人工环境植物工厂的应用及仿真研究现状与发展分析

胡开永王新强郑晨潇张世杰

(1.天津商业大学机械工程学院，天津 300134；2.天津市制冷技术重点实验室，天津 300134；3.冷冻冷藏技术教育部工程研究中心，天津 300134；4.工程热物理基础及工程国际联合研究中心，天津 300134)

引言

人工环境植物工厂是一种在封闭建筑设施内利用人工光源、温湿度、风速、土壤营养成分等条件控制的生产方式，实现植物高效率、低投入种植，通常放置在建筑物或市区周围的仓库中。相较于传统的植物种植大棚和生产基地，人工环境植物工厂有单位资源利用率高、产量高而稳定等优势备受关注，但也被许多“瓶颈”所限制，如生产成本高等问题[1，2]。从20世纪70年代开始，美国、日本及挪威等国陆续建起人工环境植物工厂，目前成为世界农业发展的一个新形式[3]。

近几年，为了突破目前人工环境植物工厂存在的技术瓶颈，促进人工环境植物工厂技术、设备等生产要素的发展，有不少国内外学者研究了可控的人工环境植物工厂的内环境对其内部植物生长的影响，无论是室内与植物工厂内，都需要营造适宜的热环境，学者主要研究通过改进人工环境植物工厂的设备、内部结构来营造适宜的热环境，但内部设备的改造与优化有一定的技术限制，学者通常采用数字模拟技术对人工环境植物工厂的内部环境进行模拟仿真，进而确定内部结构需要优化的方向与程度，其中应用最广泛的数字模拟技术是计算流体力学技术。

本文综述了人工环境植物工厂的应用技术与CFD(计算流体力学)技术的发展现状，展望了人工环境植物工厂未来应用前景，以期人工环境植物工厂进一步向前发展以实现数字农业快速普及。

1 人工环境植物工厂的组成

人工环境植物工厂的组成主要有风系统、空调系统、补光系统、喷淋系统、动力系统、传感调控系统，如图1所示。风系统，大部分系统由新风与植物工厂内部回风混合，实现空气循环功能；空调系统，调节植物工厂内部热环境，营造植物生长最适宜的内环境；补光系统，主要是LED补光灯；喷淋系统，通过喷灌或滴管控制土壤湿度和植物工厂内部空气湿度；动力系统，通常由电力驱动的设备组成，能够根据预设的参数自动执行指令，确保植物工厂内部环境始终处于最适宜植物生长的状态；传感调控系统，通过高精度传感器来监测各种关键指标，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等，并结合植物种类和生长周期的不同需求，对植物工厂的内外环境进行智能化调节。

图1 人工环境植物工厂组成

2 人工环境植物工厂发展与现状

2.1 人工环境植物工厂应用技术发展与现状

从2010年开始，美国、日本、荷兰等国家逐步建设大型植物工厂[4]，随着全球新冠疫情的开始，植物工厂以其独特的优势，不仅能提供新鲜、无污染的蔬菜，还能显著提高农业生产效率和可持续性。因此，越来越多的国家开始重视并投资于建设这些现代化的植物培养设施，以期在未来能够为国民提供更多的绿色食品选择。近年来，我国植物工厂在LED光源等影响因素的研究对蔬菜品质的影响方面有了巨大进展，如李伟等[5]分析认为，植物工厂使用蓝光进行处理能实现韭菜的较高产量、最优品质及风味的有机结合。林坤明等[6]试验得出，植物工厂更利于草莓匍匐茎育苗的光环境。此外，人工环境植物工厂内环境的研究多集中于中大型植物工厂，而微型人工环境植物工厂的研究却较少。目前，我国已有多家公司进行了微型人工环境植物工厂的设计和制造，并推出了一些品牌的产品，部分微型植物工厂可以实现半自动化的生产，尺寸为0.126～0.55m3，作物年产量在200kg以上[7]。同时随着自动化、智能化、物联网技术在植物工厂生产中的应用，依赖大数据、人工智能将植物工厂蔬果高效生产，并搭建数字化平台[8]，在这个数字化转型的浪潮中，利用先进的智能化技术不断对生产方式进行改革与优化，旨在大幅削减运营开支，同时，通过增强该生产方式的市场竞争力和附加值，人工环境植物工厂正逐步走向一个蓬勃发展的新阶段。随着技术创新的步伐加快，植物工厂的效率将得到前所未有的提升，有望迎来飞速发展。

