日光溫室氣霧培生產系統的設計

劉曙光，馬云飛，南松劍，張梅，徐箴言，車忠志，孫少寧*

（1. 中國農業大學煙臺研究院理工學院，山東 煙臺 264670；2. 中國農業大學煙臺研究院科技處，山東 煙臺 264670；3. 山東艾維農業科技有限公司，山東 煙臺 264111）

日光溫室氣霧培生產系統的設計

劉曙光1，馬云飛2，南松劍1，張梅1，徐箴言3，車忠志1，孫少寧1*

（1. 中國農業大學煙臺研究院理工學院，山東 煙臺 264670；2. 中國農業大學煙臺研究院科技處，山東 煙臺 264670；3. 山東艾維農業科技有限公司，山東 煙臺 264111）

目前氣霧培生產過程中存在環境調控準確度低、生產系統運行不穩定，種植面積小，導致先進新技術無法最大限度的實現高產、優質、高效的問題。本文以合理光照條件擴大種植面積及采用PLC快速、準確、靈活實現穩定植物生長環境的構建為設計核心，確定氣霧培生產系統布局參數，優化氣霧培生產系統結構組成、形式及工作、尺寸參數，確定PLC控制結構及參數，設計了適用于實際生產要求的日光溫室氣霧培生產系統。試驗結果表明，各區域管路終端壓力變化范圍在3%以內；各區域終端栽培床內溫度差異及各區域終端栽培床與貯液池內營養液溫度差異均小于2 ℃；各區域終端栽培床內濕度變化小于1%；回流管路營養液回流時間小于30 min，所有測試指標均符合生產要求，為進一步推動氣霧培技術在設施農業中的應用推廣創造條件。

日光溫室；氣霧培；生產系統；設計；PLC

Abstract：There are the problems of low environmental control accuracy, unstable production system and small planting area in the process of aerosol-culture production at present. Because of the problems advanced new technologies of aerosol-culture production can’t maximize the realization of high yield, quality and efficiency. In order to solve the problems, aerosol-culture production system was studied, focusing on the reasonable illumination conditions to expand the planting area and PLC for construction of stable plant growth environment to get accurate, rapid, and flexible.Determining layout parameters of the aerosol-culture production system, optimizing the structure, form, work parameters and size parameters, determining the structure and parameters of PLC control were researched. Afterwards, aerosolculture production system in sunlight greenhouse was designed suitable for the actual production requirements. The test results showed that the each terminal pressure of the regional pipeline in regions changed within 3%; the temperature differences in the terminal cultivation beds were less than 2 ℃; the temperature differences of nutrient solution between in terminal cultivation bed in the each region and in the storage tank were less than 2 ℃; the humidity in terminal cultivation bed in the each region was less than 1%; reflux time of nutrient solution in reflux pipeline was less than 30 min; all the test indexes met the production requirements. The production system will create conditions for further promoting the application of aerosol-culture technology in facility agriculture.

Key words：sunlight greenhouse; aerosol culture; production system; design; PLC

氣霧培是融合植物營養、植物生理、環境生態、農業自動化、園藝作物栽培等多學科的新興無土栽培生產技術[1-2]，該技術將植物根系置于空氣中，通過營養液的霧化供給方式更好的滿足植物根系對水、肥的需求[3-4]，創造新型的作物根系環境取代土壤、基質環境，有效解決傳統土壤栽培及水培中根系需水和供氧的適度及平衡問題，使作物根系較其他栽培方式更容易處于最適宜的生長環境中，從而發揮作物的生長潛力，使植物品質、產量得到大大提高。氣霧培為垂直栽培模式的發展提供了技術支持，具有土地利用率高、節水率高、最佳環境調控準確快捷、生產效率與營養價值高等優點[5-8]，在土地利用率、植物根系生長環境及調控等方面優于土壤栽培、水培、其他無土栽培。

