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第33卷第2期 湖 南 城 市 学 院 学 报 自然科学版 Vol 33 No 2 2024年3月 Journal of Hunan City University Natural Science Mar 2024 收稿日期 2023 06 13 基金项目 湖南省重点研发计划项目 2022SK2084 第一作者简介 赵福云 1977 男 湖南茶陵人 教授 博士生导师 主要从事建筑通风 流动传热以及计算流体力学研究 E mail zfycfdnet 不同进气方式下植物工厂作物冠层CO2与 热湿环境分布模拟分析 赵福云 谭志成 姚奕合 陈 皓 湖南工业大学 土木工程学院 湖南 株洲 412007 摘要 为探究在不同进气方式下植物工厂作物冠层环境的变化情况 对室内人工光型植物工厂内部温度 相对湿度 relative humidity RH 以及CO2质量分数分布进行了数值研究 并考虑了作物存在及H2O蒸发 CO2 吸收的影响 讨论了4种不同进 出风口位置及5种入口流速对植物工厂作物冠层的影响 并对作物冠层温度 变动系数RSDT RH变动系数RSDRH及CO2质量分数变动系数RSDC进行了分析 结果表明 不同进出口布置与 不同入口流速v对冠层温度 相对湿度RH以及CO2质量分数分布有较大影响 当进出口布置为下进上出同侧 C4 时 即使在低流速下室内也有良好的温度分布 当v 1 5 m s时 C4方案各冠层RH值均处于50 70 这一适 宜区间 CO2质量分数均值也高于其他方案 随着v增大 RSDT RSDRH及RSDC均降低明显 作物冠层温度 RH及CO2质量分数均匀性表现良好 关键词 植物工厂 数值模拟 通风 中图分类号 TU262 文献标识码 A doi 10 3969 j issn 1672 7304 2024 02 0007 文章编号 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 当前 世界人口正处于一个加速增长阶段 联合国报告 1 显示 到2030年 世界人口预计达 到85亿 2050年世界人口甚至将突破97亿 快 速增长的人口对可靠的粮食供应带来了巨大挑战 传统农业生产模式极易受到外界环境变化的影响 其中恶劣天气 生物多样性威胁等都将对农业生 产造成不利影响 2 4 植物工厂由于其环境高精度 可控 即可对作物生长过程中的光照 温度 湿 度 CO2 质量分数等进行精准控制 几乎不受外 界自然环境影响与制约的生产方式 可实现作物 连续生产等优点而被世界各国视为新兴高技术农 业生产产业与未来农业的重点发展方向 5 赵福云 等 不同进气方式下植物工厂作物冠层CO2与热湿环境分布模拟分析 第33卷 41 作物的生长离不开适宜的环境 不合理的通 风设计可能使作物表面气流均匀性恶化 6 7 导致作 物生长质量不理想 8 9 从而发生尖端烧伤 10 而随 着室内种植工厂技术的快速发展 众多学者对室 内种植工厂通风进行了研究 如 张晨 11 王静 等 12 考虑了 LED 灯热效应对植物工厂内部流场 及温度场的影响 Fang等 13 设计了3种不同的带 有通风孔的通风管道 分析了在不同孔径和直径 的通风管道下作物冠层上方气流的流动结构 并 考虑了作物及LED灯的影响 Plas等 14 在垂直农 业环境中使用了真实的植物几何结构来模拟作物 对气流的阻碍效应 Niam 等 15 对一小型垂直植 物种植工厂进行了数值模拟研究 分析了不同位 置送风对植物工厂内流场的影响并确定了最佳中 央空调送风位置 然而 相较于温室成熟的通风技术 16 而言 目前对于提高植物工厂栽培盘作物冠层环境均匀 性从而提高作物产量与质量 降低作物发生尖端 烧伤的研究仍然较少 因此 为提高室内垂直种 植系统作物冠层环境的均匀性 利用CFD技术考 虑作物存在和LED灯热效应 对不同送风位置 不同送风风速下垂直种植植物工厂作物的冠层温 