不同覆盖材料对日光温室室内光环境的影响

农 机 化 研 究
第2 期
在冬季 ， 希望温室各表面的光辐射照度相对 后屋面 ， 越大越好 ， 墙面和后屋面的光辐射照度大 ， 则转化为 可以提高温室内部的温度 ， 为温室 热辐射的效率大 ， 作物的生长提供温室支持 。 温室地面的光辐射照度 大， 则温室作物在单位时间单位面积可用来光合作用 的能量就大 ， 可提高生长效率 。 从图 2 可以看出 ： 太阳光经过 不 同 覆 盖 材 料 后 ， 照射到温室地面的光辐射照度以氟素膜 （ ETFE ） 和聚
2
覆盖材料对温室内光环境的影响
借助中国农大农业部重点实验室的光辐射模型 ，
并编制软件 ， 系统研究聚乙烯膜 （ PE ） 、 乙烯醋酸乙烯 复合膜 （ EVA ） 、 聚氯乙烯膜 （ PVC ） 、 聚酯膜 （ PET ） 、 氟 素膜 （ ETFE ） 及聚碳酸酯板 （ PC ） 这 6 种不同的覆盖材 料对日光温室室内光环境的影响 ， 包括平均透光率 、 直射光与散射光的比例 、 温室室内各表面的光辐射照 度分布和光辐射日变化情况 。 2． 1 平均透光率 根据光辐射模型编制的软件 ， 得到不同覆盖材料 温室的透光率 ， 如图 1 所示 。
2． 4
光辐射日变化情况 利用光辐射模型和软件 ， 计算每日太阳光经过不
4、 2 。 每日计算太阳光辐射的有效时间 ， 即从 别为 6 、 8 ：00 － 16 ：00 每 1h 记录 1 次数据 ， 最后绘制光辐射日 变化情况图 ， 如图 3 所示 。
［2 ］
选 用 PE 膜 、
浮法玻璃和 PC 板 ， 测试比较这 3 种典型的覆盖材料 透过率和光合有效辐射 （ PAR ） 透过率 ， 结果表明 ： PE PC 板差异达 2% 膜几乎不受影响 ， 浮法玻璃相差 2% ， ～ 3． 7% 。 陈强
［3 ］
通过对相同结构日光温室覆盖 PO
膜与 PE 膜后冬季室内温光环境的监测 ， 结果表明 ：PO 膜覆盖的温室透光率较 PE 膜高 4． 5% ～ 4． 7% 。 所有 这些研究全部集中在对覆盖材料本身特性上 ， 而没有 研究太阳光透过不同的覆盖材料后 ， 日光温室内部的 光照环境发生了怎样的变化和分布规律 。 而事实上 ， 日光温室内的光照环境受到建筑方位 、 屋面形状和覆 盖材 料 等 多 种 因 素 的 影 响 。 轩 维 艳
由图 1 可以看出 ： 不同覆盖材料的平均透光率 ， 氟 素 膜 （ ETFE ） 和 聚 酯 膜 （ PET ） 为 最 好 ， 均达到 67． 5% ；其次是聚碳酸酯板 （ PC ） 、 聚氯乙烯膜 （ PVC ） 和乙烯醋酸乙烯复合膜 （ EVA ） ； 聚乙烯膜 （ PE ） 为最 差 。 这是由覆盖材料本身的性能决定的 。 2． 2 直射光与散射光的比例 太阳光分为直射光和散射光 ， 其透过温室覆盖材 包括地面 、 墙面 料后会投射到温室的各个空间表面 ， 所 和后屋面 ；但由于温室作物主要种植在温室地表 ，
以地面的直射光和散射光的比例对温室作物的生长 影响最大 。 因此 ， 本研究只考虑太阳光经过不同覆盖 材料后投射到地面的直射光与散射光的比例情况 。 从表 1 可以看出 ： 太阳光经过不同覆盖材料到达 地面后 ， 直射光和散射光几乎各占 1 /2 ；透过聚碳酸酯 板 （ PC ） 、 氟素膜 （ ETFE ） 和聚酯膜 （ PET ） 到达地面的 达 55． 3% ； 透过聚乙烯膜 （ PE ） 到达 直射光比例较高 ， 地面的直射光比例最小 ， 为 48． 1% 。 这说明 ， 不同覆 盖材料对日光温室室内地面的直射光和散射光比例
乙烯醋酸乙 日光温室覆盖材料主要有聚乙烯膜 （ PE ） 、 烯复合膜 （ EVA ） 、 聚氯乙烯膜 （ PVC ） 、 聚酯膜 （ PET ） 、 氟素膜 （ ETFE ） 及聚碳酸酯板 （ PC ） 等 ， 它们各有其优
［1 ］ 缺点 。 王楠 对 24 种典型日光温室透光覆盖材料的
结果表明：在 400 ～ 2 300nm 波 分光透过率进行了测试， 所 有 材 料 的 辐 射 透 过 率 均 在 80% 以 上 ， 长范围内 ， EVA 膜的透过 率 优 于 PE 膜 。 丁 小 明
