鮑順淑 杜孝明 梁永江 李思博 尹義蕾 何芬 張月紅 周長吉

摘 ?要：為改進溫室補光設(shè)計時繁瑣的手工計算過程，提高補光計算的準確性與可靠性，將照明設(shè)計軟件DIAlux引入溫室補光設(shè)計，研究其在育苗溫室內(nèi)自然光環(huán)境的模擬應(yīng)用。結(jié)果表明：該方法能將計算過程可視化，大大簡化溫室補光環(huán)境計算過程，縮短計算時間，模擬計算準確度較高，受個人經(jīng)驗影響較小。該方法在農(nóng)業(yè)補光設(shè)計領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：立體育苗;光照分布;補光設(shè)計

中圖分類號：S2 ? ?文獻標志碼：A ? ?論文編號：2014-0339

Application of DIAlux for Light Design of Multi-storey Nursery in Greenhouse

Bao Shunshu1，2， Du Xiaoming1，2， Liang Yongjiang3， Li Sibo1，2， Yin Yilei1，2，

He Fen1，2， Zhang Yuehong1，2， Zhou Changji1，2

（1Chinese Academy of Agricultural Engineering， Beijing 100125， China;

2Key Laboratory of Farm Building in Structure and Construction， Ministry of Agriculture， Beijing 100125， China;

3Zunyi Tobacco Company in Guizhou， Zunyi 563000， Guizhou， China）

Abstract： In order to improve the manual calculation of light-design for greenhouse， to improve the accuracy of caculation， DIAlux which was a kind of lighting-design software was introduced to fill-light design in greenhouse. This article was to research the application of DIAlux in seeding greenhouse. It was shown that the calculation process could be visual， and simplified. The computation time was shortened， and high accuracy of simulation was not influenced by personal experience.

Key words： Multi-storey; Light Distribution; Lighting-design

0 ?引言

作物種植生產(chǎn)尤其是園藝作物生產(chǎn)要經(jīng)過育苗、栽培、收獲3個階段，其中育苗是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，種苗的品質(zhì)對農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量有著重要的影響。然而，種苗生長易受光照、溫度、濕度等環(huán)境影響，尤其是在冬春季節(jié)的弱光環(huán)境下，溫室內(nèi)的幼苗容易產(chǎn)生徒長，嚴重影響了種苗品質(zhì)。光是植物光合作用的重要環(huán)境因子，自然界中，太陽光的照度隨著地理緯度、季節(jié)和天氣的不同而改變，也影響著溫室內(nèi)的光照條件，再加上溫室覆蓋材料的透光性能、表面積灰、材料老化和結(jié)構(gòu)遮光等因素的影響，溫室內(nèi)的光照一般僅為露地的30%～70%[1-2]，在充分利用自然光的基礎(chǔ)上進行人工補光已成為提高溫室種苗品質(zhì)的重要手段。

現(xiàn)在的補光設(shè)計需要通過一系列復(fù)雜公式進行繁冗的手工計算[3-12]，設(shè)計效果受個人經(jīng)驗影響大，還存在效率低、設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)不詳細和計算準確度差等問題;而且定下初步設(shè)計方案之后，由于沒有可視化效果，設(shè)計者往往對設(shè)計方案的可實施性把握不強，不能直觀了解整個空間的照度及其分布。

隨著土地資源的日益緊張，溫室立體育苗由于能夠通過多層育苗，實現(xiàn)溫室立體空間的充分利用和土地利用率的成倍提高，已成為溫室育苗發(fā)展的新趨勢。溫室立體育苗架從下往上各層所接收自然光的照度和分布均不相同且差異較大，各層的補光量和補光分布都需單獨計算。因此，與溫室單層育苗相比，立體育苗的補光設(shè)計更為復(fù)雜。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，許多軟件開發(fā)人員對照明計算軟件進行了研究和開發(fā)，使得照明計算無需繁復(fù)的手算過程，能在計算機中以極短的時間得出計算結(jié)果，并通過計算結(jié)果不斷調(diào)整方案，使得設(shè)計更有根據(jù)、更具科學性。因此，本研究利用照明設(shè)計領(lǐng)域使用較為廣泛的DIAlux軟件來進行溫室補光輔助設(shè)計，以期實現(xiàn)溫室立體育苗補光設(shè)計的準確化、可視化和簡單化。

1 ?DIAlux軟件概況

DIALux是一款由德國軟件公司開發(fā)的、免費的專業(yè)照明設(shè)計軟件，可以實現(xiàn)對照明設(shè)計的仿真和計算，并擁有廣泛的燈具廠家支持。免費燈具庫已涵蓋了飛利浦、GE等43家燈具制造商，燈具庫里還提供多種燈具的配光曲線、外形尺寸等參數(shù)，并遵照國際照明委員會（CIE）標準進行計算，輸出亮度、照度體系下全部照明評價指標。在室內(nèi)照明和室外道路照明設(shè)計中，DIALux可以快速建立各種不同環(huán)境條件下的模型。但DIAlux在農(nóng)業(yè)補光領(lǐng)域的應(yīng)用還處于空白，對于溫室等農(nóng)業(yè)環(huán)境的建模和農(nóng)業(yè)專用燈具相關(guān)參數(shù)的設(shè)置都沒有成熟的方法和案例可循。因此，DIAlux在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還需要不斷探索[13-15]。

