日光温室主动采光机理与透光率优化试验

p第 33 卷 nbsp; 第 11 期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;农 业 工 程 学 报 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Vol.33 nbsp;No.11 178 nbsp; nbsp;2017 年 nbsp; nbsp; 6 月 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; Jun. 2017 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;日光温室主动采光机理与透光率优化试验张 nbsp; 勇，邹志荣 nbsp;（西北农林科技大学园艺学院，农业部西北设施园艺重点实验室，杨凌 712100） 摘 nbsp; 要 中国的日光温室实现了高效的太阳能利用，温室采光面的采光设计是其结构设计中的一个极其重要的方面。但是，在实践的设计中，对于自然光入射角小于 40的光照透过率未进行深入的理论研究，使得温室采光的设计长期停滞于经验设计为主的状态。该文采用光学理论计算和试验研究的方法，详细分析了温室采光面在小幅调整条件下自然光的透过率，以及温室采光面角度调整与室内光照强度透过率的增加之间的定量关系。从经典光学理论出发，推导了温室采光设计的计算系统计算方法，并结合理论要求并进行试验研究。通过理论推导和试验得到，对于可以主动改变采光角度的主动采光温室条件下，在太阳光入射角达到 20，30和 40时，太阳光的强度透过率，分别达到了 85.68，76.47 ，64.72。特别是当入射角大于 40时，直射光强度透射率下降更加明显，在入射角为 50和 60时，直射光强度透射率分别为 53.38和 39.67。理论分析和试验研究表明，将温室采光面的倾角从 25提高到 35，理论计算与试验结果均表明通过小幅改变温室采光面的角度即可达到大幅提高温室强度透过率，当温室采用了可以改变采光角度的主动采光屋面后，温室内的光照强度透过率可以提高 20.7～22.8。 关键词温室；太阳能；温度；主动采光机理；几何光学；透射率 doi10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 中图分类号S152 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 文献标志码A nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 文章编号1002-68192017 -11-0178-09 张 nbsp;勇，邹志荣. 日光温室主动采光机理与透光率优化试验[J]. 农业工程学报，2017，3311178－186. nbsp; nbsp; doi10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 nbsp; nbsp;http//www.tcsae.org Zhang Yong, Zou Zhirong. Optimization experiment of light transmittance and active lighting mechanism of solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE, 2017, 3311 178－186. in Chinese with English abstract nbsp; nbsp;doi10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 nbsp; nbsp;http//www.tcsae.org 0 nbsp;引 nbsp;言太阳能日光温室是中国自主研发的温室结构，多年来作为具有典型中国特色、规模巨大的设施类型，一直是中国温室园艺装备升级的重点[1-2]。 光照是温室内关键的环境因素之一，是优秀温室建筑设计所追求的主要目标[3]。但由于缺乏对温光基础理论的深入研究，尤其是对采光理论的研究不足，导致在实践工作中，对于日光温室结构的采光设计大都依靠设计者的经验进行[4]。从而导致了大量温室达不到预期的设计效果，进而出现了大面积荒废闲置的状况，不但对生产者造成了不必要的经济损失，也对中国设施农业的良性发展产生了突出的负面影响。 nbsp;太阳光是温室冬季的极其重要的自然资源，因此需要在温室生产实践中应达到有效地利用[4-5]。到达温室采光的自然光透过率决定于以下 2 个主要方面。