微型植物工厂环境控制参数优化试验研究.pdf

微 型 植 物 工 厂 环 境 控 制 参 数 优 化 试 验 研 究 左 志 宇 徐 超 毛 罕 平 张 晓 东 杨 俊 杰 江 苏 大 学 现 代 农 业 装 备 与 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室 江 苏 镇 江 2 1 2 0 1 3 摘 要 为 了 提 高 微 型 植 物 工 厂 内 部 温 度 分 布 均 匀 性 和 作 物 净 光 合 速 率 提 出 采 用 试 验 研 究 和 C F D 仿 真 相 结 合 的 方 法 对 其 环 境 控 制 参 数 进 行 优 化 设 计 以 生 菜 为 例 通 过 多 因 素 耦 合 试 验 探 索 了 温 度 湿 度 和 循 环 风 速 3 种 因 素 对 生 菜 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 的 影 响 并 对 不 同 风 速 控 制 策 略 下 植 物 工 厂 内 气 流 场 和 温 度 场 进 行 了 C F D 数 值 仿 真 分 析 试 验 结 果 表 明 风 速 对 生 菜 的 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 均 有 显 著 影 响 微 型 植 物 工 厂 内 采 用 上 层 低 循 环 风 速 下 层 高 循 环 风 速 模 式 有 利 于 保 证 内 部 温 度 的 均 匀 性 生 菜 的 净 光 合 速 率 也 处 于 较 高 水 平 有 利 于 其 生 长 关 键 词 环 境 控 制 微 型 植 物 工 厂 净 光 合 速 率 蒸 腾 速 率 C F D 中 图 分 类 号 S 6 2 6 9 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 3 1 8 8 X 2 0 2 0 1 2 0 1 5 0 0 6 0 引 言 植 物 工 厂 可 以 实 现 周 年 连 续 生 产 效 率 和 土 地 利 用 率 高 是 设 施 农 业 发 展 的 最 高 阶 段 1 目 前 我 国 还 没 有 大 规 模 盈 利 的 商 业 化 植 物 工 厂 2 植 物 工 厂 所 使 用 的 的 温 度 光 湿 度 和 营 养 液 等 环 境 的 调 控 消 耗 大 量 的 能 源 使 植 物 工 厂 的 运 行 成 本 很 高 而 产 出 的 作 物 还 不 能 实 现 盈 利 不 合 理 的 环 境 控 制 参 数 设 置 不 仅 不 利 于 植 物 生 长 还 浪 费 了 大 量 的 电 能 亟 需 对 环 境 控 制 参 数 进 行 优 化 设 计 植 物 工 厂 是 密 闭 的 空 间 补 光 灯 等 热 源 产 生 的 热 量 会 对 环 境 的 温 度 产 生 明 显 的 影 响 作 物 蒸 腾 作 用 也 使 植 物 工 厂 内 的 湿 度 和 潜 热 增 加 植 物 工 厂 中 照 射 到 植 物 叶 片 的 光 只 有 5 的 光 能 被 作 物 吸 收 利 用 进 行 光 合 作 用 其 余 则 转 化 为 热 量 散 失 3 植 物 工 厂 内 部 环 境 是 持 续 动 态 变 化 的 研 究 环 境 对 植 物 的 影 响 为 植 物 提 供 量 身 定 制 的 环 境 合 理 均 衡 热 量 的 分 布 是 降 低 植 物 工 厂 能 耗 促 进 作 物 生 长 的 有 效 途 径 近 年 来 很 多 学 者 研 究 了 光 源 和 对 植 物 工 厂 内 植 收 稿 日 期 2 0 1 9 0 5 3 1 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 6 1 7 7 1 2 2 4 江 苏 省 现 代 农 业 研 究 开 发 类 重 点 项 目 B E 2 0 1 5 3 4 7 国 家 大 宗 蔬 菜 产 业 技 术 体 系 岗 位 专 家 项 目 C A R S 2 3 0 2 A 江 苏 省 农 业 科 技 自 主 创 新 项 目 C X 1 8 1 0 0 7 作 者 简 介 左 志 宇 1 9 7 7 男 湖 南 湘 乡 人 副 教 授 E m a i l z u o z y u j s e d u c n 通 讯 作 者 毛 罕 平 1 9 6 1 男 浙 江 宁 波 人 教 授 博 士 生 导 师 E m a i l m a o h p u j s e d u c n 