不同种植模式日光温室方位角的选择

不同种植模式日光温室方位角的选择

日光温室属于农业科。日光温室为植物生长发育提供的光和温环境与自然界非常不同。室内光和温的日变化不仅极大地不同，而且还有很大的不同。方位角是指日光温室走向延长线的法线与正南(地理)方向的夹角。方位角反映了正南日光温室采光面与太阳视位置的关系,对室内光温产生一定的影响,日光温室的方位角和日光温室的变温管理紧密联系。实现日光温室变温管理除可以通过人工的室内小气候环境调控外,通过合理的日光温室方位角设计来达到调控室内光温节奏是一个可行、有效的方法。理想的温室植物栽培应使其环境温度适合植物不同生长阶段的要求,温室变温管理是按照活跃光合作用、促进光合产物在体内的运转输送、抑制呼吸消耗、保障生长发育的原则,白天,在室内植物不受热伤的情况下,尽可能地提升室内温度,晚间,在室内植物不受冷害或冻害的情况下,尽可能地推迟盖苫,以降低室内温度。变温管理由于适应了植物生理活动的昼夜变化、使植物的各种生理活动在适宜的环境温度下进行,按植物的生理特点,对室内的环境温度进行分时段调节控制,达到增产和节能的目的。有关方位角对日光温室受光影响缺乏一定的理论研究,但一些学者在不同纬度地区日光温室方位角对日光温室受光影响方面做了一些研究。李军等(2003年)分析探讨了西北型节能日光温室采光设计理论中的温室方位角和前屋面角的设计原理,建议在西北地区建造东西延长、面朝正南方向(低纬度区)或南偏西5～8°(较高纬度区)的节能日光温室。白义奎等(2005年)以沈阳地区(北纬41.77°)为例,研究了日光温室朝向对进光量的影响,结果表明在南偏西5～6°时,进光量最大,与正南向温室进光量相比,增加约0.3%。曹伟等(2009年)通过对具有不同朝向日光温室室内温度环境的对比实验,认为温室方位角偏西有利于提高晴天时日光温室夜间气温和地温。1学习方法1.1材料的吸光度w.sni尔生产实践中,日光温室的前屋面透光覆盖材料基本上为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)和多功能膜(EVA)等塑料薄膜,因此,本文研究日光温室的受光特点,从塑料薄膜的透光特性着手。太阳直射光具有很强的方向性,光线遇到塑料膜面后有一定的反射、透射和吸收特点,太阳光作为一种电磁波,照射到塑料膜面上,受膜面反射、透射,反射率遵循费累涅尔(Fresnel)电磁反射理论公式:R=[sin2(i-r)/sin2(i+r)+tg2(i-r)/tg2(i+r)]/2折射率可由斯涅尔(W.snell)公式计算:n=sini/sinrτ=1-R其中:R:光线在介质上的反射率;i:光线在介质上的入射角;r:光线在介质上的折射角;n:介质对光线的折射率,是介质固有的物理参数,玻璃折射率按其成分不同为1.5～1.9,平均值取1.526;聚乙烯和聚丙烯等塑料薄膜取1.50～1.57;τ:光线在介质上的透射率。当n取1.5时,计算透射率与入射角之间的关系,模拟结果(如图1)显示:τ为单调减函数,在太阳光线入射角小于40°之前,透射率下降甚微,入射角每增加10°,透射率只下降0.06%;入射角在40°～60°之间透射率开始缓慢下降,入射角每增加10°透射率下降0.23%;入射角大于60°后透射率迅速下降,在60°～80°之间透射率开始迅速下降,入射角平均每增加10°透射率下降1.48%,在80°～90°之间透射率从60%迅速下降为0%。通过上面的计算分析,得出“太阳光线入射角要小于60°”这一个非常重要的结论,这个结论也为广大学者所接受,与实际测量的结果很吻合,很多研究日光温室受光方面的文献,研究的立足点也是基于这一点。