2.2 人工环境植物工厂CFD仿真研究现状

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是目前研究设备内空气流动及热湿环境状况的新兴技术。不论是微型或是大中型的人工环境植物工厂，由于植物工厂内部结构、外部环境及植物种类、生长条件等因素的影响，多数的人工环境植物工厂都需要进行数值仿真得到多工况结果，目前使用CFD技术研究该领域植物工厂的研究主要集中在内部温度场和速度场的空间分布，通过CFD技术对植物工厂进行研究，通过建立三维模型，通过迭代计算探究了植物工厂内部热环境(温度、湿度)[9-11]、光照[12]、以及影响植物生长的其他因素[13]进行了分析。

L·G等[15]评估了新型植物工厂系统在恶劣气候条件下的生产潜力，并为全球植物工厂建设需求提供了理论依据。刘焕[16]利用CFD软件对植物工厂内的风速和温度分布进行了研究，模拟结果表明，采用侧进上出和侧进侧上出2种方式的植物工厂，其内部的平均风速高于其他2种通风方式。贾鹤鸣等[17]使用Fluent软件建立了微型植物工厂内空气的三维数值模拟模型，分析了微型植物工厂内的温湿度分布受气流组织的影响，其存在着明显的非均匀性，风速小的地方，温度也比较高，而湿度和温度之间存在着很强的耦合关系。S·R等[18]使用CFD方法分析微型植物实验舱中气流组织，配置了4个温度传感器，研究得到最适宜的温度和风速，为微型植物实验舱提供了理想的温度和风速，通过实验数值与模拟数值对比，得出使用CFD模拟分析的气流分布在小型植物工厂是可行的。方慧等[19]设计了调节多层植物冠层气流一种导气栽培槽，利用CFD构建了CBT模型，相比于传统通风模式，CBT对冠层内多种微环境参数调控起到了积极作用。部分文献中人工环境植物工厂CFD仿真统计见表1。

表1 文献中人工环境植物工厂CFD仿真

上述文献的实验验证中，不同容积大小的植物工厂中的植物部分数学模型为多孔介质模型，模拟结果与实际测量值存在一定程度的偏差。具体来说，模拟值普遍偏低，这可能是模型假设或算法优化上的不足所导致。尽管如此，值得注意的是植物工厂内部的温度和湿度场显示出了一种稳定且可预测的分布趋势，这表明即使模拟结果不完美，其内部环境也能保持在一个相对理想的范围内，为植物生长提供了适宜的条件，对于确保植物工厂高效运作和提高产量至关重要。

通过对仿真数据和实验数据的比较和分析，证明了仿真的结果可以很好地反映出植物工厂内温度和湿度的空间分布规律。目前，国内外对人工环境植物工厂空气流动规律的研究非常有限，这主要是因为植物工厂尚未在实际中得到推广；尽管最近几年基于CFD方法进行厂区内部空气流动特征的研究逐渐增多，但大部分成果都是针对某一具体的人工环境植物工厂，难以直接套用到其它植物工厂。同时由于不同的植物类型，学者们在使用CFD分析人工环境植物工厂内植物生长的内环境的气流组织时，应选用不同的湍流模型，在进行模拟分析时，研究者应依据所要研究问题的特性和要求来选择适当的k-ε湍流模型。如果研究的重点是探讨特定区域内湍流的传播特性，那么就应该选用能够精准捕捉该区域内细节变化的k-ε模型，以便更好地描述和预测流动现象。而对于那些关注于标准k-ε湍流模型在不同条件下适用性的研究，则可能会采用更为通用且易于操作的模型。这2种模型各有优势，关键在于根据具体研究目的和参数设置，选取最合适的湍流模型以确保模拟结果的准确性和可靠性。