2 ?溫室立體育苗環(huán)境建模

2.1 ?連棟溫室建模

在DIALlux中建立一個四連跨的塑料連棟溫室模型，模擬真實的溫室立體育苗生產(chǎn)場景。溫室尺寸為：寬32.0 m，長48.0 m，脊高4.5 m，檐高3.0 m，跨度為8.0 m，共4跨（圖1～2）。

2.2 ?立體育苗架建模

溫室內(nèi)共建模16列5層的立體育苗架，每列育苗架的尺寸為：寬1.2 m，長43.2 m，高2.5 m;育苗架最底下一層距地高度為0.5 m，從下往上每層的層高分別為0.4、0.4、0.5、0.7 m（圖3～4）。

2.3 ?模型參數(shù)設(shè)置

建模完成后，以立體育苗層等組件作為照明計算對象，并設(shè)置地面、薄膜以及溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、反射系統(tǒng)、維護系數(shù)等參數(shù)，正確設(shè)置這些系數(shù)對照明計算是否準確有重要意義。

3 ?自然光照環(huán)境的模擬

模擬前，通過對遵義地區(qū)近30年來天氣數(shù)據(jù)的分析，每年的2—4月該地晴天少，陰天、多云天多。因此，為了保證育苗質(zhì)量穩(wěn)定和出苗時間，補光應(yīng)按多云天（混合天空）或陰天的光照環(huán)境來進行補光。筆者模擬了2014年3月15日10：30（多云天）遵義市樂山育苗基地育苗溫室內(nèi)的自然光照強度和分布情況，在溫室內(nèi)不添加補光燈具的條件下，利用DIAlux模擬計算自然光照條件下溫室內(nèi)立體育苗架上各層的光照環(huán)境。

通過模擬計算，立體育苗架每層所接收的自然光及其分布情況如下：

第1層：靠近走道兩側(cè)各20 cm的自然光照度稍高，20 cm往里的區(qū)域自然光照度很低，育苗時（需求約6000 lx）需100%補光。

第2層：與第1層光照分布相同，靠近走道的兩側(cè)各20 cm的自然光照度稍高，20 cm往里的區(qū)域自然光照度很低，平均光照度比第1層略高，育苗時（需求約6000 lx）需補光90%。

第3層：光照強度明顯高于第1、2層，僅中心60～70 cm的區(qū)域需要補光，育苗時（需求約6000 lx）需補光50%～60%。

第4層：光照強度明顯高于第1、2、3層，僅中心40 cm區(qū)域需要少量補光，其他區(qū)域自然光照可滿足作物育苗光照所需。

第5層：由于沒有遮擋，自然光照度較高，照度值在24000 lx左右，育苗時不需補光。

模擬結(jié)果表明：除頂層外，1～4層各育苗層水平方向上光照分布不均勻，表現(xiàn)為育苗層中間低，兩邊高;育苗架垂直方向上光照分布不均勻，表現(xiàn)為光照強度從上往下逐漸降低，底層最弱（圖5～6）。因此，為了最大限度地利用自然光，則上層層高間距適當增大;為了增強人工補光效果，下層層高應(yīng)盡可能地降低。

4 ?實測光照數(shù)據(jù)分析

2014年3月15日10：30，天氣多云，在遵義樂山基地立體育苗溫室內(nèi)實測了1～5層各育苗層的光照強度，每隔10 cm測試一個點，共測試13個點（圖7）。通過對實測數(shù)據(jù)的分析，各育苗層上自然光照的分布規(guī)律與DIAlux模擬條件下光照的分布規(guī)律基本相同，即各層均表現(xiàn)為中間區(qū)域照度低，沿走道兩側(cè)照度高;從上往下，每層的平均照度逐漸減弱，底層最弱，幾乎接受不到自然光。

5 ?結(jié)語

前人在溫室補光設(shè)計方面大多采用手工計算，在計算之前還要收集很多的資料，繁瑣的手工計算過程需要耗費大量的時間，而且，計算結(jié)果受個人經(jīng)驗影響較大，還存在設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)不詳細和計算準確度不高等問題。計算過程是大量的數(shù)學公式演算，沒有可視化效果的參考與佐證，設(shè)計者不能直觀了解整個設(shè)計空間的照度分布，對設(shè)計方案的實施性把握度不高。

引入DIALux后，使得農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的溫室補光計算過程大大簡化，可以在較短時間內(nèi)了解清楚溫室內(nèi)的自然光照強度和分布。本研究的模擬計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本一致，模擬計算結(jié)果準確度高，表明使用DIAlux在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域輔助補光設(shè)計是科學可行的，該方法能在最較短的時間內(nèi)模擬出溫室內(nèi)的自然光照環(huán)境，并可在后續(xù)的補光模擬中設(shè)計出最優(yōu)的補光方案。但DIAlux在農(nóng)業(yè)環(huán)境下的建模、農(nóng)業(yè)燈具的選擇以及相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)置等方面還缺乏相關(guān)研究和驗證，還需進一步應(yīng)用實例研究驗證。

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