CN103823976B - 日光温室光热环境计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种日光温室光热环境计算方法，所述方法包括建立日光温室三维结构模型，对日光温室的组件分别设置光热特性参数；将日光温室各组成部分的室内表面组合，构造日光温室室内光几何模型，计算形状因子；获取外界逐时环境光照，在日光温室采光面上构造室内光分布计算的初始光强，计算出日光温室室内光环境分布，得到日光温室各组件内表面中每个网格分布的光强，按照时间序列逐次计算出不同时刻日光温室内的光环境；为日光温室各组件分配计算节点，并将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立日光温室的热环境计算模型；结合日光温室结构、环境条件及光分布计算结果，对日光温室在整个作物生长季内的光照和温度状况进行动态仿真和分析。

Description

日光温室光热环境计算方法

技术领域

本发明涉及农业领域，尤其涉及一种日光温室光热环境计算方法。

背景技术

日光温室是一种高效、高产和节能的生产设施，也是目前设施农业研究和推广的重要内容，在中国现代农业发展中占据重要地位。日光温室为作物生长营造适宜生长环境，其光环境和热环境是评价温室性能和生产能力的重要指标。温室光环境与温室地理位置、温室结构特征、采光屋面材料和室内墙体表面的光学参数息息相关，直接影响温室内栽培作物的光合生产能力；温室热环境主要由温室结构特征、建造材料的热特性决定，是实现对温室室内温度异步调控能力的关键因素，决定了温室对太阳辐射能量的利用效率。

目前，日光温室的结构设计和建造水平普遍不高，导致日光温室光环境和热环境调控能力较差、生产效益低，急需一种日光温室光热环境计算方法对温室结构和性能进行评价和优化。

发明内容

本发明实施例提供一种日光温室光热环境计算方法，能够实现日光温室室内光环境和热环境的长时间仿真与预测。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种日光温室光热环境计算方法，包括：

S1、建立日光温室三维结构模型，对日光温室的组件分别设置光热特性参数；

S2、将日光温室各组成部分的室内表面组合在一起，构造日光温室室内光分布计算的几何模型，计算形状因子；

S3、获取外界逐时环境光照，在日光温室采光面上构造室内光分布计算的初始光强，计算出日光温室室内光环境分布，得到日光温室各组件内表面中每个网格分布的光强值,进而按照时间序列逐次计算出不同时刻日光温室内的光环境；

S4、为日光温室各组件分配计算节点，并将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立日光温室的热环境计算模型；

S5、结合日光温室结构、环境条件及光分布计算结果，对日光温室在整个作物生长季内的光照和温度状况进行动态仿真和分析，

步骤S4包括：

将日光温室每个组件的传热简化为一维传热，按照由内向外的方向将组件划分为多层材料，并分配计算节点，这些节点分为内表面节点、内部节点和外表面节点；

为每个节点建立热平衡方程：其中C为节点热容，ΔΦ为节点获取的热能，为节点温度变化；

对内部节点而言，热平衡方程中仅考虑相邻节点之间由温度差异导致的热传导；

对内表面节点，考虑室内空气对流、室内表面间长波辐射换热、表面传热和太阳辐射项；其中，面片i与日光温室内表面的其他面片之间辐射换热为：

${\mathrm{\Φ}}_{i,rad}=\underset{j,j\≠i}{\Σ}{\mathrm{\σ\δ}}_{ij}{A}_{ij}{F}_{ij}\[{\left(\frac{T_j}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_i}{100}\right)}^4\]$

其中，σ为Stephen-Boltzmann系数(取5.67×10^-8wm^-2k^-4)，δ_ij为面片之间的系统发射率，A_ij表示面元i对面元j的辐射面积，T_i和T_j是面片i和j的热力学温度(K),F_ij为步骤2计算得到的形状因子；通过累积计算组件的所有面片的辐射换热，即可得到该组件的室内表面节点上的长波辐射换热项；

