基于風扇差速調節的微型植物工廠溫度精準控制

高菊玲 劉永華

摘要：微型植物工廠環境的精準調控是實現其智能化控制的前提，但是已有的環境調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部加入混風通道并采用風扇差速調節的方式，在計算流體動力學（Computational fluid dynamics，CFD）模擬仿真中設定目標溫度為20 ℃，通過軟件計算得到各栽培層的進風量分別為0.018 9 m3/s、0.023 6 m3/s、0.028 1 m3/s。通過風速調節旋鈕對進風量進行調節，通過各層風扇的差速調節來實現各栽培層的均勻調溫。結果表明，在目標溫度為20 ℃的條件下，控溫設備持續工作60 min后，未使用混風通道和風速差速調節控溫方式的傳統微型植物工廠內第1、第2栽培層的溫度為19 ℃，而第3栽培層的溫度為24 ℃，溫差達到了5 ℃;使用混風通道和風速差速調節控溫方式下的微型植物工廠，各栽培層的溫度均為20.5 ℃左右。由結果可知，在加入混風通道并且進行風扇差速調節后，各栽培層的環境溫差得到了有效改善。

關鍵詞：微型植物工廠;CFD模擬仿真;風扇差速調節;混風通道;精準控制

中圖分類號：S626.9文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2020）06-1543-08

Abstract：Achieving precise control of the mini-plant factory environment is the prerequisite for its intelligent control， but the previous environmental control methods have the problem of large temperature differences among cultivation layers in mini-plant factory. In this study， a mixed air channel was added in the micro plant factory， and the method of fan differential adjustment was adoped. In the computational fluid dynamics （CFD） simulation， the target temperature was set at 20 ℃， and the air intake volume of each cultivation layer was 0.018 9 m3/s， 0.023 6 m3/s? and? 0.028 1 m3/s. The air inlet volume was adjusted by the wind speed adjustment knob， and the uniform temperature adjustment of each cultivation layer was realized by the differential adjustment of the fans. The experimental results showed that when the target temperature was 20 ℃ and the temperature-control equipment continued to work for 60 min， the temperature of the first， second and third cultivation layers was 19 ℃， 19 ℃ and 24 ℃ in the micro-plant factory without the mixing channel and the wind speed differential adjustment， the temperature difference reached 5 ℃. The temperature of each cultivation layer was about 20.5 ℃ under the temperature control mode of mixed air channel and wind speed differential adjustment. In conclusion， the environmental temperature difference of each cultivation layer has been effectively improved by using the mixed air channel and fan differential adjustment.

Key words：mini-plant factory;computational fluid dynamics （CFD） simulation;fan differential adjustment;mixed air channel;precise control

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，聯合國的預測數據顯示，2050年全球人口將增加至9.8×109人[1]，其中城鎮人口約占66%[2]。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、空氣循環風扇、二氧化碳與營養液供應裝置及環境調控裝置等[3-5]。與農業生產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居民開發設計的，使他們能夠享受室內種植的樂趣。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，為城鎮居民生活提供了一種新的休閑娛樂方式[6]。

在傳統的商用型植物工廠中，為了消除光源及其他設備產生的熱量，一般用空調進行環境溫度的控制，同時降低由植物蒸騰作用造成的環境濕度。此外，空調還能夠加速植物工廠內部的空氣循環，達到提高作物光合作用能力及蒸騰速率的目的，并且實現植物工廠內部環境溫度的均勻分布[6]。微型植物工廠由于其內部小環境的氣候特點，在使用小型空調設備進行環境調控的過程中，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，導致作物產量減少甚至發生凍害。因此，有必要對微型植物工廠內各栽培架之間的溫度進行統一精準調控，從而降低微型植物工廠的能耗并增加產量，促進其規模化生產應用。

微型植物工廠環境參數的優化分析是實現其環境精準調控的前提條件，有研究者采用計算流體動力學（Computational fluid dynamics，CFD）對微型植物工廠的濕熱環境數值進行分析，結果表明，微型植物工廠中部及以下位置的環境溫度較低，導致同一作物不同部位所處的環境溫度差異較大，此外溫度變化梯度受通風過程中氣流流動的影響較大[7]。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[8]通過微型植物工廠內的環境控制參數優化試驗，分別研究植物工廠內溫度、濕度和循環風速3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氣流場、溫度場進行了 CFD仿真分析，結果表明，植物工廠上層采用低速循環模式，下層采用高速循環模式，有利于植物工廠內部溫度均勻，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之間加入混風通道，待通道內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的循環風扇進行差速調節，使得微型植物工廠內各層環境溫度能夠得到同步調控，減少各栽培層之間的溫度差異，保持作物品質的穩定性，同時能夠為今后微型植物工廠環境精準控制策略的制定提供理論基礎。

