Solar Energy | 日光温室墙体遮阳影响下的辐射分布与优化

论文信息：

Lianhua Deng, Angui Li, Jigang Che. Distribution and optimization of solar radiation in a solar greenhouse under the influence of wall shading. Solar Energy, 2024.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.113034

研究背景

温度和光是影响作物生长的重要环境因子，日光温室由墙体、透明薄膜、土壤等组成，为了保持特定的环境温度，白天可以通过日光温室的墙壁和土壤收集入射太阳能，在夜间进行能量释放以提高温室内夜间温度。日光温室为作物生长提供了良好的温度环境，有利于蔬菜和水果的跨季节生产。为了捕获更多的太阳辐射，人们越来越关注薄膜表面的太阳能透射率，然而，入射光穿过温室薄膜后，到达温室壁面和地面，而太阳辐射利用效率和热转换效率随温室位置、入射角、季节等的不同而变化。太阳入射辐射是温室温度环境形成的重要热源。因此，针对室内太阳辐射的研究非常重要。以往的研究基于太阳温室的截面建立了二维太阳辐射计算模型。然而，室内太阳辐照不仅受到温室膜形状的影响，还受到温室结构（墙）屏蔽的影响。在白天，东西墙的存在可能会在温室内形成阴影区域。侧壁（如东壁和西壁）可部分屏蔽入射光束辐射。为了解决上述问题，本研究综合考虑了墙体的影响，建立了日光温室的太阳辐射计算模型。在日光温室中进行了太阳辐射试验，验证了计算模型的准确性。通过计算模型研究了太阳辐射在温室地面上的分布，然后，提出了太阳辐射利用效率的概念来解释室内辐射分布差异的原因。最后，通过对温室建筑参数的无量纲分析，研究了日光温室内太阳辐射的变化规律。

相关成果以“Distribution and optimization of solar radiation in a solar greenhouse under the influence of wall shading”为题发表在期刊《Solar Energy》（IF=6.0，JCR二区，中科院二区TOP）上。文章第一作者为西安建筑科技大学建筑工程科学与工程学院研究生邓莲华，通讯作者为西安建筑科技大学建筑环境与能源应用工程系教授李安桂。

研究内容

太阳辐射主要包括波束辐射、地面反射辐射和天空漫反射辐射。地面反射辐射是指照射到地面的太阳光，其中一部分被反射，形成中短波漫射太阳辐射。在计算水平漫反射辐射时，可以忽略地面反射的影响。对于地面反射辐射，地面反射辐射在温室膜上的入射角较小。此外，地面辐射还与室外地面条件有关。如果室外地面为草地，则可以忽略室外地面反射辐射；室外地面下雪时，室外地面反射辐射与漫射辐射在同一数量级。本研究中计算模型为草地，可以忽略地面反射辐射。大气长波辐射的波长范围主要集中在4 ~ 120µm。对于5000 nm以上的远红外透光率，0.1 mm厚PVC膜的透光率为25%，EVA膜的透光率为55%。在温室热模型中，由于长波辐射对内部温度的影响较小，也经常被忽略，因此，本研究中也忽略大气长波辐射对温室内太阳辐射的影响。由于每一面墙（北墙、东墙和西墙）都在室内施加阴影效果，需要通过温室内部空间屏蔽角β进行描述（如图1）。

图1. 空间屏蔽角β

试验温室（如图2）位于中国山东省潍坊市，温室沿南北方向，从东向西延伸。太阳温室的尺寸如下：长78米，宽15.6米，脊高7.5米。所使用的温室膜由聚氯乙烯（PVC）组成，厚度为0.075毫米。绝缘毯的厚度约为5厘米。大约8:00时，保温被收回，16:00时，保温被展开。试验作物是番茄。通过在两个温室中进行试验以验证太阳辐射计算模型的准确性。

图2. 测试温室的外部视图

为了描述模型的准确性，通过对比实测数据与模拟数据的rRMSE与MBE（如图3），温室1的太阳水平总辐射计算值与实测值之间的rRMSE和MBE分别为16.1%和18.3 W/m²。温室2水平总辐射的rRMSE值和MBE值分别为11.9%和17.2 W/m²。rRMSE值为11.9%和16.1%，介于10 - 20%之间，表明计算的太阳水平总辐射曲线与相应的实测值吻合较好。