20世紀中葉，氣霧培的概念被提出并開始研究，美國、意大利、日本分別提出了A型氣霧培、立柱式氣霧培、半氣霧培形式。目前，美國、荷蘭、日本、以色列等農業發達國家氣霧培核心技術研究起步早，氣霧培植物工廠化生產技術先進[9-11]。本世紀初我國開始有關氣霧培技術方面的研究，目前的氣霧培技術生產仍為研究階段，全國以氣霧培技術為主的研發單位以麗水市農科院農業智能化快繁中心、山東艾維農業科技有限公司最具代表性，大多面向科研單位、生態休閑農業園區應用較多。已有研究均為氣霧栽培科學方面的成果，以營養液成分對植物生長影響相關研究為主[12-14]，研究對象主要為脫毒馬鈴薯、黃瓜、香菜、切花菊、辣椒、番茄等，沒有與氣霧培工程技術相關的研究成果。目前氣霧培較其他栽培方式在理論上的先進性得到了廣泛認可，而在實際應用中，沒有全面科學的技術數據可以參考借鑒，生產的形式及方法正在探索中，先進性無法得到充分證實，實際應用極少，嚴重影響了氣霧培技術的發展。在這種情況下，全面深入研究氣霧培生產工程技術體系，建立穩定可靠高效的氣霧培技術體系和配套全面完善的工程裝備，使理論分析在實際應用中得到體現，從實際生產中突顯新的栽培模式優越性，成為氣霧培技術發展亟待解決的首要問題。

本文旨在建立適用于農戶實際生產要求的完整的葉菜類桶式日光溫室氣霧培生產系統，確定規模化氣霧培生產工程技術有價值的技術參數、積累數據資料，為全面深入研究氣霧培環境下植物的優質、高效生產技術及進一步完善氣霧培生產技術體系，推動氣霧培技術的廣泛應用創造條件。

1 氣霧培生產系統組成及工作過程

氣霧培整個生產系統由貯液池、供液與回液系統、控制系統、栽培床等組成。其工作原理如圖1所示。其中，供液系統包括穩壓恒壓泵、吸管、過濾器、主干管路、區域主干管路、電磁閥、支管路、區域主干管路手動控制閥、栽培床手動控制閥、分管路和霧化噴頭；回液系統包括回流管路、過濾網；控制系統包括貯液池內的板式加熱板、液體溫度傳感器、液位傳感器、主干管路壓力表、營養液EC傳感器、濕度傳感器、PLC控制器和液晶顯示器等。

工作過程包括營養液供給過程、營養液回流過程和控制過程。

1）營養液供給過程。穩壓恒壓泵通過吸管將貯液池內的營養液吸入主干管路中，經過濾器過濾，主干管路壓力表監控，送入區域主干管路，隨后依次經過每個區域的支管路、分管路，進入霧化管路，之后由倒懸在栽培床內部的霧化噴頭將營養液霧化至植物根系。

圖1 氣霧培生產系統工作原理示意圖Fig.1 Working principle of Aerosol-Culture Production System

2）營養液回流過程。未被吸收的營養液順著根系滴落至栽培床底后，流經支回流管路、主回流管路，最后經安裝在過濾池內的過濾網后流入貯液池內。

3）控制過程。控制過程包括：貯液池內營養液EC值監控；貯液池內營養液溫度監控；貯液池水位監控；水泵電機定時控制；主干管路供液壓力監控；區域主干管路電磁閥的準確切換控制；栽培床內溫濕度監控。控制過程涵蓋氣霧培生產全過程，同時監控采集數據，使生產環境處于正常范圍，在出現異常情況時，立刻采取應對措施。

