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摘要 日光温室光环境模拟系统实现了将复杂的、工作量巨大的模拟计算方法，转化为方便使用的辅助设计工具。日光温室光环境模拟系统能够生成日光温室建筑设计示意图，可以进行屋面形状参数计算与分析评价，能够进行指定时刻室内光辐射分析，为日光温室的参数优化和合理建造提供科学依据。
关键词 日光温室；光环境；模拟系统
中图分类号S26+1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10762-03
基金项目北京农业职业学院技术研发与示范推广基金项目（XYYF1443）。
作者简介杨文雄（1978- ），男，湖北天门人，博士研究生，研究方向：设施农业。*通讯作者，马承伟，教授，博士生导师。
光照是温室内重要的环境因素之一，良好的室内光照不仅是植物生长发育的必要条件，也是温室内获取太阳热能、产生良好室内热环境的重要保证条件，是温室建筑设计所追求的主要目标。
国外对温室内光环境及其影响因素已有较多研究，Rosa 计算了朝向对室内透光量的影响[1]，Pieters 和 Deltour 计算了薄膜、作物、土壤吸收的太阳辐照量并考虑了玻璃框、采光面上的冷凝等因素对室内透光量的影响[2-3]，但这些研究均是针对单栋或连栋全光温室的。轩维艳[4]通过数学方法，并结合计算机模拟，对日光温室不同弧度的采光屋面太阳光入射率进行了严密的计算。孙忠富等[5-8]用数学曲线表示了温室各种采光面形状，并模拟计算了温室内各表面的直射光透过量。焦丽[9]研究了屋面形状、跨度、脊高、骨架疏密程度等对温室内光照环境的影响。由于光照在温室内传播规律的复杂性以及影响因素众多，其中还有很多尚未探明的问题。其主要障碍是，光照环境模型非常复杂，对室内光照环境的模拟预测，需进行大量的分析计算，因此，目前研究者们所提出的温室光照环境模型和模拟预测方法还难以在一般的温室设计中得到应用。
中国农业大学农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室根据直接辐射与散射辐射的不同传播规律，确定了在不同时刻和不同条件下的直接辐射与散射辐射的空间分布，且在模型中还考虑了透明覆盖材料的雾度对直射与散射光辐射影响等问题。提出的日光温室光环境模型反映因素全面、结构完整、提供的计算参数齐备，使温室光环境模型对室内光辐射的模拟更加接近实际和更加准确[10]。
1日光温室光辐射环境模型的构建
模型的基本单元是建立温室内任意指定点在任意指定方向、任意指定时刻的光辐射（直接与散射辐射）计算模型。
建模的总体思路：直接辐射，采用沿光线逆向回溯的方法，建立计算点P与屋面日光入射点T间的对应关系；散射辐射，采用天空等辉度假设，采用计算点对屋面及室外天空的可见视角比例确定其散射辐射。
最后，得到室内计算点P处的直接光辐射照度
2日光温室光环境模拟系统的应用研究
日光温室光环境模拟系统，应用VC++计算机程序语言编制，实现了将复杂的、工作量巨大的模拟计算方法，转化为可以方便使用的辅助设计工具。日光温室光环境模拟系统可以针对给定了建设地点的地理方位、温室朝向和建筑参数、屋面形状和覆盖材料的日光温室，进行屋面形状参数计算与分析评价以及指定时刻的屋面透光率、室内各部位（墙体和地面等）各点的光辐射照度以及光辐射分布密度、光辐射能量累积值等光辐射相关指标的计算与分析，给出多种评价参数的数据和图表，据此可以对日光温室室内的光照环境进行综合评价，从而比较和优选设计方案，或提供给栽培生产的管理决策参考。
2.1日光温室建筑设计通过设置日光温室所处的经纬度、温室方位角及室外太阳辐射和建筑参数的确定、屋面曲线类型选择、覆盖材料参数输入，系统可以自动生成日光温室建筑参数示意图（图2）。
2.2进行屋面形状参数计算与分析评价屋面类型分为双圆组合屋面、折线形屋面、椭圆屋面和直线圆弧组合屋面等。不同的屋面类型，系统得到的屋面形状参数不同。屋面形状的分析与评价内容包括：总平均屋面倾角，屋脊处的屋面倾角，前屋面前部的高度，屋面各处的曲率半径等。
设定当地北纬纬度wd = 40.0°，室内净跨度L=8 000 mm，以“双圆组合屋面”为例，系统得到的屋面形状如下参数。
2.2.1圆弧的半径与圆心坐标、曲线连接点的坐标。上段圆弧半径R1=17 978.4 mm；圆心坐标a1=-2 187.3 mm，b1=-13 716.4 mm。
