基于太阳光环境的锯齿型连栋温室脊位比优化_齐子皓.pdf

第 46 卷 第 11 期 2025 年 11 月 太 阳 能 学 报 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol 46 No 11 Nov 2025 收 稿 日 期 2024 06 28 基 金 项 目 国家重点研发计划 2023YFD1700900 国家自然科学基金 32272008 国家现代农业产业技术体系 CARS 23 通 信 作 者 王 少 杰 1985 男 博 士 教 授 主 要 从 事 园 艺 设 施 结 构 与 能 源 高 效 利 用 方 面 的 研 究 tumuwsj DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2024 1140 文 章 编 号 0254 0096 2025 11 0395 10 基 于 太 阳 光 环 境 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 脊 位 比 优 化 齐 子 皓 1 魏 珉 2 王 少 杰 1 2 管 仁 辉 1 孙 宏 宇 2 宋 皓 然 1 1 山 东 农 业 大 学 水 利 土 木 工 程 学 院 泰 安 271018 2 山 东 农 业 大 学 园 艺 科 学 与 工 程 学 院 泰 安 271018 摘 要 以 常 德 市 拟 建 单 跨 8 m 的 屋 顶 锯 齿 型 连 栋 温 室 为 研 究 对 象 从 生 产 及 工 程 建 设 需 求 出 发 利 用 新 型 建 筑 环 境 仿 真 插 件 集 Ladybug Tools 探 明 走 向 与 脊 位 比 变 化 对 温 室 内 太 阳 光 环 境 的 影 响 得 到 东 西 南 北 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 的 最 优 脊 位 比 结 果 表 明 东 西 南 北 走 向 下 均 以 脊 位 比 为 5 6 2 4 时 对 应 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 采 光 性 能 最 好 各 脊 位 比 下 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 日 间 照 度 均 以 南 北 走 向 高 于 东 西 走 向 最 优 脊 位 比 下 东 西 南 北 走 向 连 栋 温 室 的 照 度 差 异 较 小 但 太 阳 辐 照 度 差 异 较 大 东 西 走 向 较 南 北 走 向 连 栋 温 室 内 部 太 阳 辐 照 度 平 均 提 升 7 47 W m 2 即 东 西 走 向 连 栋 温 室 对 太 阳 辐 照 度 的 获 取 能 力 更 强 该 文 实 现 了 基 于 Ladybug Tools 的 园 艺 设 施 太 阳 光 环 境 仿 真 优 选 得 到 锯 齿 型 连 栋 温 室 的 最 优 脊 位 比 关 键 词 太 阳 能 农 业 建 筑 温 室 锯 齿 型 连 栋 温 室 光 环 境 棚 型 优 化 中 图 分 类 号 TK519 文 献 标 志 码 A 0 引 言 锯 齿 型 连 栋 温 室 有 屋 顶 锯 齿 和 天 沟 锯 齿 两 种 类 型 针 对 屋 顶 锯 齿 高 跨 屋 面 与 低 跨 屋 面 的 水 平 投 影 长 度 比 值 为 其 脊 位 比 脊 位 比 影 响 室 内 光 环 境 该 类 温 室 在 中 国 日 益 得 到 广 泛 应 用 但 面 临 着 冬 季 低 温 寡 照 时 期 采 光 能 力 不 足 问 题 直 接 影 响 室 内 光 温 环 境 1 光 照 环 境 对 作 物 的 生 长 具 有 重 要 意 义 2 温 室 自 然 光 照 通 常 无 法 精 确 控 制 3 对 于 连 栋 温 室 捕 获 光 能 的 结 构 主 要 集 中 于 屋 顶 科 学 的 连 栋 温 室 屋 面 构 型 走 向 能 充 分 利 用 太 阳 能 近 年 来 已 有 学 者 利 用 Fluent 4 Ecotect 5 Comsol 6 等 仿 真 软 件 对 不 同 温 室 结 构 进 行 了 光 环 境 模 拟 研 究 已 有 研 究 表 明 屋 面 形 状 7 温 室 朝 向 8 及 走 向 9 10 内 外 遮 阳 11 天 沟 尺 寸 12 覆 盖 材 料 13 光 伏 组 件 14 等 温 室 结 构 因 素 会 对 温 室 内 