度 相对湿度以及CO2质量分数均匀性进行分析 以期为植物工厂的通风设计提供理论参考 1 物理模型与数值模型 1 1 物理模型 该室内垂直种植工厂尺寸为长 宽 高 4 4 m 2 2 m 2 7 m 共有2个栽培架 每个栽 培架包含4个栽培盘 栽培盘1 2 3 4 栽培 架间隔0 6 m 每个栽培盘之间距离为0 36 m 栽 培盘上方10 cm的空间为作物所覆盖区域 模型中 作物品种为生菜 进 出风口尺寸为长 宽 1 0 m 0 3 m 假设该植物工厂对称 选取其1 2 模型进行研究计算 如图1 a 所示 a 模型示意 b 模型截面示意 图1 植物工厂模型及其模型截面示意 由于种植工厂中作物上方一般会布置 LED 灯给作物提供长时间光照 因此 模拟计算中将 LED灯散热对室内环境的影响通过图1 b 中栽培 盘底部恒定热流面来实现 1 2 数值模型 模拟计算中假设流体不可压缩 入口流体为 入口气流 由空气 水蒸气及CO2的混合气体组 成 其各组分扩散与运输由组分运输方程描述 利用Realizable k 湍流模型对混合空气湍流流动 进行计算 采用有限体积法对模型中所有的控制 方程进行离散 并对压力 速度耦合方程使用 SIMPLE 算法进行迭代求解 连续性方程 动量 方程 能量方程 k 湍动能方程 和 耗散率 方程 的通用形式 17 为 div div grad v S t 1 其中 为通用变量 为流体密度 单位为kg m3 v 为速度矢量 单位为 m s 为广义的扩散系 数 S 为源项 当 1时 方程为连续性方程 v u v w 时 方程为动量守恒方程 其中u v w为v 在3个方向的速度矢量 单位为m s T时 方程为能量守恒方程 此外 利用Boussinesq假设来近似计算由空 气温度变化引起的浮力效应 方程为 1 c cT T 2 其中 cT 为参考温度 单位为K c 为参考温度 下相对应的流体密度 单位为 kg m3 为膨胀 系数 在本研究中 作物冠层气流流速 温度 相 对湿度及CO2质量分数的均匀性为主要关注内容 冠层温度 相对湿度及CO2质量分数的均匀性由 相对标准偏差 relative standard deviation RSD 变 动系数 进行分析讨论 数学表达式为 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 分别为系统作物冠 层温度与CO2质量分数的变动系数 T RH C 分别为系统作物冠层平均温度 平均相对湿度以 及平均CO2质量分数 kT kRH kC 分别为第k 个栽培盘作物冠层平均温度 平均相对湿度及平 湖 南 城 市 学 院 学 报 自然科学版 2024年第2期 42 均CO2质量分数 为讨论不同通风位置变化以及入口流速变化 下作物冠层区域气流流速 温度 相对湿度及CO2 质量分数的均匀性变化情况 设置了4种不同气 流进出口位置及5种不同入口流速情况进行研究 4 种通风进出口位置变化分别为上进下出异侧 上进下出同侧 下进上出异侧与下进上出同侧 各通风进出口位置设计如图 2 所示 5 种入口流 速变化分别为1 1 5 2 2 5和3 m s 见表1 C1 上进下出异侧 C2 上进下出同侧 C3 下进上出异侧 C4 下进上出同侧 图2 不同通风位置变化 表1 不同数值工况方案 方案 通风位置 入口温度 K 入口流速v m s 1 入口CO2质量分数 入口相对湿度 LED恒定热流 W m 2 C1 上进下出异侧 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C2 上进下出同侧 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C3 下进上出异侧 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 C4 下进上出同侧 298 15 1 1 5 2 2 5 3 