植物工廠增溫對栽培架布局影響研究

鄧 鑫

（福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州350002）

0 引言

適宜的氣候條件能保證作物一年四季都能生長，包括冬季，帶來巨大的經(jīng)濟效益。冬季溫室最大的問題是供暖和太陽光，用于供暖的生物燃料提供的解決方案相對不那么吸引人[1]。為了保證作物正常生長，作物經(jīng)理必須有高水平的知識和經(jīng)驗。隨著農(nóng)場規(guī)模越來越大，監(jiān)測各種溫室隔間的所有細節(jié)變得越來越困難[2]，由于其內(nèi)部環(huán)境的可控性，植物工廠是目前精細農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流趨勢。

目前，國內(nèi)大型植物工廠的供暖主要采用空調(diào)，空調(diào)供熱無法避免植物工廠頂部的無效熱損失，冬季供暖時會產(chǎn)生極大的能源浪費，能源利用率極低。并且，由于室內(nèi)外溫差較大，會存在壁面導(dǎo)熱系數(shù)高、植物工廠內(nèi)溫度梯度大等問題，容易出現(xiàn)上熱下冷的分層現(xiàn)象，無法保證溫度的均勻性，導(dǎo)致部分植物生長出現(xiàn)問題[3]。趙國強等[4]對微型植物工廠進行了增溫與增濕處理，擬合優(yōu)度計算傳感器測量值與植物區(qū)模擬值偏離情況，結(jié)果顯示，溫度測量誤差為5.6%，而濕度測量誤差為3.2%。雖然通過增加PC板中心夾層厚度能提高植物工廠保溫能力，但是在冬季溫度非常低的環(huán)境下也無法使植物工廠內(nèi)溫度保持在25℃，所以筆者采用CFD方法對冬季植物工廠升溫方法進行研究[5-7]。

1 模型的建立

在植物工廠內(nèi)熱風(fēng)供暖的重點是氣流循環(huán)，熱空氣向溫度低的冷空氣傳熱，使得空氣溫度均勻，利用上方回風(fēng)口新產(chǎn)生的熱空氣將下方冷空氣擠壓排除。如圖1所示，在植物工廠頂部安裝供暖風(fēng)口，距離地面高3 m處設(shè)置4個送風(fēng)口，沿植物工廠中央向下送風(fēng)，然后通過熱空氣的溫度差造成的浮升力讓熱氣流上升，使得整個空間中溫度升高。

考慮到熱風(fēng)供暖過程中熱量損失、能源浪費的問題，為了比較兩種植物工廠栽培架擺放位置下能量利用問題，引入能量利用系數(shù)如下式[8]：

式中：ts為室內(nèi)送風(fēng)溫度，tf為室內(nèi)監(jiān)測點加權(quán)溫度，th為室內(nèi)高度h平面工作區(qū)平均溫度。若SDEF＞1，表示工作區(qū)溫度高于室內(nèi)設(shè)計溫度，SDEF越大，送入工作區(qū)的熱風(fēng)越多，能量利用率越高；若SDEF=1，表明工作區(qū)溫度剛剛達到室內(nèi)設(shè)計溫度，能量利用率較好；若SDEF＜1，表明工作區(qū)溫度小于室內(nèi)設(shè)計溫度，能量耗費現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

本次主要研究在熱風(fēng)供暖條件下植物工廠內(nèi)溫度場分布，忽略植物工廠內(nèi)其他模型結(jié)構(gòu)因素，僅考慮燈具等設(shè)備產(chǎn)生的熱量對于室內(nèi)供暖的影響[9]。在植物工廠中采用風(fēng)機送風(fēng)，室內(nèi)保持正壓，因此，不考慮縫隙中冷風(fēng)滲入。對兩種植物工廠栽培架擺放位置進行研究，找到熱風(fēng)供暖最優(yōu)擺放方案。擺放方案圖如圖2所示。

圖2 植物工廠栽培架擺放方案

2 仿真結(jié)果的處理分析

2.1 數(shù)據(jù)處理分析

將信息熵應(yīng)用于評價植物工廠溫濕度總量模型的分配求客觀權(quán)重的方法，下面利用對人工光型植物工廠評價體系的賦權(quán)過程，來論證利用信息熵計算權(quán)重的原理[10-11]。以case1為例計算其監(jiān)測點加權(quán)溫度：

其中，max(xi)、min(xi)分別表示數(shù)據(jù)矩陣中第i列最大值與最小值，根據(jù)公式將各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理如矩陣所示：

