基于風(fēng)扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精準(zhǔn)控制

高菊玲 劉永華

摘要：微型植物工廠環(huán)境的精準(zhǔn)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)其智能化控制的前提，但是已有的環(huán)境調(diào)控方式存在各栽培層溫度差異較大的問(wèn)題。本研究提出在微型植物工廠內(nèi)部加入混風(fēng)通道并采用風(fēng)扇差速調(diào)節(jié)的方式，在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）模擬仿真中設(shè)定目標(biāo)溫度為20 ℃，通過(guò)軟件計(jì)算得到各栽培層的進(jìn)風(fēng)量分別為0.018 9 m3/s、0.023 6 m3/s、0.028 1 m3/s。通過(guò)風(fēng)速調(diào)節(jié)旋鈕對(duì)進(jìn)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)各層風(fēng)扇的差速調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)各栽培層的均勻調(diào)溫。結(jié)果表明，在目標(biāo)溫度為20 ℃的條件下，控溫設(shè)備持續(xù)工作60 min后，未使用混風(fēng)通道和風(fēng)速差速調(diào)節(jié)控溫方式的傳統(tǒng)微型植物工廠內(nèi)第1、第2栽培層的溫度為19 ℃，而第3栽培層的溫度為24 ℃，溫差達(dá)到了5 ℃;使用混風(fēng)通道和風(fēng)速差速調(diào)節(jié)控溫方式下的微型植物工廠，各栽培層的溫度均為20.5 ℃左右。由結(jié)果可知，在加入混風(fēng)通道并且進(jìn)行風(fēng)扇差速調(diào)節(jié)后，各栽培層的環(huán)境溫差得到了有效改善。

關(guān)鍵詞：微型植物工廠;CFD模擬仿真;風(fēng)扇差速調(diào)節(jié);混風(fēng)通道;精準(zhǔn)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：S626.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-4440（2020）06-1543-08

Abstract：Achieving precise control of the mini-plant factory environment is the prerequisite for its intelligent control， but the previous environmental control methods have the problem of large temperature differences among cultivation layers in mini-plant factory. In this study， a mixed air channel was added in the micro plant factory， and the method of fan differential adjustment was adoped. In the computational fluid dynamics （CFD） simulation， the target temperature was set at 20 ℃， and the air intake volume of each cultivation layer was 0.018 9 m3/s， 0.023 6 m3/s? and? 0.028 1 m3/s. The air inlet volume was adjusted by the wind speed adjustment knob， and the uniform temperature adjustment of each cultivation layer was realized by the differential adjustment of the fans. The experimental results showed that when the target temperature was 20 ℃ and the temperature-control equipment continued to work for 60 min， the temperature of the first， second and third cultivation layers was 19 ℃， 19 ℃ and 24 ℃ in the micro-plant factory without the mixing channel and the wind speed differential adjustment， the temperature difference reached 5 ℃. The temperature of each cultivation layer was about 20.5 ℃ under the temperature control mode of mixed air channel and wind speed differential adjustment. In conclusion， the environmental temperature difference of each cultivation layer has been effectively improved by using the mixed air channel and fan differential adjustment.

Key words：mini-plant factory;computational fluid dynamics （CFD） simulation;fan differential adjustment;mixed air channel;precise control

氣候異常、水資源短缺及土地資源的日益減少是加劇世界糧食危機(jī)的重要因素。與此同時(shí)，全球人口始終保持急劇增長(zhǎng)，聯(lián)合國(guó)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2050年全球人口將增加至9.8×109人[1]，其中城鎮(zhèn)人口約占66%[2]。為了解決全球糧食短缺問(wèn)題，一種新的種植方式——“植物工廠”應(yīng)運(yùn)而生。植物工廠由隔熱且?guī)缀趺荛]的類(lèi)似倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)的栽培設(shè)施組成，包括人工光源、空調(diào)、空氣循環(huán)風(fēng)扇、二氧化碳與營(yíng)養(yǎng)液供應(yīng)裝置及環(huán)境調(diào)控裝置等[3-5]。與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用的大型植物工廠相比，微型植物工廠是為那些沒(méi)有戶外種植條件的城鎮(zhèn)居民開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，使他們能夠享受室內(nèi)種植的樂(lè)趣。目前，微型植物工廠被廣泛應(yīng)用于教育機(jī)構(gòu)、餐廳、辦公場(chǎng)所及醫(yī)院等。由于微型植物工廠在結(jié)構(gòu)尺寸上的限制，使得生菜、紫蘇等葉菜類(lèi)作物成為其主要栽培對(duì)象。近年來(lái)，微型植物工廠在中國(guó)、日本、韓國(guó)等許多國(guó)家逐漸流行起來(lái)，為城鎮(zhèn)居民生活提供了一種新的休閑娛樂(lè)方式[6]。

