日光温室主动采光机理与透光率优化试验

张 勇，邹志荣

（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）

·农业生物环境与能源工程·

日光温室主动采光机理与透光率优化试验

张 勇，邹志荣

（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）

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%。

温室；太阳能；温度；主动采光机理；几何光学；透射率

0 引 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。

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 材料和方法

1.1 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 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。

图1 主动采光温室试验平台Fig.1 Experiment platform 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 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 μmol·m2）。

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 日光温室主动采光机理分析

2.1 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

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 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

式中θi，θt分别代表入射角和透射角(°)；ni代表入射介质的折射率；nt代表透射介质的折射率。

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

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]。

图2 光线透射不同介质时入射角与反射角关系图[23]Fig.2 Relation between incident, reflected and transmitted angels for an interface between two isotropic media

2.1.2 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

S光（光波的垂直分量）的能流透射率为

P光（光波的垂直分量）的能流反射率为

其中当θi=0，入射光线总能流反射率为

对应的入射光线总能流透过率为

2.1.3 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。

图3 入射光、反射光、透射光射束光域关系图Fig.3 Relation between incident, reflected and transmitting beam area

如果把入射光波强度记为I1[数值上等于(R+T)/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

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

S光的总光强透射率为

P光的总光强反射率为

P光的总光强透射率为

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]：

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。

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。

2.1.4 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°。

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%。

图4 不同光线入射角薄膜的计算透光率Fig.4 Calculated transmittance of transparent film in different incidence angle of light

2.2 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]。

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。

2.2.1 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]：

赤纬角计算式

时角计算式

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。

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]：

得到太阳的方位角计算式如下：

式中φ为地理纬度， (°)；γs为方位角。

西安地区，纬度34°16′，地理坐标：34°16′N，108°54′E－34.267°N 108.9°E。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。

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9:00－13:00超过30°，其他时段均小于30°。

图5 太阳高度角逐时分析图（冬至日）Fig.5 Analysis chart of solar altitude (winter solstice)

2.2.2 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。

图6 太阳光线掠射角Fig.6 Sunray’s grazing angle

自然光掠射角θg计算

式中α为温室前屋面倾角，(°)。

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。

图7 太阳光线在25°和35°倾角采光面掠射角Fig.7 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11:00至13:00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。

2.2.3 温室采光面太阳光入射角分析

依据几何光学有

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。

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11:00至13:00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08:00至15:30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。

图8 太阳光在25°和35°倾角屋面入射角曲线Fig.8 Curve of sunray’s incident angle of 25° and 35° inclined surface

2.2.4 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。

表1 日光温室不同倾角采光面的平均计算透光率Table 1 Transmissivity of light intensity in solar greenhouse with 25°or 35° inclination lighting surface %

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7:00至下午16:30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，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%。

图9 太阳光线在25°和35°倾角采光面光能截获率Fig.9 Sunray’s interception of 25°and 35°inclined lighting surface

3 塑料薄膜日光温室透光试验及结果分析

3.1 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 mm×1 000 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。

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。

图10 太阳光线透过率随采光面倾角变化图Fig.10 Variation of sunray’s transmittance with dip angle of arbitrary inclination lighting surface

图10 中AVE-10:00、AVE-12:00和AVE-16:00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。

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。

3.2 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]

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，(°)。

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。

图11 太阳光线直射光透过率随采光面倾角变化图Fig.11 Variation of direct sunray’s with dip angle of arbitrary inclination lighting surface

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。

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%。

图12 25°和35°倾角屋面的计算和实测透过率Fig.12 Transmittance of calculations (CAL) and experiments measurements(EXP) at 25° and 35° inclined lighting surface

3.3 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。

图13 35°倾转屋面和25°固定屋面温室光辐照度图Fig.13 Light irradiance of experiment solar greenhouse with 35° inclined lighting surface or 25°fixed roof

4 讨 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。

5 结 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：

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10°时，倾斜采光面的直射强度透射率开始逐步减小；在太阳光入射角达到20°，30°，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%。

2）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。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°，理论计算温室内的直射光强度透过率可以提高22.8%，试验研究得到，温室内的直射光强度透过率实际提高为20.7%。理论计算与试验结果均表示，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得到大幅度地提高。