部 光 环 境 产 生 影 响 且 通 过 太 阳 辐 照 度 研 究 物 体 能 量 截 获 具 有 重 要 意 义 15 以 上 研 究 可 得 到 启 示 不 同 脊 位 比 不 同 走 向 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 内 部 的 太 阳 光 环 境 也 是 不 同 的 因 此 围 绕 不 同 走 向 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 开 展 基 于 光 环 境 的 脊 位 比 优 化 研 究 十 分 必 要 当 前 基 于 Grasshopper 插 件 集 成 平 台 16 的 Ladybug Tools 新 型 建 筑 环 境 仿 真 分 析 插 件 集 在 建 筑 工 程 领 域 17 应 用 日 趋 广 泛 该 插 件 可 调 用 各 类 仿 真 模 拟 引 擎 逐 时 逐 天 逐 月 对 建 筑 进 行 光 环 境 的 精 确 仿 真 但 其 在 园 艺 设 施 领 域 中 还 并 未 被 广 泛 应 用 且 当 前 亦 缺 少 针 对 锯 齿 型 温 室 屋 面 脊 位 比 光 环 境 构 型 优 化 的 系 统 研 究 为 此 本 文 以 湖 南 省 常 德 市 拟 建 锯 齿 型 连 栋 温 室 为 背 景 采 用 Ladybug Tools 插 件 建 立 南 北 走 向 与 东 西 走 向 各 6 种 不 同 脊 位 比 锯 齿 型 连 栋 温 室 仿 真 分 析 模 型 以 温 室 内 照 度 太 阳 辐 照 度 与 光 环 境 均 匀 性 为 评 价 指 标 从 如 何 有 效 提 高 锯 齿 型 连 栋 温 室 冬 季 采 光 性 能 提 升 太 阳 能 利 用 效 率 的 角 度 分 析 不 同 走 向 锯 齿 型 屋 面 脊 位 比 连 栋 温 室 太 阳 光 环 境 的 差 异 旨 在 为 锯 齿 型 连 栋 温 室 冬 季 采 光 性 能 提 升 与 棚 室 规 划 建 造 提 供 参 考 依 据 1 模 型 与 方 法 在 温 室 光 环 境 仿 真 过 程 中 具 有 实 时 可 视 化 结 果 反 馈 的 仿 真 软 件 对 有 效 评 估 设 计 性 能 至 关 重 要 日 常 实 践 过 程 中 独 立 的 仿 真 工 具 可 能 无 法 实 现 以 上 需 求 因 此 本 研 究 采 用 快 速 且 可 视 化 效 果 优 异 的 建 筑 环 境 仿 真 分 析 插 件 集 Ladybug Tools 版 本 1 7 0 对 锯 齿 型 连 栋 温 室 进 行 光 环 境 仿 真 模 拟 其 中 Ladybug 气 候 分 析 插 件 可 将 标 准 的 EnergyPlus Weather 文 件 EPW 导 入 Grasshopper 用 于 设 计 早 期 阶 段 的 过 程 决 策 及 温 室 所 建 地 域 的 气 候 数 据 提 取 Honeybee 建 筑 及 环 境 建 模 插 件 可 设 置 选 定 的 模 拟 引 擎 所 需 的 所 有 属 性 和 模 拟 功 能 用 于 拾 取 温 室 参 数 化 模 型 及 材 料 属 性 的 赋 予 HB Radiance 建 筑 光 环 境 仿 真 插 件 18 可 启 用 Radiance 以 进 行 基 于 光 线 模 拟 的 仿 真 计 算 用 于 模 拟 温 室 内 部 太 阳 光 环 境 与 太 阳 辐 照 度 在 Ladybug Tools 中 典 型 的 气 象 年 typical meteorological year TMY 天 气 数 据 以 EnergyPlus 天 气 energyplus weather 文 件 形 式 输 入 至 Ladybug 中 TMY 表 示 给 定 年 份 的 每 小 时 假 设 天 气 数 据 使 用 排 除 极 端 天 气 事 件 的 长 期 气 候 数 据 进 行 过 滤 本 研 究 选 取 湖 南 省 常 德 市 TMY 天 气 数 据 396 太 阳 能 学 报 46 卷 1 1 模 型 介 绍 以 湖 南 省 常 德 市 拟 建 锯 齿 型 连 栋 温 室 为 背 景 针 对 其 脊 位 比 进 行 温 室 采 光 性 能 分 析 与 构 型 优 化 为 控 制 变 量 用 于 研 究 的 连 栋 温 室 除 脊 位 比 走 向 不 同 外 其 余 规 格 参 数 均 相 同 单 拱 跨 度 8 0 m 肩 高 4 0 m 脊 高 6 