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基于均流板原理的通风墙型植物工厂循环送风系统设计与模拟 王晋伟 1 陈竞楠 2 3 韩 冬 4 林志远 1 黄晨馨 1 郑书河 5 钟凤林 1 侯毛毛 1 1 福建农林大学园艺学院 福州 350002 2 福建农业职业技术学院 福州 350119 3 聚璜集团有限公司 厦门 361021 4 德州学院 德州 416012 5 福建农林大学机电工程学院 福州 350002 摘 要 植物工厂是当前可控农业环境的最高形式之一 但植物工厂内温度 气流空间分布不均 不同栽培架之间存在 一定温差 气流速度差 为解决气流植物工厂内局部环境因子差异大的问题 该研究对植物工厂进风口设置进行改进 在侧进上出气流循环模式下 借鉴均流板原理设计了一款全网孔通风墙型植物工厂 并通过计算流体力学软件 computational fluid dynamics CFD 进行模拟 分析该类型工厂下温度 气流速度 CO2浓度 相对湿度 适宜风速 占比 空气龄 指定流线速度变化情况 以评价全网孔通风墙对植物工厂内局部环境差异的改进效果 该设计平均空气 龄为7 5 s 是无全网孔通风墙条件下的1 9 空气更新效率有效提升 研究表明全网孔通风墙型植物工厂能有效提升植 物工厂内环境因子分布均匀性 关键词 通风 温度 墙 植物工厂 均流板 送风系统 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202303218 中图分类号 S625 5 1 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2023 13 0213 09 王晋伟 陈竞楠 韩冬 等 基于均流板原理的通风墙型植物工厂循环送风系统设计与模拟 J 农业工程学报 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 植物工厂通过整合环境数据 监测植物生长状况 利用计算机进行动态调整 实现环境控制与植物生长预 测 最终进行环境控制实现植物的计划性周年生产 其 内部温度 气流空间分布不均 两侧与中间栽培架间 同排栽培架不同层架间均存在一定温差 气流速度差 1 气流速度与进风口位置相关 进风口直接辐射范围内 气流流动剧烈 气流速度大 换气效率高 而未处于进 风口直接辐射范围的区域 气流流动缓慢 速度小 换 气效率低下 因此 进风口设置是解决气流植物工厂内 局部环境因子差异大问题的关键 植物工厂研究于20世纪50年代开始 前期以 营 养液栽培 为主要方向 后转向 人工模拟环境与控制 技 术 自 20世 纪 90年 代 后 计 算 流 体 力 学 computational fluid dynamics CFD 技术开始应用于农 业领域 初始运用于动物畜禽类养殖环境气流场 污染 物挥发的模拟 2 5 当前也运用于受控设施农业 日光温 室 植物工厂 中的流体动力学 6 热力学和复杂的流 体现象分析 7 9 提高植物工厂内部环境因子的均一性能 够明显提高植物工厂生产水平 LEE 等 10 将CFD技术 应用于植物工厂内部环境模拟 研究了风向 风速 通 风口大小和栽培架对自然通风量和气流分布的影响 ZHANG等 11 利用CFD比较了不同穿孔数空气管向作物 冠层表面送风的效果 得出带有2个穿孔的空气管能够 提供0 42 m s的平均风速 变异系数为44 可作为最 佳穿孔设计 BAEK等 12 在人工光型植物工厂中设计不 同的空调 内部风扇 外部风扇的开启工况 使用CFD 模拟植物工厂内部气流 温度 观测生菜生长状况 研 究结果表明同时开启空调 内部风扇 外部风扇能够使 工厂内温度保持稳定 更加适宜生菜生长 综上 采用 CFD模拟植物工厂内部环境变化 优化植物工厂设计对 于提升植物工厂内部环境均匀性和稳定性有重要意义 然而 目前植物工厂内部气流循环模式研究多数以进 出风口位置 数量 角度为切入点 植物工厂气流循环 效果受内部结构影响显著 是否可以通过优化气流循环 方式 改进内部结构提升植物工厂内环境因子分布均匀 性 值得深入研究 本文在侧进上出气流循环模式下 借鉴均流板原理 设计了一款全网孔通风墙型植物工厂并进行CFD模拟 分析该类型工厂下温度 气流速度 CO2浓度 相对湿 度 适宜风速占比 空气龄 指定流线速度变化情况 以评价全网孔通风墙对植物工厂内局部环境差异的改进 收稿日期 2023 03 30 修订日期 2023 06 12 基金项目 福建省自然科学基金面上项目 2023J01133579 福建省科协 德化淮山科技小院 202203 作者简介 王晋伟 研究方向为智慧农业方面 Email 1210306009 通信作者 侯毛毛 博士 副教授 研究方向为智慧农业方面 