3 人工环境植物工厂发展趋势

3.1 促进产品类型转型，建立精准数学模型

在当前的农业领域，大型人工环境植物工厂虽然在技术上展示了其巨大的潜力，但高昂的初始投资和运营费用却让这种形式的农场难以广泛推广[21]。相比之下，微型人工环境植物工厂以其低成本、易于普及和推广的优势成为了未来研究的热点。其不仅降低了进入门槛，也为大规模生产提供了可能。随着科技的发展和社会对食品安全需求的日益增长，微型植物工厂因其适应性强和效益显著而备受青睐，预计将在全球范围内得到更广泛的应用和研究。微型人工环境植物工厂可以满足家庭农场，教学和研究的需要。通过查阅有关资料，北京中环易达在2010年制造出了国内首座小型电厂，并在世博会上展出[22]。2012年，在日本的千叶大学和松下电子的共同努力下，一项创新技术得以实现：他们合作开发了一个密闭的微型家庭植物工厂。这个工厂巧妙地设计成家庭级别，旨在提供一种新颖且可持续的方式来种植蔬菜和水果，无需土壤或阳光，仅依赖于LED灯和可控环境条件。这样的家庭农场不仅节省空间，而且还能为忙碌的家庭提供新鲜健康的食材。植物工厂的未来发展应以植物生长环境内的温度、光环境为研究对象，通过理论计算，筛选出适宜的温控装置，设计出适宜的通风系统等，在减少室内温度消耗的同时，提高室内热量分配的均匀性。利用微型植物工厂方便调整环境条件的优点，开展不同环境因素对植物体生长的影响研究。在此基础上，根据试验结果，构建适用于具体作物的多个生长参数及装备使用参数的精确数学模型，构建出一套适用于多数植物、植物工厂的生产模型，从而实现对微型人工环境植物工厂内环境的精确调控，降低生产成本费用，促进其在实际中的推广和应用。

3.2 植物工厂与数字农业化相融合

数字农业化是指利用先进的信息技术和数字化技术来提高农业生产效率，优化农业资源配置，改善农产品质量和增加农业产值的过程。数字农业化是现代农业发展的一个重要方向，涉及到一系列先进技术的应用。通过安装在田地中的土壤传感器和水分监测设备，农民能够实时掌握土壤的肥力和湿度状况，从而更精准地进行灌溉和施肥。无人机则被广泛用于航拍和数据收集，其能够携带摄像头和其他传感器，以前所未有的角度观察农田，这为作物健康状况的评估提供了宝贵信息。人工智能算法的运用使得农业生产过程变得更加智能化，能够预测作物生长趋势，优化种植策略。大数据的分析能力则帮助农民识别哪些产品最受市场欢迎，以及如何调整生产计划以适应消费者需求的变化。此外，互联网与移动应用的结合让农民能够轻松地进行农产品在线销售，并利用这些平台进行日常的生产管理、库存控制和市场营销等活动。数字农业不仅提高了效率，也增加了农民收入，促进了农业可持续发展。我国数字农业化在政策引领与规模经营趋势下，水平逐年提升，但地域得分差异显著，“马太效应”明显[23]，其重要原因是各地农业发展水平及种植条件不同，数字农业化可以使存在发展差异的人工环境植物工厂突破种植条件的限制，通过对植物生长的内环境，包括光照时间、温湿度、土壤条件等进行数字化、智慧化、一体化调控，通过人工智能技术实时掌握设施产业动态，以温室内空气温度、湿度、光照强度、作物长势等数据为基础，通过对人工环境植物工厂内环境信息的实时监测，提升生产管理能力，力求效益最优化，最终达到与露地、温室相比具有效益优势的水平，使其在生产过程中发挥更大的作用，在构建植物工厂的微环境时，必须将其与数字化平台相结合，以实现先进技术的集成与应用。这种一体化的构建方式不仅涉及到对人工光源的精确监控系统，还包括对栽培环境的全面监控，以及空气中CO2浓度等关键参数的实时监控。这些关键技术的发展是至关重要的，其确保了设施作物在生长过程中能够得到水分、肥料、氧气和阳光的同步补充，并通过数据采集与分析，实现了对植物生长状态的实时监测和调整。通过这样的技术支持，可以最大化地激发植物的生长潜能数字农业与植物工厂技术相结合，不仅会加速乡村振兴进程，提高了农业生产效率和农产品质量，也会推动中国现代化农业的新发展趋势。

4 总结

人工环境植物工厂作为一种新兴的农业生产方式，由于新冠疫情的影响，人工环境植物工厂以其高效生产、绿色无害的优势得到了快速发展，但在技术创新与融合方面发展较慢，是由于植物本身生长环境的多种多样，同时也因为生产技术应用不到位所致，通过了解目前人工环境植物工厂技术与仿真技术的发展现状，能够更高效地促进人工环境植物工厂与当下智能化、数字化农业融合发展，促进中国现代化农业的快速发展。