外表面节点，则考虑环境空气对流、表面传热、太阳辐射和环境辐射等因素；

将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立热平衡方程，方程中包括室内空气与墙体对流换热、与外界的通风换气量以及其获得的内部产热等项；

将所有计算节点的热平衡方程集总在一起，构成了包含日光温室所有温度节点的热平衡方程，并将其改写成矩阵形式：

$C\stackrel{\·}{T}-AT+Bu$

其中，C表示在单位温度变化率下的蓄热能力，A表示各个计算节点之间的热量流动关系，B表示了各个热扰在计算节点上的作用关系，T为各节点温度组成的向量，u表示作用在各个温度节点上的热扰向量；其中，日光温室热扰包含了外界温度、太阳辐射、通风换气等项；其中，外界温度由实测环境数据决定；换气通风由环境风速和实际人工调控决定；太阳辐射则对应步骤3中计算得到的每个组件光照强度，即按照组件表面的光照强度大小确定该组件获得的太阳总辐射热量份额。

可选的，步骤S1包括：

确定日光温室的地理位置和方位角，根据日光温室结构特征和材料光热属性差异将日光温室分解，确定所述日光温室的组件包括以下至少一种：后墙、后屋面、前屋面、南墙、北墙、土壤和走道；

建立每个组件的三维几何模型，按照组件化设计方法合成真实的日光温室三维模型，并分别设置日光温室各组件的光热特性参数。

可选的，步骤S2包括：

对于每个组件，提取出日光温室内表面的结构参数；

将各组件内表面组合在一起，形成日光温室光分布计算的封闭表面模型；

根据计算精度和计算效率的要求，对表面模型进行可控网格划分，得到指定规模的网格模型；

根据组件的光学特征，对每个网格赋予光特性参数；

计算所有网格的形状因子，面片S_i到S_j的形状因子计算如下：

$F_{ij}=\frac{1}{A_i}{\∫}_{S_i}{\∫}_{S_j}\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i{\mathrm{cos\θ}}_j}{\mathrm{\π}{||r_{ij}||}^2}HID({\mathrm{dS}}_i,{\mathrm{dS}}_j){\mathrm{dA}}_j{\mathrm{dA}}_i$

其中,r_ij为dS_i的中心指向dS_j中心的向量，θ_i是dS_i的表面法向量与r_ij之间的夹角，θ_j是dS_j的表面法向量与-r_ij之间的夹角，dA_i和dA_j分别为dS_i和dS_j的面积，HID(dS_i,dS_j)为遮挡函数，有遮挡取0，无遮挡取1，A_i为S_i的面积；

利用半立方体或者半球面分割等方法计算出形状因子，最后将所有形状因子存储到一个二维纹理矩阵中，其中每个列向量表示该面片与所有其它面片之间的形状因子，该形状因子将用于计算日光温室内漫反射光分布和室内表面间长波辐射项。

可选的，步骤S3包括：

获取日光温室采光面上的太阳辐射的逐时分布数据；

对每个计算时刻，分别得到日光温室采光面的入射光照强度，包括直射光照强度和散射光照强度两部分；

根据采光面结构参数及其材料光学特性，计算出采光面内表面的光照强度，并将其作为日光温室内部光环境计算的光源；

利用Z-buffer投影方法计算出日光温室内部每个面片上的直射光分布；

利用辐射度计算方法求解散射光分布，面元i的辐射度计算如下：

$B_i=E_i+{\mathrm{\ρ}}_i\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_j{F}_{ij},i=1,2,\mathrm{...},N$

其中，E_i为该面片的自身辐射度，ρ_i为该面片的反射率，F_ij为形状因子；将该线性方程组表示为矩阵形式：(I+M)B＝E,I为单位矩阵，求解得到每个面片上的辐射度值；

