王静 欧福超 南轩 石平平 赵众 李靖

摘要：为研究人工光型植物工厂中发光二极管（light emitting diode，简称LED）灯源系统对周围温度环境的影响，基于植物工厂实验室现有组合灯板相关参数，通过专业热环境分析软件Icepak对LED灯源周围温度场和流场进行仿真研究。研究结果表明，LED灯源周围的温度场在点位距离为0～5 cm范围内呈现较大的变化，大于5 cm时随点位距离增加温度场对周围的热环境影响则趋于稳定。由于原有燈板由不同色光源组成，且排列组合呈不对称现象，导致温度场呈现向右上端偏移现象。通过模拟分析得出的一系列现象，可为种植方位选择提供合理的参考意见。

关键词：人工光;植物工厂;LED灯组合;有限元模型;电位距离;温度场;流场

中图分类号： TN312+.8;S123  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）10-0240-05

收稿日期：2019-05-09

基金项目：国家科技支撑计划（编号：2012BAD40B02）;云南省高校重点实验室建设计划（编号：20163709）;云南农业大学科技创新创业基金（编号：2018ZKY141）。

作者简介：王 静（1969—），女，云南曲靖人，硕士，副教授，研究方向为水利工程技术与经济。E-mail：1052164899@qq.com。

通信作者：李 靖，博士，教授，研究方向为水资源及环境工程。E-mail：119026815@qq.com。

植物工厂是现代设施农业发展的高级阶段，是颠覆性农业和土地利用的生产方式，对解决21世纪所面临的农业资源不足和环境面源污染问题具有重要应用价值[1]。光照是人工光型植物工厂实现作物高效生产的主要驱动因素，在调控植物生长发育、产量、品质等方面具有不可或缺的作用。目前，绝大多数植物工厂所使用的人工光源以荧光灯为主，其能量主要是以热效应的方式传递到环境中，这不仅增加了生产成本，还影响了经济效益[2-3]。与传统荧光灯相比，发光二极管（light emitting diode，简称LED）灯具有电源直接转化为光源、体积小、寿命长等优点，是植物工厂设施中优选的人工光源[4-5]。

由于LED灯源的自身散热会对其周围温度产生一定的影响，且会使其自身的耐用性受到相应的影响，因此本研究将通过对植物工厂实验室现有LED灯源的附近温度进行实测分析，并与按灯源参数设计的有限元模型的模拟结果进行对比，确定LED灯的实际功率以及周围的温度场，进而更加深入了解试验过程中所采用LED灯的实际工作情况，为智慧植物工厂LED灯板的设置提供参考依据[6-11]。

1 散热原理分析

所有的电子产品都会面临一个很常见且无法规避的问题——发热、高温，而高温恰恰又是电子产品的一大克星。小间距LED显示屏是由一个个LED小灯珠组成的，而LED小灯珠的发热更是不容忽视的存在，小间距LED的灯珠排列更加紧密，发热强度相比于普通LED更加强烈，所以小间距LED的散热研究就显得更加重要，那么LED的散热原理分析将变得极为重要，同时由于LED距离植物较近，且LED散热量能够达到70%，可能会对植物产生一定的影响，因此研究LED的散热情况是十分必要的，既能了解其散热情况对自身寿命的影响，又能分析对周围植物的影响，传热主要遵循的基本原理如下。

热传导遵循傅里叶定律：

q=-k▽T。

式中，k表示热传导系数，W/（m·K）;q表示传导的热量，J;▽T表示温度梯度，℃。

对流一般与流体流动耦合在一起，其热量计算公式为

q=hΔT。

式中：h表示平均对流换热系数，W/（m2·℃）;ΔT表示温度差，℃。

2 材料与分析

2.1 LED灯板及有限元设计模型

植物工厂实验室中的种植架采用立体层次结构设计，共分4层，每层间距为35 cm，架长为 176 cm，宽为60 cm。顶部为LED灯源系统，底部为水培植物定植盘，其结构见图1、图2。

植物工厂中的LED组合照明系统是植物光合作用的能量源泉，其中LED芯片是整个LED灯源系统的核心部件，也是产热部件。LED灯内部结构及数值参数模型见图3。

LED芯片所产生的热量绝大部分以热传导的方式依次传递至衬底、铝合金基板、导热膏、外部散热器，最终通过散热器以对流及辐射的方式向周围环境扩散，使芯片周围温度降低，以防温度过高烧坏芯片，影响LED灯正常工作。各元件的散热参数见表1。

植物工厂中作物的生长环境主要依靠空调系统和LED灯源系统相互配合调节，其中空调提供植物生长适宜的温度，LED则提供作物光合作用所需的光照度。而LED灯源系统在提供光照的同时，也会散发一定的热量来影响周围的环境温度。本研究在植物工厂实验室原有LED组合灯板参数的基础上，按照 1 ∶ 1 的比例设计有限元模型，具体情况见图4。

3 LED灯实际参数的设定

植物工厂实验室所采用的LED灯使用寿命约为10年，其产品型号分别为2 835 Red SMD、2 835 IR SMD、2 835 Warm White SMD和2 835 Purper SMD。具体的参数见表2。

为了解植物工厂实验室中LED组合灯板的热环境效果，本研究借助专业的CFD热分析软件Icepak来了解植物工厂实验室灯板的实际工作情况。在数值模拟中，结合实测得到的植物工厂实验室室内温度（22.5 ℃），通过在Icepak程序中设定相应的环境温度，并且设置重力场，保证模型的网格质量达到要求，满足网格无关性。

4 数值模拟结果分析

在进行数值模拟时，通过对正常工作情况下距离LED灯不同点位的温度场进行监测，其点位距离分别为1、3、5、10、15、30 cm。各点位处温度场情况见图5。