基于均流板原理的通風墻型植物工廠循環(huán)送風系統(tǒng)設計與模擬.pdf

基于均流板原理的通風墻型植物工廠循環(huán)送風系統(tǒng)設計與模擬 王晉偉 1 陳競楠 2 3 韓 冬 4 林志遠 1 黃晨馨 1 鄭書河 5 鐘鳳林 1 侯毛毛 1 1 福建農(nóng)林大學園藝學院 福州 350002 2 福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院 福州 350119 3 聚璜集團有限公司 廈門 361021 4 德州學院 德州 416012 5 福建農(nóng)林大學機電工程學院 福州 350002 摘 要 植物工廠是當前可控農(nóng)業(yè)環(huán)境的最高形式之一 但植物工廠內(nèi)溫度 氣流空間分布不均 不同栽培架之間存在 一定溫差 氣流速度差 為解決氣流植物工廠內(nèi)局部環(huán)境因子差異大的問題 該研究對植物工廠進風口設置進行改進 在側(cè)進上出氣流循環(huán)模式下 借鑒均流板原理設計了一款全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠 并通過計算流體力學軟件 computational fluid dynamics CFD 進行模擬 分析該類型工廠下溫度 氣流速度 CO2濃度 相對濕度 適宜風速 占比 空氣齡 指定流線速度變化情況 以評價全網(wǎng)孔通風墻對植物工廠內(nèi)局部環(huán)境差異的改進效果 該設計平均空氣 齡為7 5 s 是無全網(wǎng)孔通風墻條件下的1 9 空氣更新效率有效提升 研究表明全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠能有效提升植 物工廠內(nèi)環(huán)境因子分布均勻性 關鍵詞 通風 溫度 墻 植物工廠 均流板 送風系統(tǒng) doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 中圖分類號 S625 5 1 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2023 13 0213 09 王晉偉 陳競楠 韓冬 等 基于均流板原理的通風墻型植物工廠循環(huán)送風系統(tǒng)設計與模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2023 39 13 213 221 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 http www tcsae org WANG Jinwei CHEN Jingnan HAN Dong et al Design and simulation of the circulating air supply system for a ventilated wall type plant factory based on the principle of uniform flow plate J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2023 39 13 213 221 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 http www tcsae org 0 引 言 植物工廠通過整合環(huán)境數(shù)據(jù) 監(jiān)測植物生長狀況 利用計算機進行動態(tài)調(diào)整 實現(xiàn)環(huán)境控制與植物生長預 測 最終進行環(huán)境控制實現(xiàn)植物的計劃性周年生產(chǎn) 其 內(nèi)部溫度 氣流空間分布不均 兩側(cè)與中間栽培架間 同排栽培架不同層架間均存在一定溫差 氣流速度差 1 氣流速度與進風口位置相關 進風口直接輻射范圍內(nèi) 氣流流動劇烈 氣流速度大 換氣效率高 而未處于進 風口直接輻射范圍的區(qū)域 氣流流動緩慢 速度小 換 氣效率低下 因此 進風口設置是解決氣流植物工廠內(nèi) 局部環(huán)境因子差異大問題的關鍵 植物工廠研究于20世紀50年代開始 前期以 營 養(yǎng)液栽培 為主要方向 后轉(zhuǎn)向 人工模擬環(huán)境與控制 技 術 自 20世 紀 90年 代 后 計 算 流 體 力 學 computational fluid dynamics CFD 技術開始應用于農(nóng) 業(yè)領域 初始運用于動物畜禽類養(yǎng)殖環(huán)境氣流場 污染 物揮發(fā)的模擬 2 5 當前也運用于受控設施農(nóng)業(yè) 日光溫 室 植物工廠 中的流體動力學 6 熱力學和復雜的流 體現(xiàn)象分析 7 9 提高植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子的均一性能 夠明顯提高植物工廠生產(chǎn)水平 LEE 等 10 將CFD技術 應用于植物工廠內(nèi)部環(huán)境模擬 研究了風向 風速 通 風口大小和栽培架對自然通風量和氣流分布的影響 ZHANG等 11 