大跨度保温塑料大棚光环境模拟基于光线追踪及结构参数效应分析

《AgriEngineering》：Light Environment Simulation for Large-Span Insulated Plastic Greenhouses Based on Ray Tracing and Analysis of Structural Parameter Effects

　　

太阳辐射是温室高效生产的基础。研究结构参数如何影响透光率与太阳能利用效率，对优化温室设计与提高作物产量至关重要。研究人员构建了基于光线追踪技术的全流程太阳辐射模型，考察了大棚对太阳辐射的截获、捕获与分配。模拟在形状因子矩阵预计算后预测精度高且后续计算迅速，四个观测点决定系数R2至少0.95，51个时间点计算在125 s内完成。随后基于八个代表性节气在冷季与暖季对20 m跨度、35° N下不同参数大跨度保温塑料大棚对比分析。结果表明：冷季宜采用东西向、南屋面投影15 m、脊高6 m；综合季节适应性推荐南北向、脊高5 m。该研究为大跨度保温塑料大棚结构参数设计提供季节导向决策支持。

研究背景与问题提出

在全球气候变化与资源紧缺双重压力下，设施园艺依靠高生产效率成为农产品稳定周年供应的重要手段。中国北方越冬蔬菜生产主要依赖无辅助加热的日光温室，但其跨度仅8~12 m，存在种植面积有限、土地利用率低与建造效率不高等弊端。大跨度保温塑料大棚作为塑料大棚与日光温室的杂交类型，集成宽跨度与外部保温覆盖系统，克服传统日光温室空间与效能限制，近年快速应用于果蔬生产。从热力学视角，温室本质是太阳能收集系统，结构参数（地理位置、朝向、几何形状）直接决定其截获、捕获、分配与利用太阳辐射的能力，进而定义室内微气候。已有理论模型多优先量化总截获或捕获辐射，忽视空间与内部分布特征；先进计算机图形学方法（如Monte Carlo采样、OpenGL光线追踪）虽能分析复杂光环境，但需海量光线、计算耗时（如2亿光线达20 h），阻碍实时预测与多参数分析。既有大跨度保温塑料大棚研究多聚焦冷季静态截获，缺乏代表节气下全流程动态模拟与室内辐射分布系统考察，结构参数对时空光分布影响尚无坚实理论基础。

研究人员针对上述问题，建立动态三维光环境模型，模拟大跨度保温塑料大棚太阳辐射形成全过程（截获—捕获—分配），基于模型定量分析了朝向、南屋面投影长度、脊高在冷暖季的影响，为结构设计提供决策支持。论文发表于《AgriEngineering》。

主要关键技术方法

研究人员在MATLAB 2022中编译太阳辐射模型，输入年积日、云量、经纬度与海拔求解。模型分三阶段：截获（beam/diffuse/ground-reflected辐射，由大气透明系数P、入射角、计算面倾角表征）、捕获（薄膜透射率区分直射与散射，直射透射率按方程16、散射0°入射取0.9）、室内分配（直射用点-射线模型与Slab-based快速相交算法做遮挡判断，作物简化为半透明长方体并关联叶面积指数（LAI）；散射用预计算形状因子（shape factor）矩阵迭代多次反射至平衡）。微元面离散最大0.5 m²，形状因子矩阵预处理30.3~39.6 min，后续51时间点计算125 s。验证依托河南焦作Macun区（113.2° E，35.2° N，H50 m）南北向偏东18°、跨度20 m、脊高5.5 m、长80 m实测大棚，种植辣椒（两株/垄，垄东西向间距1.5 m，盛果期简化为1.2×2.0×10 m与1.2×2.0×9 m半透明长方体透射率0.1），2023年12月7—9日TBQ-2总辐射表（4测点高2.0 m）比对，用MRE、RMSE、R²评价。

研究结果

3.1 模型验证

模拟与实测高度吻合，四点R²≥0.95，RMSE最大38.32 W/m²，MRE最大6.69%；15:30—16:20东侧偏差20~90 W/m²归因于低太阳高度角下传感器旁压条遮阴。形状因子矩阵预处理后51时间点125 s完成。