1系統搭建及試驗設計

1.1外形結構及網格劃分

如圖1所示，本研究設計的微型植物工廠的長×寬×高為840 mm×540 mm×1 380 mm，使用鋁型材料搭建而成，共4層，從下往上分別為第1層、第2層、第3層和第4層，其中第1～3層為植物栽培區域，第4層為控制區域。栽培區域與空調連接處設有混風通道（長×寬×高為130 mm×480 mm×1 180 mm），首先將空調出風口的冷空氣引入混風通道，待通道內的空氣溫度達到設定值后，打開風扇，對環境溫度進行控制。循環風扇安裝在每層植物栽培室的右側（風扇外徑尺寸為120 mm×120 mm），通過風速調節旋鈕調節循環風扇的電阻，從而對循環風扇的出風量進行調節。栽培區域采用紅藍發光二極管（LED）燈（WEN-T8H，WEGA Plant Lighting Company，China）作為光源提供光能，紅、藍光源比為83∶17。紅色LED燈的峰值波長為660 nm，波長范圍為600～700 nm。藍色LED燈的峰值波長為450 nm，波長范圍為400～500 nm。采用SOLIDWORKS Flow Simulation建立微型植物工廠的CFD數值模型，邊界條件及其初始化參數設置見表1。將計算域劃分為流體域和固體域2個部分，流體域為微型植物工廠內的空氣，固體域為微型植物工廠夾層內的隔熱材料（隔熱保溫棉），導熱系數為0.038 W/（m·K）。總網格數為343 601個，流體網格數為207 728個，固體網格數為135 873個。

1.2試驗設計

本研究在江蘇省現代農業裝備工程中心開展，所有試驗均在方法1.1設計、制作的微型植物工廠內進行。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26 ℃時人體感受最適宜[9]，也相對節約能源，因此本研究在26 ℃的環境溫度條件下進行。

1.2.1人工光源發熱對溫度場的影響為了研究微型植物工廠內人工光源對栽培空間溫度變化的影響，本研究在26 ℃的環境溫度下關閉微型植物工廠內的制冷設備，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溫度的變化趨勢，每隔1 min記錄1次微型植物工廠的環境溫度。每個栽培層均安裝3個溫度傳感器，每次記錄的環境溫度取3個傳感器記錄的平均溫度，具體的溫度傳感器布置如圖2所示。此外，由于同一栽培層內溫度的變化趨勢與距LED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溫度的變化情況，因此通過微型植物工廠內各栽培層溫度變化的CFD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3層，與LED光源的距離分別為100 mm、200 mm、300 mm。

1.2.2傳統微型植物工廠的溫度場分析為了探明傳統的、不預先混風的微型植物工廠環境控制方式的缺陷，本研究在26 ℃的環境溫度（此時植物工廠內的溫度與室內環境溫度一致）下同時打開各層植物補光燈、空調制冷設備及各層之間的循環風扇，目標溫度為20 ℃，同時每隔1 min記錄1次溫度。為了分析微型植物工廠內各栽培層溫度隨時間的變化趨勢，采用SOLIDWORKS軟件建立微型植物工廠的三維模型，并建立關于環境溫度的CFD數值模型，結合各截面的溫度場分布與實測環境溫度進行理論分析，探究微型植物工廠內各栽培層溫度的變化規律，模擬分析在控溫設備運行條件下，微型植物工廠內各栽培層之間的溫度變化情況。在每個栽培層內設置3個溫度場截面，3個截面與LED光源的距離分別為100 mm、200 mm、300 mm。

1.2.3風扇差速調節微型植物工廠溫度場分析傳統微型植物工廠由于空調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風扇輸送至底部栽培層內，使得各栽培層溫差過大。為了解決微型植物工廠內部各栽培層溫度差異過大的問題，實現栽培層溫度的精準調控，本研究在傳統微型植物工廠的基礎上加入混風通道，首先在通道內部完成充分降溫，隨后打開循環風扇對栽培空間進行調溫，目標溫度為20 ℃，每隔1 min記錄1次溫度。為了得到各層風扇的具體轉速，首先在CFD數值模型中設置最終內部環境溫度（20 ℃）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。隨后通過風速調節旋鈕調節各個風扇的轉速，使得各栽培層的進風量與模擬值一致。