方 慧，張 義，伍 綱，李 琨，張一晗，仝宇欣

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)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(huán)境和作物生長的監(jiān)測為基礎(chǔ)，通過對環(huán)境和作物生長的精準控制與監(jiān)測，實現(xiàn)蔬菜等作物周年生產(chǎn)的園藝設(shè)施[1-2]。近年來，植物工廠規(guī)模逐漸增大，生產(chǎn)型植物工廠逐漸增多。據(jù)統(tǒng)計，目前中國人工光植物工廠數(shù)量已經(jīng)超過150 家，其中單位面積超過10 000 m2的有兩家，甚至還出現(xiàn)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(nèi)部氣流的擾動，帶走植物工廠內(nèi)多余的熱量和濕氣，優(yōu)化CO2的分布，進而獲得均勻的作物生長環(huán)境，提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[5]。

在植物工廠生產(chǎn)中為充分利用室內(nèi)空間，均采用多層立體栽培模式，層間距依據(jù)作物的高度一般設(shè)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(shè)施的阻擋，使得氣流在作物冠層四周形成繞流[6-7]，冠層內(nèi)部出現(xiàn)氣流停滯區(qū)域，作物附近的熱量和濕氣不能被及時帶走，導致作物發(fā)生病變，降低作物產(chǎn)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(nèi)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(huán)境的溫度、濕度過高，葉片氣孔關(guān)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(xiàn)葉燒現(xiàn)象，因此，設(shè)計了帶有三排空氣噴嘴的管道以增加作物冠層內(nèi)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(qū)域氣流速度分布在0.3～1.0 m/s范圍內(nèi)，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(nèi)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(shè)計了一種垂直管道通風系統(tǒng)，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(cè)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(qū)域氣流速度在0.3～1.0 m/s 范圍內(nèi)。為進一步增加作物冠層內(nèi)部的氣流擾動，F(xiàn)ANG 等[17-18]設(shè)計了2 種通風模式，分別為栽培層管道側(cè)通風模式和栽培層管道內(nèi)通風模式，2 種通風模式可有效增加作物冠層內(nèi)部的氣流擾動，在整個植物冠層空間有36%～77%的體積區(qū)域氣流速度分布在0.3～1.0 m/s 范圍內(nèi)。王晉偉等[19]設(shè)計了一款全網(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。

以上通風方案均需要在植物工廠中加裝管路或設(shè)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(nèi)，設(shè)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(nèi)部氣流分布的影響，分析最優(yōu)的進氣速度，并在植物工廠內(nèi)進行測試，以闡明本通風模式相較于傳統(tǒng)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(shè)計

參考常規(guī)栽培架的尺寸，CBT 的長度設(shè)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(shè)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(cè)通氣管路上交錯設(shè)置通氣孔，共13 個通氣孔。根據(jù)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(nèi)，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(nèi)徑為16 mm，氣流出流孔數(shù)為13 個，因此，孔徑設(shè)置為5 mm，孔徑比為1.3，滿足氣流分配均勻性的設(shè)計的要求。根據(jù)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(shè)計為30°，如圖1 所示。在植物工廠實際生產(chǎn)中，可將環(huán)境空氣經(jīng)風機導入到CBT 的通氣管入口處，經(jīng)通氣孔自下而上排除，調(diào)節(jié)植物微環(huán)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(gòu)建與網(wǎng)格劃分

利用CFD 軟件中的Gometry 模塊構(gòu)建CBT 模型，在模型中將栽培板范圍內(nèi)往上100 mm 高度的立體空間考慮為作物冠層區(qū)域。氣流經(jīng)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(qū)域。在模型模擬中主要關(guān)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(qū)域和作物冠層區(qū)域進行模擬計算。將構(gòu)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(wǎng)格劃分，為提升網(wǎng)格質(zhì)量，增加計算準確度，在通氣管道的近壁面進行網(wǎng)格局部加密（圖2），共生成251 357 個網(wǎng)格，549 733 個節(jié)點。利用skewness 方法檢驗網(wǎng)格質(zhì)量，計算出網(wǎng)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(wǎng)格質(zhì)量可用于案例模擬分析。

