第33卷第2期 湖 南 城 市 學 院 學 報 自然科學版 Vol 33 No 2 2024年3月 Journal of Hunan City University Natural Science Mar 2024 收稿日期 2023 06 13 基金項目 湖南省重點研發計劃項目 2022SK2084 第一作者簡介 趙福云 1977 男 湖南茶陵人 教授 博士生導師 主要從事建筑通風 流動傳熱以及計算流體力學研究 E mail zfycfdnet 不同進氣方式下植物工廠作物冠層CO2與 熱濕環境分布模擬分析 趙福云 譚志成 姚奕合 陳 皓 湖南工業大學 土木工程學院 湖南 株洲 412007 摘要 為探究在不同進氣方式下植物工廠作物冠層環境的變化情況 對室內人工光型植物工廠內部溫度 相對濕度 relative humidity RH 以及CO2質量分數分布進行了數值研究 并考慮了作物存在及H2O蒸發 CO2 吸收的影響 討論了4種不同進 出風口位置及5種入口流速對植物工廠作物冠層的影響 并對作物冠層溫度 變動系數RSDT RH變動系數RSDRH及CO2質量分數變動系數RSDC進行了分析 結果表明 不同進出口布置與 不同入口流速v對冠層溫度 相對濕度RH以及CO2質量分數分布有較大影響 當進出口布置為下進上出同側 C4 時 即使在低流速下室內也有良好的溫度分布 當v 1 5 m s時 C4方案各冠層RH值均處于50 70 這一適 宜區間 CO2質量分數均值也高于其他方案 隨著v增大 RSDT RSDRH及RSDC均降低明顯 作物冠層溫度 RH及CO2質量分數均勻性表現良好 關鍵詞 植物工廠 數值模擬 通風 中圖分類號 TU262 文獻標識碼 A doi 10 3969 j issn 1672 7304 2024 02 0007 文章編號 1672 7304 2024 02 0040 08 Simulation analysis of crop canopy CO2 and heat and humidity distribution in plant factorywith different air intake modes ZHAO Fuyun TAN Zhicheng YAO Yihe CHEN Hao School of Civil Engineering Hunan University of Technology Zhuzhou Hunan 412007 China Abstract In order to explore the changes of crop canopy environment in plant factories under different air intake modes the temperature relative humidity RH and CO2 mass fraction distribution in indoor artificial light plant factories were numerically studied and the effects of crop existence H2O evaporation and CO2 uptake were considered The effects of four different inlet and outlet positions and five inlet flow rates were discussed and the crop canopy temperature variation coefficient RSDT RH variation coefficient RSDRH and CO2 mass fraction variation coefficient RSDC were analyzed The results showed that different inlet and outlet arrangements and different inlet velocity v had great influence on canopy temperature relative humidity RH and CO2 mass fraction distribution When v 1 5 m s the canopy RH values were in the suitable range of 50 70 and the mean CO2 mass fraction was higher in the C4 scheme Bottom in top out same side solution than in the other schemes at the