人工環(huán)境植物工廠的應(yīng)用及仿真研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

胡開(kāi)永王新強(qiáng)鄭晨瀟張世杰

(1.天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134；3.冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300134；4.工程熱物理基礎(chǔ)及工程國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300134)

引言

人工環(huán)境植物工廠是一種在封閉建筑設(shè)施內(nèi)利用人工光源、溫濕度、風(fēng)速、土壤營(yíng)養(yǎng)成分等條件控制的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)植物高效率、低投入種植，通常放置在建筑物或市區(qū)周?chē)膫}(cāng)庫(kù)中。相較于傳統(tǒng)的植物種植大棚和生產(chǎn)基地，人工環(huán)境植物工廠有單位資源利用率高、產(chǎn)量高而穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，但也被許多“瓶頸”所限制，如生產(chǎn)成本高等問(wèn)題[1，2]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)、日本及挪威等國(guó)陸續(xù)建起人工環(huán)境植物工廠，目前成為世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新形式[3]。

近幾年，為了突破目前人工環(huán)境植物工廠存在的技術(shù)瓶頸，促進(jìn)人工環(huán)境植物工廠技術(shù)、設(shè)備等生產(chǎn)要素的發(fā)展，有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了可控的人工環(huán)境植物工廠的內(nèi)環(huán)境對(duì)其內(nèi)部植物生長(zhǎng)的影響，無(wú)論是室內(nèi)與植物工廠內(nèi)，都需要營(yíng)造適宜的熱環(huán)境，學(xué)者主要研究通過(guò)改進(jìn)人工環(huán)境植物工廠的設(shè)備、內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)營(yíng)造適宜的熱環(huán)境，但內(nèi)部設(shè)備的改造與優(yōu)化有一定的技術(shù)限制，學(xué)者通常采用數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)人工環(huán)境植物工廠的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)而確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化的方向與程度，其中應(yīng)用最廣泛的數(shù)字模擬技術(shù)是計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)。

本文綜述了人工環(huán)境植物工廠的應(yīng)用技術(shù)與CFD(計(jì)算流體力學(xué))技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了人工環(huán)境植物工廠未來(lái)應(yīng)用前景，以期人工環(huán)境植物工廠進(jìn)一步向前發(fā)展以實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)快速普及。

1 人工環(huán)境植物工廠的組成

人工環(huán)境植物工廠的組成主要有風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感調(diào)控系統(tǒng)，如圖1所示。風(fēng)系統(tǒng)，大部分系統(tǒng)由新風(fēng)與植物工廠內(nèi)部回風(fēng)混合，實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)功能；空調(diào)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)植物工廠內(nèi)部熱環(huán)境，營(yíng)造植物生長(zhǎng)最適宜的內(nèi)環(huán)境；補(bǔ)光系統(tǒng)，主要是LED補(bǔ)光燈；噴淋系統(tǒng)，通過(guò)噴灌或滴管控制土壤濕度和植物工廠內(nèi)部空氣濕度；動(dòng)力系統(tǒng)，通常由電力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備組成，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)執(zhí)行指令，確保植物工廠內(nèi)部環(huán)境始終處于最適宜植物生長(zhǎng)的狀態(tài)；傳感調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)高精度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)各種關(guān)鍵指標(biāo)，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等，并結(jié)合植物種類和生長(zhǎng)周期的不同需求，對(duì)植物工廠的內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)。

圖1 人工環(huán)境植物工廠組成

2 人工環(huán)境植物工廠發(fā)展與現(xiàn)狀

2.1 人工環(huán)境植物工廠應(yīng)用技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀

從2010年開(kāi)始，美國(guó)、日本、荷蘭等國(guó)家逐步建設(shè)大型植物工廠[4]，隨著全球新冠疫情的開(kāi)始，植物工廠以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅能提供新鮮、無(wú)污染的蔬菜，還能顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。因此，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始重視并投資于建設(shè)這些現(xiàn)代化的植物培養(yǎng)設(shè)施，以期在未來(lái)能夠?yàn)閲?guó)民提供更多的綠色食品選擇。近年來(lái)，我國(guó)植物工廠在LED光源等影響因素的研究對(duì)蔬菜品質(zhì)的影響方面有了巨大進(jìn)展，如李偉等[5]分析認(rèn)為，植物工廠使用藍(lán)光進(jìn)行處理能實(shí)現(xiàn)韭菜的較高產(chǎn)量、最優(yōu)品質(zhì)及風(fēng)味的有機(jī)結(jié)合。林坤明等[6]試驗(yàn)得出，植物工廠更利于草莓匍匐莖育苗的光環(huán)境。此外，人工環(huán)境植物工廠內(nèi)環(huán)境的研究多集中于中大型植物工廠，而微型人工環(huán)境植物工廠的研究卻較少。目前，我國(guó)已有多家公司進(jìn)行了微型人工環(huán)境植物工廠的設(shè)計(jì)和制造，并推出了一些品牌的產(chǎn)品，部分微型植物工廠可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的生產(chǎn)，尺寸為0.126～0.55m3，作物年產(chǎn)量在200kg以上[7]。同時(shí)隨著自動(dòng)化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在植物工廠生產(chǎn)中的應(yīng)用，依賴大數(shù)據(jù)、人工智能將植物工廠蔬果高效生產(chǎn)，并搭建數(shù)字化平臺(tái)[8]，在這個(gè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中，利用先進(jìn)的智能化技術(shù)不斷對(duì)生產(chǎn)方式進(jìn)行改革與優(yōu)化，旨在大幅削減運(yùn)營(yíng)開(kāi)支，同時(shí)，通過(guò)增強(qiáng)該生產(chǎn)方式的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和附加值，人工環(huán)境植物工廠正逐步走向一個(gè)蓬勃發(fā)展的新階段。隨著技術(shù)創(chuàng)新的步伐加快，植物工廠的效率將得到前所未有的提升，有望迎來(lái)飛速發(fā)展。

2.2 人工環(huán)境植物工廠CFD仿真研究現(xiàn)狀

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)是目前研究設(shè)備內(nèi)空氣流動(dòng)及熱濕環(huán)境狀況的新興技術(shù)。不論是微型或是大中型的人工環(huán)境植物工廠，由于植物工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境及植物種類、生長(zhǎng)條件等因素的影響，多數(shù)的人工環(huán)境植物工廠都需要進(jìn)行數(shù)值仿真得到多工況結(jié)果，目前使用CFD技術(shù)研究該領(lǐng)域植物工廠的研究主要集中在內(nèi)部溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的空間分布，通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)植物工廠進(jìn)行研究，通過(guò)建立三維模型，通過(guò)迭代計(jì)算探究了植物工廠內(nèi)部熱環(huán)境(溫度、濕度)[9-11]、光照[12]、以及影響植物生長(zhǎng)的其他因素[13]進(jìn)行了分析。

L·G等[15]評(píng)估了新型植物工廠系統(tǒng)在惡劣氣候條件下的生產(chǎn)潛力，并為全球植物工廠建設(shè)需求提供了理論依據(jù)。劉煥[16]利用CFD軟件對(duì)植物工廠內(nèi)的風(fēng)速和溫度分布進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果表明，采用側(cè)進(jìn)上出和側(cè)進(jìn)側(cè)上出2種方式的植物工廠，其內(nèi)部的平均風(fēng)速高于其他2種通風(fēng)方式。賈鶴鳴等[17]使用Fluent軟件建立了微型植物工廠內(nèi)空氣的三維數(shù)值模擬模型，分析了微型植物工廠內(nèi)的溫濕度分布受氣流組織的影響，其存在著明顯的非均勻性，風(fēng)速小的地方，溫度也比較高，而濕度和溫度之間存在著很強(qiáng)的耦合關(guān)系。S·R等[18]使用CFD方法分析微型植物實(shí)驗(yàn)艙中氣流組織，配置了4個(gè)溫度傳感器，研究得到最適宜的溫度和風(fēng)速，為微型植物實(shí)驗(yàn)艙提供了理想的溫度和風(fēng)速，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)值與模擬數(shù)值對(duì)比，得出使用CFD模擬分析的氣流分布在小型植物工廠是可行的。方慧等[19]設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)多層植物冠層氣流一種導(dǎo)氣栽培槽，利用CFD構(gòu)建了CBT模型，相比于傳統(tǒng)通風(fēng)模式，CBT對(duì)冠層內(nèi)多種微環(huán)境參數(shù)調(diào)控起到了積極作用。部分文獻(xiàn)中人工環(huán)境植物工廠CFD仿真統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 文獻(xiàn)中人工環(huán)境植物工廠CFD仿真