生產系統在日光溫室內的分布（溫室鋼架結構、覆蓋材料、準備間等已省略）如圖2。

圖2 日光溫室氣霧培生產系統Fig.2 Aerosol-culture production system in sunlight greenhouse

2 氣霧培生產系統設計

2.1 系統設計要求

根據植物對生長環境的需求，設計要求：系統霧化霧滴達到水霧（霧滴直徑0.15-0.5 mm）狀態[15]；回流管路營養液回流時間≤30 min；霧化量可以調整同時達到滿足植物生長及環境濕度要求的較佳范圍[16]；營養液溫度穩定在植物根系生長的較佳范圍；氣霧栽培床布置達到植物對光照的需求；栽培床每個位置都可以均勻采光；各種工作參數可以合理監測調控[17]。

2.2 控制系統

生產系統控制（圖3）功能主要包括：

1）貯液池內營養液EC值監控。當應用一種營養液時，通過實驗測得營養液EC值與母液量的線性回歸直線[18-19]，并在液晶顯示器中設定。當營養液EC值低于設定值時，控制系統報警提示，并在液晶顯示器上自動顯示補充營養液中母液與水量。

2）貯液池內營養液溫度監控。設定適宜于植物生長的營養液溫度環境范圍，液體溫度傳感器監測營養液溫度低于設定值時，板式加熱器的繼電器控制電源導通，開始緩慢加熱，當達到設定值時，停止加熱，循環運行。為了使監測準確，采用多個液體溫度傳感器，通過對比監測值確定監測結果的準確性，如果出現監測溫度、溫差不在設定范圍內，控制系統立刻停止供液，防止溫度傳感器故障導致營養液溫度過高或過低對植物造成的損害。

圖3 控制系統Fig.3 Control system

3）貯液池液位監控。通過兩個液位傳感器監測貯液池液位，當貯液池的營養液沒有及時供給，次低液位的液位傳感器露出液面，控制系統報警提示；最低液位的液位傳感器露出液面，控制水泵電機停止工作，并報警提示補充營養液。

4）水泵電機定時控制。根據種植作物不同，通過液晶觸摸顯示屏設置控制電機工作的時間及持續的時間。由于氣霧栽培環境不需要持續供液，每個區域水泵持續工作15 s，間隔28 min，8個區域輪流連續供液進行設計。

5）主干管路供液壓力監控。通過壓力傳感器實時監測，檢測值在液晶顯示器顯示，當主干管路供液壓力異常，由控制系統控制切斷穩壓恒壓泵電源，并報警提示。

6）區域主干管路電磁閥的準確切換。采用控制電磁閥循環導通控制依次輪流向各區域主干管路供給營養液。電磁閥通斷時間信息均在液晶顯示器顯示。每次供液只能有一個電磁閥工作，當因電磁閥的故障導致供液管路壓力異常時，通過壓力傳感器的監測值及時調整切斷電源，并報警提示，保護設備及管路。系統設定每區依次供液15 s，即每個電磁閥開斷間隔15 s，從第一個區域供液到第八個區域供液共持續2 min，然后控制水泵電機停止工作28 min后，仍然從第一區域開始供液，循環運行。

7）栽培床內溫濕度監控。在8個供液區域的每個區域里離主干管路供液距離最遠的栽培床內均設置一個溫濕度傳感器，通過液晶觸摸顯示器實時顯示溫濕度，并設定濕度極限值，監測栽培床溫濕度變化規律，當一個區域的濕度低于極限值時，控制水泵電機向該區域供液；當栽培床內溫度異常，調控加熱板工作參數。

2.3 貯液池

貯液池主要是貯存植物生長所需營養液，位于整個供液區域的中間位置。本設計共分8個區域，每區域每天共需供液480 L，每天營養液輸出量為3.84 m3，以營養液4-5日補充一次設計，貯液池實際貯液容量設計為17.5 m3。長方體蓄水池尺寸（長×寬×高）7×1.5×2.1 m3，池底位于地下1.8 m。采用經防滲透處理的磚砌混凝土結構。貯液池內液位至少低于回流管路20 mm，貯液池的營養液液位低于地面130 mm。在貯液池旁設置過濾池，尺寸0.3×0.3×0.42 m3，池內鋪設可以拆裝更換的網狀過濾器，過濾精度80 μm。在貯液池底部放置鑄鋁板式加熱器（1000×500×30 mm3），功率5 kW，保持溫度20-25 ℃，超過25 ℃，停止加熱，通過營養液自身的熱傳遞、對流降低溫度。