3）当温室采光面的倾角从25°提高到35°，温室采光面的截获阳光面积实际得到了扩大，但该增加量随太阳入射角不断变化。初步研究表明，温室由于采光面截获面积变大而增加的采光量为11.59%。

[1] 李天来. 我国日光温室产业发展现状与前景. 沈阳农业大学学报，2005，36(2)：131－138. Li Tianlai. Current situation and prospects of green house industry development in China[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2005, 36(2): 131－138. (in Chinese with English abstract)

[2] 张真和. 我国设施园艺产业发展对策研究[J]. 长江蔬菜，2010(4)：70－74. Zhang Zhenhe. Horticulture industry development strategies in China[J]. Journal of Changjiang Vegetables, 2010(4): 70－74. (in Chinese with English abstract)

[3] Zhang Zikun, Liu Shiqi, Liu Suhui, et al. Estimationof cucumber evapotranspirationin solar greenhousein northeast China[J]. Agricultural Sciences in China, 2010, 9(4): 512－518.

[4] Muneer T, Younes S. The all-sky meteorological radiation model: proposed improvements[J]. Appl Energy,2006(83): 436－450.

[5] Tiwari G N. A modified model for estimation of daylight factor for skylight integrated with dome roof structure of mud-house in New Delhi India[J]. Appl Energy,2010(87): 3037－3050.

[6] 陈青云. 单屋面温室光照环境的数值实验[J]. 农业工程学报，1993，9(3)：96－101. Chen Qingyun. Numerical experiments on Direct light transmission of single roof greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1993, 9(3): 96－101. (in Chinese with English abstract)

[7] 马承伟，赵淑梅，程杰宇，等. 日光温室光辐射环境模型构建研究[J]. 沈阳农业大学学报，2013，44(5)：513－517. Ma Chengwei, Zhao Shumei, Cheng Jieyu, et al. On establishing light environment model in Chinese solar greenhouse[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2013, 44(5): 513－517. (in Chinese with English abstract)

[8] Yuan B Z, Kang Y, Nishiyama S. Drip irrigation scheduling for tomatoes in unheated greenhouses[J]. Irrigation Science, 2001, 20: 149－154.

[9] 孙忠富，吴毅明，曹永华，等. 日光温室中直射光的计算机模拟方法[J]. 农业工程学报，1993，9(1)：36－42. Sun Zhongfu, Wu Yiming, Cao Yonghua, et al. Direct solar greenhouse by using computer simulation techniques[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1993, 9(1): 36－42. (in Chinese with English abstract)

[10] 陈端生，郑海山，张建国，等. 日光温室气象环境综合研究（三）：几种弧型采光屋面温室内直射光量的比较研究[J].农业工程学报，1992，8(4)：78－82. Chen Duansheng, Zheng Haishan, Zhang Jianguo, et al. Comprehensive study of meteorological environment of a sunlight greenhouse(III): A comparative research on the total amount of direct radiation in the greenhouse with different arc lighting surfaces[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1992, 8(4): 78－82. (in Chinese with English abstract)

[11] 王朝栋，史为民，裴先文. 4种曲线形日光温室前屋面采光性能及其拱架力学性能的比较[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2010，38(8)：143－150. Wang Chaodong, Shi Weimin, Pei Xianwen. Comparing the front roof permeated sunlight performances and the arch mechanical performances of four curvilinear roofs of solar greenhouse[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2010, 38(8): 143－150. (in Chinese with English abstract)

[12] 轩维艳. 日光温室采光屋面曲线数学模型的建立与分析[J].天津农业科学，2006，12(4)：44－46. Xuan Weiyan. Mathematical model establishment and analysis for greenhouse surface curve[J]. Tianjin Agricultural Sciences, 2006, 12(4): 44－46. (in Chinese with English abstract)

[13] 郦伟，董仁杰，王相友，等. 一面坡温室透明盖层坡面的几何型式[J]. 太阳能学报，1996，17(2)：146－150. Li Wei, Dong Renjie, Wang Xiangyou, et al. The geometric type of the plastic cover on single-slope greenhouse[J]. ACTA Energiae Solaris Sinica, 1996, 17(2): 146－150. (in Chinese with English abstract)

