人工光植物工厂系统有哪些设计要点？
人工光植物工厂系统设计要点
导读
人工光植物工厂是一种环境高度可控、产能倍增的高效生产方式，不受或很少受自然资源制约，可实现在垂直立体空间的规模化周年连续生产，单位面积产能可达露地的40倍以上，不使用农药，产品洁净安全，对保障菜篮子安全、提升产业能级以及支撑国防战略都具有重要意义。植物工厂一般由外维护结构、育苗单元、栽培单元、管理单元及收获贮藏单元等部分构成，其设计的科学性、合理性、可行性直接关乎到系统运行的资源利用效率、产品产量与质量以及发展的可持续性等，同时还决定着投资经营者能否实现预期的效果及盈利目标。为此，笔者根据植物工厂建设目标与战略定位，归纳出系统设计的几个要点，谨供植物工厂建造的相关企业、用户以及科研机构等同行们参考。
前期调研与基础准备
由于人工光植物工厂投资大、运行成本高，投资者建设前期进行必要的调研分析与基础准备尤为重要，主要包括主栽品种的确定、系统功能及商业模式定位、市场调研及基础能力储备等。
品种选择与功能定位
植物工厂系统设计各构成要素（如栽培架层数、栽培层间距、光源功率、光配方配置、营养液池容积、电机循环泵功率、热泵功率等）的最优化配置与栽培作物的品种、生产规模等密切相关，而这些要素的确定又直接影响前期投入及后期运行生产效率。目前，植物工厂按照其目标和功能可分为三类：以盈利为目标的生产型植物工厂；以技术创新与系统研发为目的的科研型植物工厂；以科普教育、技术推广或观光休闲为主要用途的示范型植物工厂。在主栽品种的选择上，生产型植物工厂应选取弱光型、栽培周期短、能够实现高密度且具有较好经济价值的种类，如叶菜、香草类、药用草本植物、小型根菜（如小萝卜）、小型高档花卉、矮型果类（如草莓）、芽菜类等，不宜选取需光量高、生长周期长、株型高大的植物，如茄果类蔬菜等，该类型植物工厂通常投资和运行成本较大，资源利用率较高；科研型植物工厂多用于科教单位的试验研究，如光生物学、光配方、节能栽培、植物表型研究及系统装备软硬件的开发等，可根据实际科研目标确定种植品种及规模，重点应考虑试验设计的环境调控精度、各处理之间（栽培架或者隔离的生长室）非试验因素的平行性以及试验重复的空间隔离设计等，面积通常较小，但设备规格及控制精度高，可靠性强，单位面积投资额大；示范型植物工厂主要用于科普教育、休闲观光和展示示范，种植品种和生产规模应当根据预期的观光展示效果进行定位。为了能够最大化地满足不同目标的植物工厂的需求，建设单位应进行合理的功能定位和品种选择，不可盲目提高或降低建设标准。
商业模式及市场调研
以盈利为目的的生产型植物工厂对生产成本及市场需求更为敏感，要实现盈利，一方面要尽可能降低生产和运行成本，另一方面要找准产品的市场定位，深度发掘产品价值，构建有效的商业模式。在建设启动前，应进行充分的市场调研和精确的成本效益核算，并结合当地的消费水平、市场需求以及市场偏好等进行栽培品种的选择和市场预估等，实施有针对性的植物工厂系统建设。同时，还应提前明确产品的运输、销售模式以及产销对接渠道等，以保障产销链环节果蔬产品的品质等。
前期基础能力储备
植物工厂是设施农业发展的高级阶段，综合集成了现代工业、人工光源、无土栽培、自动化控制等诸多领域的技术成果，对管理人员的从业技能素质要求较高。相关人员除具有无土栽培技术经验外，还应具有植物栽培生理等相关知识，能够及时发现和诊断植物生长过程中可能出现的问题并对系统内各种环境参数做出科学调整。投资植物工厂的企业最好具有一定的工业生产或加工背景，争取在外维护结构、人工光源、栽培系统及配套工程等前期建设方面实现自主生产装配，以减少投资成本，提高产品市场竞争力。
系统设计要点
建筑物选址
为了维持植物工厂内设定的环境参数，杜绝外界病虫害侵入，保证产品的高品质与均一性，人工光植物工厂宜选用不透光的隔热材料将内部环境与外界隔离起来。由于系统相对封闭，建筑物不受空间走向（东西/南北）、空间位置（地上/地下/楼顶）等因素的限制，因此在选址上具有较大的随意性。目前国内外植物工厂的建筑物一部分为专门建造，也有一部分为利用已有建筑物或设施改造而成（图2）。
以盈利为目的的商业型植物工厂在选址上应考虑地块租金，尽量利用已经建成的封闭空间加以改造，以减少初期基建成本；以科研为目的的植物工厂在选址上应着重考虑与样品化验分析室的距离，以便后期鲜活植物样本的取样及时性和测试化验准确性等；以示范与观光为目的的植物工厂，其选址主要考虑与其他示范观光项目的配套方式，尽可能选址在相对核心的位置（图3）。
