第二章设施光环境控制

第一节设施光环境特征温室内的光照环境不同于露地，其光照条件受温室方位、骨架结构、透光屋面形状、大小和角度、覆盖材料特性及其洁净程度等多种因素的影响，导致设施内的光照强度、光照时数、光质、光的分布状况等与外界环境有较大差异。一、设施光环境特点第二章设施光环境及其调控光照强度：50%～70%自然光光照时数：等于或者短于露地光质：与透明覆盖材料的性质有关光分布：不均匀二、影响设施光环境的因素（一）室外光照条件：温室内的自然光照来自室外太阳辐射，因此在光照强度、光谱分布以及光照周期等方面，室内光照环境首先是受室外光照条件的影响。（四）屋面倾斜角（五）温室的方位角（六）植株垄（行）向（七）温室结构、设备的遮光（三）直射光入射角（二）覆盖材料设施上空的太阳辐射由太阳直接辐射和散射辐射组成，其强度计算公式为：Rs=0.5Rsc(1+am)sinα其中，Rsc是太阳常数1367W/m2；a是大气透明系数，与晴天（0.9）和污染（0.6）有关，一般为0.84左右。α为太阳高度角，与当地纬度和一天中所处的时间有关。m为大气质量数，与太阳高度角，所处地的海拔等相关。1.室外光照强度太阳高度角增大，太阳辐射强度增加。随纬度越低，总辐射量越大，反之就越小。我国全年太阳总辐射分布图我国各地区太阳辐射年平均总量在380-840×107J/(m2.a)范围内，一般西部多于东部，山区多于平原。四川盆地为低值区，最低仅为310×107J/(m2.a)。青藏高原为高值区，年平均总量达到790×107J/(m2.a)。等级资源带号年总辐射量（MJ/m）年总辐射量（kWh/m）平均日辐射量（kWh/m）最丰富带I≥6300≥1750≥4.8很丰富带II5040-63001400-17503.8-4.8较丰富带III3780-50401050-14002.9-3.8一般IV378010502.9湖北省太阳能资源区划图湖北省年太阳总辐射分布图三联体光伏大棚侧立面图光伏农业大棚项目单体(三联体棚)占地面积约2200m2，属于设施农业示范项目。光伏高效种植大棚是利用太阳能光伏发电和农业种植相结合，大棚内部设有植物补光灯、地源热泵、加温和散热设备，实现农业种植的绿色、高产、高效。建筑结构为框剪结构，结构设计使用年限为30年，建筑抗震设计类别为丙类。屋顶太阳能组件方阵安装采用固定倾角安装形式，由于需要保障屋顶的防水、保温，所以光伏组件采用插入式专用光伏支架与屋面结合，缝隙处以橡胶条、密封胶填补。国内光伏农业大棚实景单位：微米（um）太阳辐射光谱是一个波长为0至无穷大的连续光谱，但99%的能量集中在170~4000nm，最大能量的波长为475nm，紫外光（250~380nm）占7%，可见光（380~760）占47%，红外光（760~4000nm）占46%。2.室外太阳辐射光谱分布太阳辐射穿过地球大气层时，被大气分子吸收，散射，以及受雾和云的质点反射而被衰减。太阳辐射光谱3.室外光照时间北半球不同纬度昼长变化设施外光照时间与昼长有关，昼长随着季节的变化而变化，但不同纬度地区有不同的变化，赤道附近地区季节变化时昼长变化很小。（二）覆盖材料不同覆盖材料有不同透光率，覆盖材料影响设施内的光照强度，同时影响温室内的光谱组成。•不同覆盖材料的透光性能：目前用于设施覆盖的材料主要有玻璃、玻璃纤维聚酯板（FRP板）、玻璃纤维树脂板（FRA板）、碳酸树脂板（PC板）、聚丙烯树脂板（MMA板）、聚乙烯薄膜（PE）、聚氯乙烯薄膜（PVC）、醋酸丙烯薄膜（EVA）以及硬质塑料膜PET、ETFT等。玻璃纤维聚酯板（FRP板）聚丙烯树脂板（MMA板）PE膜碳酸树脂板PC阳光板玻璃纤维聚酯板（FRP板）玻璃对可见光的透过率很高，近红外以及波长2500nm以内的部分红外线透光率也很高。玻璃能阻止4500nm以上的长波红外线通过，对保温有利，但300nm以下波长紫外光基本不透过。