利用CFD比較了不同穿孔數(shù)空氣管向作物 冠層表面送風的效果 得出帶有2個穿孔的空氣管能夠 提供0 42 m s的平均風速 變異系數(shù)為44 可作為最 佳穿孔設計 BAEK等 12 在人工光型植物工廠中設計不 同的空調(diào) 內(nèi)部風扇 外部風扇的開啟工況 使用CFD 模擬植物工廠內(nèi)部氣流 溫度 觀測生菜生長狀況 研 究結(jié)果表明同時開啟空調(diào) 內(nèi)部風扇 外部風扇能夠使 工廠內(nèi)溫度保持穩(wěn)定 更加適宜生菜生長 綜上 采用 CFD模擬植物工廠內(nèi)部環(huán)境變化 優(yōu)化植物工廠設計對 于提升植物工廠內(nèi)部環(huán)境均勻性和穩(wěn)定性有重要意義 然而 目前植物工廠內(nèi)部氣流循環(huán)模式研究多數(shù)以進 出風口位置 數(shù)量 角度為切入點 植物工廠氣流循環(huán) 效果受內(nèi)部結(jié)構影響顯著 是否可以通過優(yōu)化氣流循環(huán) 方式 改進內(nèi)部結(jié)構提升植物工廠內(nèi)環(huán)境因子分布均勻 性 值得深入研究 本文在側(cè)進上出氣流循環(huán)模式下 借鑒均流板原理 設計了一款全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠并進行CFD模擬 分析該類型工廠下溫度 氣流速度 CO2濃度 相對濕 度 適宜風速占比 空氣齡 指定流線速度變化情況 以評價全網(wǎng)孔通風墻對植物工廠內(nèi)局部環(huán)境差異的改進 收稿日期 2023 03 30 修訂日期 2023 06 12 基金項目 福建省自然科學基金面上項目 2023J01133579 福建省科協(xié) 德化淮山科技小院 202203 作者簡介 王晉偉 研究方向為智慧農(nóng)業(yè)方面 Email 1210306009 通信作者 侯毛毛 博士 副教授 研究方向為智慧農(nóng)業(yè)方面 Email xiaohouboshi 第 39 卷 第 13 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 Vol 39 No 13 2023 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering July 2023 213 效果 以期為植物工廠內(nèi)溫度 氣流空間分布不均 影 響作物產(chǎn)量 品質(zhì)等問題提供新的研究思路 1 通風墻型植物工廠設計 1 1 設計目的 傳統(tǒng)植物工廠采用空調(diào)或者風機進行通風降溫 在 空調(diào)或風機出風口附近氣流速度較大 易形成氣流渦流 區(qū) 伯努利原理 導致植物生長一致性較差 本設計 基于均流板原理設計全網(wǎng)孔通風墻 用于探尋植物工廠 氣流循環(huán)穩(wěn)定性與均勻性的提升方法 1 2 全網(wǎng)孔通風板結(jié)構設計 均流板能夠改善流體分布 提高流場均勻性 是均 勻流體組織的一種重要方法 在水污染處理 13 15 節(jié)流 空化 16 17 工業(yè)運輸管道 18 等方面應用廣泛 本研究以 福建省漳州市云霄縣老區(qū)果場科技示范基地植物工廠為 原型 基于均流板原理設計一種全網(wǎng)孔通風板 改善植 物工廠通風 如圖1所示 全網(wǎng)孔通風孔板材質(zhì)為304不銹鋼 依據(jù)協(xié)調(diào)美觀 易于施工 鋼板鉆開孔直徑為0 0135 0 0360 m 0 020 m較為常規(guī) 的原則 設計長1 800 m 高0 500 m 厚度為2 mm 小孔直徑為0 020 m 孔間距 為0 035 m 首尾排小孔圓心距邊界均為0 025 m 計算 得出孔隙率為0 249 2 a 俯視圖 a Top view b 細節(jié)尺寸 b Details and dimenstions c 正視圖 c Front view 單位 Unit mm 1 800 500 25 25 35 35 20 圖1 全網(wǎng)孔通風板 Fig 1 Full mesh ventilation panel 1 3 通風墻型植物工廠設計 圖2為通風墻型植物工廠設計圖及測點位置 全網(wǎng) 孔通風墻型植物工廠包括外室體 空氣腔和內(nèi)室體 外 室體規(guī)格與測量植物工廠的保持一致 長 寬 高為4 6 m 3 0 m 3 0 m 四周墻壁及屋頂采用聚丙乙烯夾芯板填充 內(nèi)室體規(guī)格長 寬 高為4 312 m 2 712 m 3 596 m 室內(nèi) 栽培架布置為南北向均勻排布4排栽培架 栽培架距東 墻0 1 m 距西墻0 3 m 兩側(cè)栽培架之間留有3條過道 栽培架間距為0 630 m 內(nèi)室體四周由2 mm全網(wǎng)孔通風 墻焊接而成 頂部由304不銹鋼板焊接而成 外室體與 內(nèi)室體間為空氣腔 內(nèi)實體頂部距外室體頂部距離為 0 4 m 裝有雙面出風送風機 出風口處布置有散流罩 加濕方向 Humidification direction加濕管道 Humidification line 空氣腔 Air