Email xiaohouboshi 第 39 卷 第 13 期 农 业 工 程 学 报 Vol 39 No 13 2023 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering July 2023 213 效果 以期为植物工厂内温度 气流空间分布不均 影 响作物产量 品质等问题提供新的研究思路 1 通风墙型植物工厂设计 1 1 设计目的 传统植物工厂采用空调或者风机进行通风降温 在 空调或风机出风口附近气流速度较大 易形成气流涡流 区 伯努利原理 导致植物生长一致性较差 本设计 基于均流板原理设计全网孔通风墙 用于探寻植物工厂 气流循环稳定性与均匀性的提升方法 1 2 全网孔通风板结构设计 均流板能够改善流体分布 提高流场均匀性 是均 匀流体组织的一种重要方法 在水污染处理 13 15 节流 空化 16 17 工业运输管道 18 等方面应用广泛 本研究以 福建省漳州市云霄县老区果场科技示范基地植物工厂为 原型 基于均流板原理设计一种全网孔通风板 改善植 物工厂通风 如图1所示 全网孔通风孔板材质为304不锈钢 依据协调美观 易于施工 钢板钻开孔直径为0 0135 0 0360 m 0 020 m较为常规 的原则 设计长1 800 m 高0 500 m 厚度为2 mm 小孔直径为0 020 m 孔间距 为0 035 m 首尾排小孔圆心距边界均为0 025 m 计算 得出孔隙率为0 249 2 a 俯视图 a Top view b 细节尺寸 b Details and dimenstions c 正视图 c Front view 单位 Unit mm 1 800 500 25 25 35 35 20 图1 全网孔通风板 Fig 1 Full mesh ventilation panel 1 3 通风墙型植物工厂设计 图2为通风墙型植物工厂设计图及测点位置 全网 孔通风墙型植物工厂包括外室体 空气腔和内室体 外 室体规格与测量植物工厂的保持一致 长 宽 高为4 6 m 3 0 m 3 0 m 四周墙壁及屋顶采用聚丙乙烯夹芯板填充 内室体规格长 宽 高为4 312 m 2 712 m 3 596 m 室内 栽培架布置为南北向均匀排布4排栽培架 栽培架距东 墙0 1 m 距西墙0 3 m 两侧栽培架之间留有3条过道 栽培架间距为0 630 m 内室体四周由2 mm全网孔通风 墙焊接而成 顶部由304不锈钢板焊接而成 外室体与 内室体间为空气腔 内实体顶部距外室体顶部距离为 0 4 m 装有双面出风送风机 出风口处布置有散流罩 加湿方向 Humidification direction加湿管道 Humidification line 空气腔 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不锈钢板 304 Stainless steel plate 2 mm全网孔通 墙Full mesh ventilation wall 2 mm FC 140 20 20 50 630 580 700 700 3 020 700 4 640 400 2 注 FC为双面出风送风机 P1 P24为测点 Note FC is a double sided air supply fan P1 P24 are the measuring points 图2 全网孔通风墙型植物工厂 Fig 2 Full mesh ventilation wall type plant factory 所设计的通风墙型植物工厂的气流循环方式为侧进 上出式 气流经顶部的多面出风送风机流出 在上层空 气腔内由中心向四周流动 后进入内 外室体间的空气 腔 穿过2 mm全网孔通风墙进入栽培区域 后在内室 体顶部回风机工作所形成的内室体负压作用下 由下向 上流动 经出风口流出 2 植物工厂CFD模拟与验证 为验证全网孔通风墙对植物工厂内部环境因子分布 均匀性的提升作用 将无全网孔通风墙型植物工厂作为 214 农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 对照组 全网孔通风墙型植物工厂作为试验组 在相同 条件下进行模拟 关注各环境因子变化情况 2 1 三维建模与网格划分 根据图1 图2所示的植物工厂结构尺寸数据 以 地面为基准面 以工厂地面中心点为原点 以正北方向 为 X 轴正向 正东方向为 Z 轴正向 垂直向上为Y 轴正 向 利用Solid Works 2017对有全网孔通风墙和无全网 孔通风墙植物工厂分别进行三维建模 无全网孔通风墙 植物工厂建模时 在顶部中心处留有1 34 m 2 08 m 按 照四排式栽培架通用送风机尺寸设计 矩形出风口 东 西墙各设置5个0 35 m 0 75 m 矩形进风口 全网孔通风 