微型植物工廠環(huán)境控制參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

左志宇,徐 超,毛罕平,張曉東,楊俊杰

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

植物工廠可以實(shí)現(xiàn)周年連續(xù),生產(chǎn)效率和土地利用率高,是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高階段[1]。目前,我國(guó)還沒(méi)有大規(guī)模盈利的商業(yè)化植物工廠[2],植物工廠所使用的的溫度、光、濕度和營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境的調(diào)控消耗大量的能源,使植物工廠的運(yùn)行成本很高,而產(chǎn)出的作物還不能實(shí)現(xiàn)盈利。不合理的環(huán)境控制參數(shù)設(shè)置不僅不利于植物生長(zhǎng),還浪費(fèi)了大量的電能,亟需對(duì)環(huán)境控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

植物工廠是密閉的空間,補(bǔ)光燈等熱源產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)環(huán)境的溫度產(chǎn)生明顯的影響,作物蒸騰作用也使植物工廠內(nèi)的濕度和潛熱增加。植物工廠中照射到植物葉片的光只有5%的光能被作物吸收利用進(jìn)行光合作用,其余則轉(zhuǎn)化為熱量散失[3]。植物工廠內(nèi)部環(huán)境是持續(xù)動(dòng)態(tài)變化的,研究環(huán)境對(duì)植物的影響,為植物提供“量身定制”的環(huán)境,合理均衡熱量的分布,是降低植物工廠能耗、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的有效途徑。

近年來(lái),很多學(xué)者研究了光源和對(duì)植物工廠內(nèi)植物的影響[4-5]及營(yíng)養(yǎng)液對(duì)植物工廠內(nèi)植物的影響[6-8],但溫、濕、風(fēng)對(duì)植物的影響卻鮮有人研究。植物地上部干物質(zhì)的90%～95%來(lái)自于光合作用,凈光合速率是光合作用重要的生理學(xué)參數(shù)[9]。蒸騰速率不僅與作物對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)液的吸收相關(guān),對(duì)植物工廠的環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此,本文提出通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同的溫度、濕度和循環(huán)風(fēng)速條件下生菜葉片的凈光合速率和蒸騰速率進(jìn)行研究,探究溫度、濕度和循環(huán)風(fēng)速對(duì)生菜的影響;利用CFD技術(shù)對(duì)微型植物工廠內(nèi)的溫度分布和氣流分布進(jìn)行模擬,對(duì)微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院的植物工廠中進(jìn)行。選用意大利耐抽苔生菜品種,采用6×12穴盤(pán)育苗,試驗(yàn)生菜采用8L的水培箱栽培,營(yíng)養(yǎng)液采用霍格蘭生菜標(biāo)準(zhǔn)配方,每3日更換一次營(yíng)養(yǎng)液。補(bǔ)光燈的開(kāi)閉和溫濕度的調(diào)節(jié)都由植物工廠控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制,以保持所需的試驗(yàn)環(huán)境。

試驗(yàn)研究溫度、濕度和風(fēng)速等3種因素對(duì)生菜凈光合速率和蒸騰速率的影響。溫度設(shè)置3個(gè)水平,即T1(18℃)、T2(22℃)和T3(26℃);濕度設(shè)置3個(gè)水平,即H1(40%)、H2(60%)和H3(80%);風(fēng)速設(shè)置4個(gè)水平,即W1(0m/s)、W2(0.6m/s)、W3(1.2m/s)和W4(1.8m/s),共36種處理。

補(bǔ)光燈設(shè)置為每天早上6:00打開(kāi),晚上21:00關(guān)閉。在數(shù)據(jù)測(cè)量前,用風(fēng)速調(diào)節(jié)裝置對(duì)被測(cè)生菜運(yùn)行10min,待穩(wěn)定后測(cè)量數(shù)據(jù)。