chamber 散流罩 Diffusing shroud P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23 P24 304不銹鋼板 304 Stainless steel plate 2 mm全網(wǎng)孔通 墻Full mesh ventilation wall 2 mm FC 140 20 20 50 630 580 700 700 3 020 700 4 640 400 2 注 FC為雙面出風送風機 P1 P24為測點 Note FC is a double sided air supply fan P1 P24 are the measuring points 圖2 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠 Fig 2 Full mesh ventilation wall type plant factory 所設計的通風墻型植物工廠的氣流循環(huán)方式為側(cè)進 上出式 氣流經(jīng)頂部的多面出風送風機流出 在上層空 氣腔內(nèi)由中心向四周流動 后進入內(nèi) 外室體間的空氣 腔 穿過2 mm全網(wǎng)孔通風墻進入栽培區(qū)域 后在內(nèi)室 體頂部回風機工作所形成的內(nèi)室體負壓作用下 由下向 上流動 經(jīng)出風口流出 2 植物工廠CFD模擬與驗證 為驗證全網(wǎng)孔通風墻對植物工廠內(nèi)部環(huán)境因子分布 均勻性的提升作用 將無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠作為 214 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2023 年 對照組 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠作為試驗組 在相同 條件下進行模擬 關注各環(huán)境因子變化情況 2 1 三維建模與網(wǎng)格劃分 根據(jù)圖1 圖2所示的植物工廠結(jié)構尺寸數(shù)據(jù) 以 地面為基準面 以工廠地面中心點為原點 以正北方向 為 X 軸正向 正東方向為 Z 軸正向 垂直向上為Y 軸正 向 利用Solid Works 2017對有全網(wǎng)孔通風墻和無全網(wǎng) 孔通風墻植物工廠分別進行三維建模 無全網(wǎng)孔通風墻 植物工廠建模時 在頂部中心處留有1 34 m 2 08 m 按 照四排式栽培架通用送風機尺寸設計 矩形出風口 東 西墻各設置5個0 35 m 0 75 m 矩形進風口 全網(wǎng)孔通風 墻植物工廠在建模時 將多面出風送風機視為長方體 在 外室體頂面距兩側(cè)分別為1 28 0 85 m處留有1 34 m 2 08 m 0 40 m的長方體進風口 出風口位于內(nèi)室體頂 部中央 尺寸為1 34 m 2 08 m 外墻體與空氣腔合并建 模 內(nèi)部其他空間和全網(wǎng)孔通風墻均單獨成塊建模 并 用組合功能將外墻體和空氣腔 內(nèi)部空間 全網(wǎng)孔通風 墻3塊組合為一體 具體如圖 3 所示 a 無全網(wǎng)孔通風墻 a No full mesh ventilation wall b 全網(wǎng)孔通風墻 b Full mesh ventilation wall 圖3 三維建模及網(wǎng)格劃分 Fig 3 3D modeling and meshing 通過ICEM CFD 17 0進行網(wǎng)格劃分 處理為六面體 結(jié)構化網(wǎng)格 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠在進出風口 LED燈盤 栽培架附近的溫梯度變化較快 對其網(wǎng)格進 行加密處理 經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗 最終確認網(wǎng)格數(shù)量為 1 012 365 網(wǎng)格質(zhì)量為0 999 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠 劃分時將2 mm全網(wǎng)孔通風墻創(chuàng)建為Fluid類型 用于設 置多孔介質(zhì)模型 在進出風口 LED燈盤 栽培架附近 的溫梯度變化較快 通風墻附近存在較大壓降 故對其 網(wǎng)格進行加密處理 經(jīng)網(wǎng)格獨立性檢驗 最終確認網(wǎng)格 數(shù)量為1 245 456 最差網(wǎng)格質(zhì)量為0 997 2 2 多孔介質(zhì)模型 在設計的全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠中 通風板上圓 孔間距0 035 m 僅1 80 m 0 50 m的通風板上分布著 714個小圓孔 若將所有圓孔全部進行保留 將會造成 巨大的網(wǎng)格量 故需要進行簡化處理 多孔介質(zhì)是一種由多相物質(zhì)共存的組合體 由固體 骨架和孔隙組成 19 21 骨架部分指固體部分 非骨架部 分由液體 