日本专家谈植物工厂环境调控技术
人工光型及太阳光型
植物工厂空调应用技术
0.引言
1.人工光型植物工厂
1.1构成要素和特征
1.2空气清净度、CO2浓度和空气温湿度
1.3光照强度分布
1.4降温负荷
1.5热泵的成绩系数
2.太阳光型植物工厂
2.1室内气温的调控方法
2.2饱和蒸汽压差控制与风速控制
2.3降温负荷和加温负荷的最大值
2.4 CO2零浓度差控制方法
3.结语
截至2016年2月，日本共拥有人工光型植物工厂191座，太阳光利用型植物工厂229座。该数字自2009年以来一直在持续增加。但根据估算，能够实现盈利的人工光植物工厂不及总数的一半。另外，日本农林水产省自2014年起启动了“次世代植物工厂”发展计划，开始对太阳光型植物工厂和人工光型育苗装置进行补贴。截至目前，共有10余座生产规模在3~4 hm2的植物工厂在该项计划的资助下建成运营。环境控制技术是增加植物工厂作物产量、提高品质、降低成本的重要手段，进而使植物工厂的经营状况获得有效改善。因此，就必须要对植物工厂环境调节的基础知识有深刻的了解。本文阐述了人工光型和太阳光型植物工厂的空调应用技术。其中，本文所引用的文献和已翻译为中文并出版，文献正在翻译中。文献对人工光型植物工厂进行了全面阐述。另外，提高生产效率同样是改善植物工厂经营情况的重要措施，将另文论述。
人工光型植物工厂是由栽培室、作业室、预冷库、仓库、事务室、更衣室、洗手间等房间构成。本文主要针对栽培室的空调利用技术进行阐述。栽培室内营养液栽培装置的测量控制技术也很重要，但由于与空调应用技术的关联度较少，所以本文不对其展开论述。另外，在生产过程中，为了防止附着在人身体上痢疾杆菌、霍乱弧菌等细菌污染作用，很多植物工厂严格要求工人必须换穿无菌作业服，经过风淋室消毒后才能进入栽培室和作业室。
1.1构成要素和特征
人工光型植物工厂的栽培室由6大要素构成：①高保温、高密封、高清洁度的房间；②照明装置和配备营养液栽培槽的多段栽培架；③家用空调或工业空调（以下称之为“热泵”），以及室内空气循环风机；④CO2施肥装置（为促进植物光合作用）；⑤营养液罐及配管、循环泵、杀菌装置（紫外线、臭氧、过滤膜等）等；⑥室内气温、照明、营养液等环境测量控制装置。此外，还包括空气净化器等附属品。
在人工光型植物工厂内，为了最小化室内气温波动以及防止出现结露，常采用高保温的围护结构。对于寒冷地区来说，还应隔断地面的传热。根据植物工厂所在地的气候，人工光型植物工厂围护结构的传热系数约为0.1~0.2 W/（m2·K）；栽培室的换气次数约为0.01~0.02次/h。如果规范中对植物工厂换气次数有明确规定，应予以遵守。另外，栽培室的密闭程度很高，为了保护工人健康，防止植物生长不良，应当选择不产生挥发性气体的建材。对于光照来说，栽培床面的光合有效光量子密度约为100~200μmol/（m2·s）（对于宽度为1 m左右的栽培床，单位面积上应配置3~5支40 W的荧光灯）。一般栽培架包含10~15层栽培床，当栽培架的灯全部用于照明时，相同地面面积的照明用电是普通办公室的数十倍。
1.2空气清净度、CO2浓度和空气温湿度
蔬菜带菌数：栽培室内的空气较为清洁，没有细菌。但是栽培室内的植物叶片表面分泌的淀粉以及多糖类粉末会飞散到空气中。因此与半导体工厂相比，人工光植物工厂的空气清洁度（粉尘含量）较差。在实际中，苛求较高的空气清洁度是没有意义的。虽然空气中有少许粉尘，但人工光植物工厂所收获的蔬菜微生物较少，尤其是不含对人身体有害的病原菌，粉尘不会对蔬菜的品质或人体健康产生影响。根据相关标准，人工光植物工厂中，1g新鲜蔬菜的菌落形成单位应在300以下。该数值是温室生产蔬菜和露地生产蔬菜菌落形成单位的1/100~1/1000。如果蔬菜的包装及装袋工序都在密闭的栽培室内进行，那么，蔬菜采收初期的微生物密度将会更低。采收后微生物数量虽然会随着时间有所增加，但基本可以不用清洗直接食用。
