日光温室环境预测模型研究

日光温室环境预测模型研究

0温室气象环境日光温室是中国特有的温室结构形式。它具有成本低、运营成本少、耐寒性好、效益高等优点。因此，它在中国得到了迅速发展。但目前日光温室的环境控制水平较低,仍以人工经验控制为主,缺少实用的理论指导。国内对日光温室环境模型已有较多的研究,如陈端生、郑海山等人对日光温室气象环境进行了较为深入的研究;李远哲、陈青云、郦伟等人在质能平衡的基础上建立了日光温室的环境模型,利用室外环境对室内环境进行了模拟及实测分析;但这些模型主要是根据当前室外环境对当前室内环境进行预测,由于温室室外环境对室内环境的影响具有一定的时滞性,这些模型不太适合于指导日光温室环境调控;另外,由于模型中较少考虑了自然通风(冷风渗透)、作物蒸腾和土壤蒸发所引起的潜热变化对温室内部热环境的影响,由此降低了模型对于温室实际生产管理的指导作用。本文在上述模型研究的基础上,将作物蒸腾、土壤蒸发和自然通风引起的潜热变化考虑进来,根据质能平衡,建立了日光温室的环境预测模型,利用已知的环境参数(室内温湿度、室外温湿度、地面温度、室内外光照强度、室外风速风向等)来预测日光温室内部温湿度的变化情况,可用于日光温室环境的前馈控制,指导温室生产管理。1日光温室环境的动态模型1.1主要影响空气湿度的因素日光温室热量的主要来源是太阳辐射,室内空气热量的得失主要有以下几种途径:一是与温室围护结构(即覆盖材料、地面、后坡、后墙和侧墙)的对流换热;二是与室内作物叶片之间的对流换热;三是通过温室通风和缝隙漏气与室外空气进行热量交换;四是植物的蒸腾作用及土壤蒸发引起的潜热变化。湿度是温室内重要的环境因素之一。日光温室空间体积较小,当室内种植的黄瓜等大植株作物叶面积指数较高时,作物所进行的蒸腾作用会在很大程度上影响室内的空气湿度。影响温室内湿度的物理过程主要有作物蒸腾、地面蒸发、温室通风等。1.2种植作物的阳辐射作用为了便于计算,笔者对日光温室环境做如下假设:一是忽略太阳辐射在室内的反射作用;二是室内种植的作物冠层温度分布均匀;三是由于两侧山墙面积较小,忽略其与室内空气的热交换;四是进入温室的太阳辐射只在土壤和作物冠层之间进行分配。1.3后墙内对空气的对流换影响(1)日光温室室内空气的能量平衡方程可表示为式中V―温室内部空间体积(m3);C―空气比热容(J/kg·℃);Wo—室外绝对湿度(kg/m3);Awl—后坡面面积(m2);him—室内空气对后墙的对流换热系数(W/m2·℃);hpi—室内空气对作物冠层的对流换热系数(W/m2·℃);his—室内空气对地表的对流换热系数(W/m2·℃);hic—室内空气对覆盖材料的对流换热系数(W/m2·℃);hwli—室内空气对后坡面的对流换热系数(W/m2·℃);tc—覆盖材料表面温度(℃);to—室外空气温度(℃);tw—后墙内表面温度(℃);twl—后坡面内表面温度(℃);(2)室内水汽平衡的方程为式中V—温室内部空间体积(m3);As—土壤面积(m2);Ep,Es—作物蒸腾和土壤蒸发率(kg/m2·s);W0—室外绝对湿度(kg/m3);1.4热平衡方程用于温室各部分的热平衡方程1.4.1辐射平衡方程白天,阳光通过覆盖材料进入温室,部分直射光、散射光以及室内反射光被覆盖材料所吸收。同时,覆盖材料与温室其他组成部分进行长波辐射换热,与室内室外空气进行对流换热,还以辐射形式与大气层进行热交换。其能量平衡方程表示为式中So—室外太阳辐射照度(W/m2);αs—覆盖材料对太阳辐射的吸收率;αsc—覆盖材料和地面的辐射换热系数(W/m2·℃);αwc—覆盖材料和后墙的辐射换热系数(W/m2·℃);αpc—覆盖材料和作物冠层的辐射换热系数(W/m2·℃);αwlc—覆盖材料和后坡面的辐射换热系数(W/m2·℃)。2.4.2墙体传热反应系数日光后墙是日光温室的重要组成部分,具有一定的蓄热作用,对于室外温度的波动有一定的延迟和衰减作用。利用反应系数法计算由室外温度波动和内壁面温度变化造成的墙体传热,其热平衡方程为式中Yw—墙体的传热反应系数;Zw—墙体的吸热反应系数;tw(n-j)—某时刻墙体内表面温度(℃);asw—后墙和地表的辐射换热系数(W/m2·℃);acw—后墙和覆盖材料间的辐射换热系数(W/m2·℃);awiw—后墙和后坡面的辐射换热系数(W/m2·℃);hiw—空气和墙体间的对流换热系数(W/m2·℃)。