墙植物工厂在建模时 将多面出风送风机视为长方体 在 外室体顶面距两侧分别为1 28 0 85 m处留有1 34 m 2 08 m 0 40 m的长方体进风口 出风口位于内室体顶 部中央 尺寸为1 34 m 2 08 m 外墙体与空气腔合并建 模 内部其他空间和全网孔通风墙均单独成块建模 并 用组合功能将外墙体和空气腔 内部空间 全网孔通风 墙3块组合为一体 具体如图 3 所示 a 无全网孔通风墙 a No full mesh ventilation wall b 全网孔通风墙 b Full mesh ventilation wall 图3 三维建模及网格划分 Fig 3 3D modeling and meshing 通过ICEM CFD 17 0进行网格划分 处理为六面体 结构化网格 无全网孔通风墙型植物工厂在进出风口 LED灯盘 栽培架附近的温梯度变化较快 对其网格进 行加密处理 经网格独立性检验 最终确认网格数量为 1 012 365 网格质量为0 999 全网孔通风墙型植物工厂 划分时将2 mm全网孔通风墙创建为Fluid类型 用于设 置多孔介质模型 在进出风口 LED灯盘 栽培架附近 的温梯度变化较快 通风墙附近存在较大压降 故对其 网格进行加密处理 经网格独立性检验 最终确认网格 数量为1 245 456 最差网格质量为0 997 2 2 多孔介质模型 在设计的全网孔通风墙型植物工厂中 通风板上圆 孔间距0 035 m 仅1 80 m 0 50 m的通风板上分布着 714个小圆孔 若将所有圆孔全部进行保留 将会造成 巨大的网格量 故需要进行简化处理 多孔介质是一种由多相物质共存的组合体 由固体 骨架和孔隙组成 19 21 骨架部分指固体部分 非骨架部 分由液体 气体或气液共同填充 当气流体流经多孔介 质物时 经孔隙穿过 骨架会对气流有一定阻碍作用 气流经过后速度减慢 22 多孔介质模型将多孔区域简化为增加了阻力源项的 流体区域 常用于流过填充床 滤纸 多孔板 布流器 管排等流动的模拟 23 26 对于圆孔通风墙 TAO等 27 用 原始模型 多孔介质模型和多孔阶跃模型对地铁客室圆 孔通风板模型进行模拟 结果表明多孔介质模型能够很 好的替代通风板的原始模型 其模拟最大误差仅为 4 71 多孔介质两侧存在一定压差 压差变化与速度等存 在以下关系 20 21 28 p 12C2 null n v2 nullnull n v 1 式中 p为通风板压力损失 Pa 为空气密度 取值 1 225 kg m C2为惯性阻力系数 m 1 n为通风板厚 度 本文为4 mm v为空气速度 m s 为空气动力黏 度 取值1 8 10 5 Pa s 为面渗透率 m2 本设计中 孔板厚度为2 mm 孔隙率为0 249 TAO等 27 在中南大学试验平台所进行试验通风板 模 拟地铁客室 厚度为2 mm 孔隙率为0 257 两者通风 板厚度相同 孔隙率接近 故采用其所取得通风板压力 损失拟合进行求解 p 183null5v2 0null03622v 2 通过求解可得1 1 005 556 m 2 C2 149 795 m 1 2 3 边界条件设置与收敛设置 采用Fluent17 0软件对全网孔通风墙模型的边界条 件设置 将通风墙部分设置为单元区条件 cell zone conditions 下 的 流 体 fluid 开 启 多 孔 性 区 域 porous zone 设置惯性阻力系数为149 795 m 1 设 置渗透率为1 005 556 m 2 27 设置孔隙率为0 249 1 2 节计算得出 在边界条件 boundary conditions 中 设置通风墙类型为 多孔跃迁 porous jump 输入 通风墙厚度2 mm 其余边界条件参数设置相同 具体如 表1所示 表 1 边界条件参数 Table 1 Boundary condition parameters 边界类型 参数 数值 Boundary type Parameters Value 进风口 Air inlet 温度 20 相对湿 度 RH 65 进风速度 m s 1 3 0 出风口 Air outlet 温度 25 出口压力 Pa 200 质量流率 kg s 1 0 002 01 植物板 Plant panel 温度 23 相对湿 度 RH 55 二氧化碳浓度 mol mol 1 1 100 LED灯盘 LED panel 热通量 W m 2 128 21 采用SIMPLEC算法进行求解 并采用单元最小二 乘法 least squares cell based 法对控制方程进行离散 软件中 其余选项 均选为二阶迎风格式以保证计算精 度 设置植物工厂中心点的压力 速度 温度 相对湿 度 二氧化碳浓度等作为观测指标 在残差项设置上 除能量项设置为10 6外 29 其余均设置为10 3 当残差 