江蘇農(nóng)業(yè)學報 高菊玲 劉永華 基于風扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精準控制 江蘇農(nóng)業(yè)學報 基于風扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精準控制 高菊玲 劉永華 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院機電工程學院 江蘇句容 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心 江蘇句容 收稿日期 基金項目 年度江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊項目 設施園藝 智能裝備 作者簡介 高菊玲 女 江蘇泰興人 碩士 副教授 研究方向 為智能農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等 通訊作者 劉永華 摘要 微型植物工廠環(huán)境的精準調(diào)控是實現(xiàn)其智能化控制的前提 但是已有的環(huán)境調(diào)控方式存在各栽培層 溫度差異較大的問題 本研究提出在微型植物工廠內(nèi)部加入混風通道并采用風扇差速調(diào)節(jié)的方式 在計算流體動 力學 模擬仿真中設定目標溫度為 通過軟件計算得到各栽培層的進風量 分別為 通過風速調(diào)節(jié)旋鈕對進風量進行調(diào)節(jié) 通過各層風扇的差速調(diào)節(jié) 來實現(xiàn)各栽培層的均勻調(diào)溫 結果表明 在目標溫度為 的條件下 控溫設備持續(xù)工作 后 未使用混風 通道和風速差速調(diào)節(jié)控溫方式的傳統(tǒng)微型植物工廠內(nèi)第 第 栽培層的溫度為 而第 栽培層的溫度為 溫差達到了 使用混風通道和風速差速調(diào)節(jié)控溫方式下的微型植物工廠 各栽培層的溫度均為 左 右 由結果可知 在加入混風通道并且進行風扇差速調(diào)節(jié)后 各栽培層的環(huán)境溫差得到了有效改善 關鍵詞 微型植物工廠 模擬仿真 風扇差速調(diào)節(jié) 混風通道 精準控制 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 氣候異常 水資源短缺及土地資源的日益減少是 加劇世界糧食危機的重要因素 與此同時 全球人口 始終保持急劇增長 聯(lián)合國的預測數(shù)據(jù)顯示 年 全球人口將增加至 人 其中城鎮(zhèn)人口約占 為了解決全球糧食短缺問題 一種新的種植 方式 植物工廠 應運而生 植物工廠由隔熱且 幾乎密閉的類似倉庫結構的栽培設施組成 包括人工 光源 空調(diào) 空氣循環(huán)風扇 二氧化碳與營養(yǎng)液供應裝 置及環(huán)境調(diào)控裝置等 與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用的大型植物 工廠相比 微型植物工廠是為那些沒有戶外種植條件 的城鎮(zhèn)居民開發(fā)設計的 使他們能夠享受室內(nèi)種植的 樂趣 目前 微型植物工廠被廣泛應用于教育機構 餐廳 辦公場所及醫(yī)院等 由于微型植物工廠在結構 尺寸上的限制 使得生菜 紫蘇等葉菜類作物成為其 主要栽培對象 近年來 微型植物工廠在中國 日本 韓國等許多國家逐漸流行起來 為城鎮(zhèn)居民生活提供 了一種新的休閑娛樂方式 在傳統(tǒng)的商用型植物工廠中 為了消除光源及 其他設備產(chǎn)生的熱量 一般用空調(diào)進行環(huán)境溫度的 控制 同時降低由植物蒸騰作用造成的環(huán)境濕度 此外 空調(diào)還能夠加速植物工廠內(nèi)部的空氣循環(huán) 達 到提高作物光合作用能力及蒸騰速率的目的 并且 實現(xiàn)植物工廠內(nèi)部環(huán)境溫度的均勻分布 微型 植物工廠由于其內(nèi)部小環(huán)境的氣候特點 