普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻璃）的透光率4mm普通浮法玻璃4mmITO膜热反射玻璃建筑玻璃贴膜的效果□隔热节能：阻隔79%太阳能热量，降低温度3-5°，降低空调能耗。□防紫外线：阻隔98%以上紫外线，保护健康、减缓家私及地板老化。□单向透光：营造个人空间，同时不影响欣赏室外的风景。□减少眩光：减少刺目眩光，增添舒适感。□防爆防盗：贴膜玻璃的强度是普通玻璃的4-20倍，防止玻璃碎片溅射伤人。□装饰美化：居家、办公室玻璃起到良好的隔断和装饰作用。FRP板、PC板与玻璃一样，300nm以下波长紫外线透过率很低。FRA板和MMA板紫外线透过率较高。其余特性与玻璃相似，但抗老化性能差，透光率年递减1%以上。硬质板的透光率醋酸丙烯薄膜（EVA）、聚乙烯薄膜（PE）和聚氯乙烯薄膜(PVC)薄膜对可见光的透过率相近，都在90%左右，对近红外光到波长5000nm的红外线光的透过率，EVA、PE和PVC膜也比较接近。但EVA和PE膜可透过300nm以下的紫外线，PVC只能透过300~380nm的紫外线。PE膜对5000-25000nm的远红外辐射的透过率也高于PVC膜，所以PE和EVA膜对果色、花色和维生素C的形成有利，但保温不如PVC。软质塑料膜的透光率硬质塑料膜PET、ETFE的可见光透过率高达90%~93%，紫外线透过率也是最好的，特别是ETFE膜，300nm以下的紫外线透光率都高达70%以上。农用氟素树脂膜（ETFE）的透光率1．聚氯乙烯膜（PVC）：优点是透光性好，阻隔远红外线，保温性强，柔软易造型，好黏接，耐候性好。日本在设施栽培中80％左右覆盖PVC棚膜。缺点是密度大（为1.3g/cm3），一定重量棚膜覆盖面积较聚乙烯膜（PE）减少1／3，成本高，低温下变硬脆化，高温下又易软化松驰，助剂析出后膜面易粘尘土，影响透光，残膜不能燃烧处理，因为会有毒氯气产生。2．聚乙烯膜（PE）：质地轻、柔软、易造型、透光性好、无毒，适于作各种棚膜、地膜，是我国当前主要的农膜品种。缺点是：耐候性差，保温性差，不易粘接。如果生产大棚薄膜必须加入耐老剂、无滴剂、保温剂等添加剂改性，才能适合生产的要求。3．乙烯－醋酸乙烯聚物膜（EVA）：EVA对红外线的阻隔性介于PVC有PE之间。EVA有弱极性，可与多种耐侯剂、保温剂、防雾剂混合吹制薄膜，相容性好，包容性强。不同材质具有不同的特性：EVA有特别优异的耐低温性；其次是PE，含有30%增塑剂的PVC农膜在0°C时硬化，抗拉力及耐冲击性极差。EVA及PVC农膜不适于高温炎热的夏天应用。PVC与PE初始透光率均可达到90%，PVC随着时间的推移，影响透光，使透光率很快下降。而PE透光率下降速度较为缓慢。2.覆盖材料的污损与老化：覆盖材料对太阳辐射的透光率除自身的物理特性外，还受其表面附着尘埃、水汽和自身老化的影响。不同覆盖材料抗老化的能力不同，玻璃最强，树脂板较差。温室内的水汽冷凝到覆盖材料内侧，形成水珠，对太阳直射光产生折射，使直射光的投射率大大降低，光质也会改变。冷凝对透光率的影响和所形成的水珠状态有关，水珠状态影响最大，膜状冷凝最小，当形成的水膜厚度不超过0.1~1.0mm时，几乎没有影响。在膜的表面涂抹亲水材料形成防雾膜、无滴膜，可减小其影响。（三）直射光入射角一般光线入射角越大，透光率越低，但入射角在40°以下时，其降低程度较小。入射角大于40°的情况下，随着入射角的增大，透光率降低速率显著增大。入射角大于60°时透光率急剧减少。入射角与温室的方位、屋面倾斜角β和太阳高度角α有关。入射角对玻璃和透明塑料透光率的影响当温室纵向轴线沿东西向配置时，南坡屋面的入射角为：θ=90°-β-α北坡屋面的入射角为：θ=90°+β-α当温室纵向轴线沿南北向配置时，屋面的入射角为：θ=90°-α（四）屋面倾斜角由前面内容可知，当温室纵向轴线沿东西向配置时，南北坡屋面的入射角都与太阳高度角和屋面坡度有关，为了保证有合理的透光率，入射角应在40°以下：因此，南坡屋面的倾角β应为：则有：θ=90°-β-α≤40β≥50°-α东西向温室正午屋面日光入射角生产上，北纬40°地区为了在12月21日上午9：00到下午15：00间获得较高的透光率，温室的屋面倾斜角应该小于50°-15°=35°。