基于均流板原理的通風(fēng)墻型植物工廠循環(huán)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬 王晉偉 1 陳競楠 2 3 韓 冬 4 林志遠(yuǎn) 1 黃晨馨 1 鄭書河 5 鐘鳳林 1 侯毛毛 1 1 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院 福州 350002 2 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福州 350119 3 聚璜集團(tuán)有限公司 廈門 361021 4 德州學(xué)院 德州 416012 5 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福州 350002 摘 要 植物工廠是當(dāng)前可控農(nóng)業(yè)環(huán)境的最高形式之一 但植物工廠內(nèi)溫度 氣流空間分布不均 不同栽培架之間存在 一定溫差 氣流速度差 為解決氣流植物工廠內(nèi)局部環(huán)境因子差異大的問題 該研究對植物工廠進(jìn)風(fēng)口設(shè)置進(jìn)行改進(jìn) 在側(cè)進(jìn)上出氣流循環(huán)模式下 借鑒均流板原理設(shè)計(jì)了一款全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠 并通過計(jì)算流體力學(xué)軟件 computational fluid dynamics CFD 進(jìn)行模擬 分析該類型工廠下溫度 氣流速度 CO2濃度 相對濕度 適宜風(fēng)速 占比 空氣齡 指定流線速度變化情況 以評價(jià)全網(wǎng)孔通風(fēng)墻對植物工廠內(nèi)局部環(huán)境差異的改進(jìn)效果 該設(shè)計(jì)平均空氣 齡為7 5 s 是無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻條件下的1 9 空氣更新效率有效提升 研究表明全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠能有效提升植 物工廠內(nèi)環(huán)境因子分布均勻性 關(guān)鍵詞 通風(fēng) 溫度 墻 植物工廠 均流板 送風(fēng)系統(tǒng) doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 中圖分類號 S625 5 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2023 13 0213 09 王晉偉 陳競楠 韓冬 等 基于均流板原理的通風(fēng)墻型植物工廠循環(huán)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2023 39 13 213 221 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 http www tcsae org WANG Jinwei CHEN Jingnan HAN Dong et al Design and simulation of the circulating air supply system for a ventilated wall type plant factory based on the principle of uniform flow plate J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2023 39 13 213 221 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 http www tcsae org 0 引 言 植物工廠通過整合環(huán)境數(shù)據(jù) 監(jiān)測植物生長狀況 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整 實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制與植物生長預(yù) 測 最終進(jìn)行環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)植物的計(jì)劃性周年生產(chǎn) 其 內(nèi)部溫度 氣流空間分布不均 兩側(cè)與中間栽培架間 同排栽培架不同層架間均存在一定溫差 氣流速度差 1 氣流速度與進(jìn)風(fēng)口位置相關(guān) 進(jìn)風(fēng)口直接輻射范圍內(nèi) 氣流流動(dòng)劇烈 氣流速度大 換氣效率高 而未處于進(jìn) 風(fēng)口直接輻射范圍的區(qū)域 氣流流動(dòng)緩慢 速度小 換 氣效率低下 因此 進(jìn)風(fēng)口設(shè)置是解決氣流植物工廠內(nèi) 局部環(huán)境因子差異大問題的關(guān)鍵 植物工廠研究于20世紀(jì)50年代開始 前期以 營 養(yǎng)液栽培 為主要方向 后轉(zhuǎn)向 人工模擬環(huán)境與控制 技 術(shù) 自 20世 紀(jì) 90年 代 后 計(jì) 算 流 體 力 學(xué) computational fluid dynamics CFD 技術(shù)開始應(yīng)用于農(nóng) 業(yè)領(lǐng)域 初始運(yùn)用于動(dòng)物畜禽類養(yǎng)殖環(huán)境氣流場 污染 物揮發(fā)的模擬 2 5 當(dāng)前也運(yùn)用于受控設(shè)施農(nóng)業(yè) 日光溫 室 植物工廠 中的流體動(dòng)力學(xué) 6 熱力學(xué)和復(fù)雜的流 體現(xiàn)象分析 7 9 提高植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子的均一性能 夠明顯提高植物工廠生產(chǎn)水平 LEE 等 10 將CFD技術(shù) 應(yīng)用于植物工廠內(nèi)部環(huán)境模擬 研究了風(fēng)向 風(fēng)速 通 風(fēng)口大小和栽培架對自然通風(fēng)量和氣流分布的影響 