植物工厂增温对栽培架布局影响研究_邓鑫.pdf

0 引言 适宜的气候条件能保证作物一年四季都能生 长 包括冬季 带来巨大的经济效益 冬季温室最大 的问题是供暖和太阳光 用于供暖的生物燃料提供 的解决方案相对不那么吸引人 1 为了保证作物正常 生长 作物经理必须有高水平的知识和经验 随着农 场规模越来越大 监测各种温室隔间的所有细节变 得越来越困难 2 由于其内部环境的可控性 植物工 厂是目前精细农业发展的主流趋势 目前 国内大型植物工厂的供暖主要采用空调 空调供热无法避免植物工厂顶部的无效热损失 冬 季供暖时会产生极大的能源浪费 能源利用率极低 并且 由于室内外温差较大 会存在壁面导热系数 高 植物工厂内温度梯度大等问题 容易出现上热下 冷的分层现象 无法保证温度的均匀性 导致部分植 物生长出现问题 3 赵国强等 4 对微型植物工厂进行 了增温与增湿处理 拟合优度计算传感器测量值与 植物区模拟值偏离情况 结果显示 温度测量误差为 5 6 而湿度测量误差为 3 2 虽然通过增加 PC 板 中心夹层厚度能提高植物工厂保温能力 但是在冬 季温度非常低的环境下也无法使植物工厂内温度保 持在 25 所以笔者采用 CFD 方法对冬季植物工厂 升温方法进行研究 5 7 1 模型的建立 在植物工厂内热风供暖的重点是气流循环 热 空气向温度低的冷空气传热 使得空气温度均匀 利 用上方回风口新产生的热空气将下方冷空气挤压排 除 如图 1 所示 在植物工厂顶部安装供暖风口 距 离地面高 3 m 处设置 4 个送风口 沿植物工厂中央 向下送风 然后通过热空气的温度差造成的浮升力 让热气流上升 使得整个空间中温度升高 图 1 热风供暖方案 考虑到热风供暖过程中热量损失 能源浪费的 问题 为了比较两种植物工厂栽培架摆放位置下能 量利用问题 引入能量利用系数如下式 8 SDEF t s t f t s t h 1 式中 t s 为室内送风温度 t f 为室内监测点加权温度 t h 为室内高度 h 平面工作区平均温度 若 SDEF 1 表示工作区温度高于室内设计温度 SDEF 越大 送 入工作区的热风越多 能量利用率越高 若 SDEF 1 表明工作区温度刚刚达到室内设计温度 能量利用 率较好 若 SDEF 1 表明工作区温度小于室内设计 温度 能量耗费现象比较严重 本次主要研究在热风供暖条件下植物工厂内温 度场分布 忽略植物工厂内其他模型结构因素 仅考 虑灯具等设备产生的热量对于室内供暖的影响 9 在 作者简介 邓鑫 1995 男 江西南昌人 硕士研究生 研究方向 为设施农业通风与传热计算 植物工厂增温对栽培架布局影响研究 邓 鑫 福建农林大学机电工程学院 福建 福州 350002 摘 要 环境温度对植物生长有非常大的影响 因此 植物工厂内部环境调控非常有必要 笔者采用 Fluent 对冬季植物工 厂供暖进行研究 通过计算信息熵权法与能量利用系数得出的监测点温度值来评判能源供给效率 取 24 个观察点分别 位于截面 0 92 m 1 52 m 和 2 12 m 高度处 分析了热风供暖条件下不同栽培架摆放位置的升温效果 发现阵列摆放在植 物工厂中 升温效果更佳 试验结果表明 热风供暖条件下植物工厂整体升温 3 个截面温度均小于 1 不均匀系数均在 1 以下 关键词 Fluent 热风供暖 能量利用系数 中图分类号 S31 文献标志码 A 文章编号 1672 3872 2021 17 0036 04 Agricultural Machinery and Agronomy 农机与农艺 2021 年 9月上 36 植 物工厂中采用风机送风 室内保持正压 因此 不 考虑缝隙中冷风渗入 对两种植物工厂栽培架摆放 位置进行研究 找到热风供暖最优摆放方案 摆放方 案图如图 2 所示 图 2 植物工厂栽培架摆放方案 2 仿真结果的处理分析 2 1 数据处理分析 将信息熵应用于评价植物工厂温湿度总量模型 的分配求客观权重的方法 下面利用对人工光型植 物工厂评价体系的赋权过程 来论证利用信息熵计 算权重的原理 10 11 以 case1 为例计算其监测点加权 温度 X 32 11 33 98 31 77 32 66 34 26 31 66 31 58 32 10 31 28 32 38 34 05 32 28 32 45 34 40 32 16 31 81 32 37 31 81 32 58 32 58 34 24 32 10 34 33 31 8 6 Y ij x ij min x i max x i min x i 2 其中 max x i min x i 分别表示数据矩阵中第 i 列最大 值与最小值 根据公式将各个指标的数据进行标准 化处理如矩阵所示 X 0 77 1 0 0 19 1 0 0 1 1 0 26 1 0 0 16 1 0 21 0 1 0 0 36 1 0 25 