第2 期
（3）
ω ·（ 1 － CC / 10 ） ·τ zT ·（ 1 － Haze） 2
为了研究不同覆盖材料对日光温室室内光照 环 将与温室相关的其他一些条件固定下来 。 境的影响 ， 设定 ： 温室方位北纬纬度 40° 、 经度 120° ， 温室跨 度 8m 、 屋脊高度 3． 94m ， 屋面类型为双圆曲线 。 太阳 光辐射的指定时刻为 ：11 月 22 日中午 12 ：00 ， 当日云 23 日 、 24 日 3 天 。 量为 6 ， 日变化为 11 月 22 日 、
2． 3
温室内各表面的光辐射照度分布 太阳光透过覆盖材料照射到温室的地面 、 墙面和
图2 Fig． 2
不同覆盖材料温室内各表面的光辐射照度分布
Light irradiance distribution of in the different greenhouse surface under different covering materials
方法确定 ， 散射光辐射采用天空等辉度假设确定
。
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2016 年 2 月 室内任意一点 P 的直接辐射照度为 I zP = cos2 式中 （ 1 － p ） I0 sinh × 2 （ 1 － 1 ． 4lnp）
m
农 机 化 研 究 室内任意一点 P 的总辐射照度为 I P = I zP + I sP 1． 2 （1） 条件设定
100083 ； 3 ．
系 统 研 究 了 6 种 不 同 的 覆 盖 材 料 聚 乙 烯 膜 （ PE ） 、 乙 烯 醋 酸 乙 烯 复 合 膜 （ EVA ） 、 聚 氯 乙 烯 膜 （ PVC ） 、 聚
酯 膜 （ PET ） 、 氟 素 膜 （ ETFE ） 及 聚 碳 酸 酯 板 （ PC ） 对 日 光 温 室 室 内 光 环 境 的 影 响 ， 包括平均透光率、 直射光与散射 温室室内各表面的光辐射照度分布和 光 辐 射 日 变 化 情 况， 目的是全面了解覆盖材料对日光温室光分 光的比例、 旨在从光辐射角度， 为日光温室建造和室内作物种植提供科学依据。研究结果表明：最好的覆盖材料 布的 影 响 ， 为 氟 素 膜 （ ETFE ） 和 聚 酯 膜 （ PET ） ， 最 差 的 为 聚 乙 烯 膜 （ PE ） 。 不 同 覆 盖 材 料 的 平 均 透 光 率 以 氟 素 膜 （ ETFE ） 和 聚 酯 膜 （ PET ） 为 最 好 ， 均 达 到 67 ． 5 % ；太 阳 光 经 过 不 同 覆 盖 材 料 后 ， 照 射 到 温 室 地 面 的 光 辐 射 照 度 以 氟 素 膜 （ ET2 2 FE ） 和 聚 酯 膜 （ PET ） 为 最 大 ， 均 为 131 ． 8 W / m ， 以 聚 乙 烯 膜 （ PE ） 为 最 小 ， 为 114 ． 2 W / m ， 两 者 相 差 15 ． 4 % ； 11
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2016 年 2 月 影响不大 。
表1 Table 1 地面直射光与散射光的比例 Direct light and scattered light ratio on the ground 直射 / 散 射 48． 1 /51． 9 51． 1 /48． 9 54． 1 /45． 9 55． 3 /44． 7 55． 3 /44． 7 55． 3 /44． 7
2 酯膜 （ PET ） 为 最 大 ， 均 为 131． 8W / m ； 以 聚 乙 烯 膜 2 （ PE ） 为最小 ， 为 114． 2W / m ；两者相差 15． 4% 。 太阳
覆盖材 料 PE EVA PVC PET ETFE PC
光经过不同覆盖材料后 ， 到达墙面和后屋面的光辐射 但也以氟素膜 （ ETFE ） 和聚酯膜 照度变化相对较小 ， （ PET ） 为最大 。 从光辐射照度分布角度看 ， 最好的覆 盖材料是氟素膜 （ ETFE ） 和聚酯膜 （ PET ） 。
