null農業(yè)工程 農業(yè)與技術 2024 Vol 44 No 09 人工環(huán)境植物工廠的應用及仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析 胡開永 1 2 3 4 王新強 1 2 3 4 鄭晨瀟 1 2 3 4 張世杰 1 2 3 4 1 天津商業(yè)大學機械工程學院 天津 300134 2 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134 3 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津 300134 4 工程熱物理基礎及工程國際聯(lián)合研究中心 天津 300134 摘 要 在我國數(shù)字農業(yè)化與鄉(xiāng)村振興的趨勢下 人工環(huán)境植物工廠作為一種新興的農業(yè)生產方式 由于其有生 產效率高 綠色健康等發(fā)展優(yōu)勢 近年來得到了快速發(fā)展 本文介紹了人工環(huán)境植物工廠的應用技術與 CFD 計算流體力學 技術的發(fā)展現(xiàn)狀 并展望了人工環(huán)境植物工廠的未來發(fā)展趨勢 關鍵詞 人工環(huán)境 植物工廠 數(shù)字農業(yè)化 鄉(xiāng)村振興 計算流體力學 中圖分類號 S24 文獻標志碼 A nullnullnull 10 19754 j nyyjs 20240515009 收稿日期 2024 04 07 基金項目 天津市教委科研計劃項目 項目編號 2022KJ003 作者簡介 胡開永 1987 男 博士 副教授 研究方向 空調系統(tǒng)節(jié)能與優(yōu)化 引言 人工環(huán)境植物工廠是一種在封閉建筑設施內利用 人工光源 溫濕度 風速 土壤營養(yǎng)成分等條件控制 的生產方式 實現(xiàn)植物高效率 低投入種植 通常放 置在建筑物或市區(qū)周圍的倉庫中 相較于傳統(tǒng)的植物 種植大棚和生產基地 人工環(huán)境植物工廠有單位資源 利用率高 產量高而穩(wěn)定等優(yōu)勢備受關注 但也被許 多 瓶頸 所限制 如生產成本高等問題 1 2 從 20 世紀 70 年代開始 美國 日本及挪威等國陸續(xù)建起 人工環(huán)境植物工廠 目前成為世界農業(yè)發(fā)展的一個新 形式 3 近幾年 為了突破目前人工環(huán)境植物工廠存在的 技術瓶頸 促進人工環(huán)境植物工廠技術 設備等生產 要素的發(fā)展 有不少國內外學者研究了可控的人工環(huán) 境植物工廠的內環(huán)境對其內部植物生長的影響 無論 是室內與植物工廠內 都需要營造適宜的熱環(huán)境 學 者主要研究通過改進人工環(huán)境植物工廠的設備 內部 結構來營造適宜的熱環(huán)境 但內部設備的改造與優(yōu)化 有一定的技術限制 學者通常采用數(shù)字模擬技術對人 工環(huán)境植物工廠的內部環(huán)境進行模擬仿真 進而確定 內部結構需要優(yōu)化的方向與程度 其中應用最廣泛的 數(shù)字模擬技術是計算流體力學技術 本文綜述了人工環(huán)境植物工廠的應用技術與 CFD 計算流體力學 技術的發(fā)展現(xiàn)狀 展望了人工環(huán)境 植物工廠未來應用前景 以期人工環(huán)境植物工廠進一 步向前發(fā)展以實現(xiàn)數(shù)字農業(yè)快速普及 null 人工環(huán)境植物工廠的組成 人工環(huán)境植物工廠的組成主要有風系統(tǒng) 空調系 統(tǒng) 補光系統(tǒng) 噴淋系統(tǒng) 動力系統(tǒng) 傳感調控系 統(tǒng) 如圖 1 所示 風系統(tǒng) 大部分系統(tǒng)由新風與植物 工廠內部回風混合 實現(xiàn)空氣循環(huán)功能 空調系統(tǒng) 調節(jié)植物工廠內部熱環(huán)境 營造植物生長最適宜的內 環(huán)境 補光系統(tǒng) 主要是 LED 補光燈 噴淋系統(tǒng) 通 過噴灌或滴管控制土壤濕度和植物工廠內部空氣濕 度 動力系統(tǒng) 通常由電力驅動的設備組成 能夠根 據(jù)預設的參數(shù)自動執(zhí)行指令 確保植物工廠內部環(huán)境 始終處于最適宜植物生長的狀態(tài) 傳感調控系統(tǒng) 通 過高精度傳感器來監(jiān)測各種關鍵指標 如溫度 濕 度 光照強度 二氧化碳濃度等 并結合植物種類和 生長周期的不同需求 