1.4.3太阳辐射模型上的能量平衡方程作物冠层吸收光能,如果忽略光合作用消耗的能量,则冠层吸收的光能一部分被作物蒸腾带走,一部分用于升高叶片的温度,一部分用于和室内空气进行热量交换。其中,作物截获的太阳辐射能量与作物的叶面积指数有关,则作物冠层的能量平衡方程为式中αsp—作物冠层和地面的辐射换热系数(W/m2·℃);αcp—作物冠层和覆盖材料间辐射换热系数(W/m2·℃);αwlp—作物冠层和后坡面的辐射换热系数(W/m2·℃);Ep—作物的蒸腾速率(kg/m2·s);1.4.4热平衡方程由于后坡面多为轻型结构,热容量较低,故按稳态传热计算。其热平衡方程为式中kwl—后坡面的导热系数(W/m2·s℃);αcwl—后坡面和覆盖材料的辐射换热系数;αwwl—后坡面和后墙内表面的辐射换热系数。1.5自然通风模型的建立,根据温室日光温室的自然通风较为简单,其通风窗口仅分布在两个不同的高度,因此利用流体力学理论,在已知室内外温湿度和通风窗口的参数情况下,假设温室进排风口开口大小相同,利用温室自然通风理论,得温室自然通风量式中L—温室自然通风量(m3/h);h—二通风窗中心相距高度(m);µ—通风窗口流量系数;Ti,To—室内、外空气的热力学温度(K);Ca,Cb―进排风口风压体型系数,其取值与建筑物外形及具体部位、风向有关。1.6其他环境因素作物蒸腾速率是温室内显热、潜热交换和肥水灌溉最主要的影响因子。目前,来采用PenmanMonteith模型来计算温室作物的蒸腾速率。在Penman-Monteith模型中,认为植物的蒸腾速率主要与入射到植物表面的太阳辐射强度以及温室内水蒸汽的饱和压力差有关,其他环境因素(如CO2浓度、室内空气压力、营养液浓度等)影响较小,可以忽略不计。Penman-Monteith模型计算蒸腾的公式为式中Ep—作物蒸发率(kg/m2·s);γ—湿度计常数,γ=0.0646kPa/℃;∆—饱和水汽压随温度变化曲线的斜率(kPa/℃);rn—冠层所得的净辐射(W/m2);ae*―温室内部空气的饱和水汽压(kPa);cr―冠层对水汽的阻抗(cr=气孔平均阻抗)(s/m);ra―边界层空气动力学阻抗(s/m)。作物冠层叶片截留的太阳净辐射,一部分为叶面蒸腾所利用,剩下的才能到达土壤表面。由于作物冠层和土壤表面在太阳辐射能的分配方面存在着这种关系,因而土壤表面蒸发和作物叶面蒸腾之间存在如下关系式中α-土壤蒸发与叶面蒸腾的比例系数,它与叶面积指数LAI等密切相关,而且具有明显的日变化。公式(1)～(9)即为日光温室环境预测模型的主要组成部分。2试验地调查和预测结果为了验证模型的准确性,笔者于2004年6,7月在北京市(东经116。,北纬40。)农林科学院的单栋塑料日光温室内进行了试验。试验温室为钢结构骨架,覆盖材料为聚乙烯膜;温室东西走向,脊高3.5m,跨度8m,长50m;温室后墙为砖结构,厚度为50cm。室内种植黄瓜,采用基质盆栽,定植时间为2004年4月17日,种植密度为5株/m2。由于温度较高,温室采用自然通风,除靠近温室东西两侧墙处由于结构原因有2.5m左右的上下通风口不能打开外,其余通风口开度均为25cm。室外环境由安装在温室东侧墙顶部的室外气象站监测,主要监测对象为室外温度、湿度、光照强度。室内所测的环境因子主要为作物群体内的温湿度、室内空气部分的温湿度、地表温度、覆盖材料温度、后墙和后坡内表面温度。取2004年6月9～11日的数据进行分析,此时黄瓜的叶面积指数为2.5,预测的时间步长∆t=10min。图1、图2为模拟结果和实测结果的比较。从图1和图2可以看出,利用该模型预测10min后室内温湿度的预测结果与实测结果基本相符。3日光温室温湿度变化模型该日光温室环境预测模型建立在温室质能传递规律的理论基础上,较全面地反映了室外气象条件、温室覆盖材料、后墙、地面、室内作物以及温室通风等主要因素对温室内热环境的主要因素的影响。作者根据该模型,利用VisualBasic6.0语言编制了温室环境模拟预测的计算机程序软件。利用该软件,可以根据温室当前室内外环境条件、室内作物和温室的通风状况,模拟预测日光温室室内温湿度的变化状况。有关该模型的计算机程序编制、详细的实测结果和误差分析将另文叙述。ρa—空气密度(3kg/m);L—温室通风量(3m/s);Wi—室内绝对湿度(kg/m3);Ep—作物蒸腾率(kg/m2·s);E—土壤蒸发率(kg/m2·s);Ac—覆盖材料面积(m2);Ap—作物冠层面积(m2);As—温室地面面积(m2);Aw—后墙面积(m2);ti—室内空气温度(℃);tp—作物冠层温度(℃);ts