半地下立窗型日光温室采光效率模型及温光性能优化

王梅，高志奎，王俊玲

（河北农业大学园艺学院，保定，071000）

20世纪90年代以来，中国的日光温室采光性能优化研究进展较快[1～8]。为了将日光温室采光性能优化模拟结果和理论应用于生产，曾借鉴李有等[2]提出的温室采光面下土地使用效率指标，并改进引入了温室平均采光效率、合理采光区比率、采光面下土地使用效率等指标，以保定地区（北纬38°51'）为例，对河北省主推的冀优Ⅰ型[9]和冀优Ⅱ型[10]日光温室，结合数学模型运算结果进行了采光性能的实用型优化[11]。

21世纪初，在河北省主推半地下立窗型日光温室，如廊坊 40 型[12]和山东新型（SD-Ⅱ、SD-Ⅲ）[13]日光温室。此种类型的日光温室在保证采光性能的基础上以半地下式和宽后墙为特征，增强了温室的保温蓄热性能，提高了安全越冬生产的保障能力，并以大内跨为特征增加了实用面积，减少了边际热损失。然而，一些农业园区或菜农盲目仿造外省或异地温室外观和结构，或者自行更改设计，造成温室结构性能不甚理想，表现为温室的采光保温性能不符合当地气候特点的要求、不能满足蔬菜生长发育的需求以及安全越冬防冻保障能力差等问题。

为此，本研究在日光温室前屋面采光性能的实用型优化研究基础上，针对半地下立窗型日光温室的结构特点，以日光温室空间地面作物受光点为核心，结合日光温室前屋面的温光性能评价参数体系，包括温室平均采光效率、采光屋面保温效率和有效升温效率、温室采光面下土地使用效率，创建日光温室前屋面的采光性能模拟模型，以期进一步探索日光温室采光屋面优化的原理及其与实际应用相结合的关键点，为促进我国日光温室生产与产业的进一步发展提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 半地下立窗型日光温室采光面类型优化方案

在限定条件 A（w，0）、B（0，h）、C（w0，h0）、D（w0，0）、E （w，he）、F （w，hf），OD ＝w0=－100 cm，OA=w=500 ～1 100 cm，OB=h＝280～400 cm，AE=he＝55～115 cm，AF=hf＝0～90 cm下，圆弧面+立窗采光面方程表达为，其中 x≤w，当 x＝w 时，y＝he。 相应地， 椭圆面+立窗采光面方程表达为，其中 x≤w，当 x＝w 时，y＝he；抛物线面+立窗采光面方程表达为，其中 x≤w，当 x＝w 时，y＝he。 其中，w 为温室采光屋面的水平投影长度、w0为温室后屋面的水平投影长度、w＋w0为温室内跨、h为温室脊高、h0为后墙高度、he为立窗高、hf为半地下温室深度。

以定州地区（北纬38°31'）为例，对采光效率模型进行运算，在脊高为2.0～4.8m和内跨为6～11m条件下， 椭圆面曲线的最佳参数 aopt＝220 m、bopt＝8.62～18.97m。类似地，圆弧面的最佳参数 ropt＝40m；抛物线屋面 popt＝33.33～192.00m。

在日光温室脊高对温室温光性能影响中，日光温室内跨、半地下深度及立窗高度分别为1 000、30、75 cm。在日光温室内跨对温室温光性能影响中，日光温室脊高、半地下深度及立窗高度分别为340、30、75 cm。在日光温室半地下深度对温室温光性能影响中，日光温室脊高、内跨及立窗高度分别为340、1 000、75 cm。在日光温室立窗高度对温室温光性能影响中，日光温室脊高、内跨、半地下深度分别为 340、1 000、30 cm。

1.2 半地下日光温室温光性能评价参数

日光温室采光屋面保温效率τ为夜间室内温暖地面区域占采光屋面散热区域的比值。它被表达为采光面距离地面高度超过100 cm区域的水平投影长度w′与温室前低温带宽或半地下温室前底角深度的水平投影长度之差，再与前屋面拱面长度l与温室前低温带宽或半地下温室前底角深度的水平投影长度之和的比值，即为（式1）或（式2）。

日光温室有效升温效率υ为白天作物生长空间热量占整个温室空间热量分布的比例。它被表达为室内作物空间面积sc与温室纵剖总面积 so的比值，即为（式 3）或（式 4）。

这里，hc为室内作物高度，计算中取值为180 cm；乘以2/3，是考虑到对作物生长有效的热量应该分布在作物高度的中下部。

将李有等[2]提出的温室土地使用效率指标改进为采光屋面下土地使用效率φ，φ是采光面距离地面高度超过100 cm区域的水平投影长度w′与半地下温室前底角深度的水平投影长度之差，再与前屋面水平投影长度的比值，即为（式5）或（式6）。