氣體或氣液共同填充 當氣流體流經(jīng)多孔介 質(zhì)物時 經(jīng)孔隙穿過 骨架會對氣流有一定阻礙作用 氣流經(jīng)過后速度減慢 22 多孔介質(zhì)模型將多孔區(qū)域簡化為增加了阻力源項的 流體區(qū)域 常用于流過填充床 濾紙 多孔板 布流器 管排等流動的模擬 23 26 對于圓孔通風墻 TAO等 27 用 原始模型 多孔介質(zhì)模型和多孔階躍模型對地鐵客室圓 孔通風板模型進行模擬 結(jié)果表明多孔介質(zhì)模型能夠很 好的替代通風板的原始模型 其模擬最大誤差僅為 4 71 多孔介質(zhì)兩側(cè)存在一定壓差 壓差變化與速度等存 在以下關系 20 21 28 p 12C2 null n v2 nullnull n v 1 式中 p為通風板壓力損失 Pa 為空氣密度 取值 1 225 kg m C2為慣性阻力系數(shù) m 1 n為通風板厚 度 本文為4 mm v為空氣速度 m s 為空氣動力黏 度 取值1 8 10 5 Pa s 為面滲透率 m2 本設計中 孔板厚度為2 mm 孔隙率為0 249 TAO等 27 在中南大學試驗平臺所進行試驗通風板 模 擬地鐵客室 厚度為2 mm 孔隙率為0 257 兩者通風 板厚度相同 孔隙率接近 故采用其所取得通風板壓力 損失擬合進行求解 p 183null5v2 0null03622v 2 通過求解可得1 1 005 556 m 2 C2 149 795 m 1 2 3 邊界條件設置與收斂設置 采用Fluent17 0軟件對全網(wǎng)孔通風墻模型的邊界條 件設置 將通風墻部分設置為單元區(qū)條件 cell zone conditions 下 的 流 體 fluid 開 啟 多 孔 性 區(qū) 域 porous zone 設置慣性阻力系數(shù)為149 795 m 1 設 置滲透率為1 005 556 m 2 27 設置孔隙率為0 249 1 2 節(jié)計算得出 在邊界條件 boundary conditions 中 設置通風墻類型為 多孔躍遷 porous jump 輸入 通風墻厚度2 mm 其余邊界條件參數(shù)設置相同 具體如 表1所示 表 1 邊界條件參數(shù) Table 1 Boundary condition parameters 邊界類型 參數(shù) 數(shù)值 Boundary type Parameters Value 進風口 Air inlet 溫度 20 相對濕 度 RH 65 進風速度 m s 1 3 0 出風口 Air outlet 溫度 25 出口壓力 Pa 200 質(zhì)量流率 kg s 1 0 002 01 植物板 Plant panel 溫度 23 相對濕 度 RH 55 二氧化碳濃度 mol mol 1 1 100 LED燈盤 LED panel 熱通量 W m 2 128 21 采用SIMPLEC算法進行求解 并采用單元最小二 乘法 least squares cell based 法對控制方程進行離散 軟件中 其余選項 均選為二階迎風格式以保證計算精 度 設置植物工廠中心點的壓力 速度 溫度 相對濕 度 二氧化碳濃度等作為觀測指標 在殘差項設置上 除能量項設置為10 6外 29 其余均設置為10 3 當殘差 均小于設定值或進出口流量差小于1 且觀測指標趨于 平穩(wěn)時視為計算結(jié)果收斂 第 13 期 王晉偉等 基于均流板原理的通風墻型植物工廠循環(huán)送風系統(tǒng)設計與模擬 215 2 4 空氣齡自定義函數(shù) user defined functions UDF 空氣齡 mean age of air MAA 是衡量空氣新鮮程 度的重要指標 指舊空氣被新空氣替代的速度 30 空氣 齡控制方程張量表達式 31 如下 null nullxi nullui A null nullxi nullA nullnullx i null 3 nullA nullS c nulltS ct 4 Sc vD nullsnullD 5 Sc t 式中ui為速度矢量 m s A為某點空氣齡 s A為空 氣齡擴散系數(shù) m2 s 為空氣分子動力粘性系數(shù) Pa s Sc為施密特系數(shù) t為空氣湍流粘性系數(shù) 為湍流施 密特系數(shù) 參考ANSYS Fluent幫助手冊 取值為0 7 v為運動黏性系數(shù) m2 s D為擴散系數(shù) s為動量黏性 系數(shù) m2 s 在本試驗中引入空氣齡 平面內(nèi)各空氣齡差值越小 視為氣流越穩(wěn)定 分布越均勻 空氣齡計算在模擬計算 完成后單獨進行 殘差值小于10 6視為計算收斂 2 5 CFD輸出參數(shù)設置 為更好的觀測植物工廠內(nèi)部空間上各指標的分布情 況 在X方向上選取X 1 850 m X 0 625 m X 0 625 m X 1 850 m 4個平面 在Y方向上選取Y 0 42 m Y 1 12 m Y 1 82 m共3個平面 在Z方向上 選 取在Z 0 667 m Z 0 633 m共2個 平 面 運 用 Tecplot 2019做切片圖 導出面上數(shù)據(jù)及分布云圖 用 CFD Post做速度矢量圖 流線圖 2 6 模擬驗證 