温室外的太阳直射辐射（亦称直射光）量与温室对直射光的透射收稿日期2017-01-01-19 nbsp; nbsp;修订日期2017-02-27 基金项目中国博士后基金特别资助（2015T81053 ）；中国博士后基金（2014M562458 ）；陕西省科技统筹创新工程计划项目（2016KTCL02-02 ）；主动采光蓄热温室、超大跨度塑料大棚结构优化与智能化环境调控装备研制（2016BZ0901） nbsp;作者简介张 nbsp;勇，男，陕西榆林人，副教授，博士，主要从事温室建筑结构及光热环境和建筑园艺研究。杨凌 nbsp;西北农林科技大学园艺学院，712100 。 nbsp;Email L 。中国农业工程学会高级会员（E041200715S） nbsp;率；其次是室外太阳散射辐射量（亦称散射光）与温室对散射光的透射率。在晴朗的天气中，中高纬度地区直射光量占 80～90[6]。可见，直射光的光照环境几乎代表了温室内的光环境，因此本文只考虑分析直射光的作用，分析直射光进入温室的情况。长期以来，日光温室采光屋面的研究集中在采光弧度的设计方面，但是，研究结果表明，不同采光弧度对于提高日光温室采光性能的贡献很小，尤其是在采光材料透光率变化较大的情况下，单纯通过改变采光面的弧度效果不显著[7-13]。 对温室光环境的研究，在国外，如日本学者古在丰树、藏田宪次、英国学者 Critten 曾作过较透彻的理论分析，但大都局限于玻璃温室[14]；在中国，对东北、华北地区广泛应用的单坡面日光温室的光环境也作过较深入的研究[15-16]。但研究均集中在采光屋面的弧度分析方面，对实践温室的采光设计未能提供切实的参考。目前，日光温室透光覆盖材料主要为 PE、 PE-EVA 以及 PVC 等塑料薄膜，产品种类繁多，但这些材料按照光学理论计算和测定相应透光率与入射角之间变化关系的物理参数却几乎为空白，这为上述工程计算带来了很大困难。 而进一步的研究表明，进入温室内的直射光的光照强度的大小又受着吸收率、反射率和透过率的影响[17]。其中，反射率的影响最大，在自然光线的传导中，采光面的透过率虽受前屋面角度、薄膜均匀强度、覆盖到棚架上的薄膜平整程度、薄膜上灰尘和水滴附着多少等多农业生物环境与能源工程第 11 期 nbsp;张 nbsp;勇等日光温室主动采光机理与透光率优化试验 179 种因素的影响，但采光面的倾角对自然光的透射率影响最大。为此，本文作者提出了日光温室主动采光的理论和实践结构，主动采光温室能够自主地改变日光温室采光屋面角度[18]，进而能大幅提高日光温室内的光照强度，从根本上改善温室内的光照条件。本研究即以主动采光温室为研究对象，进一步深入挖掘日光温室的主动采光机理。 1 nbsp;材料和方法 1.1 nbsp;材料 中国温室使用的覆盖材料主要有塑料膜、浮法玻璃和聚碳酸酯中空板[19]。在中国这些产品都有相应的国家和行业标准，透光率是衡量产品是否符合标准的一个关键指标，其中， GB 4455[20]规定透光性棚膜透光率不低于 nbsp;85，GB/T 20202[21]规定不低于 87。本文选用了 EVA薄膜作为温室薄膜覆盖代表材料进行研究。 1.2 nbsp;试验平台及试验时间 如图 1 所示，倾转采光面试验平台的活动面与日晷平面处于同一平面，试验中，开始测量时依照日晷来确定倾转采光面与太阳光垂直，然后转动转盘上的刻度，实现太阳光入射角度从 0～ 90的连续调整，进而通过光照度测量仪器对光线不同入射角度下的光照度进行测量。 nbsp;图 1 nbsp;主动采光温室试验平台 Fig.1 nbsp;Experiment plat of active lighting solar greenhouse 整个倾转采光面上覆盖测试用薄膜，而且该采光面可以绕转盘进行旋转，进而可以获得采光面与太阳光的0～ 90入射角度。本次试验以 10为间隔将倾转采光面进行旋转，太阳光的入射角度即可实现从 0到 90的连续变化。为了提高数据测量的准确性，光照度测量仪器的数据记录间隔设定为 30′，整个一次 0到 90的入射角照度记录在 10 min 内完成。试验连续重复 3 次，取计算得到的平光强透过率为本试验研究数据。 冬季日光温室生产的主要季节在上年 9～次年 3 月份，因此，选取 2016 年 8 月 1 日－ 2016 年 3 月 1 日之间的典型代表天气作为代表日，进行详细的数据分析。 1.3 nbsp;仪器及测点布置 辐射数据采集仪河北鼎睿电子产品销售有限公司，包括太阳总辐射传感器探头和光合有效光量子流密度探头，测量范围为太阳总辐射（0 ～2 000 W/m2），光合有效光量子流密度（0 ～ 4 000 μmol/m2），测量精度为太阳总辐射 （ 0.1 W/m2）， 光合有效光量子流密度 （0.1 μmolm2）。 