下段圆弧半径R2=4 832.2 mm；圆心坐标a2 =3 872.6 mm，b2=-2 050.2 mm。
上下两段圆弧接点横坐标xm=6 100.0 mm，纵坐标ym=2 238.0 mm。
双圆的半径与圆心坐标，以及曲线连接点的坐标，是确定屋面形状的关键，以上三者确定了，则屋面形状就确定了，见图3。
2.2.2温室参数。屋脊处屋面倾角βj = 10.86°；屋脊距室外地面高度Hj =3 940 mm ；后墙高度Hw=2 930 mm ；后屋面水平投影宽度Lj=1 200 mm；屋面南北两端部之间水平距离Lw=7 000 mm；后墙顶向北倾移距离ew=0 mm；室内地面下沉深度hc=400 mm ；屋面前部控制点a距屋面南端部水平距离La=1 000 mm；离室内地面高度ha=1 854 mm。
屋架南端距室内南边界距离Ld=200 mm；距室外地面高度hd=100 mm；屋脊处屋架上下弦间垂直距离bj=300 mm ；南底脚处屋架上下弦间水平距离bd=150 mm。
2.2.3屋面形状的分析与评价。该温室的总平均屋面倾角为28.75°；屋面前部距南底脚 1 000 mm处屋面高度为1 854 mm。而较为合理的总平均屋面倾角=28.8°；屋脊的合理高度=3 941 mm。 总体评价：总平均屋面倾角合理；屋脊处屋面倾角合理；前屋面前部略偏高，但仍在允许范围内；屋面曲率合适，屋面曲线半径适当。
2.3指定时刻日光温室内光辐射的分析
2.3.1指定时刻k给定点j处的光辐射照度。在计算直接照度Izjk、散射照度Isjk的基础上，计算总照度：
2.3.2指定时刻k室内各表面情况。系统可以计算温室内各表面在指定时刻k的照度分布和累计光辐射通量（功率）分布（表1）。
2.3.2.1温室内各表面在指定时刻k的照度分布。系统计算给出在指定时刻k，后屋面、墙面、地面以及指定面各自范围内光辐射照度的最大值Ijkmax以及平均值k：
式中：ns为各表面计算分段的数量，按等分的原则划分。
各表面照度分布的不均匀度为：
2.3.2.2在指定时刻k单位温室长度范围内各表面的累计光辐射通量（功率）分布。在指定时刻，（沿东西方向）取1 m温室长度，计算后屋面、墙面、地面以及指定面各自范围内的累计光辐射通量（式中Δlj为在温室横截面内，各计算点j所代表的表面分段的宽度）为：
2.3.2.3指定时刻k全温室范围的光辐射测定结果。针对全温室范围，包括后屋面、墙面与地面的光辐射统计量，给出指定时刻k总光辐射的最大照度与平均照度，单位温室长度范围内的累计光辐射通量。
以默认的指定时刻，12月22日（冬至）正午12：00为例，进行室内光辐射测定：12月22日12：00，屋面日光入射角为：121～51.11°，平均34.03°；屋面直射透光率：59.4%～645%，平均62.3%；散射透光率647%，总平均透光率635%；室外水平面辐照度为395.6 W/m2。
从表1中可以看出，温室内各表面在指定时刻的光照度，墙面最大，后屋面最小，但在指定时刻单位温室长度范围内，温室内各表面的累计光辐射通量（功率），却是地面最大，后屋面最小。这说明在能量积累方面，地面的能量积累能力强于墙面。从表1中还可以看出，在能量贡献方面，墙面和地面都以直射光为主，而后屋面，直射光和散射光的比例接近1∶1。
3小结
日光温室光环境模拟系统实现了将复杂的、工作量巨大的模拟计算方法，转化为方便使用的辅助设计工具。运用该辅助设计工具进行设计，针对给定建设地点的地理方位、温室朝向和建筑参数、屋面形状和覆盖材料等数据，进行了温室内各点面的光辐射照度以及光辐射分布密度、光辐射能量累积值等相关指标的计算与分析，并据此进行了日光温室室内光照环境的综合评价。运用结果证明日光温室光环境模拟系统可以在建设前比较优选设计方案，可节省设计时间和建造成本，为日光温室的参数优化和合理建造提供科学依据，该方法技术上稳定、可靠可推广应用。
参考文献
[1] ROSA R，SILVA A M，MIGUEL A.Solar irradiation inside a single span greenhouse[J].Agric Eng Res，1989，43：221-229.
[2] PIETERS J G，DEHOUR J M.Performances of greenhouse with the presence of condensation on cladding materials [J].Agric Eng Res，1997，68：125-137.
