DIAlux在温室立体育苗补光设计中的应用

鲍顺淑 杜孝明 梁永江 李思博 尹义蕾 何芬 张月红 周长吉

摘  要：为改进温室补光设计时繁琐的手工计算过程，提高补光计算的准确性与可靠性，将照明设计软件DIAlux引入温室补光设计，研究其在育苗温室内自然光环境的模拟应用。结果表明：该方法能将计算过程可视化，大大简化温室补光环境计算过程，缩短计算时间，模拟计算准确度较高，受个人经验影响较小。该方法在农业补光设计领域具有广阔的应用前景。

关键词：立体育苗;光照分布;补光设计

中图分类号：S2    文献标志码：A    论文编号：2014-0339

Application of DIAlux for Light Design of Multi-storey Nursery in Greenhouse

Bao Shunshu1，2， Du Xiaoming1，2， Liang Yongjiang3， Li Sibo1，2， Yin Yilei1，2，

He Fen1，2， Zhang Yuehong1，2， Zhou Changji1，2

（1Chinese Academy of Agricultural Engineering， Beijing 100125， China;

2Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction， Ministry of Agriculture， Beijing 100125， China;

3Zunyi Tobacco Company in Guizhou， Zunyi 563000， Guizhou， China）

Abstract： In order to improve the manual calculation of light-design for greenhouse， to improve the accuracy of caculation， DIAlux which was a kind of lighting-design software was introduced to fill-light design in greenhouse. This article was to research the application of DIAlux in seeding greenhouse. It was shown that the calculation process could be visual， and simplified. The computation time was shortened， and high accuracy of simulation was not influenced by personal experience.

Key words： Multi-storey; Light Distribution; Lighting-design

0  引言

作物种植生产尤其是园艺作物生产要经过育苗、栽培、收获3个阶段，其中育苗是农业生产的重要环节，种苗的品质对农作物的产量与质量有着重要的影响。然而，种苗生长易受光照、温度、湿度等环境影响，尤其是在冬春季节的弱光环境下，温室内的幼苗容易产生徒长，严重影响了种苗品质。光是植物光合作用的重要环境因子，自然界中，太阳光的照度随着地理纬度、季节和天气的不同而改变，也影响着温室内的光照条件，再加上温室覆盖材料的透光性能、表面积灰、材料老化和结构遮光等因素的影响，温室内的光照一般仅为露地的30%～70%[1-2]，在充分利用自然光的基础上进行人工补光已成为提高温室种苗品质的重要手段。

现在的补光设计需要通过一系列复杂公式进行繁冗的手工计算[3-12]，设计效果受个人经验影响大，还存在效率低、设计结果数据不详细和计算准确度差等问题;而且定下初步设计方案之后，由于没有可视化效果，设计者往往对设计方案的可实施性把握不强，不能直观了解整个空间的照度及其分布。

随着土地资源的日益紧张，温室立体育苗由于能够通过多层育苗，实现温室立体空间的充分利用和土地利用率的成倍提高，已成为温室育苗发展的新趋势。温室立体育苗架从下往上各层所接收自然光的照度和分布均不相同且差异较大，各层的补光量和补光分布都需单独计算。因此，与温室单层育苗相比，立体育苗的补光设计更为复杂。

随着计算机技术的发展与广泛应用，许多软件开发人员对照明计算软件进行了研究和开发，使得照明计算无需繁复的手算过程，能在计算机中以极短的时间得出计算结果，并通过计算结果不断调整方案，使得设计更有根据、更具科学性。因此，本研究利用照明设计领域使用较为广泛的DIAlux软件来进行温室补光辅助设计，以期实现温室立体育苗补光设计的准确化、可视化和简单化。

1  DIAlux软件概况

DIALux是一款由德国软件公司开发的、免费的专业照明设计软件，可以实现对照明设计的仿真和计算，并拥有广泛的灯具厂家支持。免费灯具库已涵盖了飞利浦、GE等43家灯具制造商，灯具库里还提供多种灯具的配光曲线、外形尺寸等参数，并遵照国际照明委员会（CIE）标准进行计算，输出亮度、照度体系下全部照明评价指标。在室内照明和室外道路照明设计中，DIALux可以快速建立各种不同环境条件下的模型。但DIAlux在农业补光领域的应用还处于空白，对于温室等农业环境的建模和农业专用灯具相关参数的设置都没有成熟的方法和案例可循。因此，DIAlux在农业领域的应用还需要不断探索[13-15]。