圖2 模擬區(qū)域網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(xù)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(shù)；Sφ為源項。φ=1時，該方程為連續(xù)性方程（質(zhì)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(shè)置中將氣流入口處設(shè)置為速度入口，將植物冠層的上部5 個面設(shè)置為壓力出口，管道內(nèi)部空間設(shè)置為氣流區(qū)域。參考前期植物工廠管道通風研究中，進氣最優(yōu)速度范圍[17]，該試驗設(shè)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(yōu)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(shè)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(shè)置為10-3數(shù)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(nèi)部和作物冠層區(qū)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(huán)境參數(shù)的影響，在上述試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上選取使作物冠層獲得最高適宜區(qū)域體積占比的進氣速度，并與傳統(tǒng)氣流控制方式進行對照試驗。試驗在中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所的人工光植物工廠內(nèi)進行，植物工廠為側(cè)進上出式通風模式。設(shè)置對照和試驗兩組栽培架，對照栽培架為側(cè)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(guī)格為0.7 m×1.5 m，靠近側(cè)墻通風口西側(cè)和南北方向的兩側(cè)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(lián)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(cè)墻通風口，以保證從側(cè)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(huán)境參數(shù)設(shè)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(shè)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(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)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(tǒng)及測點布置Fig.4 Cultivation bed integrated with draft-tube (CBT) system and measurment point arrangement

2 結(jié)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(zhuǎn)速由調(diào)壓器調(diào)節(jié)，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(qū)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(xiàn)沿小孔出口氣流速的方向，氣流速度較大，兩孔之間的區(qū)域出現(xiàn)氣流停滯區(qū)，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(gòu)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(qū)動引起。圖6 為通過栽培槽一側(cè)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(qū)域，然后穿過冠層區(qū)域后從作物邊界層流出，形成規(guī)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(qū)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(qū)。通過計算冠層區(qū)域體積加權(quán)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(qū)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(nèi)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(shè)施內(nèi)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(nèi)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(jié)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(qū)域氣流分布特征，將冠層氣流速度U分為停滯區(qū)（U＜0.1 m/s）、適宜區(qū)（0.1 m/s≤U≤1.0 m/s）和高速區(qū)（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(qū)、適宜區(qū)和高速區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域體積所占比例最高。

表1 冠層內(nèi)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(nèi)部環(huán)境的影響及分析

根據(jù)CFD 模擬結(jié)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(huán)境測試中，5 組CBT的進氣速度均調(diào)整為6.0 m/s。相較于傳統(tǒng)TVC 通風模式，CBT 的氣流直接作用于作物冠層內(nèi)部，故該通風模式對植物冠層的微環(huán)境產(chǎn)生了直接影響。圖8 為2 種通風模式生菜冠層內(nèi)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(huán)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(nèi)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(nèi)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(guī)通風模式下植物冠層內(nèi)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(nèi)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(jù)以上數(shù)據(jù)可知，CBT 和TVC 通風模式下明期的冠層內(nèi)部溫度均高于環(huán)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(nèi)，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(nèi)部，植物蒸騰產(chǎn)生的水汽不能及時排出，而高濕環(huán)境會降低葉片蒸騰速率，誘發(fā)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(nèi)的氣流速度加快，促進了冠層內(nèi)高溫高濕氣體的置換。

3 結(jié)論

本研究針對現(xiàn)有植物工廠管道通風模式中通風管路串并聯(lián)較多、施工工藝復雜的問題，設(shè)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(jié)合為一體，氣流通過導流槽上的小孔進入作物冠層區(qū)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(qū)域的氣流走向和分布，確定了最優(yōu)的進氣速度，并測試和分析了導氣栽培槽通風模式和傳統(tǒng)環(huán)控通風模式下植株地上部和地內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，為植物工廠通風設(shè)計提供參考。研究主要結(jié)論如下：

1）利用CFD 構(gòu)建了CBT 模型，并模擬和實測入口速度為5.0 m/s 時種植區(qū)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(nèi)部氣流分布影響。模擬結(jié)果表明：氣流通過栽培管道小孔進入作物冠層區(qū)域，形成規(guī)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(qū)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(qū)域體積所占比例最高，為56.3%，冠層區(qū)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(nèi)氣流的擾動，置換冠層內(nèi)部的高溫高濕氣體。該通風模式的光期降溫明顯，冠層內(nèi)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(chǎn)生的水汽能及時帶走，CBT 模式冠層內(nèi)部的光、暗期平均相對濕度比傳統(tǒng)通風模式低11.4 和3.0 個百分點。

綜上，本文設(shè)計的導氣栽培槽能夠?qū)饬鬏斔偷街参锕趯觾?nèi)部，直接調(diào)節(jié)作物生長區(qū)域的微環(huán)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(xiàn)象，提高了植物工廠通風控溫均勻性和效率，同時通風系統(tǒng)與栽培槽一體成型，現(xiàn)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。