考虑薄膜积灰的日光温室前屋面采光效率模型构建及应用

张 锐，刘一川，朱德兰，葛茂生

考虑薄膜积灰的日光温室前屋面采光效率模型构建及应用

张 锐，刘一川，朱德兰※，葛茂生

（1. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100）

为确定自然环境下日光温室前屋面的采光效率，通过实测数据获得杨凌地区冬季长时间无雨状态下棚膜表面的灰尘积累分布情况以及不同太阳入射角及积灰程度下的棚膜透光率，构建了积灰分布模型及棚膜透光率衰减模型，在此基础上结合太阳入射角计算模型，采用MATLAB作为开发工具编写日光温室前屋面透光率的计算程序。通过输入温室地理坐标、日期时间、采光面曲线形状、朝向、棚膜材料种类，模拟出采光面上的透光率，并在杨凌地区对模型进行验证与应用。结果表明：同时考虑灰尘和太阳入射角的影响，建立的透光率模型与实测值的模拟精度较高，3个测点的模型计算值与实测值平均绝对误差分别为0.90%、2.13%和2.02%；以杨凌冬至日高采光效率为设计目标，将距温室前屋面底端0.8 m处的点作为控制点，确定2种曲线形状的温室，其前屋面控制点高度分别为0.6和0.8 m；朝向为南偏西5°时，在冬至日正午前后2 h内，采光面的太阳入射角处于合理采光角范围内，采光效率较高；在弱光低温的冬季，为保障温室内较高的光照强度，建议选用的前屋面覆盖材料为白色PO膜。该研究可为日光温室棚膜表面采光效率的计算及采光面结构的设计优化提供依据。

温室；薄膜；积灰；曲线形状；朝向；透光率

0 引 言

日光温室在中国北方地区应用广泛，对于保障果蔬的反季节生产具有重要作用[1-2]。太阳辐射是日光温室最主要的能量来源，也是影响日光温室光热环境的重要因素[3]。良好的采光性能是高效利用太阳能的基础，温室采光主要依靠前屋面，前屋面上覆盖材料的透光特性决定温室进光量的大小[4-6]。因此，如何准确计算日光温室前屋面太阳光透过率，优化温室设计参数，最大程度提高温室采光效率是近年来温室园艺装备研究的重要内容。

为定量计算前屋面太阳辐射捕获量以指导温室采光设计，许多学者提出影响采光效率的因素包括经纬度、日期时间、前屋面曲线形状、朝向和覆盖材料的透光率等[4]，并建立了温室采光效率计算模型探究如何提高日光温室前屋面采光效率[7-9]。Chen等研究了冬季条件下6种温室结构在不同纬度地区应用时的太阳辐射捕获量，提出锯齿状温室在（20°～30.6°N）研究区域内表现性能最佳[10]。李有等比较了日光温室中常见的3种采光面的采光效率，结果为：圆弧面>椭圆面>抛物面[11]。但张勇等发现在相同的高差范围下，采用不同曲线形式的温室采光面或单纯改变采光面的弧度，其采光效果差异很小，为此张勇等设计出主动采光温室，当采光面倾角从25°调整到35°时，光照强度透过率可提高20%以上[4,12-13]。白义奎等研究了朝向对温室进光量的影响，发现在高纬度地区偏西的朝向可以让温室更多的利用下午的太阳光照，计算出沈阳地区（41°46′N）温室在南偏西5°～6°时，进光量最大[14]。

对于前屋面覆盖材料的研究多关注其透光特性。Chen等在研究中国北方不同地区温室最佳朝向时，得出覆盖材料透光率随太阳入射角的变化规律[15]，而许红军等提出覆盖材料透光率除了与太阳入射角有关，还受到薄膜基本透光率的影响[16]。改变覆盖材料物理化学特性来提高透光率这一方法潜力有限[13]，但通过清洁棚膜在自然条件下使用时表面附着的尘土，可显著提高棚膜的平均透光率[17-18]。在自然条件下，薄膜表面还会受到灰尘和水滴附着的影响，透光率随覆盖时间的延长而降低[19]。Nefise等通过实测使用两年后的低密度聚乙烯薄膜（low-density polyethylene），得出灰尘累积会使太阳辐射的透过率降低13.2%[20]。Kiattisak等发现6个月未清洗的温室薄膜由于灰尘积累导致透光率衰减36%～50%，而由于棚膜老化引起的衰减率仅为1%[21]。相比之下，荷兰Venlo型温室非常注重玻璃外表面的清洁，专门开发出温室屋顶清洗机械装置定期清洗玻璃屋顶上的灰尘[22]。而对于中国北方地区薄膜覆盖的日光温室来说，受限于清洗装备和经济成本，开展周期性的清洗并不现实[23]。因此，在日光温室前屋面的采光设计中考虑薄膜表面灰尘的影响，对于提高温室前屋面透光率模型的计算精度，指导温室采光设计具有重要意义。