2  溫室立体育苗环境建模

2.1  连栋温室建模

在DIALlux中建立一个四连跨的塑料连栋温室模型，模拟真实的温室立体育苗生产场景。温室尺寸为：宽32.0 m，长48.0 m，脊高4.5 m，檐高3.0 m，跨度为8.0 m，共4跨（图1～2）。

2.2  立体育苗架建模

温室内共建模16列5层的立体育苗架，每列育苗架的尺寸为：宽1.2 m，长43.2 m，高2.5 m;育苗架最底下一层距地高度为0.5 m，从下往上每层的层高分别为0.4、0.4、0.5、0.7 m（图3～4）。

2.3  模型参数设置

建模完成后，以立体育苗层等组件作为照明计算对象，并设置地面、薄膜以及温室内部结构的材质、反射系统、维护系数等参数，正确设置这些系数对照明计算是否准确有重要意义。

3  自然光照环境的模拟

模拟前，通过对遵义地区近30年来天气数据的分析，每年的2—4月该地晴天少，阴天、多云天多。因此，为了保证育苗质量稳定和出苗时间，补光应按多云天（混合天空）或阴天的光照环境来进行补光。笔者模拟了2014年3月15日10：30（多云天）遵义市乐山育苗基地育苗温室内的自然光照强度和分布情况，在温室内不添加补光灯具的条件下，利用DIAlux模拟计算自然光照条件下温室内立体育苗架上各层的光照环境。

通过模拟计算，立体育苗架每层所接收的自然光及其分布情况如下：

第1层：靠近走道两侧各20 cm的自然光照度稍高，20 cm往里的区域自然光照度很低，育苗时（需求约6000 lx）需100%补光。

第2层：与第1层光照分布相同，靠近走道的两侧各20 cm的自然光照度稍高，20 cm往里的区域自然光照度很低，平均光照度比第1层略高，育苗时（需求约6000 lx）需补光90%。

第3层：光照强度明显高于第1、2层，仅中心60～70 cm的区域需要补光，育苗时（需求约6000 lx）需补光50%～60%。

第4层：光照强度明显高于第1、2、3层，仅中心40 cm区域需要少量补光，其他区域自然光照可满足作物育苗光照所需。

第5层：由于没有遮挡，自然光照度较高，照度值在24000 lx左右，育苗时不需补光。

模拟结果表明：除顶层外，1～4层各育苗层水平方向上光照分布不均匀，表现为育苗层中间低，两边高;育苗架垂直方向上光照分布不均匀，表现为光照强度从上往下逐渐降低，底层最弱（图5～6）。因此，为了最大限度地利用自然光，则上层层高间距适当增大;为了增强人工补光效果，下层层高应尽可能地降低。

4  实测光照数据分析

2014年3月15日10：30，天气多云，在遵义乐山基地立体育苗温室内实测了1～5层各育苗层的光照强度，每隔10 cm测试一个点，共测试13个点（图7）。通过对实测数据的分析，各育苗层上自然光照的分布规律与DIAlux模拟条件下光照的分布规律基本相同，即各层均表现为中间区域照度低，沿走道两侧照度高;从上往下，每层的平均照度逐渐减弱，底层最弱，几乎接受不到自然光。

5  结语

前人在温室补光设计方面大多采用手工计算，在计算之前还要收集很多的资料，繁琐的手工计算过程需要耗费大量的时间，而且，计算结果受个人经验影响较大，还存在设计结果数据不详细和计算准确度不高等问题。计算过程是大量的数学公式演算，没有可视化效果的参考与佐证，设计者不能直观了解整个设计空间的照度分布，对设计方案的实施性把握度不高。

引入DIALux后，使得农业领域的温室补光计算过程大大简化，可以在较短时间内了解清楚温室内的自然光照强度和分布。本研究的模拟计算结果与实测数据基本一致，模拟计算结果准确度高，表明使用DIAlux在农业领域辅助补光设计是科学可行的，该方法能在最较短的时间内模拟出温室内的自然光照环境，并可在后续的补光模拟中设计出最优的补光方案。但DIAlux在农业环境下的建模、农业灯具的選择以及相关参数的合理设置等方面还缺乏相关研究和验证，还需进一步应用实例研究验证。

参考文献

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