[14] 葳田宪次. 温室方位和地理纬度对太阳直射光透过率的影响[J]. 农业工程学报，1993，9(2)：52－56. Kenji Kurata. Effects of greenhouse orientation and latitude on Direct solar radiation transmissivity [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1993, 9(2): 52－56. (in Chinese with English abstract)

[15] 吴毅明，曹永华，孙忠富，等. 温室采光设计的理论分析方法：设施农业光环境模拟分析研究之一[J]. 农业工程学报，1992，8(3)：73－80. Wu Yiming, CaoYonghua, Sun Zhongfu, et al. An analytical method of light transmissions in greenhouse design: The first part of serial studies in simulation of light environment in protected cultivation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1992, 8(3): 73－80. (in Chinese with English abstract)

[16] 郭永，杨延杰，李天来，等. 高寒地区日光温室越冬周年生产适用棚膜的筛选[J]. 沈阳农业大学学报，2006，37(1)：17－21. Guo Yong, Yang Yanjie, Li Tianlai, et al. Selecting the plastic film of solar greenhouse used for whole year and over winter production in deep cold regions[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2006, 37(1): 17－21. (in Chinese with English abstract)

[17] Papadakis G, Manolakos D, Kyritsis S. Solar radiation transmissivity of a single-span greenhouse through measurements on scale models[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1998, 71(4): 331－338.

[18] 张勇，邹志荣，李建明. 倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验[J]. 农业工程学报，2014，30(1)：129－137. Zhang Yong, Zou Zhirong, Li Jianming. Performance experiment on lighting and thermal storage in tilting roof solar-greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(1): 129－137. (in Chinese with English abstract)

[19] 丁小明，周长吉. 温室透光覆盖材料透光特性的测试[J]. 农业工程学报，2008，24(8)：210－213. Ding Xiaoming, Zhou Changji. Test and measurement of solar visible radiation transmittance of greenhouse glazing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(8): 210－213. (in Chinese with English abstract)

[20] GB 4455-2006，农业用聚乙烯吹塑棚膜[S].

[21] GB/T 20202-2006，农业用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）吹塑棚膜[S].

[22] Born M, Wolf E. Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2009.

[23] Zhang Binming, Dong Minyu, Qian Zhongping. Incidence, reflection and transmission angles in anisotropic media[J]. Acth Seismologica Sinica, 1999, 12(4): 413－418.

[24] 叶玉堂，肖峻，饶建珍.光学教程[M]. 北京：清华大学出版社，2011.

[25] 沈常宇，金尚忠. 光学原理[M]. 北京：清华大学出版社，2013.

[26] 梁铨廷. 物理光学[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[27] 杨延杰，李天来，林多，等. 光照强度对番茄生长及产量的影响[J]. 青岛农业大学学报：自然科学版，2007，24(3)：199－202. Yang Yanjie, Li Tianlai, Lin Duo, et al. Effects of different light intensity on growth and yield of tomato[J]. Journal of Qingdao Agricultural University: Natural Science, 2007, 24(3): 199－202. (in Chinese with English abstract)

[28] Zhang Bingming, Dong Minyu, Qian Zhongping. Incidence, reflection and transmission angles in anisotropic media[J]. Acta Seismologica Sinica, 1999, 12(4): 413－418.

[29] Li Wenxiu, Zhou Ninglin, Chen Yuanyuan, et al. The effect of the novel “light fertilizer” on the environment factor in high tunnel and growth of brassica Chinensis[J]. Agricultural Science & Technolgy, 2014, 15(12): 2245－2248.

[30] 陈正法，梁称福，黄小平. 四胡地区节能日光温室结构和原理[J]. 农业工程学报，2000，16(1)：75－78. Chen Zhengfa, Liang Chengfu, Huang Xiaoping. Structure and principle of energy-saving solar greenhouse in Sihu area of Hubei province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(1): 75－78. (in Chinese with English abstract)

[31] 王国安，米鸿涛，邓天宏，等. 太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J]. 气象与环境科学，2007，30(增刊)：161－164. Wang Guoan, Mi Hongtao, Deng Tianhong, et al. Calculation of the change range of the sun high angle and the azimuth of sunrise and sunset in one year[J]. Meteorological and Environmental Science, 2007, 30(Suppl.): 161－164. (in Chinese with English abstract)

[32] 陈珊，孙继银，罗晓春. 目标表面太阳辐射特性研究[J]. 红外技术，2011，33(3)：147－150. Chen Shan, Sun jiyin, Luo Xiaochun. Research target surface solar radiation characteristic[J]. Infrared Technology, 2011, 33(3): 147－150. (in Chinese with English abstract)

[33] Jacovides C P. Comparative study of various correlations in estimating hourly diffuse fraction of global solar radiation[J]. Renewable Energy, 2006, 31(1): 2492－2504.