在傳統(tǒng)的商用型植物工廠中，為了消除光源及其他設(shè)備產(chǎn)生的熱量，一般用空調(diào)進(jìn)行環(huán)境溫度的控制，同時(shí)降低由植物蒸騰作用造成的環(huán)境濕度。此外，空調(diào)還能夠加速植物工廠內(nèi)部的空氣循環(huán)，達(dá)到提高作物光合作用能力及蒸騰速率的目的，并且實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)部環(huán)境溫度的均勻分布[6]。微型植物工廠由于其內(nèi)部小環(huán)境的氣候特點(diǎn)，在使用小型空調(diào)設(shè)備進(jìn)行環(huán)境調(diào)控的過(guò)程中，由于冷空氣下沉，容易引起下層溫度與上層溫度差異過(guò)大，導(dǎo)致能源損耗。更為嚴(yán)重的是，當(dāng)上層栽培架達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，底層溫度低于作物的最佳生長(zhǎng)溫度，導(dǎo)致作物產(chǎn)量減少甚至發(fā)生凍害。因此，有必要對(duì)微型植物工廠內(nèi)各栽培架之間的溫度進(jìn)行統(tǒng)一精準(zhǔn)調(diào)控，從而降低微型植物工廠的能耗并增加產(chǎn)量，促進(jìn)其規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用。

微型植物工廠環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化分析是實(shí)現(xiàn)其環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控的前提條件，有研究者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）對(duì)微型植物工廠的濕熱環(huán)境數(shù)值進(jìn)行分析，結(jié)果表明，微型植物工廠中部及以下位置的環(huán)境溫度較低，導(dǎo)致同一作物不同部位所處的環(huán)境溫度差異較大，此外溫度變化梯度受通風(fēng)過(guò)程中氣流流動(dòng)的影響較大[7]。但該研究只是通過(guò)模擬仿真進(jìn)行了基本分析，沒(méi)有提出切實(shí)有效的解決措施。江蘇大學(xué)的左志宇等[8]通過(guò)微型植物工廠內(nèi)的環(huán)境控制參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，分別研究植物工廠內(nèi)溫度、濕度和循環(huán)風(fēng)速3種因素對(duì)作物凈光合速率和蒸騰速率的影響，并在不同風(fēng)速條件下對(duì)植物工廠內(nèi)氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了 CFD仿真分析，結(jié)果表明，植物工廠上層采用低速循環(huán)模式，下層采用高速循環(huán)模式，有利于植物工廠內(nèi)部溫度均勻，并且有利于作物生長(zhǎng)。但是由于冷空氣下沉，在設(shè)備運(yùn)行初期使得絕大多數(shù)冷空氣被底層風(fēng)扇抽入底部的栽培層，導(dǎo)致各層之間溫度的變化較大。因此，本研究提出在風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口與空調(diào)之間加入混風(fēng)通道，待通道內(nèi)充滿冷空氣后再打開(kāi)風(fēng)扇，從而保證上層風(fēng)扇能夠抽入足量冷空氣。此外，本研究對(duì)微型植物工廠內(nèi)的循環(huán)風(fēng)扇進(jìn)行差速調(diào)節(jié)，使得微型植物工廠內(nèi)各層環(huán)境溫度能夠得到同步調(diào)控，減少各栽培層之間的溫度差異，保持作物品質(zhì)的穩(wěn)定性，同時(shí)能夠?yàn)榻窈笪⑿椭参锕S環(huán)境精準(zhǔn)控制策略的制定提供理論基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)搭建及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1外形結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

如圖1所示，本研究設(shè)計(jì)的微型植物工廠的長(zhǎng)×寬×高為840 mm×540 mm×1 380 mm，使用鋁型材料搭建而成，共4層，從下往上分別為第1層、第2層、第3層和第4層，其中第1～3層為植物栽培區(qū)域，第4層為控制區(qū)域。栽培區(qū)域與空調(diào)連接處設(shè)有混風(fēng)通道（長(zhǎng)×寬×高為130 mm×480 mm×1 180 mm），首先將空調(diào)出風(fēng)口的冷空氣引入混風(fēng)通道，待通道內(nèi)的空氣溫度達(dá)到設(shè)定值后，打開(kāi)風(fēng)扇，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制。循環(huán)風(fēng)扇安裝在每層植物栽培室的右側(cè)（風(fēng)扇外徑尺寸為120 mm×120 mm），通過(guò)風(fēng)速調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)扇的電阻，從而對(duì)循環(huán)風(fēng)扇的出風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。栽培區(qū)域采用紅藍(lán)發(fā)光二極管（LED）燈（WEN-T8H，WEGA Plant Lighting Company，China）作為光源提供光能，紅、藍(lán)光源比為83∶17。紅色LED燈的峰值波長(zhǎng)為660 nm，波長(zhǎng)范圍為600～700 nm。藍(lán)色LED燈的峰值波長(zhǎng)為450 nm，波長(zhǎng)范圍為400～500 nm。采用SOLIDWORKS Flow Simulation建立微型植物工廠的CFD數(shù)值模型，邊界條件及其初始化參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。將計(jì)算域劃分為流體域和固體域2個(gè)部分，流體域?yàn)槲⑿椭参锕S內(nèi)的空氣，固體域?yàn)槲⑿椭参锕S夾層內(nèi)的隔熱材料（隔熱保溫棉），導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/（m·K）?？偩W(wǎng)格數(shù)為343 601個(gè)，流體網(wǎng)格數(shù)為207 728個(gè)，固體網(wǎng)格數(shù)為135 873個(gè)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心開(kāi)展，所有試驗(yàn)均在方法1.1設(shè)計(jì)、制作的微型植物工廠內(nèi)進(jìn)行。由于微型植物工廠的使用主要面向家庭或者辦公場(chǎng)所，同時(shí)在室溫為26 ℃時(shí)人體感受最適宜[9]，也相對(duì)節(jié)約能源，因此本研究在26 ℃的環(huán)境溫度條件下進(jìn)行。