為檢驗CFD及上述參數(shù)設計是否可以用于植物工廠 內(nèi)部環(huán)境因子模擬 本研究以2 3節(jié)的參數(shù)設計為基準 對無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)的溫度 氣流速度的模 擬值 實測值及相對誤差情況分別進行分析 以測點位 置對稱分布為原則 在單個栽培架每一層栽培區(qū)域東西 方向上布置2個測點 單個栽培架垂直方向上各層間測 點布置一致 3層距地面分別為0 42 1 12 1 82 m 共2 3 4 24個測點 見圖2測點位置 研究采用多功能便攜式溫濕度儀 KIMO AMI 310 測量植物工廠內(nèi)溫度 相對濕度 氣流速度和二氧化碳 該儀器各指標測量精度分別為 溫度 0 2 相對濕 度 1 8 RH 氣流速度 0 03 m s CO2 50 10 6 各指 標分辨率分別為 溫度0 1 相對濕度0 1 RH 氣 流速度0 01 m s 數(shù)據(jù)通過美國產(chǎn)坎貝爾 CR3000 數(shù)據(jù)采 集儀 每隔30 s記錄一組數(shù)據(jù) 測量30 min 測量60 組數(shù)據(jù) 求取平均值標準差 3 結(jié)果與分析 3 1 CFD模擬結(jié)果驗證 3 1 1 溫度 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)24個測點的溫度模擬 值 實測值及相對誤差值如圖4所示 24個測點中僅有 4個測點相對誤差超過3 最高和最低相對誤差分別為 3 54 0 19 各測點溫度模擬值與實測值平均相對誤 差為1 69 溫度模擬總體較為準確 21 60 4 00 3 50 3 00 2 50 2 00 1 50 1 00 0 50 0 21 40 21 20 21 00 20 80 20 60 20 40 20 20 20 00 19 80 19 60 溫度 Temperature 相對誤差 Relative error 實測值 Measured value 模擬值 Simulated value 相對誤差 Relative error P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24 測點 Measuring point 圖4 植物工廠內(nèi)各測點溫度模擬值 實測值及相對誤差 Fig 4 Simulated value measured value and relative error of temperature at each measuring point in plant factory 3 1 2 氣流速度值比較 圖5展示了無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠內(nèi)24個測點 的氣流速度模擬值 實測值及相對誤差情況 24個測點 氣流速度模擬值與實測值平均相對誤差為3 54 相對 誤差值為0 78 6 48 其中2個測點相對誤差超過 5 氣流速度模擬值與實測值的大小及變化趨勢較為一 致 各測點中 P15相對誤差最大 達6 48 氣流速 度較低點相對誤差較大 可能與氣流速度較低的條件下 儀器測量精度相對較低有關 總體而言 氣流速度模擬 較為準確 0 70 0 60 0 50 0 40 0 30 0 20 0 10 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 速度 Velocity m s 1 相對誤差 Relative error 實測值 Measured value 模擬值 Simulated value 相對誤差 Relative error P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24 測點 Measuring point 圖5 植物工廠內(nèi)各測點氣流速度模擬值 實測值及相對誤差 Fig 5 Simulated value measured value and relative error of air velocity at each measuring point in plant factory 3 2 溫度場分析 表2為有通風墻和無通風墻植物工廠溫度場分布情 況 通過表2可知 無全網(wǎng)孔通風墻條件下 平均溫度 為21 8 高出全網(wǎng)孔通風墻型0 6 溫度分布變異 系數(shù)4 65 高于全網(wǎng)孔通風墻型 2 27 全網(wǎng)孔通 風墻型植物工廠溫度分布更加均勻 圖6為模擬所得溫度分布情況 無全網(wǎng)孔通風墻型 植物工廠不同層高間 溫度分布存在差異 下層平均溫 度明顯高于上中2層 全網(wǎng)孔通風墻型4個栽培架間溫 度差異不明顯 兩側(cè)栽培架作物種植區(qū)域溫度分布均勻 中間2個栽培架上 中2層呈現(xiàn)單峰分布 中間高 四 周低 底層呈現(xiàn)多峰分布 216 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2023 年 表 2 植物工廠各層平面溫度 Table 2 Plant factory surface temperature of each