集裝箱植物工廠氣流組織特性及優(yōu)化研究

毛毛，劉東，宋睿治

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海，200092）

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)、人口數(shù)量的快速增長(zhǎng)及環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，人均耕地面積逐漸減少［1-3］。植物工廠以單位資源利用率高、產(chǎn)量高而穩(wěn)定的顯著優(yōu)勢(shì)逐漸受到社會(huì)的關(guān)注。在完全密閉或半密閉條件下，植物工廠通過(guò)高精度環(huán)境控制技術(shù)，對(duì)植物發(fā)育過(guò)程中的溫度、濕度、CO2濃度及營(yíng)養(yǎng)液參數(shù)等環(huán)境條件進(jìn)行精準(zhǔn)控制，能夠在不受或很少受到自然條件制約下實(shí)現(xiàn)作物在垂直立體空間上全年持續(xù)生產(chǎn)［4，5］。

集裝箱植物工廠是由標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸集裝箱改裝組成，配備有智能環(huán)控及人工照明的水培農(nóng)場(chǎng)環(huán)境，能夠滿足作物在多種環(huán)境下的生長(zhǎng)需求。不僅能夠用于葉菜類（如生菜）典型植物工廠作物的生產(chǎn)，同樣可用于豆芽、草莓、新疆雪菊、煙草、菌菇等多種作物的穩(wěn)定生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)作物環(huán)境精準(zhǔn)控制，作物質(zhì)量高而穩(wěn)定，能夠減少90～95 %的水消耗［6，7］，應(yīng)用場(chǎng)景不受地理環(huán)境的限制，便于運(yùn)輸和快速安裝，是植物工廠技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。

隨著植物工廠技術(shù)的不斷發(fā)展，栽培技術(shù)、節(jié)能光源技術(shù)［8］和 智能控制技術(shù)［9］逐漸完善，但對(duì)于植物工廠內(nèi)部微環(huán)境控制、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織等方面的研究相對(duì)較少。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，人工光植物工廠的能耗中空調(diào)系統(tǒng)能耗約占16 %［10］，而合理的氣流組織不僅能夠保障適宜的種植環(huán)境，同時(shí)有助于降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，提高集裝箱植物工廠經(jīng)濟(jì)性。

合理的氣流組織應(yīng)當(dāng)使集裝箱植物工廠能夠在增加種植面積的同時(shí)滿足作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求。作物生長(zhǎng)所處環(huán)境溫度和氣流速度是影響生長(zhǎng)的重要因素［11-13］。溫度影響著植物生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量，氣流對(duì)植物的影響主要體現(xiàn)在蒸騰、光合及冠層微環(huán)境品質(zhì)方面，植物工廠中適宜的風(fēng)速能夠促進(jìn)作物蒸騰速率，可避免由于蒸騰速率降低而導(dǎo)致葉菜葉燒癥狀發(fā)生的幾率［14-16］。如何在集裝箱有限的空間內(nèi)設(shè)計(jì)出合理的氣流組織形式，使得植物工廠內(nèi)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)能夠滿足作物生長(zhǎng)需求并降低空調(diào)系統(tǒng)能耗是一項(xiàng)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本研究以某高校20尺高柜集裝箱植物工廠為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了3種氣流組織形式，模擬分析不同送風(fēng)模式在集裝箱植物工廠中的運(yùn)行效果，為集裝箱植物工廠的研究、設(shè)計(jì)及建設(shè)提供參考。

1 氣流組織形式

本研究中集裝箱植物工廠由規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)20尺高柜集裝箱（外尺寸：長(zhǎng)6.06 m×寬2.44 m×高2.90 m）改裝組成，分為設(shè)備間、種植區(qū)和配電間。其中設(shè)備間用于放置施肥機(jī)、CO2氣肥系統(tǒng)和空調(diào)機(jī)組，種植區(qū)內(nèi)放置五層種植架用于栽培作物。