综上所述，温室采光的影响因素众多，而前人建立的温室采光模型，多集中考虑日光温室采光结构（采光面曲线形状、朝向），而理想化了在自然环境使用时覆盖材料表面灰尘积累对透光率的影响，造成模型计算结果与实际情况偏差较大。为此，本文在考虑积灰和太阳入射角对透光率的影响的基础上，建立日光温室前屋面采光效率模型，并以杨凌为例进行验证和应用，通过研究不同曲面形式、朝向和棚膜材料对温室采光效率的影响，确定合理的日光温室设计参数，以期为日光温室采光设计提供理论依据。

1 模型构建与求解

1.1 日光温室采光面太阳入射角计算模型

如图1所示为日光温室前屋采光面示意图，坐标系为地理坐标系，其中轴指向正南方向，轴指向正东方向，轴竖直向上；坐标系111为温室位置坐标系，1轴与温室走向重合，1轴为温室朝向，1轴与轴重合。

地理坐标系与温室位置坐标系111的坐标系转换关系如下：

式中(,,)为坐标系下任意一点，(1,1,1)为(,,)点在111坐标系下对应的坐标。假设图1中点在坐标系中时其坐标为(,,)，则在111坐标系下，点坐标为(1,1,1)，同理可得、、、、的在坐标系和111坐标系下的坐标。

1.1.1 日光温室棚膜采光面的法线向量

如图1所示，在111坐标系下，点处采光面曲线方程可表示为：

式中(1)为采光面曲线函数，常用的有抛物线型、圆弧形、椭圆型、单斜线型等。

在111坐标系下，点(1,1,1)处的采光曲线法线方程为：

1.1.2 日光温室棚膜采光面太阳直射光线的方向向量

某测点的太阳时角为该测点一天里不同时间的太阳位置，太阳时角可由下式（6）～（8）计算：

式中ST为真太阳时，；TB为北京时间；TC为测点位置与北京时间的时差，；为当地的经度，(°)，东经为正，西经为负。

太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，可由下式（9）～（10）计算：

太阳方位角是太阳在方位上的角度，通常被定义为从北方沿着地平线顺时针度量的角[4]。本文取太阳方位角南偏东为正，南偏西为负，太阳方位角的计算公式如下：

1.1.3 日光温室采光面不同位置处的太阳入射角

1.2 积灰分布模型

相比前人模型中仅将透光率与温室棚膜表面太阳入射角建立关系，本模型考虑到了灰尘积累对不同材料的棚膜透光率的影响，更接近真实情况[10]。

冬季干燥无降雨的天气下，灰尘积累量在一段时间后达到峰值，此时由于灰尘遮挡效应对棚膜透光的影响将达到最大[19-21]。为定量探究灰尘最大累积程度对棚膜表面透光率的影响，本文将杨凌地区2020年12月21日（冬至）前后长时间无降雨影响下的灰尘累积程度作为日光温室棚膜的最大积灰分布，并假设灰尘在棚膜表面沿长度方向上均匀分布，即把图2中在温室某剖面上实测的斜率—积灰密度关系应用到整个温室的长度方向。1）在杨凌现代农业创新园2个日光温室中分别剪取覆盖一段时间后的白色PO膜和蓝色PO膜（为便于计算截面面积，尽量剪取方形）；2）用精度为0.01 g的电子秤现场称量剪取的薄膜质量；3）将薄膜带回实验室，用清水漂洗，自然风干后测量无灰尘累积的薄膜质量，2次称量值之差即为灰尘的质量。以此为依据计算沿棚膜曲线不同位置处（不同斜率）的灰尘密度，如图2所示，建立积灰密度与斜率的回归关系式（14）～（15）。