在每个面元上将直射光和散射光相加得到该面元的总光照强度，进而得到在该计算时刻整个日光温室内表面上的光分布；

利用上述方法依次计算出不同时刻日光温室室内的光分布情况。

可选的，步骤S5包括：

确定仿真计算的时间起止时间、计算步长；

获取计算时间段内每个计算步骤中外部环境的气象参数，包括环境温度、湿度、风速、太阳辐射等项,构造出热扰矩阵；

利用四阶Runge-Kutta法求解，计算得到在日光温室室内温度的逐时变化情况。

基于上述技术方案，本发明实施例的日光温室光热环境计算方法，基于真实参数建立日光温室三维模型，分别构造日光温室室内光环境计算模型和热环境计算模型，通过逐时计算每个时刻温室内光分布，获得温室各个组件内表面的光强分布，将其作为温室热环境模型的外部热扰来计算温室对外界环境变化的动态响应，从而计算出温室在作物整个生长季内的光环境和热环境状况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的日光温室光热环境计算方法的流程图之一；

图2为本发明实施例提供的日光温室光热环境计算方法的流程图之二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于日光温室三维模型构造温室内表面光分布几何模型，利用逐时太阳光照数据计算出室内光分布，有利于定量分析温室室内光环境的变化情况；

对日光温室进行简化，使得采用有限的计算节点即可描述出整个温室的热工性能，提高了计算仿真的效率；

将室内光环境计算与热环境计算结合，将光分布计算结果映射为温室热环境计算的热扰项，实现了日光温室的光环境和热环境计算的耦合分析。

本发明计算效率高，可以模拟出在整个作物生长季内日光温室对外界环境变化的响应，为日光温室光热性能评价提供直接支持。

一种日光温室光热环境计算方法，包括：

S1、建立日光温室三维结构模型，对日光温室的组件分别设置光热特性参数；

S2、将日光温室各组成部分的室内表面组合在一起，构造日光温室室内光分布计算的几何模型，计算形状因子；

S3、获取外界逐时环境光照，在日光温室采光面上构造室内光分布计算的初始光强，计算出日光温室室内光环境分布，得到日光温室各组件内表面中每个网格分布的光强值,进而按照时间序列逐次计算出不同时刻日光温室内的光环境；

S4、为日光温室各组件分配计算节点，并将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立日光温室的热环境计算模型；

S5、结合日光温室结构、环境条件及光分布计算结果，对日光温室在整个作物生长季内的光照和温度状况进行动态仿真和分析，

步骤S4包括：

将日光温室每个组件的传热简化为一维传热，按照由内向外的方向将组件划分为多层材料，并分配计算节点，这些节点分为内表面节点、内部节点和外表面节点；

为每个节点建立热平衡方程：其中C为节点热容，ΔΦ为节点获取的热能，为节点温度变化；

对内部节点而言，热平衡方程中仅考虑相邻节点之间由温度差异导致的热传导；

对内表面节点，考虑室内空气对流、室内表面间长波辐射换热、表面传热和太阳辐射项；其中，面片i与日光温室内表面的其他面片之间辐射换热为：

${\mathrm{\Φ}}_{i,rad}=\underset{j,j\≠i}{\Σ}{\mathrm{\σ\δ}}_{ij}{A}_{ij}{F}_{ij}\[{\left(\frac{T_j}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_i}{100}\right)}^4\]$

其中，σ为Stephen-Boltzmann系数(取5.67×10^-8wm^-2k^-4)，δ_ij为面片之间的系统发射率，A_ij表示面元i对面元j的辐射面积，T_i和T_j是面片i和j的热力学温度(K),F_ij为步骤2计算得到的形状因子；通过累积计算组件的所有面片的辐射换热，即可得到该组件的室内表面节点上的长波辐射换热项；

外表面节点，则考虑环境空气对流、表面传热、太阳辐射和环境辐射等因素；

将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立热平衡方程，方程中包括室内空气与墙体对流换热、与外界的通风换气量以及其获得的内部产热等项；