該集裝箱植物工廠主要用于生菜作物的種植，其所需生長(zhǎng)環(huán)境氣流速度較低，氣流組織應(yīng)保障作物冠層所在平面的溫度、氣流分布滿足生長(zhǎng)需求。受集裝箱植物工廠內(nèi)部空間限制，本文根據(jù)頂部送風(fēng)、側(cè)墻回風(fēng)的形式設(shè)計(jì)了三種送風(fēng)模式，即布袋風(fēng)管全周送風(fēng)（1）、布袋風(fēng)管下半周送風(fēng)（2）和散流器送風(fēng)（3）三種形式，如圖1所示。

圖1 氣流組織送風(fēng)模式

2 研究方法

為了驗(yàn)證并分析上述三種氣流組織形式在集裝箱植物工廠中的適用性，采用數(shù)值模擬的方法分析研究氣流組織送風(fēng)模式及送風(fēng)風(fēng)量對(duì)作物冠層所在平面溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)的影響。

2.1 物理模型

利用Solidworks軟件建立尺寸為長(zhǎng)4.40m×寬2.40 m×高2.70 m的集裝箱植物工廠種植區(qū)空間物理模型，如圖2所示。四周墻壁及箱頂由雙層鋼板內(nèi)部填充巖棉保溫材料構(gòu)成，厚50 mm。內(nèi)部?jī)蓚?cè)各放置一個(gè)種植架，每層尺寸為長(zhǎng)3.80 m×寬0.78 m×高0.05 m，各層間距0.36 m，共五層?；仫L(fēng)口尺寸670 mm×465 mm，送風(fēng)模式（1、2）布袋風(fēng)管直徑為400 mm，送風(fēng)模式（3）散流器尺寸為240 mm×240 mm?？紤]混風(fēng)機(jī)對(duì)氣流組織的影響效果，在種植區(qū)內(nèi)部建立直徑255 mm的風(fēng)機(jī)模型。

圖2 集裝箱植物工廠模型圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 模型方程

采用Fluent 2020軟件進(jìn)行集裝箱植物工廠氣流組織模擬計(jì)算，湍流粘性模型采用Realizable k-ε模型模擬內(nèi)部的空氣流動(dòng)；近壁處理選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；使用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化；采用SIMPLE算法計(jì)算求解壓力耦合方程［17,18］。數(shù)值模擬遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程，并滿足質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒定律，公式如下：

1）連續(xù)性方程：

2.2.2 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

以集裝箱植物工廠種植區(qū)作為計(jì)算域，利用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高網(wǎng)格質(zhì)量并且降低網(wǎng)格數(shù)量，同時(shí)減小計(jì)算時(shí)間，將計(jì)算域全部劃分為六面體核心的多面體網(wǎng)格，并對(duì)送回風(fēng)口、布袋風(fēng)管多孔階躍面、混流風(fēng)扇邊界、LED燈板處進(jìn)行邊界層加密處理。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，送風(fēng)模式（1）網(wǎng)格數(shù)量461萬(wàn)，skewness=0.27，送風(fēng)模式（2）網(wǎng)格數(shù)量462萬(wàn)，skewness=0.34，送風(fēng)模式（3）網(wǎng)格數(shù)量96萬(wàn)，skewness=0.28，網(wǎng)格質(zhì)量均較好，能夠滿足計(jì)算要求。

2.2.3 邊界條件及求解算法

模擬使用SIMPLE算法進(jìn)行壓力速度耦合運(yùn)算，空間離散設(shè)置中，梯度項(xiàng)選用最小二乘法；壓力項(xiàng)選用標(biāo)準(zhǔn)算法；動(dòng)量、能量及粘性項(xiàng)選用一階迎風(fēng)格式使迭代更快收斂，邊界條件如表1。該集裝箱植物工廠實(shí)際運(yùn)行測(cè)得送風(fēng)量為2200 m3? h-1，本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合空調(diào)負(fù)荷、送風(fēng)溫差及作物耐溫特性，設(shè)計(jì)四種送風(fēng)風(fēng)量（1500 m3? h-1、 2000 m3? h-1、 2500 m3? h-1、 3000 m3? h-1），探究不同工況下的氣流組織特性，并得到較為合理的氣流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