在使用小 型空調(diào)設備進行環(huán)境調(diào)控的過程中 由于冷空氣下 沉 容易引起下層溫度與上層溫度差異過大 導致能 源損耗 更為嚴重的是 當上層栽培架達到設定溫 度時 底層溫度低于作物的最佳生長溫度 導致作物 產(chǎn)量減少甚至發(fā)生凍害 因此 有必要對微型植物 工廠內(nèi)各栽培架之間的溫度進行統(tǒng)一精準調(diào)控 從 而降低微型植物工廠的能耗并增加產(chǎn)量 促進其規(guī) 模化生產(chǎn)應用 微型植物工廠環(huán)境參數(shù)的優(yōu)化分析是實現(xiàn)其環(huán) 境精準調(diào)控的前提條件 有研究者采用計算流體動 力學 對微型植 物工廠的濕熱環(huán)境數(shù)值進行分析 結果表明 微型植 物工廠中部及以下位置的環(huán)境溫度較低 導致同一 作物不同部位所處的環(huán)境溫度差異較大 此外溫度 變化梯度受通風過程中氣流流動的影響較大 但該研究只是通過模擬仿真進行了基本分析 沒有 提出切實有效的解決措施 江蘇大學的左志宇 等 通過微型植物工廠內(nèi)的環(huán)境控制參數(shù)優(yōu)化試 驗 分別研究植物工廠內(nèi)溫度 濕度和循環(huán)風速 種 因素對作物凈光合速率和蒸騰速率的影響 并在不 同風速條件下對植物工廠內(nèi)氣流場 溫度場進行了 仿真分析 結果表明 植物工廠上層采用低速 循環(huán)模式 下層采用高速循環(huán)模式 有利于植物工廠 內(nèi)部溫度均勻 并且有利于作物生長 但是由于冷 空氣下沉 在設備運行初期使得絕大多數(shù)冷空氣被 底層風扇抽入底部的栽培層 導致各層之間溫度的 變化較大 因此 本研究提出在風扇進風口與空調(diào) 之間加入混風通道 待通道內(nèi)充滿冷空氣后再打開 風扇 從而保證上層風扇能夠抽入足量冷空氣 此 外 本研究對微型植物工廠內(nèi)的循環(huán)風扇進行差速 調(diào)節(jié) 使得微型植物工廠內(nèi)各層環(huán)境溫度能夠得到 同步調(diào)控 減少各栽培層之間的溫度差異 保持作物 品質(zhì)的穩(wěn)定性 同時能夠為今后微型植物工廠環(huán)境 精準控制策略的制定提供理論基礎 系統(tǒng)搭建及試驗設計 外形結構及網(wǎng)格劃分 如圖 所示 本研究設計的微型植物工廠的 長 寬 高為 使用鋁型 材料搭建而成 共 層 從下往上分別為第 層 第 層 第 層和第 層 其中第 層為植物栽培區(qū) 域 第 層為控制區(qū)域 栽培區(qū)域與空調(diào)連接處設 有混風通道 長 寬 高為 首先將空調(diào)出風口的冷空氣引入混風通道 待 通道內(nèi)的空氣溫度達到設定值后 打開風扇 對環(huán)境 溫度進行控制 循環(huán)風扇安裝在每層植物栽培室的 右側 風扇外徑尺寸為 通過風速 調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)循環(huán)風扇的電阻 從而對循環(huán)風扇的 出風量進行調(diào)節(jié) 栽培區(qū)域采用紅藍發(fā)光二極管 燈 作為光源提供光能 紅 藍光源比為 紅色 燈的峰值波長為 波長范圍為 藍色 燈的峰值波長為 波長范圍為 采用 建立微型植物工廠的 數(shù)值模型 邊 界條件及其初始化參數(shù)設置見表 將計算域劃分 江蘇農(nóng)業(yè)學報 年第 卷第 期 為流體域和固體域 個部分 流體域為微型植物工 廠內(nèi)的空氣 固體域為微型植物工廠夾層內(nèi)的隔熱 材料 隔熱保溫棉 導熱系數(shù)為 總網(wǎng)格數(shù)為 個 流體網(wǎng)格數(shù)為 個 固體網(wǎng)格數(shù)為 個 主視圖 左視剖面圖 俯視圖 三維示意圖 圖 微型植物工廠的結構尺寸 表 邊界條件及其初始化參數(shù)設置 邊界定義邊界條件初始化參數(shù) 冷風機出風口 靜壓力 溫度 出風口速度 冷風機回風口 植物工廠壁面 材料 隔熱保溫棉 鋁型材料 靜壓力 溫度 熱傳導系數(shù) 