将所有计算节点的热平衡方程集总在一起，构成了包含日光温室所有温度节点的热平衡方程，并将其改写成矩阵形式：

$C\stackrel{\·}{T}-AT+Bu$

其中，C表示在单位温度变化率下的蓄热能力，A表示各个计算节点之间的热量流动关系，B表示了各个热扰在计算节点上的作用关系，T为各节点温度组成的向量，u表示作用在各个温度节点上的热扰向量；其中，日光温室热扰包含了外界温度、太阳辐射、通风换气等项；其中，外界温度由实测环境数据决定；换气通风由环境风速和实际人工调控决定；太阳辐射则对应步骤3中计算得到的每个组件光照强度，即按照组件表面的光照强度大小确定该组件获得的太阳总辐射热量份额。

可选的，步骤S1包括：

确定日光温室的地理位置和方位角，根据日光温室结构特征和材料光热属性差异将日光温室分解，确定所述日光温室的组件包括以下至少一种：后墙、后屋面、前屋面、南墙、北墙、土壤和走道；

建立每个组件的三维几何模型，按照组件化设计方法合成真实的日光温室三维模型，并分别设置日光温室各组件的光热特性参数。

可选的，步骤S2包括：

对于每个组件，提取出日光温室内表面的结构参数；

将各组件内表面组合在一起，形成日光温室光分布计算的封闭表面模型；

根据计算精度和计算效率的要求，对表面模型进行可控网格划分，得到指定规模的网格模型；

根据组件的光学特征，对每个网格赋予光特性参数；

计算所有网格的形状因子，面片S_i到S_j的形状因子计算如下：

$F_{ij}=\frac{1}{A_i}{\∫}_{S_i}{\∫}_{S_j}\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i{\mathrm{cos\θ}}_j}{\mathrm{\π}{||r_{ij}||}^2}HID({\mathrm{dS}}_i,{\mathrm{dS}}_j){\mathrm{dA}}_j{\mathrm{dA}}_i$

其中,r_ij为dS_i的中心指向dS_j中心的向量，θ_i是dS_i的表面法向量与r_ij之间的夹角，θ_j是dS_j的表面法向量与-r_ij之间的夹角，dA_i和dA_j分别为dS_i和dS_j的面积，HID(dS_i,dS_j)为遮挡函数，有遮挡取0，无遮挡取1，A_i为S_i的面积；

利用半立方体或者半球面分割等方法计算出形状因子，最后将所有形状因子存储到一个二维纹理矩阵中，其中每个列向量表示该面片与所有其它面片之间的形状因子，该形状因子将用于计算日光温室内漫反射光分布和室内表面间长波辐射项。

可选的，步骤S3包括：

获取日光温室采光面上的太阳辐射的逐时分布数据；

对每个计算时刻，分别得到日光温室采光面的入射光照强度，包括直射光照强度和散射光照强度两部分；

根据采光面结构参数及其材料光学特性，计算出采光面内表面的光照强度，并将其作为日光温室内部光环境计算的光源；

利用Z-buffer投影方法计算出日光温室内部每个面片上的直射光分布；

利用辐射度计算方法求解散射光分布，面元i的辐射度计算如下：

$B_i=E_i+{\mathrm{\ρ}}_i\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_j{F}_{ij},i=1,2,\mathrm{...},N$

其中，E_i为该面片的自身辐射度，ρ_i为该面片的反射率，F_ij为形状因子；将该线性方程组表示为矩阵形式：(I+M)B＝E,I为单位矩阵，求解得到每个面片上的辐射度值；