6 m 天 沟 水 平 投 影 宽 度 为 418 mm 为 保 证 南 北 走 向 与 东 西 走 向 温 室 占 地 面 积 相 同 设 计 南 北 走 向 4 连 栋 棚 长 48 m 东 西 走 向 6 连 栋 棚 长 32 m 占 地 面 积 均 为 1536 m 2 覆 盖 材 料 均 为 透 光 率 90 的 PO 膜 常 德 市 位 于 北 纬 28 31 当 地 主 导 风 向 为 东 北 风 因 锯 齿 型 通 风 口 主 要 为 出 风 口 设 计 为 适 于 当 地 风 环 境 兼 顾 抗 风 性 能 的 提 升 如 图 1 所 示 南 北 走 向 锯 齿 型 温 室 的 通 风 口 设 置 为 西 向 开 启 最 西 跨 通 风 口 东 向 开 启 东 西 走 向 锯 齿 型 温 室 的 通 风 口 设 置 为 北 向 开 启 最 北 跨 通 风 口 南 向 开 启 5600 2400 8000 8000 8000 48000 8000 8000 6000 4000 2600 a 东 西 走 向 温 室 剖 面 5600 2400 8000 32000 8000 8000 150 143 170 170 30 30 6000 4000 2600 b 南 北 走 向 温 室 剖 面 c 天 沟 剖 面 图 1 温 室 与 天 沟 剖 面 单 位 mm Fig 1 Cross section views of greenhouse and gutter unit mm 在 以 上 规 格 参 数 确 定 的 条 件 下 通 过 Rhino 软 件 对 温 室 进 行 1 1 建 模 采 用 Ladybug Honeybee 插 件 开 展 温 室 光 环 境 仿 真 分 析 1 2 光 环 境 建 模 模 型 通 过 Grasshopper 插 件 集 成 平 台 创 建 几 何 模 型 输 入 电 池 组 拾 取 为 参 数 化 数 据 图 2a 并 通 过 Ladybug 插 件 生 成 高 分 辨 率 的 莱 因 哈 特 天 空 模 型 图 2b 该 模 型 将 天 穹 划 分 为 580 个 斑 块 根 据 输 入 的 天 气 数 据 生 成 太 阳 辐 照 度 分 布 图 3 结 合 气 象 数 据 得 到 冬 至 日 有 效 采 光 时 段 逐 时 光 照 数 据 将 天 空 模 型 和 阴 影 模 型 输 入 到 Honeybee 的 辐 射 分 析 模 块 中 以 便 于 计 算 研 究 地 全 年 的 每 小 时 太 阳 辐 照 度 共 8760 个 数 据 点 太 阳 光 线 透 过 棚 膜 进 入 温 室 一 部 分 辐 射 被 薄 膜 吸 收 另 一 部 分 透 过 薄 膜 进 入 棚 内 为 保 证 模 型 的 可 靠 性 在 Honeybee 中 据 实 设 置 光 学 特 性 参 数 具 体 参 数 见 表 1 1 3 理 论 基 础 1 3 1 照 度 太 阳 光 直 接 或 间 接 进 入 温 室 内 的 过 程 可 用 两 个 独 立 变 量 考 虑 分 别 为 天 空 照 度 以 及 建 筑 构 件 表 面 的 光 学 属 性 和 几 何 形 状 计 算 温 室 内 照 度 需 首 先 对 连 续 的 天 空 进 行 离 散 化 模 型 构 建 该 研 究 选 用 莱 因 哈 特 天 空 模 型 将 天 穹 离 散 为 580 个 小 单 元 将 每 个 单 元 对 温 室 内 太 阳 光 照 的 影 响 进 行 建 模 a 温 室 模 型 输 入 电 池 组 b 天 空 模 型 输 入 电 池 组 图 2 温 室 与 天 空 建 模 Fig 2 Greenhouse and sky modeling W m 2 W m 2 W m 2 67 14 60 43 53 71 47 00 40 28 33 57 26 86 20 14 13 43 6 71 0 00 67 14 60 43 53 71 47 00 40 28 33 57 26 86 20 14 13 43 6 71 0 00 67 14 60 43 53 71 47 00 40 28 33 57 26 86 20 14 13 43 6 71 0 00 N NNE NNW ENE SSE SSW SW WSW WNW NW ESE NE SE S E W N NNE NNW ENE SSE SSW SW WSW WNW NW ESE NE SE S E W N NNE NNW ENE SSE SSW SW WSW WNW NW ESE NE