植物工廠導氣栽培槽通風對冠層環境影響模擬

方 慧，張 義，伍 綱，李 琨，張一晗，仝宇欣

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2. 農業農村部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

0 引言

植物工廠是以環境和作物生長的監測為基礎，通過對環境和作物生長的精準控制與監測，實現蔬菜等作物周年生產的園藝設施[1-2]。近年來，植物工廠規模逐漸增大，生產型植物工廠逐漸增多。據統計，目前中國人工光植物工廠數量已經超過150 家，其中單位面積超過10 000 m2的有兩家，甚至還出現了栽培層超過20 層的垂直立體植物工廠[1]。植物工廠中影響作物生長的因素包括光照、空氣溫度、濕度和CO2濃度等[3-4]，其中空氣溫度、濕度和CO2濃度分布主要受氣流場的影響。適宜的送風模式會增加作物內部氣流的擾動，帶走植物工廠內多余的熱量和濕氣，優化CO2的分布，進而獲得均勻的作物生長環境，提高作物的品質和產量[5]。

在植物工廠生產中為充分利用室內空間，均采用多層立體栽培模式，層間距依據作物的高度一般設置為30～40 cm，每層栽培架上部安裝人工補光燈。在作物生長后期，作物冠層與燈管空間距離較小，加之栽培架、栽培槽等設施的阻擋，使得氣流在作物冠層四周形成繞流[6-7]，冠層內部出現氣流停滯區域，作物附近的熱量和濕氣不能被及時帶走，導致作物發生病變，降低作物產量，影響商品價值[8-11]。有文獻報道生菜、油麥菜等葉菜類蔬菜的生長最適溫度為20～25 ℃，適宜的氣流速度為0.01～1.30 m/s[12-14]。ZHANG 等[15]研究表明，植物工廠內作物最適宜的氣流速度為0.3～1.0 m/s，氣流速度過小會使得作物周邊環境的溫度、濕度過高，葉片氣孔關閉，影響作物的蒸騰速率，進而導致植物運輸鈣離子的能力降低，植物葉片缺鈣，出現葉燒現象，因此，設計了帶有三排空氣噴嘴的管道以增加作物冠層內的氣流擾動。其中，管道布置于燈架上，噴嘴與栽培板的距離為33 cm，空氣通過噴嘴將氣流垂直流向作物冠層上表面，在植物工廠中每層栽培架安裝兩組通風管道，可滿足作物冠層上表面64%的區域氣流速度分布在0.3～1.0 m/s范圍內，該通風模式空氣噴嘴與植物冠層間距較大，氣流不能直達植物冠層內部，勢必會損失一部分能源。為減小氣流從出口到植物冠層間的氣流動能損失，劉煥等[16]設計了一種垂直管道通風系統，氣流由通風管道底部進風口直接進入通風管道，由通風管壁側部12 個通風孔流出至作物冠層，該通風裝置能保證冠層上表面72%的區域氣流速度在0.3～1.0 m/s 范圍內。為進一步增加作物冠層內部的氣流擾動，FANG 等[17-18]設計了2 種通風模式，分別為栽培層管道側通風模式和栽培層管道內通風模式，2 種通風模式可有效增加作物冠層內部的氣流擾動，在整個植物冠層空間有36%～77%的體積區域氣流速度分布在0.3～1.0 m/s 范圍內。王晉偉等[19]設計了一款全網孔通風墻型植物工廠，能有效提升植物工廠內環境因子分布均勻性。

以上通風方案均需要在植物工廠中加裝管路或設備，勢必會增加安裝工序，增添工程的復雜性，不利于推廣應用。本研究將通風管路嵌入到栽培床內，設計了一體化的導氣栽培槽裝置（cultivation bed integrated with drafttube，CBT），僅需將該裝置與風機連接，即可將氣流導入到作物冠層。為探明導氣栽培槽適宜的入口氣流速度，利用流體力學軟件（computational fluid dynamics，CFD）模擬不同進氣速度對氣流走向及作物冠層內部氣流分布的影響，分析最優的進氣速度，并在植物工廠內進行測試，以闡明本通風模式相較于傳統通風方式（traditional ventilation control，TVC）的差異，為植物工廠供氣栽培槽裝置推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 裝置設計