[3] PIECERS J G，DELTOUR J M.Modeling solar energy input in greenhouse[J].Solar Energy，1999，67：119-130.
关键词 日光温室；光环境；模拟系统
中图分类号S26+1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10762-03
基金项目北京农业职业学院技术研发与示范推广基金项目（XYYF1443）。
作者简介杨文雄（1978- ），男，湖北天门人，博士研究生，研究方向：设施农业。*通讯作者，马承伟，教授，博士生导师。
光照是温室内重要的环境因素之一，良好的室内光照不仅是植物生长发育的必要条件，也是温室内获取太阳热能、产生良好室内热环境的重要保证条件，是温室建筑设计所追求的主要目标。
国外对温室内光环境及其影响因素已有较多研究，Rosa 计算了朝向对室内透光量的影响[1]，Pieters 和 Deltour 计算了薄膜、作物、土壤吸收的太阳辐照量并考虑了玻璃框、采光面上的冷凝等因素对室内透光量的影响[2-3]，但这些研究均是针对单栋或连栋全光温室的。轩维艳[4]通过数学方法，并结合计算机模拟，对日光温室不同弧度的采光屋面太阳光入射率进行了严密的计算。孙忠富等[5-8]用数学曲线表示了温室各种采光面形状，并模拟计算了温室内各表面的直射光透过量。焦丽[9]研究了屋面形状、跨度、脊高、骨架疏密程度等对温室内光照环境的影响。由于光照在温室内传播规律的复杂性以及影响因素众多，其中还有很多尚未探明的问题。其主要障碍是，光照环境模型非常复杂，对室内光照环境的模拟预测，需进行大量的分析计算，因此，目前研究者们所提出的温室光照环境模型和模拟预测方法还难以在一般的温室设计中得到应用。
中国农业大学农业部设施农业生物环境工程重点开放实验室根据直接辐射与散射辐射的不同传播规律，确定了在不同时刻和不同条件下的直接辐射与散射辐射的空间分布，且在模型中还考虑了透明覆盖材料的雾度对直射与散射光辐射影响等问题。提出的日光温室光环境模型反映因素全面、结构完整、提供的计算参数齐备，使温室光环境模型对室内光辐射的模拟更加接近实际和更加准确[10]。
1日光温室光辐射环境模型的构建
模型的基本单元是建立温室内任意指定点在任意指定方向、任意指定时刻的光辐射（直接与散射辐射）计算模型。
建模的总体思路：直接辐射，采用沿光线逆向回溯的方法，建立计算点P与屋面日光入射点T间的对应关系；散射辐射，采用天空等辉度假设，采用计算点对屋面及室外天空的可见视角比例确定其散射辐射。
最后，得到室内计算点P处的直接光辐射照度
2日光温室光环境模拟系统的应用研究
日光温室光环境模拟系统，应用VC++计算机程序语言编制，实现了将复杂的、工作量巨大的模拟计算方法，转化为可以方便使用的辅助设计工具。日光温室光环境模拟系统可以针对给定了建设地点的地理方位、温室朝向和建筑参数、屋面形状和覆盖材料的日光温室，进行屋面形状参数计算与分析评价以及指定时刻的屋面透光率、室内各部位（墙体和地面等）各点的光辐射照度以及光辐射分布密度、光辐射能量累积值等光辐射相关指标的计算与分析，给出多种评价参数的数据和图表，据此可以对日光温室室内的光照环境进行综合评价，从而比较和优选设计方案，或提供给栽培生产的管理决策参考。
2.1日光温室建筑设计通过设置日光温室所处的经纬度、温室方位角及室外太阳辐射和建筑参数的确定、屋面曲线类型选择、覆盖材料参数输入，系统可以自动生成日光温室建筑参数示意图（图2）。
2.2进行屋面形状参数计算与分析评价屋面类型分为双圆组合屋面、折线形屋面、椭圆屋面和直线圆弧组合屋面等。不同的屋面类型，系统得到的屋面形状参数不同。屋面形状的分析与评价内容包括：总平均屋面倾角，屋脊处的屋面倾角，前屋面前部的高度，屋面各处的曲率半径等。
设定当地北纬纬度wd = 40.0°，室内净跨度L=8 000 mm，以“双圆组合屋面”为例，系统得到的屋面形状如下参数。
2.2.1圆弧的半径与圆心坐标、曲线连接点的坐标。上段圆弧半径R1=17 978.4 mm；圆心坐标a1=-2 187.3 mm，b1=-13 716.4 mm。
下段圆弧半径R2=4 832.2 mm；圆心坐标a2 =3 872.6 mm，b2=-2 050.2 mm。
上下两段圆弧接点横坐标xm=6 100.0 mm，纵坐标ym=2 238.0 mm。