在每个面元上将直射光和散射光相加得到该面元的总光照强度，进而得到在该计算时刻整个日光温室内表面上的光分布；

利用上述方法依次计算出不同时刻日光温室室内的光分布情况。

可选的，步骤S5包括：

确定仿真计算的时间起止时间、计算步长；

获取计算时间段内每个计算步骤中外部环境的气象参数，包括环境温度、湿度、风速、太阳辐射等项,构造出热扰矩阵；

利用四阶Runge-Kutta法求解，计算得到在日光温室室内温度的逐时变化情况。

本发明实施例具体实现时，还可以采用图2所示的步骤。如图2所示，包括：

21、日光温室三维模型；

22、温室光分布计算模型；

23、逐时光分布计算；

24、室内各表面光强分布；

25、温室热环境计算模型；

26、逐时室内温度计算；

27、温室光热性能评价。

本发明实施例的日光温室光热环境计算方法，基于真实参数建立日光温室三维模型，分别构造日光温室室内光环境计算模型和热环境计算模型，通过逐时计算每个时刻温室内光分布，获得温室各个组件内表面的光强分布，将其作为温室热环境模型的外部热扰来计算温室对外界环境变化的动态响应，从而计算出温室在作物整个生长季内的光环境和热环境状况。

本发明实施例结合日光温室三维模型及其光热材料数据，构造出日光温室光环境和热环境计算模型，通过光分布计算得到温室室内逐时光环境，并将其作为温室热环境计算的外部热扰项，进而快速计算出日光温室室内的温度逐时变化情况。本发明能够根据日光温室的采光和保温结构、种植作物和外界气象条件，对温室长时间运行的光热环境进行动态模拟，有利于对日光温室结构和光热性能进行综合评价，辅助日光温室的生产决策。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种日光温室光热环境计算方法，其特征在于，包括：

S1、建立日光温室三维结构模型，对日光温室的组件分别设置光热特性参数；

S2、将日光温室各组成部分的室内表面组合在一起，构造日光温室室内光分布计算的几何模型，计算形状因子；

S3、获取外界逐时环境光照，在日光温室采光面上构造室内光分布计算的初始光强，计算出日光温室室内光环境分布，得到日光温室各组件内表面中每个网格分布的光强值,进而按照时间序列逐次计算出不同时刻日光温室内的光环境；

S4、为日光温室各组件分配计算节点，并将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立日光温室的热环境计算模型；

S5、结合日光温室结构、环境条件及光分布计算结果，对日光温室在整个作物生长季内的光照和温度状况进行动态仿真和分析，

步骤S4包括：

将日光温室每个组件的传热简化为一维传热，按照由内向外的方向将组件划分为多层材料，并分配计算节点，这些节点分为内表面节点、内部节点和外表面节点；

为每个节点建立热平衡方程：其中C为节点热容，ΔΦ为节点获取的热能，为节点温度变化；

对内部节点而言，热平衡方程中仅考虑相邻节点之间由温度差异导致的热传导；

对内表面节点，考虑室内空气对流、室内表面间长波辐射换热、表面传热和太阳辐射项；其中，面片i与日光温室内表面的其他面片之间辐射换热为：

${\mathrm{\Φ}}_{i,rad}=\underset{j,j\≠i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\σ\δ}}_{ij}{A}_{ij}{F}_{ij}\[{\left(\frac{T_j}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_i}{100}\right)}^4\]$

其中，σ为Stephen-Boltzmann系数，δ_ij为面片之间的系统发射率，A_ij表示面元i对面元j的辐射面积，T_i和T_j是面片i和j的热力学温度,F_ij为步骤2计算得到的形状因子；通过累积计算组件的所有面片的辐射换热，即可得到该组件的室内表面节点上的长波辐射换热项；

