基于Ladybug Tools對日光溫室的方位角與光照模擬

管振立，劉義飛，羅 暢，楊云清，海 龍，陶 帥，尹俊偉

（1.塔里木大學，新疆維吾爾自治區 阿拉爾 843300；2.中國農業科學院都市農業研究所，四川 成都 610213）

太陽輻射是溫室內的主要能量來源。溫室內的太陽輻射量不僅受直射光的影響，還受溫室結構參數、覆蓋物等影響[1-2]。通過數值模擬得出不同形狀溫室的采光性的各種參數，進而對溫室采光性能進行分析，對合理地設計日光溫室及正確地選擇溫室結構與參數具有重要意義[3]。

目前，學術界對溫室采光結構、全年光照時數變化規律、作物群體內光照分布、光環境模擬[4-6]等的研究較深，而對溫室方位角的采光分析等相關研究較少，溫室模擬的可視化選擇研究也較為欠缺[7-8]。Ladybug Tools（以下簡稱LBT）工具集包括Honeybee、Butterfly、Dragonfly 和Pollination 等，具有不同功能的模塊，不僅可以計算能耗、太陽輻射、天然采光，還可以進行人工照明、自然通風、城市熱島效應等各類性能模擬與分析[9]。ladybug Tools 運用在農業工程中可以精準建立各類溫室模型，根據實際經緯度、氣象條件和建筑材料等相關參數進行太陽輻射變化規律分析，為溫室太陽輻射提供理論依據和計算機輔助設計。本試驗將對日光溫室的方位角結合光照時數進行采光性能的兩個方面模擬:一是測試Ladybug tools在測試溫室光照分析的準確性；二是測試方位角變化對溫室光照的影響。

1 試驗地點與方法

1.1 試驗地點

本研究以南疆和田縣盛世華強公司日光溫室為研究對象（79.93°E，37.12°N）。溫室東西方向長160 m，跨度為14 m，脊高6.5 m，后墻高5.25 m，后屋面仰角40°，后屋面及東西山墻材質均由保溫被構成。前后間距15 m，左右間距5 m，且現有溫室前屋面的透光率為76%。本試驗在14：00—17：00溫室采用遮陽網進行降溫，測試期間后屋面及東西山墻保溫被已覆蓋，如圖1-圖2所示。

圖1 日光溫室結構圖Fig.1 Solar greenhouse structure diagram

圖2 日光溫室剖面圖Fig.2 Section view of solar greenhouse

1.2 試驗方法

模擬軟件利用Rhino 對日光溫室進行1∶1 建模。通過LBT 進行模擬，載入和田市EPW（CHN_Kinjiang.Uyhur.Hotan.518280_SWERA）氣候數據。實測記錄日光溫室內光照環境的儀器，由徐州法拉電子科技有限責任公司生產的環境檢測儀設備型號：S21A/S21D，該檢測儀可記錄24 h的環境監測，數據每5 min記錄1次，光照強度測量范圍：0～130 000 lx并采用無線傳輸方式。選定監測時間為2023年6月21日，分別為9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、19：00、20：00，共8 h。另設定日光溫室方位角的5種變化情況，為East 12°（南偏東12°）、East 8°（南偏東8°）、0°（正南正北）、West 8°（南偏西8°）和West 12°（南偏西12°），溫室記錄儀位置如圖3所示。

圖3 溫室記錄儀位置Fig.3 Greenhouse recorder position

2 模擬過程與方位分析

2.1 溫室光照分析LBT模擬與實測對比

試驗模擬日期為2023年6月21日夏至，天氣狀況：25～35 ℃，多云轉晴，東風1 級。溫室光照分析變化情況，溫室總采光量整體趨勢是自南向北遞減，后墻東西墻角處采光量最小。當天溫室9：00模擬平均光照度為3 613.35 lx，8 h 中均值最高是14：00，為11 312.75 lx。實測數據9：00平均光照度為3 670.08 lx，由于南疆地區最高溫時間為14：00左右，故全天最高光照數中均值最高為14：00的10 694.17 lx。具體模擬過程如圖4所示。

圖4 Ladybug tools模擬過程Fig.4 Ladybug tools simulation process

實測數據和模擬數據按設定的8 h。通過以上兩組數據的對比，得出兩組RSD 分別：1.10%、3.49%、3.56%、4.34%、4.36%、3.98%、3.23%、1.04%，可見LBT對于處理的光照分析模擬數據和實測值相差不超5%，說明使用LBT 軟件分析該地區日平均光照度具較準的參考價值。具體數據如表1所示。

表1 日光溫室模擬與實測數據對比Tab.1 Comparison between simulation and measured data of solar greenhouse

表2 不同方位角模擬對比Tab.2 Simulation and comparison of different azimuths

2.2 不同方位角變化對溫室的光照分析

模擬2023年6月21日夏至溫室不同方位角的光照分析變化情況，時間為9：00、12：00、14：00、18：00、19：00、20：00。角度為East 12°、East 8°、0°、West 8°、West 12°。通過模擬可以看出，在9：00—14：00，West 8°、East 8°、0°等3 種方位角光照模擬的數據誤差均值在0.14%，在18：00—20：00 時3 種模擬的數據誤差均值在2.2%。West 12°、East 12°、0°等9：00—14：00 時3 種模擬的數據誤差均值在0.04%，18：00—20：00 時3 種模擬的數據誤差均值在3.15%。因此，從本文模擬數據可知18：00以后由于南疆的日照時長和不同的方位角繼而得知：West 12°＞0°＞East 12°、West 8°＞0°＞East 8°，所以偏西南的方位角比正南正北的方位角更優，因此，隨著日落的開始偏西南比正南和偏東南的更優。具體模擬過程如圖5所示。

圖5 方位角模擬Fig.5 Azimuth simulation

3 結論

本文借助LBT 模擬分析軟件，從溫室光照性能，到軟件驗證，再到不同方位角模擬，對盛世華強日光溫室進行光環境模擬與分析的測試，得出以下結論：

本試驗所建立了和田當地日光溫室模型，軟件所提供的透光率是固定值，而現實中受南疆地理位置、大氣透明度、風沙等影響，各溫室薄膜的透光率存在一定誤差。因此，LBT模擬在不同地區使用時需考慮溫室骨架曲線和透光率等問題，根據不同的差異修改模型模擬各方面參數。根據本次試驗已知實測值與模擬值相對誤差范圍在1.04%～4.46%，相較于其他軟件，LBT 在不斷更新和完善，所以模擬分析的結果較為準確，為溫室模擬的可視化選擇上提供一種方法。由于僅采用1 d 的數據對日光溫室光照性能進行了模擬和比較，若實際應用，需結合1 周及以上的周期開展進一步的研究，總結適合南疆地區生產的溫室采光性能和光照分析，設計出優化的溫室采光類型，本次試驗模擬的方式是可取的，實驗數據較為準確，因此，試驗結果可信。

和田具有較好的光照條件，不同方位角模擬對溫室光照有不同的影響，以2023 年6 月21 日夏至為例，5種不同的方位角在18：00以后出現較大的浮動，光照度偏West 8°為例光照值為4 514.26 lx對比0°的3 339.52 lx標準誤差為14.9%，說明光照值從優到差的角度順序是West 12°＞0°＞East 12°、West 8°＞0°＞East 8°，所以偏西南的方位角更優。因此在適宜的條件下可以考慮在南疆地區建立偏西12°的溫室。