same time the RSDT RSDRH and RSDC all decreased significantly as v increased At the same time RSDT RSDRH and RSDC decreased significantly with increasing v The crop canopy temperature RH and CO2 mass fraction uniformity were satisfactory Key words plant factory numerical simulation ventilation 當前 世界人口正處于一個加速增長階段 聯合國報告 1 顯示 到2030年 世界人口預計達 到85億 2050年世界人口甚至將突破97億 快 速增長的人口對可靠的糧食供應帶來了巨大挑戰 傳統農業生產模式極易受到外界環境變化的影響 其中惡劣天氣 生物多樣性威脅等都將對農業生 產造成不利影響 2 4 植物工廠由于其環境高精度 可控 即可對作物生長過程中的光照 溫度 濕 度 CO2 質量分數等進行精準控制 幾乎不受外 界自然環境影響與制約的生產方式 可實現作物 連續生產等優點而被世界各國視為新興高技術農 業生產產業與未來農業的重點發展方向 5 趙福云 等 不同進氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環境分布模擬分析 第33卷 41 作物的生長離不開適宜的環境 不合理的通 風設計可能使作物表面氣流均勻性惡化 6 7 導致作 物生長質量不理想 8 9 從而發生尖端燒傷 10 而隨 著室內種植工廠技術的快速發展 眾多學者對室 內種植工廠通風進行了研究 如 張晨 11 王靜 等 12 考慮了 LED 燈熱效應對植物工廠內部流場 及溫度場的影響 Fang等 13 設計了3種不同的帶 有通風孔的通風管道 分析了在不同孔徑和直徑 的通風管道下作物冠層上方氣流的流動結構 并 考慮了作物及LED燈的影響 Plas等 14 在垂直農 業環境中使用了真實的植物幾何結構來模擬作物 對氣流的阻礙效應 Niam 等 15 對一小型垂直植 物種植工廠進行了數值模擬研究 分析了不同位 置送風對植物工廠內流場的影響并確定了最佳中 央空調送風位置 然而 相較于溫室成熟的通風技術 16 而言 目前對于提高植物工廠栽培盤作物冠層環境均勻 性從而提高作物產量與質量 降低作物發生尖端 燒傷的研究仍然較少 因此 為提高室內垂直種 植系統作物冠層環境的均勻性 利用CFD技術考 慮作物存在和LED燈熱效應 對不同送風位置 不同送風風速下垂直種植植物工廠作物的冠層溫 度 相對濕度以及CO2質量分數均勻性進行分析 以期為植物工廠的通風設計提供理論參考 1 物理模型與數值模型 1 1 物理模型 該室內垂直種植工廠尺寸為長 寬 高 4 4 m 2 2 m 2 7 m 共有2個栽培架 每個栽 培架包含4個栽培盤 栽培盤1 2 3 4 栽培 架間隔0 6 m 每個栽培盤之間距離為0 36 m 栽 培盤上方10 cm的空間為作物所覆蓋區域 模型中 作物品種為生菜 進 出風口尺寸為長 寬 1 0 m 0 3 m 假設該植物工廠對稱 選取其1 2 模型進行研究計算 如圖1 a 所示 a 模型示意 b 模型截面示意 圖1 植物工廠模型及其模型截面示意 由于種植工廠中作物上方一般會布置 LED 燈給作物提供長時間光照 因此 模擬計算中將 LED燈散熱對室內環境的影響通過圖1 b 中栽培 盤底部恒定熱流面來實現 1 2 數值模型 模擬計算中假設流體不可壓縮 入口流體為 入口氣流 由空氣 水蒸氣及CO2的混合氣體組 成 其各組分擴散與運輸由組分運輸方程描述 利用Realizable k 湍流模型對混合空氣湍流流動 進行計算 采用有限體積法對模型中所有的控制 方程進行離散 并對壓力 速度耦合方程使用 SIMPLE 算法進行迭代求解 連續性方程 動量 方程 能量方程 k 湍動能方程 和 耗散率 方程 的通用形式 17 為 div div grad v S t 1 其中 為通用變量 為流體密度 單位為kg m3 v 為速度矢量 單位為 m s 為廣義的擴散系 數 S 為源項 當 1時 方程為連續性方程 v u v w 時 方程為動量守恒方程 其中u v w為v 在3個方向的速度矢量 單位為m s T時 方程為能量守恒方程 此外 利用Boussinesq假設來近似計算由空 氣溫度變化引起的浮力效應 方程為 1 c cT T 2 其中 cT 為參考溫度 單位為K c 為參考溫度 下相對應的流體密度 單位為 kg m3 為膨脹 系數 在本研究中 作物冠層氣流流速 溫度 相 對濕度及CO2質量分數的均勻性為主要關注內容 冠層溫度 相對濕度及CO2質量分數的均勻性由 