[34] 魏伟，郭新宇，赵春江，等. 日光温室采光量实时计算及可视化研究[J]. 农机化研究，2008，12(12)：13－20. Wei Wei, Guo Xinyu, Zhao Chunjiang, et al. Real-time落calculation and visualization of solar Radiation in sunlight greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, 12(12): 13－20. (in Chinese with English abstract)

[35] 王炳忠，汤洁. 几种太阳位置计算方法的比较研究[J]. 太阳能学报，2001，22(4)：413－417. Wang Bingzhong, Tang Jie. Comparison of the different methods for solar position calculation[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2001, 22(4): 413－417. (in Chinese with English abstract)

Optimization experiment of light transmittance and active lighting mechanism of solar greenhouse

Zhang Yong, Zou Zhirong
(Key Laboratory of Protected Horticultural Engineering in Northwest, Ministry of Agriculture, College of Horticulture, Northwest University of Agriculture & Forestry, Yangling 712100, China)

Solar greenhouses without heating systems have been utilized extensively for vegetable production in Northeast China since the 1980s. Solar greenhouses play a critical role in self-researched and self-developed greenhouse structure and technologies in China. Solar greenhouses rely on sunlight, of course, as their primary energy source in the absence of a heating system. They are simple in structure, and relatively inexpensive to build and maintain through the winter. Sunshine is a scarce resource from November to next February, so the available light must be very efficiently utilized. Optical light transmittance is the most important characteristic of the solar greenhouse. Unfortunately for greenhouse designers, there exist few theories related or methods for analyzing the light transmittance characteristics of transparent materials. When natural light propagates from its origin into the greenhouse, a complex process of reflection and refraction is generated in the rough air/lighting-surface interface; the relationship between the inclined angle of the lighting surface and the transmitted natural light intensity was investigated at length in this study. We investigated the light transmission properties of typical Chinese solar greenhouse materials according to solar energy application theory. We developed a corresponding mathematical model, which was then used to simulate and analyze variations of indirect solar radiation in a typical greenhouse under varying parameters, (such as structural shape, latitude, azimuth, skeleton, covering material). We found that direct light intensity for a solar greenhouse could be improved by changing the inclined angle of the lighting surface from 25° to 35°; this improvement was predicted according to classical optical theory and verified through experimentation. The transmitted direct light intensity remained nearly constant when the incident angle was less than 10°, and then declined steadily when the incident angle exceeded 10°. Direct light intensity transmittance values were 85.68%, 76.47%, and 64.72% at the incident angles of 20°, 30°, and 40°, respectively. The transmitted direct light intensity significantly decreased when the angle of incidence exceeded 40°; the transmittance values were 53.38% and 39.67% at the angles of 50° and 60°, respectively. There was a highly significant correlation between the theoretical analysis and experimental results, which confirmed that the light intensity transmittance of the greenhouse lighting surface can be dramatically increased by slightly increasing the inclined angle of the lighting surface. The theoretical and experimental values of light intensity transmittance improved by 22.8% and 20.7%, respectively, when raising the incident angle from 25° to 35°. By comparison, the calculated values were, again, in good agreement with experimental values; the deviations in the calculated values can be amended through further research. The conclusions presented here may provide a theoretical reference for future studies on greenhouse lighting surface optimization design, as well as a practical reference for future solar greenhouse developers.

greenhouse; solar energy; temperature; mechanism of active day lighting; geometrical optics; transmittance

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023

S152

A

1002-6819(2017)-11-0178-09

张 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，2017，33(11)：178－186.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 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, 33(11): 178－186. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.023 http://www.tcsae.org

2017-01-01-19

2017-02-27

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）

张 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 西北农林科技大学园艺学院，712100。

Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn。中国农业工程学会高级会员：（E041200715S）