微 型 植 物 工 廠 環(huán) 境 控 制 參 數(shù) 優(yōu) 化 試 驗(yàn) 研 究 左 志 宇 徐 超 毛 罕 平 張 曉 東 楊 俊 杰 江 蘇 大 學(xué) 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 裝 備 與 技 術(shù) 教 育 部 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 江 蘇 鎮(zhèn) 江 2 1 2 0 1 3 摘 要 為 了 提 高 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 部 溫 度 分 布 均 勻 性 和 作 物 凈 光 合 速 率 提 出 采 用 試 驗(yàn) 研 究 和 C F D 仿 真 相 結(jié) 合 的 方 法 對(duì) 其 環(huán) 境 控 制 參 數(shù) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 以 生 菜 為 例 通 過(guò) 多 因 素 耦 合 試 驗(yàn) 探 索 了 溫 度 濕 度 和 循 環(huán) 風(fēng) 速 3 種 因 素 對(duì) 生 菜 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 的 影 響 并 對(duì) 不 同 風(fēng) 速 控 制 策 略 下 植 物 工 廠 內(nèi) 氣 流 場(chǎng) 和 溫 度 場(chǎng) 進(jìn) 行 了 C F D 數(shù) 值 仿 真 分 析 試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 風(fēng) 速 對(duì) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 均 有 顯 著 影 響 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 采 用 上 層 低 循 環(huán) 風(fēng) 速 下 層 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 模 式 有 利 于 保 證 內(nèi) 部 溫 度 的 均 勻 性 生 菜 的 凈 光 合 速 率 也 處 于 較 高 水 平 有 利 于 其 生 長(zhǎng) 關(guān) 鍵 詞 環(huán) 境 控 制 微 型 植 物 工 廠 凈 光 合 速 率 蒸 騰 速 率 C F D 中 圖 分 類 號(hào) S 6 2 6 9 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 A 文 章 編 號(hào) 1 0 0 3 1 8 8 X 2 0 2 0 1 2 0 1 5 0 0 6 0 引 言 植 物 工 廠 可 以 實(shí) 現(xiàn) 周 年 連 續(xù) 生 產(chǎn) 效 率 和 土 地 利 用 率 高 是 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 的 最 高 階 段 1 目 前 我 國(guó) 還 沒(méi) 有 大 規(guī) 模 盈 利 的 商 業(yè) 化 植 物 工 廠 2 植 物 工 廠 所 使 用 的 的 溫 度 光 濕 度 和 營(yíng) 養(yǎng) 液 等 環(huán) 境 的 調(diào) 控 消 耗 大 量 的 能 源 使 植 物 工 廠 的 運(yùn) 行 成 本 很 高 而 產(chǎn) 出 的 作 物 還 不 能 實(shí) 現(xiàn) 盈 利 不 合 理 的 環(huán) 境 控 制 參 數(shù) 設(shè) 置 不 僅 不 利 于 植 物 生 長(zhǎng) 還 浪 費(fèi) 了 大 量 的 電 能 亟 需 對(duì) 環(huán) 境 控 制 參 數(shù) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 植 物 工 廠 是 密 閉 的 空 間 補(bǔ) 光 燈 等 熱 源 產(chǎn) 生 的 熱 量 會(huì) 對(duì) 環(huán) 境 的 溫 度 產(chǎn) 生 明 顯 的 影 響 作 物 蒸 騰 作 用 也 使 植 物 工 廠 內(nèi) 的 濕 度 和 潛 熱 增 加 植 物 工 廠 中 照 射 到 植 物 葉 片 的 光 只 有 5 的 光 能 被 作 物 吸 收 利 用 進(jìn) 行 光 合 作 用 其 余 則 轉(zhuǎn) 化 為 熱 量 散 失 3 植 物 工 廠 內(nèi) 部 環(huán) 境 是 持 續(xù) 動(dòng) 態(tài) 變 化 的 研 究 環(huán) 境 對(duì) 植 物 的 影 響 為 植 物 提 供 量 身 定 制 的 環(huán) 境 合 理 均 衡 熱 量 的 分 布 是 降 低 植 物 工 廠 能 耗 促 進(jìn) 作 物 生 長(zhǎng) 的 有 效 途 徑 近 年 來(lái) 很 多 學(xué) 者 研 究 了 光 源 和 對(duì) 植 物 工 廠 內(nèi) 植 收 稿 日 期 2 0 1 9 0 5 3 1 基 金 項(xiàng) 目 國(guó) 家 自 然 科 學(xué) 基 金 項(xiàng) 目 6 1 7 7 1 2 2 4 江 蘇 省 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 研 究 開(kāi) 發(fā) 類 重 點(diǎn) 項(xiàng) 目 B E 2 0 1 5 3 4 7 國(guó) 家 大 宗 蔬 菜 產(chǎn) 業(yè) 技 術(shù) 體 系 崗 位 專 家 項(xiàng) 目 C A R S 2 3 0 2 A 江 蘇 省 農(nóng) 業(yè) 科 技 自 主 創(chuàng) 新 項(xiàng) 目 C X 1 8 1 0 0 7 作 者 簡(jiǎn) 介 左 志 宇 1 9 7 7 男 湖 南 湘 鄉(xiāng) 人 副 教 授 E m a i l z u o z