相對標準偏差 relative standard deviation RSD 變 動系數 進行分析討論 數學表達式為 2 1 1100 100 N kk T T T T S NRSD T T 3 2 1 1100 100 N kk RH RH RH RH S NRSD RH RH 4 2 1 1100 100 N kk C C C C S NRSD C C 5 其中 TRSD CRSD RHRSD 分別為系統作物冠 層溫度與CO2質量分數的變動系數 T RH C 分別為系統作物冠層平均溫度 平均相對濕度以 及平均CO2質量分數 kT kRH kC 分別為第k 個栽培盤作物冠層平均溫度 平均相對濕度及平 湖 南 城 市 學 院 學 報 自然科學版 2024年第2期 42 均CO2質量分數 為討論不同通風位置變化以及入口流速變化 下作物冠層區域氣流流速 溫度 相對濕度及CO2 質量分數的均勻性變化情況 設置了4種不同氣 流進出口位置及5種不同入口流速情況進行研究 4 種通風進出口位置變化分別為上進下出異側 上進下出同側 下進上出異側與下進上出同側 各通風進出口位置設計如圖 2 所示 5 種入口流 速變化分別為1 1 5 2 2 5和3 m s 見表1 C1 上進下出異側 C2 上進下出同側 C3 下進上出異側 C4 下進上出同側 圖2 不同通風位置變化 表1 不同數值工況方案 方案 通風位置 入口溫度 K 入口流速v m s 1 入口CO2質量分數 入口相對濕度 LED恒定熱流 W m 2 C1 上進下出異側 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C2 上進下出同側 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C3 下進上出異側 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C4 下進上出同側 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 作物對冠層氣流的阻礙作用不可忽略 模型 中選用生菜這一作物來計算其對氣流的阻礙 并 將生菜覆蓋區域假設為均勻多孔介質區域 其對 氣流的阻礙拖拽效應由公式 6 18 計算 2 AD DS L C u 6 其中 ADL 47 3 m2 m3 為葉面積密度 DC 為作 物阻力系數 DC 0 02 19 模型中還考慮了生菜光合作用中產生的 CO2 對作物冠層區域CO2質量分數的影響 見圖1 b 作物CO2消耗速率及H2O產生速率參考Naranjani 等 20 的研究設定 各材料屬性及 CO2消耗速率 H2O蒸騰速率見表2 表2 混合氣體物理特性 CO2消耗速率及H2O產生速率 材料 條件 混合氣體密度 Incompressible ideal gas 混合氣體比熱 Mixing law 混合氣體粘度 1 720 10 5 kg m 3 s 1 CO2消耗速率 3 160 10 5 kg m 3 s 1 H2O蒸騰速率 2 489 10 4 kg m 3 s 1 1 3 網格獨立性驗證 為了保證模擬結果的準確性 同時合理利用 計算機資源 節約計算時間 分別采用4種不同 數量級的網格 即 粗網格 339 885 基礎網格 549 300 中等網格 862 888 和精細網格 1 754 292 在方案C1 v 2 m s 條件下對進出口 壓力差 P 與進出口溫度差 T 進行模擬對比分析 結果見圖 3 由圖 3 可知 中等數量網格與精細 網格的模擬結果十分接近 這表明中等數量的網 格已經能夠較為準確地計算出數值仿真案例的主 要變化特征 因此 在后續計算中選用中等數量 網格進行數值計算 圖3 不同網格數量下模擬結果對比 1 4 數值模型可行性驗證 為了驗證數值模型的準確性與可行性 模擬 了一通風腔內的混合對流傳熱并與 Blay 等 21 所 做試驗結果進行對比驗證 通風腔具體尺寸及邊 界條件可在Kosutova等 22 的研究中得知 該試驗 已被用于室內傳熱流動的數值模型驗證 22 23 驗 證結果如圖4所示 圖4 數值模型結果驗證 趙福云 等 不同進氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環境分布模擬分析 第33卷 43 由圖4可知 數值模擬結果與試驗值具有良 好的一致性 吻合度較好 因此 本模型所使用 的數值方法具有一定的準確性與可靠性 2 結果與討論 2 1 溫度分析 溫度對作物生長極為重要 它將直接影響到 環境中相對濕度 RH 大小以及作物的各項生理活 動 24 周圍環境溫度過高時 會使得作物蒸騰作 用加劇 導致作物吸收水分的速率與水分蒸發速 率失衡 