蓝色PO膜：

白色PO膜：

式中为棚膜曲线上任一点斜率的绝对值；为积灰密度，g/m2。

从实测的积灰密度与采光面曲线斜率的回归关系来看，薄膜表面积灰沿前屋面的分布规律是上部（上弦）多，中间少，南坡底部多，造成这一现象的原因可能是上弦处屋面平缓，利于灰尘的累积，中间屋面较陡，灰尘附着少，南坡屋面底部虽然更陡，但上部滑落的灰尘大多在此聚集。

本文基于冬春季干燥无降雨条件实测积灰密度和棚膜斜率的关系，引入了积灰分布模型，但由于各地区灰尘的沉积速率和成分种类存在差异，对棚膜透光性能的影响程度也不尽相同。因此，在不同区域使用该模型时应根据当地气象环境和温室采光面曲线形状等实际情况对积灰分布模型进行参数修正。

1.3 棚膜透光率模型

试验装置：包括倾转采光板（日晷、可旋转刻度盘），PLA-30植物光照度分析仪，白色PO膜，蓝色PO膜，灰尘样本，毛刷，电子秤。

试验方法：如图3所示，倾转采光板试验平台的旋转面与日晷平面共面，测量过程中始终保证日晷平面上无指示针的投影，即太阳直射光与倾转采光板平面垂直。刻度盘上标定了以10°为间隔的刻度，转动刻度盘可实现太阳光入射角从0°～90°的连续调节。在杨凌创新农业示范园内的日光温室棚膜表面采集灰尘样品，采集过程中首先用毛刷将灰尘轻轻扫入量筒中，薄膜上每块采样区域用毛刷轻刷2～3次，然后将采集到的灰尘缓慢倒入透明样本袋中[24]。倾转采光板平面上覆盖按采光板大小裁剪的若干18 cm×18 cm薄膜方片，试验时将其固定在倾转采光板表面，利用标准检验筛将实地取得的灰尘从较高处筛落，使其自然飘落到薄膜表面上[25]。

测试指标：用精度0.01 g的电子秤称出薄膜上的灰尘质量。灰尘质量与薄膜面积之比即为积灰密度（g/m2），见式（16）。试验时以10°为间隔旋转倾转采光板，用PLA-30植物光照分析仪测量太阳入射角从0°～90°变化时膜后和膜前的光照强度，两者的比值即为棚膜透光率[4-5,12,26]，见式（17）。为提高数据准确性，试验在2021年1月18日－2021年1月19日2个典型晴天进行。天气晴朗时，中高纬度地区直射光量占80%～90%，因此直射光环境几乎代表了温室内的光照环境，所以本文只考虑直射光的作用[7,16,18]。由于光照强度随时间变化，所以每组试验及数据记录在10 min内完成，每个倾转角度的数据测量重复3次，取平均值计算薄膜透光率。

数据处理：

式中2为布灰后的倾转采光板和灰尘的总质量，g；1为倾转采光板的质量，g；为倾转采光板上的薄膜的面积，m2。

积灰对直射光透光效果的影响主要取决于积灰的密度、灰尘级配和直射光入射方向等[27]。灰尘主要是土壤中的小颗粒经风力搬运和大气环流作用，逐渐附着累积到棚膜表面，颗粒级配差异并不显著[28]。因此本模型以2种棚膜在不同积灰密度和太阳入射角下共90组处理的透光率试验数据为基础，建立关于积灰密度与太阳入射角的温室薄膜透光率定量预测模型。将室外试验数据在MATLAB2018a中进行Polynomial多项式拟合，图4为2种薄膜在不同积灰密度和太阳入射角下的拟合结果，从图4可知，太阳入射角一定时，薄膜透光率随积灰密度的增大逐渐减小，当积灰密度一定时，太阳入射角越大，透光率越小。

式（18）和（19）分别为白色PO膜与蓝色PO膜的透光衰减率拟合方程，其拟合系数2分别为0.968和0.935，均方差RMSE为2.998和3.852，表明拟合公式可以较好地反映积灰密度和太阳入射角对薄膜透光衰减规律的影响。