SE S E W a 总 太 阳 辐 照 度 b 直 接 太 阳 辐 照 度 c 漫 射 太 阳 辐 照 度 12 月 21 日 09 00 12 月 21 日 16 00 城 市 常 德 国 家 中 国 时 区 8 0 来 源 SRC TMYx 图 3 常 德 市 冬 至 日 天 空 模 型 Fig 3 Winter solstice sky model in Changde city 表 1 温 室 结 构 及 光 学 属 性 参 数 Table 1 Greenhouse structure and optical property parameters 温 室 结 构 地 面 天 沟 棚 膜 透 光 率 0 0 90 反 射 率 12 60 15 吸 收 率 60 80 25 线 性 累 加 所 有 天 空 单 元 对 光 环 境 的 影 响 可 得 到 结 果 19 各 单 元 对 室 内 自 然 光 照 的 影 响 表 达 为 20 E D L S 1 式 中 E 单 个 天 空 单 元 发 出 的 光 线 进 入 室 内 某 个 点 的 照 度 lx D 采 光 系 数 与 温 室 形 状 周 边 建 筑 以 及 围 护 结 构 内 表 面 的 光 学 属 性 有 关 L 单 个 天 空 单 元 发 出 的 亮 度 cd m 2 S 单 个 天 空 单 元 立 体 角 的 大 小 sr 对 式 1 进 行 积 分 可 得 E C DC S 2 式 中 E 室 内 某 点 的 照 度 lx C DC 采 光 系 数 矩 阵 S 天 空 向 量 1 3 2 太 阳 辐 照 度 连 栋 温 室 截 获 的 太 阳 辐 射 主 要 分 为 直 接 辐 射 和 散 射 辐 射 21 对 于 室 外 地 面 和 环 境 反 射 的 辐 射 可 忽 略 不 计 温 室 截 获 的 太 阳 直 射 辐 照 度 由 太 阳 高 度 角 大 气 透 明 系 数 太 阳 方 位 角 棚 方 位 角 和 顶 棚 角 决 定 22 太 阳 的 高 度 角 和 方 位 角 随 时 间 变 化 太 阳 的 运 动 轨 迹 会 改 变 太 阳 辐 照 度 即 入 射 角 会 发 生 变 化 沿 弯 曲 屋 面 阳 光 入 射 角 可 表 示 为 r t cos 1 cos r sinh t sin r cos h t cos t G 3 式 中 入 射 角 h 屋 面 的 太 阳 高 度 角 斜 坡 角 太 阳 方 位 角 G 温 室 方 位 角 r 沿 屋 面 t 随 时 间 的 变 化 式 4 可 计 算 到 达 温 室 任 意 点 的 直 接 太 阳 辐 照 度 I b 即 I b r t I bt t cos r sin h t 4 式 中 I b r t 在 典 型 的 晴 天 沿 屋 面 随 时 间 变 化 的 太 阳 辐 照 度 W m 2 温 室 接 收 到 的 太 阳 漫 射 可 从 温 室 和 水 平 表 面 之 间 的 倾 斜 角 度 的 关 系 中 导 出 温 室 的 漫 射 太 阳 辐 照 度 I d 为 I d r t I dt t cos 2 r 2 5 式 中 I d r t 在 典 型 的 晴 天 沿 屋 面 随 时 间 变 化 的 漫 射 太 阳 辐 照 度 W m 2 通 过 整 合 可 获 得 白 天 到 达 温 室 外 表 面 的 累 积 太 阳 辐 照 度 I s I s t 1 t 2 0 L r I b r t I d r t dLdt 6 式 中 t 1 照 射 时 间 的 开 始 h t 2 照 射 时 间 的 结 束 h L r 温 室 的 长 度 m 在 计 算 连 栋 温 室 每 个 表 面 上 的 太 阳 辐 照 度 时 先 计 算 并 确 定 棚 内 地 面 侧 棚 面 的 阳 光 投 影 这 意 味 着 可 计 算 太 阳 直 接 辐 照 度 的 瞬 时 值 和 累 积 值 计 算 温 室 内 任 意 点 直 接 太 阳 辐 照 度 的 公 式 为 I zp zp I bh 1 H aze 7 式 中 I zp 某 点 的 直 接 太 阳 辐 照 度 W m 2 zp 温 室 屋 面 相 对 应 的 任 一 点 p 的 直 接 透 射 率 I bh 温 室 屋 面 任 一 点 的 直 接 太 阳 辐 照 度 W m 2 H aze 覆 盖 材 料 雾 度 温 室 地 面 的 直 接 太 阳 辐 照 度 23 计 算 为 I b g t 1 t 2 0 L g I zp dLdt 8 1 4 采 光 性 能 评 价 指 标 