0 153 87 500 作物对冠层气流的阻碍作用不可忽略 模型 中选用生菜这一作物来计算其对气流的阻碍 并 将生菜覆盖区域假设为均匀多孔介质区域 其对 气流的阻碍拖拽效应由公式 6 18 计算 2 AD DS L C u 6 其中 ADL 47 3 m2 m3 为叶面积密度 DC 为作 物阻力系数 DC 0 02 19 模型中还考虑了生菜光合作用中产生的 CO2 对作物冠层区域CO2质量分数的影响 见图1 b 作物CO2消耗速率及H2O产生速率参考Naranjani 等 20 的研究设定 各材料属性及 CO2消耗速率 H2O蒸腾速率见表2 表2 混合气体物理特性 CO2消耗速率及H2O产生速率 材料 条件 混合气体密度 Incompressible ideal gas 混合气体比热 Mixing law 混合气体粘度 1 720 10 5 kg m 3 s 1 CO2消耗速率 3 160 10 5 kg m 3 s 1 H2O蒸腾速率 2 489 10 4 kg m 3 s 1 1 3 网格独立性验证 为了保证模拟结果的准确性 同时合理利用 计算机资源 节约计算时间 分别采用4种不同 数量级的网格 即 粗网格 339 885 基础网格 549 300 中等网格 862 888 和精细网格 1 754 292 在方案C1 v 2 m s 条件下对进出口 压力差 P 与进出口温度差 T 进行模拟对比分析 结果见图 3 由图 3 可知 中等数量网格与精细 网格的模拟结果十分接近 这表明中等数量的网 格已经能够较为准确地计算出数值仿真案例的主 要变化特征 因此 在后续计算中选用中等数量 网格进行数值计算 图3 不同网格数量下模拟结果对比 1 4 数值模型可行性验证 为了验证数值模型的准确性与可行性 模拟 了一通风腔内的混合对流传热并与 Blay 等 21 所 做试验结果进行对比验证 通风腔具体尺寸及边 界条件可在Kosutova等 22 的研究中得知 该试验 已被用于室内传热流动的数值模型验证 22 23 验 证结果如图4所示 图4 数值模型结果验证 赵福云 等 不同进气方式下植物工厂作物冠层CO2与热湿环境分布模拟分析 第33卷 43 由图4可知 数值模拟结果与试验值具有良 好的一致性 吻合度较好 因此 本模型所使用 的数值方法具有一定的准确性与可靠性 2 结果与讨论 2 1 温度分析 温度对作物生长极为重要 它将直接影响到 环境中相对湿度 RH 大小以及作物的各项生理活 动 24 周围环境温度过高时 会使得作物蒸腾作 用加剧 导致作物吸收水分的速率与水分蒸发速 率失衡 造成作物失水而萎蔫甚至枯死 因此将 环境温度控制在较低范围内有利于保证系统产量 图5为x 0 55 m处入口在流速变化下各方案内部 温度分布 由图5可知 在设计方案为C1和C2 时 由于进 出风口上下布置 当室外冷空气进 入室内时会下沉到室内下方 而室内热空气则在 浮力作用下在栽培室上方聚集难以排出 当入口 流速进一步增大时 入口风压足以克服室内热压 从而有效驱动内部热空气排出 并有效降低室内 与冠层的温度 当设计为进风口底部布置的方案 C3和C4时 受热浮升力影响 室内热空气可较 为容易地从顶部出风口排出 这使得在低入口流 速下室内栽培盘区域有较低的温度分布 各栽培盘作物冠层温度变化为主要关注内容 图6为各设计方案下栽培盘作物冠层平均温度变 化情况 图5 x 0 55 m处各方案温度分布 a C1 b C2 c C3 d C4 图6 入口流速变化下各栽培盘作物冠层平均温度 湖 南 城 市 学 院 学 报 自然科学版 2024年第2期 44 由图 6 可知 1 由于冷空气下沉 栽培盘 1 作物的冠层平均气流温度普遍低于上方栽培盘作 物冠层气流温度 2 在进风口位于顶部的设计 方 案C1和C2 中 随着入口流速增大 各栽培盘作 物冠层气流温度普遍降低 3 在进风口位于底部 的设计 C3和C4 中 由于热浮升力影响 在低入 口流速下栽培盘作物冠层气流温度也低于 C1 