植物工廠中氣流控制對產量的影響
作者: 時間: 2024-04-16
氣流是植物工廠重要環境要素之一，植物工廠氣流控制與否及質量高低直接關系到設施內氣溫、濕度和CO2分布、植物蒸騰、葉溫及對CO2地吸收等影響植物光合作用和呼吸作用的質量，尤其是葉片和冠層氣流質量。植物對氣流的需求：①氣流主要對植物的光合作用產生影響。氣流對葉外CO2的擴散有影響，隨著風速的增大，葉面上邊界層的厚度降低，CO2的擴散阻力減小;②促進蒸騰作用。氣流單位表示方法為m/s。首先，植物工廠氣流控制與否及質量直接關系到植物光合作用和呼吸作用的質量。流經葉片的氣流速度顯著影響葉片蒸騰和對CO2的吸收，氣流速度小于0.5m/s時，葉片表面層氣流邊界對CO2和水蒸氣的擴散阻力較大;當氣流達到0.5m/s以上時，阻力顯著降低。通常，適宜的氣流速度為0.5~1m/s。其次，當設施內濕度較高、光強較高，氣流速度可小些;但在低濕、高溫情況下，氣流速度過高，蒸騰過旺，葉片失水過多，氣孔開度縮小，增加了CO2的擴散阻力，光合強度反而降低
太陽光型植物工廠四周圍護結構是由可透過太陽光的玻璃或塑料薄膜圍護而成。由于室內的太陽輻射不斷隨時間變化，導致室內的加溫、降溫、換氣負荷也不斷變化。此外，太陽光型植物工廠圍護結構的傳熱系數高達3~6W/(m2·K)，其保溫性能僅為人工光型植物工廠圍護結構的幾十分之一。因此太陽光型植物工廠的加溫和降溫負荷極易受室外氣溫、風速和降雪等因素的影響，隨時間變化較大。此外，室內地面與空氣之間也有很顯著的熱交換，這也是冬季夜間采暖負荷較高，而夏季制冷負荷較大的原因之一。
作物的蒸騰速度與空氣飽和蒸汽壓差(葉溫所對應的飽和蒸汽壓與周圍大氣水蒸氣分壓力之差)，以及葉片表面的水蒸氣擴散系數成正比。在一般情況下，蒸騰速度越大，植物根部對水分和養分的吸收速度也越大，而葉溫也會較周邊的空氣溫度低1~2℃。如果葉片蒸騰速度過快，不僅會導致氣孔導度減小，葉片向周圍空氣的水蒸氣擴散系數降低，植物葉片萎，還會使得周邊空氣通過進入葉片內的CO2速度減少，進而導致植物的凈光合速度下降。另外，葉片蒸騰速率也隨葉片周邊氣流速度的增加而增加。基于上述分析，在日間，應盡可能調整太陽光植物工廠的飽和蒸汽壓差和空氣流動速率，促進和優化植物蒸騰速率和凈光合速率就變得非常重要。對于種苗來說，一般定植后的種苗葉面積和葉面積指數較小，蒸騰速率不高，室內空氣的飽和蒸汽壓差較大，對種苗生長不利。在該情況下，應在維持適宜的室內氣溫的前提下，使用噴霧裝置增加室內空氣濕度，減小室內空氣的飽和蒸汽壓差。相反，若是室內的植物較為繁茂的話，葉面積指數較大，會阻礙室內空氣流動，使得葉片周邊氣流速度減小從而導致蒸騰速率和凈光合速率減小。
在密閉性較好的溫室中，室內風速很低，即使在溫室通風狀態下，室內風速亦常低于0.5m/s(Tongbai等，2010)。低風速常造成室內溫濕氣等分布不均比如，在晴天的白天，風速較低常使植物群落內部C02濃度得不到及時補充從而影響植物的光合作用。因此，溫室內適當增加風速(<1.0m/s)，不但可以減少室內溫濕氣等分布不均的現象，還可減少植物葉片的邊界層阻力，增大氣孔導度，從而增強植物的光合作用和蒸騰作用。在植物工廠中，基于通風和循環系統的強制對流是控制生長環境并保持空間環境一致性的方法。生菜在通風設計不當條件下植株內部的葉片或新葉易發生燒邊(tipburn)，其原因由于存在高蒸騰需求下因停滯邊界層(stagnantboundary layer)導致低蒸騰速率。