1.2.1人工光源發(fā)熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響為了研究微型植物工廠內(nèi)人工光源對(duì)栽培空間溫度變化的影響，本研究在26 ℃的環(huán)境溫度下關(guān)閉微型植物工廠內(nèi)的制冷設(shè)備，同時(shí)打開(kāi)各層植物補(bǔ)光燈，通過(guò)溫度傳感器測(cè)量微型植物工廠內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)，每隔1 min記錄1次微型植物工廠的環(huán)境溫度。每個(gè)栽培層均安裝3個(gè)溫度傳感器，每次記錄的環(huán)境溫度取3個(gè)傳感器記錄的平均溫度，具體的溫度傳感器布置如圖2所示。此外，由于同一栽培層內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)與距LED光源的距離有很大關(guān)系，而溫度傳感器測(cè)量的平均溫度無(wú)法反映同一栽培層內(nèi)溫度的變化情況，因此通過(guò)微型植物工廠內(nèi)各栽培層溫度變化的CFD進(jìn)行模擬仿真，分析各栽培層溫度場(chǎng)的變化情況。各栽培層被分為3層，與LED光源的距離分別為100 mm、200 mm、300 mm。

1.2.2傳統(tǒng)微型植物工廠的溫度場(chǎng)分析為了探明傳統(tǒng)的、不預(yù)先混風(fēng)的微型植物工廠環(huán)境控制方式的缺陷，本研究在26 ℃的環(huán)境溫度（此時(shí)植物工廠內(nèi)的溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度一致）下同時(shí)打開(kāi)各層植物補(bǔ)光燈、空調(diào)制冷設(shè)備及各層之間的循環(huán)風(fēng)扇，目標(biāo)溫度為20 ℃，同時(shí)每隔1 min記錄1次溫度。為了分析微型植物工廠內(nèi)各栽培層溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，采用SOLIDWORKS軟件建立微型植物工廠的三維模型，并建立關(guān)于環(huán)境溫度的CFD數(shù)值模型，結(jié)合各截面的溫度場(chǎng)分布與實(shí)測(cè)環(huán)境溫度進(jìn)行理論分析，探究微型植物工廠內(nèi)各栽培層溫度的變化規(guī)律，模擬分析在控溫設(shè)備運(yùn)行條件下，微型植物工廠內(nèi)各栽培層之間的溫度變化情況。在每個(gè)栽培層內(nèi)設(shè)置3個(gè)溫度場(chǎng)截面，3個(gè)截面與LED光源的距離分別為100 mm、200 mm、300 mm。

1.2.3風(fēng)扇差速調(diào)節(jié)微型植物工廠溫度場(chǎng)分析傳統(tǒng)微型植物工廠由于空調(diào)出風(fēng)孔安裝在微型植物工廠底部，且冷空氣有下沉的特性，導(dǎo)致大部分冷空氣被循環(huán)風(fēng)扇輸送至底部栽培層內(nèi)，使得各栽培層溫差過(guò)大。為了解決微型植物工廠內(nèi)部各栽培層溫度差異過(guò)大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)栽培層溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，本研究在傳統(tǒng)微型植物工廠的基礎(chǔ)上加入混風(fēng)通道，首先在通道內(nèi)部完成充分降溫，隨后打開(kāi)循環(huán)風(fēng)扇對(duì)栽培空間進(jìn)行調(diào)溫，目標(biāo)溫度為20 ℃，每隔1 min記錄1次溫度。為了得到各層風(fēng)扇的具體轉(zhuǎn)速，首先在CFD數(shù)值模型中設(shè)置最終內(nèi)部環(huán)境溫度（20 ℃）作為約束條件，將各層溫度變化趨勢(shì)一致作為控制目標(biāo)，通過(guò)仿真計(jì)算得到各栽培層的進(jìn)風(fēng)量。隨后通過(guò)風(fēng)速調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)各個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使得各栽培層的進(jìn)風(fēng)量與模擬值一致。