温室内辐射空间分布模型研究

宋岷釜++王峰++吴奇++张萌

摘要 参考太阳天文辐射量的计算方法及辐射在山地上重新分配后的空间分布模型，研究北方斜面日光温室内太阳辐射的空间分布。本设计以日光温室西墙与北墙相交的下基点为原点，建立空间坐标系，模拟温室东、西山墙及采光屋面的函数曲线，然后通过计算日光温室东、西、北山墙对日光温室内任一点的可蔽视角，结合日光温室所在地纬度、坡面、温室结构等参数得到该点日出日没时刻，再根据所求时刻的时角判断该点是否处在太阳光的直接照射下，进一步考虑不同覆盖薄膜对辐射的透过率，可近似的用该点某一时刻各方位角的仰角占球面全方位角仰角的百分比来计算该点此刻接受到的散射辐射量及总辐射量，从而可模拟出温室内任意一点在任一时刻的辐射量模型。

关键词 天文辐射；日光温室；辐射模型

中图分类号 P422.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）16-0213-02

Abstract Taking solar astronomy，the calculation of radiation and radiation in the mountains after the re-distribution of the spatial distribution model as reference resources，spatial distribution of solar radiation in greenhouse were studied.The design taking north wall point and western wall point intersection as origin，established spatial coordinates，simulated function curve of gable and roof of greenhouse.The design taking north wall point and western wall point intersection as origin，established spatial coordinates，simulated function curve of gable and roof of greenhouse.Combined with latitude，slope and greenhouse structure，sunrise and sunset at any point in the greenhouse were got.Considering the transmittance of the radiation，the radiation and the total radiation were calculated，the radiation model of any point in the greenhouse at any time were simulated.

Key words solar radiation；greenhouse；radiation model

一個地区由于所处一定的地理纬度，已经决定了太阳辐射的天文总量。然而，由于地面起伏变化造成局部地面接收太阳光的状况存在很大差异，太阳辐射量在地面还存在一个重新分配的过程。不同的坡度、坡向，所受太阳辐射的不同，造成复杂的太阳辐射空间分布。

考虑地形因素的太阳辐射模型的研究始于20世纪60年代[1]。由于数字计算机的出现弥补了传统太阳辐射分析方法的缺陷，气候气象学者开始研究辐射模型的数学方法。最近十几年，对太阳辐射的研究转向太阳辐射模型与GIS的结合。Dubayah提出了建立地理信息系统中太阳辐射模型，Dozier与James发展了太阳辐射模型中地形参数的快速算法。Dubayah和Rich提出了2个模型ATM和SOLA-RFLUX。Kumar、Skidmore和Knowles提出运用数字高程模型计算晴空条件下太阳直接辐射和散射辐射的模型，该模型可用于计算平原和山地的太阳辐射。Oscar Van Dam进行了太阳辐射模拟，Javier G.Corripio针对太阳辐射建模在算法上进行了讨论[2-4]。本文主要以中国北方最普遍使用的辽沈Ⅰ型温室为研究对象，分析太阳直接辐射的时空分布状况。

研究温室各山墙对待求点的可蔽时角，计算精度取决于山墙模拟曲线的准确度、温室空间的大小、太阳方位所在山墙曲线的范围段，普遍适用于山地、日光温室等地点辐射值的计算。

1 倾斜面太阳直接辐射强度

研究进入温室内的太阳光，既要考虑透明覆盖材料对光的衰减，也要考虑温室曲面对光的不同透过率的影响。

在研究太阳辐射进入温室内的分布时需充分考虑温室内坡面的弧度问题。太阳辐射到达采光屋面时的切平面不同，该曲面下的透光率就不同，根据实际测量数据模拟出目标温室的纵切面图，如图1所示。

可以看出，以西山墙北地角为坐标原点，温室竖直高度为z，横轴为y轴，纵轴为x轴，且y=60.0，x其分段范围为：0≤x<1.4，1.4≤x<3.32，3.32≤x<5.86，5.86≤x<7.4，7.4≤x<7.72。

对于任意给定时刻，为了便于计算，首先根据温室的实际几何参数把曲面分割成4个小折面，把曲面问题转化为平面问题[5-9]。小折面数的多少取决于对计算精度的要求和温室的结构。从理论上讲，当着面数趋于无穷大时，小折面完全逼近曲面。从4个小折面中取出一个折面按斜面计算其瞬时辐射值，其他折面按相同方法处理。