均小于设定值或进出口流量差小于1 且观测指标趋于 平稳时视为计算结果收敛 第 13 期 王晋伟等 基于均流板原理的通风墙型植物工厂循环送风系统设计与模拟 215 2 4 空气龄自定义函数 user defined functions UDF 空气龄 mean age of air MAA 是衡量空气新鲜程 度的重要指标 指旧空气被新空气替代的速度 30 空气 龄控制方程张量表达式 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为速度矢量 m s A为某点空气龄 s A为空 气龄扩散系数 m2 s 为空气分子动力粘性系数 Pa s Sc为施密特系数 t为空气湍流粘性系数 为湍流施 密特系数 参考ANSYS Fluent帮助手册 取值为0 7 v为运动黏性系数 m2 s D为扩散系数 s为动量黏性 系数 m2 s 在本试验中引入空气龄 平面内各空气龄差值越小 视为气流越稳定 分布越均匀 空气龄计算在模拟计算 完成后单独进行 残差值小于10 6视为计算收敛 2 5 CFD输出参数设置 为更好的观测植物工厂内部空间上各指标的分布情 况 在X方向上选取X 1 850 m X 0 625 m X 0 625 m X 1 850 m 4个平面 在Y方向上选取Y 0 42 m Y 1 12 m Y 1 82 m共3个平面 在Z方向上 选 取在Z 0 667 m Z 0 633 m共2个 平 面 运 用 Tecplot 2019做切片图 导出面上数据及分布云图 用 CFD Post做速度矢量图 流线图 2 6 模拟验证 为检验CFD及上述参数设计是否可以用于植物工厂 内部环境因子模拟 本研究以2 3节的参数设计为基准 对无全网孔通风墙型植物工厂内的温度 气流速度的模 拟值 实测值及相对误差情况分别进行分析 以测点位 置对称分布为原则 在单个栽培架每一层栽培区域东西 方向上布置2个测点 单个栽培架垂直方向上各层间测 点布置一致 3层距地面分别为0 42 1 12 1 82 m 共2 3 4 24个测点 见图2测点位置 研究采用多功能便携式温湿度仪 KIMO AMI 310 测量植物工厂内温度 相对湿度 气流速度和二氧化碳 该仪器各指标测量精度分别为 温度 0 2 相对湿 度 1 8 RH 气流速度 0 03 m s CO2 50 10 6 各指 标分辨率分别为 温度0 1 相对湿度0 1 RH 气 流速度0 01 m s 数据通过美国产坎贝尔 CR3000 数据采 集仪 每隔30 s记录一组数据 测量30 min 测量60 组数据 求取平均值标准差 3 结果与分析 3 1 CFD模拟结果验证 3 1 1 温度 无全网孔通风墙型植物工厂内24个测点的温度模拟 值 实测值及相对误差值如图4所示 24个测点中仅有 4个测点相对误差超过3 最高和最低相对误差分别为 3 54 0 19 各测点温度模拟值与实测值平均相对误 差为1 69 温度模拟总体较为准确 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 温度 Temperature 相对误差 Relative error 实测值 Measured value 模拟值 Simulated value 相对误差 Relative error P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24 测点 Measuring point 图4 植物工厂内各测点温度模拟值 实测值及相对误差 Fig 4 Simulated value measured value and relative error of temperature at each measuring point in plant factory 3 1 2 气流速度值比较 图5展示了无全网孔通风墙型植物工厂内24个测点 的气流速度模拟值 实测值及相对误差情况 24个测点 气流速度模拟值与实测值平均相对误差为3 54 相对 误差值为0 78 6 48 其中2个测点相对误差超过 5 气流速度模拟值与实测值的大小及变化趋势较为一 致 各测点中 P15相对误差最大 达6 48 气流速 度较低点相对误差较大 可能与气流速度较低的条件下 仪器测量精度相对较低有关 总体而言 气流速度模拟 较为准确 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 相对误差 Relative error 实测值 Measured value 模拟值 Simulated value 相对误差 Relative error P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9P10P11P12P13P14P15P16P17P18P19P20P21P22P23P24 