將兩個水位傳感器分別倒懸在貯液池池壁設定的最低液位、次最低液位，通過提升或降低液位傳感器來調整貯液池內提示報警的液位。在穩壓恒壓泵的吸管末端與最低液位傳感器垂直距離之間，距離吸管1 m位置的池壁上設定營養液EC傳感器，由控制系統控制。

2.4 供液系統

2.4.1 配套動力 本系統選用三相電動變頻穩壓恒壓泵為配套動力，工作壓力350-450 kPa，其工作時間由控制系統控制。每個區域每天供液12 min，每區每次供液10 L，動力系統每次工作需供液80 L，供液速度為2 400 L/h，每天動力系統工作時間約1.6 h，共需工作48次。

2.4.2 營養液供給管路 營養液供給管路主要完成營養液的供給，由主干管路、區域主干管路、支管路、分管路組成（圖4）。除與穩壓恒壓泵連接及過濾器過濾處理外，主干管路供液主體均埋設于靠近溫室保溫墻一側地下80 mm處，走向沿溫室長度方向，主干管路采用φ40 mm PVC管，將營養液輸送至8個供液區域。本設計整個管路中，每一區域的區域主干管路、支管路的分布形式、布置、數量均相同。區域主干管路每個區域設置一條，垂直于溫室長度方向平面分布，將營養液由地下的主管路引入栽培床上側分布的支管路中，區域主干管路采用φ40 mm PVC管。為了避免栽培床上方供液管路過多，影響采光，每區域支管路沿溫室長度方向呈主干樹狀形式5排平行分布。支管路每排間距為1.6 m，每排分布8個分管路，間距為1.5 m。

在支管路通向每個栽培床的分管路上，設置手動控制閥。所有支管路均由吊線懸掛在日光溫室桁架或橫桿上。每個區域均采用φ25 mm PVC管。距離穩壓恒壓泵1 m處，采用單體疊片過濾器，過濾精度60 μm，進行營養液過濾。區域主干管路手動控制閥設置在區域主干管豎直走向的1.5 m的位置，接通或切斷主干管路對某區域的供液。與區域主干管路手動控制閥并聯一手動控制閥，防止電磁閥故障。

圖4 營養液供給管路Fig.4 Pipe lines for supplying nutrient solution

2.4.3 營養液霧化管路及噴頭 每個供液分管路末端通過Y型四通接口連接3個十字四頭微噴頭（帶防滴器）。每個栽培床內垂直方向上分布的微噴頭間隔0.53 m，距離栽培床上下底面0.27 m。選擇微噴頭霧化直徑0.8-1.2 m，流量20 L/h，霧化壓力300±20 kPa。

2.5 栽培床

栽培床是植物的垂直種植載體，其內部是植物根系吸收營養液的空間。將日光溫室內貯液池兩側的320座栽培床劃分為8個供液區域（每個區域5排，每排8座栽培床，共40座栽培床），每側4個區域。栽培床相鄰兩排交錯分布，每排的每個栽培床均分布在其相鄰一排距離該栽培床最近距離的兩個栽培床水平方向中心連線的垂直平分線上（圖5）。

栽培床整體呈六棱柱狀（圖5），正六邊形邊長35 cm，高度1.6 m，垂直種植面積為3.36 m2，占地面積0.32 m2。

栽培床包括側面栽培板、上支撐定位蓋、營養液匯集板、下承重定位盤、萬向輪等。栽培床種植區域主要由6塊側面栽培板通過牙式嚙合構成（圖5）。栽培板為16 mm厚泡沫材料，其上的穴孔φ30-50 mm，均勻分布，與海綿一起固定植物根莖。