物 的 影 响 4 5 及 营 养 液 对 植 物 工 厂 内 植 物 的 影 响 6 8 但 温 湿 风 对 植 物 的 影 响 却 鲜 有 人 研 究 植 物 地 上 部 干 物 质 的 9 0 9 5 来 自 于 光 合 作 用 净 光 合 速 率 是 光 合 作 用 重 要 的 生 理 学 参 数 9 蒸 腾 速 率 不 仅 与 作 物 对 水 分 和 营 养 液 的 吸 收 相 关 对 植 物 工 厂 的 环 境 也 会 产 生 一 定 影 响 因 此 本 文 提 出 通 过 试 验 对 不 同 的 温 度 湿 度 和 循 环 风 速 条 件 下 生 菜 叶 片 的 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 进 行 研 究 探 究 温 度 湿 度 和 循 环 风 速 对 生 菜 的 影 响 利 用 C F D 技 术 对 微 型 植 物 工 厂 内 的 温 度 分 布 和 气 流 分 布 进 行 模 拟 对 微 型 植 物 工 厂 内 部 环 境 控 制 参 数 进 行 优 化 设 计 1 试 验 设 计 及 结 果 分 析 1 1 试 验 设 计 试 验 在 江 苏 大 学 农 业 装 备 工 程 学 院 的 植 物 工 厂 中 进 行 选 用 意 大 利 耐 抽 苔 生 菜 品 种 采 用 6 1 2 穴 盘 育 苗 试 验 生 菜 采 用 8 L 的 水 培 箱 栽 培 营 养 液 采 用 霍 格 兰 生 菜 标 准 配 方 每 3 日 更 换 一 次 营 养 液 补 光 灯 的 开 闭 和 温 湿 度 的 调 节 都 由 植 物 工 厂 控 制 计 算 机 自 动 控 制 以 保 持 所 需 的 试 验 环 境 试 验 研 究 温 度 湿 度 和 风 速 等 3 种 因 素 对 生 菜 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 的 影 响 温 度 设 置 3 个 水 平 即 T 1 1 8 T 2 2 2 和 T 3 2 6 湿 度 设 置 3 个 水 平 即 H 1 4 0 H 2 6 0 和 H 3 8 0 风 速 设 置 4 个 水 平 即 W 1 0 m s W 2 0 6 m s W 3 1 2 m s 和 W 4 1 8 m s 共 3 6 种 处 理 补 光 灯 设 置 为 每 天 早 上 6 0 0 打 开 晚 上 2 1 0 0 关 闭 在 数 据 测 量 前 用 风 速 调 节 装 置 对 被 测 生 菜 运 行 0 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 农 机 化 研 究 第 1 2 期 1 0 m i n 待 稳 定 后 测 量 数 据 使 用 L i 6 4 0 0 便 携 式 光 合 速 率 仪 测 定 叶 片 的 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 取 生 菜 顶 端 第 3 片 功 能 叶 每 张 叶 片 重 复 测 量 3 次 1 2 试 验 结 果 分 析 1 2 1 温 度 湿 度 和 循 环 风 速 对 叶 片 净 光 合 速 率 的 影 响 当 循 环 风 速 为 W 1 和 W 2 时 在 相 同 的 湿 度 条 件 下 生 菜 的 净 光 合 速 率 随 温 度 的 升 高 呈 现 先 升 高 后 降 低 的 趋 势 在 相 同 的 温 度 条 件 下 生 菜 的 净 光 合 速 率 随 湿 度 的 升 高 呈 现 先 平 缓 变 化 后 降 低 的 趋 势 记 循 环 风 速 W 1 W 2 W 3 和 W 4 条 件 下 生 菜 的 净 光 合 速 率 分 别 为 P n W 1 P n W 2 P n W 3 和 P n W 4 在 生 菜 苗 期 不 同 循 环 风 速 下 生 菜 的 净 光 合 速 率 关 系 为 P n W 4 P n W 3 P n W 1 与 P n W 1 相 比 P n W 4 和 P n W 3 分 别 增 长 了 1 4 8 1 和 9 9 9 P n W 2 与 P n W 1 接 近 如 图 1 所 示 当 循 环 风 速 为 W 3 和 W 4 湿 度 为 H 1 时 生 菜 的 净 光 合 速 率 随 温 度 的 升 高 呈 现 先 升 高 后 降 低 的 趋 势 当 湿 度 为 H 2 和 H 3 时 生 菜 的 净 光 合 速 率 随 温 度 的 升 高 而 升 高 当 温 度 为 