速度入口邊界條件 自由流出邊界條 件 固壁邊界條件 試驗設計 本研究在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心開展 所有試驗均在方法 設計 制作的微型植物工廠 內(nèi)進行 由于微型植物工廠的使用主要面向家庭或 者辦公場所 同時在室溫為 時人體感受最適 宜 也相對節(jié)約能源 因此本研究在 的環(huán)境 溫度條件下進行 人工光源發(fā)熱對溫度場的影響 為了研究 微型植物工廠內(nèi)人工光源對栽培空間溫度變化的影 響 本研究在 的環(huán)境溫度下關閉微型植物工廠 內(nèi)的制冷設備 同時打開各層植物補光燈 通過溫度 傳感器測量微型植物工廠內(nèi)溫度的變化趨勢 每隔 記錄 次微型植物工廠的環(huán)境溫度 每個栽 培層均安裝 個溫度傳感器 每次記錄的環(huán)境溫度 取 個傳感器記錄的平均溫度 具體的溫度傳感器 布置如圖 所示 此外 由于同一栽培層內(nèi)溫度的 變化趨勢與距 光源的距離有很大關系 而溫度 傳感器測量的平均溫度無法反映同一栽培層內(nèi)溫度 的變化情況 因此通過微型植物工廠內(nèi)各栽培層溫 度變化的 進行模擬仿真 分析各栽培層溫度場 的變化情況 各栽培層被分為 層 與 光源的 距離分別為 傳統(tǒng)微型植物工廠的溫度場分析 為了探 明傳統(tǒng)的 不預先混風的微型植物工廠環(huán)境控制方 式的缺陷 本研究在 的環(huán)境溫度 此時植物工 廠內(nèi)的溫度與室內(nèi)環(huán)境溫度一致 下同時打開各層 植物補光燈 空調(diào)制冷設備及各層之間的循環(huán)風扇 目標溫度為 同時每隔 記錄 次溫度 高菊玲等 基于風扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精準控制 圖 溫度傳感器的布置 為了分析微型植物工廠內(nèi)各栽培層溫度隨時間的變 化趨勢 采用 軟件建立微型植物工廠 的三維模型 并建立關于環(huán)境溫度的 數(shù)值模 型 結合各截面的溫度場分布與實測環(huán)境溫度進行 理論分析 探究微型植物工廠內(nèi)各栽培層溫度的變 化規(guī)律 模擬分析在控溫設備運行條件下 微型植物 工廠內(nèi)各栽培層之間的溫度變化情況 在每個栽培 層內(nèi)設置 個溫度場截面 個截面與 光源的 距離分別為 風扇差速調(diào)節(jié)微型植物工廠溫度場分析 傳統(tǒng)微型植物工廠由于空調(diào)出風孔安裝在微型植物 工廠底部 且冷空氣有下沉的特性 導致大部分冷空 氣被循環(huán)風扇輸送至底部栽培層內(nèi) 使得各栽培層 溫差過大 為了解決微型植物工廠內(nèi)部各栽培層溫 度差異過大的問題 實現(xiàn)栽培層溫度的精準調(diào)控 本 研究在傳統(tǒng)微型植物工廠的基礎上加入混風通道 首先在通道內(nèi)部完成充分降溫 隨后打開循環(huán)風扇 對栽培空間進行調(diào)溫 目標溫度為 每隔 記錄 次溫度 為了得到各層風扇的具體轉速 首 先在 數(shù)值模型中設置最終內(nèi)部環(huán)境溫度 作為約束條件 將各層溫度變化趨勢一致作為 控制目標 通過仿真計算得到各栽培層的進風量 隨后通過風速調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)各個風扇的轉速 使得 各栽培層的進風量與模擬值一致 結果與分析 人工光源對微型植物工廠不同栽培層溫度的 影響 從圖 可以看出 在植物補光燈打開且沒有任 何降溫設備的條件下 各栽培層溫度隨時間的增加 而上升 且各層溫度的變化趨勢基本一致 各層的 起始溫度與環(huán)境溫度接近 環(huán)境溫度在前 幾 乎不變 隨后逐漸升高 在第 第 第 第 栽培層的溫度分別為 隨 后變化趨勢逐漸放緩 在第 各層溫度有較大 差異 且第 栽培層溫度最高 其次分別為第 第 栽培層 圖 人工光源對不同栽培層溫度的影響 圖 為 光源完全打開時通過 模擬仿 真得到的各栽培層截面溫度場的分布云圖 其中圖 是 光源打開 