测点 Measuring point 图5 植物工厂内各测点气流速度模拟值 实测值及相对误差 Fig 5 Simulated value measured value and relative error of air velocity at each measuring point in plant factory 3 2 温度场分析 表2为有通风墙和无通风墙植物工厂温度场分布情 况 通过表2可知 无全网孔通风墙条件下 平均温度 为21 8 高出全网孔通风墙型0 6 温度分布变异 系数4 65 高于全网孔通风墙型 2 27 全网孔通 风墙型植物工厂温度分布更加均匀 图6为模拟所得温度分布情况 无全网孔通风墙型 植物工厂不同层高间 温度分布存在差异 下层平均温 度明显高于上中2层 全网孔通风墙型4个栽培架间温 度差异不明显 两侧栽培架作物种植区域温度分布均匀 中间2个栽培架上 中2层呈现单峰分布 中间高 四 周低 底层呈现多峰分布 216 农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 表 2 植物工厂各层平面温度 Table 2 Plant factory surface temperature of each layer 循环方式 层架 温度 变异系数 Types of ventilation Layer Temperature Coefficient of variation 无全网孔通风墙 No full mesh ventilationt 上层 21 7 0 80 3 69 中层 21 8 0 98 4 50 下层 22 0 1 27 5 77 全网孔通风墙 Full mesh ventilation 上层 21 1 0 47 2 22 中层 21 3 0 48 2 25 下层 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 宽 Wide m X 长 Length m Y 高 Height m b 全网孔通风墙 b Full mesh ventilation wall 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 宽 Width m X 长 Length m a 无全网孔通风墙 a No full mesh ventilation wall 33 031 029 027 025 023 021 019 0 温度 Temperature 图6 植物工厂温度场分布云图 Fig 6 Temperature field distribution cloud picture of plant factory 无全网孔通风墙型植物工厂出风口设置于顶部中心 位置 进风口设置于工厂长边两侧的墙上 气流经两侧 进入后 无阻力阻挡 在顶部负压风机的作用下 气流 迅速向上运动流出 难以向四周及下层流动 气流对流 换热减少 导致下层平均温度较高 空间上温度分布不 均匀 全网孔通风墙型改进了气流运动轨迹 气流经出 风口吹出 在重力作用下在空气腔内加速运动后 经 2 mm通风墙由四周吹向内室体中心 气流流经作物种植 区域 对流换热作用增强 降温效果好 因此整体温度 较低 且整体分布更为均匀 3 3 气流速度场分析 图7展示植物工厂不同平面的气流流速分布 其中 无全网孔通风墙型植物工厂出风口附近存在明显的气流 速度梯度变化 气流速度最大达4 0 m s 底层及靠近栽 培板面处存在空气滞留区 几乎所有栽培区均存在较明 显的气流速度差异 气流速度分布不均匀 图7a 全 网孔通风墙型4个层架间气流速度差异不明显 两侧栽 培架作物种植区域 最上层不种植作物 气流速度均匀 分布于0 3 1 0 m s之间 中间2个栽培架上 中 下 3层均存在少量区域气流速度小于0 3 m s 图7b 无 全网孔通风墙型在进风口附近存在大量气流过速区 最 大速度可达3 47 m s 图7c 而全网孔通风墙型3层 种植区域内大部分处于适宜风速区 少量区域存在空气 滞留 在顶层栽培架上 在过道处存少量区域气流速度 超过1 0 m s 图7d 全网孔通风墙型植物工厂气流速 度变异系数为63 21 整体而言 全网孔通风墙型气流 速度分布较侧进上出式均匀 表3展示植物工厂不同平面的适宜风速占比情况 0 3 1 0 m s为适宜风速 由表3可知 全网孔通风 墙型植物工厂相较于无全网孔通风墙型植物工厂的适宜 风速占比整体提升了20 05 风速过速区比例降低 19 32 两侧栽培架适宜风速区占比提升30 59 中 间两排栽培架适宜风速区占比提升9 5 两侧风速停滞 区降低13 87 中间两排栽培风速停滞区提升12 41 全网孔通风墙型明显提升了适宜风速区占比 