青藏高原太阳辐射热的计算与利用

第24卷 第4期2005年8月

兰州交通大学学报(自然科学版)

J ou rnal of Lanzh ou J iaotong University (Natural S ciences) V ol. 24N o. 4A ug. 2005

文章编号:1001O 4373(2005) 04O 0062O 05

青藏高原太阳辐射热的计算与利用

胡清华, 高孟理, 王三反, 张济世

1, 2

1

1

1

*

(1. 兰州交通大学环境与市政工程学院, 甘肃兰州 730070; 2. 铁道第四勘察设计院城建院, 湖北武汉 430063)

摘 要:通过对青藏高原太阳辐射和温室热负荷的计算, 证明采用适当的保温隔热措施, 在很低的气温条件下, 接受的太阳辐射热可以保证人工温室冬季蔬菜生长的需要, 为青藏高原太阳能温室的修建提供了科学依据. 关键词:青藏高原; 太阳辐射; 耗热量; 人工温室中图分类号:T K 519 文献标识码:A

1 青藏高原的基本自然条件

青藏高原海拔高、空气稀薄、大气尘埃少、水蒸气和二氧化碳等气体含量很低, 大气透明度高, 对日光的漫射、散射均较小, 到达地面的太阳辐射强度很高, 年总辐射量为20000~30000M J/m 2, 是全国年总辐射量最高的地区. 人工温室的试验地点为青藏铁路望昆站, 海拔4516m, 地理纬度35. 7b , 位于永久冻土区的最北端, 在青藏铁路海拔超过4000m 的永久冻土区中太阳辐射强度最低, 年平均地温-0. 5e , 年平均气温-6. 7e , 最大风速24m/s, 主导风向为西风. 冬季3个月的月平均日照数为228. 3h, 日照率73%.年内太阳辐射最小值出现在12月, 平均日辐射总量为10. 22M J/m #d(1994-

1995) 年.

2003年冬至日期间在三个不同的地点, 并且都为晴天时实测了不同时刻太阳法向辐射的各个瞬时值, 见图1所示(兰州观测点为市郊区空旷地, 格尔木观测点为市郊区青藏公路附近空旷地, 望昆观测点为青藏公路沿线六号泵站后空旷地) . 通过比较可以看出青藏高原太阳辐射的强度优势. 在青藏高原利用太阳能有着重要的经济实用价值; 而且利用这种洁净能源对保护高原脆弱的生态环境有着积极的意义.

[2]

2

图1 三地实测太阳辐射强度(单位:w /m 2) Fig. 1 Solar radiation intensity at three observation sites

度、大气透明度以及海拔高度等不同而发生变化. 2. 1 到达地面附近的太阳直接辐射强度2. 1. 1 大气层上界的太阳辐射强度

平均日) 地距离时, 在地球大气层上界, 垂直于太阳投影方向, 单位面积在单位时间内所接受的太阳辐射能, 称为太阳常数, 用G sc 表示. 太阳常数约为1367W/m 2. 各个时间到达大气层上界的太阳辐射强度, 可用实际日) 地距离对太阳常数的修正来表示[1].

G on =G sc [1+0. 033cos(360b n /365) ]

月1日算起的天数.

2. 1. 2 大气层外切平面的瞬时太阳辐射强度

大气层外切平面所接受的太阳辐射能, 除与太阳辐射强度有关外, 还与太阳的辐射方向有关, 即

G o =G on cos H z

太阳天顶角, 其函数关系

(2)

式中:G o 为大气层外切平面的太阳辐射强度; H z 为

(1)

式中:G on 为大气层上界的太阳辐射强度; n 为从1

2 太阳辐射计算

到达地球表面的太阳辐射随季节、时刻、地理纬

*收稿日期:2005O 01O 20

基金项目:铁道部科技攻关项目(2002Z005) , , , .

cos H z =cos U cos D cos X +sin U sin D (3)

式中:X 为时角, 中午12B 00为0b , 午前为负, 午后为正, 每小时相差15b ; U 为地理纬度; D 为太阳赤纬角, 其函数关系为

D =23. 45b sin [360b (284+n) /365]2. 1. 3 大气质量与大气透明度

大气质量为太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶方向时穿过地球大气的路径之比, 并假定在标准大气压(p =101325Pa) 和0e 时, 海平面上太阳光线垂直入射的路径为1.

任意地点、任意季节、任意时刻的大气质量为

m =(5)

cos H z

对于海拔较高的地区, 应对大气压力进行校正,

其大气质量为

m z =m

z

101325

(6)

图2 太阳辐射计算示意图

Fig. 2 Sketch of calculating solar radiation

(4)

G r, b =G n (cosS sin U sin D +cos S c os U cos D cos X +

sin S sin C n cos D sin X +sin S sin U cos D cos X c os C n -sin S c os C n sin D cos U )

(8)

式(8) 为计算任何地区, 不同季节和各个时刻, 入射斜面上的太阳直接辐射强度与斜面的倾角和方位角的通用公式.