0 28 1 0 8 3 4 其中 0 H i 1 归一化系数定义为 c 1 ln n 取负号是 为了确保熵值为正数 如果 f ij 0 则能够定义 limf ij 0 f ij ln f ij 0 根据公式可计算出信息熵值的 H i 一共 8 项评 价指标 各自的信息如矩阵所示 X 0 62 0 47 0 52 0 4 0 37 0 48 0 42 0 38 5 根据指标权重公式 可计算出各指标权重如矩 阵所示 X 0 09 0 12 0 11 0 14 015 0 12 0 13 0 14 6 根据计算出的权重 两种栽培架摆放方案的监 测点加权温度如表 1 所示 表 1 不同截面的监测点加权温度 case2 h 2 12 m 33 14 case1 32 74 h 0 92 m 32 57 31 83 h 1 52 m 32 60 33 12 由公式 1 计算得出两种摆放方案下能量利用 系数 最下层平均温度低于高层平均温度 能量利用 系数逐渐增大 方案 2 的栽培架摆放方式能量系数 分别为 1 28 1 72 1 78 在 h 1 52 m 2 12 m 时高于方 案 1 所以方案 2 对电能利用率高于方案 1 其栽培架 摆放方法冬季更适合植物生长 如图 3 图 4 所示 图 3 两种方案不同平面平均温度 图 4 两种方案不同平面能量利用系数 2 2 仿真结果图像 热风供暖送风方式的速度矢量图如图 5 所示 由图可知速度为 1 m s 的空气从送风口流出之后 并 不是直接穿过栽培架 流动的空气经过植物工厂地 面碰撞后向四周扩散 但是由于碰撞的能量损失 速 农机与农艺 Agricultural Machinery and Agronomy2021年 9月上 37 下转第 49 页 度下降至 0 25 m s 将热风送入作物栽培区域 然后 到达植物工厂两侧的壁面时与其碰撞 再将热风送 入高层区域 最后风速变为 0 m s 出口区域的压力 比植物工厂内压强小 整个过程有较小的热风通过 出口流出 而且在室内呈现循环的状态 与其他案例 对比升温效果明显 11 图 5 热风供暖速度矢量图 图 6 y 2 55 m 速度分布图 图 7 y 2 55 m 温度分布图 植物工厂 y 2 55 m 的截面速度与温度分布情况 分别如图 6 图 7 所示 对植物栽培架摆放进行优化 后 由于风扇在植物工厂顶部呈阵列均匀排布 导致 风扇下方的风速与温度明显高于两侧 靠近出风口的 区域速度约为 1 m s 温度约为 29 经过空气的向 下流动 地面的风速逐渐降低至 0 25 m s 温度则约为 30 然后 随着气流的不断扩散 风速不断衰减至 0 m s 而在 LED 植物灯发热与暖风供暖的共同作用 下 两侧的温度逐渐升高至 31 由此可知 暖风供 暖进风口附近温度较其他区域低 随着热量不断散 失 升温效果将不明显 由此可以得出 适当增加送风 的角度能够改变植物工厂内气流与温度分布情况 在热风供暖条件下 温度场对作物生长非常重 要 温度的高低直接影响作物的生长情况 所有 LED 植物灯周围都有明显的温度梯度变化 尤其是中间 温度分布范围约 32 3 并且靠近暖风流动的位置 温度变化明显 在 h 2 12 m 时 中部与作物区域温 差约为 2 由于高度下降 导致暖风供暖呈降低趋 势 由于未考虑植物工厂结构 导致植物工厂围炉结 构没有与外界低温发生热交换 内部温度变化只受 LED 灯与热风影响 表现为室内温度整体偏高 三个 截面平均温度都大于 30 不利于植物生长 如图 8 所示 图 8 不同高度的温度云图 3 结语 1 本研究通过热风供暖条件下 Fluent 数值模拟 结果温度值 对温度值进行信息熵加权计算 然后通 过能量利用系数 SDEF 评价热风供暖在植物工厂中 能量利用效率 使得在损耗最少电能的情况下 植物 工厂中升温效果达到最佳 热风供暖可为以后的设 计人员提供一些有效的参考 对整 Agricultural Machinery and Agronomy 农机与农艺 2021 年 9月上 38 上接第 38 页 个植物工厂升温系统设计提供一定 的帮助 2 模拟植物工厂中冬季热风供暖条件下两种栽 培架摆放方案温度场分布 对比结果可得 在两排栽 培架并列摆放条件下 能量利用系数最高 试验发现 在热风供暖条件下整体温度上升了 8 左右 后期 可以通过不断改变送风角度与通风口高度 提升供 暖分布的均匀性 参考文献 1 Ramazan Senol Semra Kilic Kubilay Tasdelen Pulse timing control for LED plant growth unit and effects on carnation J Computers and Electronics in Agriculture 2016 123 125 134 2 