图3. 计算值与实测值的比较

图4给出了14:00时温室地面太阳能模拟软件结果与模型计算结果的对比，如图4(b)所示，在跨度方向上，南方的太阳总辐射高于北方，其结果与前人试验结果相似。在长度方向上，中部太阳总辐射高于东部和西部太阳辐射。图4(a)和(c)采用Fluent进行太阳辐射模拟。采用DO辐射模型和太阳射线追踪法。室外法向光束辐射设置为650W/m²，水平漫射辐射设置为200W/m²。温室膜采用透光率为0.5的半透膜型。墙壁不考虑太阳辐射的反射。由于西墙的影响，形成阴影区，水平直接辐射较低。所采用的太阳模拟软件和模型很好地描述了这一现象。然而，太阳模拟软件计算结果显示，其他位置土壤表面的水平总太阳辐射是均匀的，墙壁对水平漫射辐射的影响不能很好地捕捉。相比之下，该模型考虑了这种影响，并得出了全球水平太阳辐射的不均匀分布。图4(c) (d)为太阳模拟软件室内水平漫射辐射计算结果与模型的差异。太阳模拟软件计算的漫射辐射在整个土壤表面是均匀的，而模型计算的近墙区域的漫射辐射较低，更符合实际情况。此时，室内水平漫射辐射最大值约为65W/m²，最小值约为16W/m²，相差48W/m²，在阴天，漫射辐射的比例增加。该模型更适合计算不同天气条件下日光温室内的太阳辐射。

图4. 14:00地面太阳能软件与模型计算结果对比

中午，由于温室墙体屏蔽对扩散辐射的影响，从北墙到南端水平漫射辐射由35 W/m²增加到69 W/m²，离北墙较远的土壤表面受屏蔽的影响较小。北墙的高度越高，对地面的影响越大。对于屋脊高度为7.5 m的温室，在跨度方向上，北墙对扩散辐射的影响较大的区域为距北墙2 m以内。正午时，水平光束和太阳总辐射水平由北墙向南端呈先增后减的趋势。农用薄膜的椭圆形状对室内光束辐射有影响。太阳光在薄膜上的入射角先减小后增大。室内光束辐射与角度呈负相关。如图5所示，室内水平太阳总辐射在土壤表面的分布既有时间上的变化又有空间上的变化。在白天，水平太阳总辐射呈先上升后下降的趋势，这与测试结果一致。在空间上，在北端（靠近北墙），地面全天接收到的太阳总辐射较少。这主要是因为墙体部分阻挡了漫射辐射。温室地面太阳能最大值位置逐渐由西南向东南移动。这主要与太阳的方位有关。上午（08:00-12:00），太阳位于温室东侧，东墙部分遮挡阳光。下午（12:00-16:00），太阳位于温室西侧，西墙部分遮挡阳光，温室长度越长，两端侧壁对漫射辐射的总体影响越小。这是因为总土壤面积随着温室长度的增加而增加，靠近侧壁（距离侧壁5 m以内的区域，即受侧壁屏蔽影响的区域）的土壤面积占总土壤面积的比例变小，这意味着在更中心的区域，散射辐射相对稳定。北墙对漫射辐射的影响是不变的，因为北墙附近的土壤面积和总土壤面积都相应增加，两者的比例几乎不变。温室宽度越宽，北墙对漫射辐射的影响越小，侧壁对漫射辐射的影响不变。

图5. 室内水平太阳辐射对土壤表面的影响

在土壤坡度为0°、2.5°、5°、7.5°和10°时，08:00 ~ 16:00到达地表的室内太阳能平均量分别为165、175、183,190和198 W/m²。在坡度为2.5°、5°、7.5°和10°时，，08:00 ~ 16:00到达地面的室内太阳能平均量分别比原始值增加了6%、11%、15%和20%。倾斜的土壤增加了到达土壤底部的太阳辐射量，从而提高了土壤温度。倾斜土壤的作用是重新分配到达温室内部土壤和北墙的太阳能。

结论

本研究建立了太阳温室辐射估算模型并进行了验证，利用该模型计算了温室壁面影响下到达地表的太阳能。在此基础上，提出太阳辐射利用效率的概念，研究日光温室室内太阳辐射分布变化的影响因素。通过对温室建筑参数的分析，评价了室内太阳总辐射的变化规律，温室地表太阳能的分布存在时空差异，沿跨度方向，水平太阳漫射辐射呈逐渐增大的趋势，水平波束和总辐射先增大后减小，沿长度方向，室内水平束辐射保持不变，水平漫射和总辐射值在温室中部高，两端低。中午，波束辐射利用效率εb沿跨度方向变化不大，仅为0.30左右。越靠近南方，漫射辐射利用效率εd越大，最大值为0.63。当日光温温室长高比大于4时，侧壁（东西墙）对室内太阳总辐射的影响有限。当长高比大于等于10时，侧壁对室内太阳总辐射的影响可以忽略。土壤坡度对于温室获取太阳辐射同样存在影响，当土壤坡度为10°时，土壤地面太阳总辐射的算术平均值较原始值增加20%。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.113034

声明：仅代表作者个人观点，由于水平有限，如有不科学之处，敬请谅解！