T 1 和 T 2 时 生 菜 的 净 光 合 速 率 随 湿 度 的 升 高 而 降 低 当 温 度 为 T 3 时 生 菜 的 净 光 合 速 率 随 湿 度 的 升 高 呈 现 先 升 高 后 降 低 的 趋 势 净 光 合 速 率 最 大 的 处 理 为 W 4 H 2 T 3 图 1 苗 期 叶 片 净 光 合 速 率 F i g 1 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e o f s e e d l i n g l e a v e s 生 长 发 育 期 叶 片 净 光 合 速 率 如 图 2 所 示 在 生 菜 生 长 发 育 期 各 处 理 的 P n W 4 和 P n W 3 分 别 比 P n W 1 平 均 增 长 了 1 7 3 9 和 1 4 8 7 比 苗 期 的 增 幅 更 大 在 苗 期 和 生 长 发 育 期 各 处 理 的 净 光 合 速 率 的 平 均 值 为 5 6 4 m o l m 2 s 和 1 1 0 5 m o l m 2 s 生 长 发 育 期 比 苗 期 的 净 光 合 速 率 增 长 了 5 4 1 m o l m 2 s 净 光 合 速 率 最 大 的 处 理 为 W 4 H 2 T 3 收 获 期 叶 片 净 光 合 速 率 如 图 3 所 示 在 生 菜 收 获 期 W 3 和 W 4 条 件 下 的 净 光 合 速 率 大 于 W 1 和 W 2 条 件 下 的 净 光 合 速 率 但 增 幅 较 小 平 均 增 幅 仅 为 9 7 收 获 期 各 处 理 的 净 光 合 速 率 的 平 均 值 为 5 3 8 m o l m 2 s 略 低 于 苗 期 净 光 合 速 率 最 大 的 处 理 为 W 4 H 2 T 2 图 2 生 长 发 育 期 叶 片 净 光 合 速 率 F i g 2 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e o f g r o w i n g l e a v e s 图 3 收 获 期 叶 片 净 光 合 速 率 F i g 3 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e o f h a r v e s t 温 度 不 高 于 T 3 时 温 度 的 升 高 对 生 菜 的 净 光 合 速 率 有 促 进 作 用 但 达 到 一 定 温 度 后 净 光 合 速 率 便 稳 定 在 一 定 的 水 平 湿 度 对 生 菜 净 光 合 速 率 的 影 响 随 循 环 风 速 的 大 小 变 化 而 不 同 低 循 环 风 速 W 1 和 W 2 高 湿 度 H 3 对 生 菜 叶 片 的 净 光 合 速 率 有 一 定 的 抑 制 作 用 而 高 循 环 风 速 W 3 和 W 4 高 湿 度 H 3 时 湿 度 对 生 菜 叶 片 的 净 光 合 速 率 有 促 进 作 用 这 是 由 于 生 菜 冠 层 的 湿 度 随 着 循 环 风 速 增 大 而 降 低 同 时 循 环 风 速 会 加 快 蒸 腾 速 率 从 而 降 低 冠 层 的 温 度 此 时 冠 层 的 温 湿 度 要 低 于 条 件 设 定 的 温 湿 度 当 对 生 菜 施 加 高 循 环 风 速 高 湿 度 1 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 农 机 化 研 究 第 1 2 期 条 件 时 冠 层 温 湿 度 都 处 在 生 菜 生 长 的 适 宜 水 平 因 此 高 循 环 风 速 高 湿 度 时 湿 度 对 生 菜 叶 片 的 净 光 合 速 率 有 促 进 作 用 在 收 获 期 生 菜 的 蒸 腾 速 率 会 减 弱 其 降 温 程 度 不 如 苗 期 和 生 长 发 育 期 明 显 同 时 最 适 宜 的 生 长 温 度 也 发 生 了 变 化 净 光 合 速 率 的 最 大 值 出 现 在 比 W 4 H 2 T 3 温 度 稍 低 的 W 4 H 2 T 2 组 当 循 环 风 速 为 W 3 和 W 4 时 循 环 风 速 对 生 菜 的 净 光 合 速 率 有 促 进 作 用 当 循 环 风 速 为 W 1 和 W 2 时 循 环 风 速 对 生 菜 的 净 光 合 速 率 无 显 著 影 响 1 2 2 温 度 湿 度 循 环 风 速 对 叶 片 蒸 腾 速 率 的 影 响 在 苗 期 循 环 风 速 为 W 3 