layer 循環(huán)方式 層架 溫度 變異系數(shù) Types of ventilation Layer Temperature Coefficient of variation 無全網(wǎng)孔通風墻 No full mesh ventilationt 上層 21 7 0 80 3 69 中層 21 8 0 98 4 50 下層 22 0 1 27 5 77 全網(wǎng)孔通風墻 Full mesh ventilation 上層 21 1 0 47 2 22 中層 21 3 0 48 2 25 下層 21 4 0 50 2 34 Y 高 Height m 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Wide m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風墻 b Full mesh ventilation wall 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m a 無全網(wǎng)孔通風墻 a No full mesh ventilation wall 33 031 029 027 025 023 021 019 0 溫度 Temperature 圖6 植物工廠溫度場分布云圖 Fig 6 Temperature field distribution cloud picture of plant factory 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠出風口設置于頂部中心 位置 進風口設置于工廠長邊兩側(cè)的墻上 氣流經(jīng)兩側(cè) 進入后 無阻力阻擋 在頂部負壓風機的作用下 氣流 迅速向上運動流出 難以向四周及下層流動 氣流對流 換熱減少 導致下層平均溫度較高 空間上溫度分布不 均勻 全網(wǎng)孔通風墻型改進了氣流運動軌跡 氣流經(jīng)出 風口吹出 在重力作用下在空氣腔內(nèi)加速運動后 經(jīng) 2 mm通風墻由四周吹向內(nèi)室體中心 氣流流經(jīng)作物種植 區(qū)域 對流換熱作用增強 降溫效果好 因此整體溫度 較低 且整體分布更為均勻 3 3 氣流速度場分析 圖7展示植物工廠不同平面的氣流流速分布 其中 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠出風口附近存在明顯的氣流 速度梯度變化 氣流速度最大達4 0 m s 底層及靠近栽 培板面處存在空氣滯留區(qū) 幾乎所有栽培區(qū)均存在較明 顯的氣流速度差異 氣流速度分布不均勻 圖7a 全 網(wǎng)孔通風墻型4個層架間氣流速度差異不明顯 兩側(cè)栽 培架作物種植區(qū)域 最上層不種植作物 氣流速度均勻 分布于0 3 1 0 m s之間 中間2個栽培架上 中 下 3層均存在少量區(qū)域氣流速度小于0 3 m s 圖7b 無 全網(wǎng)孔通風墻型在進風口附近存在大量氣流過速區(qū) 最 大速度可達3 47 m s 圖7c 而全網(wǎng)孔通風墻型3層 種植區(qū)域內(nèi)大部分處于適宜風速區(qū) 少量區(qū)域存在空氣 滯留 在頂層栽培架上 在過道處存少量區(qū)域氣流速度 超過1 0 m s 圖7d 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠氣流速 度變異系數(shù)為63 21 整體而言 全網(wǎng)孔通風墻型氣流 速度分布較側(cè)進上出式均勻 表3展示植物工廠不同平面的適宜風速占比情況 0 3 1 0 m s為適宜風速 由表3可知 全網(wǎng)孔通風 墻型植物工廠相較于無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的適宜 風速占比整體提升了20 05 風速過速區(qū)比例降低 19 32 兩側(cè)栽培架適宜風速區(qū)占比提升30 59 中 間兩排栽培架適宜風速區(qū)占比提升9 5 兩側(cè)風速停滯 區(qū)降低13 87 中間兩排栽培風速停滯區(qū)提升12 41 全網(wǎng)孔通風墻型明顯提升了適宜風速區(qū)占比 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 3 733 202 672 131 601 000 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風墻X平面 b X plane of Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風墻X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall 風速 Velocity m s 1 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 2 2 0 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 2 2 0 