ZHANG等 11 利用CFD比較了不同穿孔數(shù)空氣管向作物 冠層表面送風(fēng)的效果 得出帶有2個(gè)穿孔的空氣管能夠 提供0 42 m s的平均風(fēng)速 變異系數(shù)為44 可作為最 佳穿孔設(shè)計(jì) BAEK等 12 在人工光型植物工廠中設(shè)計(jì)不 同的空調(diào) 內(nèi)部風(fēng)扇 外部風(fēng)扇的開啟工況 使用CFD 模擬植物工廠內(nèi)部氣流 溫度 觀測生菜生長狀況 研 究結(jié)果表明同時(shí)開啟空調(diào) 內(nèi)部風(fēng)扇 外部風(fēng)扇能夠使 工廠內(nèi)溫度保持穩(wěn)定 更加適宜生菜生長 綜上 采用 CFD模擬植物工廠內(nèi)部環(huán)境變化 優(yōu)化植物工廠設(shè)計(jì)對 于提升植物工廠內(nèi)部環(huán)境均勻性和穩(wěn)定性有重要意義 然而 目前植物工廠內(nèi)部氣流循環(huán)模式研究多數(shù)以進(jìn) 出風(fēng)口位置 數(shù)量 角度為切入點(diǎn) 植物工廠氣流循環(huán) 效果受內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響顯著 是否可以通過優(yōu)化氣流循環(huán) 方式 改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)提升植物工廠內(nèi)環(huán)境因子分布均勻 性 值得深入研究 本文在側(cè)進(jìn)上出氣流循環(huán)模式下 借鑒均流板原理 設(shè)計(jì)了一款全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠并進(jìn)行CFD模擬 分析該類型工廠下溫度 氣流速度 CO2濃度 相對濕 度 適宜風(fēng)速占比 空氣齡 指定流線速度變化情況 以評價(jià)全網(wǎng)孔通風(fēng)墻對植物工廠內(nèi)局部環(huán)境差異的改進(jìn) 收稿日期 2023 03 30 修訂日期 2023 06 12 基金項(xiàng)目 福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 2023J01133579 福建省科協(xié) 德化淮山科技小院 202203 作者簡介 王晉偉 研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)方面 Email 1210306009 通信作者 侯毛毛 博士 副教授 研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)方面 Email xiaohouboshi 第 39 卷 第 13 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 39 No 13 2023 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering July 2023 213 效果 以期為植物工廠內(nèi)溫度 氣流空間分布不均 影 響作物產(chǎn)量 品質(zhì)等問題提供新的研究思路 1 通風(fēng)墻型植物工廠設(shè)計(jì) 1 1 設(shè)計(jì)目的 傳統(tǒng)植物工廠采用空調(diào)或者風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)降溫 在 空調(diào)或風(fēng)機(jī)出風(fēng)口附近氣流速度較大 易形成氣流渦流 區(qū) 伯努利原理 導(dǎo)致植物生長一致性較差 本設(shè)計(jì) 基于均流板原理設(shè)計(jì)全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 用于探尋植物工廠 氣流循環(huán)穩(wěn)定性與均勻性的提升方法 1 2 全網(wǎng)孔通風(fēng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 均流板能夠改善流體分布 提高流場均勻性 是均 勻流體組織的一種重要方法 在水污染處理 13 15 節(jié)流 空化 16 17 工業(yè)運(yùn)輸管道 18 等方面應(yīng)用廣泛 本研究以 福建省漳州市云霄縣老區(qū)果場科技示范基地植物工廠為 原型 基于均流板原理設(shè)計(jì)一種全網(wǎng)孔通風(fēng)板 改善植 物工廠通風(fēng) 如圖1所示 全網(wǎng)孔通風(fēng)孔板材質(zhì)為304不銹鋼 依據(jù)協(xié)調(diào)美觀 易于施工 鋼板鉆開孔直徑為0 0135 0 0360 m 0 020 m較為常規(guī) 的原則 設(shè)計(jì)長1 800 m 高0 500 m 厚度為2 mm 小孔直徑為0 020 m 孔間距 為0 035 m 首尾排小孔圓心距邊界均為0 025 m 計(jì)算 得出孔隙率為0 249 2 a 俯視圖 a Top view b 細(xì)節(jié)尺寸 b Details and dimenstions c 正視圖 c Front view 單位 Unit mm 1 800 500 25 25 35 35 20 圖1 全網(wǎng)孔通風(fēng)板 Fig 1 Full mesh ventilation panel 1 3 通風(fēng)墻型植物工廠設(shè)計(jì) 圖2為通風(fēng)墻型植物工廠設(shè)計(jì)圖及測點(diǎn)位置 全網(wǎng) 孔通風(fēng)墻型植物工廠包括外室體 空氣腔和內(nèi)室體 外 室體規(guī)格與測量植物工廠的保持一致 長 寬 高為4 6 m 3 0 m 3 0 m 四周墻壁及屋頂采用聚丙乙烯夾芯板填充 內(nèi)室體規(guī)格長 寬 高為4 312 m 2 712 m 3 596 m 室內(nèi) 栽培架布置為南北向均勻排布4排栽培架 栽培架距東 墻0 1 m 距西墻0 3 m 兩側(cè)栽培架之間留有3條過道 栽培架間距為0 630 m 內(nèi)室體四周由2 mm全網(wǎng)孔通風(fēng) 墻焊接而成 頂部由304不銹鋼板焊接而成 外室體與 