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 腾 速 率 比 循 环 风 速 为 W 1 的 蒸 腾 速 率 分 别 提 高 了 0 3 7 3 16 和 3 9 8 在 生 长 发 育 期 循 环 风 速 为 W 3 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 腾 速 率 比 循 环 风 速 为 W 1 的 蒸 腾 速 率 分 别 提 高 了 0 2 6 2 4 7 和 2 4 8 在 收 获 期 循 环 风 速 为 W 3 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 腾 速 率 比 循 环 风 速 为 W 1 的 蒸 腾 速 率 分 别 提 高 了 0 3 8 0 7 1 和 0 7 3 如 图 4 所 示 在 相 同 温 度 湿 度 处 理 的 条 件 下 循 环 风 速 为 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 腾 速 率 要 高 于 循 环 风 速 为 W 1 W 2 的 生 菜 的 蒸 腾 速 率 在 苗 期 和 生 长 发 育 期 高 循 环 风 速 下 生 菜 的 蒸 腾 速 率 远 高 于 低 循 环 风 速 的 蒸 腾 速 率 而 在 生 菜 的 生 长 收 获 期 高 循 环 风 速 下 生 菜 的 蒸 腾 速 率 与 低 循 环 风 速 相 差 不 大 因 此 循 环 风 速 对 生 菜 的 生 长 影 响 较 大 图 4 生 菜 的 蒸 腾 速 率 F i g 4 T r a n s p i r a t i o n r a t e o f l e t t u c e 2 微 型 植 物 工 厂 内 部 温 度 和 风 速 仿 真 2 1 气 流 循 环 方 案 设 计 及 数 值 模 型 温 度 和 循 环 风 速 对 生 菜 生 长 影 响 较 大 由 于 微 型 植 物 工 厂 内 空 间 较 小 其 内 部 气 流 的 大 小 和 分 布 对 热 量 的 分 布 有 很 大 影 响 不 均 匀 的 温 度 分 布 会 影 响 生 菜 的 生 长 同 时 也 是 一 种 能 量 的 浪 费 综 合 考 虑 植 物 的 生 长 和 节 能 保 证 温 度 的 均 匀 性 十 分 重 要 为 模 拟 微 型 植 物 工 厂 内 温 度 分 布 规 律 确 定 微 型 植 物 工 厂 内 适 合 的 循 环 风 速 控 制 方 式 建 立 了 微 型 植 物 工 厂 三 维 模 型 微 型 植 物 工 厂 内 腔 的 尺 寸 设 计 为 1 0 4 m 0 6 4 m 1 2 3 m 长 宽 高 外 壳 隔 热 材 料 厚 度 为 3 0 m m 采 用 A n s y s 软 件 建 立 微 型 植 物 工 厂 C F D 数 值 模 型 进 行 网 格 划 分 时 将 计 算 域 划 分 为 流 体 域 和 固 体 域 两 部 分 流 体 域 为 微 型 植 物 工 厂 内 的 空 气 固 体 域 为 微 型 植 物 工 厂 夹 层 内 的 隔 热 材 料 聚 氨 酯 泡 沫 总 的 网 格 数 为 4 3 2 0 6 8 6 总 的 节 点 数 为 7 3 3 0 2 9 将 风 扇 设 置 为 V E L O C I T Y I N L E T 吹 出 的 风 为 加 热 风 循 环 风 速 设 置 为 上 低 下 高 处 理 S 1 上 高 下 低 处 理 S 2 和 等 速 处 理 S 3 等 3 种 循 环 风 速 方 案 循 环 风 速 V 1 V 2 和 V 3 分 别 为 0 6 1 2 1 8 m s 聚 氨 酯 泡 沫 的 对 流 传 热 系 数 取 9 W m K 如 表 1 所 示 表 1 气 流 循 环 方 式 T a b l e 1 A i r c i r c u l a t i o n m o d e 处 理 上 层 中 层 下 层 S 1 V 1 V 2 V 3 S 2 V 3 V 2 V 1 S 3 V 3 V 3 V 3 激 活 能 量 方 程 选 择 k 模 型 取 g 9 81 m s 方 向 为 y 轴 负 方 向 选 用 SI M P L E 求 解 器 的 1 阶 迎 风 格 式 进 行 求 解 2 2 仿 真 结 果 分 析 处 理 S 3 为 微 型 植 物 等 速 气 流 循 环 模 式 进 风 口 下 方 气 流 梯 度 变 化 