nbsp;试验温室位于西北农林科技大学农业部西北设施园艺重点试验室试验园中。温室结构简图和试验温室照片如图 1所示。 2座试验温室跨度均为 10 m，后墙高度 3.5 m，脊高 5.3 m，温室长度 24 m；采光面建筑参数一致，区别为一个采光面固定，另一个采光面为倾角可调，采光面角度可以在 25～ 35之间连续调整。光照探头在 2 个温室中各布置 2 个，总共 4 个测点。光照探头的布置方式为，沿温室跨度方向布置在温室的中部，沿温室屋脊方向 2 个测点布置在温室长度方向的几何 3 等分点，总体为均匀布置。垂直位置位于地面以上 1.2 m 高度处。 2 nbsp;日光温室主动采光机理分析 2.1 nbsp;经典光学中的透光材料透射率分析 在经典光学中，光波可分为 R 波（反射波）和 T 波（透射波），当不考虑介质的吸收和散射时，根据能量守恒关系恒有 RT1 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 1） 其中 R 为反射波； T 为透射波。 而反射率是随光波的入射角改变的，当光波从光疏介质进入光密介质时，光的反射率随着入射角的增大而增大，透射率减小；而当光波从光密介质进入光疏介质时，光的反射率随着入射角的增大而急剧增大，当达到该介质的全反射角度时，即发生全反射，该条件下透射率为 0。为了计算自然光在塑料薄膜上发生的反射和透射，本研究首先从几何光学和 Fresnel 公式出发系统推导了自然光在塑料薄膜上的透射规律。 2.1.1 nbsp;自然光透过透光材料的反射系数和透射系数 光波在不同透明介质界面发生反射折射时的入射角透射角的关系见图 2[22]。 菲涅耳方程式 nbsp;sin siniittnnθ θ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 2） 设sinsinittitinnnθθ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （3 ） 式中 θi， θt分别代表入射角和透射角 ； ni代表入射介质农业工程学报（http//www.tcsae.org ） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2017 年 nbsp; 180 的折射率；nt代表透射介质的折射率。 则根据经典光学 Augustin-Jean Fresnel 公式有自然光透过透光材料时的反射系数和透射系数分别为 S 光（光波的垂直分量）的振幅反射系数为 sin cos cossin cos cosit i it tit i it tnnrnnθ θθθθ⊥−−− （4 ）S 光的振幅透射系数为 22cos sin 2 cossin cos cosit i iit i i tntnnθθ θθ θ⊥（ 5） P 光（光波的平行分量）的振幅反射系数为 //tan cos costan cos cosit t ii tit t ii tnnrnnθ θθθθ−−（ 6） P 光的振幅透射系数为 //2cos sin 2 cossin cos cos cosit i iit it t ii tntnnθθ θθ θθθ θ θ− （7 ） 其中 r⊥为 S 光（光波的垂直分量）的振幅反射系数， t⊥为S 光的振幅透射系数；//r 为 P 光（光波的平行分量）的振幅反射系数；//t 为 P 光的振幅透射系数[24]。 注 θi， θr，θt分别代表入射角， 反射角和透射角； ni代表入射介质的折射率；nt代表透射介质的折射率；ikG、rkG、tkG分别代表入射光、反射光、折射光的平行于入射面的光波平行分量（P ），Ei、 Er、 Et分别代表入射光、反射光、折射光的垂直于入射面的光波平行分量（S ）。 Note θi, θr, θt are the incident angle, reflected angle and transmitted angle, respectively. niis the refractive index of the incident medium, and ntis the refractive index of the transmitting medium. ikG, rkGtkGis parallelP of the incident, reflected and transmitted light respectively. Ei, Erand Etare perpendicular S of the incident, reflected and transmitted light, respectively. 