內(nèi)室體間為空氣腔 內(nèi)實(shí)體頂部距外室體頂部距離為 0 4 m 裝有雙面出風(fēng)送風(fēng)機(jī) 出風(fēng)口處布置有散流罩 加濕方向 Humidification direction加濕管道 Humidification line 空氣腔 Air chamber 散流罩 Diffusing shroud P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 304不銹鋼板 304 Stainless steel plate 2 mm全網(wǎng)孔通 墻Full mesh ventilation wall 2 mm FC 140 20 20 50 630 580 700 700 3 020 700 4 640 400 2 注 FC為雙面出風(fēng)送風(fēng)機(jī) P1 P24為測點(diǎn) Note FC is a double sided air supply fan P1 P24 are the measuring points 圖2 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠 Fig 2 Full mesh ventilation wall type plant factory 所設(shè)計(jì)的通風(fēng)墻型植物工廠的氣流循環(huán)方式為側(cè)進(jìn) 上出式 氣流經(jīng)頂部的多面出風(fēng)送風(fēng)機(jī)流出 在上層空 氣腔內(nèi)由中心向四周流動(dòng) 后進(jìn)入內(nèi) 外室體間的空氣 腔 穿過2 mm全網(wǎng)孔通風(fēng)墻進(jìn)入栽培區(qū)域 后在內(nèi)室 體頂部回風(fēng)機(jī)工作所形成的內(nèi)室體負(fù)壓作用下 由下向 上流動(dòng) 經(jīng)出風(fēng)口流出 2 植物工廠CFD模擬與驗(yàn)證 為驗(yàn)證全網(wǎng)孔通風(fēng)墻對植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子分布 均勻性的提升作用 將無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠作為 214 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2023 年 對照組 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠作為試驗(yàn)組 在相同 條件下進(jìn)行模擬 關(guān)注各環(huán)境因子變化情況 2 1 三維建模與網(wǎng)格劃分 根據(jù)圖1 圖2所示的植物工廠結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù) 以 地面為基準(zhǔn)面 以工廠地面中心點(diǎn)為原點(diǎn) 以正北方向 為 X 軸正向 正東方向?yàn)?Z 軸正向 垂直向上為Y 軸正 向 利用Solid Works 2017對有全網(wǎng)孔通風(fēng)墻和無全網(wǎng) 孔通風(fēng)墻植物工廠分別進(jìn)行三維建模 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 植物工廠建模時(shí) 在頂部中心處留有1 34 m 2 08 m 按 照四排式栽培架通用送風(fēng)機(jī)尺寸設(shè)計(jì) 矩形出風(fēng)口 東 西墻各設(shè)置5個(gè)0 35 m 0 75 m 矩形進(jìn)風(fēng)口 全網(wǎng)孔通風(fēng) 墻植物工廠在建模時(shí) 將多面出風(fēng)送風(fēng)機(jī)視為長方體 在 外室體頂面距兩側(cè)分別為1 28 0 85 m處留有1 34 m 2 08 m 0 40 m的長方體進(jìn)風(fēng)口 出風(fēng)口位于內(nèi)室體頂 部中央 尺寸為1 34 m 2 08 m 外墻體與空氣腔合并建 模 內(nèi)部其他空間和全網(wǎng)孔通風(fēng)墻均單獨(dú)成塊建模 并 用組合功能將外墻體和空氣腔 內(nèi)部空間 全網(wǎng)孔通風(fēng) 墻3塊組合為一體 具體如圖 3 所示 a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 a No full mesh ventilation wall b 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 b Full mesh ventilation wall 圖3 三維建模及網(wǎng)格劃分 Fig 3 3D modeling and meshing 通過ICEM CFD 17 0進(jìn)行網(wǎng)格劃分 處理為六面體 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠在進(jìn)出風(fēng)口 LED燈盤 栽培架附近的溫梯度變化較快 對其網(wǎng)格進(jìn) 行加密處理 經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn) 最終確認(rèn)網(wǎng)格數(shù)量為 1 012 365 網(wǎng)格質(zhì)量為0 999 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠 劃分時(shí)將2 mm全網(wǎng)孔通風(fēng)墻創(chuàng)建為Fluid類型 用于設(shè) 置多孔介質(zhì)模型 在進(jìn)出風(fēng)口 LED燈盤 栽培架附近 的溫梯度變化較快 通風(fēng)墻附近存在較大壓降 故對其 網(wǎng)格進(jìn)行加密處理 經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn) 最終確認(rèn)網(wǎng)格 數(shù)量為1 245 456 最差網(wǎng)格質(zhì)量為0 997 2 2 多孔介質(zhì)模型 