溫室采光面傾角設計

溫室采光面傾角設計自動化綜合實驗——溫室采光面傾角設計 第6頁溫室采光面傾角設計組長：黃瑩成員：唐曉宇、丁琦20目錄1.溫室采光面傾斜角設計綜述 41.1提出問題 41.2知識背景 52.數(shù)學建模 82.1屋面玻璃透光率數(shù)學模型 82.2光環(huán)境模型 103.Matlab仿真結果 133.1采光面傾角變化對入射角影響的仿真 133.2對植物種類的推廣 153.3對溫室方位的推廣 163.4對地理范圍的推廣 174.結論 195.研究拓展 206.參考文獻： 23圖2而在這次研究里，我們主要考慮太陽光照輻射，根據(jù)物理知識我們可以知道，太陽光照輻射可以根據(jù)如下公式計算出來：三個影響光照輻射因數(shù)為——采光面積，玻璃透光率，光照強度。采光面積和光照強度并不是我們本次研究的主要對象，而對于不同的溫室采光面傾斜角，玻璃的透光率是不同的，我們針對不同的采光面傾斜角進行研究，務求出最佳的傾斜角，使溫室的玻璃透光率達到最大值。2.數(shù)學建模2.1屋面玻璃透光率數(shù)學模型對于屋面玻璃透光率，有如下數(shù)學物理公式：其中r—界面反射率，玻璃折射率n=1.526a—光在玻璃內前進時穿透的比率，玻璃吸光系數(shù)k=6.851/m對于界面反射率對于光在玻璃內墻進時穿透的比率其中，L-玻璃厚度對于玻璃折射率通過對這些數(shù)學物理公式模型的Matlab仿真，得到如下圖3透光率與入射角關系的曲線。圖3右圖是采光面和入射角簡單示意圖：由圖知，合理入射角應小于40°。太陽高度角隨時間變化，要保持光線持續(xù)垂直照射到OH斜面（即屋頂采光面）是不可能的。采光面直射光透過率與光線入射角并不呈單調線性關系，要滿足在一天中溫室內獲得的光輻射達到設計要求，必須保證在一定時間內直射光入射角介于0°~40°之間。2.2光環(huán)境模型太陽高度角對于太陽高度角h：sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosT0其中，h-太陽高度角，φ-緯度，δ-太陽赤緯，T0-太陽時角若為正午，太陽時角為0，則有sinh=sinφsinδ+cosφcosδ=cos(φ-δ)太陽赤緯對于太陽赤緯：δ=0.3723+23.2567sinθ1+0.1149sin2θ1-0.1712sin3θ1-0.758cosθ1+0.3656cos2θ1+0.0201con3θ1其中，θ1=2π(N+ΔN-N0)/365.2422其中，N—天數(shù)順序排列的積日，2009年積日為364天ΔN—積日訂正值N0=79.6764+0.2422(年份-1985)ΔN=(W-L)/24W=(S+F/60)±L=(long+M/60)/15其中，long—觀測點經(jīng)度M—分鐘值，換算成與格林尼治時間差L，東經(jīng)取負號，西經(jīng)取正號S—觀測時刻的時值，08:00~12:00F—分值注意：①以上太陽赤緯計算公式適用于我國②杭州經(jīng)緯度為(120.17E,30.3N)太陽時角對于太陽時角T0：T0=(TT-12)×15°TT=TM+Et=CT+Lc+Etθ2=57.2958θ1其中，TT—太陽真時TM—地方時間Et—時差CT—標準時間，此處采用北京時間Lc—經(jīng)度訂正，4min/度Et=0.0028-7.0924cosθ2-1.9857sinθ2-0.6882cos2θ2+9.9059sin2θ2下圖4是中國地區(qū)太陽時差Et的周期規(guī)律圖，在計算中可以用來驗證計算的正確性。