白色PO膜：

蓝色PO膜：

1.4 温室采光面平均透光率计算

a. 白色PO膜

a. White PO film

1.5 验证方法

为验证采光效率模型的准确性，验证试验于2021年1月18日典型晴天在杨凌创新农业示范园内进行。测量温室后墙高度，脊高和不同跨度处前屋面高度并拟合出抛物线型的棚膜曲面控制方程，该温室坐北朝南，覆盖材料为蓝色PO膜，其采光面曲线的拟合方程见式（21）。

式中(1)为该点的纵坐标，m。

如图5所示，在温室总长的1/3处，沿棚膜表面从上到下依次取1（240.00，390.81），2（530.00，306.24），3（830.00，125.73）共3个点，分别测试9:00－16:00之间各个时刻薄膜前和薄膜后的光照强度，两者之比即为测点在该时刻的透光率。

1.6 模型求解

1.6.1 求解思路

根据日光温室采光面太阳入射角计算模型、积灰分布模型和棚膜透光率模型，以MATLAB为开发工具编写日光温室前屋面采光效率计算模型，程序框图如图6所示。输入参数包括棚膜种类，控制点高度，采光面曲线形状，朝向，经度，纬度，日序数和时间；输出参数为平均透光率。

1.6.2 求解步骤

1）输入控制点高度、采光面曲线形状和朝向等参数，根据式（1）～（5）拟合出曲线形状的曲面函数并进行坐标系转换，进而计算棚膜上任一点的法线方向向量。

2）输入经度，纬度，日序数和时间等参数，根据式（6）～（12）计算出任意地点任意日期任意时刻的太阳高度角和太阳方位角，进而得出棚膜上任一点的太阳直射方向向量。

3）将棚膜法线方向向量和太阳直射方向向量的计算值代入式（13），得出的两向量夹角即为棚膜上任一点处的太阳入射角。

4）引入积灰分布模型，联立式（14）～（20），将积灰密度和太阳入射角的计算结果代入透光衰减率模型，得出平均透光率。

2 模型验证与结果分析

2.1 模型验证与对比

将棚膜采光面透光率随时间变化的实测值与不同模型的计算值进行对比[10,29]，结果如图7所示。透光率计算表达式见式（22）和（23）。

Chen等[10]模型：

马承伟等[29]模型：

式中0为薄膜的基本透光率，即棚膜表面清洁时入射角为0的薄膜透光率，%，蓝膜取90%。

由图7可知，1，2，33个测点的模型计算值与实测值平均绝对误差分别为0.90%，2.13%和2.02%，由于本文考虑了灰尘积累对棚膜表面透光率的衰减作用，更接近真实情况。

若将本文模型中考虑的灰尘影响去除，与Chen等[10]模型和马承伟等[29]模型的透光率计算结果进行比较，发现3个测点处，棚膜在无灰尘积累下的透光率计算值与这2个模型计算结果十分接近，这是由于在温室太阳辐射模型的构建中前人均将覆盖材料视为干燥清洁状态，而实际在干燥无降雨的条件下，薄膜表面很快就会附着大量灰尘，严重削弱自然光的透射率，本模型在无灰尘条件下的计算值进一步证明了日光温室薄膜表面的透光率除了与太阳入射角有关，也在较大程度上受到棚膜表面灰尘的影响。

当太阳入射角小于40°时，光线的反射率低于3.4%[4]，因此0～40°是合理的采光角范围。对比1、2、33个测点在各个时刻的透光率可知，透光率大小排序为3>2>1。这是因为3测点在一天中太阳入射角均大于40°，而1测点的太阳入射角在11:00－15:00内小于40°。冬季太阳高度角偏低，日光温室前屋采光面在一天中的大部分时间都处于不合理的采光角范围，靠近前屋面底部的区域，太阳入射角较小，故透过率较大。

采光面的透光率受到前屋面角度、薄膜上灰尘附着和薄膜均匀平整程度等因素的影响[4]。灰尘附着的影响随着时间增长而逐渐增大，以2测点为例，一天中各个时刻实测的透光率均小于无灰尘计算值，平均偏差为16.2%，表明在冬季干燥少雨的西北地区，灰尘对棚膜表面透光率的削减作用不容忽视。