在設(shè)計(jì)的全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠中 通風(fēng)板上圓 孔間距0 035 m 僅1 80 m 0 50 m的通風(fēng)板上分布著 714個(gè)小圓孔 若將所有圓孔全部進(jìn)行保留 將會(huì)造成 巨大的網(wǎng)格量 故需要進(jìn)行簡化處理 多孔介質(zhì)是一種由多相物質(zhì)共存的組合體 由固體 骨架和孔隙組成 19 21 骨架部分指固體部分 非骨架部 分由液體 氣體或氣液共同填充 當(dāng)氣流體流經(jīng)多孔介 質(zhì)物時(shí) 經(jīng)孔隙穿過 骨架會(huì)對氣流有一定阻礙作用 氣流經(jīng)過后速度減慢 22 多孔介質(zhì)模型將多孔區(qū)域簡化為增加了阻力源項(xiàng)的 流體區(qū)域 常用于流過填充床 濾紙 多孔板 布流器 管排等流動(dòng)的模擬 23 26 對于圓孔通風(fēng)墻 TAO等 27 用 原始模型 多孔介質(zhì)模型和多孔階躍模型對地鐵客室圓 孔通風(fēng)板模型進(jìn)行模擬 結(jié)果表明多孔介質(zhì)模型能夠很 好的替代通風(fēng)板的原始模型 其模擬最大誤差僅為 4 71 多孔介質(zhì)兩側(cè)存在一定壓差 壓差變化與速度等存 在以下關(guān)系 20 21 28 p 12C2 null n v2 nullnull n v 1 式中 p為通風(fēng)板壓力損失 Pa 為空氣密度 取值 1 225 kg m C2為慣性阻力系數(shù) m 1 n為通風(fēng)板厚 度 本文為4 mm v為空氣速度 m s 為空氣動(dòng)力黏 度 取值1 8 10 5 Pa s 為面滲透率 m2 本設(shè)計(jì)中 孔板厚度為2 mm 孔隙率為0 249 TAO等 27 在中南大學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)所進(jìn)行試驗(yàn)通風(fēng)板 模 擬地鐵客室 厚度為2 mm 孔隙率為0 257 兩者通風(fēng) 板厚度相同 孔隙率接近 故采用其所取得通風(fēng)板壓力 損失擬合進(jìn)行求解 p 183null5v2 0null03622v 2 通過求解可得1 1 005 556 m 2 C2 149 795 m 1 2 3 邊界條件設(shè)置與收斂設(shè)置 采用Fluent17 0軟件對全網(wǎng)孔通風(fēng)墻模型的邊界條 件設(shè)置 將通風(fēng)墻部分設(shè)置為單元區(qū)條件 cell zone conditions 下 的 流 體 fluid 開 啟 多 孔 性 區(qū) 域 porous zone 設(shè)置慣性阻力系數(shù)為149 795 m 1 設(shè) 置滲透率為1 005 556 m 2 27 設(shè)置孔隙率為0 249 1 2 節(jié)計(jì)算得出 在邊界條件 boundary conditions 中 設(shè)置通風(fēng)墻類型為 多孔躍遷 porous jump 輸入 通風(fēng)墻厚度2 mm 其余邊界條件參數(shù)設(shè)置相同 具體如 表1所示 表 1 邊界條件參數(shù) Table 1 Boundary condition parameters 邊界類型 參數(shù) 數(shù)值 Boundary type Parameters Value 進(jìn)風(fēng)口 Air inlet 溫度 20 相對濕 度 RH 65 進(jìn)風(fēng)速度 m s 1 3 0 出風(fēng)口 Air outlet 溫度 25 出口壓力 Pa 200 質(zhì)量流率 kg s 1 0 002 01 植物板 Plant panel 溫度 23 相對濕 度 RH 55 二氧化碳濃度 mol mol 1 1 100 LED燈盤 LED panel 熱通量 W m 2 128 21 采用SIMPLEC算法進(jìn)行求解 并采用單元最小二 乘法 least squares cell based 法對控制方程進(jìn)行離散 軟件中 其余選項(xiàng) 均選為二階迎風(fēng)格式以保證計(jì)算精 度 設(shè)置植物工廠中心點(diǎn)的壓力 速度 溫度 相對濕 度 二氧化碳濃度等作為觀測指標(biāo) 在殘差項(xiàng)設(shè)置上 除能量項(xiàng)設(shè)置為10 6外 29 其余均設(shè)置為10 3 當(dāng)殘差 均小于設(shè)定值或進(jìn)出口流量差小于1 且觀測指標(biāo)趨于 平穩(wěn)時(shí)視為計(jì)算結(jié)果收斂 第 13 期 王晉偉等 基于均流板原理的通風(fēng)墻型植物工廠循環(huán)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬 215 2 4 空氣齡自定義函數(shù) user defined functions UDF 空氣齡 mean age of air MAA 是衡量空氣新鮮程 度的重要指標(biāo) 指舊空氣被新空氣替代的速度 30 空氣 齡控制方程張量表達(dá)式 31 如下 null nullxi nullui A null nullxi nullA nullnullx i null 3 nullA nullS c nulltS ct 4 Sc vD nullsnullD 5 Sc t 式中ui為速度矢量 m s A為某點(diǎn)空氣齡 s A為空 氣齡擴(kuò)散系數(shù) m2 s 為空氣分子動(dòng)力粘性系數(shù) Pa s Sc為施密特系數(shù) t為空氣湍流粘性系數(shù) 為湍流施 密特系數(shù) 參考ANSYS Fluent幫助手冊 取值為0 7 v為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù) m2 s D為擴(kuò)散系數(shù) s為動(dòng)量黏性 系數(shù) m2 s 在本試驗(yàn)中引入空氣齡 平面內(nèi)各空氣齡差值越小 視為氣流越穩(wěn)定 分布越均勻 空氣齡計(jì)算在模擬計(jì)算 完成后單獨(dú)進(jìn)行 殘差值小于10 6視為計(jì)算收斂 2 5 CFD輸出參數(shù)設(shè)置 