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(jì)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(xì)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(xì)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(fèi) 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(qiáng)等 4 對微型植物工廠進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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 圖 1 熱風(fēng)供暖方案 考慮到熱風(fēng)供暖過程中熱量損失 能源浪費(fèi)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 SDEF t s t f t s t h 1 式中 t s 為室內(nèi)送風(fēng)溫度 t f 為室內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)加權(quán)溫度 t h 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(dá)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(fèi)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 作者簡介 鄧鑫 1995 男 江西南昌人 碩士研究生 研究方向 為設(shè)施農(nóng)業(yè)通風(fēng)與傳熱計算 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(jī)電工程學(xué)院 福建 福州 350002 摘 要 環(huán)境溫度對植物生長有非常大的影響 因此 植物工廠內(nèi)部環(huán)境調(diào)控非常有必要 筆者采用 Fluent 對冬季植物工 廠供暖進(jìn)行研究 通過計算信息熵權(quán)法與能量利用系數(shù)得出的監(jiān)測點(diǎn)溫度值來評判能源供給效率 取 24 個觀察點(diǎn)分別 位于截面 0 92 m 1 52 m 和 2 12 m 高度處 分析了熱風(fēng)供暖條件下不同栽培架擺放位置的升溫效果 發(fā)現(xiàn)陣列擺放在植 物工廠中 升溫效果更佳 試驗結(jié)果表明 熱風(fēng)供暖條件下植物工廠整體升溫 3 個截面溫度均小于 1 不均勻系數(shù)均在 1 以下 關(guān)鍵詞 Fluent 熱風(fēng)供暖 能量利用系數(shù) 中圖分類號 S31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1672 3872 2021 17 0036 04 Agricultural Machinery and Agronomy 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 2021 年 9月上 36 植 物工廠中采用風(fēng)機(jī)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(jìn)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(diǎn)加權(quán) 溫度 X 32 11 33 98 31 77 32 66 34 26 31 66 31 58 32 10 31 28 32 38 34 05 32 28 32 45 34 40 32 16 31 81 32 37 31 81 32 58 32 58 34 24 32 10 34 33 31 8 6 Y ij x ij min x i max x i min x i 2 其中 max x i min x i 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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) 化處理如矩陣所示 X 0 77 1 0 0 19 1 0 0 1 1 0 26 1 0 0 16 1 0 21 0 1 0 0 36 1 0 25 0 28 1 0 8 3 4 其中 0 H i 1 歸一化系數(shù)定義為 c 1 ln n 取負(fù)號是 為了確保熵值為正數(shù) 如果 f ij 0 則能夠定義 limf ij 0 f ij ln f ij 0 根據(jù)公式可計算出信息熵值的 H i 一共 8 項評 價指標(biāo) 各自的信息如矩陣所示 X 0 62 0 47 0 52 0 4 0 37 0 48 0 42 0 38 5 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 X 0 09 0 12 0 11 0 14 015 0 12 0 13 0 14 6 根據(jù)計算出的權(quán)重 兩種栽培架擺放方案的監(jiān) 測點(diǎn)加權(quán)溫度如表 1 所示 表 1 不同截面的監(jiān)測點(diǎn)加權(quán)溫度 case2 h 2 12 m 33 14 case1 32 74 h 0 92 m 32 57 31 83 h 1 52 m 32 60 33 12 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(kuò)散 但是由于碰撞的能量損失 速 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 Agricultural Machinery and Agronomy2021年 9月上 37 下轉(zhuǎn)第 49 頁 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(dá)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)?0 m s 出口區(qū)域的壓力 比植物工廠內(nèi)壓強(qiáng)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 圖 6 y 2 55 m 速度分布圖 圖 7 y 2 55 m 溫度分布圖 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(jìn)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(kuò)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(jìn)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 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(jìn)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(dá)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 Agricultural Machinery and Agronomy 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 2021 年 9月上 38 上接第 38 頁 