植物工廠增溫對栽培架布局影響研究

鄧 鑫

（福建農林大學機電工程學院，福建 福州350002）

0 引言

適宜的氣候條件能保證作物一年四季都能生長，包括冬季，帶來巨大的經濟效益。冬季溫室最大的問題是供暖和太陽光，用于供暖的生物燃料提供的解決方案相對不那么吸引人[1]。為了保證作物正常生長，作物經理必須有高水平的知識和經驗。隨著農場規模越來越大，監測各種溫室隔間的所有細節變得越來越困難[2]，由于其內部環境的可控性，植物工廠是目前精細農業發展的主流趨勢。

目前，國內大型植物工廠的供暖主要采用空調，空調供熱無法避免植物工廠頂部的無效熱損失，冬季供暖時會產生極大的能源浪費，能源利用率極低。并且，由于室內外溫差較大，會存在壁面導熱系數高、植物工廠內溫度梯度大等問題，容易出現上熱下冷的分層現象，無法保證溫度的均勻性，導致部分植物生長出現問題[3]。趙國強等[4]對微型植物工廠進行了增溫與增濕處理，擬合優度計算傳感器測量值與植物區模擬值偏離情況，結果顯示，溫度測量誤差為5.6%，而濕度測量誤差為3.2%。雖然通過增加PC板中心夾層厚度能提高植物工廠保溫能力，但是在冬季溫度非常低的環境下也無法使植物工廠內溫度保持在25℃，所以筆者采用CFD方法對冬季植物工廠升溫方法進行研究[5-7]。

1 模型的建立

在植物工廠內熱風供暖的重點是氣流循環，熱空氣向溫度低的冷空氣傳熱，使得空氣溫度均勻，利用上方回風口新產生的熱空氣將下方冷空氣擠壓排除。如圖1所示，在植物工廠頂部安裝供暖風口，距離地面高3 m處設置4個送風口，沿植物工廠中央向下送風，然后通過熱空氣的溫度差造成的浮升力讓熱氣流上升，使得整個空間中溫度升高。

考慮到熱風供暖過程中熱量損失、能源浪費的問題，為了比較兩種植物工廠栽培架擺放位置下能量利用問題，引入能量利用系數如下式[8]：

式中：ts為室內送風溫度，tf為室內監測點加權溫度，th為室內高度h平面工作區平均溫度。若SDEF＞1，表示工作區溫度高于室內設計溫度，SDEF越大，送入工作區的熱風越多，能量利用率越高；若SDEF=1，表明工作區溫度剛剛達到室內設計溫度，能量利用率較好；若SDEF＜1，表明工作區溫度小于室內設計溫度，能量耗費現象比較嚴重。

本次主要研究在熱風供暖條件下植物工廠內溫度場分布，忽略植物工廠內其他模型結構因素，僅考慮燈具等設備產生的熱量對于室內供暖的影響[9]。在植物工廠中采用風機送風，室內保持正壓，因此，不考慮縫隙中冷風滲入。對兩種植物工廠栽培架擺放位置進行研究，找到熱風供暖最優擺放方案。擺放方案圖如圖2所示。

圖2 植物工廠栽培架擺放方案

2 仿真結果的處理分析

2.1 數據處理分析

將信息熵應用于評價植物工廠溫濕度總量模型的分配求客觀權重的方法，下面利用對人工光型植物工廠評價體系的賦權過程，來論證利用信息熵計算權重的原理[10-11]。以case1為例計算其監測點加權溫度：

其中，max(xi)、min(xi)分別表示數據矩陣中第i列最大值與最小值，根據公式將各個指標的數據進行標準化處理如矩陣所示：

其中，0

根據公式可計算出信息熵值的Hi，一共8項評價指標，各自的信息如矩陣所示：

根據指標權重公式，可計算出各指標權重如矩陣所示：

根據計算出的權重，兩種栽培架擺放方案的監測點加權溫度如表1所示。

表1 不同截面的監測點加權溫度

由公式（1）計算得出兩種擺放方案下能量利用系數，最下層平均溫度低于高層平均溫度，能量利用系數逐漸增大。方案2的栽培架擺放方式能量系數分別為1.28、1.72、1.78，在h=1.52 m、2.12 m時高于方案1，所以方案2對電能利用率高于方案1，其栽培架擺放方法冬季更適合植物生長。如圖3、圖4所示。

圖3 兩種方案不同平面平均溫度

圖4 兩種方案不同平面能量利用系數

2.2 仿真結果圖像

熱風供暖送風方式的速度矢量圖如圖5所示，由圖可知速度為1 m/s的空氣從送風口流出之后，并不是直接穿過栽培架。流動的空氣經過植物工廠地面碰撞后向四周擴散，但是由于碰撞的能量損失，速度下降至0.25 m/s，將熱風送入作物栽培區域，然后到達植物工廠兩側的壁面時與其碰撞，再將熱風送入高層區域，最后風速變為0 m/s。出口區域的壓力比植物工廠內壓強小，整個過程有較小的熱風通過出口流出，而且在室內呈現循環的狀態，與其他案例對比升溫效果明顯[11]。

圖5 熱風供暖速度矢量圖

植物工廠y=2.55 m的截面速度與溫度分布情況分別如圖6、圖7所示。對植物栽培架擺放進行優化后，由于風扇在植物工廠頂部呈陣列均勻排布，導致風扇下方的風速與溫度明顯高于兩側，靠近出風口的區域速度約為1 m/s、溫度約為29℃。經過空氣的向下流動，地面的風速逐漸降低至0.25 m/s，溫度則約為30℃。然后，隨著氣流的不斷擴散，風速不斷衰減至0 m/s，而在LED植物燈發熱與暖風供暖的共同作用下，兩側的溫度逐漸升高至31℃。由此可知，暖風供暖進風口附近溫度較其他區域低，隨著熱量不斷散失，升溫效果將不明顯。由此可以得出，適當增加送風的角度能夠改變植物工廠內氣流與溫度分布情況。

圖6 y=2.55 m速度分布圖

圖7 y=2.55 m溫度分布圖

在熱風供暖條件下，溫度場對作物生長非常重要，溫度的高低直接影響作物的生長情況。所有LED植物燈周圍都有明顯的溫度梯度變化，尤其是中間溫度分布范圍約32.3℃，并且靠近暖風流動的位置溫度變化明顯。在h=2.12 m時，中部與作物區域溫差約為2℃。由于高度下降，導致暖風供暖呈降低趨勢。由于未考慮植物工廠結構，導致植物工廠圍爐結構沒有與外界低溫發生熱交換，內部溫度變化只受LED燈與熱風影響，表現為室內溫度整體偏高，三個截面平均溫度都大于30℃，不利于植物生長。如圖8所示。

圖8 不同高度的溫度云圖

3 結語

1）本研究通過熱風供暖條件下Fluent數值模擬結果溫度值，對溫度值進行信息熵加權計算，然后通過能量利用系數SDEF評價熱風供暖在植物工廠中能量利用效率，使得在損耗最少電能的情況下，植物工廠中升溫效果達到最佳。熱風供暖可為以后的設計人員提供一些有效的參考，對整個植物工廠升溫系統設計提供一定的幫助。

2）模擬植物工廠中冬季熱風供暖條件下兩種栽培架擺放方案溫度場分布。對比結果可得：在兩排栽培架并列擺放條件下，能量利用系數最高。試驗發現在熱風供暖條件下整體溫度上升了8℃左右，后期可以通過不斷改變送風角度與通風口高度，提升供暖分布的均勻性。