CO2浓度：在设定人工光植物工厂照明期间的CO2浓度时，应首先遵守卫生管理的相关法律。一般情况下，当室内CO2浓度维持在1000μmol/mol以上时，能有效促进植物的光合作用。因此，当栽培室内没有作业人员时，室内的CO2浓度一般会高于1000μmol/mol。人工光植物工厂实行高度密闭不只是为了防止室外的昆虫、微生物以及小动物进入室内，减少室内水蒸气和热量散失，更重要的是防止室内CO2流失到室外（室外大气的CO2浓度仅有400μmol/mol）。
空气温湿度：人工光型植物工厂的室内气温控制在20~25℃左右。栽培室内并排布置数排多层栽培床。栽培架顶端距离屋顶很近，不利于屋顶空气流动，栽培室内的空气流动性能也较差，使得栽培室在垂直方向上容易出现温差。此外，栽培架内灯具开启时，会向外释放热量，栽培架内空气温度一般会与室内气温有1~2℃的差异。但是，如果能够促进栽培架的空气流动，使栽培架内的气流速度达到每秒数十厘米的程度，则栽培架内外的温差会减小至1℃以内。如何实现照明期间室内气温分布的可视化和控制是以后面临的最大课题之一。当照明灯具开启时，栽培架的灯具发出的光能被植物叶片吸收，然后转化为潜热和显热。潜热和显热的比例受植物冠层叶面积、气孔导度以及叶片周边的气流速度等因素影响。目前，室内的空气温湿度可通过市场上的流体动力学分析软件进行模拟，但是室内的气流分布情况随植物长势以及栽培密度不断变化，必须通过实际测试来有效把握。
通过提高光合速率可有效促进植物生长。从该观点来看，当室内气温为20℃，栽培室内空气的相对湿度应维持在80%（饱和蒸汽压差为0.5 kPa）时对植物光合速率比较有利。当栽培室内所有灯具停止运行时，受植物蒸腾作用的影响，室内空气相对湿度容易达到100%。在如此高的相对湿度下，墙壁和地面上容易产生结露。而反过来，若植物蒸腾作用受到抑制，植物的茎和叶柄容易变的细长。因此，应该使栽培室内维持适当的空气相对湿度，一般人工光型植物工厂栽培室内的灯具不会全部停止运行。如果一直有部分灯具运行，则必须要利用热泵对栽培室进行降温以除去灯具运行过程中产生的热量。与此同时，室内空气中的水分也可以被热泵除去，从而有效降低室内空气的相对湿度。此外，一部分灯具运行，一部分灯具停止运行的模式，还能有效减小最大照明电耗，进而降低用电成本。
1.3光照强度分布
一般，栽培床上的光强分布是中间高，两侧低。光强度不均匀会导致植物长势不均，必须予以注意。如果为栽培架配置高反射材料制作的反射板，栽培床上的光强可以显著提高。另外，白色栽培板的光反射率约为80%，而植物叶面的光反射率一般低于10%。因此，随着植株的成长，栽培床内的平均反射率降低，植物冠层上的光强度也会随之降低并影响植物生长，对此应加以注意。
1.4降温负荷
图1为装备有热泵、灯具、营养液循环泵、送风扇等设备的人工光型植物工厂栽培室及其能量和CO2平衡示意图。对于保温性和密闭性较高的人工光型植物工厂，栽培室在照明期间流失到室外的热量基本可以忽略。根据2002年的测试结果，在使用高性能热泵的条件下，人工光型植物工厂照明、热泵及其他设备（营养液循环泵，空气循环扇等）年间电耗占年间总电耗的比例分别为80%、16%、4%左右。根据表1中照明及其他电设备的电耗之和，热泵的成绩系数（COP=降温热量/热泵消耗电量）大概为5.3。
在保温性和密封性较高的栽培室内，如果仅有一部分灯具在夜间运行，即使在冬季夜间，热泵也是以降温模式运转。如果栽培室围护结构的保温性和密封性较差，热泵降温的费用将会显著增加。另外，当冬季室外气温低于0℃时，必须使用特别的热泵（如卡拉OK店使用的热泵）进行降温。
荧光灯和LED灯将电能转换为光能（光合有效辐射波段：400~700 nm）的比例分别为25%和30%~40%。植物叶片将照射在其表面的光能转化为自身化学能的最大比例约5%。结果，照射在叶片的光能中，有95%的光能转换为热量散失。总的来说，栽培室消耗的电能中，95%以上都转换为热量。