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 參考文獻(xiàn) 1 Ramazan Senol Semra Kilic Kubilay Tasdelen Pulse timing control for LED plant growth unit and effects on carnation J Computers and Electronics in Agriculture 2016 123 125 134 2 Hemming Silke de Zwart Feije Elings Anne et al Remote Control of Greenhouse Vegetable Production with Artificial Intelligence Greenhouse Climate Irrigation and Crop Production J Sensors Basel Switzerland 2019 19 8 1807 3 韓駿騁 賈鶴鳴 李瑤 等 基于計算流體力學(xué)的微型植物工 廠溫濕度環(huán)境模擬及優(yōu)化方案 J 林業(yè)工程學(xué)報 2019 4 6 136 142 4 趙國強(qiáng) 賈鶴鳴 張森 等 微型植物工廠溫濕度場分析與傳 感器優(yōu)化布局 J 森林工程 2019 35 2 61 68 5 周阿連 陳靜 計算流體力學(xué)在設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用 J 赤峰學(xué)院 學(xué)報 自然科學(xué)版 2013 29 2 19 21 6 王向軍 劉志剛 李榮 等 基于 CFD 數(shù)值模擬方法的日光溫 室建模研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 2014 36 6 184 188 7 趙融盛 蔡澤林 楊志 等 側(cè)通風(fēng)口高度對塑料溫室氣流及 溫濕度的影響 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2021 26 3 105 114 8 鄭啟華 房間氣流組織各種可能性的能量經(jīng)濟(jì)評價 J 建筑 技術(shù)通訊 暖通空調(diào) 1979 4 27 30 9 孫月茹 高大建筑工業(yè)廠房熱風(fēng)供暖氣流組織方式研究 D 石家莊 石家莊鐵道大學(xué) 2020 10 李燕 潘炎帆 張濤 等 正交試驗結(jié)合信息熵賦權(quán)法優(yōu)化千 里光藥材的提取工藝 J 中國藥房 2020 31 12 1470 1474 11 Xin Zhang Hongli Wang Zhirong Zou et al CFD and weighted entropy based simulation and optimisation of Chinese Solar Greenhouse temperature distribution J Biosystems Engineering 2016 142 12 26 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝 Agricultural Machinery and Agronomy2021年 9月上 國家和組織規(guī)定的最大允許殘留量 泉州檢測的克 氏原螯蝦體內(nèi)鎘 鉛 汞等重金屬均未超標(biāo) 而砷 鉻 錳等重金屬均不同程度超標(biāo) 揚(yáng)州檢測的稻田養(yǎng) 殖的克氏原螯蝦中砷 鎘 汞的檢測值都滿足無公害 水產(chǎn)品對養(yǎng)殖環(huán)境的要求 雖然大部分地區(qū)小龍蝦 的重金屬砷 鎘 汞的檢測值均滿足無公害水產(chǎn)品的 質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn) 對人體健康產(chǎn)生危害的風(fēng)險不大 但 是也有潛在的危險 所以養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖小龍蝦 除了對 養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格選擇 還需要對生產(chǎn)過程實施實 時監(jiān)控 避免小龍蝦受到重金屬污染 使人們可以放 心食用小龍蝦 推動小龍蝦養(yǎng)殖業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展 綜上所述 為了更好地開發(fā)利用克氏原螯蝦資 源 不僅要提高養(yǎng)殖技術(shù) 做到科學(xué)合理養(yǎng)殖 還要 改善水源 因地制宜選擇合適的養(yǎng)殖模式 養(yǎng)殖出產(chǎn) 量高 質(zhì)量好的克氏原螯蝦 參考文獻(xiàn) 1 陳細(xì)香 劉銀鈴 陳秋月 等 泉州地區(qū)克氏原螯蝦重金屬含 量測定及評價 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015 43 3 151 153 2 程輝輝 劉子棟 三種模式下小龍蝦養(yǎng)殖效益對比和分析 J 科學(xué)養(yǎng)魚 2019 3 32 3 賀江 易夢媛 郝濤 等 小龍蝦產(chǎn)品品質(zhì)影響因素研究進(jìn)展 J 食品與機(jī)械 2019 35 6 232 236 4 何力 喻亞麗 甘金華 等 克氏原螯蝦質(zhì)量安全風(fēng)險研究與 分析 J 中國漁業(yè)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn) 2020 10 1 1 12 5 羊茜 占家智 小龍蝦高效養(yǎng)殖技術(shù) M 北京 化學(xué)工業(yè)出版 社 2012 6 朱玉芳 崔勇華 戈志強(qiáng) 等 重金屬元素在克氏原螯蝦體內(nèi) 的生物富集作用 J 水利漁業(yè) 2003 1 11 12 7 王華全 沈伊亮 湖北出口淡水小龍蝦重金屬污染監(jiān)測與分 析 J 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014 53 9 2140 2142 8 王龍根 成強(qiáng) 陳紅燕 等 稻田養(yǎng)殖克氏原螯蝦重金屬監(jiān)測 分析 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016 44 22 103 104 9 和慶 彭自然 張晨 等 長三角地區(qū)池塘養(yǎng)殖水產(chǎn)品重金屬 含量及其健康風(fēng)險評價 J 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報 2017 36 6 1070 1077 10 陳萬明 郝慧娟 廖中建 等 稻蝦養(yǎng)殖生態(tài)模式對產(chǎn)地環(huán)境 及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險的影響 J 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019 4 64 69 11 黃霞 安徽地區(qū)克氏原螯蝦及其水體五種重金屬污染評價 D 合肥 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 2009 12 Kouba A M Koz k P Bioaccumulation and Effects of Heavy Metals in Crayfish A Review J Water Air Soil Pollution 2010 211 1 4 5 16 49