參考常規栽培架的尺寸，CBT 的長度設計為1.2 m，如圖1 所示。李蔚等[20]研究表明成熟期生菜合理栽培密度為20～45 株/m2，葉菜栽培板的孔間距為150～250 mm。因此，本試驗栽培板上均勻設置6 個栽培孔，孔間距為180 mm。以栽培孔的位置為基準，在栽培槽兩側通氣管路上交錯設置通氣孔，共13 個通氣孔。根據COLIN 等[21]研究表明多孔通氣管的孔徑比（氣孔總面積/管橫截面積）在1.0～1.5 范圍內，每個出氣孔的氣流分配更為均勻。該研究中總氣流入口管道為標準的?20 mm的PVC 管，管內徑為16 mm，氣流出流孔數為13 個，因此，孔徑設置為5 mm，孔徑比為1.3，滿足氣流分配均勻性的設計的要求。根據前期研究[18]，氣流方向與水平面夾角為60°時適宜于生菜的栽培，因此，本試驗中出氣孔處截面與水平面夾角設計為30°，如圖1 所示。在植物工廠實際生產中，可將環境空氣經風機導入到CBT 的通氣管入口處，經通氣孔自下而上排除，調節植物微環境。

圖1 栽培裝置示意圖Fig.1 Schematic description of cultivation interior

1.2 計算模型

1.2.1 模型構建與網格劃分

利用CFD 軟件中的Gometry 模塊構建CBT 模型，在模型中將栽培板范圍內往上100 mm 高度的立體空間考慮為作物冠層區域。氣流經通氣管進入栽培槽的空腔流道中，再通過通氣孔進入到作物冠層區域。在模型模擬中主要關注氣流流向及氣流在作物冠層空間的分布，因此，為減少計算量，僅對流體區域和作物冠層區域進行模擬計算。將構建的模型輸入到Meshing 模塊中，利用Proximity and Curvature 方法對幾何體進行網格劃分，為提升網格質量，增加計算準確度，在通氣管道的近壁面進行網格局部加密（圖2），共生成251 357 個網格，549 733 個節點。利用skewness 方法檢驗網格質量，計算出網格最大偏斜度為0.69，最小偏斜度為2.9×10-4，平均值為0.20，均小于0.8[22]，網格質量可用于案例模擬分析。

圖2 模擬區域網格Fig.2 Grid of the simulated domain

1.2.2 模擬方程

氣流在植物冠層的分布主要受供氣栽培槽結構和進氣速度的影響，在該模型中啟用動量方程，選則k-?湍流模型?？刂品匠贪ㄟB續性方程、動量方程、k（湍動能方程）和ε（耗散率）方程，這些方程可由如下通用方程來表示[23]：

式中 ?為通用變量；ρ 為密度，kg/m3；為速度矢量，m/s；Γφ為廣義擴散系數；Sφ為源項。φ=1時，該方程為連續性方程（質量守恒方程）；φ==[uvw]時，該方程為動量守恒方程。其中u、v、w是在3 個方向的速度標量，m/s。

1.2.3 邊界條件與材料屬性

在邊界條件設置中將氣流入口處設置為速度入口，將植物冠層的上部5 個面設置為壓力出口，管道內部空間設置為氣流區域。參考前期植物工廠管道通風研究中，進氣最優速度范圍[17]，該試驗設置6 個氣流速度梯度，分別為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 m/s，通過模擬分析獲得最優的進氣速度。