y u j s e d u c n 通 訊 作 者 毛 罕 平 1 9 6 1 男 浙 江 寧 波 人 教 授 博 士 生 導(dǎo) 師 E m a i l m a o h p u j s e d u c n 物 的 影 響 4 5 及 營(yíng) 養(yǎng) 液 對(duì) 植 物 工 廠 內(nèi) 植 物 的 影 響 6 8 但 溫 濕 風(fēng) 對(duì) 植 物 的 影 響 卻 鮮 有 人 研 究 植 物 地 上 部 干 物 質(zhì) 的 9 0 9 5 來(lái) 自 于 光 合 作 用 凈 光 合 速 率 是 光 合 作 用 重 要 的 生 理 學(xué) 參 數(shù) 9 蒸 騰 速 率 不 僅 與 作 物 對(duì) 水 分 和 營(yíng) 養(yǎng) 液 的 吸 收 相 關(guān) 對(duì) 植 物 工 廠 的 環(huán) 境 也 會(huì) 產(chǎn) 生 一 定 影 響 因 此 本 文 提 出 通 過(guò) 試 驗(yàn) 對(duì) 不 同 的 溫 度 濕 度 和 循 環(huán) 風(fēng) 速 條 件 下 生 菜 葉 片 的 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 進(jìn) 行 研 究 探 究 溫 度 濕 度 和 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 生 菜 的 影 響 利 用 C F D 技 術(shù) 對(duì) 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 的 溫 度 分 布 和 氣 流 分 布 進(jìn) 行 模 擬 對(duì) 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 部 環(huán) 境 控 制 參 數(shù) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 1 試 驗(yàn) 設(shè) 計(jì) 及 結(jié) 果 分 析 1 1 試 驗(yàn) 設(shè) 計(jì) 試 驗(yàn) 在 江 蘇 大 學(xué) 農(nóng) 業(yè) 裝 備 工 程 學(xué) 院 的 植 物 工 廠 中 進(jìn) 行 選 用 意 大 利 耐 抽 苔 生 菜 品 種 采 用 6 1 2 穴 盤 育 苗 試 驗(yàn) 生 菜 采 用 8 L 的 水 培 箱 栽 培 營(yíng) 養(yǎng) 液 采 用 霍 格 蘭 生 菜 標(biāo) 準(zhǔn) 配 方 每 3 日 更 換 一 次 營(yíng) 養(yǎng) 液 補(bǔ) 光 燈 的 開(kāi) 閉 和 溫 濕 度 的 調(diào) 節(jié) 都 由 植 物 工 廠 控 制 計(jì) 算 機(jī) 自 動(dòng) 控 制 以 保 持 所 需 的 試 驗(yàn) 環(huán) 境 試 驗(yàn) 研 究 溫 度 濕 度 和 風(fēng) 速 等 3 種 因 素 對(duì) 生 菜 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 的 影 響 溫 度 設(shè) 置 3 個(gè) 水 平 即 T 1 1 8 T 2 2 2 和 T 3 2 6 濕 度 設(shè) 置 3 個(gè) 水 平 即 H 1 4 0 H 2 6 0 和 H 3 8 0 風(fēng) 速 設(shè) 置 4 個(gè) 水 平 即 W 1 0 m s W 2 0 6 m s W 3 1 2 m s 和 W 4 1 8 m s 共 3 6 種 處 理 補(bǔ) 光 燈 設(shè) 置 為 每 天 早 上 6 0 0 打 開(kāi) 晚 上 2 1 0 0 關(guān) 閉 在 數(shù) 據(jù) 測(cè) 量 前 用 風(fēng) 速 調(diào) 節(jié) 裝 置 對(duì) 被 測(cè) 生 菜 運(yùn) 行 0 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 2 期 1 0 m i n 待 穩(wěn) 定 后 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) 使 用 L i 6 4 0 0 便 攜 式 光 合 速 率 儀 測(cè) 定 葉 片 的 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 取 生 菜 頂 端 第 3 片 功 能 葉 每 張 葉 片 重 復(fù) 測(cè) 量 3 次 1 2 試 驗(yàn) 結(jié) 果 分 析 1 2 1 溫 度 濕 度 和 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 葉 片 凈 光 合 速 率 的 影 響 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 1 和 W 2 時(shí) 在 相 同 的 濕 度 條 件 下 生 菜 的 凈 光 合 速 率 隨 溫 度 的 升 高 呈 現(xiàn) 先 升 高 后 降 低 的 趨 勢(shì) 在 相 同 的 溫 度 條 件 下 生 菜 的 凈 光 合 速 率 隨 濕 度 的 升 高 呈 現(xiàn) 先 平 緩 變 化 后 降 低 的 趨 勢(shì) 記 循 環(huán) 風(fēng) 速 W 1 W 2 W 3 和 W 4 條 件 下 生 菜 的 凈 光 合 速 率 分 別 為 P n W 1 P n W 2 P n W 3 和 P n W 4 在 生 菜 苗 期 不 同 循 環(huán) 風(fēng) 速 下 生 菜 的 凈 光 合 速 率 關(guān) 系 為 P n W 4 P n W 3 P n W 1 與 P n W 1 相 比 P n W 4 和 P n W 3 分 別 增 長(zhǎng) 了 1 4 8 1 和 9 9 9 P n W 2 與 P n W 1 接 近 如 圖 1 所 示 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 