對植物工廠的內外環(huán)境進行智 能化調節(jié) 圖 null 人工環(huán)境植物工廠組成 73 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2024 Vol 44 No 09 農業(yè)與技術 null農業(yè)工程 null 人工環(huán)境植物工廠發(fā)展與現(xiàn)狀 nullnull null 人工環(huán)境植物工廠應用技術發(fā)展與現(xiàn)狀 從 2010 年開始 美國 日本 荷蘭等國家逐步 建設大型植物工廠 4 隨著全球新冠疫情的開始 植 物工廠以其獨特的優(yōu)勢 不僅能提供新鮮 無污染的 蔬菜 還能顯著提高農業(yè)生產效率和可持續(xù)性 因 此 越來越多的國家開始重視并投資于建設這些現(xiàn)代 化的植物培養(yǎng)設施 以期在未來能夠為國民提供更多 的綠色食品選擇 近年來 我國植物工廠在 LED 光源 等影響因素的研究對蔬菜品質的影響方面有了巨大進 展 如李偉等 5 分析認為 植物工廠使用藍光進行處 理能實現(xiàn)韭菜的較高產量 最優(yōu)品質及風味的有機結 合 林坤明等 6 試驗得出 植物工廠更利于草莓匍匐 莖育苗的光環(huán)境 此外 人工環(huán)境植物工廠內環(huán)境的 研究多集中于中大型植物工廠 而微型人工環(huán)境植物 工廠的研究卻較少 目前 我國已有多家公司進行了 微型人工環(huán)境植物工廠的設計和制造 并推出了一些 品牌的產品 部分微型植物工廠可以實現(xiàn)半自動化的 生產 尺寸為 0 126 0 55m 3 作物年產量在 200kg 以上 7 同時隨著自動化 智能化 物聯(lián)網技術在植 物工廠生產中的應用 依賴大數(shù)據(jù) 人工智能將植物 工廠蔬果高效生產 并搭建數(shù)字化平臺 8 在這個數(shù) 字化轉型的浪潮中 利用先進的智能化技術不斷對生 產方式進行改革與優(yōu)化 旨在大幅削減運營開支 同 時 通過增強該生產方式的市場競爭力和附加值 人 工環(huán)境植物工廠正逐步走向一個蓬勃發(fā)展的新階段 隨著技術創(chuàng)新的步伐加快 植物工廠的效率將得到前 所未有的提升 有望迎來飛速發(fā)展 nullnull null 人工環(huán)境植物工廠 nullnullnull 仿真研究現(xiàn)狀 計算流體力學 Computational Fluid Dynamics 簡 稱 CFD 是目前研究設備內空氣流動及熱濕環(huán)境狀況 的新興技術 不論是微型或是大中型的人工環(huán)境植物 工廠 由于植物工廠內部結構 外部環(huán)境及植物種 類 生長條件等因素的影響 多數(shù)的人工環(huán)境植物工 廠都需要進行數(shù)值仿真得到多工況結果 目前使用 CFD 技術研究該領域植物工廠的研究主要集中在內部 溫度場和速度場的空間分布 通過 CFD 技術對植物 工廠進行研究 通過建立三維模型 通過迭代計算探 究了植物工廠內部熱環(huán)境 溫度 濕度 9 11 光 照 12 以及影響植物生長的其他因素 13 進行了分析 L G 等 15 評估了新型植物工廠系統(tǒng)在惡劣氣候 條件下的生產潛力 并為全球植物工廠建設需求提供 了理論依據(jù) 劉煥 16 利用 CFD 軟件對植物工廠內的 風速和溫度分布進行了研究 模擬結果表明 采用側 進上出和側進側上出 2 種方式的植物工廠 其內部的 平均風速高于其他 2 種通風方式 賈鶴鳴等 17 使用 Fluent 軟件建立了微型植物工廠內空氣的三維數(shù)值模 擬模型 分析了微型植物工廠內的溫濕度分布受氣流 組織的影響 其存在著明顯的非均勻性 風速小的地 方 溫度也比較高 而濕度和溫度之間存在著很強的 耦合關系 S 等 18 使用 CFD 方法分析微型植物實 驗艙中氣流組織 配置了 4 個溫度傳感器 研究得到 最適宜的溫度和風速 為微型植物實驗艙提供了理想 的溫度和風速 通過實驗數(shù)值與模擬數(shù)值對比 得出 使用 CFD 模擬分析的氣流分布在小型植物工廠是可 行的 方慧等 19 設計了調節(jié)多層植物冠層氣流一種 導氣栽培槽 利用 CFD 構建了 CBT 模型 相比于傳 統(tǒng)通風模式 CBT 對冠層內多種微環(huán)境參數(shù)調控起到 了積極作用 部分文獻中人工環(huán)境植物工廠 CFD 仿 真統(tǒng)計見表 1 上述文獻的實驗驗證中 不同容積大小的植物工 廠中的植物部分數(shù)學模型為多孔介質模型 模擬結果 