不同纬度下的太阳高度角线图（五）温室的方位角温室的直射光透过率与太阳和温室在几何学上的位置关系密切。即使同一栋温室，由于地球公转，太阳高度角随季节变化，透过率也发生着很大的变化。据模型计算，冬季东西走向温室直射光日总量通过率较南北向高5%-20%，且温室越长、纬度越高越显著。东京地区直射光透过率的季节变化（藏田，1986）纬度、栋向、连栋数和季节直射光日照射的通过率（1天的累积量）（藏田，1983）下图表示：温室栋向对直射光透过率季节变化的影响随纬度的不同而变化纬度越大影响越大，纬度越低影响越小。我国北方地区的日光温室是典型的单栋温室，采用东西栋向有利于太阳光的聚集。温室的方位影响温室内光的均一性东西连栋温室的直接辐射平均透过率的横向分布不均匀，屋脊结构等造成阴影弱光带，透光率的大小差近40％；南北连栋温室的光照分布较均匀，一般是中央位置的透光率高，东西侧面略低10％左右。（六）植株垄（行）向一天中进入设施内的直射光中，被植物群体吸收的比例称为直射光群落入射率。直射光群落入射率受垄向的影响较大，东西垄向冬季的群落入射率高，夏季低，但南北垄向直射光的群落入射率的季节变化小，东西垄向种植时，必须扩大垄行间距，否则会恶化作物下部的光照状况，我国温室栽培以南北垄行向为主。番茄群落行向和群落直射光入射率（七）温室结构、设备的遮光温室的结构材料和设备的遮光可使温室内光照强度降低10％左右，工程设计中应尽可能减小构件遮光面积。第二节光照的生物学效应——光照强度影响作物的光合作作用：在一定范围内（光饱和点以下），光照越强，光合速率越高，产量也越高。一、光照度的生物学效应一些蔬菜作物的光补偿点、光饱和点及光合速率——光照强度影响作物的形态结构：光照强，同化量大，叶面积增大、叶肉厚，作物生长旺盛；光照弱，茎叶质量显著减少，作物徒长；当光照减弱到极端情况时，出现黄化。——光照强度影响作物花芽分化与果实产量：光照强减弱，同化物减少，花芽分化推迟，着花数也减少，子房发育不良，受精能力下降。——光照强度影响产品品质•根据作物对光照强度的要求可分为：1.阳生植物：光饱和点在6万-7万lx以上。茄果类/瓜类的西瓜、甜瓜、番茄、茄子等均属此类。2.阴生植物：光饱和点在2.5-4万Lx。-如菠菜、莴苣、茼蒿等绿叶菜类在光照充足时能良好生长，但在较弱的光照下，生长快、品质柔嫩。3.中生植物：光饱和点在4-6万Lx之间。如黄瓜，甜椒，甘蓝类，白菜、萝卜等（二）光周期的生物学效应设施栽培光照时数不足往往称为限制因子，因为在高寒地区尽管光照度能达到，但一天的光照时间太短，不能满足要求，一些果菜类或观花的花卉若不进行补光难以栽培成功。—长光性植物—短光性植物—中光性植物（三）光质的生物学效应•光质即光的组成，对植物的生长发育有一定的影响，但对园艺产品品质影响较大。•太阳光中：–被叶绿素吸收最多的是红光，同时作用也最大–黄光次之–蓝紫光的同化作用效率仅为红光的14%•但在太阳散射光中，红光和黄光占50～60%，而在直射光中，红光和黄光最多只有37%。所以散射光比直射光对在弱光下生长的植物有更大的效用。但由于散射光的强度总是比不上直射光，因而光合产物也不如直射光的多。可见光390-760nm红外光＞760nm紫外光290-390nm具有抑制植物生长的作用；对植物体内VC的含量影响大，紫外光越强VC含量越高；紫外光对果实着色也有很大影响。叶绿素吸收太阳光中的红橙光、蓝紫光最多，这两种光也是植物光合作用旺盛进行的光源。红外光主要是产生热量，特别是大于1000nm的红外光是产生热量的主要光源。光质对作物产生的生理效应波长范围不同波长的光热辐射对植物及环境的作用300nm以下①对于多数植物，具有杀伤作用，可能导致植物气孔关闭，影响光合作用，增加病菌感染。②加速塑料覆盖材料老化300～400n