)/(ｘｉ+1-ｘｉ-1);ｈ′為太陽高度角;δ為當?shù)氐乩砭暥?δ0為太陽直射的緯度,冬至時δ0=23°26′。ｓ為膜面Ｐｉ點到達受光照部位Ｑｉ點的距離,即光線路程,簡稱為光程。ｓ值根據(jù)采光屋面優(yōu)化目標通過各點坐標計算,即Ｐｉ(ｘｉ,ｙｉ)、Ｑｉ(ｘｉ→ｊ,ｙｉ→ｊ)、Ａ(
8、ｗ,0)、