［4 ］ ［5 ］ 、 李晓豁 、
1
1． 1
理论依据与条件设定
理论依据 日光温室内的直射光辐射采用光线逆向回 溯 的
［8 ］
收稿日期 ： 2015 － 04 － 09 基金项目 ： “十二五 ” 农村领域国家科技计划项目 （ 2013AA102407 ） ； 北京农业职业学院院级科研项目（ XY － YF － 14 － 43 ） 作者简介 ： 杨 文 雄 （ 1978 － ） ， 男， 湖北天门人， 讲 师， 博 士 研 究 生， （ E － mail ） 24518518@ qq． com 。
I sP =
p m cos］ ·CCLeabharlann Baidu －
式中
λ p —可见视角； τ s —干洁新覆盖材料对散射辐射透过率 ； —太阳光线与计算平面的法线间的夹角 ； CCF —云遮系数。
图1 Fig． 1
不同覆盖材料温室的透光率
The light transmittance of greenhouse under different covering materials
月 22 － 24 日 ， 温室地面的光辐射照度呈逐渐上升的趋势。对于不同的覆盖材料， 温室地面的光辐射照度以氟素 膜 （ ETFE ） 和 聚 酯 膜 （ PET ） 为 最 大 ， 聚 乙 烯 膜 （ PE ） 为 最 小 。 关键词： 日光温室； 覆盖材料； 光辐射照度 中图分类号： S625． 1 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 188X（ 2016 ） 02 － 0145 － 04
2016 年 2 月
农 机 化 研 究
第2 期
不同覆盖材料对日光温室室内光环境的影响
杨文雄
（ 1． 中国农业大学， 北京 北京农业职业学院， 北京 摘 要： 102206 ）
1， 2， 3 2 ， 马承伟1 ，
100083 ； 2 ． 农 业 部 设 施 农 业 生 物 环 境 工 程 重 点 开 放 实 验 室 ， 北 京
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2016.02.033
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引言
透光性能是评价覆盖材料的重要指标 ， 目前用作
佟国红
［6 ］
［7 ］ 、 孙忠富等 提出了日光温室光照度计算模
型或模拟方法 ；但由于光照在温室内传播规律的复杂 性及影响因素众多 ， 研究者提出的模型很难动态反映 中国农大农 出温室内各表面的光照分布变化 。 为此 ， 首 业部重点实验室将各种模型和模拟方法综合集成 ， 次创造性地提出采用光线逆向回溯的方法和天空等 构建日光温室光辐射环境模型 ， 使模型更 辉度假设 ， 完整 、 准确和接近实际 。 本文以该模型为基 加系统 、 础， 编制模拟软件 ， 重点展开不同覆盖材料对日光温 室室内光照环境的影响研究 。 本文与以往相关研究的不同之处在于 ： 以往的相 关研究大多集中在对覆盖材料本身特性的研究 ， 如覆 盖材料的透光率及红蓝光透过比等 。 虽然覆盖材料 自身特性对太阳光透过后的变化情况起到决定作用 ， 但弄清太阳光透过覆盖材料之后如何对日光温室的 地面 、 后屋面 ， 以及内部各面 、 各点产生影响也 墙面 、 同样重要 ， 因为这关系到处在温室室内各面 、 各点的 种植作物对光的吸收 ， 从而影响到作物的生长收成和 研究不同覆盖材料对日光温 温室的经济效益 。 因此 ， 室室内光分布的影响十分重要且具有实际意义 。
I0 —大气层外边界处法向太阳辐射照度 ； p—大气透明度， 与地理位置和天气情况有关； m—大气质量； h—太阳高度角； ω—计算平面与水平面间的夹角； CC —云量； Haze— 雾度； τ zT —覆盖材料对直接辐射的透光率。 室内任意一点 P 的散射辐射照度为 λp （1 － pm ） ω sinh cos2 + τ s ·｛ I0［ 180 2 （ 1 － 1 ． 4lnp） 2 I zP Haze ｝ + ·I 1 － Haze zP τ zT （ 1 － Haze） （2）