剧 烈 形 成 旋 流 及 涡 流 只 有 少 量 气 体 由 回 风 口 流 出 导 致 栽 培 架 内 左 侧 循 环 风 速 较 大 右 侧 循 环 风 速 较 小 当 循 环 风 速 为 1 2 m s 和 1 8 m s 时 对 生 菜 的 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 有 促 进 作 用 当 循 环 风 速 为 0 m s 和 0 6 m s 时 无 明 显 作 用 由 于 下 表 面 容 易 形 成 旋 流 和 涡 流 此 类 气 流 循 环 很 不 均 匀 不 同 植 物 承 受 的 循 环 风 速 差 异 较 大 因 此 需 要 优 化 如 图 5 a 所 示 图 5 b 为 温 度 分 布 云 图 图 5 中 贴 近 补 光 灯 管 处 温 度 较 高 上 中 和 下 各 温 度 差 超 过 1 上 下 层 温 差 较 大 容 易 引 起 压 缩 机 频 繁 启 动 当 微 型 植 物 工 厂 内 气 流 达 到 稳 态 时 处 理 S 1 和 处 理 S 2 的 循 环 风 速 云 图 如 图 6 所 示 此 时 两 种 处 2 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 农 机 化 研 究 第 1 2 期 理 均 达 到 较 高 循 环 风 速 水 平 其 中 处 理 S 2 循 环 风 速 平 均 值 为 1 6 4 m s 高 于 原 来 微 型 植 物 工 厂 气 流 速 度 上 面 3 层 的 循 环 风 速 比 为 7 6 小 于 处 理 S 3 8 2 标 准 差 为 0 9 0 均 匀 性 比 处 理 S 3 差 处 理 S 1 循 环 风 速 平 均 值 为 1 5 8 m s 高 于 处 理 S 3 的 气 流 速 度 上 面 3 层 的 循 环 风 速 比 为 7 7 小 于 处 理 S 3 标 准 差 为 0 1 2 均 匀 性 优 于 S 3 图 5 处 理 S 3 微 型 植 物 工 厂 风 速 和 温 度 分 布 F i g 5 W i n d s p e e d a n d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n m i c r o p l a n t f a c t o r y 图 6 风 速 云 图 F i g 6 V e l o c i t y m a g n i t u d e c o n t o u r s 将 处 理 S 1 和 处 理 S 2 的 循 环 风 速 分 布 云 图 和 温 度 分 布 云 图 进 行 对 比 可 知 温 度 分 布 趋 势 与 气 流 分 布 趋 势 有 一 定 关 系 循 环 风 速 大 的 区 域 温 度 较 低 循 环 风 速 小 的 地 方 温 度 较 高 微 型 植 物 工 厂 内 部 温 度 对 比 表 明 处 理 S 2 平 均 温 度 最 高 为 2 8 标 准 差 1 5 8 处 理 S 3 平 均 温 度 较 高 为 2 7 9 标 准 差 1 2 8 处 理 S 1 平 均 温 度 最 低 为 26 5 标 准 差 0 7 4 处 理 S 1 的 均 匀 性 最 好 因 此 环 境 控 制 过 程 中 优 先 采 用 处 理 S 1 方 案 图 7 温 度 云 图 F i g 7 T e m p e r a t u r e c o n t o u r s 3 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 农 机 化 研 究 第 1 2 期 3 验 证 试 验 使 用 设 计 的 样 机 进 行 了 生 菜 种 植 试 验 如 图 8 所 示 图 8 生 菜 种 植 试 验 F i g 8 L e t t u c e p l a n t i n g t e s t 验 证 试 验 处 理 1 为 上 低 下 高 的 循 环 方 式 设 定 上 层 循 环 风 速 为 0 6 m s 中 间 层 循 环 风 速 为 1 2 m s 下 层 循 环 风 速 为 1 8 m s 验 证 试 验 处 理 2 为 上 高 下 低 的 循 环 方 式 设 定 上 层 循 环 风 速 为 1 8 m s 中 间 层 循 环 风 速 为 1 2 m s 下 层 循 环 风 速 为 0 6 m s 验 证 试 验 处 理 3 为 等 速 的 循 环 方 式 设 定 上 层 中 间 层 下 层 循 环 