在实际工程应用中, 太阳能收集器一般面朝正南(北半球) , 故本文取收集器的方位角C n =0b , 式(8) 可以简化为

G r, b =G n (cos S sin U sin D +cos S cos U cos D cos X +sin S sin U cos D cos X cos C n -sin S cos C n sin D cos U ) (9)

在纬度U 、倾斜角S 的平面上的太阳光入射角和在纬度(U -S) 上的水平面的太阳光入射角是相

n =0等的, 所以对于方位角C b 的任意倾斜角S 的斜面的太阳直接辐射强度可以用下式表示

式中:p z 为海拔高度为z 处的大气压力.

云层和较大颗粒的放射作用, 使部分太阳辐射放射回大气空间; 同时大气层中的O , H O, C O 等气体和尘埃对部分太阳辐射散射和吸收. 因此, 太阳

3

2

2

辐射能在通过大气层时会产生一定的衰减, 表示这种衰减程度的一个重要参数就是大气透明度, 其中P m 表示大气质量为m 的大气复合透明度, 为了比较不同大气质量情况下的大气透明度值, 一般把大气透明度订正到大气质量为2的大气透明系数P 2来表示. 青藏高原地区的年平均大气透明系数P 2=0. 726~0. 775P 2m 的计算值.

[3]

G r, b =G n [sin (U -S) sin D +cos (U -S ) co s D cos X ]

(10)

由式(8) 同样可以得到水平面的太阳辐射, 水平面上, S =0, 式中仅有第一和第二项, 所以水平面上的太阳辐射强度与面向太阳的直接辐射强度的关系为:

G r, b =G n (sin U sin D +cos U cos X ) 2. 2. 2 倾斜面上的太阳散射辐射强度

按照柏拉治(Berlage ) 在晴天时观测的天空日射量导出的假定天空是等辉度扩散的理论得出倾斜面上的散射辐射强度为

m

2z cos G d =G sc cos H 21-1. 411nP 2

, 取0. 75作为每小时大气透明度

2. 1. 4 到达地面附近的太阳直接辐射强度大气层外切平面的太阳辐射穿过大气层时, 受

到大气质量与大气透明度的双重作用而减弱, 达到地面附近的太阳直接辐射强度为

G n =G o P 2

m

(11)

(7)

2. 2 倾斜面太阳辐射强度

2. 2. 1 倾斜面太阳直接辐射强度

太阳辐射计算见图2, 当太阳光线垂直入射表面AC 时, 其辐射强度为G n , 另有一个与AC 面是任意夹角H T 的倾斜平面AB (与水平面的倾角为S) , 显然斜面AB 上的太阳光入射角等于H T , 斜面AB 上的法向辐射强度G r, b =G n cos H T . 而入射角H T 除了与纬度U , 赤纬角D , 时角X 和倾角S 有关外, 还与该平面的方位角C n 有关, 则任意平面AB 的辐射强度可表示为[3

]

(12)

2. 2. 3 倾斜面上的太阳总辐射强度

任一平面的太阳辐射强度G z 等于该平面接受到的太阳直接辐射强度G r, b 与散射辐射强度G d 之和.

G z =G r, b +G d

(13)

3 青藏高原人工温室太阳辐射的应用

24m, 宽8m , 顶点高度3. 8m 的人工温室, 其横截面如图3所示

.

式中:H c 为光线折射角, 按司乃耳(Snell ) 折射定律有:

n =sin H /sin H c

(16)

式中:n 为折射率, 是物质固有的特性常数, 塑料薄膜一般取值1. 52~1. 57, 本文取n =1. 53. A 是光在塑料薄膜中前进时的穿透率, 取0. 898[5]. 因为在实验中采用的是双层薄膜, 故太阳光在穿过棚膜时要衰减二次, 所以实验棚膜的穿透率为A =0. 806. 双层薄膜之间的空气夹层很薄, 仅12m m , 这部分空气

2

图3 实验温室结构图

Fig. 3 Greenhouse structure chart of the experiment

对透射光的吸收可以忽略. 由于薄膜的透射率较高, 二次反射通过率只有1%左右, 故二次反射也可以忽略.

3. 2 试验地点的太阳辐射强度理论计算

实验大棚总的热量来自于弧面AB 所接受的太阳辐射, 由以上的分析可知虚拟斜面AB 接受的总太阳辐射能等于温室大棚获得的总热量. 2003年冬至日总的太阳辐射能计算见表1所示.