上述文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，不同容積大小的植物工廠中的植物部分?jǐn)?shù)學(xué)模型為多孔介質(zhì)模型，模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值存在一定程度的偏差。具體來(lái)說(shuō)，模擬值普遍偏低，這可能是模型假設(shè)或算法優(yōu)化上的不足所導(dǎo)致。盡管如此，值得注意的是植物工廠內(nèi)部的溫度和濕度場(chǎng)顯示出了一種穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)的分布趨勢(shì)，這表明即使模擬結(jié)果不完美，其內(nèi)部環(huán)境也能保持在一個(gè)相對(duì)理想的范圍內(nèi)，為植物生長(zhǎng)提供了適宜的條件，對(duì)于確保植物工廠高效運(yùn)作和提高產(chǎn)量至關(guān)重要。

通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較和分析，證明了仿真的結(jié)果可以很好地反映出植物工廠內(nèi)溫度和濕度的空間分布規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)人工環(huán)境植物工廠空氣流動(dòng)規(guī)律的研究非常有限，這主要是因?yàn)橹参锕S尚未在實(shí)際中得到推廣；盡管最近幾年基于CFD方法進(jìn)行廠區(qū)內(nèi)部空氣流動(dòng)特征的研究逐漸增多，但大部分成果都是針對(duì)某一具體的人工環(huán)境植物工廠，難以直接套用到其它植物工廠。同時(shí)由于不同的植物類型，學(xué)者們?cè)谑褂肅FD分析人工環(huán)境植物工廠內(nèi)植物生長(zhǎng)的內(nèi)環(huán)境的氣流組織時(shí)，應(yīng)選用不同的湍流模型，在進(jìn)行模擬分析時(shí)，研究者應(yīng)依據(jù)所要研究問(wèn)題的特性和要求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)膋-ε湍流模型。如果研究的重點(diǎn)是探討特定區(qū)域內(nèi)湍流的傳播特性，那么就應(yīng)該選用能夠精準(zhǔn)捕捉該區(qū)域內(nèi)細(xì)節(jié)變化的k-ε模型，以便更好地描述和預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象。而對(duì)于那些關(guān)注于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在不同條件下適用性的研究，則可能會(huì)采用更為通用且易于操作的模型。這2種模型各有優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵在于根據(jù)具體研究目的和參數(shù)設(shè)置，選取最合適的湍流模型以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 人工環(huán)境植物工廠發(fā)展趨勢(shì)

3.1 促進(jìn)產(chǎn)品類型轉(zhuǎn)型，建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型

在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，大型人工環(huán)境植物工廠雖然在技術(shù)上展示了其巨大的潛力，但高昂的初始投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用卻讓這種形式的農(nóng)場(chǎng)難以廣泛推廣[21]。相比之下，微型人工環(huán)境植物工廠以其低成本、易于普及和推廣的優(yōu)勢(shì)成為了未來(lái)研究的熱點(diǎn)。其不僅降低了進(jìn)入門(mén)檻，也為大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)對(duì)食品安全需求的日益增長(zhǎng)，微型植物工廠因其適應(yīng)性強(qiáng)和效益顯著而備受青睞，預(yù)計(jì)將在全球范圍內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用和研究。微型人工環(huán)境植物工廠可以滿足家庭農(nóng)場(chǎng)，教學(xué)和研究的需要。通過(guò)查閱有關(guān)資料，北京中環(huán)易達(dá)在2010年制造出了國(guó)內(nèi)首座小型電廠，并在世博會(huì)上展出[22]。2012年，在日本的千葉大學(xué)和松下電子的共同努力下，一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)：他們合作開(kāi)發(fā)了一個(gè)密閉的微型家庭植物工廠。這個(gè)工廠巧妙地設(shè)計(jì)成家庭級(jí)別，旨在提供一種新穎且可持續(xù)的方式來(lái)種植蔬菜和水果，無(wú)需土壤或陽(yáng)光，僅依賴于LED燈和可控環(huán)境條件。這樣的家庭農(nóng)場(chǎng)不僅節(jié)省空間，而且還能為忙碌的家庭提供新鮮健康的食材。植物工廠的未來(lái)發(fā)展應(yīng)以植物生長(zhǎng)環(huán)境內(nèi)的溫度、光環(huán)境為研究對(duì)象，通過(guò)理論計(jì)算，篩選出適宜的溫控裝置，設(shè)計(jì)出適宜的通風(fēng)系統(tǒng)等，在減少室內(nèi)溫度消耗的同時(shí)，提高室內(nèi)熱量分配的均勻性。利用微型植物工廠方便調(diào)整環(huán)境條件的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)展不同環(huán)境因素對(duì)植物體生長(zhǎng)的影響研究。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建適用于具體作物的多個(gè)生長(zhǎng)參數(shù)及裝備使用參數(shù)的精確數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建出一套適用于多數(shù)植物、植物工廠的生產(chǎn)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微型人工環(huán)境植物工廠內(nèi)環(huán)境的精確調(diào)控，降低生產(chǎn)成本費(fèi)用，促進(jìn)其在實(shí)際中的推廣和應(yīng)用。