使用Li-6400便攜式光合速率儀測(cè)定葉片的凈光合速率和蒸騰速率(取生菜頂端第3片功能葉),每張葉片重復(fù)測(cè)量3次。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1溫度、濕度和循環(huán)風(fēng)速對(duì)葉片凈光合速率的影響

當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為W1和W2時(shí),在相同的濕度條件下,生菜的凈光合速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);在相同的溫度條件下,生菜的凈光合速率隨濕度的升高呈現(xiàn)先平緩變化后降低的趨勢(shì)。

記循環(huán)風(fēng)速W1、W2、W3和W4條件下生菜的凈光合速率分別為PnW1、PnW2、PnW3和PnW4。

在生菜苗期,不同循環(huán)風(fēng)速下生菜的凈光合速率關(guān)系為PnW4>PnW3>PnW1;與PnW1相比,PnW4和PnW3分別增長(zhǎng)了14.81%和9.99%,PnW2與PnW1接近,如圖1所示。當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為W3和W4、濕度為H1時(shí),生菜的凈光合速率隨溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);當(dāng)濕度為H2和H3時(shí),生菜的凈光合速率隨溫度的升高而升高;當(dāng)溫度為T(mén)1和T2時(shí),生菜的凈光合速率隨濕度的升高而降低;當(dāng)溫度為T(mén)3時(shí),生菜的凈光合速率隨濕度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);凈光合速率最大的處理為W4H2T3。

圖1 苗期葉片凈光合速率Fig.1 Net photosynthetic rate of seedling leaves

生長(zhǎng)發(fā)育期葉片凈光合速率如圖2所示。在生菜生長(zhǎng)發(fā)育期,各處理的PnW4和PnW3分別比PnW1平均增長(zhǎng)了17.39%和14.87%,比苗期的增幅更大。在苗期和生長(zhǎng)發(fā)育期,各處理的凈光合速率的平均值為5.64μmol/m2·s和11.05μmol/m2·s,生長(zhǎng)發(fā)育期比苗期的凈光合速率增長(zhǎng)了5.41μmol/m2·s;凈光合速率最大的處理為W4H2T3。

圖2 生長(zhǎng)發(fā)育期葉片凈光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of growing leaves

收獲期葉片凈光合速率如圖3所示。在生菜收獲期,W3和W4條件下的凈光合速率大于W1和W2條件下的凈光合速率,但增幅較小,平均增幅僅為9.7%;收獲期各處理的凈光合速率的平均值為5.38μmol/m2·s,略低于苗期;凈光合速率最大的處理為W4H2T2。

圖3 收獲期葉片凈光合速率Fig.3 Net photosynthetic rate of harvest

溫度不高于T3時(shí),溫度的升高對(duì)生菜的凈光合速率有促進(jìn)作用,但達(dá)到一定溫度后凈光合速率便穩(wěn)定在一定的水平。

濕度對(duì)生菜凈光合速率的影響隨循環(huán)風(fēng)速的大小變化而不同。低循環(huán)風(fēng)速(W1和W2)、高濕度(H3)對(duì)生菜葉片的凈光合速率有一定的抑制作用,而高循環(huán)風(fēng)速(W3和W4)、高濕度(H3)時(shí)濕度對(duì)生菜葉片的凈光合速率有促進(jìn)作用。這是由于生菜冠層的濕度隨著循環(huán)風(fēng)速增大而降低,同時(shí)循環(huán)風(fēng)速會(huì)加快蒸騰速率從而降低冠層的溫度,此時(shí)冠層的溫濕度要低于條件設(shè)定的溫濕度;當(dāng)對(duì)生菜施加高循環(huán)風(fēng)速高濕度條件時(shí),冠層溫濕度都處在生菜生長(zhǎng)的適宜水平,因此高循環(huán)風(fēng)速高濕度時(shí)濕度對(duì)生菜葉片的凈光合速率有促進(jìn)作用。在收獲期生菜的蒸騰速率會(huì)減弱,其降溫程度不如苗期和生長(zhǎng)發(fā)育期明顯,同時(shí)最適宜的生長(zhǎng)溫度也發(fā)生了變化,凈光合速率的最大值出現(xiàn)在比W4H2T3溫度稍低的W4H2T2組。

