人工环境植物工厂的应用及仿真研究现状与发展分析.pdf

null农业工程 农业与技术 2024 Vol 44 No 09 人工环境植物工厂的应用及仿真研究现状与发展分析 胡开永 1 2 3 4 王新强 1 2 3 4 郑晨潇 1 2 3 4 张世杰 1 2 3 4 1 天津商业大学机械工程学院 天津 300134 2 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134 3 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津 300134 4 工程热物理基础及工程国际联合研究中心 天津 300134 摘 要 在我国数字农业化与乡村振兴的趋势下 人工环境植物工厂作为一种新兴的农业生产方式 由于其有生 产效率高 绿色健康等发展优势 近年来得到了快速发展 本文介绍了人工环境植物工厂的应用技术与 CFD 计算流体力学 技术的发展现状 并展望了人工环境植物工厂的未来发展趋势 关键词 人工环境 植物工厂 数字农业化 乡村振兴 计算流体力学 中图分类号 S24 文献标志码 A nullnullnull 10 19754 j nyyjs 20240515009 收稿日期 2024 04 07 基金项目 天津市教委科研计划项目 项目编号 2022KJ003 作者简介 胡开永 1987 男 博士 副教授 研究方向 空调系统节能与优化 引言 人工环境植物工厂是一种在封闭建筑设施内利用 人工光源 温湿度 风速 土壤营养成分等条件控制 的生产方式 实现植物高效率 低投入种植 通常放 置在建筑物或市区周围的仓库中 相较于传统的植物 种植大棚和生产基地 人工环境植物工厂有单位资源 利用率高 产量高而稳定等优势备受关注 但也被许 多 瓶颈 所限制 如生产成本高等问题 1 2 从 20 世纪 70 年代开始 美国 日本及挪威等国陆续建起 人工环境植物工厂 目前成为世界农业发展的一个新 形式 3 近几年 为了突破目前人工环境植物工厂存在的 技术瓶颈 促进人工环境植物工厂技术 设备等生产 要素的发展 有不少国内外学者研究了可控的人工环 境植物工厂的内环境对其内部植物生长的影响 无论 是室内与植物工厂内 都需要营造适宜的热环境 学 者主要研究通过改进人工环境植物工厂的设备 内部 结构来营造适宜的热环境 但内部设备的改造与优化 有一定的技术限制 学者通常采用数字模拟技术对人 工环境植物工厂的内部环境进行模拟仿真 进而确定 内部结构需要优化的方向与程度 其中应用最广泛的 数字模拟技术是计算流体力学技术 本文综述了人工环境植物工厂的应用技术与 CFD 计算流体力学 技术的发展现状 展望了人工环境 植物工厂未来应用前景 以期人工环境植物工厂进一 步向前发展以实现数字农业快速普及 null 人工环境植物工厂的组成 人工环境植物工厂的组成主要有风系统 空调系 统 补光系统 喷淋系统 动力系统 传感调控系 统 如图 1 所示 风系统 大部分系统由新风与植物 工厂内部回风混合 实现空气循环功能 空调系统 调节植物工厂内部热环境 营造植物生长最适宜的内 环境 补光系统 主要是 LED 补光灯 喷淋系统 通 过喷灌或滴管控制土壤湿度和植物工厂内部空气湿 度 动力系统 通常由电力驱动的设备组成 能够根 据预设的参数自动执行指令 确保植物工厂内部环境 始终处于最适宜植物生长的状态 传感调控系统 通 过高精度传感器来监测各种关键指标 如温度 湿 度 光照强度 二氧化碳浓度等 并结合植物种类和 生长周期的不同需求 对植物工厂的内外环境进行智 能化调节 图 null 人工环境植物工厂组成 73 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2024 Vol 44 No 09 农业与技术 null农业工程 null 人工环境植物工厂发展与现状 nullnull null 人工环境植物工厂应用技术发展与现状 从 2010 年开始 美国 日本 荷兰等国家逐步 建设大型植物工厂 4 随着全球新冠疫情的开始 植 物工厂以其独特的优势 不仅能提供新鲜 无污染的 蔬菜 还能显著提高农业生产效率和可持续性 因 此 越来越多的国家开始重视并投资于建设这些现代 化的植物培养设施 以期在未来能够为国民提供更多 的绿色食品选择 近年来 我国植物工厂在 LED 光源 等影响因素的研究对蔬菜品质的影响方面有了巨大进 展 如李伟等 5 分析认为 植物工厂使用蓝光进行处 理能实现韭菜的较高产量 最优品质及风味的有机结 合 林坤明等 6 试验得出 植物工厂更利于草莓匍匐 茎育苗的光环境 此外 人工环境植物工厂内环境的 研究多集中于中大型植物工厂 