太 阳 辐 照 度 对 作 物 光 合 和 蒸 腾 作 用 有 重 要 影 响 24 是 温 室 内 部 能 量 的 主 要 来 源 对 于 温 室 内 部 的 温 度 提 升 起 重 要 作 用 事 关 连 栋 温 室 安 全 低 碳 越 冬 生 产 照 度 对 植 物 生 长 亦 有 重 要 影 响 是 光 合 作 用 和 植 物 生 理 活 动 的 基 础 温 室 内 地 面 照 度 太 阳 辐 照 度 以 及 光 环 境 分 布 的 均 匀 性 25 是 评 价 温 室 冬 季 采 光 性 能 的 重 要 指 标 冬 季 时 温 室 内 照 度 11 期 齐 子 皓 等 基 于 太 阳 光 环 境 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 脊 位 比 优 化 397 398 太 阳 能 学 报 46 卷 与 太 阳 辐 照 度 越 高 光 分 布 越 均 匀 表 明 温 室 采 光 性 能 越 好 良 好 的 采 光 性 能 有 利 于 温 室 内 作 物 的 正 常 生 长 发 育 本 文 采 用 温 室 内 地 面 照 度 太 阳 辐 照 度 及 其 均 匀 性 评 价 不 同 脊 位 比 条 件 下 锯 齿 型 连 栋 温 室 的 采 光 性 能 均 匀 性 采 用 温 室 地 面 采 点 数 据 组 的 变 异 系 数 C V 评 定 即 C V 9 式 中 采 点 数 据 组 的 标 准 偏 差 采 点 数 据 组 的 平 均 值 1 5 工 况 设 置 为 探 究 脊 位 比 走 向 对 锯 齿 型 连 栋 温 室 室 内 光 环 境 的 影 响 利 用 Grasshopper for Rhino 参 数 化 建 模 建 立 6 种 不 同 脊 位 比 的 东 西 走 向 与 南 北 走 向 共 12 座 连 栋 温 室 模 型 以 脊 位 比 4 0 4 0 的 温 室 为 对 照 温 室 分 别 建 立 5 0 3 0 5 2 2 8 5 4 2 6 5 6 2 4 5 8 2 2 共 5 种 不 同 脊 位 比 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 图 4 为 各 工 况 对 应 的 脊 位 比 示 意 图 工 况 编 号 采 用 EW SN 如 EW 5 0 3 0 表 示 东 西 走 向 脊 位 比 5 0 3 0 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 SN 5 6 2 4 表 示 南 北 走 向 脊 位 比 5 6 2 4 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 4 0 8 0 1 2 2 6 5 4 4 0 4 0 6 6 2 4 5 6 2 8 5 2 3 0 5 0 2 2 5 8 图 4 各 工 况 锯 齿 型 连 栋 温 室 脊 位 比 单 位 m Fig 4 Ridge position ratio of sawtooth type multi span greenhouse under different working conditions unit m 2 结 果 与 分 析 2 1 东 西 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 光 环 境 与 脊 位 比 优 化 2 1 1 照 度 为 分 析 东 西 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 冬 季 光 环 境 变 化 规 律 以 及 脊 位 比 对 室 内 光 环 境 的 影 响 选 取 太 阳 辐 照 度 最 小 的 冬 至 日 进 行 分 析 图 5 为 建 立 的 东 西 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 模 型 与 冬 至 日 太 阳 轨 迹 通 过 仿 真 计 算 可 得 到 各 工 况 温 室 内 逐 时 平 均 照 度 及 日 平 均 太 阳 辐 照 度 N NNE NNW ENE SSE SSW SW WSW WNW NW ESE NE SE S E W 图 5 东 西 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 模 型 与 冬 至 日 太 阳 轨 迹 Fig 5 Sawtooth type multi