三維計算流體動力學(CFD)模型已研發出并被通過模擬單個栽培架生產系統而得以驗證。優良的氣流循環系統可有利于提供動態且均一的邊界層，可防止生菜燒邊發生。具有三排噴嘴的氣管用以提供垂直氣流到冠層表面。Zhang等(2016)研究表明，2個帶氣孔的管可提供平均氣流0.42m/s，變異系數44%，被推薦為最有設計。利用CFD模型研發了一套植物工廠空氣循環流動系統，極大地提高了不同高度、不同區域室內環境因子的均一性，有效降低了生菜頂部灼傷的概率。
太陽光型植物工廠四周圍護結構是由可透過太陽光的玻璃或塑料薄膜圍護而成。由于室內的太陽輻射不斷隨時間變化，導致室內的加溫、降溫、換氣負荷也不斷變化。此外，太陽光型植物工廠圍護結構的傳熱系數高達3~6W/(m2·K)，其保溫性能僅為人工光型植物工廠圍護結構的幾十分之一。因此太陽光型植物工廠的加溫和降溫負荷極易受室外氣溫、風速和降雪等因素的影響，隨時間變化較大。此外，室內地面與空氣之間也有很顯著的熱交換，這也是冬季夜間采暖負荷較高，而夏季制冷負荷較大的原因之一。
作物的蒸騰速度與空氣飽和蒸汽壓差(葉溫所對應的飽和蒸汽壓與周圍大氣水蒸氣分壓力之差)，以及葉片表面的水蒸氣擴散系數成正比。在一般情況下，蒸騰速度越大，植物根部對水分和養分的吸收速度也越大，而葉溫也會較周邊的空氣溫度低1~2℃。如果葉片蒸騰速度過快，不僅會導致氣孔導度減小，葉片向周圍空氣的水蒸氣擴散系數降低，植物葉片萎，還會使得周邊空氣通過進入葉片內的CO2速度減少，進而導致植物的凈光合速度下降。另外，葉片蒸騰速率也隨葉片周邊氣流速度的增加而增加。基于上述分析，在日間，應盡可能調整太陽光植物工廠的飽和蒸汽壓差和空氣流動速率，促進和優化植物蒸騰速率和凈光合速率就變得非常重要。對于種苗來說，一般定植后的種苗葉面積和葉面積指數較小，蒸騰速率不高，室內空氣的飽和蒸汽壓差較大，對種苗生長不利。在該情況下，應在維持適宜的室內氣溫的前提下，使用噴霧裝置增加室內空氣濕度，減小室內空氣的飽和蒸汽壓差。相反，若是室內的植物較為繁茂的話，葉面積指數較大，會阻礙室內空氣流動，使得葉片周邊氣流速度減小從而導致蒸騰速率和凈光合速率減小。
在密閉性較好的溫室中，室內風速很低，即使在溫室通風狀態下，室內風速亦常低于0.5m/s(Tongbai等，2010)。低風速常造成室內溫濕氣等分布不均比如，在晴天的白天，風速較低常使植物群落內部C02濃度得不到及時補充從而影響植物的光合作用。因此，溫室內適當增加風速(<1.0m/s)，不但可以減少室內溫濕氣等分布不均的現象，還可減少植物葉片的邊界層阻力，增大氣孔導度，從而增強植物的光合作用和蒸騰作用。在植物工廠中，基于通風和循環系統的強制對流是控制生長環境并保持空間環境一致性的方法。生菜在通風設計不當條件下植株內部的葉片或新葉易發生燒邊(tipburn)，其原因由于存在高蒸騰需求下因停滯邊界層(stagnantboundary layer)導致低蒸騰速率。三維計算流體動力學(CFD)模型已研發出并被通過模擬單個栽培架生產系統而得以驗證。優良的氣流循環系統可有利于提供動態且均一的邊界層，可防止生菜燒邊發生。具有三排噴嘴的氣管用以提供垂直氣流到冠層表面。Zhang等(2016)研究表明，2個帶氣孔的管可提供平均氣流0.42m/s，變異系數44%，被推薦為最有設計。利用CFD模型研發了一套植物工廠空氣循環流動系統，極大地提高了不同高度、不同區域室內環境因子的均一性，有效降低了生菜頂部灼傷的概率。