和 C2 随着入口流速增大 C3 作物冠层平均温度略 有上升 而 C4 作物冠层平均温度变化不大 当 送风位置顶部布置时 C1和C2有着相似的温度 分布 在空气进入室内时 由于入口气流温度低 于室内空气温度 冷气流会下沉到室内下方区域 而热空气则上浮在上方 这使得在低入口流速下 C1和C2栽培盘1的作物冠层气流温度普遍低于 上部栽培盘 当流速进一步增大 入口冷气流可 克服室内热压将内部热空气排出 使作物冠层温 度显著降低 当送风位置为底部时 受入口冷空 气下沉 热空气上升影响 室内出现明显热分层 现象 即上部温度高下部温度低 致使下方作物 冠层气流温度普遍低于上部 随着入口流速增大 对于C3 由于进出口异侧布置 热量在室内左上 侧聚集 致使该区域温度较高 C4为进出口同侧 布置 这使室内气流形成回流扰动 有利于热空 气排出 因此 作物冠层气流平均温度随入口气流 速度增大而无明显变化 图7为C1 C2 C3和C4随入口流速变化 系统作物冠层总体温度变动系数RSDT的变化情 a C1和C2 b C3和C4 图7 在入口流速改变下冠层平均温度RSDT变化 况 由图7可知 1 C1和C2的RSDT随入口流速 变化总体呈下降趋势 当入口流速v 2 0 m s时 C2的RSDT略有增加 而后再降低 这一变化也 可从图5和图6 b 中得知 2 C3的 RSDT值呈先 降后增再降趋势 当v 1 5 m s时 RSDT值降低 到0 91 当1 5 m s v 2 5 m s时 RSDT先增 加到1 35 随后降低至0 4 左右 这一变化主 要是由栽培室内热分层以及入口上方热空气堆积 引起的 3 C4 的 RSDT值随入口流速增加也呈下 降趋势 且在各入口流速下的 RSDT 值均小于其 他方案 这主要归功于底部入口以及进出口同侧 设计 该设计有利于内部热量及时排出 2 2 相对湿度分析 相对湿度 RH 是指空气中实际水汽压与相同 温度下饱和水汽压之比 其对作物的生长发育有 重要影响 相关研究 25 表明 生菜类和绿叶蔬菜 类作物的理想RH值应为50 70 高RH易使 作物被病菌感染引发作物疾病 低 RH 则环境相 对干燥易使作物叶片外边缘产生烧伤现象 24 25 因此 为了提高室内的基础相对湿度水平 在入口气流 中将空气RH设置为87 图 8 为 4 种方案各栽培盘作物冠层平均 RH 和室内总冠层 RH 随入口流速变化情况 由图 8 可知 当进风口为顶部设计时 C1 C2 各栽培 盘作物冠层 RH 值及系统平均 RH 值均呈上升趋 势 当进风口为底部设计时 即使在低入口流速 下各栽培盘作物冠层 RH 值也普遍高于入口顶部 设计时的 C3冠层总体平均RH值随着入口流速 增大呈下降趋势 而C4冠层总体平均RH值无明 显降低且在各入口流速下 作物冠层 RH 值基本 处于适宜范围内 图8中还可观察出一明显现象 即 在各方案下 下层栽培盘冠层 RH 普遍高于 上层栽培盘冠层 RH 值 这主要是由于入口冷空 气下沉 内部热空气上浮 值得注意的是 当入 口流速v 1 5 m s时 C3 C4栽培盘3作物冠层 RH显著高于栽培盘1 2 甚至C4栽培盘4冠层 RH 值也高于栽培盘 1 2 这是由于在当前入口 流速下 低温空气在撞击侧面及螺旋混合后流动 到上方栽培盘区域 使得该区域温度低于下方栽 培盘 图9为各方案系统作物冠层总体RH变动系 数 RSDRH随入口流速变化情况 RH 值主要受温 度变化影响 因此 RSDRH变化情况与RSDT变化 十分相似 C1 C2和C4的RSDRH随入口流速v 赵福云 等 不同进气方式下植物工厂作物冠层CO2与热湿环境分布模拟分析 第33卷 45 增大总体呈下降趋势 但当v 2 0 m s时 C2的 RSDRH高于v 1 5 m s时的RSDRH 这是由于各栽 培盘温度差异较大引起 C3则呈先降后升再降低 趋势 这与RSDT变化原因一致 a C1 b C2 c C3 d C4 图8 入口流速变化下各栽培盘冠层平均相对湿度 2 3 