當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為W3和W4時(shí),循環(huán)風(fēng)速對(duì)生菜的凈光合速率有促進(jìn)作用;當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為W1和W2時(shí),循環(huán)風(fēng)速對(duì)生菜的凈光合速率無(wú)顯著影響。

1.2.2 溫度、濕度、循環(huán)風(fēng)速對(duì)葉片蒸騰速率的影響

在苗期,循環(huán)風(fēng)速為W3、W3、W4的生菜的蒸騰速率比循環(huán)風(fēng)速為W1的蒸騰速率分別提高了0.37%、3.16%和3.98%;在生長(zhǎng)發(fā)育期,循環(huán)風(fēng)速為W3、W3、W4的生菜的蒸騰速率比循環(huán)風(fēng)速為W1的蒸騰速率分別提高了0.26%、2.47%和2.48%;在收獲期,循環(huán)風(fēng)速為W3、W3、W4的生菜的蒸騰速率比循環(huán)風(fēng)速為W1的蒸騰速率分別提高了0.38%,0.71%和0.73%,如圖4所示。

圖4 生菜的蒸騰速率Fig. 4 Transpiration rate of lettuce

在相同溫度、濕度處理的條件下,循環(huán)風(fēng)速為W3、W4的生菜的蒸騰速率要高于循環(huán)風(fēng)速為W1、W2的生菜的蒸騰速率;在苗期和生長(zhǎng)發(fā)育期,高循環(huán)風(fēng)速下生菜的蒸騰速率遠(yuǎn)高于低循環(huán)風(fēng)速的蒸騰速率,而在生菜的生長(zhǎng)收獲期,高循環(huán)風(fēng)速下生菜的蒸騰速率與低循環(huán)風(fēng)速相差不大。因此,循環(huán)風(fēng)速對(duì)生菜的生長(zhǎng)影響較大。

2 微型植物工廠內(nèi)部溫度和風(fēng)速仿真

2.1 氣流循環(huán)方案設(shè)計(jì)及數(shù)值模型

溫度和循環(huán)風(fēng)速對(duì)生菜生長(zhǎng)影響較大。由于微型植物工廠內(nèi)空間較小,其內(nèi)部氣流的大小和分布對(duì)熱量的分布有很大影響。不均勻的溫度分布會(huì)影響生菜的生長(zhǎng),同時(shí)也是一種能量的浪費(fèi)。綜合考慮植物的生長(zhǎng)和節(jié)能,保證溫度的均勻性十分重要。

為模擬微型植物工廠內(nèi)溫度分布規(guī)律,確定微型植物工廠內(nèi)適合的循環(huán)風(fēng)速控制方式,建立了微型植物工廠三維模型。微型植物工廠內(nèi)腔的尺寸設(shè)計(jì)為1.04m×0.64m×1.23m(長(zhǎng)×寬×高),外殼(隔熱材料)厚度為30mm。采用Ansys軟件建立微型植物工廠CFD數(shù)值模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),將計(jì)算域劃分為流體域和固體域兩部分: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(聚氨酯泡沫)?？偟木W(wǎng)格數(shù)為4 320 686,總的節(jié)點(diǎn)數(shù)為733 029。將風(fēng)扇設(shè)置為VELOCITY-INLET,吹出的風(fēng)為加熱風(fēng);循環(huán)風(fēng)速設(shè)置為上低下高(處理S1)、上高下低(處理S2)和等速(處理S3)等3種循環(huán)風(fēng)速方案,循環(huán)風(fēng)速V1、V2和V3分別為0.6、1.2、1.8m/s。聚氨酯泡沫的對(duì)流傳熱系數(shù)取9W/m·K,如表1所示。

表1 氣流循環(huán)方式Table 1 Aircirculation mode

激活能量方程,選擇k-ε模型,取g=9.81m/s,方向?yàn)閥軸負(fù)方向。選用SIMPLE求解器的1階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。