而微型人工环境植物 工厂的研究却较少 目前 我国已有多家公司进行了 微型人工环境植物工厂的设计和制造 并推出了一些 品牌的产品 部分微型植物工厂可以实现半自动化的 生产 尺寸为 0 126 0 55m 3 作物年产量在 200kg 以上 7 同时随着自动化 智能化 物联网技术在植 物工厂生产中的应用 依赖大数据 人工智能将植物 工厂蔬果高效生产 并搭建数字化平台 8 在这个数 字化转型的浪潮中 利用先进的智能化技术不断对生 产方式进行改革与优化 旨在大幅削减运营开支 同 时 通过增强该生产方式的市场竞争力和附加值 人 工环境植物工厂正逐步走向一个蓬勃发展的新阶段 随着技术创新的步伐加快 植物工厂的效率将得到前 所未有的提升 有望迎来飞速发展 nullnull null 人工环境植物工厂 nullnullnull 仿真研究现状 计算流体力学 Computational Fluid Dynamics 简 称 CFD 是目前研究设备内空气流动及热湿环境状况 的新兴技术 不论是微型或是大中型的人工环境植物 工厂 由于植物工厂内部结构 外部环境及植物种 类 生长条件等因素的影响 多数的人工环境植物工 厂都需要进行数值仿真得到多工况结果 目前使用 CFD 技术研究该领域植物工厂的研究主要集中在内部 温度场和速度场的空间分布 通过 CFD 技术对植物 工厂进行研究 通过建立三维模型 通过迭代计算探 究了植物工厂内部热环境 温度 湿度 9 11 光 照 12 以及影响植物生长的其他因素 13 进行了分析 L G 等 15 评估了新型植物工厂系统在恶劣气候 条件下的生产潜力 并为全球植物工厂建设需求提供 了理论依据 刘焕 16 利用 CFD 软件对植物工厂内的 风速和温度分布进行了研究 模拟结果表明 采用侧 进上出和侧进侧上出 2 种方式的植物工厂 其内部的 平均风速高于其他 2 种通风方式 贾鹤鸣等 17 使用 Fluent 软件建立了微型植物工厂内空气的三维数值模 拟模型 分析了微型植物工厂内的温湿度分布受气流 组织的影响 其存在着明显的非均匀性 风速小的地 方 温度也比较高 而湿度和温度之间存在着很强的 耦合关系 S 等 18 使用 CFD 方法分析微型植物实 验舱中气流组织 配置了 4 个温度传感器 研究得到 最适宜的温度和风速 为微型植物实验舱提供了理想 的温度和风速 通过实验数值与模拟数值对比 得出 使用 CFD 模拟分析的气流分布在小型植物工厂是可 行的 方慧等 19 设计了调节多层植物冠层气流一种 导气栽培槽 利用 CFD 构建了 CBT 模型 相比于传 统通风模式 CBT 对冠层内多种微环境参数调控起到 了积极作用 部分文献中人工环境植物工厂 CFD 仿 真统计见表 1 上述文献的实验验证中 不同容积大小的植物工 厂中的植物部分数学模型为多孔介质模型 模拟结果 与实际测量值存在一定程度的偏差 具体来说 模拟 值普遍偏低 这可能是模型假设或算法优化上的不足 所导致 尽管如此 值得注意的是植物工厂内部的温 度和湿度场显示出了一种稳定且可预测的分布趋势 这表明即使模拟结果不完美 其内部环境也能保持在 一个相对理想的范围内 为植物生长提供了适宜的条件 对于确保植物工厂高效运作和提高产量至关重要 表 null 文献中人工环境植物工厂 nullnullnull 仿真 文献来源 模型容积 m 3 植物类型 植物部分数学模型 仿真结果及验证 贾鹤鸣等 16 0 25 盆栽 多孔介质 模拟数据与实测数据之间存在显著的一致性 平均相对误差为 6 程秀花等 19 26 01 番茄 各向同性多孔介质 室中部测点总气流速度模拟值与实测值平均相对误差为 15 韩骏骋等 20 13 28 指定参数植物 各向同性多孔介质 工厂内监测点的温湿度监测值和模拟值平均相对误差均小于 2 通过对仿真数据和实验数据的比较和分析 证明 了仿真的结果可以很好地反映出植物工厂内温度和湿 度的空间分布规律 目前 国内外对人工环境植物工 厂空气流动规律的研究非常有限 这主要是因为植物 工厂尚未在实际中得到推广 尽管最近几年基于 CFD 方法进行厂区内部空气流动特征的研究逐渐增多 但 83 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null农业工程 农业与技术 2024 Vol 44 No 09 大部分成果都是针对某一具体的人工环境植物工厂 难以直接套用到其它植物工厂 同时由于不同的植物 类型 学者们在使用 CFD 分析人工环境植物工厂内 植物生长的内环境的气流组织时 应选用不同的湍流 模型 在进行模拟分析时 研究者应依据所要研究问 题的特性和要求来选择适当的 k 湍流模型 如果研 究的重点是探讨特定区域内湍流的传播特性 