一般情况下，正常进行蒸腾的叶片可将照射到其表面光能的50%转换为潜热，并使室内空气中的水分增加（该过程不影响室内气温），将其余50%的光能转换为显热（该过程会导致室内气温上升）。因此人工光型植物工厂在照明期间，降温负荷的50%为潜热。
对于保温性和密封性较高的栽培室，其室内外热量交换可忽略，可认为照明及其他设备的电耗之和就是其降温负荷。一般情况下，夜间有2/3的灯具运行时，即使在冬季，也要开启热泵进行降温。甚至在冬季夜间最低温度为-40℃的蒙古国乌兰巴托，夜间也同样需要降温。因此，虽然人工光型植物工厂照明电耗巨大，但该模式使得寒冷地区不加温生产蔬菜成为可能。这一点，对于在寒冷地区进行蔬菜生产至关重要。顺便提一下，对于使用荧光灯作为照明灯具的人工光型植物工厂，生产100g新鲜生菜所需的电耗大概为1 kW·h，如果使用LED替代荧光灯后，则生菜生产的电耗可以减少一半。
一般栽培室内植物叶片面积可达栽培床面积的数倍。由此，栽培室在照明期间的降温负荷中，有50%为潜热。通过植物蒸腾作用进入室内空气的水蒸气中，有95%转换为热泵。冷却面的冷凝水，其余部分则通过栽培室的微小缝隙扩散到室外。通过热泵冷却得到的结露水可回收并返回营养液罐进行重复利用。这样的话，总用水量=换气损失水量+植物体增加水量。考虑到植物根部吸收的水分中95%用于叶片的蒸腾作用，其余5%用于自身生长，则向营养液系统中添加的水中，有90%可以被回收利用，人工光型植物工厂的用水量不到温室营养液栽培系统用水量的10%。如此高的节水性能对世界上干燥地区的农业发展意义重大。实际上，由于栽培定植板、栽培床需要定期清洗，营养液也要更新，实际用水量会比上述计算结果高数倍。
1.5热泵的成绩系数
当栽培室的气温在25℃时，热泵的成绩系数（COP=降温热量/热泵消耗电量）受室外气温的影响较大。根据2002年以前在东京郊外的千叶县松户市试验结果，当室内气温为25℃，室外气温为0~20℃时，COP为8~10；当室外气温为30℃左右时，COP则降至5。值得注意的是，该试验是在2002年以前进行的，如果使用2015年制造的热泵，热泵的COP将会提高1左右。一般情况下，日本制造的热泵较其他国家的COP会高很多。
如图2所示，在与松户市相同气温的地区，保温型和密闭性较高的人工光型植物工厂中热泵电耗占总电耗的比例低于15%。随着热泵技术发展，热泵COP不断提升，该比例还会继续下降。另外，使用LED等替代荧光灯，植物工厂照明电耗也会显著降低，则人工光型植物工厂的总电耗也会下降。而对于保温性和密闭性较差的人工光型植物工厂来说，热泵电耗占总电耗的比例则为20%~40%，而且在冬季，墙体内表面也经常会出现结露的问题。
栽培室内运行灯具的比例与降温负荷有较大关联，为了维持较高的COP，应根据室内灯具运行比例设定运行的热泵数量。此外，为了使室内空气分布均匀，即使不降温时，也应将热泵设定在送风模式下运行。一般情况下，当栽培室降温负荷为其最大降温负荷的60%~70%时，热泵的COP最大，当栽培室降温负荷为其最大降温负荷的40%以下或80%以上时，热泵的COP会明显降低。实际中，很多植物工厂所配备的热泵台数是必需配置数的2倍，这不仅增加了设备购置费用，而且会导致热泵的COP较低，电耗增加。
太阳光型植物工厂内的热泵利用技术与人工光型植物工厂不同，有很多要必须解决的问题比较突出的问题及解决方法如表2所示。造成该现象的主要原因是太阳光型植物工厂四周是由可透过太阳光的玻璃或塑料薄膜围护而成。由于室内的太阳辐射不断随时间变化，导致室内的加温、降温、换气负荷也不断变化。
此外，太阳光型植物工厂围护结构的传热系数高达3~6W/（m2·K），其保温性能仅为人工光型植物工厂围护结构的几十分之一。因此，太阳光型植物工厂的加温和降温负荷极易受室外气温、风速和降雪等因素的影响，随时间变化较大。此外，室内陆面与空气之间也有很显著的热交换，这也是有时冬季夜间采暖负荷较低，而有时夏季冷房负荷较大的原因之一。
2.1室内气温的调控方法