2.2 仿真結(jié)果分析

處理S3為微型植物等速氣流循環(huán)模式,進(jìn)風(fēng)口下方氣流梯度變化劇烈,形成旋流及渦流。只有少量氣體由回風(fēng)口流出,導(dǎo)致栽培架內(nèi)左側(cè)循環(huán)風(fēng)速較大,右側(cè)循環(huán)風(fēng)速較小。當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為1.2m/s和1.8m/s時(shí),對(duì)生菜的凈光合速率和蒸騰速率有促進(jìn)作用。當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為0m/s和0.6m/s時(shí),無(wú)明顯作用。由于下表面容易形成旋流和渦流此類氣流循環(huán)很不均勻,不同植物承受的循環(huán)風(fēng)速差異較大,因此需要優(yōu)化,如圖5(a)所示。

圖5 處理S3微型植物工廠風(fēng)速和溫度分布Fig.5 Wind speed and temperature distribution in micro-plant factory

圖5(b)為溫度分布云圖。圖5中,貼近補(bǔ)光燈管處溫度較高,上、中和下各溫度差超過(guò)1℃。上、下層溫差較大,容易引起壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)。

當(dāng)微型植物工廠內(nèi)氣流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),處理S1和處理S2的循環(huán)風(fēng)速云圖如圖6所示。此時(shí),兩種處理均達(dá)到較高循環(huán)風(fēng)速水平。其中,處理S2循環(huán)風(fēng)速平均值為1.64m/s,高于原來(lái)微型植物工廠氣流速度;上面3層的循環(huán)風(fēng)速比為76%,小于處理S3(82%);標(biāo)準(zhǔn)差為0.90,均勻性比處理S3差;處理S1循環(huán)風(fēng)速平均值為1.58m/s,高于處理S3的氣流速度;上面3層的循環(huán)風(fēng)速比為77%,小于處理S3;標(biāo)準(zhǔn)差為0.12,均勻性優(yōu)于S3。

圖6 風(fēng)速云圖Fig.6 Velocity magnitude contours

圖7 溫度云圖Fig.7 Temperature contours

將處理S1和處理S2的循環(huán)風(fēng)速分布云圖和溫度分布云圖進(jìn)行對(duì)比,可知溫度分布趨勢(shì)與氣流分布趨勢(shì)有一定關(guān)系。循環(huán)風(fēng)速大的區(qū)域溫度較低,循環(huán)風(fēng)速小的地方溫度較高。

微型植物工廠內(nèi)部溫度對(duì)比表明:處理S2平均溫度最高,為28℃,標(biāo)準(zhǔn)差1.58;處理S3平均溫度較高,為27.9℃,標(biāo)準(zhǔn)差1.28;處理S1平均溫度最低,為26.5℃,標(biāo)準(zhǔn)差0.74。處理S1的均勻性最好,因此環(huán)境控制過(guò)程中優(yōu)先采用處理S1方案。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

使用設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了生菜種植試驗(yàn),如圖8所示。

圖8 生菜種植試驗(yàn)Fig.8 Lettuce planting test

驗(yàn)證試驗(yàn)處理1為上低下高的循環(huán)方式,設(shè)定上層循環(huán)風(fēng)速為0.6m/s,中間層循環(huán)風(fēng)速為1.2m/s,下層循環(huán)風(fēng)速為1.8m/s;驗(yàn)證試驗(yàn)處理2為上高下低的循環(huán)方式,設(shè)定上層循環(huán)風(fēng)速為1.8m/s,中間層循環(huán)風(fēng)速為1.2m/s,下層循環(huán)風(fēng)速為0.6m/s;驗(yàn)證試驗(yàn)處理3為等速的循環(huán)方式,設(shè)定上層、中間層、下層循環(huán)風(fēng)速均為1.8m/s;設(shè)定各個(gè)處理的溫度均為26℃,相對(duì)濕度均為60%。微型植物工廠的溫度由DT-172溫濕度記錄儀測(cè)量,在每層均勻取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量。蒸騰速率和凈光合速率由Li-6400便攜式光合速率儀測(cè)得,每層取3棵生菜測(cè)量。