本模型的实测和计算值存在一定差距，可能由以下几个原因引起：1）本文仅考虑直射光的作用，但在实际情况中，由于大气折射，仪器测量时也受到散射光的影响；2）模型中的不同种类覆盖材料的透光率回归关系是基于崭新棚膜得到的，但在实地验证时大棚膜已覆盖一段时间，存在老化、褶皱等；3）棚膜积灰受到保温棉被的压实作用；4）试验中存在人为遮挡造成的误差或仪器放置角度不同引起的测量误差。

模型精度得到验证后，下文以前屋面透光率计算模型为基础，对杨凌地区温室前屋面曲线形状，朝向和覆盖材料种类对采光效率的影响进行探究，进而提出杨凌地区日光温室合理的采光设计参数。

2.2 采光面曲线形状对采光效率的影响

以跨度=9.8m，覆盖材料为蓝色PO膜的抛物线型大棚和单斜线型大棚为例[30]，为保证温室采光面前部能满足植物正常生长的高度要求，采光面前部高度不能过低[31]。因此在棚膜曲面函数参数的设置中，将距温室前屋面底部0.8 m处棚膜曲线上的点设为控制点，抛物线型和单斜线型大棚的控制点高度变化范围分别设为[0.4 m，0.7 m]和[0.4 m，0.9 m]，对比不同控制点高度对棚膜采光效率的影响。

不同曲面形式的日光温室的控制点高度对棚膜透光率的影响趋势如图8所示，2种采光面曲线形状的透光率均先增大再减小，这是因为中午时刻的太阳入射角最小，即阳光最接近于直射，此时的透光率最高；而早晨和黄昏的太阳入射角较大，即薄膜曲面对阳光的折射率较大，透过率较小。在抛物线拟合的棚膜曲面中，控制点高度差异对透光率存在一定的影响，控制点高度越高，透光率越低；与之不同的是，单斜线型大棚在不同控制点高度下的透光率差异并不显著，当控制点高为0.7或0.8 m时，2条曲线接近重合且为最大值。在考虑不同控制点高度对透光率的影响时，应综合考虑温室土地利用效率，即在保证光照的情况下尽量多的种植作物，保证人员可操作空间。因此在不显著降低透光率的情况下，得出抛物线型大棚控制点高度为0.6 m，单斜线型大棚的控制点高度为0.8 m。

2.3 温室朝向对采光效率的影响

在温室其他结构相同的条件下，造成温室内环境差异的主要原因是温室的朝向[32-33]。本研究基于太阳运动轨迹规律和透光衰减模型，以杨凌地区为例给出了2种前屋面曲线形状的日光温室在不同朝向下的透光率变化情况，如图9所示。对比2种采光面曲线形式的棚型可知，在南偏东10°～南偏西10°的朝向区间内，透光率最大时刻都处于13:00左右，该时刻棚膜表面的太阳入射角最小。“坐北朝南，东西走向”是大部分日光温室的方位朝向，但在中国北方纬度较高的地区，上午揭帘时间较晚，使得温室内下午实际日照时间比上午长，因此温室朝向应适当向西偏转以尽可能利用下午的光照。

本文以杨凌2020年冬至日为例，计算温室的揭帘和闭帘时间[10]，见式（24）和（25）。

式中1为揭帘时间；2为闭帘时间；1为冬至日杨凌当地日出时间，7:50；2为冬至日杨凌当地日落时间，17:42，杨凌位于北纬34.16°。

理论计算出冬至日杨凌当地揭帘时间为早晨8:24，闭帘时间为下午17:22，由此可知，上午和下午温室接受光照的时间均大致为4.5 h，不同朝向的温室在上午和下午的透光率有一定差异，南偏东朝向的温室虽然上午棚膜透光率高，但冬季早上气温低，较高的透光率对温室内部增温效果不明显，而且根据实地调查得知，农民控制的实际揭帘时间一般在9:00左右，所以日光温室上午的受光时间更短，因此杨凌地区的温室朝向应为南偏西。根据GB/T 19165-2003《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》中对温室方位的规定[34]：偏东或偏西不宜超过10°，并且为了兼顾利用上午的太阳光照，防止过分偏西导致正午时刻太阳直射光损失大，升温不足[35]。得出杨凌地区的抛物线和单斜线日光温室朝向的推荐值为南偏西5°。可满足在冬至日正午前后2 h内，采光面的太阳入射角处于合理采光角范围内，采光效率较高。