2 模拟设计

如图2所示，以西山墙北基点为坐标原点，温室竖直方向为Z坐标轴，北墙走向为Y坐标轴，西山墙走向为X坐标轴，建立空间坐标系。根据实测温室结构数据可拟合出温室后坡及采光屋面的函数表达式[10-11]，即：

Z（x）=0.794 6x+2.591 4-0.292 7x+4.118 5-0.019 8x2-0.220 2x+4.085 8-0.199 7x2+1.838 2x-1.798 5-5x2+73.3x-267.8 0≤x<1.4

1.4≤x<3.32

3.32≤x<5.86

5.86≤x<7.4

7.4≤x<7.72

空间高度与距北墙的距离为：x=-0.375z2-0.08z+7.72（图3）。

3 温室内总辐射强度

3.1 直接辐射强度

在模型所需各参数给定的情况下，根据温室内某一点的日出日没时间规律判断该点在某一时刻是否处在太阳光直接照射下，若在某一时刻未处在直接照射下，则该点接收到的直接辐射值为零，否则根据公式进行计算。计算公式如下[12-15]：

S直=S′r，p×η

其中：η-覆盖材料的透过率。

3.2 散射辐射强度

地面接受的总太阳辐射量由散射辐射（简称散射）量和直接辐射（简称直射）量两部分组成。散射部分是太阳经大气层气体，尘埃散射地面反射等因素形成的辐射部分，与海拔高度、纬度、太阳高度角、大气质量、空气湿度、地面反射率等参数有关。散射辐射再通过塑料薄膜覆盖的倾斜采光面的衰减，在温室内的分布又受温室内大气质量、山墙、温室结构遮蔽等的影响而使其空间分布相当复杂。本模型中为了估算温室内任意一点的散射量，做出假设：任意一点的散射来自于以该点为中心的半球面上各点的散射，并且来自半球面的散射各方向均一。

4 结语

由于太阳在黄道上的运动不是均匀的，而是时快时慢，因此，真太阳日的长短也就各不相同。同时地球周围的大气对太阳光也有明显的折射作用，一般来自地平方向的光线折光差可达34°之多。这就意味着当太阳中心还在地平线以下50°时，太阳上缘已经与地平线相切了。

在温室内，计算某一点的散射辐射值时做了2个理想化的假设，但在实际温室中小气候环境非常复杂，多种因素会影响到空间散射辐射分布。再加之温室内部结构几何参数的多样性会对设计结果有一定的影响，其中龙骨架（温室纵向主架和附架各65个，每个直径分别为2.75 cm和1.22 cm；温室横向主架5个，直径为2.24 cm）的存在便会产生一定的误差，因此设计中所得的结果只是一个理论结果，与实际的数值会存在一定的偏差。

5 参考文献

[1] 葛全胜，赵名茶，郑景云.中国陆地表层系统分区[J].地理科学，2003，23（1）：1-6.

[2] Rui Rose Solar and thermal radiation inside a multispan greenhouse[J].Jagric Engng，1988，40：285-295.

[3] COHEN M F，GREENBERG D P.A radiosity soluyion for complex environments[J].Computer Graphics，1985，19（3）：31-40.

[4] 左大康.现代地理学词典[M].北京：商务印书馆，1990：146.

[5] 傅抱璞.坡地对日照和太阳辐射的影响[J].南京大学学报（自然科学版），1958（2）：23-46.

[6] 傅抱璞.山地气候[M].北京：科学出版社，1983：1-19.

[7] 傅抱璞，虞静明，卢其尧.山地气候资源与开发利用[J].南京：南京大学出版社，1996.

[8] 朱志辉.非水平面天文辐射的全球分布[J].中国科学，1988（10）：1100.

[9] 孙汉群，傅抱璞，于强.关于坡地上的日出日没时角问题[J].南京大学学报（自然科学版），1993，29（地学专辑）：154-158.

[10] 翁笃鸣，罗哲贤.山区气候[M].北京：气象出版社，1990：25-60.

[11] 左大康，周允华，项月琴.地球表层辐射研究[M].北京：科学出版社，1991：86.

[12] 陈志强，陈健飞.基于数字高程模型的漳浦样区太阳天文日辐射模拟[J].太阳能学报，2006，27（6）：578-581.

[13] 朱志輝.日照时间与等日照方位[J].中国科学（B辑），1987（12）：1340-1347.

[14] 宋多魁，陈德信.坡地日照与直达辐射计算方法的进一步探讨[J].广西农业大学学报，1993，12（2）：20-26.

[15] 孙汉群，傅抱璞.对等辐照方位与建筑朝向的解析研究[J].地理学报，1999，54（1）：83-89.