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 01 2 1 2 0 0Z 宽 Width m X 长 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 宽 Width m X 长 Length m Y 高 Height m b 全网孔通风墙X平面 b X plane of Full mesh ventilation wall a 无全网孔通风墙X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall 风速 Velocity m s 1 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 2 2 0 0 Z 宽 Width m X 长 Length m Y 高 Height m 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 2 2 0 0 Z 宽 Width m X 长 Length m Y 高 Height m d 全网孔通风墙Z平面 d Z plane of Full mesh ventilation wall c 无全网孔通风墙Z平面 c Z plane of no full mesh ventilation wall 图7 植物工厂气流场分布云图 Fig 7 Air flow field distribution cloud picture of plant factory 表 3 植物工厂长度方向适宜风速占比 Table 3 Proportion of wind speed suitable in length for plant factories 循环方式 Types of ventilation 速度 Velocity m s 1 1 850 m 0 625 m0 625 m1 850 m 平均Average 无全网孔通风墙型 No full mesh ventilation 1 0 19 00 31 97 31 15 20 35 25 62 全网孔通风墙型 Full mesh ventilation 1 0 2 32 9 74 9 55 3 59 6 30 3 4 CO2浓度场分析 图8为植物工厂的CO2浓度场分布 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 宽 Width m X 长 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 宽 Width m X 长 Length m Y 高 Height m b 全网孔通风墙 b Full mesh ventilation wall a 无全网孔通风墙 a No full mesh ventilation wall CO2 浓度 CO2 concentration mol mol 1 图8 植物工厂CO2浓度场分布云图 Fig 8 Cloud image of CO2 concentration field distribution in plant factory 由图可知 无全网孔通风墙型植物工厂CO2气体自 栽培板处向上随气流方向弥漫扩散 浓度梯度变化程度 大 接进栽培板处浓度最高 随高度上升浓度逐渐降低 第 13 期 王晋伟等 基于均流板原理的通风墙型植物工厂循环送风系统设计与模拟 217 在中间过道底层存在明显的CO2聚集 浓度较高 全网 孔通风墙型植物工厂东西两侧栽培架CO2浓度场分布相 对均匀 相比于栽培架中部 最上层CO2浓度场分布更 为均匀 4个栽培架中 中间2个栽培架存在较大浓度 梯度变化 由栽培板向上递减 通过计算可得全网孔通 风墙型植物工厂CO2浓度变异系数为107 31 CO2浓度分布与气流流动轨迹有关 无全网孔通风 墙型植物工厂内气流轨迹单一 运动路程较短 气流流 动较少处浓度变化较大 全网孔通风墙的气流流动轨迹 改变了CO2浓度分布 气流经四周通风墙流入经顶部出 风口流出 气流流动过程带 CO2气体 而全网孔通风 墙的设计延伸了气流的运动轨迹 有效提高植物工厂内 CO2浓度场均匀性 3 5 相对湿度场分析 图9展示植物工厂不同平面相对湿度场分布 由图 可知 无全网孔通风墙型植物工厂的相对湿度整体低于 全网孔通风墙型 无全网孔通风墙型植物工厂相对湿度 的整体分布于47 67 在层架间分布与温度分布类 似 各个栽培区域内湿度跨度梯度较大 底层平均相对 湿度最低 为54 86 整体分布不均匀 全网孔通风墙 型植物工厂两侧栽培架相对湿度均匀分布于61 67 靠近栽培板面相对湿度较低 中间两排栽培架相对湿度 分布存在一定差异 均匀性较两侧栽培架低 