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m d 全網(wǎng)孔通風墻Z平面 d Z plane of Full mesh ventilation wall c 無全網(wǎng)孔通風墻Z平面 c Z plane of no full mesh ventilation wall 圖7 植物工廠氣流場分布云圖 Fig 7 Air flow field distribution cloud picture of plant factory 表 3 植物工廠長度方向適宜風速占比 Table 3 Proportion of wind speed suitable in length for plant factories 循環(huán)方式 Types of ventilation 速度 Velocity m s 1 1 850 m 0 625 m0 625 m1 850 m 平均Average 無全網(wǎng)孔通風墻型 No full mesh ventilation 1 0 19 00 31 97 31 15 20 35 25 62 全網(wǎng)孔通風墻型 Full mesh ventilation 1 0 2 32 9 74 9 55 3 59 6 30 3 4 CO2濃度場分析 圖8為植物工廠的CO2濃度場分布 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 1 1501 000800800700600500400 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 2 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風墻 b Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風墻 a No full mesh ventilation wall CO2 濃度 CO2 concentration mol mol 1 圖8 植物工廠CO2濃度場分布云圖 Fig 8 Cloud image of CO2 concentration field distribution in plant factory 由圖可知 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠CO2氣體自 栽培板處向上隨氣流方向彌漫擴散 濃度梯度變化程度 大 接進栽培板處濃度最高 隨高度上升濃度逐漸降低 第 13 期 王晉偉等 基于均流板原理的通風墻型植物工廠循環(huán)送風系統(tǒng)設計與模擬 217 在中間過道底層存在明顯的CO2聚集 濃度較高 全網(wǎng) 孔通風墻型植物工廠東西兩側(cè)栽培架CO2濃度場分布相 對均勻 相比于栽培架中部 最上層CO2濃度場分布更 為均勻 4個栽培架中 中間2個栽培架存在較大濃度 梯度變化 由栽培板向上遞減 通過計算可得全網(wǎng)孔通 風墻型植物工廠CO2濃度變異系數(shù)為107 31 CO2濃度分布與氣流流動軌跡有關 無全網(wǎng)孔通風 墻型植物工廠內(nèi)氣流軌跡單一 運動路程較短 氣流流 動較少處濃度變化較大 全網(wǎng)孔通風墻的氣流流動軌跡 改變了CO2濃度分布 氣流經(jīng)四周通風墻流入經(jīng)頂部出 風口流出 氣流流動過程帶 CO2氣體 而全網(wǎng)孔通風 墻的設計延伸了氣流的運動軌跡 有效提高植物工廠內(nèi) CO2濃度場均勻性 3 5 相對濕度場分析 圖9展示植物工廠不同平面相對濕度場分布 由圖 可知 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的相對濕度整體低于 全網(wǎng)孔通風墻型 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠相對濕度 的整體分布于47 67 在層架間分布與溫度分布類 似 各個栽培區(qū)域內(nèi)濕度跨度梯度較大 底層平均相對 濕度最低 為54 86 整體分布不均勻 全網(wǎng)孔通風墻 型植物工廠兩側(cè)栽培架相對濕度均勻分布于61 67 靠近栽培板面相對濕度較低 中間兩排栽培架相對濕度 分布存在一定差異 均勻性較兩側(cè)栽培架低 全網(wǎng)孔通 風墻型植物工廠相對濕度變異系數(shù)為5 87 全網(wǎng)孔通 風墻型兩側(cè)栽培架相對濕度分布均勻性相較于無全網(wǎng)孔 通風墻型均有提升 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 11 1 0 0Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 70 0064 2958 5752 8647 1441 4335 7130 00 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 11 1 0 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風墻 b Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風墻 a No full mesh ventilation wall RH 注 葉菜類適宜濕度范圍為55 70 Note The suitable humidity range of leafy vegetables is 55 70 圖9 植物工廠相對濕度場分布云圖 Fig 9 Cloud image of relative humidity RH field distribution in plant factory 3 6 不同類型植物工廠空氣齡分析 圖10展示植物工廠不同平面空氣齡分布 由圖可知 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠整體平均空氣齡為54 67 s 單個層架內(nèi)靠近東西墻兩側(cè)的空氣齡速度略微慢 中間 部分空氣齡相當 全網(wǎng)孔通風墻型整體平均空氣齡為 6 11 s 同排栽培架層間有明顯的差異 底層運動軌跡最 長 空氣齡最大 換氣所需時間最長為7 5 s 依次向上 降低 整體而言 全網(wǎng)孔通風墻型空氣齡僅為無全網(wǎng)孔 通風墻型的1 9 全網(wǎng)孔通風墻有效提升空氣更新效率 空氣齡與氣流流動有關 氣流流動激烈 流通性高 則空氣更新效率高 空氣齡小 圖11展示了植物工廠的 氣流流線圖 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m 3 0 56 055 254 453 652 852 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 寬 Width m X 長 Length m Y 高 Height m b 全網(wǎng)孔通風墻 b Full mesh ventilation wall a 無全網(wǎng)孔通風墻X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall MAA s 7 06 05 04 03 02 0 MAA s 圖10 植物工廠空氣齡分布云圖 Fig 10 Mean age of air MAA distribution cloud map of plant factories a 無全網(wǎng)孔通風墻X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall b 無全網(wǎng)孔通風墻Z平面 b Z plane of no full mesh ventilation wall c 全網(wǎng)孔通風墻X平面 c X plane of Full mesh ventilation wall d 全網(wǎng)孔通風墻Z平面 d Z plane of Full mesh ventilation wall 0 1 000 0 500 1 500 2 000 m 0 1 000 0 500 1 500 2 000 m 0 1 000 0 500 1 500 2 000 m0 1 000 0 500 1 500 2 000 m 4 003 733 473 202 932 672 402 131 871 601 331 000 300 流線速度 Streamline velocity m s 1 圖11 植物工廠氣流流線圖 Fig 11 Plant factory air flow diagram 從圖11a 11b可知 無全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠氣 流自進風口進入后分2種情況 上 中兩排出風口流出 氣流在風機負壓作用下快速經(jīng)出風口流出 下排出風口 流出氣流在底層栽培架內(nèi)自由流動形成渦流 難以從出 風口排出 導致氣流流通性較差 空氣更新效率較低 空氣齡較大 全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠的氣流流動軌跡 通透 圖11c 11d 兩側(cè)兩排栽培架作物栽培區(qū)域內(nèi) 來自四個方向的氣流不斷單向流入 促使栽培區(qū)域內(nèi)的 氣流不斷向過道流動 過道處垂直方向上無栽培板阻力 氣流在風機負壓作用下可以順利流出 因此整體流通性 有明顯提高 中間2排栽培架底層氣流流經(jīng)較少 可能 是由于運動軌跡過長或者經(jīng)通風墻流入作物栽培區(qū)域時 初速度較小 氣流流動過程中動量減少 在經(jīng)過過道時 垂直方向分力大于水平方向分力 氣流垂直向上流動 218 農(nóng)業(yè)工程學報 http www tcsae org 2023 年 無法穿越底層栽培區(qū)域經(jīng)中間過道流向出風口 3 7 全網(wǎng)孔通風墻流線速度變化分析 為更好描述全網(wǎng)孔通風墻型植物工廠作物栽培區(qū)域 速度隨X軸方向的變化 在空間內(nèi)取L1 L6流線 圖12a 用Tecplot 2019導出流線上速度數(shù)據(jù) 用 Origin做流線變化圖 如圖12b所示 整體而言 速度 自邊緣向中心方向上 速度先增大后減小 在第一過道 處有小幅提升 而后再迅速下降 隨著高度升高 速度 降