(15)

表1 太阳辐射能计算Tab. 1 Solar radiation calculation

3. 1 温室棚膜透光率的计算

光线入射角为H 时, 塑料棚面的透光率计算如下:S =(1-r) a/(1-r a ) (14)

式中:r 为界面反射率, 可按费涅尔(Fresnel ) 公式计算.

r =0. 5[sin (H -H c ) /sin (H +H c ) +

22tan (H -H c ) /tan (H +H c ) ]

2

2

2

2

2

序号12345

67891011

北京时间

项目

时角X /度太阳天顶角H z /度余弦cos H z 大气质量m 大气透明度P 2m

法向直接辐射G n /W #m -2倾斜面直接辐射G r, b /W #m -倾斜面散射辐射G d /W #m -2倾斜面总辐射G z /W #m -2透光率S

进入棚内的太阳辐射/W #m -2日太阳辐射总量/kJ

2

8:0016:00L 6081. 90. 14084. 0480. 32163. 8126. 5843. 3969. 970. 53437. 4

9:0015:00L 4572. 80. 29511. 9320. 574239. 14114. 8557. 05171. 900. 636109. 3

10:0014:00L 3065. 60. 41361. 2240. 703410. 49308. 2055. 75363. 950. 779283. 51. 38@106

11:0013:00L 1560. 80. 48801. 1680. 715492. 60414. 7763. 12477. 890. 802383. 3

12:00059. 10. 51341. 110. 727526. 94460. 0763. 61523. 680. 784410. 6

将开棚时间进入棚内的每小时太阳辐射热累计相加即可以得到日太阳辐射总量.

示.

倾斜面的太阳辐射的计算值和实测值如表2所

表2 理论与实际误差分析

Tab. 2 Error analysis of calculated solar radiation on an inclined surface

倾斜面总辐射理论值/W #m -2倾斜面总辐射实测值/W #m -2

相对误差/%

69. 9778. 1-9. 1

171. 90187. 5-9. 1

363. 95341. 46. 7

477. 89499. 1-4. 2

523. 68511. 22. 5

由于受地形以及测试方法的影响导致实际数据与理论计算有一定的误差. 因为实验点附近有山, 山上经常积雪, 当早晨太阳高度角较小时, 对太阳辐射

影响较大, 所以误差相对较大. 3. 3 温室总耗热量

温室东西侧墙及北墙由400mm 加气混凝土墙

体内侧贴100m m 厚聚苯板构成; 前屋面为间距12mm 的醋酸乙烯双层棚膜, 夜间盖上50mm 厚的复合保温被; 种植层的土壤厚度为30cm, 下面为两层防水布, 中间夹40m m 厚聚苯板; 墙角设置50cm 深的防寒沟, 里面布设100mm 厚聚苯板. 后墙内侧装有蓄热水箱, 白天通过室内太阳辐射和对流传热,

水箱内的水被加热升温, 蓄积热量; 夜间, 室内温度下降, 通过温差散热和对流传热释放热量, 维持室内温度. 在计算维护结构的基本耗热量时, 外表面换热系数按无限大平壁自然对流换热计算, 对应风速按最大风速24m/s 计算, 若计算结果小于23. 26W/(m 2#e ) , 则按23. 26W/(m 2#e ) 计算.

表3 温室总负荷系数计算

Tab. 3 Total loading coeff icient calculation of the greenhouse

外围护结构名称侧墙及后墙前屋面(白天) 前屋面(晚上) 后屋面地面

冷风渗透系数

面积A /m 2

108. 919219243. 94192

nV a c p /3. 6

传热系数U /(w /(m 2#e ) ) 负荷系数A U /(W/e )

0. 211. 390. 480. 1830. 26

20. 4266. 992. 28. 149. 963. 56

总负荷系数T LC =24@3. 6(20. 4+8. 1+49. 9+63. 56) +8@3. 6@266. 9+16@3. 6@92. 2=24831kJ/(e #d)

考虑最不利情况, 即历史记录以来冬至日所在月的室外最低平均气温为-30. 2e , 及室温最低为5e , 平均室温为10e , 且温室每两小时换气一次(n 为每小时的换气次数, n =0. 5) . 外维护结构的散热计算如表3所示, 由此可得温室每日的耗热量为0. 998@106kJ.

从表1的计算中可以看到, 日温室有效得热量为1. 38@106kJ, 大于温室每日的耗热量. 即完全可以依靠太阳能给温室供暖, 并能够满足植物生长的

需要. 在实际工程中考虑可用煤炉作为辅助热源, 以备在特别冷的天气或冬季连续阴天等非正常情况下使用.

4 实际检验

2003年冬至日对室外温度和室内控制点的温度进行了测试, 数据见表4所示(表中的时间为北京时间).

