胡開永王新強鄭晨瀟張世杰

(1.天津商業(yè)大學機械工程學院，天津 300134；2.天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134；3.冷凍冷藏技術教育部工程研究中心，天津 300134；4.工程熱物理基礎及工程國際聯(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施內(nèi)利用人工光源、溫濕度、風速、土壤營養(yǎng)成分等條件控制的生產(chǎn)方式，實現(xiàn)植物高效率、低投入種植，通常放置在建筑物或市區(qū)周圍的倉庫中。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)勢備受關注，但也被許多“瓶頸”所限制，如生產(chǎn)成本高等問題[1，2]。從20世紀70年代開始，美國、日本及挪威等國陸續(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瓶頸，促進人工環(huán)境植物工廠技術、設備等生產(chǎn)要素的發(fā)展，有不少國內(nèi)外學者研究了可控的人工環(huán)境植物工廠的內(nèi)環(huán)境對其內(nèi)部植物生長的影響，無論是室內(nèi)與植物工廠內(nèi)，都需要營造適宜的熱環(huán)境，學者主要研究通過改進人工環(huán)境植物工廠的設備、內(nèi)部結構來營造適宜的熱環(huán)境，但內(nèi)部設備的改造與優(yōu)化有一定的技術限制，學者通常采用數(shù)字模擬技術對人工環(huán)境植物工廠的內(nèi)部環(huán)境進行模擬仿真，進而確定內(nèi)部結構需要優(yōu)化的方向與程度，其中應用最廣泛的數(shù)字模擬技術是計算流體力學技術。

本文綜述了人工環(huán)境植物工廠的應用技術與CFD(計算流體力學)技術的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了人工環(huán)境植物工廠未來應用前景，以期人工環(huán)境植物工廠進一步向前發(fā)展以實現(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系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳感調控系統(tǒng)，如圖1所示。風系統(tǒng)，大部分系統(tǒng)由新風與植物工廠內(nèi)部回風混合，實現(xiàn)空氣循環(huán)功能；空調系統(tǒng)，調節(jié)植物工廠內(nèi)部熱環(huán)境，營造植物生長最適宜的內(nèi)環(huán)境；補光系統(tǒng)，主要是LED補光燈；噴淋系統(tǒng)，通過噴灌或滴管控制土壤濕度和植物工廠內(nèi)部空氣濕度；動力系統(tǒng)，通常由電力驅動的設備組成，能夠根據(jù)預設的參數(shù)自動執(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的狀態(tài)；傳感調控系統(tǒng)，通過高精度傳感器來監(jiān)測各種關鍵指標，如溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等，并結合植物種類和生長周期的不同需求，對植物工廠的內(nèi)外環(huán)境進行智能化調節(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)境植物工廠應用技術發(fā)展與現(xiàn)狀

從2010年開始，美國、日本、荷蘭等國家逐步建設大型植物工廠[4]，隨著全球新冠疫情的開始，植物工廠以其獨特的優(yōu)勢，不僅能提供新鮮、無污染的蔬菜，還能顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。因此，越來越多的國家開始重視并投資于建設這些現(xiàn)代化的植物培養(yǎng)設施，以期在未來能夠為國民提供更多的綠色食品選擇。近年來，我國植物工廠在LED光源等影響因素的研究對蔬菜品質的影響方面有了巨大進展，如李偉等[5]分析認為，植物工廠使用藍光進行處理能實現(xiàn)韭菜的較高產(chǎn)量、最優(yōu)品質及風味的有機結合。林坤明等[6]試驗得出，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，我國已有多家公司進行了微型人工環(huán)境植物工廠的設計和制造，并推出了一些品牌的產(chǎn)品，部分微型植物工廠可以實現(xiàn)半自動化的生產(chǎn)，尺寸為0.126～0.55m3，作物年產(chǎn)量在200kg以上[7]。同時隨著自動化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)技術在植物工廠生產(chǎn)中的應用，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[8]，在這個數(shù)字化轉型的浪潮中，利用先進的智能化技術不斷對生產(chǎn)方式進行改革與優(yōu)化，旨在大幅削減運營開支，同時，通過增強該生產(chǎn)方式的市場競爭力和附加值，人工環(huán)境植物工廠正逐步走向一個蓬勃發(fā)展的新階段。隨著技術創(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

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是目前研究設備內(nèi)空氣流動及熱濕環(huán)境狀況的新興技術。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)部結構、外部環(huán)境及植物種類、生長條件等因素的影響，多數(shù)的人工環(huán)境植物工廠都需要進行數(shù)值仿真得到多工況結果，目前使用CFD技術研究該領域植物工廠的研究主要集中在內(nèi)部溫度場和速度場的空間分布，通過CFD技術對植物工廠進行研究，通過建立三維模型，通過迭代計算探究了植物工廠內(nèi)部熱環(huán)境(溫度、濕度)[9-11]、光照[12]、以及影響植物生長的其他因素[13]進行了分析。

L·G等[15]評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需求提供了理論依據(jù)。劉煥[16]利用CFD軟件對植物工廠內(nèi)的風速和溫度分布進行了研究，模擬結果表明，采用側進上出和側進側上出2種方式的植物工廠，其內(nèi)部的平均風速高于其他2種通風方式。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，風速小的地方，溫度也比較高，而濕度和溫度之間存在著很強的耦合關系。S·R等[18]使用CFD方法分析微型植物實驗艙中氣流組織，配置了4個溫度傳感器，研究得到最適宜的溫度和風速，為微型植物實驗艙提供了理想的溫度和風速，通過實驗數(shù)值與模擬數(shù)值對比，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]設計了調節(jié)多層植物冠層氣流一種導氣栽培槽，利用CFD構建了CBT模型，相比于傳統(tǒng)通風模式，CBT對冠層內(nèi)多種微環(huán)境參數(shù)調控起到了積極作用。部分文獻中人工環(huán)境植物工廠CFD仿真統(tǒng)計見表1。

表1 文獻中人工環(huán)境植物工廠CFD仿真

上述文獻的實驗驗證中，不同容積大小的植物工廠中的植物部分數(shù)學模型為多孔介質模型，模擬結果與實際測量值存在一定程度的偏差。具體來說，模擬值普遍偏低，這可能是模型假設或算法優(yōu)化上的不足所導致。盡管如此，值得注意的是植物工廠內(nèi)部的溫度和濕度場顯示出了一種穩(wěn)定且可預測的分布趨勢，這表明即使模擬結果不完美，其內(nèi)部環(huán)境也能保持在一個相對理想的范圍內(nèi)，為植物生長提供了適宜的條件，對于確保植物工廠高效運作和提高產(chǎn)量至關重要。

通過對仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的比較和分析，證明了仿真的結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，國內(nèi)外對人工環(huán)境植物工廠空氣流動規(guī)律的研究非常有限，這主要是因為植物工廠尚未在實際中得到推廣；盡管最近幾年基于CFD方法進行廠區(qū)內(nèi)部空氣流動特征的研究逐漸增多，但大部分成果都是針對某一具體的人工環(huán)境植物工廠，難以直接套用到其它植物工廠。同時由于不同的植物類型，學者們在使用CFD分析人工環(huán)境植物工廠內(nèi)植物生長的內(nèi)環(huán)境的氣流組織時，應選用不同的湍流模型，在進行模擬分析時，研究者應依據(jù)所要研究問題的特性和要求來選擇適當?shù)膋-ε湍流模型。如果研究的重點是探討特定區(qū)域內(nèi)湍流的傳播特性，那么就應該選用能夠精準捕捉該區(qū)域內(nèi)細節(jié)變化的k-ε模型，以便更好地描述和預測流動現(xiàn)象。而對于那些關注于標準k-ε湍流模型在不同條件下適用性的研究，則可能會采用更為通用且易于操作的模型。這2種模型各有優(yōu)勢，關鍵在于根據(jù)具體研究目的和參數(shù)設置，選取最合適的湍流模型以確保模擬結果的準確性和可靠性。

3 人工環(huán)境植物工廠發(fā)展趨勢

3.1 促進產(chǎn)品類型轉型，建立精準數(shù)學模型

在當前的農(nóng)業(yè)領域，大型人工環(huán)境植物工廠雖然在技術上展示了其巨大的潛力，但高昂的初始投資和運營費用卻讓這種形式的農(nóng)場難以廣泛推廣[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)勢成為了未來研究的熱點。其不僅降低了進入門檻，也為大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能。隨著科技的發(fā)展和社會對食品安全需求的日益增長，微型植物工廠因其適應性強和效益顯著而備受青睞，預計將在全球范圍內(nèi)得到更廣泛的應用和研究。微型人工環(huán)境植物工廠可以滿足家庭農(nóng)場，教學和研究的需要。通過查閱有關資料，北京中環(huán)易達在2010年制造出了國內(nèi)首座小型電廠，并在世博會上展出[22]。2012年，在日本的千葉大學和松下電子的共同努力下，一項創(chuàng)新技術得以實現(xiàn)：他們合作開發(fā)了一個密閉的微型家庭植物工廠。這個工廠巧妙地設計成家庭級別，旨在提供一種新穎且可持續(xù)的方式來種植蔬菜和水果，無需土壤或陽光，僅依賴于LED燈和可控環(huán)境條件。這樣的家庭農(nóng)場不僅節(jié)省空間，而且還能為忙碌的家庭提供新鮮健康的食材。植物工廠的未來發(fā)展應以植物生長環(huán)境內(nèi)的溫度、光環(huán)境為研究對象，通過理論計算，篩選出適宜的溫控裝置，設計出適宜的通風系統(tǒng)等，在減少室內(nèi)溫度消耗的同時，提高室內(nèi)熱量分配的均勻性。利用微型植物工廠方便調整環(huán)境條件的優(yōu)點，開展不同環(huán)境因素對植物體生長的影響研究。在此基礎上，根據(jù)試驗結果，構建適用于具體作物的多個生長參數(shù)及裝備使用參數(shù)的精確數(shù)學模型，構建出一套適用于多數(shù)植物、植物工廠的生產(chǎn)模型，從而實現(xiàn)對微型人工環(huán)境植物工廠內(nèi)環(huán)境的精確調控，降低生產(chǎn)成本費用，促進其在實際中的推廣和應用。

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)化是指利用先進的信息技術和數(shù)字化技術來提高農(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)品質量和增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的過程。數(shù)字農(nóng)業(yè)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要方向，涉及到一系列先進技術的應用。通過安裝在田地中的土壤傳感器和水分監(jiān)測設備，農(nóng)民能夠實時掌握土壤的肥力和濕度狀況，從而更精準地進行灌溉和施肥。無人機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估提供了寶貴信息。人工智能算法的運用使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程變得更加智能化，能夠預測作物生長趨勢，優(yōu)化種植策略。大數(shù)據(jù)的分析能力則幫助農(nóng)民識別哪些產(chǎn)品最受市場歡迎，以及如何調整生產(chǎn)計劃以適應消費者需求的變化。此外，互聯(lián)網(wǎng)與移動應用的結合讓農(nóng)民能夠輕松地進行農(nóng)產(chǎn)品在線銷售，并利用這些平臺進行日常的生產(chǎn)管理、庫存控制和市場營銷等活動。數(shù)字農(nóng)業(yè)不僅提高了效率，也增加了農(nóng)民收入，促進了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。我國數(shù)字農(nóng)業(yè)化在政策引領與規(guī)模經(jīng)營趨勢下，水平逐年提升，但地域得分差異顯著，“馬太效應”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，通過對植物生長的內(nèi)環(huán)境，包括光照時間、溫濕度、土壤條件等進行數(shù)字化、智慧化、一體化調控，通過人工智能技術實時掌握設施產(chǎn)業(yè)動態(tài)，以溫室內(nèi)空氣溫度、濕度、光照強度、作物長勢等數(shù)據(jù)為基礎，通過對人工環(huán)境植物工廠內(nèi)環(huán)境信息的實時監(jiān)測，提升生產(chǎn)管理能力，力求效益最優(yōu)化，最終達到與露地、溫室相比具有效益優(yōu)勢的水平，使其在生產(chǎn)過程中發(fā)揮更大的作用，在構建植物工廠的微環(huán)境時，必須將其與數(shù)字化平臺相結合，以實現(xiàn)先進技術的集成與應用。這種一體化的構建方式不僅涉及到對人工光源的精確監(jiān)控系統(tǒng)，還包括對栽培環(huán)境的全面監(jiān)控，以及空氣中CO2濃度等關鍵參數(shù)的實時監(jiān)控。這些關鍵技術的發(fā)展是至關重要的，其確保了設施作物在生長過程中能夠得到水分、肥料、氧氣和陽光的同步補充，并通過數(shù)據(jù)采集與分析，實現(xiàn)了對植物生長狀態(tài)的實時監(jiān)測和調整。通過這樣的技術支持，可以最大化地激發(fā)植物的生長潛能數(shù)字農(nóng)業(yè)與植物工廠技術相結合，不僅會加速鄉(xiāng)村振興進程，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質量，也會推動中國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的新發(fā)展趨勢。

4 總結

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)、綠色無害的優(yōu)勢得到了快速發(fā)展，但在技術創(chuàng)新與融合方面發(fā)展較慢，是由于植物本身生長環(huán)境的多種多樣，同時也因為生產(chǎn)技術應用不到位所致，通過了解目前人工環(huán)境植物工廠技術與仿真技術的發(fā)展現(xiàn)狀，能夠更高效地促進人工環(huán)境植物工廠與當下智能化、數(shù)字化農(nóng)業(yè)融合發(fā)展，促進中國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。