與實際測量值存在一定程度的偏差 具體來說 模擬 值普遍偏低 這可能是模型假設或算法優(yōu)化上的不足 所導致 盡管如此 值得注意的是植物工廠內部的溫 度和濕度場顯示出了一種穩(wěn)定且可預測的分布趨勢 這表明即使模擬結果不完美 其內部環(huán)境也能保持在 一個相對理想的范圍內 為植物生長提供了適宜的條件 對于確保植物工廠高效運作和提高產量至關重要 表 null 文獻中人工環(huán)境植物工廠 nullnullnull 仿真 文獻來源 模型容積 m 3 植物類型 植物部分數(shù)學模型 仿真結果及驗證 賈鶴鳴等 16 0 25 盆栽 多孔介質 模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)之間存在顯著的一致性 平均相對誤差為 6 程秀花等 19 26 01 番茄 各向同性多孔介質 室中部測點總氣流速度模擬值與實測值平均相對誤差為 15 韓駿騁等 20 13 28 指定參數(shù)植物 各向同性多孔介質 工廠內監(jiān)測點的溫濕度監(jiān)測值和模擬值平均相對誤差均小于 2 通過對仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的比較和分析 證明 了仿真的結果可以很好地反映出植物工廠內溫度和濕 度的空間分布規(guī)律 目前 國內外對人工環(huán)境植物工 廠空氣流動規(guī)律的研究非常有限 這主要是因為植物 工廠尚未在實際中得到推廣 盡管最近幾年基于 CFD 方法進行廠區(qū)內部空氣流動特征的研究逐漸增多 但 83 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null農業(yè)工程 農業(yè)與技術 2024 Vol 44 No 09 大部分成果都是針對某一具體的人工環(huán)境植物工廠 難以直接套用到其它植物工廠 同時由于不同的植物 類型 學者們在使用 CFD 分析人工環(huán)境植物工廠內 植物生長的內環(huán)境的氣流組織時 應選用不同的湍流 模型 在進行模擬分析時 研究者應依據(jù)所要研究問 題的特性和要求來選擇適當?shù)?k 湍流模型 如果研 究的重點是探討特定區(qū)域內湍流的傳播特性 那么就 應該選用能夠精準捕捉該區(qū)域內細節(jié)變化的 k 模 型 以便更好地描述和預測流動現(xiàn)象 而對于那些關 注于標準 k 湍流模型在不同條件下適用性的研究 則可能會采用更為通用且易于操作的模型 這 2 種模 型各有優(yōu)勢 關鍵在于根據(jù)具體研究目的和參數(shù)設 置 選取最合適的湍流模型以確保模擬結果的準確性 和可靠性 null 人工環(huán)境植物工廠發(fā)展趨勢 nullnull null 促進產品類型轉型 建立精準數(shù)學模型 在當前的農業(yè)領域 大型人工環(huán)境植物工廠雖然 在技術上展示了其巨大的潛力 但高昂的初始投資和 運營費用卻讓這種形式的農場難以廣泛推廣 21 相 比之下 微型人工環(huán)境植物工廠以其低成本 易于普 及和推廣的優(yōu)勢成為了未來研究的熱點 其不僅降低 了進入門檻 也為大規(guī)模生產提供了可能 隨著科技 的發(fā)展和社會對食品安全需求的日益增長 微型植物 工廠因其適應性強和效益顯著而備受青睞 預計將在 全球范圍內得到更廣泛的應用和研究 微型人工環(huán)境 植物工廠可以滿足家庭農場 教學和研究的需要 通 過查閱有關資料 北京中環(huán)易達在 2010 年制造出了 國內首座小型電廠 并在世博會上展出 22 2012 年 在日本的千葉大學和松下電子的共同努力下 一項創(chuàng) 新技術得以實現(xiàn) 他們合作開發(fā)了一個密閉的微型家 庭植物工廠 這個工廠巧妙地設計成家庭級別 旨在 提供一種新穎且可持續(xù)的方式來種植蔬菜和水果 無 需土壤或陽光 僅依賴于 LED 燈和可控環(huán)境條件 這 樣的家庭農場不僅節(jié)省空間 而且還能為忙碌的家庭 提供新鮮健康的食材 植物工廠的未來發(fā)展應以植物 生長環(huán)境內的溫度 光環(huán)境為研究對象 通過理論計 算 篩選出適宜的溫控裝置 設計出適宜的通風系統(tǒng) 等 在減少室內溫度消耗的同時 提高室內熱量分配 的均勻性 利用微型植物工廠方便調整環(huán)境條件的優(yōu) 點 開展不同環(huán)境因素對植物體生長的影響研究 在 此基礎上 根據(jù)試驗結果 構建適用于具體作物的多 