双圆的半径与圆心坐标，以及曲线连接点的坐标，是确定屋面形状的关键，以上三者确定了，则屋面形状就确定了，见图3。
2.2.2温室参数。屋脊处屋面倾角βj = 10.86°；屋脊距室外地面高度Hj =3 940 mm ；后墙高度Hw=2 930 mm ；后屋面水平投影宽度Lj=1 200 mm；屋面南北两端部之间水平距离Lw=7 000 mm；后墙顶向北倾移距离ew=0 mm；室内地面下沉深度hc=400 mm ；屋面前部控制点a距屋面南端部水平距离La=1 000 mm；离室内地面高度ha=1 854 mm。
屋架南端距室内南边界距离Ld=200 mm；距室外地面高度hd=100 mm；屋脊处屋架上下弦间垂直距离bj=300 mm ；南底脚处屋架上下弦间水平距离bd=150 mm。
2.2.3屋面形状的分析与评价。该温室的总平均屋面倾角为28.75°；屋面前部距南底脚 1 000 mm处屋面高度为1 854 mm。而较为合理的总平均屋面倾角=28.8°；屋脊的合理高度=3 941 mm。 总体评价：总平均屋面倾角合理；屋脊处屋面倾角合理；前屋面前部略偏高，但仍在允许范围内；屋面曲率合适，屋面曲线半径适当。
2.3指定时刻日光温室内光辐射的分析
2.3.1指定时刻k给定点j处的光辐射照度。在计算直接照度Izjk、散射照度Isjk的基础上，计算总照度：
2.3.2指定时刻k室内各表面情况。系统可以计算温室内各表面在指定时刻k的照度分布和累计光辐射通量（功率）分布（表1）。
2.3.2.1温室内各表面在指定时刻k的照度分布。系统计算给出在指定时刻k，后屋面、墙面、地面以及指定面各自范围内光辐射照度的最大值Ijkmax以及平均值k：
式中：ns为各表面计算分段的数量，按等分的原则划分。
各表面照度分布的不均匀度为：
2.3.2.2在指定时刻k单位温室长度范围内各表面的累计光辐射通量（功率）分布。在指定时刻，（沿东西方向）取1 m温室长度，计算后屋面、墙面、地面以及指定面各自范围内的累计光辐射通量（式中Δlj为在温室横截面内，各计算点j所代表的表面分段的宽度）为：
2.3.2.3指定时刻k全温室范围的光辐射测定结果。针对全温室范围，包括后屋面、墙面与地面的光辐射统计量，给出指定时刻k总光辐射的最大照度与平均照度，单位温室长度范围内的累计光辐射通量。
以默认的指定时刻，12月22日（冬至）正午12：00为例，进行室内光辐射测定：12月22日12：00，屋面日光入射角为：121～51.11°，平均34.03°；屋面直射透光率：59.4%～645%，平均62.3%；散射透光率647%，总平均透光率635%；室外水平面辐照度为395.6 W/m2。
从表1中可以看出，温室内各表面在指定时刻的光照度，墙面最大，后屋面最小，但在指定时刻单位温室长度范围内，温室内各表面的累计光辐射通量（功率），却是地面最大，后屋面最小。这说明在能量积累方面，地面的能量积累能力强于墙面。从表1中还可以看出，在能量贡献方面，墙面和地面都以直射光为主，而后屋面，直射光和散射光的比例接近1∶1。
3小结
日光温室光环境模拟系统实现了将复杂的、工作量巨大的模拟计算方法，转化为方便使用的辅助设计工具。运用该辅助设计工具进行设计，针对给定建设地点的地理方位、温室朝向和建筑参数、屋面形状和覆盖材料等数据，进行了温室内各点面的光辐射照度以及光辐射分布密度、光辐射能量累积值等相关指标的计算与分析，并据此进行了日光温室室内光照环境的综合评价。运用结果证明日光温室光环境模拟系统可以在建设前比较优选设计方案，可节省设计时间和建造成本，为日光温室的参数优化和合理建造提供科学依据，该方法技术上稳定、可靠可推广应用。
参考文献
[1] ROSA R，SILVA A M，MIGUEL A.Solar irradiation inside a single span greenhouse[J].Agric Eng Res，1989，43：221-229.
[2] PIETERS J G，DEHOUR J M.Performances of greenhouse with the presence of condensation on cladding materials [J].Agric Eng Res，1997，68：125-137.
[3] PIECERS J G，DELTOUR J M.Modeling solar energy input in greenhouse[J].Solar Energy，1999，67：119-130.