表4 室内外特征点温度实测数据

Tab. 4 Observed temperature data at selected indoor and outdoor points

室内特征点温度/e

时间9:0011:0013:0015:0017:0019:0021:0023:001:003:005:007:00

室外温度/e

1

-21. 0-17. 0-13. 7-11. 9-12. 6-17. 0-20. 5-22. 0-23. 0-23. 5-23. 5-22. 0

6. 311. 017. 123. 522. 316. 513. 512. 210. 28. 77. 26. 5

27. 512. 017. 422. 521. 816. 514. 012. 41079. 48. 27. 6

38. 918. 528. 029. 626. 019. 516. 514. 211. 79. 58. 58. 0

410. 214. 018. 522. 522. 017. 715. 213. 712. 311. 510. 610. 3

511. 513. 818. 020. 220. 516. 514. 513. 612. 511. 811. 210. 9

地表以下15cm 地表以下25cm

11. 713. 214. 615. 315. 814. 513. 813. 412. 712. 412. 111. 9

12. 512. 712. 913. 113. 413. 513. 513. 413. 113. 012. 912. 8

土壤种植层的温度/e

特征点1位于温室前屋面内侧正中部, 离地0. 5m. 特征点2, 3, 4分别位于东, 西, 北三面墙内侧的中部, 距离墙面0. 5m, 离地1. 4m. 特征点5为地

表面测点. 室外温度测点位置为距离温室后墙10m, 高度为离地面1m. 所有温度数据每小时监测一次. 上午8:40卷起保温被. 下午16:40盖起保温被.

有利因素, 即使在寒冷冬季, 仍然可以保持温室内部有适宜的温度, 完全可以满足蔬菜的正常生长的需要. 表明在青藏高原, 海拔超过4000m 的常年冻土区域设置人工温室, 常年种植蔬菜是完全可行的. 参考文献:

[1] 邱国全, 夏艳君, 杨鸿毅. 晴天太阳辐射模型的优化计

算[J].太阳能学报, 2001, 22(4) :456O 460.

图4 室内外特征点温度变化图

Fig. 4 Observed temperature variations at selected

indoor and outdoor points

[2] 汤懋苍, 程国栋, 林振耀. 青藏高原近代气候变化及对

环境的影响[M ]. 广东:广东科技出版社, 1998. [3] 方荣生, 项立成, 李亭寒, 等. 太阳能应用技术[M ]. 北

京:中国农业机械出版社, 1982.

[4] 李德坚. 温室太阳能供暖[J]. 太阳能学报, 2002, 23

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[5] 吴毅明, 曹永华, 孙忠富, 等. 温室采光设计理论分析方

法) ) ) 设施农业环境模拟分析研究之一[J].农业工程学报, 1992, 8(3) :73O 77.

5 结论

计算和实测的结果均表明只要采用适当的隔热保温措施和合理的设计温室的结构, 合理充分的利用青藏高原丰富的太阳能资源, 就能变不利因素为

C alcu lating and Using Solar Radiation in Qinghai O Tibet Pleteau Hu Qinghua 1, 2, Gao M eng li 1, Wang Sanfan 1, Zhang Jishi 1

(1. School of Environmental Science an d M u nicipal Engineering, Lanzh ou J iaotong University, Lanz hou 730070, C hina; 2. Department of Urb an Constru ction , Th e 4th S urvey an d Design Institute of Railw ay M inis try, W uhan 430063, China)

Abstract:The calculation o f so lar radiation and heat load of artificial g reenho use in Qing hai O T ibet Plateau estim ates that the proper measures of heat pr eser vation can ensur e the vegetables . g row th in w inter by ac -cepting solar r adiation in the co ndition of quite low temper ature, and this provides scientific basis for the fo undation of artificial greenhouse using so lar energ y in Q ing hai O T ibet Pleteau. Key words:Qing hai O T ibet Plateau; solar r adiation; heat load; artificial greenhouse

(上接第61页)

Static Experiments on Treatment of LAS in Bathing Wastewater by Using S ponge Iron

Zhang Lequn, Chen Xuemin, Wang Zhongfeng

(Sch ool of En viron men tal Science and M unicipal En gineering, Lanzhou Jiaoton g U nivers ity, Lanzh ou 730070, China)

Abstract:Sponge ir on can be used as adsor bent, to gether w ith ox idatio n O reducing electrochemical reaction to

tr eat an anio n surfactant (LAS) in bathing w astew ater. T he ex periments proved that the sponge iro n w ith a diameter r anging from 1. 43mm to 2. 0mm and the quantity of 15g under a specific condition of the reac -tion time o f 60minutes and the r atio of iron and mang anese o f 6B 1co uld reach the optimal treatm ent effect, w hile the effect of the pH value on the treatm ent w as no t sig nificantly affected. Key words:spong e iron; bathing w astew ater; adsorption; ox idation; anio n surfactant (LAS)