一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114200986A(43)申请公布日2022.03.18(21)申请号202111367396.X(22)申请日2021.11.18(71)申请人江苏大学地址212013江苏省镇江市京口区学府路301号(72)发明人李康吉孟凡跃米艳慧薛文平(51)Int.Cl.G05D27/02(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图2页(54)发明名称一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法(57)摘要本发明公开了一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，根据温室实际确定关键设计参数及可行范围；使用计算流体力学(CFD)工具建立温室环境的三维模型；构建多孔介质模型，模拟作物与周围环境的热交互；在可行范围内，对设计参数多维采样进行CFD仿真；提取环境参数稳态响应结果，利用奇异值分解技术重构环境替代模型；建立作物生长模型，设置作物生长效益指标和环境参数的均匀性指标；利用环境替代模型和多维插值快速解算环境响应，实施关键设计参数的多目标优化。本发明通过引入作物模型来测算候选环境参数引起的相关环境变化及经济效益，使得温室环境的优化设计更具针对性，能够最大化作物生产效益，同时促进设施农业节能减排。CN114200986ACN114200986A权利要求书1/3页1.一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据温室外部天气条件和围护结构特性，确定影响温室环境的关键设计参数及可行范围；(2)在可行范围内，对设计参数进行多维采样，每个采样点组成一个参数向量；(3)根据步骤(1)所述外部天气条件与温室围护结构，以及步骤(2)所述参数向量，使用计算流体力学工具CFD建立温室环境的三维模型；(4)温室内部的作物区域由多孔介质构建，用于模拟作物与周围环境的热交互作用；(5)针对每个参数向量分别运行CFD稳态仿真；(6)提取每次仿真结果中作物区域的环境参数稳态响应值，包括温湿度场、二氧化碳分布、风速流场等，组成对应的环境响应变化空间；(7)利用奇异值分解技术对上述空间进行降维，重构出对应低维子空间，用于环境响应的快速解算；(8)建立作物生长模型，用于求取各个环境响应下温室作物的生产效益；(9)设置作物区域的环境均匀性指标，并结合作物生长效益指标建立优化设计的目标函数；(10)根据步骤(9)所述目标函数，利用全局优化算法对步骤(1)所述设计参数进行多目标优化。每次迭代过程的温室环境响应由步骤(7)所得的低维子空间通过多维插值快速解算。2.根据权利要求1所述的一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，温室外部天气条件包括温湿度、光照强度和风速；影响温室作物生长环境的设计参数包括顶棚遮阳率范围、风机位置和二氧化碳加注位置。3.根据权利要求1所述的一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，为保证环境参数模型降维的精度，参数采样方法采用多维等间距采样。4.根据权利要求1所述的一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，计算流体力学工具采用ANSYS软件；温室环境建模的具体步骤包括：A、采用ANSYS里的DesignModeler软件对温室结构进行几何建模；根据步骤(2)所述参数向量对温室顶棚遮阳帘、负压风机和二氧化碳加注设备分别进行参数设置；B、将几何模型导入mesh软件进行网格划分，并将划分后的网格文件导入fluent软件；C、设置CFD模型边界条件；选择动量、湍流和DO辐射模型模拟温室内的热对流与热辐射现象。5.根据权利要求1所述的一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，设置多孔介质构建温室作物区域，运用显热、潜热模型模拟作物与环境之间的热交互作用，具体步骤包括：4.1、由于温室中作物冠层与室内空气存在温差，作物‑环境之间显热交换量Qsem由以下作物冠层空气动力学特性决定：2CN114200986A权利要求书2/3页式中ρ为温室内空气密度，cp为空气的比热容，LAI为作物叶面积指数，Tc为冠层温度，Ti为室温，ra为作物叶片空气动力学阻力；4.2、作物将太阳辐射产生的显热转换为潜热释放到温室，潜热量Qlat可用下式表示：式中，λ为蒸腾通量，wleaf，wi为作物冠层和空气的绝对湿度，rsl为作物叶片的气孔阻力。6.根据权利要求1所述的一种考虑作物生产效益和节省能耗的温室环境优化设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，提取作物区域环境参数稳态响应值的具体步骤包括：6.1、根据温室作物生长区域，选取作物冠层高度的平面，提取平面上所有网格点的环境响应值；6.2、