室内气温的控制方法与一般办公室或工厂有所不同。需根据室内太阳辐射强度、室内气温设定值与室外气温之差等参数，综合应用换气装置（风扇或通风窗）、活动遮阳网、活动保温幕装置、喷雾降温装置、湿帘风机降温系统、采暖装置、热泵等设备来对室内气温进行控制。最近，在日本使用多功能热泵进行降温、加温以及除湿的事例越来越多。但必须使用很多措施来发挥热泵的多功能特性，并降低运行成本。
太阳光型植物工厂的室内气温一般在夜间采暖时设定为12~15℃，换气时设定为25~26℃。但在夏季晴朗白天，即使进行通风，实测室内气温依然为30℃的时候很多。在冬季日间，采暖时的室内气温设定值一般为20℃左右。而使用热泵在夜间进行降温时，室内气温的设定值为24℃左右（室外气温大概为-3℃）。如果室内气温分布不均匀，则应该启动循环风机。基于上述原因，室内气温的实际值在加温期间设定值12℃和换气期间设定值25℃之间变化。虽然如此，但是只要植物积温不变，植物的长势、产量和品质基本不受影响。在不同条件，室内气温的调控方式为：
（1）太阳光辐射强度为0（夜间）或较少的场合（阴雨天、日出后1 h或日落前1 h以内）：①实测室内气温>设定室内气温>室外气温时（主要是在夏季），应该通风降温；②设定室内气温>实测室内气温>室外气温时（主要是在冬季），应展开活动保温幕进行保温；③在采取保温措施后，出现设定室内气温>实测室内气温>室外气温时（主要是在冬季），应进行供暖；④当实测室内气温>设定室内气温<室外气温时（主要是在夏季），应采用热泵进行降温。该情况可视情况将保温幕展开。
（2）太阳光辐射强度较少的场合：①实测室内气温>设定室内气温>室外气温的场合，应进行换气；②当换气窗全部打开，换气扇全部运行时，如果实测室内气温>设定室内气温时（主要是在夏季），应该运行蒸发降温装置（室内气温较低时，湿球温度会升高）。如果没有配备蒸发冷却装置，可根据实际情况展开一部分或全部遮阳网。另外，如果热泵的降温能力大于室内的太阳辐射负荷以及围护结构热交换负荷。可将换气窗关闭，使用热泵进行降温。在实际生产中，确定合理的室内设定气温不仅要考虑植物生长情况，还要根据经验综合考虑室外气温、电费、燃料价格、蔬菜市场价格、室内作业人员情况等因素。今后应开发综合环境控制方法来辅助设定合理的室内气温。
2.2饱和蒸汽压差控制与风速控制
作物的蒸腾速度与空气饱和蒸汽压差（叶温所对应的饱和蒸汽压与周围大气水蒸气分压力之差），以及叶片表面的水蒸气扩散系数成正比。一般情况下，蒸腾速度越大，植物根部对水分和养分的吸收速度也越大，而叶温也会较周边的空气温度低1~2℃。
如果叶片蒸腾速度过快，不仅会导致气孔导度减小，叶片向周围空气的水蒸气扩散系数降低，植物叶片萎蔫，还会使得周边空气通过进入叶片内的CO2速度减少，进而导致植物的净光合速度下降。另外，叶片蒸腾速率也随叶片周边气流速度的增加而增加。
基于上述分析，在日间，应尽可能调整太阳光型植物工厂的饱和蒸汽压差和空气流动速率，促进和优化植物蒸腾速率和净光合速率就变得非常重要。对于种苗来说，一般定植后的种苗叶面积和叶面积指数较小，蒸腾速率不高，室内空气的饱和蒸汽压差较大，对种苗生长不利。在该情况下，应在维持适宜的室内气温的前提下，使用喷雾装置增加室内空气湿度，减小室内空气的饱和蒸汽压差。相反，若是室内的植物较为繁茂的话，叶面积指数较大，会阻碍室内空气流动，使得叶片周边气流速度减小，从而导致蒸腾速率和净光合速率减小。
2.3降温负荷和加温负荷的最大值
假设太阳光型植物工厂围护结构（屋顶+侧墙+山墙）面积与室内陆面面积之比为1.2，计算其降温负荷和加温负荷。