為更好的觀測植物工廠內(nèi)部空間上各指標(biāo)的分布情 況 在X方向上選取X 1 850 m X 0 625 m X 0 625 m X 1 850 m 4個(gè)平面 在Y方向上選取Y 0 42 m Y 1 12 m Y 1 82 m共3個(gè)平面 在Z方向上 選 取在Z 0 667 m Z 0 633 m共2個(gè) 平 面 運(yùn) 用 Tecplot 2019做切片圖 導(dǎo)出面上數(shù)據(jù)及分布云圖 用 CFD Post做速度矢量圖 流線圖 2 6 模擬驗(yàn)證 為檢驗(yàn)CFD及上述參數(shù)設(shè)計(jì)是否可以用于植物工廠 內(nèi)部環(huán)境因子模擬 本研究以2 3節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)為基準(zhǔn) 對無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠內(nèi)的溫度 氣流速度的模 擬值 實(shí)測值及相對誤差情況分別進(jìn)行分析 以測點(diǎn)位 置對稱分布為原則 在單個(gè)栽培架每一層栽培區(qū)域東西 方向上布置2個(gè)測點(diǎn) 單個(gè)栽培架垂直方向上各層間測 點(diǎn)布置一致 3層距地面分別為0 42 1 12 1 82 m 共2 3 4 24個(gè)測點(diǎn) 見圖2測點(diǎn)位置 研究采用多功能便攜式溫濕度儀 KIMO AMI 310 測量植物工廠內(nèi)溫度 相對濕度 氣流速度和二氧化碳 該儀器各指標(biāo)測量精度分別為 溫度 0 2 相對濕 度 1 8 RH 氣流速度 0 03 m s CO2 50 10 6 各指 標(biāo)分辨率分別為 溫度0 1 相對濕度0 1 RH 氣 流速度0 01 m s 數(shù)據(jù)通過美國產(chǎn)坎貝爾 CR3000 數(shù)據(jù)采 集儀 每隔30 s記錄一組數(shù)據(jù) 測量30 min 測量60 組數(shù)據(jù) 求取平均值標(biāo)準(zhǔn)差 3 結(jié)果與分析 3 1 CFD模擬結(jié)果驗(yàn)證 3 1 1 溫度 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠內(nèi)24個(gè)測點(diǎn)的溫度模擬 值 實(shí)測值及相對誤差值如圖4所示 24個(gè)測點(diǎn)中僅有 4個(gè)測點(diǎn)相對誤差超過3 最高和最低相對誤差分別為 3 54 0 19 各測點(diǎn)溫度模擬值與實(shí)測值平均相對誤 差為1 69 溫度模擬總體較為準(zhǔn)確 21 60 4 00 3 50 3 00 2 50 2 00 1 50 1 00 0 50 0 21 40 21 20 21 00 20 80 20 60 20 40 20 20 20 00 19 80 19 60 溫度 Temperature 相對誤差 Relative error 實(shí)測值 Measured value 模擬值 Simulated value 相對誤差 Relative error P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24 測點(diǎn) Measuring point 圖4 植物工廠內(nèi)各測點(diǎn)溫度模擬值 實(shí)測值及相對誤差 Fig 4 Simulated value measured value and relative error of temperature at each measuring point in plant factory 3 1 2 氣流速度值比較 圖5展示了無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠內(nèi)24個(gè)測點(diǎn) 的氣流速度模擬值 實(shí)測值及相對誤差情況 24個(gè)測點(diǎn) 氣流速度模擬值與實(shí)測值平均相對誤差為3 54 相對 誤差值為0 78 6 48 其中2個(gè)測點(diǎn)相對誤差超過 5 氣流速度模擬值與實(shí)測值的大小及變化趨勢較為一 致 各測點(diǎn)中 P15相對誤差最大 達(dá)6 48 氣流速 度較低點(diǎn)相對誤差較大 可能與氣流速度較低的條件下 儀器測量精度相對較低有關(guān) 總體而言 氣流速度模擬 較為準(zhǔn)確 0 70 0 60 0 50 0 40 0 30 0 20 0 10 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 速度 Velocity m s 1 相對誤差 Relative error 實(shí)測值 Measured value 模擬值 Simulated value 相對誤差 Relative error P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24 測點(diǎn) Measuring point 圖5 植物工廠內(nèi)各測點(diǎn)氣流速度模擬值 實(shí)測值及相對誤差 Fig 5 Simulated value measured value and relative error of air velocity at each measuring point in plant factory 3 2 溫度場分析 表2為有通風(fēng)墻和無通風(fēng)墻植物工廠溫度場分布情 況 通過表2可知 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻條件下 平均溫度 為21 8 高出全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型0 6 溫度分布變異 系數(shù)4 65 高于全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型 2 27 全網(wǎng)孔通 風(fēng)墻型植物工廠溫度分布更加均勻 圖6為模擬所得溫度分布情況 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型 植物工廠不同層高間 