實(shí)測(cè)平均溫度均低于仿真模型溫度,變化趨勢(shì)基本相同。上低下高的驗(yàn)證試驗(yàn)處理1中,微型植物工廠內(nèi)每層溫度分布均勻,最大溫差為0.5℃;生菜蒸騰速率的平均值為1.94mmol/m2·s,與等速的驗(yàn)證試驗(yàn)處理3相差不大;凈光合速率為5.35μmol/m2·s,比驗(yàn)證試驗(yàn)處理3提高了7.5%。植物工廠溫度如表2所示,凈光合速率和蒸騰速率如表3所示。

表2 微型植物工廠溫度Table 2 Microplant factory temperature ℃

表3 凈光合速率和蒸騰速率Table 3 Net photosynthetic rate and transpiration rate

因此,優(yōu)化出的循環(huán)風(fēng)速為上低下高,溫度、濕度為H2T3的環(huán)境參數(shù)控制方案是較為合適的,有利于生菜生長(zhǎng)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

1)濕度和風(fēng)通過(guò)影響生菜葉片的氣孔導(dǎo)度、蒸汽壓差和冠層溫度,間接影響生菜的凈光合速率和蒸騰速率。黃瓜的凈光合速率隨濕度的增大而增大,但較低的相對(duì)濕度對(duì)黃瓜的光合作用有抑制作用[10]。有研究表明,高溫下增大空氣濕度可以促進(jìn)葉片的凈光合速率的增長(zhǎng)[11]。本試驗(yàn)中,不同生長(zhǎng)時(shí)期的生菜均在濕度為H2時(shí)取得凈光合速率的較大值;當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)引起氣孔阻抗的增加,光合作用所需的CO2的吸收速度降低導(dǎo)致凈光合速率降低。植物工廠是一個(gè)密閉的空間,當(dāng)循環(huán)風(fēng)速為高循環(huán)風(fēng)速時(shí),濕度對(duì)生菜葉片的作用相對(duì)于無(wú)風(fēng)時(shí)會(huì)有一定變化,此時(shí)的葉片受溫度、濕度和循環(huán)風(fēng)速共同作用的影響。

2)將植物工廠的氣體交換方式設(shè)計(jì)為側(cè)進(jìn)側(cè)出、側(cè)進(jìn)側(cè)上出和側(cè)進(jìn)上出3種方式,通過(guò)CFD仿真分析植物冠層平面循環(huán)風(fēng)速及溫度趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)側(cè)進(jìn)側(cè)出為最佳氣體交換方式[12];通過(guò)CFD模擬微型植物工廠不同平面的溫度,優(yōu)化微型植物工廠傳感器的布置位置[13]。通過(guò)CFD技術(shù)模擬植物工廠內(nèi)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化是可行的。本文通過(guò)CFD模擬了3種不同循環(huán)風(fēng)速模式下微型植物工廠的循環(huán)風(fēng)速分布和溫度分布,發(fā)現(xiàn)可通過(guò)調(diào)整循環(huán)風(fēng)速提高溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的均勻性。

4.2 結(jié)論

1)增加溫度對(duì)生菜的凈光合速率有促進(jìn)作用,高循環(huán)風(fēng)速可以提高生菜的凈光合速率,還可以減弱高溫高濕對(duì)葉片凈光合速率的抑制作用,從而促進(jìn)葉片的光合作用。

2)微型植物工廠內(nèi)采用上層低循環(huán)風(fēng)速、下層高循環(huán)風(fēng)速模式,有利于保證內(nèi)部溫度的均勻性,此時(shí)生菜的凈光合速率也處于較高水平,有利于生菜生長(zhǎng)。