那么就 应该选用能够精准捕捉该区域内细节变化的 k 模 型 以便更好地描述和预测流动现象 而对于那些关 注于标准 k 湍流模型在不同条件下适用性的研究 则可能会采用更为通用且易于操作的模型 这 2 种模 型各有优势 关键在于根据具体研究目的和参数设 置 选取最合适的湍流模型以确保模拟结果的准确性 和可靠性 null 人工环境植物工厂发展趋势 nullnull null 促进产品类型转型 建立精准数学模型 在当前的农业领域 大型人工环境植物工厂虽然 在技术上展示了其巨大的潜力 但高昂的初始投资和 运营费用却让这种形式的农场难以广泛推广 21 相 比之下 微型人工环境植物工厂以其低成本 易于普 及和推广的优势成为了未来研究的热点 其不仅降低 了进入门槛 也为大规模生产提供了可能 随着科技 的发展和社会对食品安全需求的日益增长 微型植物 工厂因其适应性强和效益显著而备受青睐 预计将在 全球范围内得到更广泛的应用和研究 微型人工环境 植物工厂可以满足家庭农场 教学和研究的需要 通 过查阅有关资料 北京中环易达在 2010 年制造出了 国内首座小型电厂 并在世博会上展出 22 2012 年 在日本的千叶大学和松下电子的共同努力下 一项创 新技术得以实现 他们合作开发了一个密闭的微型家 庭植物工厂 这个工厂巧妙地设计成家庭级别 旨在 提供一种新颖且可持续的方式来种植蔬菜和水果 无 需土壤或阳光 仅依赖于 LED 灯和可控环境条件 这 样的家庭农场不仅节省空间 而且还能为忙碌的家庭 提供新鲜健康的食材 植物工厂的未来发展应以植物 生长环境内的温度 光环境为研究对象 通过理论计 算 筛选出适宜的温控装置 设计出适宜的通风系统 等 在减少室内温度消耗的同时 提高室内热量分配 的均匀性 利用微型植物工厂方便调整环境条件的优 点 开展不同环境因素对植物体生长的影响研究 在 此基础上 根据试验结果 构建适用于具体作物的多 个生长参数及装备使用参数的精确数学模型 构建出 一套适用于多数植物 植物工厂的生产模型 从而实 现对微型人工环境植物工厂内环境的精确调控 降低 生产成本费用 促进其在实际中的推广和应用 nullnull null 植物工厂与数字农业化相融合 数字农业化是指利用先进的信息技术和数字化技 术来提高农业生产效率 优化农业资源配置 改善农 产品质量和增加农业产值的过程 数字农业化是现代 农业发展的一个重要方向 涉及到一系列先进技术的 应用 通过安装在田地中的土壤传感器和水分监测设 备 农民能够实时掌握土壤的肥力和湿度状况 从而 更精准地进行灌溉和施肥 无人机则被广泛用于航拍 和数据收集 其能够携带摄像头和其他传感器 以前 所未有的角度观察农田 这为作物健康状况的评估提 供了宝贵信息 人工智能算法的运用使得农业生产过 程变得更加智能化 能够预测作物生长趋势 优化种 植策略 大数据的分析能力则帮助农民识别哪些产品 最受市场欢迎 以及如何调整生产计划以适应消费者 需求的变化 此外 互联网与移动应用的结合让农民 能够轻松地进行农产品在线销售 并利用这些平台进 行日常的生产管理 库存控制和市场营销等活动 数 字农业不仅提高了效率 也增加了农民收入 促进了 农业可持续发展 我国数字农业化在政策引领与规模 经营趋势下 水平逐年提升 但地域得分差异显著 马太效应 明显 23 其重要原因是各地农业发展水 平及种植条件不同 数字农业化可以使存在发展差异 的人工环境植物工厂突破种植条件的限制 通过对植 物生长的内环境 包括光照时间 温湿度 土壤条件 等进行数字化 智慧化 一体化调控 通过人工智能 技术实时掌握设施产业动态 以温室内空气温度 湿 度 光照强度 作物长势等数据为基础 通过对人工 环境植物工厂内环境信息的实时监测 提升生产管理 能力 力求效益最优化 最终达到与露地 温室相比 具有效益优势的水平 使其在生产过程中发挥更大的 作用 在构建植物工厂的微环境时 必须将其与数字 化平台相结合 以实现先进技术的集成与应用 这种 一体化的构建方式不仅涉及到对人工光源的精确监控 系统 还包括对栽培环境的全面监控 以及空气中 CO 2 浓度等关键参数的实时监控 这些关键技术的发 展是至关重要的 其确保了设施作物在生长过程中能 够得到水分 肥料 氧气和阳光的同步补充 并通过 数据采集与分析 实现了对植物生长状态的实时监测 和调整 通过这样的技术支持 可以最大化地激发植 物的生长潜能数字农业与植物工厂技术相结合 不仅 会加速乡村振兴进程 提高了农业生产效率和农产品 质量 也会推动中国现代化农业的新发展趋势 null 总结 人工环境植物工厂作为一种新兴的农业生产方 93 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 2024 Vol 44 No 09 农业与技术 null农业工程 式 由于新冠疫情的影响 人工环境植物工厂以其高 效生产 绿色无害的优势得到了快速发展 但在技术 创新与融合方面发展较慢 是由于植物本身生长环境 的多种多样 同时也因为生产技术应用不到位所致 通过了解目前人工环境植物工厂技术与仿真技术的发 展现状 能够更高效地促进人工环境植物工厂与当下 智能化 数字化农业融合发展 促进中国现代化农业 的快速发展 参考文献 1 周增产 董微 李秀刚 等 植物工厂产业发展现状与展望 J 农业工程技术 2022 42 01 18 23 2 张宇 肖玉兰 人工光植物工厂生产成本构成和经济效益分析 J 长江蔬菜 2017 04 34 40 3 魏蔚 王东霞 日本植物工厂的现状 存在问题及未来发展 J 现代化农业 2019 12 22 24 4 汪锐 杨豫森 王琮 等 植物工厂产业发展现状 J 照明 工程学报 2023 34 04 64 68 5 李伟 佟静 武占会 等 植物工厂模式下 LED 光质对水培 韭菜生长 风味及品质的影响 J 山东农业科学 2023 55 10 44 52 6 林坤明 刘文科 刘家源 等 LED 红蓝光光强及光周期对草 莓匍匐茎生长和开花结果的影响 J 中国照明电器 2023 07 1 7 7 梁晓东 陈仁 陈斯盼 等 微型植物工厂的技术现况与发展 趋势 J 中国照明电器 2021 05 36 39 49 8 袁方 高青 刘良好 等 植物工厂作物栽培微环境及数字化 平台技术构建 J 农业与技术 2021 41 09 5 8 9 赵国强 贾鹤鸣 张森 等 微型植物工厂温湿度场分析与传 感器优化布局 J 森林工程 2019 35 02 61 68 10 高菊玲 刘永华 基于风扇差速调节的微型植物工厂温度精 准控制 J 江苏农业学报 2020 36 06 1543 1550 11 毛毛 刘东 宋睿治 集装箱植物工厂气流组织特性及优化 研究 J 制冷 2022 41 03 20 24 35 12 蒋薇 家庭园艺自动栽培系统研究 D 镇江 江苏大学 2018 13 刘新颖 郑胤建 李清明 等 嫁接苗愈合人工光环境调控 策略研究进展 J 照明工程学报 2022 33 05 192 199 14 熊致远 自然对流换热微型植物工厂 CFD 研究及优化 D 海口 海南师范大学 2023 15 Luuk Graamans Esteban Baeza Andy van den Dobbelsteen Ili as Tsafaras Cecilia Stanghellini Plant factories versus greenhou ses Comparison of resource use efficiency J Agricultural Sys tems 2018 160 16 刘焕 基于 CFD 的人工光型植物工厂通风模拟与优化研究 D 北京 中国农业科学院 2018 17 贾鹤鸣 张森 宋文龙 等 基于 CFD 的微型植物工厂湿热 环境数值分析 J 林业工程学报 2018 3 06 122 127 18 Suwardana Nugroho A P Prasetyatama Y D Falah M A F Sutiarso L Okayasu T Analysis of airflow distribution on urban mini plant factory using computational fluid dynamics J IOP Conference Series Earth and Environmental Science 2022 1116 1 19 方慧 张义 伍纲 等 植物工厂导气栽培槽通风对冠层环 境影响模拟 J 农业工程学报 2023 39 16 208 214 20 程秀花 毛罕平 伍德林 等 栽有番茄的玻璃温室内气流 场分布 CFD 数值模拟 J 江苏大学学报 自然科学版 2010 31 05 510 514 21 韩骏骋 贾鹤鸣 李瑶 等 基于计算流体力学的微型植物 工厂温湿度环境模拟及优化方案 J 林业工程学报 2019 4 06 136 142 22 毛罕平 设施农业的现状与发展 J 农业装备技术 2007 05 4 9 23 梁宝忠 我国首例家庭版植物工厂诞生 J 农业开发与装 备 2010 12 43 24 周恩宇 赵浪 中国数字农业发展的区域差异 时空特征与 驱动因素识别 J 四川农业大学学报 2024 42 01 215 223 责任编辑 常佳琪 04 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull