基于蒸腾耦合CFD分析的气流增强与LED散热对室内垂直农场生菜冠层尺度微气候均匀性的影响

《Computers and Electronics in Agriculture》：Transpiration-coupled CFD analysis of airflow enhancement and LED thermal mitigation on canopy-scale microclimate uniformity in indoor vertical farms for lettuce cultivation

　　

• 蒸腾耦合的CFD模型评估了垂直农场中冠层尺度的微气候条件。
• 循环风扇提高了冠层尺度的均匀性；水冷LED降低了热负荷水平。
• 房间平均值指标可能无法充分代表冠层尺度条件。
• 冠层尺度VPD的绝对标准差在不同策略之间变化不大。
• 联合策略使冠层平均温度降低1.2°C，标准差降低65%

引言

全球粮食安全正日益受到气候变化、人口增长和耕地资源枯竭的威胁（Brown and Funk, 2008, IPCC, 2023）。为满足这些约束条件下的预期粮食需求，能够将食品生产与室外气候条件脱钩并减少土地和水资源需求的替代性生产系统日益受到关注（Kozai, 2013, Tilman et al., 2011）。其中，室内垂直农场已成为实现稳定、全年作物生产的关键技术，尤其适用于土地稀缺、运输距离长且需应对气候变异性挑战的城市环境（Al-Kodmany, 2018, Kalantari et al., 2018）。此类设施的性能在很大程度上取决于环境控制系统的精确度，该系统必须同时调节温度、湿度、气流和CO?浓度，以支持最佳作物生长并最大限度地减少能源和水资源消耗（Ahamed et al., 2023, Liebman-Pelaez et al., 2021）。尽管此类设施使用集中式空调系统，但冠层尺度的微气候条件往往与暖通空调控制器设定的房间平均值条件存在显著偏差，尤其是在多层栽培布局中，密集的冠层层和大热通量LED模块共同造成垂直热分层、回流区和冠层间滞流区（Bartzanas et al., 2013, Sohn et al., 2023, Zhang and Kacira, 2022）。这一冠层与房间之间的差异至关重要，因为作物蒸腾、光合作用和生长均匀性直接受每株植物周围局部环境的影响，而非房间整体平均值。设计能够有效解决冠层尺度异质性的补充气候控制策略，需要对冠层微气候进行空间分辨分析，并定量了解每种候选策略如何改变微气候条件。

为解决这一微气候异质性问题，此前的研究探讨了多种缓解策略，可大致分为两大类，即气流增强和源头级热管理。气流方面的方法包括优化空气分配布局，合理布置送风口和回风口，以及在栽培层附近或内部安装循环风扇进行局部气流增强，以促进冠层间滞流区的对流混合（Fang et al., 2020, Zhang et al., 2016）。在热源方面，水冷LED系统被提出作为一种减少LED对冠层施加热负荷的手段，通过在热源处吸收LED产生的大量热量，使其在扩散到栽培空间之前即被消除（Park et al., 2011）。实验研究已表明，增加作物冠层附近的局部风速可通过减薄边界层和增强对流散热来降低叶-气温度差，而水冷LED可通过在热源处截留热量、使其不进入栽培环境来降低冠层平均温度（Chung et al., 2014, Lee et al., 2025, Park et al., 2011）。两种策略均已分别被证明能降低冠层区域温度，但两个直接关系到商业垂直农场运营决策的问题仍未得到解决：（i）在冠层平均温度降低程度相当的情况下，循环风扇和水冷LED系统是通过相同的物理机制发挥作用，即对已建立的 thermal field 进行空间均质化，还是通过根本不同的机制，即涉及平均热负荷的重新分配与空间变异的抑制？（ii）在同时运行时，两种策略在冠层尺度微气候响应方面是否表现出叠加、协同或相互抵消的交互作用？

实验研究在本质上受到传感器密度和空间覆盖范围的有限制约，难以解析复杂多层栽培空间内的三维微气候分布（Montoya et al., 2020, Sohn et al., 2023）。即使是先进的传感器网络通常也只能提供离散点测量，无法完全捕捉冠层尺度上的连续气流、温度和湿度场。在此背景下，计算流体力学（CFD）已成为分析室内植物生产系统微气候条件的必要工具，它能够对气流、热量传递和水分传输进行高分辨率的三维耦合模拟，从而补充并拓展基于传感器的监测能力（Bartzanas et al., 2013, Norton et al., 2007）。近年来，基于CFD的室内垂直农场研究取得了显著进展，定量分析了作物冠层引起的空气流动阻力，表征了LED引起的热羽流，并评估了通风和空气分配策略对空间温度分布的影响（Fang et al., 2020, Kang et al., 2024, Zhang et al., 2016）。最近的研究进一步展示了CFD作为虚拟环境映射工具在植物工厂数字孪生开发中的潜力（Larochelle Martin and Monfet, 2024, Sohn et al., 2023, Zhang et al., 2023）。回答上述两个问题需要一套蒸腾耦合的CFD框架，该框架能够以统一基准系统地比较两类干预措施及其组合效果，并将每种策略的影响定量分解为均值水平分量和均匀度水平分量。目前在室内垂直农场文献中尚未报告此类框架。