图 2 nbsp;光线透射不同介质时入射角与反射角关系图[23]Fig.2 nbsp;Relation between incident, reflected and transmitted angels for an interface between two isotropic media 2.1.2 nbsp;光在不同光密介质界面的能流反射率和透射率 根据菲涅耳定律同样可以得到入射光线的能流反射率和能流透射率[22,25] S 光（光波的垂直分量）的能流反射率为 nbsp;222sin sin ititRrθ θθ θ⊥⊥−（8 ） S 光（光波的垂直分量）的能流透射率为 nbsp;2222coscoscos 4sin coscos sin ttiitt t iii itnTtnnnθθθ θθθθθ⊥⊥⋅⋅（9 ） P 光（光波的垂直分量）的能流反射率为 nbsp;22// // 2tan tan ititRrθ θθ θ−（ 10） P 光（光波的垂直分量）的能流透射率为 nbsp;2// //2222coscoscos 4cos sincos sin cos ttiitt i tii it itnTtnnnθθθθθθ θ θθθ⋅⋅−（ 11） 根据能量守恒定律，联立式（8 ）－（11 ）有 // //1, 1RT RT⊥⊥ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （12 ） // //,RRRTTT⊥⊥ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 13） 1RT nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （ 14） 其中当 θi0，入射光线总能流反射率为 2titinnRnn⎛⎞−⎜⎟⎝⎠（ 15） 对应的入射光线总能流透过率为 24titinnTnn（16 ） nbsp;2.1.3 nbsp;光在不同光密介质界面的光强反射率和透射率 在实际的试验中经常用到的光照检测仪器为照度计，而照度计检测的是光照的光强，因此可以根据经典光学原理进一步计算光在不同光密界面的光强反射率和透射率。 由于有上述的能流能量守恒，所以入射光线的能流能量等于反射能流 透射能流。而入射光线与反射光线的能流分布如图 3 所示，图中 wi代表入射光和反射光域的宽度， wt代表透射光域的宽度。在图 3a 中入射角与反射角相同，因此，光线的入射宽度与反射宽度不发生变化，而且由于入射光线与反射光线均在空气中，因此该介质中的折射率也相同。 a. 入射光线与反射光线的光线射束区域 a. Beam area of incident beam and reflected beam nbsp;b. 入射光线与折射光线的光线射束区域 b. Beam area of incident and transmitting beam nbsp;注wi代表入射光射束宽度；wt代表折射光射束宽度。 Note wi is the width of incident beam, wtis the width of transmitting beam. 图 3 nbsp;入射光、反射光、透射光射束光域关系图 Fig.3 nbsp;Relation between incident, reflected and transmitting beam area 第 11 期 nbsp;张 nbsp;勇等日光温室主动采光机理与透光率优化试验 181 如果把入射光波强度记为 I1[数值上等于 RT/wi]，则记反射波强度记为 I′1（数值上等于 R/wi），透射波强度为为 I2（数值上等于 T/wt）。 如图 3b 所示，当入射光线在介质中发生折射时，入射角与折射角不同，因此光域发生了变化。而且由于入射光与折射光处于不同的介质中， 2 种介质的折射率也不同。推导得到入射光线在入射角不为零时的总能流反射率和总能流透射率分别如下 nbsp;122111cos;cosIIRTIIθθ′ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （ 17） 进而通过计算得到光的强度反射率和透射率表式。 