全网孔通 风墙型植物工厂相对湿度变异系数为5 87 全网孔通 风墙型两侧栽培架相对湿度分布均匀性相较于无全网孔 通风墙型均有提升 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 11 1 0 0Z 宽 Width m X 长 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 宽 Width m X 长 Length m Y 高 Height m b 全网孔通风墙 b Full mesh ventilation wall a 无全网孔通风墙 a No full mesh ventilation wall RH 注 叶菜类适宜湿度范围为55 70 Note The suitable humidity range of leafy vegetables is 55 70 图9 植物工厂相对湿度场分布云图 Fig 9 Cloud image of relative humidity RH field distribution in plant factory 3 6 不同类型植物工厂空气龄分析 图10展示植物工厂不同平面空气龄分布 由图可知 无全网孔通风墙型植物工厂整体平均空气龄为54 67 s 单个层架内靠近东西墙两侧的空气龄速度略微慢 中间 部分空气龄相当 全网孔通风墙型整体平均空气龄为 6 11 s 同排栽培架层间有明显的差异 底层运动轨迹最 长 空气龄最大 换气所需时间最长为7 5 s 依次向上 降低 整体而言 全网孔通风墙型空气龄仅为无全网孔 通风墙型的1 9 全网孔通风墙有效提升空气更新效率 空气龄与气流流动有关 气流流动激烈 流通性高 则空气更新效率高 空气龄小 图11展示了植物工厂的 气流流线图 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 1 21 20 0 Z 宽 Width m X 长 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 宽 Width m X 长 Length m Y 高 Height m b 全网孔通风墙 b Full mesh ventilation wall a 无全网孔通风墙X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall MAA s 7 06 05 04 03 02 0 MAA s 图10 植物工厂空气龄分布云图 Fig 10 Mean age of air MAA distribution cloud map of plant factories a 无全网孔通风墙X平面 a X plane of no full mesh ventilation wall b 无全网孔通风墙Z平面 b Z plane of no full mesh ventilation wall c 全网孔通风墙X平面 c X plane of Full mesh ventilation wall d 全网孔通风墙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 流线速度 Streamline velocity m s 1 图11 植物工厂气流流线图 Fig 11 Plant factory air flow diagram 从图11a 11b可知 无全网孔通风墙型植物工厂气 流自进风口进入后分2种情况 上 中两排出风口流出 气流在风机负压作用下快速经出风口流出 下排出风口 流出气流在底层栽培架内自由流动形成涡流 难以从出 风口排出 导致气流流通性较差 空气更新效率较低 空气龄较大 全网孔通风墙型植物工厂的气流流动轨迹 通透 图11c 11d 两侧两排栽培架作物栽培区域内 来自四个方向的气流不断单向流入 促使栽培区域内的 气流不断向过道流动 过道处垂直方向上无栽培板阻力 气流在风机负压作用下可以顺利流出 因此整体流通性 有明显提高 中间2排栽培架底层气流流经较少 可能 是由于运动轨迹过长或者经通风墙流入作物栽培区域时 初速度较小 气流流动过程中动量减少 在经过过道时 垂直方向分力大于水平方向分力 气流垂直向上流动 218 农业工程学报 http www tcsae org 2023 年 无法穿越底层栽培区域经中间过道流向出风口 3 7 全网孔通风墙流线速度变化分析 为更好描述全网孔通风墙型植物工厂作物栽培区域 速度随X轴方向的变化 在空间内取L1 L6流线 图12a 用Tecplot 2019导出流线上速度数据 用 Origin做流线变化图 如图12b所示 整体而言 速度 自边缘向中心方向上 速度先增大后减小 在第一过道 处有小幅提升 而后再迅速下降 随着高度升高 速度 降