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与流程

技术特征：
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q
sem
由以下作物冠层空气动力学特性决定：
式中ρ为温室内空气密度，c
p
为空气的比热容，lai为作物叶面积指数，t
c
为冠层温度，t
i
为室温，r
a
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q
lat
可用下式表示：式中，λ为蒸腾通量，w
leaf
，w
i
为作物冠层和空气的绝对湿度，r
sl
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、提取方法：通过fluent\export导出选定区域的物理量，根据导出的profile文件格式整理得到各环境参数的响应矩阵。7.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(7)中，采用奇异值分解svd技术对环境响应变化空间进行降维，具体步骤包括：7.1、使用步骤(6)中的环境响应矩阵组成参数矩阵r，其中，r为一个n
×
m阶的矩阵，n为温室内部作物区域选定的网格点个数，m为参数向量的数目；7.2、利用特征值方程(r
t
r)v
i
＝λ
i
v
i
解出n个特征值与对应的n个特征向量v
i
，所有特征向量张成一个n
×
n的矩阵v；利用(rr
t
)u
i
＝λ
i
u
i
解出n个特征值与对应的n个特征向量u
i
；7.3、利用σ
i
＝rv
i
/u
i
解出每个奇异值，对应的svd基表示为：7.4、选择合适的截断值k，使得前k个奇异值包含的系统特征值占总能的比值达到99％以上；由此，环境响应变化空间可近似表述为k个奇异向量及其系数a的线性组合；其中p(n)表示n个网格点上的稳态环境响应结果。8.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(8)中，采用作物生长模型中的干物质质量表征作物的生产效益，时间段选取作物日间光合作用时段，以生菜类作物模型为例，表征干物质质量的一阶差分方程如下：其中，x
d
为作物干物质质量，c
αβ
为作物产量因子，是光合反应速率，c
resp,d
是以呼
吸干物质量表示的呼吸速率参数；z
t
为作物区域平均温度，由cfd环境响应得到；k为时间步，上式中的光合反应速率由下式计算：其中，c
pl,d
是单位质量下的作物有效冠层面积参数(m2kg-1
)，c
rad,phot
是光利用效率参数(kgj-1
)；v
rad
为太阳辐射量(wm-2
)，由cfd室外太阳辐射和温室遮阳率变换得到；)，由cfd室外太阳辐射和温室遮阳率变换得到；和分别表示温度对光合作用的影响参数；z
c
(k)是作物区域的平均二氧化碳浓度，由cfd环境响应得到；c
r
是二氧化碳补偿点参数(kgm-3
)。9.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(9)中，作物区域的生长环境均匀性指标j
even
由作物区域网格点处的温度、湿度和二氧化碳浓度值的方差和表征；作物生长效益指标由作物生产的经济收益减去风机电能耗和二氧化碳的加注能耗,为统一单位，收益和能耗都折算为市场价格，以指标j
econ
表示,由此，优化设计的目标函数集为：生长环境均匀性指标j
even
中，t
i
，h
i
，c
i
表示作物区域网格点处的温度、湿度和co2浓度，z
t
，z
h
，z
c
为其平均值；n
p
为网格点数目；作物生长效益指标j
econ
中，prc
xd
为作物市场价格，v
air,k
为风机送风速率(m3/s)，η
fan
为风机效率，δp为温室进出口压强差(pa)，prc
e
为当地电价；v
co2
为二氧化碳加注速率(m3/s)，ωρ分别为co2的质量分数和密度，prc
co2
为co2加注价格，t
hour
为作用时间。10.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(10)中，优化算法采用多目标moea/d优化算法，优化目标为作物生长环境均匀性指标j
even
最小，作物生长效益指标j
econ
最大；算法种群数设置为500，迭代次数设置为70,每次迭代过程的温室环境响应通过步骤(7)对奇异向量系数的多维插值快速解算得到。

技术总结
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。设施农业节能减排。设施农业节能减排。


技术研发人员：李康吉 孟凡跃 米艳慧 薛文平
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2021.11.18
技术公布日：2022/3/18