微型植物工廠環境控制參數優化試驗研究

左志宇,徐 超,毛罕平,張曉東,楊俊杰

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

植物工廠可以實現周年連續,生產效率和土地利用率高,是設施農業發展的最高階段[1]。目前,我國還沒有大規模盈利的商業化植物工廠[2],植物工廠所使用的的溫度、光、濕度和營養液等環境的調控消耗大量的能源,使植物工廠的運行成本很高,而產出的作物還不能實現盈利。不合理的環境控制參數設置不僅不利于植物生長,還浪費了大量的電能,亟需對環境控制參數進行優化設計。

植物工廠是密閉的空間,補光燈等熱源產生的熱量會對環境的溫度產生明顯的影響,作物蒸騰作用也使植物工廠內的濕度和潛熱增加。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行光合作用,其余則轉化為熱量散失[3]。植物工廠內部環境是持續動態變化的,研究環境對植物的影響,為植物提供“量身定制”的環境,合理均衡熱量的分布,是降低植物工廠能耗、促進作物生長的有效途徑。

近年來,很多學者研究了光源和對植物工廠內植物的影響[4-5]及營養液對植物工廠內植物的影響[6-8],但溫、濕、風對植物的影響卻鮮有人研究。植物地上部干物質的90%～95%來自于光合作用,凈光合速率是光合作用重要的生理學參數[9]。蒸騰速率不僅與作物對水分和營養液的吸收相關,對植物工廠的環境也會產生一定影響。因此,本文提出通過試驗對不同的溫度、濕度和循環風速條件下生菜葉片的凈光合速率和蒸騰速率進行研究,探究溫度、濕度和循環風速對生菜的影響;利用CFD技術對微型植物工廠內的溫度分布和氣流分布進行模擬,對微型植物工廠內部環境控制參數進行優化設計。

1 試驗設計及結果分析

1.1 試驗設計

試驗在江蘇大學農業裝備工程學院的植物工廠中進行。選用意大利耐抽苔生菜品種,采用6×12穴盤育苗,試驗生菜采用8L的水培箱栽培,營養液采用霍格蘭生菜標準配方,每3日更換一次營養液。補光燈的開閉和溫濕度的調節都由植物工廠控制計算機自動控制,以保持所需的試驗環境。

試驗研究溫度、濕度和風速等3種因素對生菜凈光合速率和蒸騰速率的影響。溫度設置3個水平,即T1(18℃)、T2(22℃)和T3(26℃);濕度設置3個水平,即H1(40%)、H2(60%)和H3(80%);風速設置4個水平,即W1(0m/s)、W2(0.6m/s)、W3(1.2m/s)和W4(1.8m/s),共36種處理。

補光燈設置為每天早上6:00打開,晚上21:00關閉。在數據測量前,用風速調節裝置對被測生菜運行10min,待穩定后測量數據。

使用Li-6400便攜式光合速率儀測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),每張葉片重復測量3次。

1.2 試驗結果分析

1.2.1溫度、濕度和循環風速對葉片凈光合速率的影響

當循環風速為W1和W2時,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先升高后降低的趨勢;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先平緩變化后降低的趨勢。

記循環風速W1、W2、W3和W4條件下生菜的凈光合速率分別為PnW1、PnW2、PnW3和PnW4。

在生菜苗期,不同循環風速下生菜的凈光合速率關系為PnW4>PnW3>PnW1;與PnW1相比,PnW4和PnW3分別增長了14.81%和9.99%,PnW2與PnW1接近,如圖1所示。當循環風速為W3和W4、濕度為H1時,生菜的凈光合速率隨溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢;當濕度為H2和H3時,生菜的凈光合速率隨溫度的升高而升高;當溫度為T1和T2時,生菜的凈光合速率隨濕度的升高而降低;當溫度為T3時,生菜的凈光合速率隨濕度的升高呈現先升高后降低的趨勢;凈光合速率最大的處理為W4H2T3。

圖1 苗期葉片凈光合速率Fig.1 Net photosynthetic rate of seedling leaves

生長發育期葉片凈光合速率如圖2所示。在生菜生長發育期,各處理的PnW4和PnW3分別比PnW1平均增長了17.39%和14.87%,比苗期的增幅更大。在苗期和生長發育期,各處理的凈光合速率的平均值為5.64μmol/m2·s和11.05μmol/m2·s,生長發育期比苗期的凈光合速率增長了5.41μmol/m2·s;凈光合速率最大的處理為W4H2T3。

圖2 生長發育期葉片凈光合速率Fig.2 Net photosynthetic rate of growing leaves

收獲期葉片凈光合速率如圖3所示。在生菜收獲期,W3和W4條件下的凈光合速率大于W1和W2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5.38μmol/m2·s,略低于苗期;凈光合速率最大的處理為W4H2T2。