夏季日间的最大降温负荷：首先计算太阳光型植物工厂在夏季晴天正午前后换气窗关闭时单位室内陆面面积的降温负荷最大值。当室外太阳辐照度为1000 W/m2，太阳光型植物工厂的太阳辐射透过率（室内陆面太阳辐射强度与室外太阳辐射强度之比）为60%时，太阳辐射负荷为0.6 kW/m2。若室外气温为35℃，室内气温为30℃，围护结构的传热系数为0.05 kW/（m2·K）时，单位地面面积通过围护结构的传热负荷为0.3(=0.05×(35-30)×1.2)kW/m2。如果太阳光型植物工厂的通风换热进入室内的热量为0.1 kW/m2，则单位地面面积的降温负荷为：1.0(=0.6+0.3+0.1)kW/m2。根据给定条件，面积为1000 m2的太阳光型植物工厂在降温负荷为1000 kW。如果要使用热泵进行降温，无论是初期投资成本和运转成本都比较高，不适用于夏季太阳光型植物工厂的降温，应选择蒸发降温的方法。
蒸发降温：蒸发降温是在温带、亚热带和热带气候地区园艺设施内常用的降温方法。世界上主流蒸发降温方式是湿帘风机降温系统，而在日本，更多的是采用水雾汽化的方式，即喷雾降温，来进行降温。从理论上来讲，如果能将水滴进行充分雾化，即使在盛夏室外气温为35℃，湿球温度在26℃时，也能使用喷雾降温来降低室内气温。但该情况下，室内饱和蒸汽压差较小，可达到0 Pa，相对湿度为100%。最近，市面上出现了可灵活设置喷雾速度、精确室内空气饱和蒸汽压差的装置。这样，就会消除水雾发生不充分而引起的温湿度变化，以及叶面沾湿等问题。
冬季夜间的最大采暖负荷：冬季黎明的时候，当太阳光型植物工厂的保温幕展开，其围护结构的传热系数为0.025 kW/（m2·K），室外气温为-3℃，室内气温的设定值为12℃的时候，单位地面面积的采暖负荷为0.45(0.025×(12+3)×1.2)kW/m2。由室内陆面向室内空气放热的热流量密度为0.02 kW/m2时，单位地面面积的采暖负荷变为0.43(=0.45-0.02)kW/m2。则面积为1000 m2的太阳光型植物工厂的采暖负荷为430 kW。加上通风换热引起的加温负荷，则总采暖负荷低于500 kW。在该情况下，使用热泵不仅能满足加温负荷要求，同时也可以用于日间的降温。该情况下使用热泵对植物生产就非常有利。
夏季夜间最大降温负荷：夏季夜间移动保温幕全部展开，围护结构的传热系数约为0.3 kW/（m2·K），室外气温为28℃，室内设定气温为23℃的时候，单位地面面积相对应的传热系数约为0.18（=0.03×(28-23)×1.2）kW/m2。根据上述参数，面积为1000 m2的太阳光型植物工厂的热负荷为180 kW，再加上室内陆面向室内空气放热以及通过围护结构缝隙的换气引起降温负荷，总降温负荷为200 kW。日本根据过去1年间最大电耗征收基本电费，即使在不需要使用电力的月份也要缴纳电费。因此，对于应用热泵的太阳光型植物工厂来说，可在室外气温超过25℃以上的夜间进行降温，对提高蔬菜产量和品质有很好的效果。
加温与降温负荷的变动与热泵运作台数控制：太阳光型植物工厂的加温和降温负荷随时间、季节及室外气象条件等不断变化，且变化幅度较大。应当开发相关控制程序来简化热泵的运转模式和台数，降低生产成本，提高蔬菜产量和品质。
2.4 CO2零浓度差控制方法
植物冠层在日间需要从空气中吸收CO2，然后通过光合作用将其转化为自身的碳水化合物。一般室外大气的CO2浓度约为400~420μmol/mol。但在正午时分，室内CO2浓度会较室外CO2浓度低100~150μmol/mol。即使采取通风换气的措施，室内CO2浓度也处于较低的水平。如此低的CO2浓度下会对植物冠层的净光合速率产生抑制。如果通过CO2施肥使得室内CO2浓度与室外相当，不仅能促进植物光合作用，而且由于室内外CO2浓度一致，所施用的CO2不会损失。
植物工厂的土地生产性能远高于露地。目前，很多城市人口持续增加，为保障相应人口生活的新鲜食物生产系统也变得越来越重要。城市产生的CO2、污水、有机垃圾、树木修剪残枝等却是植物生产所必需的资源。因此，通过发展植物生产来促进城市废弃资源的循环利用，对减少CO2排放、石油和水资源消耗有非常重要的意义。从这个角度来说，植物工厂是未来农业技术变革的基本技术之一。
（作者：古在丰树—日本植物工厂研究会）