圖5 栽培床結構Fig.5 Structure of the cultivation bed

上支撐定位蓋為輕質塑料材質，中心開φ50 mm孔。下承重定位盤為輕質塑料材質，中央向下為一體管孔，其內徑與回流管路的地上接口管孔部分外徑相等，實現整個栽培床中心定位。下方距中心14 cm處的圓周上布置6個萬向旋轉輪，實現栽培床繞回流管路的地上接口管孔原地旋轉，便于作物栽培、管理、收獲和各個方向作物的均勻采光。

栽培床上方由上支撐定位蓋限位，下方通過下承重定位盤支撐定位，防止側面栽培板分開，形成栽培床支撐狀態。

營養液匯集板為發泡材料，四周高，中間比較低，在中間位置設置排液管孔口，管孔外徑小于回流管路的地上接口管孔內徑，可以直接伸入其接口內，使匯集后的營養液通過排液管孔口直接進入回流支管內。營養液匯集板放在下承重定位盤內，邊緣上放置側面栽培板。

栽培床固定板為高強度纖維水泥混凝土材質，φ750 mm，厚40 mm，呈圓板狀，中間開孔直徑略大于回流管路的地上接口管孔外徑，誤差小于2 mm，放在地面上。回流管路的地上接口通過栽培床固定板的中央圓孔與栽培床下承重定位盤中央管孔配合。

栽培床間距、高度以當地冬至日正午太陽高度角來設計參考。

式中：s為栽培床排距（m）；H為栽培床高度（m）；α為當地冬至日正午太陽高度角（o）；r為栽培床橫截面外接圓半徑（m）；k為校正系數，k∈[1, 2]。

式中：n為每排栽培床數量（個）；W為日光溫室長度（m）；b為常數，b∈[0.7, 1.2]。

式中：p—氣霧培土地利用率。

本設計中，以山東艾維有限公司農場為例（東經121°37'9.87"，北緯37°14'56.16"），冬至日正午太陽高度角29.33°，k=1.25，日光溫室沿溫室長度方向相鄰栽培床間距1.5 m，垂直溫室長度方向相鄰栽培床間距1.6 m，可利用面積約占91%，高度在2.2 m以下的面積約占可利用面積的15%，該面積可進行土壤種植，其他非種植平面約為可利用面積的5%，栽培床可以旋轉，可以增加地面種植面積占可利用面積40%以上，垂直種植面積氣霧培系統種植面積為1 075 m2，土壤種植面積為400 m2。

2.6 營養液回流管路

營養液回流管路（圖6）收集每個栽培床內多余營養液經支回流管路、主回流管路經過濾重新流入貯液池，完成營養液的匯集再利用。主回流管路、支回流管路除接口之外的主體部分均分布在地面以下100 mm處，均采用φ90 mm PVC管，每一管路分段連接，與水平面成0.5o-1o，不需要額外提供動力，依靠重力流入貯液池。

圖6 營養液回流管路Fig.6 Pipe lines for returning nutrient solution

3 性能試驗分析

3.1 試驗環境

本試驗于2016年11月6日在山東艾維農業科技有限公司實驗（煙臺市牟平區）進行。溫室外部溫度為8-12 ℃，日光溫室內溫度20-21 ℃，貯液池內營養液初始溫度13 ℃，氣霧栽培床內溫度19℃。

3.2 測試方法

本試驗以系統正常工作狀態進行試驗，將壓力變送器連接在每個區域最末端供給管路的分管路末端，貯液池內營養液控制溫度設定為22 ℃，20 min 后，系統開始按照實際生產過程運行8 h，即16個循環，測定供液管路每個區域最末端栽培床供液壓力、最末端栽培床內溫度和濕度、回流管路營養液回流時間。供液管路每個區域最末端供給管路壓力，即每個區域離主干管路最遠的支管路最末端的分管路內的壓力，每一個循環，每個區域每1 s采集一次壓力值，去除前2個值，將后13個采集值平均，將運行時間內的16個循環的每個區域的壓力平均值，即得每一循環每個區域最末端供給管路壓力。最末端栽培床內的溫度與濕度均在每個循環每個區域供液結束時測定。回流管路內營養液回流時間，從每一循環供液開始計時，當回流管路出液口的回流營養液開始斷流計時止。

