随着植物工厂相关技术的不断成熟以及消费者对高品质蔬菜需求的不断提高,空间大型化、栽培密集化的生产型植物工厂建设规模不断扩大。常规空调+风道的环控方式受植物叶片生理活动及冠层边界层阻力影响,难以保证栽培区域各处气流均匀,导致温度场、湿度场与设定值出现偏差,部分区域热量积累严重,能源利用效率较低,环控效果较差。与此同时,蔬菜在这一环境下会出现生长受限,病害增加,产量降低等现象,达不到未来植物工厂对产量和品质的需求。针对这一问题,本研究提出针对各栽培区进行精准微环境调控的解决思路,并首次提出以栽培板和营养液间空气层作为气流通道,将适宜参数空气直接输送至蔬菜周围的解决方案。研究对根域通风这一创新的气流组织形式以及蔬菜常规环控方式（CEC）下的气流分布特征进行了CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟,对蔬菜冠层上部自下而上及侧向通风气流特征进行了描述,明确了常规环控方式存在的问题,探明了根域通风的理论可行性。为了验证模拟的准确性,研究开发出根域通风系统（RV）,以定植栽培20天后的生菜作为试材,在同一环境条件下对低速连续通风（LCRV）、高速间隔通风（HIRV）与CEC下生菜冠层及根域环境参数变化进行对照,测试其通风调温效果,获取了根域通风方式下空气层、营养液、冠层区域的微环境变化情况。在上述试验基础上,进一步创制出根域空气层通风调温系统（ILCA）,采用基于水冷机组提供冷源的热交换器对导入水培系统空气层的空气进行温度调控。研究确定环境温度,冷水温度,冷水流量和风机流量为系统性能主要影响参数,将最低出风温度,系统平衡时间及冷却时间作为主要评价指标。通过二次通用旋转组合设计,对系统中关键运行参数进行优化,以较小的能耗满足植物微环境需求。通过上述研究,取得了以下研究结论:1)CFD模拟表明根域通风方式能够提供均匀稳定的气流,在试验转速范围内增加,各通气单元平均风速为0.051～0.11 m/s,且不同转速下各通气单元风速差异不大,优于常规通风模式。2)与CEC对照相比,根域通风方式能够大幅降低空气层和冠层下部温度2.67和1.77℃;降低相对湿度7-10%,提高冠层下部CO₂浓度139×10^-6。3)根域通风方式可降低营养液温度,减缓溶解氧下降趋势。在营养液中,LCRV液温较CEC降低4.03℃;HIRV大幅减缓了溶解氧下降趋势,试验结束时仍维持在3.8 mg·L^-1,同期LCRV和CEC处理只有1.8 mg·L^-1。4)得到了以最低出风温度,平衡时间以及冷却时间为目标函数的二次回归方程分别为:Y_A=24.51+2.19X₁+0.77X₂-0.13X₃+0.12X₄+0.54X₁²+0.44X₂²+0.11X₃²+0.048X₄²+0.079X₁X₂-0.10X₁X₃+0.051X₁X₄-0.062X₂X₃+0.55X₂X₄-0.24X₃X₄ Y_B=3.04-0.30X₁-0.30X₂-0.47X₃-0.59X₄+0.040X₁²-0.31X₂²+0.39X₃²-0.14X₄²-0.97X₁X₂-0.12X₁X₃+0.078X₁X₄+0.38X₂X₃-0.17X₂X₄+0.62X₃X₄Y_C=18.02+7.14X₁-7.73X₂+0.96X₃-1.19X₄+0.79X₁²-0.62X₂²+0.26X₃²-0.97X₄²-1.44X₁X₂-0.75X₁X₃-2.23X₁X₄+0.25X₂X₃+3.64X₂X₄-0.50X₃X₄上述二次回归方程均具有显著性且方程失拟不显著,与试验拟合较好。通过对上述方程的分析可知,环境温度对最低出风温度影响最大,冷水温度次之;对平衡时间影响最大的因素是风机流量,冷水流量次之,冷水温度第三;对冷却时间影响最大的因素依次为冷水温度和环境温度。以出风温度24℃为目标,系统运行时间尽量短,能耗尽量低为原则,进行优化组合筛选分析,确定ILCA系统最佳组合为环境温度28℃,冷水温度18.5℃,冷水流量0.63 L·min^-1,风机流量1.2 cm³·s^-1,平衡时间4.8分钟,冷却时间5.0分钟。在此参数组合下,最低出风温度可以达到24℃。5)本研究通过生菜栽培试验验证了上述优化运行参数。通过与CEC进行对照,发现优化ILCA能够显著改善植株微环境参数:降低空气层内温度2.5℃,降低冠层内部光暗期温度1.1℃和2.1℃;保持营养液温度在21.5±0.3℃,较对照低2.3℃,缓解营养液溶解氧浓度随时间推移的下降趋势,在三天的监测时段内从5.8 mg·L^-1缓慢的降低至5.4 mg·L^-1。6)在上述微环境及空气流动影响下,能够在不影响产量的情况下,提高老叶存活率,限制根系生长。试验发现处理中叶片数增加13.9%,根系鲜重显著降低41.7%,根长缩短23%;其总根长度、根表面积、根投影面积、根体积及平均根系直径分别较对照也显著降低了39.1%、38.2%、37.9%、48.1%和12.1%。显著降低了无食用价值的根系养分消耗,有利于营养元素利用效率的大幅提升,对延长营养液使用时间,减少水培肥料使用,降低生产成本起到了积极作用。7)环控能耗计算结果表明,CEC对照中总耗电量627.6 k Wh,ILCA处理总耗电量294.4 k Wh;结合前述产量数据,CEC系统环控能耗产品转化率（EBCE）为29.4g·k Wh^-1,ILCA系统环控能耗产品转化率为59.5 g·k Wh^-1,较对照提高了102%,实现节能50.6%。综上所述,CEC中冠层与环境参数差异明显,以环境参数作为调控依据不够准确;相比之下,RV在解决传统环控方式通风温控不均匀的同时,对地上部及地下部多种微环境参数调控起到了积极作用,降低环控要求,提高空调温控效率,具有推广价值。ILCA系统能够高效改善植物微环境参数;在不影响生菜产量的同时显著降低根系重量,减少养分消耗;与CEC相比,实现节能50.6%。当室外温度低于28℃时,将其引入植物工厂内,配合优化的运行参数,ILCA可以替代常规环控方式对植物工厂内环境进行调控。