工程结构
植物工厂外维护通常为双层结构，外层一般为保温层，采用防火保温板材搭建，内层通常采用洁净板。在内部结构布局方面，植物工厂需具备更衣室（准备室）、风淋室、控制室、设备间、育苗室、栽培室、采收包装区、储存区及清洗消毒区等功能空间（图1），均需达到一定的洁净度及空气压力，杜绝外部污染物进入，确保农药零使用。有参观需求的植物工厂，在适宜位置可以设玻璃窗，但面积不宜过大，同时应尽量采用双层保温玻璃，以减少内外热量交换，降低空调热负荷。
人工光源配置
作为植物生长的唯一能量源及重要的信号源，人工光源是植物工厂系统设计至关重要的一部分。目前植物工厂主要采用LED作为人工光源，LED具有发热小、光配方精确可调控、安装适配模式多样、寿命长、光衰缓慢等优点，而且还能根据生产目的和植物品种进行灵活调制。在生产型植物工厂中，所用光源主要由基于光配方的多光谱LED组合（图4）或荧光粉调配（图5）而成，光谱固定后不可调整，但具有成本较低，操作维护和更换简便的优点。
在试验型植物工厂中，一般采用多光谱LED芯片组合光源，可根据试验设计任意调节光谱组成与光强等光环境因素（图6），光源的投资及更换成本较高。示范型植物工厂可根据展示需要使用上述光源中的一种或多种。LED光源耗电占人工光植物工厂电能消耗的60%以上（图7），系统中的光源布线不仅影响到后期光源的实际工作功率，而且还与电路安全息息相关。在系统配置前，要计算好人工光源的最大总功率，总用电量应低于所配电线的安全载流量，同时还应根据栽培架的空间分布位置和LED光源的组数预留合理的光源控制线及电源线接入口。多光质芯片组合式LED光源应注意各灯珠的排列密度与发光角度，尽量确保下方照光面上的混合光质光线均匀分布。
温湿度环境控制
尽管LED光源光电转化效率较传统光源有了很大的提升，但仍然有一大部分电能转化成热能散发到植物工厂室内环境中（图7），因此需要采用空调进行不间断调温。植物工厂系统设计中，需要根据室内人工光源总量计算系统总热负荷，选择适宜功率和制冷量的热泵机组。此外，为了使植物工厂内温湿度均匀，需要采用循环风机使室内空气保持流动，在设计时需根据植物工厂的规模确定适宜的循环风机及其送风与回风方式。由于电能消耗的很大一部分用于环境调控，因此在设计中需充分考虑节能技术的应用，通过选择能效比较高的机组，精确计算制冷量，合理选配空调机组，实现系统的节能。室外冷源的合理利用是实现空调节能的重要手段，在设计空调系统时应根据当地气候条件，在原有闭环风道的基础上，增设一组可控流量的外循环支路，通过自然通风迅速降低植物工厂内的温湿度，以达到节能的效果（图8）。需要注意的是，此种设计增加了植物工厂内外空气的交换，提高了外界污染物侵入的几率，必须在外循环支路上安装良好的过滤系统，同时需要定时清洗更换，保证植物工厂内洁净。此外，该通风方式会将室内高浓度CO2带至室外，造成CO2的浪费，需合理调配CO2施肥和外循环通风的时间，保证较高的资源利用效率。
营养液栽培及循环系统
该系统主要由栽培架、栽培槽以及营养液循环等部分组成。栽培架一般选用耐腐蚀的材料，如铝型材、不锈钢、高温镀锌板等。栽培架高度、层间距以及栽培层数应根据主栽品种和栽培规模进行计算，栽培架多于四层的需要配置升降作业车，层间距通常不低于40cm，栽培架尽量为可组装、层间距可调型，以便更换栽培品种后可以重复利用栽培架。栽培槽是放置在栽培架上的槽体，用于盛放营养液，目前主要有塑料（PVC）板焊接、聚苯乙烯发泡塑料（EPS）拼接以及聚丙烯发泡塑料（EPP）粘接等形式。不同形式的结构均各具优缺点，其中PVC焊接外表较美观，但有槽体沉重、加工运输不便、保温性差及成本高等缺点；聚苯乙烯发泡塑料拼接方式成本较低，保温性能好，但在拼接后不具备防水功能，需要在内侧铺设黑色防水膜保证营养液不渗漏，操作工艺较复杂，很难做到整齐标准，常常发生渗漏现象，外观的美观度较低；聚丙烯发泡塑料粘接是新出现的一种栽培槽拼装形式，采用专用胶水将成型的各部分槽体进行粘接，并在槽体上预留上下水管件的安装孔，操作简单，外观整齐，但成本高于聚苯乙烯发泡塑料拼接方式。栽培槽与栽培架长度应相同，且与人工光源规格相匹配，尤其是由模具生产的EPS和EPP槽体，其单位槽体长度已经固定，此时需要调整栽培架长度使二者对应，并为所用光源长度的整数倍。栽培槽中的营养液均从储液池中由水泵供给，出于节约土地与造价的考虑，储液池的容积通常小于栽培槽总容积，需配液2~3次方能形成循环回路，供液模式根据营养液管路敷设特征分为顺序供液和同时供液，顺序供液模式中水泵将营养液输送至最高层栽培槽，将其灌满后由回液口排出，流至下一层栽培槽，直至流回储液池形成一个循环（图9）；同时供液模式中，水泵将营养液同时注入每一个栽培槽内，各栽培槽再同时回流至营养液池；后者对水泵的要求更高，需要高扬程大流量水泵，但其循环效率也相应提高。