1.2.4 計算方法

在運算過程中采用壓力-速度耦合的SIMPLE 算法[24]對式（1）進行求解；空間離散設置中，梯度項選用最小二乘法；動量和黏性項選用一階迎風格式，為使其更快收斂，將能動量項和黏性項松弛因子設置為10-3數量級。

1.2.5 模擬驗證

為驗證模型的精度，以入口速度5.0 m/s 為例分別測試和模擬了該氣流速度下CBT 裝置管道內部和作物冠層區域的氣流速度，并選取作物冠層幾何中心截面（A 截面和B 截面）上的測點的模擬值與實測值進行對比，A、B 截面測點的布置如圖3 所示，共計77 個測點。利用Matlab 繪制實測的A、B 截面的氣流速度輪廓圖，并與模擬的氣流速度云圖進行比較，分析氣流分布差異，計算A 截面的測試值與模擬值之間的均方根誤差[25]。

圖3 作物冠層幾何中心上的截面以及分布在截面上的測點Fig.3 The cross section in the middle of the crop interior and measurement points

1.3 植物栽培試驗

為探明CBT 對植株微環境參數的影響，在上述試驗結果的基礎上選取使作物冠層獲得最高適宜區域體積占比的進氣速度，并與傳統氣流控制方式進行對照試驗。試驗在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所的人工光植物工廠內進行，植物工廠為側進上出式通風模式。設置對照和試驗兩組栽培架，對照栽培架為側進上出式通風模式供風。試驗植物工廠為在原有單層栽培架上放置4 組CBT，試驗栽培架單層規格為0.7 m×1.5 m，靠近側墻通風口西側和南北方向的兩側用塑料膜密封，4 組CBT 共28 個定植孔，CBT 之間通過?20 mm 的PVC 管道串聯連接，PVC 管道的一端安裝風機（CJXF-50MM，河南超級旋風電子科技公司），風機靠近側墻通風口，以保證從側墻出來的氣流直接通過風機輸送到植物冠層。測試期間定植生菜（Locarno RZ，荷蘭瑞克斯旺）。2 種氣流供給條件下植物生長環境參數設定一致，光期為16 h（06:00-22:00），光期的CO2濃度為(600±50)×10-6，溫度為(21±0.5) ℃，相對濕度為65%±10%；暗期為8 h（22:00—06:00），暗期的CO2濃度為（600±50）×10-6，溫度為(20±0.5) ℃，相對濕度為65%±10%。補光燈光強設置為200 μmol/(m2s)，紅藍比（R/B）為8:1。在定植28 d 后進行為期4 d 的微環境數據監測，檢測用儀器為THR-3 001 型溫濕度記錄儀，儀器的傳感器探頭布置如圖4 所示。

圖4 導氣栽培槽（CBT）系統及測點布置Fig.4 Cultivation bed integrated with draft-tube (CBT) system and measurment point arrangement

2 結果與分析

2.1 裝置氣流模擬

2.1.1 模型驗證

模型驗證試驗中風機轉速由調壓器調節，控制管道的入口速度為5.0 m/s。利用激光準繩儀（MX2-L360，廣州基座光學科技公司）定位空間測點位置，儀器測量范圍為0～240 mm，測量基準面的精度為±25 μm。通過紅外熱線風速儀（Climomaster6501-BG，日本加野麥克斯公司）測量各點風速值，風速儀測量范圍為0.01～5.0 m/s，測量精度為標準值的±2%。管道中的氣流通過管孔噴射進作物冠層區域時，氣流速度波動較大。圖5對比了A 截面和B 截面實測氣流速度梯度輪廓圖和模擬氣流速度分布云圖。從圖5 可以看出模擬值與實測值的分布趨勢一致，均表現沿小孔出口氣流速的方向，氣流速度較大，兩孔之間的區域出現氣流停滯區，氣流速度接近0。通過計算A 截面的測試值與模擬值之間的均方根誤差為0.22 m/s，說明構建的模型能準確模擬氣流速度變化趨勢[15]。