span greenhouse with east west model and solar trajectory on winter solstice 冬 季 温 室 阴 影 对 室 内 光 环 境 影 响 较 大 图 6 所 示 为 各 脊 位 比 温 室 对 应 的 冬 至 日 平 均 照 度 分 布 可 看 出 全 天 有 效 采 光 时 段 均 以 脊 位 比 5 6 2 4 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 平 均 照 度 截 获 量 最 大 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 lx EW 4 0 4 0 EW 5 0 3 0 EW 5 2 2 8 EW 5 4 2 6 EW 5 6 2 4 EW 5 8 2 2 图 6 冬 至 日 有 效 采 光 时 段 温 室 内 地 面 平 均 照 度 Fig 6 Average ground illuminance in greenhouse during effective lighting period on winter solstice 由 于 太 阳 光 线 穿 过 棚 膜 时 会 被 削 弱 屋 面 的 非 规 则 结 构 形 式 会 对 光 线 产 生 一 次 甚 至 多 次 的 遮 挡 影 响 温 室 内 会 产 生 阴 影 区 域 造 成 棚 内 照 度 变 弱 及 分 布 不 均 图 7 为 冬 至 日 正 午 时 刻 照 度 分 布 云 图 对 照 温 室 EW 4 0 4 0 存 在 5 条 长 32 m 宽 6 m 的 阴 影 带 且 在 最 北 侧 存 在 1 条 低 照 度 阴 影 区 相 较 而 言 EW 5 6 2 4 温 室 对 应 的 影 响 带 宽 度 显 著 缩 短 至 3 m 长 度 亦 降 至 30 m 阴 影 带 收 窄 有 利 于 冬 季 采 光 通 过 照 度 变 异 系 数 表 征 锯 齿 型 连 栋 温 室 采 光 的 均 匀 性 变 异 系 数 与 采 光 均 匀 性 呈 负 相 关 关 系 即 变 异 系 数 越 小 采 光 均 匀 性 越 好 如 图 8 所 示 为 各 时 段 不 同 脊 位 比 东 西 走 向 连 栋 温 室 对 应 的 照 度 变 异 系 数 可 明 显 看 出 09 00 11 00 14 00 16 00 均 以 EW 5 6 2 4 温 室 对 应 的 光 照 均 匀 性 最 佳 12 00 13 00 对 应 的 光 照 均 匀 性 较 EW 4 0 4 0 EW 5 8 2 2 亦 较 优 综 合 而 言 由 于 上 午 下 午 时 段 的 光 照 均 匀 性 是 影 响 温 室 采 光 性 能 最 主 要 的 因 素 因 此 优 选 脊 位 比 为 5 6 2 4 lx lx Lux Lux 46842 80 42914 95 38987 11 35059 27 31131 43 27203 59 23275 74 19347 90 15420 06 11492 22 7564 38 46934 11 42997 80 39061 50 35125 19 31188 88 27252 58 23316 27 19379 96 15443 66 11507 35 7571 04 a EW 4 0 4 0 b EW 5 6 2 4 图 7 正 午 时 刻 照 度 分 布 Fig 7 Distribution of midday illuminance 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 EW 4 0 4 0 EW 5 0 3 0 EW 5 2 2 8 EW 5 4 2 6 EW 5 6 2 4 EW 5 8 2 2 图 8 照 度 变 异 系 数 Fig 8 Variation coefficient of illuminance 2 1 2 太 阳 辐 照 度 除 照 度 外 温 室 内 的 太 阳 辐 照 度 是 采 光 性 能 另 一 重 要 评 价 指 标 锯 齿 型 屋 面 结 构 的 改 变 会 影 响 温 室 内 太 阳 辐 照 度 图 9 所 示 为 东 西 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 不 同 脊 位 比 的 日 平 均 太 阳 辐 照 度 柱 状 图 与 变 异 系 数 曲 线 可 明 显 看 出 EW 5 6 