风 速 均 为 1 8 m s 设 定 各 个 处 理 的 温 度 均 为 2 6 相 对 湿 度 均 为 6 0 微 型 植 物 工 厂 的 温 度 由 D T 1 7 2 温 湿 度 记 录 仪 测 量 在 每 层 均 匀 取 5 个 点 测 量 蒸 腾 速 率 和 净 光 合 速 率 由 L i 6 4 0 0 便 携 式 光 合 速 率 仪 测 得 每 层 取 3 棵 生 菜 测 量 实 测 平 均 温 度 均 低 于 仿 真 模 型 温 度 变 化 趋 势 基 本 相 同 上 低 下 高 的 验 证 试 验 处 理 1 中 微 型 植 物 工 厂 内 每 层 温 度 分 布 均 匀 最 大 温 差 为 0 5 生 菜 蒸 腾 速 率 的 平 均 值 为 1 9 4 m m o l m 2 s 与 等 速 的 验 证 试 验 处 理 3 相 差 不 大 净 光 合 速 率 为 5 3 5 m o l m 2 s 比 验 证 试 验 处 理 3 提 高 了 7 5 植 物 工 厂 温 度 如 表 2 所 示 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 如 表 3 所 示 因 此 优 化 出 的 循 环 风 速 为 上 低 下 高 温 度 湿 度 为 H 2 T 3 的 环 境 参 数 控 制 方 案 是 较 为 合 适 的 有 利 于 生 菜 生 长 表 2 微 型 植 物 工 厂 温 度 T a b l e 2 M i c r o p l a n t f a c t o r y t e m p e r a t u r e 验 证 试 验 处 理 仿 真 上 层 中 层 下 层 实 测 上 层 中 层 下 层 1 2 6 7 8 2 6 5 6 2 6 3 2 2 6 8 0 2 6 3 0 2 5 7 8 2 2 7 3 2 2 7 8 4 2 8 7 8 2 7 1 2 2 7 7 4 2 8 4 0 3 2 8 4 0 2 7 7 2 2 7 6 0 2 8 2 8 2 7 5 8 2 7 2 4 表 3 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 T a b l e 3 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e a n d t r a n s p i r a t i o n r a t e 验 证 试 验 处 理 净 光 合 速 率 m o l m 2 s 上 层 中 层 下 层 蒸 腾 速 率 m o l m 2 s 上 层 中 层 下 层 1 5 4 9 5 1 9 5 3 8 1 8 8 1 7 4 2 2 1 2 4 4 1 4 9 2 4 2 6 1 9 3 1 9 6 2 0 2 3 5 0 6 4 9 2 4 9 7 2 0 6 1 9 0 1 8 6 4 讨 论 与 结 论 4 1 讨 论 1 湿 度 和 风 通 过 影 响 生 菜 叶 片 的 气 孔 导 度 蒸 汽 压 差 和 冠 层 温 度 间 接 影 响 生 菜 的 净 光 合 速 率 和 蒸 腾 速 率 黄 瓜 的 净 光 合 速 率 随 湿 度 的 增 大 而 增 大 但 较 低 的 相 对 湿 度 对 黄 瓜 的 光 合 作 用 有 抑 制 作 用 1 0 有 研 究 表 明 高 温 下 增 大 空 气 湿 度 可 以 促 进 叶 片 的 净 光 合 速 率 的 增 长 1 1 本 试 验 中 不 同 生 长 时 期 的 生 菜 均 在 湿 度 为 H 2 时 取 得 净 光 合 速 率 的 较 大 值 当 湿 度 过 高 时 引 起 气 孔 阻 抗 的 增 加 光 合 作 用 所 需 的 C O 2 的 吸 收 速 度 降 低 导 致 净 光 合 速 率 降 低 植 物 工 厂 是 一 个 4 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 农 机 化 研 究 第 1 2 期 密 闭 的 空 间 当 循 环 风 速 为 高 循 环 风 速 时 湿 度 对 生 菜 叶 片 的 作 用 相 对 于 无 风 时 会 有 一 定 变 化 此 时 的 叶 片 受 温 度 湿 度 和 循 环 风 速 共 同 作 用 的 影 响 2 将 植 物 工 厂 的 气 体 交 换 方 式 设 计 为 侧 进 侧 出 侧 进 侧 上 出 和 侧 进 上 出 3 种 方 式 通 过 C F D 仿 真 分 析 植 物 冠 层 平 面 循 环 风 速 