表1 邊界條件

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 送風(fēng)模式對(duì)氣流組織的影響

首先模擬研究了2000 m3? h-1送風(fēng)風(fēng)量下對(duì)集裝箱植物工廠氣流組織的影響效果，以分析評(píng)價(jià)三種送風(fēng)模式對(duì)各層作物冠層平面氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響效果，得到集裝箱植物工廠最適宜的氣流組織形式。假設(shè)成熟期生菜平均冠層高度為 15 cm，分別取各層栽培架16 cm高度處平面作為氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析對(duì)象，即Y=0.66 m、1.02 m、1.38 m、1.74 m及2.10 m平面。將0.30～1.00 m?s-1的風(fēng)速范圍視為作物生長(zhǎng)的適宜風(fēng)速［19，20］，過(guò)高及過(guò)低的風(fēng)速會(huì)影響作物的正常生長(zhǎng)，視為不適宜風(fēng)速，同時(shí)結(jié)合冠層平面平均溫度（24±2 ℃）作為氣流組織質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析送風(fēng)模式對(duì)植物工廠冠層環(huán)境的影響效果，如圖3所示。

圖3 作物冠層風(fēng)速適宜區(qū)占比及平均溫度

由圖3，送風(fēng)風(fēng)量為2000 m3? h-1時(shí)，散流器送風(fēng)模式（3）下作物冠層平面風(fēng)速適宜區(qū)占比顯著低于布袋風(fēng)管送風(fēng)模式（1、2），且冠層平面平均溫度明顯較高，僅第五層（臨近送風(fēng)口）平均溫度較低，但散流器送風(fēng)模式能夠使得各冠層間風(fēng)速適宜區(qū)占比較為均勻，約有50 %區(qū)域能夠滿足風(fēng)速要求。

兩種布袋風(fēng)管送風(fēng)模式下，作物冠層平面風(fēng)速適宜區(qū)占比均較高，約有60 %～80 %的區(qū)域能夠滿足風(fēng)速要求，各層溫度分布較為均勻且能滿足作物生長(zhǎng)需求。受混流風(fēng)機(jī)高速氣流的影響，高層作物冠層平面氣流分布紊亂，適宜區(qū)占比明顯降低，尤其以四層、五層較為顯著。各作物冠層平面溫度分布較為均勻，由于高處冠層臨近送風(fēng)末端導(dǎo)致溫度明顯低于低層，但仍在作物適宜生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)。

在相同送風(fēng)風(fēng)量條件下，相較于送風(fēng)模式（1）、（3），布袋風(fēng)管下半周送風(fēng)模式（2）更加適合應(yīng)用于集裝箱植物工廠的氣流組織優(yōu)化，能夠保障約70 %的冠層區(qū)域滿足氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)要求。

3.2 送風(fēng)風(fēng)量對(duì)氣流組織的影響

基于前述集裝箱植物工廠相對(duì)較優(yōu)氣流組織形式，模擬研究布袋風(fēng)管送風(fēng)模式（2）在送風(fēng)風(fēng)量1500 m3?h-1、 2000 m3? h-1、 2500 m3?h-1、3000 m3? h-1工況下的運(yùn)行效果，以獲得較好的冠層溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)分布，如圖4、圖5所示。

圖4 不同風(fēng)量下作物冠層平面風(fēng)速分布圖

圖4展示了不同風(fēng)量下該植物工廠內(nèi)各冠層平面風(fēng)速分布情況，可以看出，對(duì)于同一平面，隨著送風(fēng)量的增加，冠層風(fēng)速整體逐漸提高；對(duì)于同一送風(fēng)量，上層冠層整體風(fēng)速明顯高于下層，但風(fēng)速分布均勻性降低。主要原因是混風(fēng)機(jī)的位置較高，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行對(duì)第四、五層的冠層氣流分布影響較大，導(dǎo)致氣流分布紊亂。模擬結(jié)果顯示，1500 m3? h-1、 2000 m3? h-1、 2500 m3? h-1工 況 下的氣流分布較好，能夠保障各層大部分區(qū)域風(fēng)速滿足0.30～1.00 m?s-1的要求。此外，在適宜風(fēng)速范圍內(nèi)，適當(dāng)提高風(fēng)速有利于作物生長(zhǎng)，從氣流場(chǎng)角度考慮，2500 m3? h-1送風(fēng)量能夠滿足集裝箱植物工廠氣流組織要求。