3 和 W 4 濕 度 為 H 1 時(shí) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 隨 溫 度 的 升 高 呈 現(xiàn) 先 升 高 后 降 低 的 趨 勢(shì) 當(dāng) 濕 度 為 H 2 和 H 3 時(shí) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 隨 溫 度 的 升 高 而 升 高 當(dāng) 溫 度 為 T 1 和 T 2 時(shí) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 隨 濕 度 的 升 高 而 降 低 當(dāng) 溫 度 為 T 3 時(shí) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 隨 濕 度 的 升 高 呈 現(xiàn) 先 升 高 后 降 低 的 趨 勢(shì) 凈 光 合 速 率 最 大 的 處 理 為 W 4 H 2 T 3 圖 1 苗 期 葉 片 凈 光 合 速 率 F i g 1 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e o f s e e d l i n g l e a v e s 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 葉 片 凈 光 合 速 率 如 圖 2 所 示 在 生 菜 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 各 處 理 的 P n W 4 和 P n W 3 分 別 比 P n W 1 平 均 增 長(zhǎng) 了 1 7 3 9 和 1 4 8 7 比 苗 期 的 增 幅 更 大 在 苗 期 和 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 各 處 理 的 凈 光 合 速 率 的 平 均 值 為 5 6 4 m o l m 2 s 和 1 1 0 5 m o l m 2 s 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 比 苗 期 的 凈 光 合 速 率 增 長(zhǎng) 了 5 4 1 m o l m 2 s 凈 光 合 速 率 最 大 的 處 理 為 W 4 H 2 T 3 收 獲 期 葉 片 凈 光 合 速 率 如 圖 3 所 示 在 生 菜 收 獲 期 W 3 和 W 4 條 件 下 的 凈 光 合 速 率 大 于 W 1 和 W 2 條 件 下 的 凈 光 合 速 率 但 增 幅 較 小 平 均 增 幅 僅 為 9 7 收 獲 期 各 處 理 的 凈 光 合 速 率 的 平 均 值 為 5 3 8 m o l m 2 s 略 低 于 苗 期 凈 光 合 速 率 最 大 的 處 理 為 W 4 H 2 T 2 圖 2 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 葉 片 凈 光 合 速 率 F i g 2 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e o f g r o w i n g l e a v e s 圖 3 收 獲 期 葉 片 凈 光 合 速 率 F i g 3 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e o f h a r v e s t 溫 度 不 高 于 T 3 時(shí) 溫 度 的 升 高 對(duì) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 有 促 進(jìn) 作 用 但 達(dá) 到 一 定 溫 度 后 凈 光 合 速 率 便 穩(wěn) 定 在 一 定 的 水 平 濕 度 對(duì) 生 菜 凈 光 合 速 率 的 影 響 隨 循 環(huán) 風(fēng) 速 的 大 小 變 化 而 不 同 低 循 環(huán) 風(fēng) 速 W 1 和 W 2 高 濕 度 H 3 對(duì) 生 菜 葉 片 的 凈 光 合 速 率 有 一 定 的 抑 制 作 用 而 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 W 3 和 W 4 高 濕 度 H 3 時(shí) 濕 度 對(duì) 生 菜 葉 片 的 凈 光 合 速 率 有 促 進(jìn) 作 用 這 是 由 于 生 菜 冠 層 的 濕 度 隨 著 循 環(huán) 風(fēng) 速 增 大 而 降 低 同 時(shí) 循 環(huán) 風(fēng) 速 會(huì) 加 快 蒸 騰 速 率 從 而 降 低 冠 層 的 溫 度 此 時(shí) 冠 層 的 溫 濕 度 要 低 于 條 件 設(shè) 定 的 溫 濕 度 當(dāng) 對(duì) 生 菜 施 加 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 高 濕 度 1 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 2 期 條 件 時(shí) 冠 層 溫 濕 度 都 處 在 生 菜 生 長(zhǎng) 的 適 宜 水 平 因 此 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 高 濕 度 時(shí) 濕 度 對(duì) 生 菜 葉 片 的 凈 光 合 速 率 有 促 進(jìn) 作 用 在 收 獲 期 生 菜 的 蒸 騰 速 率 會(huì) 減 弱 其 降 溫 程 度 不 如 苗 期 和 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 明 顯 同 時(shí) 最 適 宜 的 生 長(zhǎng) 溫 度 也 發(fā) 生 了 變 化 凈 光 合 速 率 的 最 大 值 出 現(xiàn) 在 比 W 4 H 2 T 3 溫 度 稍 低 的 W 4 H 2 T 2 組 