及 温 度 趋 势 发 现 侧 进 侧 出 为 最 佳 气 体 交 换 方 式 1 2 通 过 C F D 模 拟 微 型 植 物 工 厂 不 同 平 面 的 温 度 优 化 微 型 植 物 工 厂 传 感 器 的 布 置 位 置 1 3 通 过 C F D 技 术 模 拟 植 物 工 厂 内 风 场 和 温 度 场 进 行 优 化 是 可 行 的 本 文 通 过 C F D 模 拟 了 3 种 不 同 循 环 风 速 模 式 下 微 型 植 物 工 厂 的 循 环 风 速 分 布 和 温 度 分 布 发 现 可 通 过 调 整 循 环 风 速 提 高 温 度 场 和 风 场 的 均 匀 性 4 2 结 论 1 增 加 温 度 对 生 菜 的 净 光 合 速 率 有 促 进 作 用 高 循 环 风 速 可 以 提 高 生 菜 的 净 光 合 速 率 还 可 以 减 弱 高 温 高 湿 对 叶 片 净 光 合 速 率 的 抑 制 作 用 从 而 促 进 叶 片 的 光 合 作 用 2 微 型 植 物 工 厂 内 采 用 上 层 低 循 环 风 速 下 层 高 循 环 风 速 模 式 有 利 于 保 证 内 部 温 度 的 均 匀 性 此 时 生 菜 的 净 光 合 速 率 也 处 于 较 高 水 平 有 利 于 生 菜 生 长 参 考 文 献 1 辛 敏 仝 宇 欣 杨 其 长 等 利 用 室 外 冷 源 空 气 的 植 物 工 厂 降 温 节 能 效 果 分 析 J 中 国 农 业 气 象 2 0 1 5 3 6 3 2 8 7 2 9 5 2 贺 冬 仙 国 内 植 物 工 厂 发 展 的 思 考 J 农 业 工 程 技 术 2 0 1 6 3 6 1 9 2 4 2 5 3 古 在 丰 树 李 明 人 工 光 型 及 太 阳 光 型 植 物 工 厂 空 调 应 用 技 术 J 农 业 工 程 技 术 2 0 1 6 3 6 1 3 9 1 6 4 M i y a g i A U c h i m i y a H K a w a i Y a m a d a M S y n e r g i s t i c e f f e c t s o f l i g h t q u a l i t y c a r b o n d i o x i d e a n d n u t r i e n t s o n m e t a b o l i t e c o m p o s i t i o n s o f h e a d l e t t u c e u n d e r a r t i f i c i a l g r o w t h c o n d i t i o n s m i m i c k i n g a p l a n t f a c t o r y J F o o d C h e m i s t r y 2 0 1 7 2 1 8 5 6 1 5 6 8 5 O h t a k e N I s h i k u r a M S u z u k i H e t a l C o n t i n u o u s i r r a d i a t i o n w i t h a l t e r n a t i n g r e d a n d b l u e l i g h t e n h a n c e s p l a n t g r o w t h w h i l e k e e p i n g n u t r i t i o n a l q u a l i t y i n l e t t u c e J H o r t s c i e n c e 2 0 1 8 5 3 1 2 1 8 0 1 8 4 6 赵 立 军 陈 亚 孔 阳 阳 等 太 阳 光 利 用 型 植 物 工 厂 的 设 计 与 试 验 研 究 J 农 机 化 研 究 2 0 1 8 4 0 1 1 1 4 1 1 9 7 姜 仕 豪 党 康 章 永 泰 等 光 照 强 度 温 度 和 连 续 光 照 对 水 培 生 菜 硝 酸 盐 积 累 的 影 响 J 长 江 蔬 菜 2 0 1 4 1 2 3 6 3 9 8 郑 殿 君 张 治 安 姜 丽 艳 等 不 同 产 量 水 平 大 豆 叶 片 净 光 合 速 率 的 比 较 J 东 北 农 业 大 学 学 报 2 0 1 0 4 1 9 1 5 9 张 婷 华 杨 再 强 李 叶 萌 等 相 对 湿 度 对 黄 瓜 叶 片 光 合 特 性 的 影 响 J 气 象 科 技 2 0 1 3 4 1 6 1 1 2 8 1 1 3 3 1 0 薛 义 霞 李 亚 灵 温 