溫度分布存在差異 下層平均溫 度明顯高于上中2層 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型4個(gè)栽培架間溫 度差異不明顯 兩側(cè)栽培架作物種植區(qū)域溫度分布均勻 中間2個(gè)栽培架上 中2層呈現(xiàn)單峰分布 中間高 四 周低 底層呈現(xiàn)多峰分布 216 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2023 年 表 2 植物工廠各層平面溫度 Table 2 Plant factory surface temperature of each layer 循環(huán)方式 層架 溫度 變異系數(shù) Types of ventilation Layer Temperature Coefficient of variation 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 No full mesh ventilationt 上層 21 7 0 80 3 69 中層 21 8 0 98 4 50 下層 22 0 1 27 5 77 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 Full mesh ventilation 上層 21 1 0 47 2 22 中層 21 3 0 48 2 25 下層 21 4 0 50 2 34 Y 高 Height m 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Wide m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 b Full mesh ventilation wall 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 a No full mesh ventilation wall 33 031 029 027 025 023 021 019 0 溫度 Temperature 圖6 植物工廠溫度場分布云圖 Fig 6 Temperature field distribution cloud picture of plant factory 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠出風(fēng)口設(shè)置于頂部中心 位置 進(jìn)風(fēng)口設(shè)置于工廠長邊兩側(cè)的墻上 氣流經(jīng)兩側(cè) 進(jìn)入后 無阻力阻擋 在頂部負(fù)壓風(fēng)機(jī)的作用下 氣流 迅速向上運(yùn)動(dòng)流出 難以向四周及下層流動(dòng) 氣流對流 換熱減少 導(dǎo)致下層平均溫度較高 空間上溫度分布不 均勻 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型改進(jìn)了氣流運(yùn)動(dòng)軌跡 氣流經(jīng)出 風(fēng)口吹出 在重力作用下在空氣腔內(nèi)加速運(yùn)動(dòng)后 經(jīng) 2 mm通風(fēng)墻由四周吹向內(nèi)室體中心 氣流流經(jīng)作物種植 區(qū)域 對流換熱作用增強(qiáng) 降溫效果好 因此整體溫度 較低 且整體分布更為均勻 3 3 氣流速度場分析 圖7展示植物工廠不同平面的氣流流速分布 其中 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠出風(fēng)口附近存在明顯的氣流 速度梯度變化 氣流速度最大達(dá)4 0 m s 底層及靠近栽 培板面處存在空氣滯留區(qū) 幾乎所有栽培區(qū)均存在較明 顯的氣流速度差異 氣流速度分布不均勻 圖7a 全 網(wǎng)孔通風(fēng)墻型4個(gè)層架間氣流速度差異不明顯 兩側(cè)栽 培架作物種植區(qū)域 最上層不種植作物 氣流速度均勻 分布于0 3 1 0 m s之間 中間2個(gè)栽培架上 中 下 3層均存在少量區(qū)域氣流速度小于0 3 m s 圖7b 無 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型在進(jìn)風(fēng)口附近存在大量氣流過速區(qū) 最 大速度可達(dá)3 47 m s 圖7c 而全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型3層 種植區(qū)域內(nèi)大部分處于適宜風(fēng)速區(qū) 少量區(qū)域存在空氣 滯留 在頂層栽培架上 在過道處存少量區(qū)域氣流速度 超過1 0 m s 圖7d 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠氣流速 度變異系數(shù)為63 21 整體而言 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型氣流 速度分布較側(cè)進(jìn)上出式均勻 表3展示植物工廠不同平面的適宜風(fēng)速占比情況 0 3 1 0 m s為適宜風(fēng)速 由表3可知 全網(wǎng)孔通風(fēng) 墻型植物工廠相較于無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠的適宜 風(fēng)速占比整體提升了20 05 風(fēng)速過速區(qū)比例降低 19 32 兩側(cè)栽培架適宜風(fēng)速區(qū)占比提升30 59 中 間兩排栽培架適宜風(fēng)速區(qū)占比提升9 5 兩側(cè)風(fēng)速停滯 區(qū)降低13 87 中間兩排栽培風(fēng)速停滯區(qū)提升12 41 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型明顯提升了適宜風(fēng)速區(qū)占比 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 3 733 202 672 131 601 000 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻X平面 