后的溫度場分布圖 由于 光源發(fā)熱 此時熱能主要集中在各栽培層頂部 的光源附近 栽培層頂部的溫度約為 圖 是 光源打開 后的溫度場分布圖 光源產(chǎn)生的熱量與下層栽培空間產(chǎn)生熱交換 栽培 槽中部的溫度升高至 左右 栽培槽底部的溫度 仍在 左右 圖 是 光源打開 后 的溫度場分布圖 此時微型植物工廠整體的溫度升 高且同一栽培層上部的溫度高于下部 上部 中部的 溫度約為 下部的溫度約為 傳統(tǒng)控溫方式下微型植物工廠不同栽培層溫 度的變化 從圖 可以看出 在循環(huán)風扇風速一致的傳統(tǒng)微型 植物工廠內(nèi) 各栽培層之間的溫度調(diào)控能力差異較 大 從各栽培層的溫度變化曲線可以看出 在同時 打開植物補光燈 降溫設備及循環(huán)風扇的條件下 第 第 栽培層的溫度在運行前 左右保持不 變 第 栽培層的溫度則緩慢升高 隨后各栽培層 的溫度逐漸下降 在運行 后 第 第 栽培 層的溫度已經(jīng)低于設定值 且這 個栽培層 的溫度變化趨勢幾乎一致 第 栽培層溫度的下降 江蘇農(nóng)業(yè)學報 年第 卷第 期 光源打開 后的溫度場分布云圖 光源打開 后的溫度場分布云圖 光源打開 后的溫度場分布云圖 圖 光源完全打開時各栽培層截面溫度場分布云圖 速度明顯低于第 第 栽培層 此外 在第 第 栽培層溫度已經(jīng)達到設定溫度 的情況下 第 栽培層的溫度仍然高于設定值 約為 導致 降溫設備仍處于工作狀態(tài) 圖 傳統(tǒng)控溫方式下各栽培層的溫度變化 在傳統(tǒng)控溫方式下 通過 模擬仿真得到各 栽培層截面溫度場的分布云圖 圖 結果表明 制 冷設備在工作 后 第 第 栽培層的溫度明顯 低于第 栽培層 圖 且距循環(huán)風扇較近區(qū)域的 溫度低于其他區(qū)域 制冷設備在工作 后 第 第 栽培層的溫度顯著下降 第 栽培層的溫度逐 漸下降 但仍高于第 第 栽培層 圖 在制冷 設備工作 后 第 第 栽培層的溫度為 左右 略低于設定溫度 而第 栽培層的溫度 為 左右 高于設定溫度 圖 基于風扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠不同栽培 層溫度的變化 圖 為在降溫設備打開 循環(huán)風扇關閉條件下 通過 模擬仿真得到的混風通道溫度場分布云 圖 圖 圖 圖 分別為混風時間為 時的溫度場分布云圖 結果表明 在混風 時間為 時 混風通道內(nèi)的溫度達到均勻狀態(tài) 圖 為設置最終內(nèi)部環(huán)境溫度 的條件下 進 行差速調(diào)節(jié)后通過 模擬仿真得到的各栽培層 截面的溫度場分布云圖 圖 圖 圖 分別為 差速調(diào)節(jié) 后各栽培層截面的 溫度場分布云圖 通過模擬仿真 計算得到第 栽培層的進風量分別為 為了驗證仿真的準確性 在樣機上進 行試驗 混風時間為 混風結束后 采用仿真 計算結果調(diào)節(jié)各循環(huán)風扇的進風量 作出溫度的變 化曲線 圖 為采用差速調(diào)節(jié)后各栽培層溫度的變化曲 線 前 為混風時間 此時植物補光燈和空調(diào) 打開 循環(huán)風扇關閉 用混風通道進行充分降溫 各 栽培層溫度上升 隨著混風結束 循環(huán)風扇打開 各 栽培層的溫度迅速下降 后下降趨勢逐漸放 緩 最后 個栽培層的溫度均為 左右 同步 接近設定值 討論 在沒有降溫設備的情況下 打開補光燈 后 微型植物工廠的環(huán)境溫度就達到 導致生菜等 葉菜類作物無法生長 雖然 光源具有發(fā)光 效率高 發(fā)熱量低等特點 但在微型植物工廠 的小氣候特點背景下 光源的發(fā)熱仍然是引起 栽培空間內(nèi)溫度升高的主要原因 因此 如何進一 高菊玲等 基于風扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精準控制 制冷設備運行 后的溫度場分布云圖 制冷設備運行 后的溫度場分布云圖 制冷設備運行 后的溫度場分布云圖 圖 傳統(tǒng)控溫方式下各栽培層截面溫度場分布云圖 混風 后的溫度場分布云圖 混風 