S光的总光强反射率为 2212212sin sin ssrθ θθ θ−ℜ （18）S 光的总光强透射率为 2222221211124sin cossin ssnntnnθ θθθℑ ⋅ ⋅（ 19）P 光的总光强反射率为 nbsp;2212212tan tan pprθ θθ θ−ℜ （ 20）P 光的总光强透射率为 nbsp;2221222112124cos sinsin cos pnnθθθ θθθℑ ⋅−（ 21） nbsp;在不同的入射光中，若入射光为自然光，则可把自然光分成 S 波和 P 波，而且它们的能量相等，都等于自然光的一半，因此，自然光在透光材料的入射界面上的光强透射率为[26] nbsp;12nspℑ ℑℑ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （ 22）在温室透光材料中通常为单层薄膜结构，共有 2 个反射面，因此自然光在透光材料上的总光强透射率为式（ 23）。无论是从空气到玻璃还是从玻璃到空气，光的传播方向都是一样的。 nbsp;22Total14nspℑℑℑℑ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 23）由上面分析可知，在采光面的采光性能分析中，只需确定自然光（太阳入射光）的入射角度，以及 2 种透明介质的折射系数，即可通过经典光学中的理论计算获得自然光的强度透射率和能流透射率。在具体分析中，由于实践试验中多采用照度计来测量光照强度，因此理论上也取强度透射率来进行分析。 nbsp;2.1.4 nbsp;光在透光薄膜上的计算透射率曲线 根据以上经典光学计算公式计算得到光在入射角情况下透过薄膜后的强度透射率为图 4 所示，入射角度范围为 0～ 90，增长间隔为 10。 nbsp;从不同光线入射角透光率图 4 中可以得到，当光线入射角在 20 以下时，薄膜的光强透射率下降较少，而当光线的入射角进一步增大时，光强透射率开始大幅度下降。当入射角达到 60时，光强透射率仅为 30。 nbsp;图 4 nbsp;不同光线入射角薄膜的计算透光率 Fig.4 nbsp;Calculated transmittance of transparent film in different incidence angle of light 2.2 nbsp;日光温室主动采光机理分析 在温室生产中，植物的生长与温室内的光照强度关系密切，因此，在温室作物生产中本研究以光照强度为研究主要内容，通过理论分析与试验验证，论证温室采光角变化与温室内部光照强度变化之间的关系[27-29]。 nbsp;为了计算太阳光线在温室采光薄膜上的透光率，首先需要计算得到太阳光的入射角，为此，本文系统地计算了太阳的逐时高度角、掠射角，进而计算得到了入射角。最后利用理论计算得到的薄膜透光率，对温室采光面的透光率进行了理论分析。 nbsp;2.2.1 nbsp;冬至日太阳高度角逐时计算分析 地球在公转运动中，存在赤纬角 δ，所以阳光直射地球的变动范围用赤纬角表示。同时地球又做自转运动，因此采用时角 ω 表示一天里不同的时间的太阳位置。每日的赤纬角及时角用如下公式计算[13] nbsp;赤纬角计算式 nbsp;[ ]23.45sin 2π 80 / 365Nδ − nbsp; nbsp; （ 24） nbsp;时角计算式 nbsp;015 12hω − nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 25） nbsp;式中 δ 为太阳赤纬角， ； N 为以每年的 1 月 1 日起的日序数， ω 为太阳的时角， ； h0为当日以 24 h 制的时间， s。 nbsp;其中太阳赤纬角（与太阳直射点纬度相等）以 δ 表示，观测地地理纬度用 φ 表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负），真太阳时 时角 以 ω 表示，有全天逐时太阳高度角以 h 表示，进而得到太阳高度角计算式如下[30-35] nbsp;sin sin sin cos cos cosjhtϕ δ ϕ δ nbsp; nbsp; nbsp; （ 26） nbsp;得到太阳的方位角计算式如下 nbsp;cos sinsincosshδ ωγ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 27） nbsp;式中 φ 为地理纬度， nbsp;； γs为方位角。 nbsp;西安地区， 纬度 3416′，地理坐标 3416′N， 10854′E－ 34.267N 108.9E。以每年冬至日（ 12 月 21 日）为例，依据太阳高度角计算公式详细计算每一个时刻的太阳高度角，如图 5 所示。 nbsp;从太阳高度角在冬至日当日的变化，可以得到太阳高度角仅在冬至日当天 900－ 1300 超过 30，其他时段均小于 30。 nbsp;农业工程学报（http//www.tcsae.org ） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2017 年 nbsp; 182 图 5 nbsp;太阳高度角逐时分析图（冬至日） Fig.5 nbsp;Analysis chart of solar altitude winter solstice nbsp;2.2.2 nbsp;温室采光面太阳掠射角分析 太阳随纬度、日期和时间变化的位置确定后，根据空间几何光学就可以确定进入温室的太阳光线的透射角。太阳光线的入射角定义为入射光线与光照射平面的夹角，几何关系如图 6 所示。 nbsp;注θg为光线掠射角，h 为太阳高度角，α 为倾斜采光面的倾角，γs为方位角。 Noteθg is the grazing angle. h is the sun elevation angle. αis the dip angle of greenhouse inclined lighting surface, γsis the azimuth. 图 6 nbsp;太阳光线掠射角 Fig.6 nbsp;Sunray’s grazing angle nbsp;自然光掠射角 θg计算 nbsp;arctantan cos g shθ α γ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （ 28） nbsp;式中 α 为温室前屋面倾角， 。 nbsp;根据以上关系，太阳光在不同倾角屋面的掠射角如图 7 所示。 nbsp;图 7 nbsp;太阳光线在 25和 35倾角采光面掠射角 Fig.7 nbsp;Sunray’s grazing angle of 25 and 35 inclined lighting surface 从图 7 中可以得到，冬至日太阳光在 25倾角屋面上的入射掠射角均在 50以下，而且接近 50的掠射角仅维持了 1100 至 1300 之间的 2 h，其他时间均小于 45。而相比之下太阳光在 35倾角屋面上的入射掠射角均在 52以上，而且在 08 00 至 15 30 之间的 7.5 h 之间均能大于 60， 有利于太阳光线以较高的效率透射温室采光材料。 nbsp;2.2.3 nbsp;温室采光面太阳光入射角分析 依据几何光学有 nbsp;90g iθ θ − nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; （ 29）结合上述分析，以及太阳光在不同倾斜面上的掠射角与自然光线入射角的关系，根据计算得到太阳光在 25和 35倾角屋面上的入射角如图 8 所示。 nbsp;从图 8 中可以得到，冬至日太阳光在 25倾角屋面上的入射角均在 40以上，而且接近 40的入射角仅维持了1100 至 1300 之间的 2 个小时，其他时间均大于 45，处于不合理的太阳光入射时段。而相比之下太阳光在 35倾角屋面上的入射角均在 35以下， 而且在 0800 至 1530之间的 7.5 h 之间均能小于 30，因此几乎全天都处于高效采光时段，有利于温室内光照强度的提高。 nbsp;图 8 nbsp;太阳光在 25和 35倾角屋面入射角曲线 Fig.8 nbsp;Curve of sunray’s incident angle of 25 and 35 inclined surface nbsp;2.2.4 nbsp;不同倾角温室采光面太阳光强度透过率理论分析 为了得到温室采光面由倾角 25主动变为 35后与温室阳光透过率的定量关系，本研究按照上述的理论计算方法，逐时计算了太阳光在 01 月 13 日当日，在 25和 35的倾角下的计算透过率，结果如表 1 所示。 nbsp;表 1 nbsp;日光温室不同倾角采光面的平均计算透光率 Table 1 nbsp;Transmissivity of light intensity in solar greenhouse with 25or 35 inclination lighting surface nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 时间Time25倾角 Dip angle of 25 35倾角 Dip angle of 35 0700 45.48 70.18 0730 48.31 73.05 0800 51.24 75.60 0830 54.08 77.84 0900 56.68 79.91 0930 59.03 81.63 1000 61.15 82.97 1030 62.77 84.01 1100 63.92 84.70 1130 64.48 85.04 1200 64.34 84.97 1230 63.63 84.57 1300 62.48 83.79 1330 60.70 82.74 1400 58.56 81.29 1430 56.20 79.45 1500 53.42 77.45 1530 50.73 75.06 1600 47.78 72.47 1630 44.76 69.68 由表可知，温室采光面在 35倾角下较 25倾角下平均强度透过率提高了 22.8；由图 5 可知，从早晨 700至下午 1630 分，太阳高度角在时刻变化，为了求得温室倾斜采光面的平均太阳截获率，首先求得冬至日平均的太阳高度角为 20。