造成作物失水而萎蔫甚至枯死 因此將 環境溫度控制在較低范圍內有利于保證系統產量 圖5為x 0 55 m處入口在流速變化下各方案內部 溫度分布 由圖5可知 在設計方案為C1和C2 時 由于進 出風口上下布置 當室外冷空氣進 入室內時會下沉到室內下方 而室內熱空氣則在 浮力作用下在栽培室上方聚集難以排出 當入口 流速進一步增大時 入口風壓足以克服室內熱壓 從而有效驅動內部熱空氣排出 并有效降低室內 與冠層的溫度 當設計為進風口底部布置的方案 C3和C4時 受熱浮升力影響 室內熱空氣可較 為容易地從頂部出風口排出 這使得在低入口流 速下室內栽培盤區域有較低的溫度分布 各栽培盤作物冠層溫度變化為主要關注內容 圖6為各設計方案下栽培盤作物冠層平均溫度變 化情況 圖5 x 0 55 m處各方案溫度分布 a C1 b C2 c C3 d C4 圖6 入口流速變化下各栽培盤作物冠層平均溫度 湖 南 城 市 學 院 學 報 自然科學版 2024年第2期 44 由圖 6 可知 1 由于冷空氣下沉 栽培盤 1 作物的冠層平均氣流溫度普遍低于上方栽培盤作 物冠層氣流溫度 2 在進風口位于頂部的設計 方 案C1和C2 中 隨著入口流速增大 各栽培盤作 物冠層氣流溫度普遍降低 3 在進風口位于底部 的設計 C3和C4 中 由于熱浮升力影響 在低入 口流速下栽培盤作物冠層氣流溫度也低于 C1 和 C2 隨著入口流速增大 C3 作物冠層平均溫度略 有上升 而 C4 作物冠層平均溫度變化不大 當 送風位置頂部布置時 C1和C2有著相似的溫度 分布 在空氣進入室內時 由于入口氣流溫度低 于室內空氣溫度 冷氣流會下沉到室內下方區域 而熱空氣則上浮在上方 這使得在低入口流速下 C1和C2栽培盤1的作物冠層氣流溫度普遍低于 上部栽培盤 當流速進一步增大 入口冷氣流可 克服室內熱壓將內部熱空氣排出 使作物冠層溫 度顯著降低 當送風位置為底部時 受入口冷空 氣下沉 熱空氣上升影響 室內出現明顯熱分層 現象 即上部溫度高下部溫度低 致使下方作物 冠層氣流溫度普遍低于上部 隨著入口流速增大 對于C3 由于進出口異側布置 熱量在室內左上 側聚集 致使該區域溫度較高 C4為進出口同側 布置 這使室內氣流形成回流擾動 有利于熱空 氣排出 因此 作物冠層氣流平均溫度隨入口氣流 速度增大而無明顯變化 圖7為C1 C2 C3和C4隨入口流速變化 系統作物冠層總體溫度變動系數RSDT的變化情 a C1和C2 b C3和C4 圖7 在入口流速改變下冠層平均溫度RSDT變化 況 由圖7可知 1 C1和C2的RSDT隨入口流速 變化總體呈下降趨勢 當入口流速v 2 0 m s時 C2的RSDT略有增加 而后再降低 這一變化也 可從圖5和圖6 b 中得知 2 C3的 RSDT值呈先 降后增再降趨勢 當v 1 5 m s時 RSDT值降低 到0 91 當1 5 m s v 2 5 m s時 RSDT先增 加到1 35 隨后降低至0 4 左右 這一變化主 要是由栽培室內熱分層以及入口上方熱空氣堆積 引起的 3 C4 的 RSDT值隨入口流速增加也呈下 降趨勢 且在各入口流速下的 RSDT 值均小于其 他方案 這主要歸功于底部入口以及進出口同側 設計 該設計有利于內部熱量及時排出 2 2 相對濕度分析 相對濕度 RH 是指空氣中實際水汽壓與相同 溫度下飽和水汽壓之比 其對作物的生長發育有 重要影響 相關研究 25 表明 生菜類和綠葉蔬菜 類作物的理想RH值應為50 70 高RH易使 作物被病菌感染引發作物疾病 低 RH 則環境相 對干燥易使作物葉片外邊緣產生燒傷現象 24 25 因此 為了提高室內的基礎相對濕度水平 在入口氣流 中將空氣RH設置為87 圖 8 為 4 種方案各栽培盤作物冠層平均 RH 和室內總冠層 RH 隨入口流速變化情況 由圖 8 可知 當進風口為頂部設計時 C1 C2 各栽培 盤作物冠層 RH 值及系統平均 RH 值均呈上升趨 勢 當進風口為底部設計時 即使在低入口流速 下各栽培盤作物冠層 RH 值也普遍高于入口頂部 設計時的 C3冠層總體平均RH值隨著入口流速 增大呈下降趨勢 而C4冠層總體平均RH值無明 顯降低且在各入口流速下 作物冠層 RH 值基本 處于適宜范圍內 圖8中還可觀察出一明顯現象 即 在各方案下 下層栽培盤冠層 RH 普遍高于 上層栽培盤冠層 RH 值 這主要是由于入口冷空 氣下沉 內部熱空氣上浮 值得注意的是 當入 口流速v 1 5 m s時 C3 C4栽培盤3作物冠層 RH顯著高于栽培盤1 2 甚至C4栽培盤4冠層 RH 值也高于栽培盤 1 2 這是由于在當前入口 流速下 低溫空氣在撞擊側面及螺旋混合后流動 到上方栽培盤區域 使得該區域溫度低于下方栽 培盤 圖9為各方案系統作物冠層總體RH變動系 數 RSDRH隨入口流速變化情況 RH 值主要受溫 