個生長參數(shù)及裝備使用參數(shù)的精確數(shù)學模型 構建出 一套適用于多數(shù)植物 植物工廠的生產模型 從而實 現(xiàn)對微型人工環(huán)境植物工廠內環(huán)境的精確調控 降低 生產成本費用 促進其在實際中的推廣和應用 nullnull null 植物工廠與數(shù)字農業(yè)化相融合 數(shù)字農業(yè)化是指利用先進的信息技術和數(shù)字化技 術來提高農業(yè)生產效率 優(yōu)化農業(yè)資源配置 改善農 產品質量和增加農業(yè)產值的過程 數(shù)字農業(yè)化是現(xiàn)代 農業(yè)發(fā)展的一個重要方向 涉及到一系列先進技術的 應用 通過安裝在田地中的土壤傳感器和水分監(jiān)測設 備 農民能夠實時掌握土壤的肥力和濕度狀況 從而 更精準地進行灌溉和施肥 無人機則被廣泛用于航拍 和數(shù)據(jù)收集 其能夠攜帶攝像頭和其他傳感器 以前 所未有的角度觀察農田 這為作物健康狀況的評估提 供了寶貴信息 人工智能算法的運用使得農業(yè)生產過 程變得更加智能化 能夠預測作物生長趨勢 優(yōu)化種 植策略 大數(shù)據(jù)的分析能力則幫助農民識別哪些產品 最受市場歡迎 以及如何調整生產計劃以適應消費者 需求的變化 此外 互聯(lián)網與移動應用的結合讓農民 能夠輕松地進行農產品在線銷售 并利用這些平臺進 行日常的生產管理 庫存控制和市場營銷等活動 數(shù) 字農業(yè)不僅提高了效率 也增加了農民收入 促進了 農業(yè)可持續(xù)發(fā)展 我國數(shù)字農業(yè)化在政策引領與規(guī)模 經營趨勢下 水平逐年提升 但地域得分差異顯著 馬太效應 明顯 23 其重要原因是各地農業(yè)發(fā)展水 平及種植條件不同 數(shù)字農業(yè)化可以使存在發(fā)展差異 的人工環(huán)境植物工廠突破種植條件的限制 通過對植 物生長的內環(huán)境 包括光照時間 溫濕度 土壤條件 等進行數(shù)字化 智慧化 一體化調控 通過人工智能 技術實時掌握設施產業(yè)動態(tài) 以溫室內空氣溫度 濕 度 光照強度 作物長勢等數(shù)據(jù)為基礎 通過對人工 環(huán)境植物工廠內環(huán)境信息的實時監(jiān)測 提升生產管理 能力 力求效益最優(yōu)化 最終達到與露地 溫室相比 具有效益優(yōu)勢的水平 使其在生產過程中發(fā)揮更大的 作用 在構建植物工廠的微環(huán)境時 必須將其與數(shù)字 化平臺相結合 以實現(xiàn)先進技術的集成與應用 這種 一體化的構建方式不僅涉及到對人工光源的精確監(jiān)控 系統(tǒng) 還包括對栽培環(huán)境的全面監(jiān)控 以及空氣中 CO 2 濃度等關鍵參數(shù)的實時監(jiān)控 這些關鍵技術的發(fā) 展是至關重要的 其確保了設施作物在生長過程中能 夠得到水分 肥料 氧氣和陽光的同步補充 并通過 數(shù)據(jù)采集與分析 實現(xiàn)了對植物生長狀態(tài)的實時監(jiān)測 和調整 通過這樣的技術支持 可以最大化地激發(fā)植 物的生長潛能數(shù)字農業(yè)與植物工廠技術相結合 不僅 會加速鄉(xiāng)村振興進程 提高了農業(yè)生產效率和農產品 質量 也會推動中國現(xiàn)代化農業(yè)的新發(fā)展趨勢 null 總結 人工環(huán)境植物工廠作為一種新興的農業(yè)生產方 93 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2024 Vol 44 No 09 農業(yè)與技術 null農業(yè)工程 式 由于新冠疫情的影響 人工環(huán)境植物工廠以其高 效生產 綠色無害的優(yōu)勢得到了快速發(fā)展 但在技術 創(chuàng)新與融合方面發(fā)展較慢 是由于植物本身生長環(huán)境 的多種多樣 同時也因為生產技術應用不到位所致 通過了解目前人工環(huán)境植物工廠技術與仿真技術的發(fā) 展現(xiàn)狀 能夠更高效地促進人工環(huán)境植物工廠與當下 智能化 數(shù)字化農業(yè)融合發(fā)展 促進中國現(xiàn)代化農業(yè) 的快速發(fā)展 參考文獻 1 周增產 董微 李秀剛 等 植物工廠產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J 農業(yè)工程技術 2022 42 01 18 23 2 張宇 肖玉蘭 