日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法，所述方法包括建立日光溫室三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)日光溫室的組件分別設(shè)置光熱特性參數(shù)；將日光溫室各組成部分的室內(nèi)表面組合，構(gòu)造日光溫室室內(nèi)光幾何模型，計(jì)算形狀因子；獲取外界逐時(shí)環(huán)境光照，在日光溫室采光面上構(gòu)造室內(nèi)光分布計(jì)算的初始光強(qiáng)，計(jì)算出日光溫室室內(nèi)光環(huán)境分布，得到日光溫室各組件內(nèi)表面中每個(gè)網(wǎng)格分布的光強(qiáng)，按照時(shí)間序列逐次計(jì)算出不同時(shí)刻日光溫室內(nèi)的光環(huán)境；為日光溫室各組件分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并將日光溫室室內(nèi)溫度作為單獨(dú)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，建立日光溫室的熱環(huán)境計(jì)算模型；結(jié)合日光溫室結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件及光分布計(jì)算結(jié)果，對(duì)日光溫室在整個(gè)作物生長(zhǎng)季內(nèi)的光照和溫度狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和分析。
【專利說(shuō)明】日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及一種日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]日光溫室是一種高效、高產(chǎn)和節(jié)能的生產(chǎn)設(shè)施，也是目前設(shè)施農(nóng)業(yè)研究和推廣的重要內(nèi)容，在中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中占據(jù)重要地位。日光溫室為作物生長(zhǎng)營(yíng)造適宜生長(zhǎng)環(huán)境，其光環(huán)境和熱環(huán)境是評(píng)價(jià)溫室性能和生產(chǎn)能力的重要指標(biāo)。溫室光環(huán)境與溫室地理位置、溫室結(jié)構(gòu)特征、采光屋面材料和室內(nèi)墻體表面的光學(xué)參數(shù)息息相關(guān)，直接影響溫室內(nèi)栽培作物的光合生產(chǎn)能力；溫室熱環(huán)境主要由溫室結(jié)構(gòu)特征、建造材料的熱特性決定，是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室室內(nèi)溫度異步調(diào)控能力的關(guān)鍵因素，決定了溫室對(duì)太陽(yáng)輻射能量的利用效率。
[0003]目前，日光溫室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造水平普遍不高，導(dǎo)致日光溫室光環(huán)境和熱環(huán)境調(diào)控能力較差、生產(chǎn)效益低，急需一種日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法對(duì)溫室結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實(shí)施例提供一種日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法，能夠?qū)崿F(xiàn)日光溫室室內(nèi)光環(huán)境和熱環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間仿真與預(yù)測(cè)。
[0005]本發(fā)明實(shí)施例采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法,包括:
[0007]S1、建立日光溫室三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)日光溫室的組件分別設(shè)置光熱特性參數(shù)；
[0008]S2、將日光溫室各組成部分的室內(nèi)表面組合在一起,構(gòu)造日光溫室室內(nèi)光分布計(jì)算的幾何模型，計(jì)算形狀因子；
[0009]S3、獲取外界逐時(shí)環(huán)境光照，在日光溫室采光面上構(gòu)造室內(nèi)光分布計(jì)算的初始光強(qiáng)，計(jì)算出日光溫室室內(nèi)光環(huán)境分布，得到日光溫室各組件內(nèi)表面中每個(gè)網(wǎng)格分布的光強(qiáng)值，進(jìn)而按照時(shí)間序列逐次計(jì)算出不同時(shí)刻日光溫室內(nèi)的光環(huán)境；
[0010]S4、為日光溫室各組件分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并將日光溫室室內(nèi)溫度作為單獨(dú)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，建立日光溫室的熱環(huán)境計(jì)算模型；
[0011]S5、結(jié)合日光溫室結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件及光分布計(jì)算結(jié)果，對(duì)日光溫室在整個(gè)作物生長(zhǎng)季內(nèi)的光照和溫度狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(jù)日光溫室結(jié)構(gòu)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(gè)組件的三維幾何模型，按照組件化設(shè)計(jì)方法合成真實(shí)的日光溫室三維模型，并分別設(shè)置日光溫室各組件的光熱特性參數(shù)。
[0015]可選的，步驟S2包括:[0016]對(duì)于每個(gè)組件，提取出日光溫室內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0017]將各組件內(nèi)表面組合在一起，形成日光溫室光分布計(jì)算的封閉表面模型；
[0018]根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求，對(duì)表面模型進(jìn)行可控網(wǎng)格劃分，得到指定規(guī)模的網(wǎng)格模型；
[0019]根據(jù)組件的光學(xué)特征，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格賦予光特性參數(shù)；
[0020]計(jì)算所有網(wǎng)格的形狀因子，面片Si到Sj的形狀因子計(jì)算如下:
【權(quán)利要求】