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 3 和 W 4 時(shí) 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 有 促 進(jìn) 作 用 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 1 和 W 2 時(shí) 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 無(wú) 顯 著 影 響 1 2 2 溫 度 濕 度 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 葉 片 蒸 騰 速 率 的 影 響 在 苗 期 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 3 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 騰 速 率 比 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 1 的 蒸 騰 速 率 分 別 提 高 了 0 3 7 3 16 和 3 9 8 在 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 3 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 騰 速 率 比 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 1 的 蒸 騰 速 率 分 別 提 高 了 0 2 6 2 4 7 和 2 4 8 在 收 獲 期 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 3 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 騰 速 率 比 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 1 的 蒸 騰 速 率 分 別 提 高 了 0 3 8 0 7 1 和 0 7 3 如 圖 4 所 示 在 相 同 溫 度 濕 度 處 理 的 條 件 下 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 3 W 4 的 生 菜 的 蒸 騰 速 率 要 高 于 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 W 1 W 2 的 生 菜 的 蒸 騰 速 率 在 苗 期 和 生 長(zhǎng) 發(fā) 育 期 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 下 生 菜 的 蒸 騰 速 率 遠(yuǎn) 高 于 低 循 環(huán) 風(fēng) 速 的 蒸 騰 速 率 而 在 生 菜 的 生 長(zhǎng) 收 獲 期 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 下 生 菜 的 蒸 騰 速 率 與 低 循 環(huán) 風(fēng) 速 相 差 不 大 因 此 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 生 菜 的 生 長(zhǎng) 影 響 較 大 圖 4 生 菜 的 蒸 騰 速 率 F i g 4 T r a n s p i r a t i o n r a t e o f l e t t u c e 2 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 部 溫 度 和 風(fēng) 速 仿 真 2 1 氣 流 循 環(huán) 方 案 設(shè) 計(jì) 及 數(shù) 值 模 型 溫 度 和 循 環(huán) 風(fēng) 速 對(duì) 生 菜 生 長(zhǎng) 影 響 較 大 由 于 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 空 間 較 小 其 內(nèi) 部 氣 流 的 大 小 和 分 布 對(duì) 熱 量 的 分 布 有 很 大 影 響 不 均 勻 的 溫 度 分 布 會(huì) 影 響 生 菜 的 生 長(zhǎng) 同 時(shí) 也 是 一 種 能 量 的 浪 費(fèi) 綜 合 考 慮 植 物 的 生 長(zhǎng) 和 節(jié) 能 保 證 溫 度 的 均 勻 性 十 分 重 要 為 模 擬 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 溫 度 分 布 規(guī) 律 確 定 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 適 合 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 控 制 方 式 建 立 了 微 型 植 物 工 廠 三 維 模 型 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 腔 的 尺 寸 設(shè) 計(jì) 為 1 0 4 m 0 6 4 m 1 2 3 m 長(zhǎng) 寬 高 外 殼 隔 熱 材 料 厚 度 為 3 0 m m 采 用 A n s y s 軟 件 建 立 微 型 植 物 工 廠 C F D 數(shù) 值 模 型 進(jìn) 行 網(wǎng) 格 劃 分 時(shí) 將 計(jì) 算 域 劃 分 為 流 體 域 和 固 體 域 兩 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 聚 氨 酯 泡 沫 總 的 網(wǎng) 格 數(shù) 為 4 3 2 0 6 8 6 總 的 節(jié) 點(diǎn) 數(shù) 為 7 3 3 0 2 9 將 風(fēng) 扇 設(shè) 置 為 V E L O C I T Y I N L E T 吹 出 的 風(fēng) 為 加 熱 