祥 珍 空 气 湿 度 对 高 温 下 番 茄 光 合 作 用 及 坐 果 率 的 影 响 J 园 艺 学 报 2 0 1 0 3 7 3 3 9 7 4 0 4 1 1 刘 焕 方 慧 程 瑞 锋 等 基 于 C F D 的 人 工 光 植 物 工 厂 气 流 场 和 温 度 场 的 模 拟 及 优 化 J 中 国 农 业 大 学 学 报 2 0 1 8 2 3 5 1 0 8 1 1 6 1 2 贾 鹤 鸣 张 森 朱 传 旭 等 微 型 植 物 工 厂 温 度 传 感 器 优 化 布 置 仿 真 研 究 J 科 技 创 新 与 生 产 力 2 0 1 8 4 6 4 6 7 E x p e r i m e n t a l S t u d y o n O p t i m i z a t i o n o f E n v i r o n m e n t a l C o n t r o l P a r a m e t e r s i n M i c r o p l a n t F a c t o r y Z uo Z hi y u X u C ha o M a o H a np i ng Z h a ng X i a o do ng Y a ng J u nj i e K e y L a b o r a t o r y o f M o d e r n A g r i c u l t ur e E q u i p m e nt a nd T e c hno l o g y M i ni s t r y o f E du c a t i o n J i a n g s u U ni v e r s i t y Z h e nj i a ng 2 0 1 2 0 1 3 C hi n a A b s t r a c t A i m e d t o i m p r o v e t he u n i f o r m i t y o f t e m pe r a t u r e d i s t r i but i o n i ns i de t he m i c r o p l a nt f a c t o r y a n d i n c r e a s e t he n e t p ho t o s y nt he t i c r a t e o f c r o p s a c o m bi na t i o n o f e x p e r i m e nt a l r e s e a r c h a nd C F D s i m u l a t i o n w a s pr o po s e d t o o p t i m i z e t h e e n v i r o n m e nt a l c o n t r o l p a r a m e t e r s T a k i n g l e t t uc e a s a n e x a m pl e t h e e f f e c t s o f t e m pe r a t ur e hu m i di t y a nd c i r c u l a t i ng w i n d s pe e d o n t h e ne t ph o t o s y n t h e t i c r a t e a nd t r a n s pi r a t i o n r a t e o f l e t t uc e w e r e e x pl o r e d by m ul t i f a c t o r c o u pl i ng e x pe r i m e nt C F D w a s c a r r i e d o ut i n t h e a i r f l o w f i e l d a n d t e m p e r a t ur e f i e l d o f pl a nt f a c t o r y unde r di f f e r e nt w i nd s pe e d c o nt r o l m o de s T h e r e s ul t s s ho w e d t ha t t h e w i nd s pe e d h a d s i g ni f i c a n t e f f e c t s o n t he ne t ph o t o s y nt he t i c r a t e a nd t r a ns pi r a t i o n r a t e o f l e t t uc e T he n um e r i c a l a na l y s i s s ho w e d t h