以该太阳高度角绘制温室采光面在25和 3度倾角下的阳光截获长度得到图 9。 由图 9 可知，第 11 期 nbsp;张 nbsp;勇等日光温室主动采光机理与透光率优化试验 183 当温室前采光面倾角由 25升为 35后，对应的阳光截获量增加了 11.59。特别当升起的后坡部分采用柔性的保温覆盖材料时，该部分增加的入射光线不会透射到温室外，而是保留在温室内，因此形成净光照入射量的增加。因此，通过理论计算即可得到，当温室前采光面倾角由25升为 35时，综合采光性能预期提高 34.7。 nbsp;图 9 nbsp;太阳光线在 25和 35倾角采光面光能截获率 Fig.9 nbsp;Sunray’s interception of 25and 35inclined lighting surface 3 nbsp;塑料薄膜日光温室透光试验及结果分析 3.1 nbsp;太阳光在 PE 薄膜上实测透射率曲线试验 太阳光不同辐射角度下的薄膜透光率试验方法，是将 1 000 mm1 000 mm 大小的供试薄膜贴于一个可以180旋转的自制透光率试验平台上，如图 1a 所示；将照度计保持与该薄膜平行，薄膜直接平行覆盖在照度感光镜头上，分别测定薄膜在太阳光入角为 0、 10、 20、30、 40、 50、 60、 70、 80、 90；共 10 个角度下的透光率，试验重复 3 次，最后计算平均透光率，进而分析试验结果。其中，计算透光率（ ） （透过试样的光照强度 /射到试样上的光照强度） 100。 nbsp;本试验以温室作物生产的主要月份为例进行分析，分别以 2016 年 01 月 13 日（晴），的试验测试数据为依据，得到太阳光在可旋转倾角采光面上（如图 1a 所示），全天太阳光透射率变化曲线如图 10 所示，和不同倾角采光面上计算透过率的分析图。 nbsp;注 AVE-10， AVE-12， AVE-16 分别指 00-10 00， 00-12 00， 00-16 00时的平均光照透射率；CAL 为计算光照透过率。下同。 Note AVE-10, AVE-12 and AVE-16 are average transmittance at 00-1000, 00-12 00 and 00-16 00, respectively. CAL is the calculated nbsp;transmittance. The same below. 图 10 太阳光线透过率随采光面倾角变化图 Fig.10 nbsp;Variation of sunray’s transmittance with dip angle of arbitrary inclination lighting surface 图 10 中 AVE-1000、 AVE-1200 和 AVE-1600 分别代表了倾角变化倾斜面在不同时刻和不同倾角条件下的3 次实测透过率平均值，而 CAL 则代表该天的理论计算光线透过率值。 nbsp;通过图 10 可知，太阳光线的理论计算透率值与实测值的变化趋势一致，而且在光线入射角在 30以下时基本重合，因此表明本研究的理论计算式能准确反映变化采光倾角的实际透过率变化。而且，进一步分析得到，当光线入射角由 10变为 40时，试验倾斜薄膜采光面的透光率减少了 19.7，而同时计算透过率从 89.92减少为64.48，减少了 25.44。当入射光线入射角由 0变为 10时，计算透过率和实测透过率均保持稳定和一致。 nbsp;3.2 nbsp;自然光中直射部分在 PE 薄膜上实测透射率曲线 温室内的光照环境用透光量及其在时间及空间上的分布来表示，它受室内地面和采光面的形状大小、屋顶结构、方位、地理位置、室外日射等多因素影响。在晴朗天气，直射光量占总光量的 80～ 90，因此直射光的光照环境几乎代表了温室内的光照环境，所以本研究着重分析直射光的透光[6]。