2.4 薄膜材料对采光效率的影响

温室薄膜最重要的2个特征是透光率和保温[36]。目前西北干旱地区温室覆膜材料主要是白色PO膜，但由于西北地区夏季太阳光照强度大，为避免太阳辐射对棚内作物的灼伤，缓解温室内的高温气候，近年来农户更偏向使用不同颜色的转光膜[37]，如绿色PO膜（增加绿色光照，抑制杂草生长），红色PO膜（透射更多红光，阻挡其他不利色光），蓝色PO膜（保温性能更优）等，虽然不同颜色PO膜的透光率相比白色PO膜降低了约5%～15%，但针对不同作物的特定栽种需求，其他颜色的PO膜能为农户提供更多选择。综上所述，本试验选取保温性能较好的蓝色PO膜和透光率较好的白色PO膜，探究2种覆盖材料的初始透光性能和灰尘积累对其透光率的影响。

图10为抛物线型大棚上覆盖的白色PO膜和蓝色PO膜在清洁状态和灰尘覆盖下透光率随时间的变化曲线。

由图10可知，清洁状态下白膜比蓝膜的初始透光率更高，平均高出8.65%。灰尘累积后，蓝膜透光率衰减更明显，同等条件下比白膜降低了10.05%。结合图2的积灰密度随斜率分布曲线进行分析：两种薄膜在斜率相同时灰尘分布存在一定差异，该抛物线型大棚有2/3跨度的斜率绝对值在0.4～0.8范围内，而该斜率区间内蓝膜的灰尘累积量大于白膜，所以其透光衰减更多，此外，蓝膜为达到更好的保温性能，厚度稍大也是其初始透光和积灰后透光均低于白膜的原因。因此，在弱光低温的冬季，为保障温室内较高的光照强度，建议选用的前屋面覆盖材料为白色PO膜。

3 讨 论

积灰分布模型是本研究相比其他温室采光效率模型的创新之处，考虑薄膜表面灰尘的影响更符合温室真实的采光情况。下文主要从模型假设、通用性以及模型不足3个方面进行讨论。

在模型构建过程中，假设灰尘在棚膜表面沿东西走向上均匀分布，但实际情况是压膜线一般位于两根拱架之间，压膜线与薄膜接触位置处也聚集了部分灰尘，因此，在温室薄膜沿长度方向上，灰尘并不完全是均匀分布，但在每天的卷放帘过程中，保温被对薄膜表面灰尘存在吸附，压实和重分布作用，一定程度上使灰尘的分布均匀化，而且非均匀分布的区域长度占整个温室长度的比例很小，故假设不考虑压膜线的影响。

积灰分布模型具有一定的通用性，通过将前屋面斜率与积灰密度建立关系，不论棚型（抛物线型、单斜面型、圆弧—直线型、幂函数型等）有何区别，仅需知道曲线方程，即可求得棚膜上任一点沿跨度方向上的斜率，进而得到棚膜曲面上任一点的积灰密度。从试验方法来看，“实地取灰”和“筛分飘落”可以较真实地模拟灰尘在空气中运移的过程，使灰尘分布更接近自然状况。

但积灰的定量研究很多，本研究在建立前屋面采光效率模型时重点关注薄膜积灰密度与透光率的关系，而对于影响灰尘密度的各种其他因素：如保温被材料、卷放的影响、风速、风向及附近是否存在空气污染源和大气环境质量等尚未深入探讨，并且针对薄膜表面灰尘的成分、来源以及不同地区灰尘的累计沉降速率等问题，也有待进一步的研究。

4 结 论

本研究考虑了积灰和太阳入射角对棚膜采光效率的影响，建立了日光温室前屋面采光效率计算模型。以温室进光量最大为目标，应用该模型对杨凌地区日光温室采光面曲线形状，朝向和棚膜材料进行探究，主要得到以下结论：

1）建立的日光温室前屋面采光效率模型与实测值的模拟精度较高，3个测点的模型计算值与实测值平均绝对误差分别为0.90%，2.13%和2.02%，得出有灰较无灰情况使棚膜透光效率平均降低约16.2%，表明灰尘对棚膜透光存在较大影响。本模型在无灰情况下的计算值与前人研究中提出的透光率公式计算值很接近，说明以往的研究总是将棚膜表面假设为理想的无灰清洁状态，所以透光率计算值比实测值偏高。