对于本研究考虑的室内垂直农场几何结构，两项先前的CFD研究提供了已验证的基准。Zhang and Kacira (2022) 引入了参考实验设施，并通过耦合测量和CFD表征了集中式空调运行条件下的基准气流场。Kang et al. (2024) 随后在同一设施几何结构中使用蒸腾耦合CFD模型，以相同的实验速度数据集进行验证，并分析了入口流量条件和作物阻力系数对冠层尺度气流分布的影响。这些工作共同建立了本研究赖以构建的已验证几何和建模基准；此处考虑的集中式空调配置（CASE 1）在一致于这些参考研究的条件下运行，并作为本研究模型的验证基准。

在此基础上，本研究致力于解决上述提出的未解决问题。尽管循环风扇和水冷LED系统在商业植物工厂中被广泛用于减轻LED引起的热负荷，但Zhang and Kacira (2022) 和Kang et al. (2024) 均未在蒸腾耦合框架内定量评估这些补充策略（单独或组合）对冠层尺度微气候均匀性的影响。Yu et al. (2026) 的较新研究将CFD与贝叶斯优化相结合，在单架尺度上优化了局部风扇管通风硬件，但仅将蒸腾视为潜热项而未求解水蒸气传输，也未考虑源头级热缓解。蒸腾耦合在CFD模型中的保真度是冠层尺度微气候评估准确性的关键决定因素，因为作物蒸腾是室内农场中水分传输和潜热交换的主要驱动力（Fatnassi et al., 2023, Graamans et al., 2017）。在温室环境中，CFD研究表明，纳入作物蒸腾会显著改变预测的冠层附近温度和湿度的空间分布（Boulard et al., 2017, Fatnassi et al., 2023），但在现有CFD研究中，蒸腾与水蒸气传输的完全耦合程度存在很大差异。因此，本研究采用Graamans et al. (2017) 的显式蒸腾耦合方法，将水蒸气物种传输与冠层能量平衡同时求解，以实现冠层湿度和VPD分布的空间分辨预测。本研究使用的蒸腾耦合CFD平台由本文作者先前开发并验证（Lee and Oh, 2025），该研究用于表征室内栽培环境中送风温度和湿度如何决定作物蒸腾。先前的工作建立了建模框架，但未涉及冠层级别的运营干预措施，如循环风扇或源头级热缓解。本研究将已验证的平台应用于一个根本不同的研究问题，即不同干预类别如何塑造冠层尺度微气候均匀性，并引入了下述分析和建模扩展。

本研究引入均值与均匀度分析框架作为其主要方法论贡献。该框架将每种运营策略的效果定量分解为两个分量，即平均热状态的偏移和空间均匀度的变化，从而能够在统一基准上直接比较气流级和源头级干预措施的效果。在该框架内，追求三个具体目标：（1）在Zhang and Kacira (2022) 的多层室内垂直农场中，表征集中式空调运行下冠层尺度微气候异质性的发展，并量化房间尺度和冠层尺度指标之间的差异；（2）在统一的蒸腾耦合CFD框架内评估三种补充干预策略（循环风扇、水冷LED及其组合）的效果；（3）确定这些策略是通过相似还是根本不同的机制发挥作用，以及在同时部署时它们的效果如何叠加。水冷LED系统使用冷却水域的共轭传热建模来表示，为源头级热量提取提供了物理一致的处理方式，这在室内垂直农场CFD研究中极少与蒸腾耦合微气候分析相结合使用。

文章节选

室内垂直农场的描述

如图1所示，室内垂直农场的几何构型直接采用了Zhang and Kacira (2022) 的实验设施，该设施随后被Kang et al. (2024) 的CFD研究作为参考平台。室内空间尺寸为5.84 m（长）× 3.84 m（宽）× 3.86 m（高），内含两个平行排列的生长架，每个生长架由三个垂直堆叠的栽培层组成（每层1.35 m × 2.55 m）。

调节空气

模型验证

为评估CFD框架在重现室内气流条件方面的可靠性，开展了验证研究，将CFD预测的风速和温度剖面与在都市农业垂直农场实测的实验数据进行了对比，该设施首先由Zhang and Kacira (2022) 报道，随后被Kang et al. (2024) 针对同一设施采用。对应空气温度为23.25°C、相对湿度为……的湿空气……

研究局限性

本分析在代表连续照明和恒定HVAC运行的稳态条件下进行。与光周期循环、动态HVAC控制或作物生理响应短期变化相关的瞬态效应未被解析。作物冠层被建模为具有均匀生理特性的均质多孔介质，这提供了对成熟冠层整体空气动力学和辐射响应的一般化表征。

结论

室内垂直农场长期以来依赖房间平均环境指标来评估生长条件，隐含地假设这些整体指标能够充分代表作物所经历的微气候。在本研究采用的多孔介质框架内，结果表明在多层栽培系统中，这种假设可能并不充分，因为LED引起的热分层和冠层间受限气流产生了空间异质性，而房间尺度测量……

CRediT作者贡献声明

Doyun Lee：写作—初稿、可视化、验证、监督、方法论、数据整理、概念化。Young Jik Youn：写作—审阅与编辑、资源、调研、资金获取、概念化。Wonseok Oh：写作—审阅与编辑、写作—初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调研、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究由韩国食品农业林业技术规划与评估院（IPET）和韩国智慧农场研发基金会（KosFarm）通过智慧农场创新技术开发项目资助，由韩国农林食品部（MAFRA）、科学技术信息部（MSIT）和农村发展厅（RDA）提供资金支持（RS-2025-02314149）。

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