圖5 模擬與實測 A 截面和 B 截面的氣流速度云圖Fig.5 Simulated and measured air velocity courters on cross section A and B

2.1.2 進氣速度對氣流走向的影響

在作物栽培空間，氣流走向主要由風壓驅動引起。圖6 為通過栽培槽一側的第一個出氣孔橫截面氣流速度矢量圖。從圖6 可以看出，氣流通過栽培管道小孔進入作物冠層區域，然后穿過冠層區域后從作物邊界層流出，形成規則的氣流束輪廓，隨著入口氣流速度的增加，作物冠層高速氣流區域越大。

圖6 不同進氣速度下在截面 A 的上的氣流矢量圖Fig.6 Velocity vectors at cross section A with different inlet air velocity

2.1.3 進氣速度對冠層內部氣流分布影響

圖7 為不同進氣速度下作物冠層所占空間內氣流分布云圖。從圖7 可以看出，不同進氣速度下植物冠層內部氣流輪廓趨勢一致。氣流從小孔出流處速度較大，進入冠層空間后延氣流束方向逐漸衰減，在氣流束間存在停滯區。通過計算冠層區域體積加權的平均氣流速度得到，當進氣速度為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 和9.0 m/s 時，冠層區域的平均氣流速度分別為0.11、0.13、0.15、0.15、0.19 和 0.22 m/s。

圖7 不同進氣速度下生菜冠層內部氣流速度分布云圖Fig.7 Contours of air velocity distribution in the lettuce canopy interior with different inlet air velocity

氣流速度對植物光合作用和蒸騰速率影響較大。THONGBAI 等[26]將設施內的風速從0.5 m/s 提高到1.0 m/s時，番茄幼苗的光合速率提高了1.6 倍。KITAYA 等[13]將成熟期番茄冠層內部氣流速度從0.1 m/s 增加到0.4 m/s時，葉片的光合速率增加了1.3 倍。在黃瓜栽培試驗中，KITAYA[14]也得到了相同的結論，當黃瓜幼苗冠層的風速從0.005 m/s 增加到0.8 m/s，黃瓜葉片光合速率增加了1.7 倍，蒸騰速率提高了2.1 倍。該研究中為比較不同入口氣流速度下冠層區域氣流分布特征，將冠層氣流速度U分為停滯區（U＜0.1 m/s）、適宜區（0.1 m/s≤U≤1.0 m/s）和高速區（U＞1.0 m/s），利用CFD 軟件計算冠層空間氣流速度分別在停滯區、適宜區和高速區的體積占冠層空間總體積的比例，如表1 所示。入口處氣流速度為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 和9.0 m/s 時，氣流速度適宜區域體積占比分別為45.8%、46.7%、56.3%和44.6%、55.3%、54.3%。隨著入口氣流速度的增加，適宜區域體積所占比例先增加后減少，在入口氣流速度為6.0 m/s 時，適宜區域體積所占比例最高。

表1 冠層內部氣流速度分布Table 1 Simulated air velocity distribution in crop canopy interior

2.2 導氣栽培槽通風對冠層內部環境的影響及分析

根據CFD 模擬結果，導氣栽培槽CBT 的最佳進氣速度為6.0 m/s，因此，在植物微環境測試中，5 組CBT的進氣速度均調整為6.0 m/s。相較于傳統TVC 通風模式，CBT 的氣流直接作用于作物冠層內部，故該通風模式對植物冠層的微環境產生了直接影響。圖8 為2 種通風模式生菜冠層內部溫濕度變化（2023-04-21 00:00-2023-04-23 00:00）。

圖8 不同處理生菜冠層溫濕度變化（2023-04-21 00:00-2023-04-23 00:00）Fig.8 Variations of air temperatures and relative humidity in lettuce canopy of two treatments (2023-04-21 00:00-2023-04-23 00:00)

