[发明专利]农作物人工气候室的补光方法

权利要求书

1.一种农作物人工气候室的补光方法，其特征在于，包括：

建立农作物人工气候室的能量方程，

根据所述能量方程，调节照射入农作物人工气候室的光照，使得农作物人工气候室内部的农作物床的受照光合作用光谱能量与室外的农作物床的受照光合作用光谱能量相同，并使得所述农作物人工气候室内部处于预设温度内；

其中，所述能量方程为：

所述能量方程中，正号为能量输入，负号为能量消耗，单位均为W；Q₁为输入到农作物人工气候室内的太阳能量；Q₂为补偿光灯消耗的电能量；Q₃为农作物人工气候室内气流均匀化的附加风机消耗的电能量；Q₄为玻璃罩对室内的传热量；Q_p1、Q_p2为农作物床吸收的太阳光和补偿光中的光合作用能量；Q_ρ是作物床反射到室外的辐射能量；为空调机循环风送给农作物人工气候室冷量或热量，当输入热量时为正号，输入冷量时为负号；±Q_m为农作物人工气候室内的室内空气热容、作物床植株热容和根系土壤的热容吸热或放热量，吸热为负号，放热为正号；

当所述农作物人工气候室在未被遮挡时：

Q₁＝G_in,θA₀＝G_out,θτA₀＝(G_bcosθ+G_d)τA₀

其中，G_in,θ和G_out,θ分别为农作物人工气候室内部和外部的水平面受到太阳辐照强度，单位为W/m²，θ表示太阳光线的天顶角；τ为玻璃的平均透光率；A₀为农作物人工气候室农作物床的面积，单位为m²；G_b为直射太阳辐射强度；G_d为散射太阳辐射强度；取G_b/G_d＝6/4；

当所述农作物人工气候室使用顶棚遮光网时：Q₁记为Q_1,π，

Q_1,π＝[G_out,θ,b(1-π_b)+G_d(1-πF₂₁)]τA₀ (4)

其中，G_out,θ,b为无遮光时太阳入射角为θ的太阳直射辐射能；π_b为遮光网减少的直射辐射能的份额，等于作物床被遮光网遮挡的直射太阳照射面积份额与遮光网的遮光度π的乘积；当遮光网顶棚与作物床平行高度为Z，作物床宽度为x_b，遮光网宽度为x_z，从遮光网顶棚左端射到作物床的右端光线L_a的天顶角为θ_a，从遮光网顶棚左端射到作物床的左端光线L_b的天顶角为θ_b时；

当θ≥θ_a时没有作用，

π_b＝0(θ≥θ_a) (5a)

当θ＜θ_a以后，随θ的继续减小，在作物床上出现遮光网的阴影面积，天顶角为θ的光线L_a在作物床上产生的阴影宽度用x_π表示，

x_π＝Z tanθ_a-Z tanθ＝x_a-x_θ

x_a＝Z tanθ_a，x_θ＝Z tanθ，x_b＝Z tanθ_b；

当θ_b＞θ后

π_b＝π (5c)

式(4)的散射辐射能G_d(1-πF₂₁)中的πF₂₁为遮光网在半球空间辐射中占有的份额，F₂₁视觉系数为作物床平面所拦截的从遮光网顶棚面来的辐射份额；

根据太阳高度不同，天顶角θ不同，选择式(5a)或(5b)或(5c)代入式(4)，计算有遮光时进入农作物人工气候室的太阳辐射能Q_1,π；

当θ＝0时，

Q_1,π,θ＝0＝[G_out,θ,b(1-π)+G_d(1-πF₂₁)]τA₀(θ＝0) (4a)；

当采用铺设于农作物人工气候室顶层玻璃上面的红外反射半透明膜时，Q₁记为可见光的遮光度为π_p＝0.1，可见光能量在太阳全辐射能中所占的份额为红外辐射反射膜的对波长λ≥780nm的红外光辐射遮光度为π_h＝0.9，波长λ≥780nm的红外光辐射能在太阳全辐射能中所占的份额为

当采用顶层红外反射半透明膜时，太阳直射辐射能和散射辐射能分解为可见光和红外辐射两部分能量，并分别使用不同的遮光率π_p和π_h，使用红外反射半透明膜时，进入作物人工实验室的太阳辐射能为：

式(6)按可见光部和红外辐射整理，得：

当正午θ＝0时，cosθ＝1，记π_b,p＝π_p，π_b,h＝π_h，所以式(7)化作(7a)或(7b)：

或

其中，可见光的入室能量为：

太阳红外辐射的入室能量为：

与无遮光方案相比，入室的太阳能量差值为：

式(9)中,可见光减少量为：

远红外辐射能减少量：

与遮光网方案相比，入室的太阳辐射能量差值为：

遮光网方案的可见光偏少量为：

扣除绿光份额后，遮光网方案的作物光合作用辐射能偏少量为：

减少补光灯的电功率为：

ΔP_2,π-ρ＝ΔQ_π,VL/η_d (16)