1.一種日光溫室光熱環(huán)境計(jì)算方法，其特征在于，包括: 51、建立日光溫室三維結(jié)構(gòu)模型，對(duì)日光溫室的組件分別設(shè)置光熱特性參數(shù)； 52、將日光溫室各組成部分的室內(nèi)表面組合在一起,構(gòu)造日光溫室室內(nèi)光分布計(jì)算的幾何模型，計(jì)算形狀因子； 53、獲取外界逐時(shí)環(huán)境光照，在日光溫室采光面上構(gòu)造室內(nèi)光分布計(jì)算的初始光強(qiáng)，計(jì)算出日光溫室室內(nèi)光環(huán)境分布，得到日光溫室各組件內(nèi)表面中每個(gè)網(wǎng)格分布的光強(qiáng)值，進(jìn)而按照時(shí)間序列逐次計(jì)算出不同時(shí)刻日光溫室內(nèi)的光環(huán)境； 54、為日光溫室各組件分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并將日光溫室室內(nèi)溫度作為單獨(dú)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，建立日光溫室的熱環(huán)境計(jì)算模型； 55、結(jié)合日光溫室結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件及光分布計(jì)算結(jié)果，對(duì)日光溫室在整個(gè)作物生長(zhǎng)季內(nèi)的光照和溫度狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和分析。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)日光溫室結(jié)構(gòu)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(gè)組件的三維幾何模型，按照組件化設(shè)計(jì)方法合成真實(shí)的日光溫室三維模型，并分別設(shè)置日光溫室各組件的光熱特性參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2包括: 對(duì)于每個(gè)組件，提取出日光溫室內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)； 將各組件內(nèi)表面組合在一起，形成日光溫室光分布計(jì)算的封閉表面模型； 根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求，對(duì)表面模型進(jìn)行可控網(wǎng)格劃分，得到指定規(guī)模的網(wǎng)格模型； 根據(jù)組件的光學(xué)特征，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格賦予光特性參數(shù)； 計(jì)算所有網(wǎng)格的形狀因子，面片Si到S」的形狀因子計(jì)算如下:
Iff cos Θ, cos Oi ,、 Fij =Tl —^^a^HID(dSildSj)dAjdAi
Ai jSt jSj π\(zhòng)\?} 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(shù)，有遮擋取O,無(wú)遮擋取I ; 利用半立方體或者半球面分割等方法計(jì)算出形狀因子，最后將所有形狀因子存儲(chǔ)到一個(gè)二維紋理矩陣中，其中每個(gè)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(jì)算日光溫室內(nèi)漫反射光分布和室內(nèi)表面間長(zhǎng)波輻射項(xiàng)。
4.根據(jù)權(quán)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(yáng)輻射的逐時(shí)分布數(shù)據(jù)； 對(duì)每個(gè)計(jì)算時(shí)刻，分別得到日光溫室采光面的入射光照強(qiáng)度，包括直射光照強(qiáng)度和散射光照強(qiáng)度兩部分； 根據(jù)采光面結(jié)構(gòu)參數(shù)及其材料光學(xué)特性，計(jì)算出采光面內(nèi)表面的光照強(qiáng)度，并將其作為日光溫室內(nèi)部光環(huán)境計(jì)算的光源；利用Z-buffer投影方法計(jì)算出日光溫室內(nèi)部每個(gè)面片上的直射光分布； 利用輻射度計(jì)算方法求解散射光分布，面元i的輻射度計(jì)算如下:

5.根據(jù)權(quán)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(gè)組件的傳熱簡(jiǎn)化為一維傳熱，按照由內(nèi)向外的方向?qū)⒔M件劃分為多層材料，并分配計(jì)算節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)分為內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)和外表面節(jié)點(diǎn)； 為每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立熱平衡方程:ΔΦ = Ci%其中C為節(jié)點(diǎn)熱容，AQ為節(jié)點(diǎn)獲取的熱能，f為節(jié)點(diǎn)溫度變化； 對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)而言，熱平衡方程中僅考慮相鄰節(jié)點(diǎn)之間由溫度差異導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)；對(duì)內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)，考慮室內(nèi)空氣對(duì)流、室內(nèi)表面間長(zhǎng)波輻射換熱、表面?zhèn)鳠岷吞?yáng)輻射項(xiàng)；其中，面片i與日光溫室內(nèi)表面的其他面片之間輻射換熱為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟5包括: 確定仿真計(jì)算的時(shí)間起止時(shí)間、計(jì)算步長(zhǎng)；獲取計(jì)算時(shí)間段內(nèi)每個(gè)計(jì)算步驟中外部環(huán)境的氣象參數(shù)，包括環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等項(xiàng)，構(gòu)造出熱擾矩陣； 利用四階Run ge-Kutta法求解，計(jì)算得到在日光溫室室內(nèi)溫度的逐時(shí)變化情況。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103823976SQ201410064884
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】杜建軍, 郭新宇, 溫維亮, 吳建偉, 楊寶祝 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心, 北京派得偉業(yè)科技發(fā)展有限公司