2 4 温 室 日 平 均 辐 照 度 最 高 为 335 08 W m 2 较 对 照 温 室 EW 4 0 4 0 提 高 5 97 且 均 匀 性 相 对 较 好 温 室 EW 5 4 2 6 次 之 日 平 均 太 阳 辐 照 度 为 327 88 W m 2 均 匀 性 较 EW 5 6 2 4 温 室 变 差 316 19 325 85 322 24 327 88 335 08 324 10 0 128 0 107 0 104 0 106 0 103 0 094 EW 4 0 4 0 EW 5 0 3 0 EW 5 2 2 8 EW 5 4 2 6 EW 5 6 2 4 EW 5 8 2 2 315 320 325 330 335 W m 0 09 0 10 0 11 0 12 0 13 图 9 日 平 均 太 阳 辐 照 度 与 变 异 系 数 Fig 9 Daily average solar irradiance and variation coefficient 图 10 所 示 为 东 西 走 向 温 室 内 地 面 的 日 间 平 均 太 阳 辐 照 度 云 图 对 照 温 室 EW 4 0 4 0 内 部 太 阳 辐 照 度 相 对 较 低 区 域 306 W m 2 面 积 较 大 为 461 m 2 占 棚 内 总 面 积 的 30 EW 5 6 2 4 温 室 太 阳 辐 照 度 较 低 区 域 面 积 最 小 为 160 m 2 占 棚 内 总 面 积 降 至 10 42 EW 5 0 3 0 EW 5 8 2 2 温 室 太 阳 辐 照 度 较 低 区 域 面 积 分 别 为 232 248 m 2 且 在 靠 北 跨 室 内 地 面 同 对 照 温 室 存 在 太 阳 辐 照 度 相 对 较 弱 区 域 195 W m 2 温 室 内 呈 间 隔 式 条 带 状 分 布 的 低 太 阳 辐 照 度 区 域 是 由 于 当 地 冬 至 日 时 太 阳 高 度 角 较 低 温 室 锯 齿 型 屋 面 以 及 天 沟 排 布 导 致 太 阳 光 线 辐 射 至 温 室 内 部 时 经 过 了 多 重 棚 膜 的 削 弱 以 及 温 室 天 沟 的 遮 挡 作 用 所 致 通 过 综 合 评 定 东 西 走 向 下 脊 位 比 为 5 6 2 4 时 锯 齿 型 连 栋 温 室 内 部 照 度 太 阳 辐 照 度 采 光 均 匀 性 均 相 对 更 优 W m 2 361 73 343 10 324 46 305 83 287 20 268 57 246 93 231 30 212 67 194 03 175 40 W m 2 361 73 343 10 324 46 305 83 287 20 268 57 246 93 231 30 212 67 194 03 175 40 W m 2 361 73 343 10 324 46 305 83 287 20 268 57 246 93 231 30 212 67 194 03 175 40 W m 2 W m 2 a EW 4 0 4 0 b EW 5 0 3 0 c EW 5 2 2 8 11 期 齐 子 皓 等 基 于 太 阳 光 环 境 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 脊 位 比 优 化 399 400 太 阳 能 学 报 46 卷 W m 2 361 73 343 10 324 46 305 83 287 20 268 57 246 93 231 30 212 67 194 03 175 40 W m 2 361 73 343 10 324 46 305 83 287 20 268 57 246 93 231 30 212 67 194 03 175 40 W m 2 361 73 343 10 324 46 305 83 287 20 268 57 246 93 231 30 212 67 194 03 175 40 W m 2 W m 2 W m 2 d EW 5 4 2 6 e EW 5 6 2 4 f EW 5 8 2 2 图 10 东 西 走 向 温 室 内 地 面 的 日 间 平 均 太 阳 辐 照 度 Fig 10 Average daytime solar irradiance within interior of east west greenhouse 2 2 南 北 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 光 