1.2太阳视轨道方程的规定对天地系统进行简化,将地球公转的椭圆轨道近似为圆,将地球球体近似为球,忽略了地表的起伏(海拔)等因素,将日光温室前屋面作坡面考虑,按照太阳直射光在坡面上分布,依据上述参数定义,有:cosi=sinhθ×cosα+coshθ×sinα×cos(A-β)太阳视轨道方程有如下3个公式:sinhθ=sinψ×sinδ+cosψ×cosδ×cosωcosA=(sinhθ×sinψ-sinδ)/(coshθ×cosψ)sinδ=sinλ×sinε上式λ定义如下:λ=0.9863°×N时角和地方真太阳时转换如下:ω=|12-T|×π/12上述公式中各参数含义如下:i:太阳直射光在前屋面上的入射角;hθ:太阳高度角;δ:太阳赤纬;ω:时角,上午为正,下午为负,1h相当于15°;T:地方真太阳时;ψ:纬度;A:太阳方位角,东为正,西为负;ε:黄赤交角,一般取23.4°;λ:太阳黄经,将地球公转轨道近似为圆,周径360°,以春分日为0°,夏至日为90°,秋分日为180°,冬至日为270°,每隔一天相差360°/365.3=0.9863°;N:序日数,始于春分日。β:日光温室的方位角,偏东为正值,偏西为负值;α:日光温室前屋面倾角度。2日光温室最佳时间日光温室的方位角对最早揭苫时间和最晚盖苫时间以及直射光正照日光温室的时间有很大的影响,由于上下午日照的对称性,东偏造成早晨最早揭苫时间提前,傍晚最晚盖苫时间也提前,西偏造成早晨最早揭苫时间推迟,傍晚最晚盖苫时间也推迟,东偏日光温室早晨最早揭苫的提早量和西偏傍晚最晚盖苫的推迟量是一样的,西偏日光温室早晨最早揭苫的推迟量和东偏傍晚的最晚盖苫的推迟量是一致的。太阳方位角对直射光正照日光温室时间的影响也与此类似,因此,本文只研究方位角对日光温室的最早揭苫时间和太阳正照时间的影响。分别计算东偏(+)和西偏(-)14°、12°、10°、8°、6°、4°、2°以及正南15种情况下,方位角对日光温室直射光受光的影响,因12°和14°方位角对室内直射光的负面影响太大,本文没有列示。2.1日光温室最早揭目前的表现计算了东偏10°、8°、6°、4°、2°五种情况下,不同纬度、不同使用期、不同前屋面角度的日光温室最早揭苫时间,结果如图2所示(略去东偏4°、6°、8°三图)。由图2可以看出,纬度、使用期和前屋面角三个参数中,纬度对日光温室最早揭苫时间影响最大,东偏日光温室在前屋面角相同、使用期相同情况下,高纬度地区明显比低纬度地区最早揭苫时间要晚;在前屋面角相同、纬度相同条件下,离冬至日越远,最早揭苫时间越早;在使用期相同、纬度相同条件下,前屋面角越大,最早揭苫时间越早。在其他条件相同的情况下,东偏度数不同,规律大体一致,不同的是东偏度数越大,最早揭苫时间越早。与正南日光温室最早揭苫时间进行对比分析(图3),东偏日光温室最早揭苫时间变化有以下规律:日光温室东偏度数越大,最早揭苫时间越提早,提早量与日光温室的前屋面角度和方位角关系密切,最大提早量达到23min;在同一日光温室前屋面角度下,提早量随方位角增加而变大,与纬度和使用期关系不大,差别只有1～2min;在同一方位角度下,提早量随前屋面角度增加而变大,与纬度和使用期关系也不大,差别也只有1～2min。方位角东偏2°,最早揭苫时间提早2～5min;东偏10°,最早揭苫时间提早10～23min。低纬度地区虽然早晨温度条件要好于高纬度地区,但是所使用的日光温室前屋面角度相对要比高纬度地区要小,一般不会大于30°,揭苫提早时间也不过在10min左右;在高纬度地区,早晨外界大气温度较低,限制了日光温室不能过早揭苫,否则容易造成室内气温急剧下降,致使室内生长的植物遭受低温冻害,在北纬50°地区,35°前屋面角的日光温室,虽然可以比正南日光温室最早提前23min揭苫,但此时正处于早晨7:00～8:00之间,室外气温非常低,根本不能揭苫受光,所以在生产实践中,东偏日光温室并不能够起到提前受光的效果。通过上面的分析,可以认为,东偏方位角的设计、建筑方法对日光温室的增光保温是没有意义的。2.2日光温室最早揭目前计算了西偏10°、8°、6°、4°、2°五种情况下,不同纬度、不同使用期、不同前屋面角度的日光温室最早揭苫时间,结果如图4所示(略去西偏4°、6°、8°三图)。