后的溫度場分布云圖 混風 后的溫度場分布云圖 圖 混風通道的溫度場分布云圖 差速調(diào)節(jié) 后的溫度場分布云圖 差速調(diào)節(jié) 后的溫度場分布云圖 差速調(diào)節(jié) 后的溫度場分布云圖 圖 采用差速調(diào)節(jié)的各栽培層截面溫度場分布云圖 江蘇農(nóng)業(yè)學報 年第 卷第 期 圖 采用差速調(diào)節(jié)后各栽培層溫度的變化 步降低 光源的發(fā)熱量 對于降低植物工廠降溫 設備的能耗至關重要 研究結果說明 微型植物工 廠配置降溫設備是實現(xiàn)作物正常生長及實現(xiàn)環(huán)境精 準控制的必要條件 目前已有的微型植物工廠已經(jīng)基本能夠滿足作 物的正常生長 實現(xiàn)內(nèi)部環(huán)境的控制 但存在 栽培空間內(nèi)上下層溫度差異明顯 底層 栽培層 溫 度偏低 上層溫度過高等問題 而且這種問題會隨著 微型植物工廠栽培空間的增加變得更加嚴重 不僅 降低了環(huán)境控制的精準性 還會造成電能的浪費 通過 仿真 設定微型植物工廠最終的內(nèi)部 環(huán)境溫度 比較采用傳統(tǒng)控溫方式 混風通 道進行風扇差速調(diào)節(jié)的溫度場分布云圖 結果顯 示 在傳統(tǒng)控溫方式下 制冷設備工作 后 第 第 栽培層溫度為 左右 略低于設定 溫度 而第 栽培層溫度為 左右 高于 設定值 采用混風通道進行風扇差速調(diào)節(jié)時 設備運行 后混風通道內(nèi)的溫度達到均勻狀 態(tài) 此時 栽培層的進風量分別為 基于 仿真得出的 進風量 在設計 制作的微型植物工廠內(nèi)進行測試 混風結束后 打開循環(huán)風扇 各栽培層內(nèi)的溫 度迅速下降 后下降趨勢逐漸放緩 最后 個 栽培層的溫度同步下降至 接近設定值 結論 本研究在原有的微型植物工廠基礎上加入了混 風通道 解決了因上層循環(huán)風扇無法抽取到足夠多 的冷空氣而導致無法對上層栽培空間進行有效溫度 控制的問題 本研究對傳統(tǒng)降溫方式進行了改進 提出了各層循環(huán)風扇的差速調(diào)節(jié) 在 數(shù)值模型 中設置最終內(nèi)部環(huán)境溫度 作為約束條件 并 將各層溫度的變化趨勢一致設為控制條件 通過仿 真計算 得到各栽培層的進風量分別為 通過風速調(diào)節(jié)旋 鈕 調(diào)節(jié)各個風扇的轉速 使得各栽培層的進風量與 模擬值一致 使用混風通道和風速差速調(diào)節(jié)控溫方 式的微型植物工廠各栽培層溫度均為 左右 與傳統(tǒng)控溫方式相比 各層溫差有效降低 極大地增 強了各栽培層環(huán)境溫度的精準性 但是由于各微型 植物工廠的尺寸 栽培層數(shù)及制冷設備出風量差異 較大 不能完全照搬本研究結果 因此接下來應進一 步建立通用模型 提高此微型植物工廠混風通道和 風扇差速調(diào)節(jié)控溫方式推廣的便利性 參考文獻 賈鶴鳴 張 森 宋文龍 等 基于 的微型植物工廠濕熱 環(huán)境數(shù)值分析 林業(yè)工程學報 左志宇 徐 超 毛罕平 等 微型植物工廠環(huán)境控制參數(shù)優(yōu)化 試驗研究 農(nóng)機化研究 茅 艷 人體熱舒適氣候適應性研究 西安 西安建筑科技 大學 宋云鵬 劉凱歌 龔繁榮 不同生菜品種苗期耐熱性的綜合評價 浙江農(nóng)業(yè)學報 楊其長 徐志剛 陳弘達 等 光源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的應用原理 與技術進展 中國農(nóng)業(yè)科技導報 高菊玲等 基于風扇差速調(diào)節(jié)的微型植物工廠溫度精準控制 趙敏 陳志平 張巨勇 大功率 燈的熱分析與熱設計 機電工程 鞠紅艷 李 季 孫藝哲 等 微型植物工廠 多光譜補光系 統(tǒng)的設計與應用 吉林農(nóng)業(yè)大學學報 閆夢笛 富詩語 徐明陽 等 家庭微型植物工廠景觀營造初探 居舍 責任編輯 徐 艷 江蘇農(nóng)業(yè)學報 年第 卷第 期