圖4太陽方位角(A)cosA=-sinT0cosδ/sinh采光面上方位角cosA=(cosαsini-sinh)/(sinαcosi)采光面入射角cosi=sinhcosα+coshsinαcos(A-Aw)其中，正南方向時Aw=0，α-采光面傾斜角，i-采光面入射角3.Matlab仿真結果3.1采光面傾角變化對入射角影響的仿真由圖3透光率與入射角關系的曲線，4O°以內透光率隨入射角的變化不大可知，溫室生產(chǎn)需要在一天中保證有4h較好的光照條件，即要求冬至日10：00～14：00陽光對溫室斜面入射角α應控制在4O°之內。圖5由圖5可知，隨著屋頂傾斜角的減小，溫室相繼進入最佳采光時間段（太陽光入射角為0~40°范圍），但是考慮溫室結構中屋脊的工程力學承受等因素，屋頂傾斜角不宜過大，且在冬季時，過早的光照在寒冷溫度的影響下，并沒有什么很多的用處，所以綜合以上考慮因素，選擇32°作為杭州一般植物溫室最佳屋頂傾斜角，此時溫室方位為正南方。3.2對植物種類的推廣下圖6為透光率變化仿真曲線：由圖6可知，對于不同傾斜角下的玻璃透光率，在9：30之后的差別是不大的，在11：00后基本相似。圖6所以根據(jù)不同植物的日照特性，可以調整溫室屋頂?shù)膬A斜角，以滿足不同植物對長短日照的需求。短日照植物可以采用較小的屋頂傾斜角，長日照植物采用較大的屋頂傾斜角?？紤]溫度等各方面氣候影響,選用32度作為一般瓜果類作物(喜光作物)玻璃溫室屋角傾斜度,早晴朗的天氣里,早上九點開始有較好的采光角度,一天有5~6h較好的采光時段.對于蝴蝶蘭一類的喜陰作物,則可根據(jù)其生長特征,選擇適當?shù)慕嵌纫赃m應其光照要求3.3對溫室方位的推廣圖7圖8圖7、圖8是采用了不同的溫室方位（南偏東15°和南偏東30°）時的圖線，進行這兩個仿真舉例是想說明，根據(jù)不同的溫室方位，可以采用相同的方法進行研究，得到最佳的傾斜角度。3.4對地理范圍的推廣下表1是不同緯度（浙江地區(qū)）下冬至太陽入射角的變化(傾斜角為32°)表1表1（續(xù)）這表明．當各緯度地區(qū)采用同一采光面傾斜角度時．各緯度間對光線入射率影響不大。以12時光線入射率為例，最高與最低緯度光線入射率相差基本可忽略不計;再從占有較好采光時段的時間來看，當采用同一采光面傾斜角時，各緯度大約在9點左右先后進入較好的采光時間．全天較好采光時段歷時均大于4h．符合最佳采光時段選擇的設定標準。說明溫室采光面傾斜角在最佳值附近變化幾度時，對溫室采光性能影響不大。故可選擇32°作為浙江全省節(jié)能型日光溫室采光面傾斜角度。4.結論由以上的數(shù)學建模和Matlab仿真，我們可以得到如下的結論：對于我們建立的杭州地區(qū)正南方位普通植物一般模型，屋頂傾斜角32°是能夠滿足光照條件的最佳角度。根據(jù)不同的植物類型及其對光照的不同生長要求，可以采用不同的屋頂傾斜角來滿足其對日照的需求。為了適應不同的溫室方位，我們也給出了研究最佳屋頂傾斜角的一般思路，同時將這一結論從杭州地區(qū)推廣到了浙江省全省范圍內，具有一定的實用價值，并且給出了一個溫室屋頂傾斜角選擇的規(guī)范化過程。5.研究拓展為了進一步拓展溫室屋頂傾斜角的研究，我們對于現(xiàn)在發(fā)達國家新興并且進行了一定范圍內應用的全開啟式新型溫室采取了一些研究。全開啟式新型溫室打破了傳統(tǒng)的溫室頂部固定的方式，采用了以溫室天溝為固定軸，整個屋面能繞天溝旋轉，達到溫室頂部全開的目的，給作物的生長提供全部的自然光照，滿足作物生長所需的多種光譜能量的需求。