圖3 收獲期葉片凈光合速率Fig.3 Net photosynthetic rate of harvest

溫度不高于T3時,溫度的升高對生菜的凈光合速率有促進作用,但達到一定溫度后凈光合速率便穩定在一定的水平。

濕度對生菜凈光合速率的影響隨循環風速的大小變化而不同。低循環風速(W1和W2)、高濕度(H3)對生菜葉片的凈光合速率有一定的抑制作用,而高循環風速(W3和W4)、高濕度(H3)時濕度對生菜葉片的凈光合速率有促進作用。這是由于生菜冠層的濕度隨著循環風速增大而降低,同時循環風速會加快蒸騰速率從而降低冠層的溫度,此時冠層的溫濕度要低于條件設定的溫濕度;當對生菜施加高循環風速高濕度條件時,冠層溫濕度都處在生菜生長的適宜水平,因此高循環風速高濕度時濕度對生菜葉片的凈光合速率有促進作用。在收獲期生菜的蒸騰速率會減弱,其降溫程度不如苗期和生長發育期明顯,同時最適宜的生長溫度也發生了變化,凈光合速率的最大值出現在比W4H2T3溫度稍低的W4H2T2組。

當循環風速為W3和W4時,循環風速對生菜的凈光合速率有促進作用;當循環風速為W1和W2時,循環風速對生菜的凈光合速率無顯著影響。

1.2.2 溫度、濕度、循環風速對葉片蒸騰速率的影響

在苗期,循環風速為W3、W3、W4的生菜的蒸騰速率比循環風速為W1的蒸騰速率分別提高了0.37%、3.16%和3.98%;在生長發育期,循環風速為W3、W3、W4的生菜的蒸騰速率比循環風速為W1的蒸騰速率分別提高了0.26%、2.47%和2.48%;在收獲期,循環風速為W3、W3、W4的生菜的蒸騰速率比循環風速為W1的蒸騰速率分別提高了0.38%,0.71%和0.73%,如圖4所示。

圖4 生菜的蒸騰速率Fig. 4 Transpiration rate of lettuce

在相同溫度、濕度處理的條件下,循環風速為W3、W4的生菜的蒸騰速率要高于循環風速為W1、W2的生菜的蒸騰速率;在苗期和生長發育期,高循環風速下生菜的蒸騰速率遠高于低循環風速的蒸騰速率,而在生菜的生長收獲期,高循環風速下生菜的蒸騰速率與低循環風速相差不大。因此,循環風速對生菜的生長影響較大。

2 微型植物工廠內部溫度和風速仿真

2.1 氣流循環方案設計及數值模型

溫度和循環風速對生菜生長影響較大。由于微型植物工廠內空間較小,其內部氣流的大小和分布對熱量的分布有很大影響。不均勻的溫度分布會影響生菜的生長,同時也是一種能量的浪費。綜合考慮植物的生長和節能,保證溫度的均勻性十分重要。

為模擬微型植物工廠內溫度分布規律,確定微型植物工廠內適合的循環風速控制方式,建立了微型植物工廠三維模型。微型植物工廠內腔的尺寸設計為1.04m×0.64m×1.23m(長×寬×高),外殼(隔熱材料)厚度為30mm。采用Ansys軟件建立微型植物工廠CFD數值模型,進行網格劃分時,將計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的空氣,固體域為微型植物工廠夾層內的隔熱材料(聚氨酯泡沫)。總的網格數為4 320 686,總的節點數為733 029。將風扇設置為VELOCITY-INLET,吹出的風為加熱風;循環風速設置為上低下高(處理S1)、上高下低(處理S2)和等速(處理S3)等3種循環風速方案,循環風速V1、V2和V3分別為0.6、1.2、1.8m/s。聚氨酯泡沫的對流傳熱系數取9W/m·K,如表1所示。

表1 氣流循環方式Table 1 Aircirculation mode

激活能量方程,選擇k-ε模型,取g=9.81m/s,方向為y軸負方向。選用SIMPLE求解器的1階迎風格式進行求解。

2.2 仿真結果分析

處理S3為微型植物等速氣流循環模式,進風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口流出,導致栽培架內左側循環風速較大,右側循環風速較小。當循環風速為1.2m/s和1.8m/s時,對生菜的凈光合速率和蒸騰速率有促進作用。當循環風速為0m/s和0.6m/s時,無明顯作用。由于下表面容易形成旋流和渦流此類氣流循環很不均勻,不同植物承受的循環風速差異較大,因此需要優化,如圖5(a)所示。

圖5 處理S3微型植物工廠風速和溫度分布Fig.5 Wind speed and temperature distribution in micro-plant factory