2 结果与分析

2.1 半地下立窗型日光温室采光效率模型

为了便于研究曲形屋面采光性能，在半地下立窗型日光温室的纵剖面图（图1）中，将温室地面作x轴，并且将x轴上的OA分为m等份，即i＝1，2，……，m。 其中，第 i－1点与第 i＋1点的 x轴垂线，与曲型采光屋面 AB 分别相交于 Pi－1和 Pi＋1点。 Pi－1和Pi＋1两点连线的中点为 Pi。 只要 m 足够大，Pi－1和 Pi＋1点的连线就会与曲型屋面Pi点逼近。通过Pi点的屋面角度为α，阳光入射角为θ，太阳高度角为h′；阳光I0通过采光膜面Pi点进入室内为I′，再到达受光照部位为Ii。

某时刻温室内各部位（地面、后墙面、后屋面）接受的日照量与室外膜面上日照量的比值即为温室采光效率，其平均值称为温室平均采光效率ηs，可以表达为：

其中，Ii为阳光通过Pi点穿过室内空间到达受光照部位Qi点的光强，I0为室外阳光光强。通过Pi点进入室内膜面内侧的阳光强度I′与穿过室内空间到达受光照部位Qi点的光强Ii符合Beer-Lambert定律，即

图1 日光温室采光图解

式中，ε为温室内空间的大气吸收系数，采用温室内实测方法进行计算。于2004年12月21日（冬至）12：00～13：00，在日光温室内，随机取 Pi点至 Qi点间，即在其光程s上以50 cm为间隔，采用CIRAS-2光合仪测定光合有效辐射PAR。3次重复，并计算大气吸收系数ε。采用SPSS 10.0进行回归模拟，分析结果为 ε＝0.096 8±0.003 8。

进入室内的阳光强度

式中，λ为薄膜的透光率。λ与光线入射角θ关系的经验型函数公式是根据0.1mm PVC农膜实测的λ与θ关系，并参照高志奎等[11]的经验型公式计算：

其中，θ的单位为弧度。根据日光温室屋面、不同季节太阳的位置、某一地区的地理纬度，

s为膜面Pi点到达受光照部位Qi点的距离，即光线路程，简称为光程。s值根据采光屋面优化目标通过各点坐标计算，即B（0，h）、C（w0，h0）、D（w0，0）、E（w，he）、F（w，hf）。 其 中 ，w为温室采光屋面的水平投影长度、w0为温室后屋面的水平投影长度、w＋w0为温室内跨、h为温室脊高、h0为后墙高度、he为立窗高、hf为半地下温室深度。

2.2 半地下立窗型日光温室前屋面的结构参数对采光性能的影响

在日光温室结构参数中，随着日光温室脊高的增加，温室平均采光效率ηs变化不明显（图2A）；而随着日光温室内跨、立窗高度和半地下深度的增加，ηs呈降低趋势（图 2B，2C，2D）。 其中，日光温室立窗高度对ηs的影响较小（图2C），而日光温室内跨和半地下深度对 ηs的影响较大 （图2B，2D）。

另外，在图2的3种采光屋面中，圆弧面+立窗采光面、椭圆面+立窗采光面和抛物线面+立窗采光面的ηs无显著差异，其采光性能较为接近。

图2 日光温室脊高（A）、内跨（B）、立窗高度（C）及半地下深度（D）对温室平均采光效率的影响

2.3 半地下立窗型日光温室前屋面的结构参数对采光屋面保温性能的影响

在日光温室结构参数中，日光温室脊高和立窗高度对采光屋面保温效率τ的影响较小 （图3A和3C），而日光温室内跨和半地下深度对τ的影响较大（图3B，3D）。其中，随着日光温室内跨的增加，τ呈明显增高趋势（图3B）；而日光温室半地下深度超过30 cm以上时，τ呈线性锐减趋势（图3D）。

另外，在图3的3种采光屋面中，圆弧面+立窗采光面、椭圆面+立窗采光面和抛物线面+立窗采光面的τ无显著差异，三者的采光屋面保温性能较为接近。

2.4 半地下立窗型日光温室前屋面的结构参数对温室升温性能的影响

在日光温室结构参数中，脊高对温室有效升温效率υ的影响较大（图4A），且随着日光温室脊高的增加，υ呈线性锐减趋势；而日光温室内跨、立窗高度和半地下深度对υ的影响较小（图4B，4C，4D）。

另外，在图4的3种采光屋面中，圆弧面+立窗采光面、椭圆面+立窗采光面和抛物线面+立窗采光面的υ无显著差异，二者升温性能较为接近。

2.5 半地下立窗型日光温室前屋面的结构参数对温室采光面下土地使用效率的影响

在日光温室结构参数中，脊高、内跨和立窗高度对温室采光面下土地使用效率φ的影响较大 （图 5A，5B，5C）。其中，随日光温室脊高和内跨的增加，φ呈明显线性增加趋势；立窗高度＜105 cm时，随日光温室立窗高度的增加，φ呈明显线性增加趋势，而立窗高度≥105 cm时，φ呈饱和趋势。尽管日光温室半地下深度对φ的影响较小（图5D），可是日光温室半地下深度超过75 cm时，立窗圆弧采光面、立窗椭圆采光面和立窗抛物线采光面的φ呈线性锐减趋势。