3.2 不同参数大棚模拟分析

3.2.1 大棚截获全球辐射能：冷季脊高<5 m时NS10-10截获最多，≥5 m时EW15-5最多（差0.16~2.06 GJ，1%~10%）；暖季NS10-10始终最多。东西向增加脊高与南屋面投影利于截获。

3.2.2 大棚捕获全球辐射能：同脊高冷季EW15-5捕获最大，NS10-10少0.41~3.04 GJ（2.8%~19.8%）；暖季NS10-10最大。东西向EW15-5脊高每增1 m冷季捕获增1.09 GJ（5.6%~7.8%），NS10-10增0.64~0.84 GJ（4.8%~5.0%）。

3.2.3 室内地面全球辐射分布：NS10-10东西侧随太阳位置互换高低（冬至10:00差50~70 W/m²）；东西向沿跨度南高北低（冬至12:00非遮阴差80~140 W/m²）。脊高3→9 m地面强度增但幅度有限。NS10-10遮阴带随日移动，脊高增则保温被遮阴迟现短驻；东西向遮阴带固定，冬至脊高过低时北屋面投固定影，增高能减冬至影面积，但夏至东西向各型仍存遮阴带且增脊高无解。

3.3 地面辐射分布特征定量

3.3.1 辐射能：冷季EW15-5直射最大，NS10-10少1.04~2.00 GJ；NS10-10散射各季最高，EW15-5次之（冷季少0.6~0.85 GJ）；同脊高冷季EW15-5全局最大，NS10-10少2.5%~7.9%。东西向脊高超阈值（EW10-10为6 m、EW12-8为5 m、EW15-5为3 m）后直射增益边际化，散射随脊高增而降。

3.3.2 均匀性：NS10-10显著优于东西向，增脊高均改善均匀性；东西向增长南屋面投影可改善但仍低于NS10-10（冷季同脊高NS10-10比EW15-5高约10%，暖季高21.1%~30.0%）。EW15-5冷季6 m脊高均匀性79.9%，暖季降至55.9%。

3.3.3 遮阴面积：冷季EW15-5遮阴最小略优于NS10-10；暖季NS10-10最小（239.5~315.8 m²），EW15-5为324.6~426.0 m²，EW12-8为540.5~660.9 m²，EW10-10为692.1~818.1 m²。东西向增透光屋面比例与脊高可减影面积，但超阈值（EW10-10为7 m、EW12-8为6 m、EW15-5为4 m）后变化可忽略；暖季即便EW15-5脊高9 m仍不能有效缓解。

讨论与结论翻译

讨论指出，形状因子矩阵预计算使漫射分配基于真实三维几何微元，克服整体壁面近似限制，相较Monte Carlo法免海量采样，适于静态设施实时预测。结构参数需联合考量：冷季EW15-5截获多1%~10%、捕获多2.8%~19.8%、地面累计多2.5%~7.9%，但东西向不透明北屋面致暖季固定遮阴带占地面20.3%~26.6%，均匀性骤降；南北向遮阴随日动无静止弱光区。南屋面投影长度是东西向光环境主导参数，脊高对均匀性提升甚于对强度提升；NS10-10脊高5 m均匀性87.0%，EW15-5冷季6 m均匀性79.9%，超临界脊高（7/6/4 m）后影面积稳定、全局辐射增益边际。局限含未计天空漫射非均匀性、仅成熟辣椒、验证限冷季南北向、未做参数敏感性；未来将扩展多场景验证与Radiance genBSDF交叉校验，并研保温被地面收纳机械以消除东西向暖季固定遮阴。

结论：

(1) 光环境模型四点R²≥0.95，RMSE 38.32 W/m²、MRE 6.69%，精度满足应用。

(2) 东西向与南北向采光性能差异显著；东西向内南屋面投影长度为室内光环境主导参数，增脊高改善截获、捕获与地面均匀性，对地面辐射强度影响有限。

(3) 35° N、20 m跨度大棚：冷季生产推荐东西向南屋面投影15 m、脊高6 m；综合季节适应推荐南北向脊高5 m。