由图4可以看出,与东偏一样,纬度、使用期和前屋面角三个参数中,纬度对日光温室最早揭苫时间影响最大,西偏日光温室在前屋面角相同、使用期相同情况下,高纬度地区明显比低纬度地区最早揭苫时间要晚;在前屋面角相同、纬度相同下,离冬至日越远,最早揭苫时间越早;在使用期相同、纬度相同下,前屋面角越大,最早揭苫时间越早。在其他条件相同的情况下,西偏度数不同,规律大体一致,不同的是西偏度数越大,最早揭苫时间越早。与正南日光温室最早揭苫时间进行对比分析(图5),西偏日光温室最早揭苫时间变化有以下规律:日光温室西偏度数越大,最早揭苫时间越晚,推迟量与日光温室的前屋面角度和方位角关系密切,最大提早量达到25min;在同一日光温室前屋面角度下,推迟量随方位角增加而变大,与纬度和使用期关系不大,差别只有1～2min;在同一方位角度下,推迟量随前屋面角度增加而变大,与纬度和使用期关系也不大,差别也只有1～2min。方位角西偏2°,最早揭苫时间推迟2～5min;西偏10°,最早揭苫时间推迟10～25min。笔者还模拟了东偏和西偏方位角对日光温室室内直射光强度的影响,结论是东偏日光温室可在一定程度上改善室内上午的受光条件,但削弱了下午的日光温室受光,削弱强度与纬度、使用期和前屋面角以及东偏度数关系密切,下午削弱的那一部分能在上午得到弥补,从能量角度看这是一种平衡。西偏的情况正好相反,在此不做赘述。因此,看方位角对日光温室的影响,关键还是要看偏向对揭苫时间的影响和对正照日光温室时间的影响。2.3东偏级数和精密度研究发现,方位角对太阳正照日光温室的时间也有较大影响,图6反映了不同纬度地区不同使用期日光温室太阳正照时间与方位角的关系。由图6可见,东偏日光温室太阳正照时间比正南日光温室要有所提早,提早量与纬度、使用期和东偏度数有关,三者中以方位角影响最大,纬度影响次之,使用期影响最小。在纬度、使用期确定的情况下,提早量与东偏度数有关,东偏度数越大,提早量越大,反之则越小;在使用期、东偏角度确定的情况下,在同一日,纬度越大,提早量也越大,如在冬至日北纬50°地区,东偏10°,太阳正照日光温室时间提早到11:18,提早量达到42min,平均每偏1°提早4.2min;另外计算表明冬至日北纬50°地区东偏14°日光温室,太阳正照时间提早到11:01,提早量达到将近1h,显然这样的方位角是不合适的。西偏日光温室太阳正照时间比正南日光温室要有所推迟,规律与东偏日光温室相反,推迟量和东偏日光温室的提早量对称于正午时刻。3温室最佳方位角以最早揭苫时间不晚于9:00、太阳正照日光温室时间不晚于12:30为标准,根据文献做出的前屋面角度决策,给出西偏日光温室最佳方位角参考数据,见表1,秋延迟种植模式西偏角度7°～9°,越冬种植模式西偏角度6°～8°,春提早种植模式西偏角度8°～10°,西偏度数都随着纬度增加而减少。越冬种植模式,因外界光照条件比较苛刻,西偏角度太大对室内光照影响较大,不允许日光温室有太大的西偏角度,而秋延迟和春提早种植模式外界光温条件相对宽松,反而可以有较大的西偏方位角。4日光温室方位角的西偏影响由于早晨气温相对较低,上午揭苫时间较晚,尤其在严寒季节,使得温室内下午实际日照时间比上午长,每日最高气温在14:00左右,适当西偏方位角的设计、建筑方法,可增加午后光照,与高温配比,更有利于室内植物的光合作用,对日光温室的增光保温有一定的意义。而东偏日光温室对提早揭苫受光没有多大意义。从日光温室变温管理的角度看,日光温室方位角适当西偏另一个原因是,下午光合作用呈下降趋势,夜间在不发生冷害和冻害的前提下,通过推迟盖苫时间,适当降低室内温度,可以达到抑制呼吸作用,减少机体消耗,从而提高光合作用的目的,西偏日光温室恰可以推迟盖苫时间。日光温室方位角不宜太大,过分偏西,在严寒季节可能造成早晨室内温度下降,午前日光温室升温不足,太阳直射温室时间晚,午前直射光损失大,室内升温慢。通过对方位角12°和14°日光温室的计算也发现,日光温室方位角不宜太大,过分偏西,