風(fēng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 設(shè) 置 為 上 低 下 高 處 理 S 1 上 高 下 低 處 理 S 2 和 等 速 處 理 S 3 等 3 種 循 環(huán) 風(fēng) 速 方 案 循 環(huán) 風(fēng) 速 V 1 V 2 和 V 3 分 別 為 0 6 1 2 1 8 m s 聚 氨 酯 泡 沫 的 對(duì) 流 傳 熱 系 數(shù) 取 9 W m K 如 表 1 所 示 表 1 氣 流 循 環(huán) 方 式 T a b l e 1 A i r c i r c u l a t i o n m o d e 處 理 上 層 中 層 下 層 S 1 V 1 V 2 V 3 S 2 V 3 V 2 V 1 S 3 V 3 V 3 V 3 激 活 能 量 方 程 選 擇 k 模 型 取 g 9 81 m s 方 向 為 y 軸 負(fù) 方 向 選 用 SI M P L E 求 解 器 的 1 階 迎 風(fēng) 格 式 進(jìn) 行 求 解 2 2 仿 真 結(jié) 果 分 析 處 理 S 3 為 微 型 植 物 等 速 氣 流 循 環(huán) 模 式 進(jìn) 風(fēng) 口 下 方 氣 流 梯 度 變 化 劇 烈 形 成 旋 流 及 渦 流 只 有 少 量 氣 體 由 回 風(fēng) 口 流 出 導(dǎo) 致 栽 培 架 內(nèi) 左 側(cè) 循 環(huán) 風(fēng) 速 較 大 右 側(cè) 循 環(huán) 風(fēng) 速 較 小 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 1 2 m s 和 1 8 m s 時(shí) 對(duì) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 有 促 進(jìn) 作 用 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 0 m s 和 0 6 m s 時(shí) 無(wú) 明 顯 作 用 由 于 下 表 面 容 易 形 成 旋 流 和 渦 流 此 類 氣 流 循 環(huán) 很 不 均 勻 不 同 植 物 承 受 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 差 異 較 大 因 此 需 要 優(yōu) 化 如 圖 5 a 所 示 圖 5 b 為 溫 度 分 布 云 圖 圖 5 中 貼 近 補(bǔ) 光 燈 管 處 溫 度 較 高 上 中 和 下 各 溫 度 差 超 過(guò) 1 上 下 層 溫 差 較 大 容 易 引 起 壓 縮 機(jī) 頻 繁 啟 動(dòng) 當(dāng) 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 氣 流 達(dá) 到 穩(wěn) 態(tài) 時(shí) 處 理 S 1 和 處 理 S 2 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 云 圖 如 圖 6 所 示 此 時(shí) 兩 種 處 2 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 2 期 理 均 達(dá) 到 較 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 水 平 其 中 處 理 S 2 循 環(huán) 風(fēng) 速 平 均 值 為 1 6 4 m s 高 于 原 來(lái) 微 型 植 物 工 廠 氣 流 速 度 上 面 3 層 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 比 為 7 6 小 于 處 理 S 3 8 2 標(biāo) 準(zhǔn) 差 為 0 9 0 均 勻 性 比 處 理 S 3 差 處 理 S 1 循 環(huán) 風(fēng) 速 平 均 值 為 1 5 8 m s 高 于 處 理 S 3 的 氣 流 速 度 上 面 3 層 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 比 為 7 7 小 于 處 理 S 3 標(biāo) 準(zhǔn) 差 為 0 1 2 均 勻 性 優(yōu) 于 S 3 圖 5 處 理 S 3 微 型 植 物 工 廠 風(fēng) 速 和 溫 度 分 布 F i g 5 W i n d s p e e d a n d t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n m i c r o p l a n t f a c t o r y 圖 6 風(fēng) 速 云 圖 F i g 6 V e l o c i t y m a g n i t u d e c o n t o u r s 將 處 理 S 1 和 處 理 S 2 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 分 布 云 圖 和 溫 度 分 布 云 圖 進(jìn) 行 對(duì) 比 可 知 溫 度 分 布 趨 勢(shì) 與 氣 流 分 布 趨 勢(shì) 有 一 定 關(guān) 系 循 環(huán) 風(fēng) 速 大 的 區(qū) 域 溫 度 較 低 循 環(huán) 風(fēng) 速 小 的 地 方 溫 度 較 高 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 部 溫 度 對(duì) 比 表 明 處 理 S 2 平 均 溫 度 最 高 為 2 8 標(biāo) 準(zhǔn) 差 1 5 8 處 理 S 3 平 均 溫 度 較 高 為 2 7 9 標(biāo) 準(zhǔn) 差 1 2 8 處 理 S 1 平 均 溫 度 最 低 為 26 5 標(biāo) 準(zhǔn) 差 0 7 4 處 理 S 1 的 均 勻 性 最 好 因 此 環(huán) 境 控 制 過(guò) 程 中 優(yōu) 先 采 用 處 理 S 1 方 案 