圖5展示了不同風(fēng)量下集裝箱植物工廠內(nèi)各冠層平面溫度分布情況，送風(fēng)溫度已定的情況下，隨著送風(fēng)量的增加，冠層溫度逐漸減小，且均勻性有所提高（箱線圖中箱體逐漸減?。?；相同風(fēng)量下，各冠層平面溫度分布較為均勻，受層高影響較小，但高層溫度受混流風(fēng)機(jī)的影響仍較大，導(dǎo)致五層栽培架冠層平面溫度分布較紊亂。模擬結(jié)果顯示，2000 m3? h-1、 2500 m3? h-1工況作物冠層溫度場(chǎng)分布均勻，基本維持在24±2 ℃，能夠滿足作物生長(zhǎng)基本需求。從溫度場(chǎng)角度考慮，2000 m3? h-1、 2500 m3? h-1的送風(fēng)量均能滿足集裝箱植物工廠氣流組織要求。

以氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及均勻性作為植物工廠冠層氣流組織評(píng)價(jià)指標(biāo)，送風(fēng)量2000 m3? h-1、2500 m3· h-1均能滿足作物生長(zhǎng)的基本需求，為適當(dāng)提高冠層風(fēng)速并降低冠層溫度，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)裕量，布袋風(fēng)管下半周送風(fēng)模式（2）、設(shè)計(jì)送風(fēng)量2500 m3· h-1可以作為該集裝箱植物工廠氣流組織優(yōu)化方案，該方案下各層氣流、溫度云圖（圖6、圖7）分布也驗(yàn)證了上述結(jié)論。

圖6 布袋風(fēng)管下半周送風(fēng)模式、2500 m3? h-1送風(fēng)量下各層氣流場(chǎng)云圖（從左至右依次為一層～五層）

圖7 布袋風(fēng)管下半周送風(fēng)模式、2500 m3? h-1送風(fēng)量下各層溫度場(chǎng)云圖（從左至右依次為一層～五層）

4 結(jié)論

本研究基于某20尺高柜集裝箱植物工廠建立模型，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)集裝箱植物工廠氣流組織進(jìn)行模擬研究，探究不同送風(fēng)模式和送風(fēng)風(fēng)量對(duì)作物冠層氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的影響效果，得到了適合應(yīng)用于集裝箱植物工廠的氣流組織優(yōu)化方案，并得出以下幾項(xiàng)結(jié)論：

1）散流器送風(fēng)模式能夠使各層風(fēng)速分布更加均勻，但冠層平面風(fēng)速整體較低，冠層平均溫度偏高且均勻性較差；

2）兩種布袋風(fēng)管送風(fēng)模式能夠提供更均勻的氣流且風(fēng)速適宜區(qū)占比較高，但在混流風(fēng)機(jī)的影響下，各層風(fēng)速分布差異性較大，氣流均勻性較差；

3）相較于布袋風(fēng)管全周送風(fēng)模式，下半周送風(fēng)能夠有效提高使作物冠層風(fēng)速并維持更適宜的溫度，提升作物冠層氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)質(zhì)量，可保障約70%的冠層區(qū)域滿足作物生長(zhǎng)需求；

4）氣流組織優(yōu)化方案為布袋風(fēng)管下半周送風(fēng)模式、設(shè)計(jì)風(fēng)量2500 m3? h-1、送風(fēng)溫度14 ℃，開(kāi)啟混流風(fēng)機(jī)，冠層氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)滿足作物基本需求。

本研究基于空載集裝箱植物工廠送風(fēng)模式和送風(fēng)風(fēng)量設(shè)計(jì)了多種氣流組織形式，并得到了相對(duì)較優(yōu)的方案，在后續(xù)的研究中，可將送風(fēng)方式進(jìn)一步拓展優(yōu)化，同時(shí)將排風(fēng)口位置及尺寸、送風(fēng)溫差、作物模型作為影響因素，得到能夠保障作物生長(zhǎng)的最優(yōu)氣流組織設(shè)計(jì)。