当入射光为自然光时，散射光的强度与观察方向有关，其关系为如下式所示[7]2π/21coss sIIθθ nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;（ 30） nbsp;式中 Iθs为当入射角为 θs时的散射光强度； Iπ/2为垂直于入射光线方向上的散射光强度， θs入射光线与散射光线之间的夹角， 。 nbsp;对于光强度检测仪器来说，由于散射光会产生一个和光照方向无关的基础光照度基准值（散射光的透过率仅受透光材料本身的透过率影响），该照度并不能准确反映直射光的透过率状况。为了聚焦太阳光直射光透过率分析，本研究中特剥离了散射光强度对于倾斜面透过率的影响，具体方法为通过式（ 30）对不同入射角度下的散射光强进行计算，并在最后的实测强度中减去经计算得到的散射光照强度，最后即可得到仅考虑直射光线的光照强度。进而通过对 0～ 90的倾斜面的直射透过率进行进一步逐一计算，得到了不同倾角温室采光面的太阳光直射强度透过率如图 11 所示。 nbsp;注AVE-D 为去掉散射影响的平均光照透射率。 Note AVE-D is the average transmittance daylight intensity taking out scattering influence. 图 11 太阳光线直射光透过率随采光面倾角变化图 Fig.11 nbsp;Variation of direct sunray’s with dip angle of arbitrary inclination lighting surface 农业工程学报（http//www.tcsae.org ） nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;2017 年 nbsp; 184 由图 11 可知，仅考虑直射光时，光线透射率的理论计算与实测值基本吻合，在入射角为 0～ 40时，平均相对误差为 0.79，相对误差最大为 1.57。当入射角为 20、30和 40时，太阳光强透过率分别为 85.68、 76.47、64.72。当入射角大于 50时，计算值与实测值相对误差较大。入射角为 50、 60时，直射光强度透射率分别为53.38和 39.67。考虑到在实践中，太阳直射光在温室的倾斜面上的入射角小于 52，因此，以试验数据为基准再次计算温室采光倾角由 25变为 35的试验强度透过率。试验分析结果如图 12 所示。 nbsp;从图 12 可知，对比温室采光屋面倾角为 25和 35的试验结果，可以得到实测太阳光的直射光强透过率平均提高了 20.7；而计算得到的太阳光的直射光强透过率平均提高了 22.8；实测的太阳光直射透过率比理论计算结果小 2.1。 nbsp;图 12 nbsp;25和 35倾角屋面的计算和实测透过率 Fig.12 nbsp;Transmittance of calculations CAL and experiments measurementsEXP at 25 and 35 inclined lighting surface 3.3 nbsp;自然光在温室 PE 薄膜上实测透射率试验 分析图 13 得到，当温室采光面由 25变为 35后，温室内的整体透光率得到了提升，计算得到的平均透过率提升了 23.27。该透过率较试验平台测试的透过高2.57，较理论计算透过率高 0.47。因此，可以表明理论计算和测试均有很好的一致性。 nbsp;图 13 nbsp;35倾转屋面和 25固定屋面温室光辐照度图 Fig.13 nbsp;Light irradiance of experiment solar greenhouse with 35 inclined lighting surface or 25fixed roof 4 nbsp;讨 nbsp;论 在上述分析中，当入射角超过 50后，计算值与实测值开始出现较大的相对误差，在 50和 60时相对误差分别为 11.07和 33.00。进而计算算术平均误差，在入射角为 0～ 40， 0～ 50， 0～ 60 的范围内，算术平均误差分别为 0.79， 2.51和 7。主要因为，当入射角超过 40后，太阳光中的散射光的占比大幅上升，在 40和 50时分别达到了 30.7和 33.4，而且随着入射角增加进一步增加。进而导致了计算值和实测值出现了较大的差异。但是，在实践中温室采光面的太阳光入射角均在 52以内，因此，该误差对于温室倾斜面采光的影响较小。 nbsp;5 nbsp;结 nbsp;论 以温室的倾斜采光面和太阳直射光为研究内容，通过理论计算和试验分析得到如下初步结论 nbsp;1）对于可以主动改变采光角度的主动采光温室条件下，当入射角为 0～ 10范围时，采光面的太阳光强度透射率基本保持不变；而当入射角大于/p