圖 7 溫 度 云 圖 F i g 7 T e m p e r a t u r e c o n t o u r s 3 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 2 期 3 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 使 用 設(shè) 計(jì) 的 樣 機(jī) 進(jìn) 行 了 生 菜 種 植 試 驗(yàn) 如 圖 8 所 示 圖 8 生 菜 種 植 試 驗(yàn) F i g 8 L e t t u c e p l a n t i n g t e s t 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 1 為 上 低 下 高 的 循 環(huán) 方 式 設(shè) 定 上 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 0 6 m s 中 間 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 1 2 m s 下 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 1 8 m s 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 2 為 上 高 下 低 的 循 環(huán) 方 式 設(shè) 定 上 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 1 8 m s 中 間 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 1 2 m s 下 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 0 6 m s 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 3 為 等 速 的 循 環(huán) 方 式 設(shè) 定 上 層 中 間 層 下 層 循 環(huán) 風(fēng) 速 均 為 1 8 m s 設(shè) 定 各 個(gè) 處 理 的 溫 度 均 為 2 6 相 對(duì) 濕 度 均 為 6 0 微 型 植 物 工 廠 的 溫 度 由 D T 1 7 2 溫 濕 度 記 錄 儀 測(cè) 量 在 每 層 均 勻 取 5 個(gè) 點(diǎn) 測(cè) 量 蒸 騰 速 率 和 凈 光 合 速 率 由 L i 6 4 0 0 便 攜 式 光 合 速 率 儀 測(cè) 得 每 層 取 3 棵 生 菜 測(cè) 量 實(shí) 測(cè) 平 均 溫 度 均 低 于 仿 真 模 型 溫 度 變 化 趨 勢(shì) 基 本 相 同 上 低 下 高 的 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 1 中 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 每 層 溫 度 分 布 均 勻 最 大 溫 差 為 0 5 生 菜 蒸 騰 速 率 的 平 均 值 為 1 9 4 m m o l m 2 s 與 等 速 的 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 3 相 差 不 大 凈 光 合 速 率 為 5 3 5 m o l m 2 s 比 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 3 提 高 了 7 5 植 物 工 廠 溫 度 如 表 2 所 示 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 如 表 3 所 示 因 此 優(yōu) 化 出 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 上 低 下 高 溫 度 濕 度 為 H 2 T 3 的 環(huán) 境 參 數(shù) 控 制 方 案 是 較 為 合 適 的 有 利 于 生 菜 生 長(zhǎng) 表 2 微 型 植 物 工 廠 溫 度 T a b l e 2 M i c r o p l a n t f a c t o r y t e m p e r a t u r e 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 仿 真 上 層 中 層 下 層 實(shí) 測(cè) 上 層 中 層 下 層 1 2 6 7 8 2 6 5 6 2 6 3 2 2 6 8 0 2 6 3 0 2 5 7 8 2 2 7 3 2 2 7 8 4 2 8 7 8 2 7 1 2 2 7 7 4 2 8 4 0 3 2 8 4 0 2 7 7 2 2 7 6 0 2 8 2 8 2 7 5 8 2 7 2 4 表 3 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 T a b l e 3 N e t p h o t o s y n t h e t i c r a t e a n d t r a n s p i r a t i o n r a t e 驗(yàn) 證 試 驗(yàn) 處 理 凈 光 合 速 率 m o l m 2 s 上 層 中 層 下 層 蒸 騰 速 率 m o l m 2 s 上 層 中 層 下 層 1 5 4 9 5 1 9 5 3 8 1 8 8 1 7 4 2 2 1 2 4 4 1 4 9 2 4 2 6 1 9 3 1 9 6 2 0 2 3 5 0 6 4 9 2 4 9 7 2 0 6 1 9 0 1 8 6 4 討 論 與 結(jié) 論 4 1 討 論 1 濕 度 和 風(fēng) 通 過(guò) 影 響 生 菜 葉 片 的 氣 孔 導(dǎo) 度 蒸 汽 壓 差 和 冠 層 溫 度 間 接 影 響 生 菜 的 凈 光 合 速 率 和 蒸 騰 速 率 黃 瓜 的 凈 光 合 速 率 隨 濕 度 的 增 大 而 增 大 但 較 低 的 相 對(duì) 濕 度 