人工光植物工廠生產成本構成和經濟效益分析 J 長江蔬菜 2017 04 34 40 3 魏蔚 王東霞 日本植物工廠的現(xiàn)狀 存在問題及未來發(fā)展 J 現(xiàn)代化農業(yè) 2019 12 22 24 4 汪銳 楊豫森 王琮 等 植物工廠產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 J 照明 工程學報 2023 34 04 64 68 5 李偉 佟靜 武占會 等 植物工廠模式下 LED 光質對水培 韭菜生長 風味及品質的影響 J 山東農業(yè)科學 2023 55 10 44 52 6 林坤明 劉文科 劉家源 等 LED 紅藍光光強及光周期對草 莓匍匐莖生長和開花結果的影響 J 中國照明電器 2023 07 1 7 7 梁曉東 陳仁 陳斯盼 等 微型植物工廠的技術現(xiàn)況與發(fā)展 趨勢 J 中國照明電器 2021 05 36 39 49 8 袁方 高青 劉良好 等 植物工廠作物栽培微環(huán)境及數(shù)字化 平臺技術構建 J 農業(yè)與技術 2021 41 09 5 8 9 趙國強 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 02 61 68 10 高菊玲 劉永華 基于風扇差速調節(jié)的微型植物工廠溫度精 準控制 J 江蘇農業(yè)學報 2020 36 06 1543 1550 11 毛毛 劉東 宋睿治 集裝箱植物工廠氣流組織特性及優(yōu)化 研究 J 制冷 2022 41 03 20 24 35 12 蔣薇 家庭園藝自動栽培系統(tǒng)研究 D 鎮(zhèn)江 江蘇大學 2018 13 劉新穎 鄭胤建 李清明 等 嫁接苗愈合人工光環(huán)境調控 策略研究進展 J 照明工程學報 2022 33 05 192 199 14 熊致遠 自然對流換熱微型植物工廠 CFD 研究及優(yōu)化 D ?？?海南師范大學 2023 15 Luuk Graamans Esteban Baeza Andy van den Dobbelsteen Ili as Tsafaras Cecilia Stanghellini Plant factories versus greenhou ses Comparison of resource use efficiency J Agricultural Sys tems 2018 160 16 劉煥 基于 CFD 的人工光型植物工廠通風模擬與優(yōu)化研究 D 北京 中國農業(yè)科學院 2018 17 賈鶴鳴 張森 宋文龍 等 基于 CFD 的微型植物工廠濕熱 環(huán)境數(shù)值分析 J 林業(yè)工程學報 2018 3 06 122 127 18 Suwardana Nugroho A P Prasetyatama Y D Falah M A F Sutiarso L Okayasu T Analysis of airflow distribution on urban mini plant factory using computational fluid dynamics J IOP Conference Series Earth and Environmental Science 2022 1116 1 19 方慧 張義 伍綱 等 植物工廠導氣栽培槽通風對冠層環(huán) 境影響模擬 J 農業(yè)工程學報 2023 39 16 208 214 20 程秀花 毛罕平 伍德林 等 栽有番茄的玻璃溫室內氣流 場分布 CFD 數(shù)值模擬 J 江蘇大學學報 自然科學版 2010 31 05 510 514 21 韓駿騁 賈鶴鳴 李瑤 等 基于計算流體力學的微型植物 工廠溫濕度環(huán)境模擬及優(yōu)化方案 J 林業(yè)工程學報 2019 4 06 136 142 22 毛罕平 設施農業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展 J 農業(yè)裝備技術 2007 05 4 9 23 梁寶忠 我國首例家庭版植物工廠誕生 J 農業(yè)開發(fā)與裝 備 2010 12 43 24 周恩宇 趙浪 中國數(shù)字農業(yè)發(fā)展的區(qū)域差異 時空特征與 驅動因素識別 J 四川農業(yè)大學學報 2024 42 01 215 223 責任編輯 常佳琪 04 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull