日光溫室光熱環境計算方法
【專利摘要】本發明提供一種日光溫室光熱環境計算方法，所述方法包括建立日光溫室三維結構模型，對日光溫室的組件分別設置光熱特性參數；將日光溫室各組成部分的室內表面組合，構造日光溫室室內光幾何模型，計算形狀因子；獲取外界逐時環境光照，在日光溫室采光面上構造室內光分布計算的初始光強，計算出日光溫室室內光環境分布，得到日光溫室各組件內表面中每個網格分布的光強，按照時間序列逐次計算出不同時刻日光溫室內的光環境；為日光溫室各組件分配計算節點，并將日光溫室室內溫度作為單獨計算節點，建立日光溫室的熱環境計算模型；結合日光溫室結構、環境條件及光分布計算結果，對日光溫室在整個作物生長季內的光照和溫度狀況進行動態仿真和分析。
【專利說明】日光溫室光熱環境計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及農業領域，尤其涉及一種日光溫室光熱環境計算方法。
【背景技術】
[0002]日光溫室是一種高效、高產和節能的生產設施，也是目前設施農業研究和推廣的重要內容，在中國現代農業發展中占據重要地位。日光溫室為作物生長營造適宜生長環境，其光環境和熱環境是評價溫室性能和生產能力的重要指標。溫室光環境與溫室地理位置、溫室結構特征、采光屋面材料和室內墻體表面的光學參數息息相關，直接影響溫室內栽培作物的光合生產能力；溫室熱環境主要由溫室結構特征、建造材料的熱特性決定，是實現對溫室室內溫度異步調控能力的關鍵因素，決定了溫室對太陽輻射能量的利用效率。
[0003]目前，日光溫室的結構設計和建造水平普遍不高，導致日光溫室光環境和熱環境調控能力較差、生產效益低，急需一種日光溫室光熱環境計算方法對溫室結構和性能進行評價和優化。
【發明內容】
[0004]本發明實施例提供一種日光溫室光熱環境計算方法，能夠實現日光溫室室內光環境和熱環境的長時間仿真與預測。
[0005]本發明實施例采用如下技術方案:
[0006]—種日光溫室光熱環境計算方法,包括:
[0007]S1、建立日光溫室三維結構模型，對日光溫室的組件分別設置光熱特性參數；
[0008]S2、將日光溫室各組成部分的室內表面組合在一起,構造日光溫室室內光分布計算的幾何模型，計算形狀因子；
[0009]S3、獲取外界逐時環境光照，在日光溫室采光面上構造室內光分布計算的初始光強，計算出日光溫室室內光環境分布，得到日光溫室各組件內表面中每個網格分布的光強值，進而按照時間序列逐次計算出不同時刻日光溫室內的光環境；
[0010]S4、為日光溫室各組件分配計算節點，并將日光溫室室內溫度作為單獨計算節點，建立日光溫室的熱環境計算模型；
[0011]S5、結合日光溫室結構、環境條件及光分布計算結果，對日光溫室在整個作物生長季內的光照和溫度狀況進行動態仿真和分析。
[0012]可選的，步驟SI包括:
[0013]確定日光溫室的地理位置和方位角，根據日光溫室結構特征和材料光熱屬性差異將日光溫室分解，確定所述日光溫室的組件包括以下至少一種:后墻、后屋面、前屋面、南墻、北墻、土壤和走道；
[0014]建立每個組件的三維幾何模型，按照組件化設計方法合成真實的日光溫室三維模型，并分別設置日光溫室各組件的光熱特性參數。
[0015]可選的，步驟S2包括:[0016]對于每個組件，提取出日光溫室內表面的結構參數；
[0017]將各組件內表面組合在一起，形成日光溫室光分布計算的封閉表面模型；
[0018]根據計算精度和計算效率的要求，對表面模型進行可控網格劃分，得到指定規模的網格模型；
[0019]根據組件的光學特征，對每個網格賦予光特性參數；
[0020]計算所有網格的形狀因子，面片Si到Sj的形狀因子計算如下:
【權利要求】
1.一種日光溫室光熱環境計算方法，其特征在于，包括: 51、建立日光溫室三維結構模型，對日光溫室的組件分別設置光熱特性參數； 52、將日光溫室各組成部分的室內表面組合在一起,構造日光溫室室內光分布計算的幾何模型，計算形狀因子； 53、獲取外界逐時環境光照，在日光溫室采光面上構造室內光分布計算的初始光強，計算出日光溫室室內光環境分布，得到日光溫室各組件內表面中每個網格分布的光強值，進而按照時間序列逐次計算出不同時刻日光溫室內的光環境； 54、為日光溫室各組件分配計算節點，并將日光溫室室內溫度作為單獨計算節點，建立日光溫室的熱環境計算模型； 55、結合日光溫室結構、環境條件及光分布計算結果，對日光溫室在整個作物生長季內的光照和溫度狀況進行動態仿真和分析。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟SI包括: 確定日光溫室的地理位置和方位角，根據日光溫室結構特征和材料光熱屬性差異將日光溫室分解，確定所述日光溫室的組件包括以下至少一種:后墻、后屋面、前屋面、南墻、北墻、土壤和走道； 建立每個組件的三維幾何模型，按照組件化設計方法合成真實的日光溫室三維模型，并分別設置日光溫室各組件的光熱特性參數。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2包括: 對于每個組件，提取出日光溫室內表面的結構參數； 將各組件內表面組合在一起，形成日光溫室光分布計算的封閉表面模型； 根據計算精度和計算效率的要求，對表面模型進行可控網格劃分，得到指定規模的網格模型； 根據組件的光學特征，對每個網格賦予光特性參數； 計算所有網格的形狀因子，面片Si到S」的形狀因子計算如下:
Iff cos Θ, cos Oi ,、 Fij =Tl —^^a^HID(dSildSj)dAjdAi
Ai jSt jSj π\\?} Il 其中，為ClSi的中心指向ClSj中心的向量，Θ i是ClSi的表面法向量與ru之間的夾角，Θ j是ClSj的表面法向量與Iij之間的夾角，ClAi和ClAj分別為ClSi和ClSj的面積，HID (dS^ dSj)為遮擋函數，有遮擋取O,無遮擋取I ; 利用半立方體或者半球面分割等方法計算出形狀因子，最后將所有形狀因子存儲到一個二維紋理矩陣中，其中每個列向量表示該面片與所有其它面片之間的形狀因子，該形狀因子將用于計算日光溫室內漫反射光分布和室內表面間長波輻射項。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3包括: 獲取日光溫室采光面上的太陽輻射的逐時分布數據； 對每個計算時刻，分別得到日光溫室采光面的入射光照強度，包括直射光照強度和散射光照強度兩部分； 根據采光面結構參數及其材料光學特性，計算出采光面內表面的光照強度，并將其作為日光溫室內部光環境計算的光源；利用Z-buffer投影方法計算出日光溫室內部每個面片上的直射光分布； 利用輻射度計算方法求解散射光分布，面元i的輻射度計算如下:
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S4包括: 將日光溫室每個組件的傳熱簡化為一維傳熱，按照由內向外的方向將組件劃分為多層材料，并分配計算節點，這些節點分為內表面節點、內部節點和外表面節點； 為每個節點建立熱平衡方程:ΔΦ = Ci%其中C為節點熱容，AQ為節點獲取的熱能，f為節點溫度變化； 對內部節點而言，熱平衡方程中僅考慮相鄰節點之間由溫度差異導致的熱傳導；對內表面節點，考慮室內空氣對流、室內表面間長波輻射換熱、表面傳熱和太陽輻射項；其中，面片i與日光溫室內表面的其他面片之間輻射換熱為:
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5包括: 確定仿真計算的時間起止時間、計算步長；獲取計算時間段內每個計算步驟中外部環境的氣象參數，包括環境溫度、濕度、風速、太陽輻射等項，構造出熱擾矩陣； 利用四階Run ge-Kutta法求解，計算得到在日光溫室室內溫度的逐時變化情況。
【文檔編號】G06F19/00GK103823976SQ201410064884
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月25日 優先權日:2014年2月25日
【發明者】杜建軍, 郭新宇, 溫維亮, 吳建偉, 楊寶祝 申請人:北京農業信息技術研究中心, 北京派得偉業科技發展有限公司