對(duì) 黃 瓜 的 光 合 作 用 有 抑 制 作 用 1 0 有 研 究 表 明 高 溫 下 增 大 空 氣 濕 度 可 以 促 進(jìn) 葉 片 的 凈 光 合 速 率 的 增 長(zhǎng) 1 1 本 試 驗(yàn) 中 不 同 生 長(zhǎng) 時(shí) 期 的 生 菜 均 在 濕 度 為 H 2 時(shí) 取 得 凈 光 合 速 率 的 較 大 值 當(dāng) 濕 度 過(guò) 高 時(shí) 引 起 氣 孔 阻 抗 的 增 加 光 合 作 用 所 需 的 C O 2 的 吸 收 速 度 降 低 導(dǎo) 致 凈 光 合 速 率 降 低 植 物 工 廠 是 一 個(gè) 4 5 1 2 0 2 0 年 1 2 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 2 期 密 閉 的 空 間 當(dāng) 循 環(huán) 風(fēng) 速 為 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 時(shí) 濕 度 對(duì) 生 菜 葉 片 的 作 用 相 對(duì) 于 無(wú) 風(fēng) 時(shí) 會(huì) 有 一 定 變 化 此 時(shí) 的 葉 片 受 溫 度 濕 度 和 循 環(huán) 風(fēng) 速 共 同 作 用 的 影 響 2 將 植 物 工 廠 的 氣 體 交 換 方 式 設(shè) 計(jì) 為 側(cè) 進(jìn) 側(cè) 出 側(cè) 進(jìn) 側(cè) 上 出 和 側(cè) 進(jìn) 上 出 3 種 方 式 通 過(guò) C F D 仿 真 分 析 植 物 冠 層 平 面 循 環(huán) 風(fēng) 速 及 溫 度 趨 勢(shì) 發(fā) 現(xiàn) 側(cè) 進(jìn) 側(cè) 出 為 最 佳 氣 體 交 換 方 式 1 2 通 過(guò) C F D 模 擬 微 型 植 物 工 廠 不 同 平 面 的 溫 度 優(yōu) 化 微 型 植 物 工 廠 傳 感 器 的 布 置 位 置 1 3 通 過(guò) C F D 技 術(shù) 模 擬 植 物 工 廠 內(nèi) 風(fēng) 場(chǎng) 和 溫 度 場(chǎng) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 是 可 行 的 本 文 通 過(guò) C F D 模 擬 了 3 種 不 同 循 環(huán) 風(fēng) 速 模 式 下 微 型 植 物 工 廠 的 循 環(huán) 風(fēng) 速 分 布 和 溫 度 分 布 發(fā) 現(xiàn) 可 通 過(guò) 調(diào) 整 循 環(huán) 風(fēng) 速 提 高 溫 度 場(chǎng) 和 風(fēng) 場(chǎng) 的 均 勻 性 4 2 結(jié) 論 1 增 加 溫 度 對(duì) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 有 促 進(jìn) 作 用 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 可 以 提 高 生 菜 的 凈 光 合 速 率 還 可 以 減 弱 高 溫 高 濕 對(duì) 葉 片 凈 光 合 速 率 的 抑 制 作 用 從 而 促 進(jìn) 葉 片 的 光 合 作 用 2 微 型 植 物 工 廠 內(nèi) 采 用 上 層 低 循 環(huán) 風(fēng) 速 下 層 高 循 環(huán) 風(fēng) 速 模 式 有 利 于 保 證 內(nèi) 部 溫 度 的 均 勻 性 此 時(shí) 生 菜 的 凈 光 合 速 率 也 處 于 較 高 水 平 有 利 于 生 菜 生 長(zhǎng) 參 考 文 獻(xiàn) 1 辛 敏 仝 宇 欣 楊 其 長(zhǎng) 等 利 用 室 外 冷 源 空 氣 的 植 物 工 廠 降 溫 節(jié) 能 效 果 分 析 J 中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 氣 象 2 0 1 5 3 6 3 2 8 7 2 9 5 2 賀 冬 仙 國(guó) 內(nèi) 植 物 工 廠 發(fā) 展 的 思 考 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 技 術(shù) 2 0 1 6 3 6 1 9 2 4 2 5 3 古 在 豐 樹(shù) 李 明 人 工 光 型 及 太 陽(yáng) 光 型 植 物 工 廠 空 調(diào) 應(yīng) 用 技 術(shù) J 農(nóng) 業(yè) 工 程 技 術(shù) 2 0 1 6 3 6 1 3 9 1 6 4 M i y a g i A U c h i m i y a H K a w a i Y a m a d a M S y n e r g i s t i c e f f e c t s o f l i g h t q u a l i t y c a r b o n d i o x i d e a n d n u t r i e n t s o n m e t a b o l i t e c o m p o s i t i o n s o f h e a d l e t t u c e u n d e r a r t i f i c i a l g r o w t h c o n d i t i o n s m i m i c k i n g a p l a n t f a c t o r y J F o o d C h e m i s t r y 2 0 1 7 2 1 8 5 6 1 5 6 8 5 O h t a k e N I s h i k u r a M S u z u k i H e t a l C o n t i n u o u s i r r a d i a t i o n w i t h a l t e r n a t i n g r e d a n d b l u e l i g h t e n h a n c e s p l a n t g r o w t h w h i l e k