储液池可置于植物工厂内挖出的地窖状池子，也可以置于单独的设备间地面上（图10），前者常用于大规模生产中，节省了地上空间，但是增加了池体清洗和池内栽培剩余物清理的不便，应注意给排水管路敷设，实现进出水方便。地面储液池一般用于小型植物工厂中，此时储液池液面高度通常高于最底层栽培槽，致使无法采用重力回液方式进行营养液回流，需在栽培架下方增设加装有液位传感器的小营养液池，临时储存重力回液，当液面高度达预定值时自动启动水泵，将小营养液池中的营养液泵至主池。
气流及CO2补充
提高植物净光合速率（NetPhotosyntheticRate，NPR）所需成本由低到高的顺序为增大气流速度、调节温度、增大CO2浓度、增大光照强度，因此，在植物工厂生产过程中，适当调节气流速度和提高CO2浓度能够弥补较低光照强度对植物的不利影响。系统设计时推荐的气流速度均值为0.5m/s，苗期应小于该值（0.3m/s左右），成熟期略高于该值（0.7m/s左右）。植物工厂内的气流由循环风机产生，适当的空气流动能够保证植株处于适宜流速的空气及均匀的温湿度环境中。常见的气体循环方式包括“侧进侧回式”“侧进上回式”“上进侧回式”等多种（图11），需根据植物工厂规模大小及内部栽培架摆放方式等进行选择，如单间栽培室的面积较小（小于50m2），可采用侧进侧回或顶部回风、两侧多孔板送风，隔层内置风机的方式，该模式的进出风以及温度分布的均匀性较好，适合科研用小型单间生长室，但不适用于两面墙之间跨度较大的商用型植物工厂；较大规模的植物工厂内空调热泵的布置方式可以采用中央空调，多管道送风的方式。
适宜的通风方式能够使植物工厂各栽培区获得较为均匀的环境，避免出现局部温湿度、风速失控的情况。通风的另一个关键指标为换气次数，即单位时间内植物工厂内送风量与植物工厂体积之比，过低的换气次数不足以使植物工厂内部热量及时排出，过高又会造成局部气流速度过大，尤其是靠近出风口处的植株，容易受到机械损伤。CO2的补充通常经通风管道进行气体施放，由于人工光植物工厂的密闭性良好，因此，补充的CO2气体85%~90%能够被植物吸收，泄漏到室外的只有10%左右，商业型植物工厂增施CO2的性价比较高。不同植物在不同的光照强度下CO2饱和点会有所差异，因此，还应结合植物工厂内光源的供光模式、目标作物的CO2补偿点、实际的CO2饱和点等进行气罐体积、进气阀门的设计，实现高效补气。此外，CO2的补充还要注意与外循环通风时间错开，以减少CO2的外泄损失。
智能控制系统设计
人工光植物工厂中的智能控制涉及的主要因素包括光照、温度、湿度、CO2、气流及营养液等，各因素间彼此有着复杂紧密的联系。如不同植物在不同生长期对光照的要求不同，光照变化后植物工厂内热负荷也随之发生变化，进而影响到空调、风机等内部设施的调控需求（图12）。在设计植物工厂控制系统时，应以植物为初始和最终调控对象，围绕植物需求设定一连串随时间变化的环境变量，方能使植物工厂内部环境尽量优化，以保障植物的快速、健康生长。
系统安全性能
由于人工光植物工厂具有较好的密闭性，因此防水、防火性能尤为重要。植物工厂保温层建议选择防火性能较好的材料，并安装火灾报警器，同时应设置足够的紧急出口，便于火灾发生时人员的疏散、撤离。在植物工厂施工初期，切记在各个栽培区域预留好直径适当的下水管道，下水道的数量根据最大排液量而定，保障废液的畅通排出，避免溢水。此外，在下沉空间建造的植物工厂，应该配置水位报警装置，避免气候或人为所致的水灾。
结语
植物工厂系统设计的科学性和合理性极大的影响到后期的系统产出效率及投产比，因此在设计层面应紧密围绕降低建设成本，节能降耗，资源高效利用，植物产品优质、高产等开展相关工作。
作者：杨其长 ，李琨 （中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所）；陈晓丽 （ 北京农业智能装备技术研究中心）
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