外表面节点，考虑环境空气对流、表面传热、太阳辐射和环境辐射等因素；

将日光温室室内温度作为单独计算节点，建立热平衡方程，方程中包括室内空气与墙体对流换热、与外界的通风换气量以及其获得的内部产热等项；

将所有计算节点的热平衡方程集总在一起，构成了包含日光温室所有温度节点的热平衡方程，并将其改写成矩阵形式：

$C\stackrel{\·}{T}=\mathrm{AT}+\mathrm{Bu}$

其中，C表示在单位温度变化率下的蓄热能力，A表示各个计算节点之间的热量流动关系，B表示了各个热扰在计算节点上的作用关系，T为各节点温度组成的向量，u表示作用在各个温度节点上的热扰向量；其中，日光温室热扰包含了外界温度、太阳辐射、通风换气等项；其中，外界温度由实测环境数据决定；换气通风由环境风速和实际人工调控决定；太阳辐射则对应步骤3中计算得到的每个组件光照强度，即按照组件表面的光照强度大小确定该组件获得的太阳总辐射热量份额。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：

确定日光温室的地理位置和方位角，根据日光温室结构特征和材料光热属性差异将日光温室分解，确定所述日光温室的组件包括以下至少一种：后墙、后屋面、前屋面、南墙、北墙、土壤和走道；

建立每个组件的三维几何模型，按照组件化设计方法合成真实的日光温室三维模型，并分别设置日光温室各组件的光热特性参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

对于每个组件，提取出日光温室内表面的结构参数；

将各组件内表面组合在一起，形成日光温室光分布计算的封闭表面模型；

根据计算精度和计算效率的要求，对表面模型进行可控网格划分，得到指定规模的网格模型；

根据组件的光学特征，对每个网格赋予光特性参数；

计算所有网格的形状因子，面片S_i到S_j的形状因子计算如下：

$F_{ij}=\frac{1}{A_i}{\∫}_{S_i}{\∫}_{S_j}\frac{{\mathrm{cos\θ}}_i{\mathrm{cos\θ}}_j}{\mathrm{\π}\left|\right|r_{ij}|{|}^2}HID({\mathrm{dS}}_i,{\mathrm{dS}}_j){\mathrm{dA}}_j{\mathrm{dA}}_i$

其中,r_ij为dS_i的中心指向dS_j中心的向量，θ_i是dS_i的表面法向量与r_ij之间的夹角，θ_j是dS_j的表面法向量与-r_ij之间的夹角，dA_i和dA_j分别为dS_i和dS_j的面积，HID(dS_i,dS_j)为遮挡函数，有遮挡取0，无遮挡取1，A_i为S_i的面积；

利用半立方体或者半球面分割等方法计算出形状因子，最后将所有形状因子存储到一个二维纹理矩阵中，其中每个列向量表示该面片与所有其它面片之间的形状因子，该形状因子将用于计算日光温室内漫反射光分布和室内表面间长波辐射项。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：

获取日光温室采光面上的太阳辐射的逐时分布数据；

对每个计算时刻，分别得到日光温室采光面的入射光照强度，包括直射光照强度和散射光照强度两部分；

根据采光面结构参数及其材料光学特性，计算出采光面内表面的光照强度，并将其作为日光温室内部光环境计算的光源；

利用Z-buffer投影方法计算出日光温室内部每个面片上的直射光分布；

利用辐射度计算方法求解散射光分布，面元i的辐射度计算如下：

$B_i=E_i+{\mathrm{\ρ}}_i\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_j{F}_{ij},i=1,2,...,N$

其中，E_i为该面片的自身辐射度，ρ_i为该面片的反射率，F_ij为形状因子；将该线性方程组表示为矩阵形式：(I+M)B＝E,I为单位矩阵，求解得到每个面片上的辐射度值；

在每个面元上将直射光和散射光相加得到该面元的总光照强度，进而得到在该计算时刻整个日光温室内表面上的光分布；

利用上述方法依次计算出不同时刻日光温室室内的光分布情况。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5包括：

确定仿真计算的时间起止时间、计算步长；

获取计算时间段内每个计算步骤中外部环境的气象参数，包括环境温度、湿度、风速、太阳辐射等项,构造出热扰矩阵；

利用四阶Runge-Kutta法求解，计算得到在日光温室室内温度的逐时变化情况。