其中，0

根據(jù)公式可計算出信息熵值的Hi，一共8項評價指標(biāo)，各自的信息如矩陣所示：

根據(jù)指標(biāo)權(quán)重公式，可計算出各指標(biāo)權(quán)重如矩陣所示：

根據(jù)計算出的權(quán)重，兩種栽培架擺放方案的監(jiān)測點加權(quán)溫度如表1所示。

表1 不同截面的監(jiān)測點加權(quán)溫度

由公式（1）計算得出兩種擺放方案下能量利用系數(shù)，最下層平均溫度低于高層平均溫度，能量利用系數(shù)逐漸增大。方案2的栽培架擺放方式能量系數(shù)分別為1.28、1.72、1.78，在h=1.52 m、2.12 m時高于方案1，所以方案2對電能利用率高于方案1，其栽培架擺放方法冬季更適合植物生長。如圖3、圖4所示。

圖3 兩種方案不同平面平均溫度

圖4 兩種方案不同平面能量利用系數(shù)

2.2 仿真結(jié)果圖像

熱風(fēng)供暖送風(fēng)方式的速度矢量圖如圖5所示，由圖可知速度為1 m/s的空氣從送風(fēng)口流出之后，并不是直接穿過栽培架。流動的空氣經(jīng)過植物工廠地面碰撞后向四周擴散，但是由于碰撞的能量損失，速度下降至0.25 m/s，將熱風(fēng)送入作物栽培區(qū)域，然后到達植物工廠兩側(cè)的壁面時與其碰撞，再將熱風(fēng)送入高層區(qū)域，最后風(fēng)速變?yōu)? m/s。出口區(qū)域的壓力比植物工廠內(nèi)壓強小，整個過程有較小的熱風(fēng)通過出口流出，而且在室內(nèi)呈現(xiàn)循環(huán)的狀態(tài)，與其他案例對比升溫效果明顯[11]。

圖5 熱風(fēng)供暖速度矢量圖

植物工廠y=2.55 m的截面速度與溫度分布情況分別如圖6、圖7所示。對植物栽培架擺放進行優(yōu)化后，由于風(fēng)扇在植物工廠頂部呈陣列均勻排布，導(dǎo)致風(fēng)扇下方的風(fēng)速與溫度明顯高于兩側(cè)，靠近出風(fēng)口的區(qū)域速度約為1 m/s、溫度約為29℃。經(jīng)過空氣的向下流動，地面的風(fēng)速逐漸降低至0.25 m/s，溫度則約為30℃。然后，隨著氣流的不斷擴散，風(fēng)速不斷衰減至0 m/s，而在LED植物燈發(fā)熱與暖風(fēng)供暖的共同作用下，兩側(cè)的溫度逐漸升高至31℃。由此可知，暖風(fēng)供暖進風(fēng)口附近溫度較其他區(qū)域低，隨著熱量不斷散失，升溫效果將不明顯。由此可以得出，適當(dāng)增加送風(fēng)的角度能夠改變植物工廠內(nèi)氣流與溫度分布情況。

圖6 y=2.55 m速度分布圖

圖7 y=2.55 m溫度分布圖

在熱風(fēng)供暖條件下，溫度場對作物生長非常重要，溫度的高低直接影響作物的生長情況。所有LED植物燈周圍都有明顯的溫度梯度變化，尤其是中間溫度分布范圍約32.3℃，并且靠近暖風(fēng)流動的位置溫度變化明顯。在h=2.12 m時，中部與作物區(qū)域溫差約為2℃。由于高度下降，導(dǎo)致暖風(fēng)供暖呈降低趨勢。由于未考慮植物工廠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致植物工廠圍爐結(jié)構(gòu)沒有與外界低溫發(fā)生熱交換，內(nèi)部溫度變化只受LED燈與熱風(fēng)影響，表現(xiàn)為室內(nèi)溫度整體偏高，三個截面平均溫度都大于30℃，不利于植物生長。如圖8所示。

圖8 不同高度的溫度云圖

3 結(jié)語

1）本研究通過熱風(fēng)供暖條件下Fluent數(shù)值模擬結(jié)果溫度值，對溫度值進行信息熵加權(quán)計算，然后通過能量利用系數(shù)SDEF評價熱風(fēng)供暖在植物工廠中能量利用效率，使得在損耗最少電能的情況下，植物工廠中升溫效果達到最佳。熱風(fēng)供暖可為以后的設(shè)計人員提供一些有效的參考，對整個植物工廠升溫系統(tǒng)設(shè)計提供一定的幫助。

2）模擬植物工廠中冬季熱風(fēng)供暖條件下兩種栽培架擺放方案溫度場分布。對比結(jié)果可得：在兩排栽培架并列擺放條件下，能量利用系數(shù)最高。試驗發(fā)現(xiàn)在熱風(fēng)供暖條件下整體溫度上升了8℃左右，后期可以通過不斷改變送風(fēng)角度與通風(fēng)口高度，提升供暖分布的均勻性。