b X plane of Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall 風(fēng)速 Velocity m s 1 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 2 2 0 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 2 2 0 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m d 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻Z平面 d Z plane of Full mesh ventilation wall c 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻Z平面 c Z plane of no full mesh ventilation wall 圖7 植物工廠氣流場分布云圖 Fig 7 Air flow field distribution cloud picture of plant factory 表 3 植物工廠長度方向適宜風(fēng)速占比 Table 3 Proportion of wind speed suitable in length for plant factories 循環(huán)方式 Types of ventilation 速度 Velocity m s 1 1 850 m 0 625 m0 625 m1 850 m 平均Average 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型 No full mesh ventilation 1 0 19 00 31 97 31 15 20 35 25 62 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型 Full mesh ventilation 1 0 2 32 9 74 9 55 3 59 6 30 3 4 CO2濃度場分析 圖8為植物工廠的CO2濃度場分布 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 1 1501 000800800700600500400 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 b Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 a No full mesh ventilation wall CO2 濃度 CO2 concentration mol mol 1 圖8 植物工廠CO2濃度場分布云圖 Fig 8 Cloud image of CO2 concentration field distribution in plant factory 由圖可知 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠CO2氣體自 栽培板處向上隨氣流方向彌漫擴(kuò)散 濃度梯度變化程度 大 接進(jìn)栽培板處濃度最高 隨高度上升濃度逐漸降低 第 13 期 王晉偉等 基于均流板原理的通風(fēng)墻型植物工廠循環(huán)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模擬 217 在中間過道底層存在明顯的CO2聚集 濃度較高 全網(wǎng) 孔通風(fēng)墻型植物工廠東西兩側(cè)栽培架CO2濃度場分布相 對均勻 相比于栽培架中部 最上層CO2濃度場分布更 為均勻 4個(gè)栽培架中 中間2個(gè)栽培架存在較大濃度 梯度變化 由栽培板向上遞減 通過計(jì)算可得全網(wǎng)孔通 風(fēng)墻型植物工廠CO2濃度變異系數(shù)為107 31 CO2濃度分布與氣流流動(dòng)軌跡有關(guān) 無全網(wǎng)孔通風(fēng) 墻型植物工廠內(nèi)氣流軌跡單一 運(yùn)動(dòng)路程較短 氣流流 動(dòng)較少處濃度變化較大 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻的氣流流動(dòng)軌跡 改變了CO2濃度分布 氣流經(jīng)四周通風(fēng)墻流入經(jīng)頂部出 風(fēng)口流出 氣流流動(dòng)過程帶 CO2氣體 而全網(wǎng)孔通風(fēng) 墻的設(shè)計(jì)延伸了氣流的運(yùn)動(dòng)軌跡 有效提高植物工廠內(nèi) CO2濃度場均勻性 3 5 相對濕度場分析 圖9展示植物工廠不同平面相對濕度場分布 由圖 可知 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠的相對濕度整體低于 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠相對濕度 的整體分布于47 67 在層架間分布與溫度分布類 似 各個(gè)栽培區(qū)域內(nèi)濕度跨度梯度較大 底層平均相對 濕度最低 為54 86 整體分布不均勻 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 型植物工廠兩側(cè)栽培架相對濕度均勻分布于61 67 靠近栽培板面相對濕度較低 中間兩排栽培架相對濕度 分布存在一定差異 均勻性較兩側(cè)栽培架低 全網(wǎng)孔通 風(fēng)墻型植物工廠相對濕度變異系數(shù)為5 87 全網(wǎng)孔通 風(fēng)墻型兩側(cè)栽培架相對濕度分布均勻性相較于無全網(wǎng)孔 通風(fēng)墻型均有提升 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 11 1 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 70 0064 2958 5752 8647 1441 4335 7130 00 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 11 1 0 