圖5(b)為溫度分布云圖。圖5中,貼近補光燈管處溫度較高,上、中和下各溫度差超過1℃。上、下層溫差較大,容易引起壓縮機頻繁啟動。

當微型植物工廠內氣流達到穩態時,處理S1和處理S2的循環風速云圖如圖6所示。此時,兩種處理均達到較高循環風速水平。其中,處理S2循環風速平均值為1.64m/s,高于原來微型植物工廠氣流速度;上面3層的循環風速比為76%,小于處理S3(82%);標準差為0.90,均勻性比處理S3差;處理S1循環風速平均值為1.58m/s,高于處理S3的氣流速度;上面3層的循環風速比為77%,小于處理S3;標準差為0.12,均勻性優于S3。

圖6 風速云圖Fig.6 Velocity magnitude contours

圖7 溫度云圖Fig.7 Temperature contours

將處理S1和處理S2的循環風速分布云圖和溫度分布云圖進行對比,可知溫度分布趨勢與氣流分布趨勢有一定關系。循環風速大的區域溫度較低,循環風速小的地方溫度較高。

微型植物工廠內部溫度對比表明:處理S2平均溫度最高,為28℃,標準差1.58;處理S3平均溫度較高,為27.9℃,標準差1.28;處理S1平均溫度最低,為26.5℃,標準差0.74。處理S1的均勻性最好,因此環境控制過程中優先采用處理S1方案。

3 驗證試驗

使用設計的樣機進行了生菜種植試驗,如圖8所示。

圖8 生菜種植試驗Fig.8 Lettuce planting test

驗證試驗處理1為上低下高的循環方式,設定上層循環風速為0.6m/s,中間層循環風速為1.2m/s,下層循環風速為1.8m/s;驗證試驗處理2為上高下低的循環方式,設定上層循環風速為1.8m/s,中間層循環風速為1.2m/s,下層循環風速為0.6m/s;驗證試驗處理3為等速的循環方式,設定上層、中間層、下層循環風速均為1.8m/s;設定各個處理的溫度均為26℃,相對濕度均為60%。微型植物工廠的溫度由DT-172溫濕度記錄儀測量,在每層均勻取5個點測量。蒸騰速率和凈光合速率由Li-6400便攜式光合速率儀測得,每層取3棵生菜測量。

實測平均溫度均低于仿真模型溫度,變化趨勢基本相同。上低下高的驗證試驗處理1中,微型植物工廠內每層溫度分布均勻,最大溫差為0.5℃;生菜蒸騰速率的平均值為1.94mmol/m2·s,與等速的驗證試驗處理3相差不大;凈光合速率為5.35μmol/m2·s,比驗證試驗處理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。

表2 微型植物工廠溫度Table 2 Microplant factory temperature ℃

表3 凈光合速率和蒸騰速率Table 3 Net photosynthetic rate and transpiration rate

因此,優化出的循環風速為上低下高,溫度、濕度為H2T3的環境參數控制方案是較為合適的,有利于生菜生長。

4 討論與結論

4.1 討論

1)濕度和風通過影響生菜葉片的氣孔導度、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,但較低的相對濕度對黃瓜的光合作用有抑制作用[10]。有研究表明,高溫下增大空氣濕度可以促進葉片的凈光合速率的增長[11]。本試驗中,不同生長時期的生菜均在濕度為H2時取得凈光合速率的較大值;當濕度過高時引起氣孔阻抗的增加,光合作用所需的CO2的吸收速度降低導致凈光合速率降低。植物工廠是一個密閉的空間,當循環風速為高循環風速時,濕度對生菜葉片的作用相對于無風時會有一定變化,此時的葉片受溫度、濕度和循環風速共同作用的影響。

2)將植物工廠的氣體交換方式設計為側進側出、側進側上出和側進上出3種方式,通過CFD仿真分析植物冠層平面循環風速及溫度趨勢,發現側進側出為最佳氣體交換方式[12];通過CFD模擬微型植物工廠不同平面的溫度,優化微型植物工廠傳感器的布置位置[13]。通過CFD技術模擬植物工廠內風場和溫度場進行優化是可行的。本文通過CFD模擬了3種不同循環風速模式下微型植物工廠的循環風速分布和溫度分布,發現可通過調整循環風速提高溫度場和風場的均勻性。

4.2 結論

1)增加溫度對生菜的凈光合速率有促進作用,高循環風速可以提高生菜的凈光合速率,還可以減弱高溫高濕對葉片凈光合速率的抑制作用,從而促進葉片的光合作用。

2)微型植物工廠內采用上層低循環風速、下層高循環風速模式,有利于保證內部溫度的均勻性,此時生菜的凈光合速率也處于較高水平,有利于生菜生長。