測試期間植物工廠光、暗期環境的平均溫度分別為21.8 和21.1 ℃，平均相對濕度分別為64.3%和69.6%。由圖8a 可知TVC 模式下，植物冠層內部的光、暗期平均溫度分別為23.7 和21.3 ℃；CBT 通風模式下，植物冠層內部的光、暗期平均溫度分別為22.4 和21.2 ℃，光、暗期最大降幅達為1.3 和0.1 ℃。由此可見，CBT 通風模式下光期的降溫效果明顯。常規通風模式下植物冠層內部的濕度較高，光、暗期平均相對濕度分別達到了77.2%和74.5%；CBT 通風模式下，植物冠層內部的光、暗期濕度較低，分別為65.8%和71.6%。CBT 處理比TVC 處理光、暗期濕度分別降低了11.4 和3.0 個百分點。

根據以上數據可知，CBT 和TVC 通風模式下明期的冠層內部溫度均高于環境溫度，主要是燈板散熱導致，但CBT 的降溫效果更明顯，主要原因為導流槽能有效將低溫氣體輸送到冠層內，加速了氣體的交換。而在TVC模式下，由于冠層葉片的阻擋，氣流交換受阻，輻射熱量不能及時帶走。由于冠層葉片密集，TVC 通風模式下，氣流不能直達冠層內部，植物蒸騰產生的水汽不能及時排出，而高濕環境會降低葉片蒸騰速率，誘發葉片壞死、元素缺乏等癥狀[27-29]。在CBT 通風模式下，植物冠層內的氣流速度加快，促進了冠層內高溫高濕氣體的置換。

3 結論

本研究針對現有植物工廠管道通風模式中通風管路串并聯較多、施工工藝復雜的問題，設計了一種導氣栽培槽（cultivation bed integrated with draft-tube，CBT），將栽培板與通風管路結合為一體，氣流通過導流槽上的小孔進入作物冠層區域。為確定CBT 的通風效果，利用流體計算軟件（computational fluid dynamics，CFD）模擬了不同入口氣流速度下栽培區域的氣流走向和分布，確定了最優的進氣速度，并測試和分析了導氣栽培槽通風模式和傳統環控通風模式下植株地上部和地內部環境參數，為植物工廠通風設計提供參考。研究主要結論如下：

1）利用CFD 構建了CBT 模型，并模擬和實測入口速度為5.0 m/s 時種植區域的氣流速度分布，通過計算得到模擬值與實測值的均方根誤差為0.22 m/s，表明該模型能準確模擬氣流速度。

2）利用驗證的模型模擬不同進氣速度對作物冠層氣流走向及冠層內部氣流分布影響。模擬結果表明：氣流通過栽培管道小孔進入作物冠層區域，形成規則的氣流束輪廓，隨著入口氣流速度的增加，作物冠層高速氣流區域越大；入口氣流速度為6.0 m/s 時，作物冠層空間適宜氣流區域體積所占比例最高，為56.3%，冠層區域的氣流平均速度為0.15 m/s。

3）導氣栽培槽通風模式可有效增加冠層內氣流的擾動，置換冠層內部的高溫高濕氣體。該通風模式的光期降溫明顯，冠層內部光期溫度比TVC 模式降低1.3 ℃。由于CBT 模式氣流交換更充分，植物呼吸蒸騰產生的水汽能及時帶走，CBT 模式冠層內部的光、暗期平均相對濕度比傳統通風模式低11.4 和3.0 個百分點。

綜上，本文設計的導氣栽培槽能夠將氣流輸送到植物冠層內部，直接調節作物生長區域的微環境，避免了由于植物葉片的阻擋導致氣流在冠層形成繞流的現象，提高了植物工廠通風控溫均勻性和效率，同時通風系統與栽培槽一體成型，現場安裝便捷。在未來植物工廠建造中，通風與栽培槽集成式的CBT 裝置將得到廣泛應用。