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

2023-10-08王晋伟陈竞楠林志远黄晨馨郑书河钟凤林侯毛毛

农业工程学报 2023年13期

王晋伟，陈竞楠，韩冬，林志远，黄晨馨，郑书河，钟凤林，侯毛毛※

（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）

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。

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。

图2 全网孔通风墙型植物工厂Fig.2 Full mesh ventilation wall type plant factory

图3 三维建模及网格划分Fig.3 3D modeling and meshing

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。

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]：

式中Δp为通风板压力损失，Pa；ρ为空气密度，取值1.225 kg/m；C2为惯性阻力系数，m-1；Δn为通风板厚度，本文为4 mm；v为空气速度，m/s；μ为空气动力黏度，取值1.8×10-5Pa·s；α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：

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

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。

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：

式中ui为速度矢量，m/s；A为某点空气龄，s；ΓA为空气龄扩散系数，m2/s；μ为空气分子动力粘性系数，Pa·s；Sc为施密特系数，μt为空气湍流粘性系数；Sct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；μs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。

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。

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。

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。

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 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。

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 %

3.4 CO2 浓度场分析

图8 为植物工厂的CO2浓度场分布。

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。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，气流流动过程带动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。

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。

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

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。

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，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，速度降低。底层流线速度在X=-1.0 m 和X=1.0 m 处降低至0.3 m/s 以下，中层流线速度在X=-0.75 m 和X=0.75 m处降低至0.3 m/s 以下，而上层流线速度均处于0.3～1.0 m/s 内。

图12 全网孔通风墙型植物工厂气流流线-速度图Fig.12 Flow line-velocity diagram of full-mesh ventilated wall type plant factory

为更好分析底层流线速度较低问题，取流线X方向做分速度（图12c）。由图可知，气流经通风墙吹出后呈现先加速后减速状态，速度趋近于0，接近停滞状态。经通风墙流出平均分速度为0.28 m/s，而在中间两排栽培架中点处平均分速度仅为0.05 m/s，底层平均分速度仅为0.04 m/s，速度降幅明显。分速度不足导致该方向动能不足，因此气流无法穿越底层栽培区域经中间过道流向出风口，底层气流存在气流停滞，均匀性较低。