e e p i n g n u t r i t i o n a l q u a l i t y i n l e t t u c e J H o r t s c i e n c e 2 0 1 8 5 3 1 2 1 8 0 1 8 4 6 趙 立 軍 陳 亞 孔 陽(yáng) 陽(yáng) 等 太 陽(yáng) 光 利 用 型 植 物 工 廠 的 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 研 究 J 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 2 0 1 8 4 0 1 1 1 4 1 1 9 7 姜 仕 豪 黨 康 章 永 泰 等 光 照 強(qiáng) 度 溫 度 和 連 續(xù) 光 照 對(duì) 水 培 生 菜 硝 酸 鹽 積 累 的 影 響 J 長(zhǎng) 江 蔬 菜 2 0 1 4 1 2 3 6 3 9 8 鄭 殿 君 張 治 安 姜 麗 艷 等 不 同 產(chǎn) 量 水 平 大 豆 葉 片 凈 光 合 速 率 的 比 較 J 東 北 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2 0 1 0 4 1 9 1 5 9 張 婷 華 楊 再 強(qiáng) 李 葉 萌 等 相 對(duì) 濕 度 對(duì) 黃 瓜 葉 片 光 合 特 性 的 影 響 J 氣 象 科 技 2 0 1 3 4 1 6 1 1 2 8 1 1 3 3 1 0 薛 義 霞 李 亞 靈 溫 祥 珍 空 氣 濕 度 對(duì) 高 溫 下 番 茄 光 合 作 用 及 坐 果 率 的 影 響 J 園 藝 學(xué) 報(bào) 2 0 1 0 3 7 3 3 9 7 4 0 4 1 1 劉 煥 方 慧 程 瑞 鋒 等 基 于 C F D 的 人 工 光 植 物 工 廠 氣 流 場(chǎng) 和 溫 度 場(chǎng) 的 模 擬 及 優(yōu) 化 J 中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 2 0 1 8 2 3 5 1 0 8 1 1 6 1 2 賈 鶴 鳴 張 森 朱 傳 旭 等 微 型 植 物 工 廠 溫 度 傳 感 器 優(yōu) 化 布 置 仿 真 研 究 J 科 技 創(chuàng) 新 與 生 產(chǎn) 力 2 0 1 8 4 6 4 6 7 E x p e r i m e n t a l S t u d y o n O p t i m i z a t i o n o f E n v i r o n m e n t a l C o n t r o l P a r a m e t e r s i n M i c r o p l a n t F a c t o r y Z uo Z hi y u X u C ha o M a o H a np i ng Z h a ng X i a o do ng Y a ng J u nj i e K e y L a b o r a t o r y o f M o d e r n A g r i c u l t ur e E q u i p m e nt a nd T e c hno l o g y M i ni s t r y o f E du c a t i o n J i a n g s u U ni v e r s i t y Z h e nj i a ng 2 0 1 2 0 1 3 C hi n a A b s t r a c t A i m e d t o i m p r o v e t he u n i f o r m i t y o f t e m pe r a t u r e d i s t r i but i o n i ns i de t he m i c r o p l a nt f a c t o r y a n d i n c r e a s e t he n e t p ho t o s y nt he t i c r a t e o f c r o p s a c o m bi na t i o n o f e x p e r i m e nt a l r e s e a r c h a nd C F D s i m u l a t i o n w a s pr o po s e d t o o p t i m i z e t h e e n v i r o n m e nt a l c o n t r o l p a r a m e t e r s T a k i n g l e t t uc e a s a n e x a m pl e t h e e f f e c t s o f t e m pe r a t ur e hu m i di t y a nd c i r c u l a t i ng w i n d s pe e d o n t h e ne t ph o t o s y n t h e t i c r a t e a nd t r a n s pi r a t i o n r a t e o f l e t t uc e w e r e e x pl o r e d by m ul t i f a c t o r c o u pl i ng e x pe r i m e nt C F D w a s c a r r i e d o ut i n t h e a i r f l o w f i e l d a n d t e m p e r a t ur e f i e l d o f pl a nt f a c t o r y unde r di f f e r e nt w i nd s pe e d c o nt r o l m o de s T h e r e s ul t s s ho w e d t ha t t h e w i nd s pe e d h a d s i g ni f i c a n t e f f e c t s o n t he ne t ph o t o s y nt he t i c r a t e a nd t r a ns pi r a t i o n r a t e o f l e t t uc e T he n um e r i c a l a na l y s i s s ho w e d t h