CO2质量分数分析 CO2 是光合作用原料与呼吸作用的产物 适 当提高 CO2 质量分数有助于抑制作物呼吸作用 增强光合作用 进而有效提高作物产量 26 a C1和C2 b C3和C4 图9 入口流速改变下作物冠层平均相对湿度RSDRH变化 各栽培区作物冠层的平均CO2质量分数 系 统冠层的整体CO2质量分数及其均匀度也是重点 关注内容 图 10 为栽培盘作物冠层的平均 CO2 质量分数随入口流速变化情况 由图10中可知 栽培盘作物冠层的 CO2质量分数的一般趋势 1 受入口冷空气下沉及CO2本身性质影响 栽培盘 1 作物冠层的平均 CO2质量分数大都高于其他栽 培盘的 2 随着入口流速增大 CO2供应量增加 各栽培盘作物冠层的平均CO2质量分数普遍呈上 升趋势 其中 C1 和 C2 上升趋势较明显 C3 和 C4 变化则不明显 3 对于 C1 和 C2 当入口 流速v 1 0 m s时 栽培盘1作物冠层的CO2质 量分数值与其他栽培盘的差别较大 C2各栽培盘 作物冠层的CO2质量分数值差异明显 随着入口 流速进一步增大 作物冠层的CO2质量分数差距 逐步降低 这是由于入口流速增大 室内气流结 构变得复杂 加上浮力对内部气流的扰动增强 这些均有利于 CO2的扩散与迁移 4 对于 C3 和 C4 由于进口底部 出口顶部的设计 在内部空 气浮升力协助下 即使在低进口流速下 入口新 鲜空气也可以快速在整个室内流动扩散 使得各 栽培盘作物冠层的CO2质量分数值处于较高水平 并且随着入口流速增加 其冠层的总体CO2质量 分数变化不大 湖 南 城 市 学 院 学 报 自然科学版 2024年第2期 46 a C1 b C2 c C3 d C4 图10 入口流速变化下各栽培盘作物冠层 平均CO2质量分数 图 11 为各方案作物冠层 CO2质量分数变动 系数RSDC随入口流速的变化情况 由图11可知 随着入口流速增大 C1和C2的RSDC总体呈下 降趋势 但当v 2 5 m s时 RSDC略有增大 C4 则随入口流速变化呈稳定降低趋势 且当 v 1 0 m s 时 RSDC小于C1和C2 C4与C3同为底部入 口 顶部出口设计 但由于相对位置不同 当 1 5 m s v 2 5 m s时 C3的系统冠层RSDC呈上 升趋势 这一变化主要是由于进口与出口的相对 布置导致 C3 左上方区域与右下方区域 CO2质量 分数出现较大差异 这也与温度变化相似 a C1和C2 b C3和C4 图11 入口流速下冠层CO2质量分数变动系数RSDC变化 3 结论 1 受入口冷空气下沉和室内空气热浮升力影 响 底部栽培盘区域温度普遍低于上部栽培盘 而RH及CO2质量分数则普遍高于上部栽培盘 在低入口流速下 C1和C2作物冠层温度普遍高 于C3和C4 随着v增加 C1和C2作物冠层温 度逐渐降低 C3作物冠层总体平均温度出现小幅 度上升 C4作物冠层平均温度基本稳定在299 K 左右 可见 C4方案有较好的温度分布 2 在系统中 RH 主要受温度影响 各方案作 物冠层的 RH 变化与作物冠层温度的变化相似 当v 1 5 m s时 C4栽培盘作物冠层RH值普遍 为 50 70 由于入口 CO2供应量增大 随着 入口流速增大 各作物冠层CO2质量分数基本呈 上升趋势 且C4的CO2质量分数平均值最高 3 随着入口流速增加 C1 C2和C4方案作 物冠层RSDT RSDRH和RSDC总体呈下降趋势 且基本在v 3 0 m s时达到最低值 增大入口流速 有助于改善冠层温度 RH 和 CO2质量分数的均 赵福云 等 不同进气方式下植物工厂作物冠层CO2与热湿环境分布模拟分析 第33卷 47 匀性 但 C3 的 RSDT RSDRH和 RSDC则呈先降 后升再降趋势 参考文献 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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