3.3 測試指標與測試儀器

測試指標：供液管路每個區域最末端栽培床供液壓力、最末端栽培床內溫度、濕度、回流管路營養液回流時間。

試驗測試儀器：MIK-P300壓力變送器、RC-4HA溫濕度記錄儀、JM-806機械秒表、DTM-280型數顯溫度計。

3.4 測試結果及分析

試驗結果表明，各區域管路終端壓力穩定，管路終端壓力變化范圍在3%以內；各區終端栽培床內溫度差異最大1.2 ℃，與貯液池內營養液溫度差異1.7 ℃，均小于2 ℃（圖7）；各區終端栽培床內濕度小于1%；回流管回流時間小于30 min，可以通過時間保證貯液池內的營養液在下一循環供液時處于最大儲量。該系統控制準確，管路無滲漏，工作性能穩定，試驗測試指標合格，能夠滿足實際生產需要。

4 總結

本文以植物莖葉光照、植物根系環境溫度、濕度等主要影響植物生產的環境因素為中心，確定氣霧培生產系統優化氣霧培生產系統結構組成、形式及工作、尺寸、布局參數，確定PLC控制結構及參數，設計了適用于實際生產要求的日光溫室氣霧培生產系統，整個系統根據不同植物生長的環境指標由控制系統根據設定值自動調控、監測，可以精準的模擬每天不同時段及生長周期的不同階段的理想生長環境，提高生產系統的自動化、智能化程度，系統運行原理簡單、系統運行效果穩定，進一步優化植物生長環境。

圖7 試驗結果Fig.7 The test results

本生產系統有效解決了目前氣霧培生產中植物根系環境濕度無法控制、溫度基本依靠溫室，植物莖葉光照條件考慮不科學、不全面導致不合理設計等問題，在克服了土壤栽培、水培、其他無土栽培形式無法有效、全面調控優化植物生長環境等缺點的同時，大幅提高種植面積，優化植物生長環境，更好輔助農業科學栽培，為促進該技術實現優質、高效、高產創造條件，為設施農業高新技術工程的推廣應用提供借鑒。

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Design of aerosol-culture production system in sunlight greenhouse

LIU Shu-guang1, MA Yun-fei2, NAN Song-jian1, ZHANG Mei1, XU Zhen-yan3,CHE Zhong-zhi1, SUN Shao-ning1
（1. Institute of Science and Technology, Yantai Institute, China Agricultural University, Yantai, Shandong 264670,China; 2. Science and Technology Department, Yantai Institute, China Agricultural University, Yantai, Shandong 264670, China; 3. Shandong Ivey Agricultural Science and Technology co., LTD, Yantai, Shandong 264111, China）

S318

A

1000-0275（2017）05-0893-07

山東省科技發展計劃項目（2014GNC110026）；煙臺市科技發展計劃項目（2015NC112）；中國農業大學煙臺研究院重點基金項目（YT201402）。

劉曙光（1980-），男，山東文登人，博士，講師，主要從事設施農業工程教學與研究，E-mail: shuguang800511@126.com；

孫少寧（1975-），女，山東牟平人，碩士，講師，主要從事計算機應用與自動控制教學與研究，E-mail: sunshaoning@sohu.com。

2017-04-10，接受日期：2017-08-04

Foundation item:Shandong Province Science and Technology Development Plans (2014GNC110026); Yantai Science and Technology Development Plan (2015NC112); Key Project of China Agricultural University, Yantai Institute (YT201402).

Corresponding author:SUN Shao-ning, E-mail: sunshaoning@sohu.com.

Received10 April, 2017;Accepted4 August, 2017

10.13872/j.1000-0275.2017.0081

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