环 境 与 脊 位 比 优 化 2 2 1 照 度 相 较 2 1 节 本 节 将 锯 齿 型 连 栋 温 室 的 走 向 转 换 为 南 北 走 向 图 11 为 建 立 的 南 北 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 模 型 与 冬 至 日 太 阳 轨 迹 N NNE NNW ENE SSE SSW SW WSW WNW NW ESE NE SE S E W 图 11 南 北 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 模 型 与 冬 至 日 太 阳 轨 迹 Fig 11 Sawtooth type multi span greenhouse with south north model and solar trajectory on winter solstice 图 12 所 示 为 南 北 走 向 时 各 脊 位 比 连 栋 温 室 对 应 的 冬 至 日 平 均 照 度 分 布 分 析 可 知 各 脊 位 比 连 栋 温 室 内 部 照 度 最 高 的 时 间 均 出 现 在 13 00 同 东 西 走 向 南 北 走 向 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 照 度 亦 以 脊 位 比 5 6 2 4 时 截 获 量 最 大 照 度 曲 线 整 体 外 包 其 余 各 工 况 图 13 所 示 为 各 时 段 不 同 脊 位 比 南 北 走 向 连 栋 温 室 对 应 的 照 度 变 异 系 数 可 明 显 看 出 10 00 各 脊 位 比 对 应 的 锯 齿 型 连 栋 温 室 采 光 均 匀 性 均 相 对 较 优 除 10 00 外 相 较 对 称 型 的 对 照 温 室 SN 4 0 4 0 优 化 后 的 非 对 称 屋 面 结 构 温 室 对 应 的 照 度 变 异 系 数 均 降 低 即 采 光 均 匀 性 均 变 好 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 lx SN 4 0 4 0 SN 5 0 3 0 SN 5 2 2 8 SN 5 4 2 6 SN 5 6 2 4 SN 5 8 2 2 图 12 冬 至 日 有 效 采 光 时 段 温 室 内 地 面 平 均 照 度 Fig 12 Average ground illuminance in greenhouse during effective lighting period on winter solstice 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 SN 4 0 4 0 SN 5 0 3 0 SN 5 2 2 8 SN 5 4 2 6 SN 5 6 2 4 SN 5 8 2 2 图 13 照 度 变 异 系 数 Fig 13 Variation coefficient of illuminance 2 2 2 太 阳 辐 照 度 图 14 所 示 为 南 北 走 向 锯 齿 型 连 栋 温 室 不 同 脊 位 比 的 日 平 均 太 阳 辐 照 度 柱 状 图 与 变 异 系 数 曲 线 可 明 显 看 出 对 照 温 室 SN 4 0 4 0 的 日 平 均 太 阳 辐 照 度 最 低 且 变 异 系 数 最 大 伴 随 脊 位 比 增 大 日 平 均 太 阳 辐 照 度 增 加 至 脊 位 比 5 6 2 4 时 对 应 最 大 值 且 变 异 系 数 最 小 之 后 再 次 出 现 下 降 SN 5 6 2 4 较对 照 温 室 SN 4 0 4 0 的 日 平 均 太 阳 辐 照 度 提 高 3 46 316 66 320 67 322 59 324 86 327 61 320 92 0 074 0 042 0 038 0 029 0 028 0 054 SN 4 0 4 0 SN 5 0 3 0 SN 5 2 2 8 SN 5 4 2 6 SN 5 6 2 4 SN 5 8 2 2 316 318 320 322 324 326 328 W m 0 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 图 14 日 平 均 太 阳 辐 照 度 与 变 异 系 数 Fig 14 Daily average solar irradiance and variation coeffi