屋面可開啟式連棟溫室最大的優(yōu)勢是解決好溫室內低透光和濾波的難題，在適宜的季節(jié)里，讓植物完全接受自然光的全波輻射，與外界空氣直接接觸，使溫室內作物不再嬌嫩，品質更優(yōu)異。頂部大角度張開，使溫室內外完全相通，通風效果良好，通風效率近100%，與傳統(tǒng)溫室相比，極大的降低了溫室降溫的運行成本。白天當溫室溫度偏高時，頂窗開啟后，配合內遮蔭的遮蔭效果和溫室側開窗的通風，使溫室在溫度高時轉變?yōu)檎谑a棚，達到有效降溫的目的；當晚上溫度偏低時，將溫室頂部關閉，在配合內保溫遮蔭系統(tǒng)，又能達到高檔溫室的保溫效果。我們運用Matlab中的Simulink功能，搭建了全開式溫室屋頂?shù)腜ID控制結構，并進行了仿真，與傳統(tǒng)式固定屋頂進行了對比如下：圖9是Simulink的全開式溫室屋頂角度的PID控制結構圖9下圖10是傳統(tǒng)固定式屋頂（傾角30°）仿真結果：圖10下圖11是全開式溫室屋頂?shù)姆抡娼Y果：圖11可見，全開式屋頂可以更好的使用光能，更靈活的調整出適合植物生長的環(huán)境。在未來的溫室科技中，有更大的發(fā)展和應用空間。6.參考文獻：《不同結構日光溫室光環(huán)境及補光研究》王靜，崔慶法，林茂茲(蘭州大學)《對太陽高度角的了解及其計算方法》費云霞王春順(大慶市氣象局)《高寒地區(qū)大型日光溫室的采光設計》陳健劉志杰(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)《基于MATLAB的溫室環(huán)境參數(shù)優(yōu)化》王麗艷。，崔國，郭樹國，邱立春(1．沈陽農業(yè)大學工程學院，沈陽110161；2．朝陽工程技術學校，遼寧朝陽122000；3．沈陽化工學院機械工程學院，沈陽110142)《氣象用太陽赤緯和時差計算方法研究》于賀軍（北京交通大學，北京100044）《日光溫室采光屋面曲線數(shù)學模型的建立與分析》軒維艷(天津市寶坻區(qū)林業(yè)局，天津寶坻，301800)《日光溫室方位角實驗研究》林川渝（內蒙古自治區(qū)農業(yè)廳，呼和浩特010010）《日光溫室環(huán)境預測模型構建》辛本勝，喬曉軍，滕光輝(I．北京農業(yè)信息技術研究中心，北京100089；2．中I玉I農業(yè)大學水利土木程學院，北京100083)《日光溫室內的光溫條件及調控》趙偉華(黑龍江省明水縣農廣校，151700)《日光溫室前屋面采光性能的優(yōu)化》周長吉孫山吳德讓（中國農業(yè)工程研究設計院)(北京農業(yè)工程大學)《太陽方位角的公式求解及其應用》賀曉雷，于賀軍，李建英，丁蕾(中國氣象局大氣探測技術中心，北京100081)《太陽能中天文參數(shù)的計算》王炳忠《太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算》王國安，米鴻濤，鄧天宏，李亞男。，李蘭霞(1．河南省氣候中心，鄭州450003；2．河南省氣象局，鄭州450003；3．葉縣氣象局。河南葉縣467200；4．宜陽縣氣象局，河南宜陽471600)《溫室采光設計的理論分析方法——設施農業(yè)光環(huán)境模擬分析研究之一》吳毅明，曹永華，孫忠富，李佑祥(中國農業(yè)科學院農業(yè)氣象研究所)《溫室光環(huán)境模擬模型及結構參數(shù)設計系統(tǒng)》董吉林，李亞靈，溫祥珍(1．山西農業(yè)大