2）应用该模型对杨凌地区常见日光温室大棚的前屋面曲线形状、朝向和覆盖材料类型进行探究，结果表明，抛物线型和单斜线型两种曲线状的温室，当前屋面控制点高度分别为0.6 和0.8 m时，其透光率较高；朝向为南偏西5°时，在冬至日正午前后2 h内，棚膜表面的太阳入射角处于合理采光角范围内，采光效率较高；冬季日照时数少，光照强度弱，为增加温室采光，建议选取覆盖材料为白色PO膜。

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Establishment and application of daylighting efficiency model for the front roof covered with dust film in solar greenhouses

Zhang Rui, Liu Yichuan, Zhu Delan※, Ge Maosheng

(1.,712100,; 2.,,,712100,)

Highly efficient use of solar energy depends mainly on the reasonable daylighting design of the front roof in a solar greenhouse. This study aims to establish a daylighting efficiency model for the front roof of a solar greenhouse in a natural environment. Taking Yangling district, Shanxi Province of China, as the study area, the dust accumulation and distribution were also acquired on the surface of greenhouse film under the conditions of no rain for a long time in winter. The light transmittance of greenhouse film was evaluated under different solar incidence angles and ash accumulation. An ash accumulation distribution model and a light transmittance attenuation model were constructed for the greenhouse film, further combining with the calculation model of solar incidence angles. Matlab platform was selected to develop the script for the calculation program of light transmittance for the front roof in a solar greenhouse. The transmittance of the daylighting surface was first simulated using the geographic coordinates of a greenhouse, date and time, the curve shape of the daylighting surface, orientation, and the type of film materials. A field test was also carried out to verify the model in the study area. The results showed that: 1) There was a similar simulation accuracy of the transmittance model and the measured value when considering both the influence of dust accumulation and solar incidence angles. The average absolute error of calculated and measured values at three measuring points were 0.90%, 2.13%, and 2.02%, respectively. The transmittance efficiency of greenhouse plastic film decreased by about 16.2% in the case of ash accumulation, compared with that without ash accumulation. This indicated that there was great significance of ash accumulation to precisely predict the light transmittance. 2) The high transmittance of the winter solstice was taken as the design goal in the study area, while the point of 0.8m away from the bottom of the front roof in the greenhouse was determined as the control point. The optimal heights of control points on the front roof were 0.6 and 0.8 m for the greenhouses with the parabolic and the single-oblique curves. Correspondingly, the solar incidence angles of the daylighting surface were within the reasonable range of daylighting angles within 2 h before and after noon on the winter solstice, when the construction orientation was 5° from the south by west. Therefore, the daylighting efficiency and energy capture were higher than those in the other orientations. 3) Two kinds of plastic films were tested to make sure the higher light intensity in the greenhouse. It was found that the white PO film performed better in winter, where the outside environment was in low light level and cold. As a result, it was suggested to select the white PO film as the covering material of the front roof. This finding can provide a promising theoretical foundation to calculate the daylighting efficiency of the film surface, thereby optimizing the daylighting surface structure in a greenhouse.

greenhouse; film; ash accumulation; curve shape; orientation; light transmittance

张锐，刘一川，朱德兰，等. 考虑薄膜积灰的日光温室前屋面采光效率模型构建及应用[J]. 农业工程学报，2021，37(13)：190-199.

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022 http://www.tcsae.org

Zhang Rui, Liu Yichuan, Zhu Delan, et al. Establishment and application of daylighting efficiency model for the front roof covered with dust film in solar greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(13): 190-199. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022 http://www.tcsae.org

2021-04-21

2021-06-28

国家重点研发计划（2021YFE0103000）；陕西省重点研发计划（2020ZDLNY01-01）；国家自然科学基金项目（52009111）

张锐，研究方向为温室建筑结构及光热环境。Email：17780525381@163.com

朱德兰，教授，博士生导师，研究方向为设施水肥与环境调控技术研究，Email：dlzhu@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.13.022

S625.1

A

1002-6819(2021)-13-0190-10