另外，图5的3种采光屋面中，立窗圆弧采光面的φ接近或略高于立窗椭圆采光面和立窗抛物线采光面的φ，其温室土地使用性能接近或略高于立窗椭圆采光面和立窗抛物线采光面的。

图3 日光温室脊高（A）、内跨（B）、立窗高度（C）及半地下深度（D）对温室采光屋面保温效率的影响

图4 日光温室脊高（A）、内跨（B）、立窗高度（C）及半地下深度（D）对温室有效升温效率的影响

2.6 半地下立窗型日光温室采光性能优型结构参数

以定州地区（北纬38°31'）为例，根据温室平均采光效率、采光屋面保温效率、温室有效升温效率和采光面下土合上述数学模型模拟运算结果进行了半地下立窗型日光温室前屋面的温光性能的实用型优化，综合分析显示，在圆弧面+立窗采光面、椭圆面+立窗采光面和抛物线面+立窗采光面中，半地下立窗型日光温室前屋面的曲线类型可以在3种采光面中任选其一。同时，半地下立窗型日光温室的优型结构参数选定如下：脊高以340～360 cm为宜、日光温室内跨以900～1 000 cm为宜、立窗高度以 75～115 cm为宜、半地下深度以30～45 cm为宜。

本研究中，在定州辛兴村的半地下立窗型日光温室的前屋面选用圆弧面+立窗采光面，其优型结构参数选定如下：脊高340cm、内跨1000cm、立窗高度75 cm、半地下深度30 cm。其半地下立窗型日光温室前屋面优型结构纵剖面见图6。

图5 日光温室脊高（A）、内跨（B）、立窗高度（C）及半地下深度（D）对温室采光面下土地使用效率的影响

图6 半地下立窗型日光温室前屋面优型结构纵剖面及其参数

3 讨论与结论

3.1 日光温室温光性能最佳优化致使前屋面的曲线类型趋同

在同一脊高和内跨下，对单拱形曲面日光温室的前屋面进行采光性能优化，从4～6种单一曲线中发现冬季以圆弧面优于椭圆面等[1]。

高志奎等[11]在进行温室采光性能优化模拟中，引入Beer-Lambert定律，通过光程分析发现，无论曲线类型如何，若将内跨、脊高和肩高固定，经过模拟优化曲线参数后最终的曲面形状会趋同。因此，在2种复合采光面（圆＋地窗型和椭圆＋地窗型）中，圆与椭圆的曲线类型显然是不同的，但是在同一内跨、脊高和肩高下，二者经过模型优化曲线方程参数后，其 ηs基本接近[11]。

在此基础上，本研究的3种采光屋面的温光性能和土地使用性能优化亦呈现类似结果，即圆弧面+立窗采光面、椭圆面+立窗采光面和抛物线面+立窗采光面的ηs、τ、υ和φ均较为接近。

3.2 日光温室温光性能的理论优化与实用性

研究表明，单纯以采光量最大化作为优化评价参数难以构成实用型的优型采光屋面。例如，优化筛选出的圆弧面[1，2]，会因其前部低矮区域过大，出现土地使用效率低[12]、农事操作困难而难于被生产者接受。李有等[2]提出的温室采光面下土地使用效率指标有助于增强采光性能优化的实用性。

高志奎等[11]提出肩高不仅明显影响温室的采光性能，而且在采光屋面曲线类型优化中还可反映出温室前部植株生长空间和人工农事操作空间状况，其将肩高与采光面下土地使用效率相结合，作为日光温室采光性能优化的实用性评价参数。

在本研究中，当日光温室立窗高度增加时，肩高会相应增加 （文中数据未列出）；立窗高度增至105 cm以上时，达到最适肩高（文中数据未列出），其采光面下土地使用效率φ最大（图5C）。

[1]陈端生，郑海山，张建国，等.日光温室气象环境综合研究（三）——几种弧型采光屋面温室内直射光量的比较研究[J].农业工程学报，1992，8（4）：78-82.

[2]李有，张述景，王谦，等.日光温室采光面三效率计算模式及其优化选择研究[J].生物数学学报，2001，16（2）：198-203.

[3]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.

[4]吴毅明，曹永华，孙忠富，等.温室采光设计的理论分析与方法——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）：73-79.

[5]藏田檍次.温室方位和地理纬度对太阳直射光透过率的影响[J].农业工程学报，1993，9（2）：52-56.

[6]孙忠富，吴毅明，曹永华，等.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）：36-41.

[7]周长吉，孙山，吴德让.日光温室前屋面采光性能的优化[J].农业工程学报，1993，9（4）：58-61.

[8]孙忠富，李佑祥，吴毅明，等.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（6）：46-51.

[9]杨大俐.冀优Ⅰ型塑料日光温室建造技术规程[J].河北农业,1997（6）：6-7.

[10]杨大俐，泰双月.河北省地方标准冀优Ⅱ型塑料日光温室建造技术规程[J].河北农业，1997（4）：10.

[11]高志奎，魏兰阁，王梅，等.日光温室采光性能的实用型优化研究[J].河北农业大学学报，2006，29（1）：1-5.