但是远红外辐射能增加量：

绿光辐射能比遮光网的增多量为：

按空调机性能系数COP计算，红外反射遮光膜的方案比遮光网的方案节省电功率为：

ΔP_2,π-p＝ΔP_2,π-ρ-(ΔQ_π,IR-ΔQ_π,ρ)/COP (19)；

农作物床的作物从太阳光吸收的光合作用的能量Q_p1为：

其中，记为太阳光中可被植物吸收的光合作用的能量份额，α_p为植物的对光合作用光谱辐射能的吸收率，ξ为光合作用从光能变成化学能的效率；

在正午，无遮光时：

在使用遮光网时：

在使用红外反射遮光膜时：

能量方程的补偿光中的光合作用光谱能量Q_p2为室外、内的可见光光谱段的能量差，在无遮光时：

补光灯的功率为：

其中，η_d为补偿光灯的电光转化效率；

在无遮光且正午θ＝0时的补偿光灯的能量Q_2,θ＝0、被作物吸收的光合作用能量记作Q_p2,θ＝0；

在采用顶棚遮光网θ＝0时，Q₁采用式(4)的Q_1,π计算,Q₂记作Q_2,π,Q_p2记作Q_p2,π，则：

Q_p2,π＝(G_out,θ,bπ_b+G_dπF₂₁)τA₀ (23b)

在采用红外反射遮光膜时，且正午时的补偿光功率和被农作物吸收的能量

其中，Q_out,0取100；

农作物人工气候室反射的辐射能Q_ρ为：

其中，

当无遮光θ＝0时的绿光反射量,记作Q_ρ,θ＝0；

当顶层采用遮光网遮光且θ＝0，遮光网的遮光度π＝0.6时的绿光反射量，记作Q_{ρ,θ＝0,π＝0.6}；

当采用红外反射遮光膜时，可见光遮光度为π_p＝0.1,红外遮光度为π_p,h，θ＝0时的绿光反射量，记作Q_{ρ,θ＝0,π＝0.1}，

其中a_t取0.6，a_d取0.4，G_out＝G_b+G_d；

所述能量方程中的Q₄为玻璃罩对室内的传热量：

在白天：

Q₄＝0.5G_out(1-τ-ρ)A₀＝0.5(G_bcosθ+G_d)αA₀ (26)当正午太阳天顶角θ＝0°时，

Q₄＝0.5(G_b+G_d)(1-τ)A₀＝0.5G_out(1-τ-ρ)A₀ (26a)

夜晚没有太阳辐射，则

Q₄＝KA(T_g1-T)＝KA(T_out-T_g2) (27)

式中K为玻璃壁对空气的平均传热系数，A为玻璃房的玻璃壁面积，T_g1、T_g2分别为室内、外侧玻璃温度，T、T_out分别为室内、外空气温度；

农作物人工气候室的热容吸热或放热量Q_m：

Q_m＝M_ac_adT_a/dt+M_fc_fdT_f/dt+M_sc_sdT_s/dt (28)

式中的M_a、M_f、M_s分别为农作物人工气候室内的空气、作物床秸秆、作物床的植物根系土壤的质量，M_a≈M_f＜＜M_s，所以M_sc_s的热容是农作物人工气候室的热沉，其温度变化不敏感，当植物根系土壤温度达到设定值后，温度控制只要保留空气和作物床植株的热容波动项；dT_a/dt、dT_f/dt、dT_s/dt分别为室内空气平均气温、作物床秸秆平均温度、作物床的植物根系土壤平均温度的变化速率；c_a、c_f、c_s分别为农作物人工气候室内的空气、作物床秸秆、作物床的植物根系土壤的比热；

当农作物人工气候室的室内空气温度控制要求30分钟内允许波动1℃，植株和空气的热容基本相同，Q_m通过下式获得：

Q_m＝(M_afc_af)dT_a/dt (29)

其中M_afc_af＝M_ac_a+M_fc_f；

空调机循环风送给农作物人工气候室冷量或冷量±Q_k：

±Q_k＝m_ac_a(t_h-t_c)＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄-Q_p1-Q_p2-Q_ρ±Q_m(30)

其中，m_a为循环风的质量流量，kg/s；t_h为农作物人工气候室循环空调风进入换热器前的来自农作物人工气候室的回风温度或是回风与新风混合的风温，回风口布置在农作物人工气候室作物床的近地面部位；t_c为循环空调风在送风口进入农作物人工气候室前的气温，送风口布置在农作物人工气候室上方靠近顶面；

当t_h＞t_c送冷风，当t_h＜t_c送热风。