度變化影響 因此 RSDRH變化情況與RSDT變化 十分相似 C1 C2和C4的RSDRH隨入口流速v 趙福云 等 不同進氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環境分布模擬分析 第33卷 45 增大總體呈下降趨勢 但當v 2 0 m s時 C2的 RSDRH高于v 1 5 m s時的RSDRH 這是由于各栽 培盤溫度差異較大引起 C3則呈先降后升再降低 趨勢 這與RSDT變化原因一致 a C1 b C2 c C3 d C4 圖8 入口流速變化下各栽培盤冠層平均相對濕度 2 3 CO2質量分數分析 CO2 是光合作用原料與呼吸作用的產物 適 當提高 CO2 質量分數有助于抑制作物呼吸作用 增強光合作用 進而有效提高作物產量 26 a C1和C2 b C3和C4 圖9 入口流速改變下作物冠層平均相對濕度RSDRH變化 各栽培區作物冠層的平均CO2質量分數 系 統冠層的整體CO2質量分數及其均勻度也是重點 關注內容 圖 10 為栽培盤作物冠層的平均 CO2 質量分數隨入口流速變化情況 由圖10中可知 栽培盤作物冠層的 CO2質量分數的一般趨勢 1 受入口冷空氣下沉及CO2本身性質影響 栽培盤 1 作物冠層的平均 CO2質量分數大都高于其他栽 培盤的 2 隨著入口流速增大 CO2供應量增加 各栽培盤作物冠層的平均CO2質量分數普遍呈上 升趨勢 其中 C1 和 C2 上升趨勢較明顯 C3 和 C4 變化則不明顯 3 對于 C1 和 C2 當入口 流速v 1 0 m s時 栽培盤1作物冠層的CO2質 量分數值與其他栽培盤的差別較大 C2各栽培盤 作物冠層的CO2質量分數值差異明顯 隨著入口 流速進一步增大 作物冠層的CO2質量分數差距 逐步降低 這是由于入口流速增大 室內氣流結 構變得復雜 加上浮力對內部氣流的擾動增強 這些均有利于 CO2的擴散與遷移 4 對于 C3 和 C4 由于進口底部 出口頂部的設計 在內部空 氣浮升力協助下 即使在低進口流速下 入口新 鮮空氣也可以快速在整個室內流動擴散 使得各 栽培盤作物冠層的CO2質量分數值處于較高水平 并且隨著入口流速增加 其冠層的總體CO2質量 分數變化不大 湖 南 城 市 學 院 學 報 自然科學版 2024年第2期 46 a C1 b C2 c C3 d C4 圖10 入口流速變化下各栽培盤作物冠層 平均CO2質量分數 圖 11 為各方案作物冠層 CO2質量分數變動 系數RSDC隨入口流速的變化情況 由圖11可知 隨著入口流速增大 C1和C2的RSDC總體呈下 降趨勢 但當v 2 5 m s時 RSDC略有增大 C4 則隨入口流速變化呈穩定降低趨勢 且當 v 1 0 m s 時 RSDC小于C1和C2 C4與C3同為底部入 口 頂部出口設計 但由于相對位置不同 當 1 5 m s v 2 5 m s時 C3的系統冠層RSDC呈上 升趨勢 這一變化主要是由于進口與出口的相對 布置導致 C3 左上方區域與右下方區域 CO2質量 分數出現較大差異 這也與溫度變化相似 a C1和C2 b C3和C4 圖11 入口流速下冠層CO2質量分數變動系數RSDC變化 3 結論 1 受入口冷空氣下沉和室內空氣熱浮升力影 響 底部栽培盤區域溫度普遍低于上部栽培盤 而RH及CO2質量分數則普遍高于上部栽培盤 在低入口流速下 C1和C2作物冠層溫度普遍高 于C3和C4 隨著v增加 C1和C2作物冠層溫 度逐漸降低 C3作物冠層總體平均溫度出現小幅 度上升 C4作物冠層平均溫度基本穩定在299 K 左右 可見 C4方案有較好的溫度分布 2 在系統中 RH 主要受溫度影響 各方案作 物冠層的 RH 變化與作物冠層溫度的變化相似 當v 1 5 m s時 C4栽培盤作物冠層RH值普遍 為 50 70 由于入口 CO2供應量增大 隨著 入口流速增大 各作物冠層CO2質量分數基本呈 上升趨勢 且C4的CO2質量分數平均值最高 3 隨著入口流速增加 C1 C2和C4方案作 物冠層RSDT RSDRH和RSDC總體呈下降趨勢 且基本在v 3 0 m s時達到最低值 增大入口流速 有助于改善冠層溫度 RH 和 CO2質量分數的均 趙福云 等 不同進氣方式下植物工廠作物冠層CO2與熱濕環境分布模擬分析 第33卷 47 勻性 但 C3 的 RSDT RSDRH和 RSDC則呈先降 后升再降趨勢 參考文獻 1 AVGOUSTAKI D D XYDIS G Plant factories in the water food energy Nexus era A systematic bibliographical review J Food 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