3.2 植物工廠與數(shù)字農(nóng)業(yè)化相融合

數(shù)字農(nóng)業(yè)化是指利用先進(jìn)的信息技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源配置，改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的過(guò)程。數(shù)字農(nóng)業(yè)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，涉及到一系列先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。通過(guò)安裝在田地中的土壤傳感器和水分監(jiān)測(cè)設(shè)備，農(nóng)民能夠?qū)崟r(shí)掌握土壤的肥力和濕度狀況，從而更精準(zhǔn)地進(jìn)行灌溉和施肥。無(wú)人機(jī)則被廣泛用于航拍和數(shù)據(jù)收集，其能夠攜帶攝像頭和其他傳感器，以前所未有的角度觀察農(nóng)田，這為作物健康狀況的評(píng)估提供了寶貴信息。人工智能算法的運(yùn)用使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程變得更加智能化，能夠預(yù)測(cè)作物生長(zhǎng)趨勢(shì)，優(yōu)化種植策略。大數(shù)據(jù)的分析能力則幫助農(nóng)民識(shí)別哪些產(chǎn)品最受市場(chǎng)歡迎，以及如何調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃以適應(yīng)消費(fèi)者需求的變化。此外，互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)應(yīng)用的結(jié)合讓農(nóng)民能夠輕松地進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品在線銷(xiāo)售，并利用這些平臺(tái)進(jìn)行日常的生產(chǎn)管理、庫(kù)存控制和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等活動(dòng)。數(shù)字農(nóng)業(yè)不僅提高了效率，也增加了農(nóng)民收入，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)數(shù)字農(nóng)業(yè)化在政策引領(lǐng)與規(guī)模經(jīng)營(yíng)趨勢(shì)下，水平逐年提升，但地域得分差異顯著，“馬太效應(yīng)”明顯[23]，其重要原因是各地農(nóng)業(yè)發(fā)展水平及種植條件不同，數(shù)字農(nóng)業(yè)化可以使存在發(fā)展差異的人工環(huán)境植物工廠突破種植條件的限制，通過(guò)對(duì)植物生長(zhǎng)的內(nèi)環(huán)境，包括光照時(shí)間、溫濕度、土壤條件等進(jìn)行數(shù)字化、智慧化、一體化調(diào)控，通過(guò)人工智能技術(shù)實(shí)時(shí)掌握設(shè)施產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，以溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、作物長(zhǎng)勢(shì)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)人工環(huán)境植物工廠內(nèi)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提升生產(chǎn)管理能力，力求效益最優(yōu)化，最終達(dá)到與露地、溫室相比具有效益優(yōu)勢(shì)的水平，使其在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮更大的作用，在構(gòu)建植物工廠的微環(huán)境時(shí)，必須將其與數(shù)字化平臺(tái)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的集成與應(yīng)用。這種一體化的構(gòu)建方式不僅涉及到對(duì)人工光源的精確監(jiān)控系統(tǒng)，還包括對(duì)栽培環(huán)境的全面監(jiān)控，以及空氣中CO2濃度等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展是至關(guān)重要的，其確保了設(shè)施作物在生長(zhǎng)過(guò)程中能夠得到水分、肥料、氧氣和陽(yáng)光的同步補(bǔ)充，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物生長(zhǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。通過(guò)這樣的技術(shù)支持，可以最大化地激發(fā)植物的生長(zhǎng)潛能數(shù)字農(nóng)業(yè)與植物工廠技術(shù)相結(jié)合，不僅會(huì)加速鄉(xiāng)村振興進(jìn)程，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，也會(huì)推動(dòng)中國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的新發(fā)展趨勢(shì)。

4 總結(jié)

人工環(huán)境植物工廠作為一種新興的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，由于新冠疫情的影響，人工環(huán)境植物工廠以其高效生產(chǎn)、綠色無(wú)害的優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展，但在技術(shù)創(chuàng)新與融合方面發(fā)展較慢，是由于植物本身生長(zhǎng)環(huán)境的多種多樣，同時(shí)也因?yàn)樯a(chǎn)技術(shù)應(yīng)用不到位所致，通過(guò)了解目前人工環(huán)境植物工廠技術(shù)與仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，能夠更高效地促進(jìn)人工環(huán)境植物工廠與當(dāng)下智能化、數(shù)字化農(nóng)業(yè)融合發(fā)展，促進(jìn)中國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。