Hemming Silke de Zwart Feije Elings Anne et al Remote Control of Greenhouse Vegetable Production with Artificial Intelligence Greenhouse Climate Irrigation and Crop Production J Sensors Basel Switzerland 2019 19 8 1807 3 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 6 136 142 4 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 2 61 68 5 周阿连 陈静 计算流体力学在设施农业的应用 J 赤峰学院 学报 自然科学版 2013 29 2 19 21 6 王向军 刘志刚 李荣 等 基于 CFD 数值模拟方法的日光温 室建模研究 J 农机化研究 2014 36 6 184 188 7 赵融盛 蔡泽林 杨志 等 侧通风口高度对塑料温室气流及 温湿度的影响 J 中国农业大学学报 2021 26 3 105 114 8 郑启华 房间气流组织各种可能性的能量经济评价 J 建筑 技术通讯 暖通空调 1979 4 27 30 9 孙月茹 高大建筑工业厂房热风供暖气流组织方式研究 D 石家庄 石家庄铁道大学 2020 10 李燕 潘炎帆 张涛 等 正交试验结合信息熵赋权法优化千 里光药材的提取工艺 J 中国药房 2020 31 12 1470 1474 11 Xin Zhang Hongli Wang Zhirong Zou et al CFD and weighted entropy based simulation and optimisation of Chinese Solar Greenhouse temperature distribution J Biosystems Engineering 2016 142 12 26 农机与农艺 Agricultural Machinery and Agronomy2021年 9月上 国家和组织规定的最大允许残留量 泉州检测的克 氏原螯虾体内镉 铅 汞等重金属均未超标 而砷 铬 锰等重金属均不同程度超标 扬州检测的稻田养 殖的克氏原螯虾中砷 镉 汞的检测值都满足无公害 水产品对养殖环境的要求 虽然大部分地区小龙虾 的重金属砷 镉 汞的检测值均满足无公害水产品的 质量安全标准 对人体健康产生危害的风险不大 但 是也有潜在的危险 所以养殖户养殖小龙虾 除了对 养殖环境进行严格选择 还需要对生产过程实施实 时监控 避免小龙虾受到重金属污染 使人们可以放 心食用小龙虾 推动小龙虾养殖业和第三产业的发 展 综上所述 为了更好地开发利用克氏原螯虾资 源 不仅要提高养殖技术 做到科学合理养殖 还要 改善水源 因地制宜选择合适的养殖模式 养殖出产 量高 质量好的克氏原螯虾 参考文献 1 陈细香 刘银铃 陈秋月 等 泉州地区克氏原螯虾重金属含 量测定及评价 J 安徽农业科学 2015 43 3 151 153 2 程辉辉 刘子栋 三种模式下小龙虾养殖效益对比和分析 J 科学养鱼 2019 3 32 3 贺江 易梦媛 郝涛 等 小龙虾产品品质影响因素研究进展 J 食品与机械 2019 35 6 232 236 4 何力 喻亚丽 甘金华 等 克氏原螯虾质量安全风险研究与 分析 J 中国渔业质量与标准 2020 10 1 1 12 5 羊茜 占家智 小龙虾高效养殖技术 M 北京 化学工业出版 社 2012 6 朱玉芳 崔勇华 戈志强 等 重金属元素在克氏原螯虾体内 的生物富集作用 J 水利渔业 2003 1 11 12 7 王华全 沈伊亮 湖北出口淡水小龙虾重金属污染监测与分 析 J 湖北农业科学 2014 53 9 2140 2142 8 王龙根 成强 陈红燕 等 稻田养殖克氏原螯虾重金属监测 分析 J 安徽农业科学 2016 44 22 103 104 9 和庆 彭自然 张晨 等 长三角地区池塘养殖水产品重金属 含量及其健康风险评价 J 农业环境科学学报 2017 36 6 1070 1077 10 陈万明 郝慧娟 廖中建 等 稻虾养殖生态模式对产地环境 及农产品质量安全风险的影响 J 湖南农业科学 2019 4 64 69 11 黄霞 安徽地区克氏原螯虾及其水体五种重金属污染评价 D 合肥 安徽农业大学 2009 12 Kouba A M Koz k P Bioaccumulation and Effects of Heavy Metals in Crayfish A Review J Water Air Soil Pollution 2010 211 1 4 5 16 49