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 b Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 a No full mesh ventilation wall RH 注 葉菜類適宜濕度范圍為55 70 Note The suitable humidity range of leafy vegetables is 55 70 圖9 植物工廠相對濕度場分布云圖 Fig 9 Cloud image of relative humidity RH field distribution in plant factory 3 6 不同類型植物工廠空氣齡分析 圖10展示植物工廠不同平面空氣齡分布 由圖可知 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠整體平均空氣齡為54 67 s 單個(gè)層架內(nèi)靠近東西墻兩側(cè)的空氣齡速度略微慢 中間 部分空氣齡相當(dāng) 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型整體平均空氣齡為 6 11 s 同排栽培架層間有明顯的差異 底層運(yùn)動(dòng)軌跡最 長 空氣齡最大 換氣所需時(shí)間最長為7 5 s 依次向上 降低 整體而言 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型空氣齡僅為無全網(wǎng)孔 通風(fēng)墻型的1 9 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻有效提升空氣更新效率 空氣齡與氣流流動(dòng)有關(guān) 氣流流動(dòng)激烈 流通性高 則空氣更新效率高 空氣齡小 圖11展示了植物工廠的 氣流流線圖 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 56 055 254 453 652 852 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻 b Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall MAA s 7 06 05 04 03 02 0 MAA s 圖10 植物工廠空氣齡分布云圖 Fig 10 Mean age of air MAA distribution cloud map of plant factories a 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall b 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻Z平面 b Z plane of no full mesh ventilation wall c 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻X平面 c X plane of Full mesh ventilation wall d 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻Z平面 d Z plane of Full mesh ventilation wall 0 1 000 0 500 1 500 2 000 m 0 1 000 0 500 1 500 2 000 m 0 1 000 0 500 1 500 2 000 m0 1 000 0 500 1 500 2 000 m 4 003 733 473 202 932 672 402 131 871 601 331 000 300 流線速度 Streamline velocity m s 1 圖11 植物工廠氣流流線圖 Fig 11 Plant factory air flow diagram 從圖11a 11b可知 無全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠氣 流自進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后分2種情況 上 中兩排出風(fēng)口流出 氣流在風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下快速經(jīng)出風(fēng)口流出 下排出風(fēng)口 流出氣流在底層栽培架內(nèi)自由流動(dòng)形成渦流 難以從出 風(fēng)口排出 導(dǎo)致氣流流通性較差 空氣更新效率較低 空氣齡較大 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠的氣流流動(dòng)軌跡 通透 圖11c 11d 兩側(cè)兩排栽培架作物栽培區(qū)域內(nèi) 來自四個(gè)方向的氣流不斷單向流入 促使栽培區(qū)域內(nèi)的 氣流不斷向過道流動(dòng) 過道處垂直方向上無栽培板阻力 氣流在風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下可以順利流出 因此整體流通性 有明顯提高 中間2排栽培架底層氣流流經(jīng)較少 可能 是由于運(yùn)動(dòng)軌跡過長或者經(jīng)通風(fēng)墻流入作物栽培區(qū)域時(shí) 初速度較小 氣流流動(dòng)過程中動(dòng)量減少 在經(jīng)過過道時(shí) 垂直方向分力大于水平方向分力 氣流垂直向上流動(dòng) 218 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2023 年 無法穿越底層栽培區(qū)域經(jīng)中間過道流向出風(fēng)口 3 7 全網(wǎng)孔通風(fēng)墻流線速度變化分析 為更好描述全網(wǎng)孔通風(fēng)墻型植物工廠作物栽培區(qū)域 速度隨X軸方向的變化 在空間內(nèi)取L1 L6流線 圖12a 用Tecplot 2019導(dǎo)出流線上速度數(shù)據(jù) 用 Origin做流線變化圖 如圖12b所示 整體而言 速度 自邊緣向中心方向上 速度先增大后減小 在第一過道 處有小幅提升 而后再迅速下降 隨著高度升高 速度 降