船載式垂直植物工廠設(shè)計與應用

摘 要： 介紹了船載式植物工廠設(shè)計與應用，其完全使用人工光源封閉方式進行蔬菜栽培，使蔬菜生長不受外部自然條件制約，實現(xiàn)蔬菜周年連續(xù)生產(chǎn)。該植物工廠是一種適合海環(huán)境條件的垂直種植系統(tǒng)，解決了水平層流種植方式的環(huán)境適應性問題。使用紫外線、臭氧等方案對營養(yǎng)液進行綜合處理，提高了營養(yǎng)液循環(huán)使用率，減少了淡水資源的消耗，降低了設(shè)備在海環(huán)境條件下的保障需求。該植物工廠的應用解決了船在航行中新鮮蔬菜的補給問題，同時也起到了對海上長期漂泊人員心理的一種療愈功能。

關(guān)鍵詞：植物工廠；垂直種植；船載式；海環(huán)境；營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

中圖分類號：S316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）03-0036-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.03.007

0 引言

植物工廠是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是利用計算機、電子傳感系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)設(shè)施對植物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行自動控制，使設(shè)施內(nèi)植物培育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)[1-2]。國際上，荷蘭和日本在全人工光型植物工廠領(lǐng)域起步較早，20 世紀50 年代開始進行通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農(nóng)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[3]。目前，日本在種植設(shè)施、荷蘭在種子研究、美國在智能化、以色列在自動化種植技術(shù)方面各有所長，并取得了較大的發(fā)展[4]。在國內(nèi)，農(nóng)業(yè)部于2003年在中國農(nóng)業(yè)大學啟動了人工光型植物工廠研發(fā)項目，中國農(nóng)業(yè)科學院在2009 年建設(shè)了使用熒光燈的蔬菜工廠實驗室和使用LED 燈具的種苗工廠實驗室。2015 年開始，我國植物工廠已逐漸成規(guī)模化發(fā)展，并在光效提升、能耗降低、環(huán)境控制、營養(yǎng)調(diào)控及智能化無人化方面不斷地研發(fā)和創(chuàng)新，正逐步成為全球規(guī)模最大的裝備生產(chǎn)制造國。但現(xiàn)有植物工廠模式不太適合遠洋使用。

目前我國主流的植物工廠普遍采用開放式層流方法，控制簡潔、維護及管理成本低，其依托營養(yǎng)液自重實現(xiàn)水平層流的方式進行營養(yǎng)液循環(huán)。但是在面臨海環(huán)境時易受艦艇傾斜、機動慣性導致營養(yǎng)液溢出、根系吸濕吸氧不足等影響艦艇安全、栽培設(shè)備工作和植物生長，同時循環(huán)泵可能出現(xiàn)頻繁吸空等問題，導致系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性較低。

本研究針對艦船上植物工廠的應用場景，定制化地設(shè)計了適用于約48 m3 空間的垂直種植方式的植物工廠，主要由圍護結(jié)構(gòu)、種植模組、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、環(huán)控設(shè)備、二氧化碳供應裝置和智能控制系統(tǒng)等部分組成。船載式垂直植物工廠克服了當前通用的開放式層流種植設(shè)備和種植方式的不足，滿足海環(huán)境條件下大傾角大擺幅的航行和機動運輸?shù)氖褂茫M而為遠洋人員持續(xù)獲得新鮮蔬菜、增強應急保障能力、舒緩遠洋焦慮提供有力支撐。

1 總體設(shè)計方案

船載式垂直植物工廠是通過在船艙內(nèi)搭建一個封閉空間，配置蔬菜種植需要的種植模組及LED 補光燈、環(huán)控設(shè)備、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、二氧化碳供應裝置和智能控制系統(tǒng)等，平面布局及整體效果如圖1 所示。組成一個可以不受外界影響的蔬菜生長環(huán)境，以滿足不同植物類型和同一類植物的不同生長期對于環(huán)境因子的需求，最大程度發(fā)揮植物生長的潛能，提高生長速率，縮短種植周期，實現(xiàn)周年穩(wěn)定生產(chǎn)和供應。本研究主要滿足艦船航行過程中蔬菜培育生產(chǎn)，如出現(xiàn)大傾角大擺幅時，營養(yǎng)液供液系統(tǒng)及補光燈設(shè)備停止工作；如明期出現(xiàn)內(nèi)部溫度超出預警值，補光燈設(shè)備停止工作并發(fā)出報警；如分段回液槽水位超過閾值，營養(yǎng)液供液泵停止工作并發(fā)出報警等。

2 關(guān)鍵部分設(shè)計

2.1 種植系統(tǒng)

考慮艦船在海上航行存在大傾角大擺幅的運行情況，擬采用全封閉方式進行，采用頂送底回方式，構(gòu)建豎直回流的植物栽培設(shè)備。整套栽培設(shè)備由主液箱、主供液泵、射流氣液混合器、供液噴頭、栽培吊架、回液槽、自吸泵、營養(yǎng)液監(jiān)測模塊、供液管路及附件組成，如圖2 所示。

主液箱為營養(yǎng)液配制和營養(yǎng)液監(jiān)測的主要對象，根據(jù)植物種植進程調(diào)配相應的營養(yǎng)液，并根據(jù)實時監(jiān)測值，調(diào)整并補充營養(yǎng)液的原液成分，并按預設(shè)比例與清水進行混合。供液泵主要為營養(yǎng)液循環(huán)提供動力，根據(jù)系統(tǒng)栽培模組數(shù)量調(diào)節(jié)供液流量和供液壓力。射流管是實現(xiàn)外部氣體（O2）與液體混合的裝置，用于提高營養(yǎng)液中的溶解氧成分。噴頭采用專用噴淋裝置，確保在栽培模組內(nèi)實現(xiàn)噴淋，對應的栽培模組為垂直布置的專用模組，根據(jù)植物生長特點和海環(huán)境應用特點設(shè)計，除保證密封性能外，還需為植物生產(chǎn)過程提供水分、氣體、營養(yǎng)液的駐留，確保其生長?；匾翰蹫闋I養(yǎng)液回流通道，同時確保在傾斜條件下，營養(yǎng)液可靠回液至主液箱。自吸泵在回液槽內(nèi)布置，將栽培模組回流的營養(yǎng)液提升至主液箱，確保回液不在種植艙內(nèi)富集，從而造成溢出。營養(yǎng)液監(jiān)測模塊為營養(yǎng)液監(jiān)測，對營養(yǎng)液的氧化還原電位、EC 值、pH 值和溫度等進行監(jiān)測。

2.2 人工光系統(tǒng)

光是植物生長發(fā)育的重要能量源和信息源，不同光受體吸收不同波長的光，不同波長的光對植物生長的作用也不相同，光質(zhì)配比作為光環(huán)境中的關(guān)鍵影響因子能通過光受體傳導途徑調(diào)節(jié)植物的整個生命周期，影響植物各生長時期的發(fā)育狀況[5]。船載式垂直植物工廠選擇全光譜LED 補光燈，增加對植物光合作用起決定作用的630 nm 紅光、660 nm 超紅光及730 nm 遠紅光，其中730 nm 遠紅光為不可見光，顯示的亮度很小。全光譜LED 補光燈色溫在3 700 K 左右，不會影響人眼的舒適度。

LED 補光燈安裝在兩排垂直種植模組之間的燈架上，燈架與種植模組之間的距離可以調(diào)節(jié)，一方面可以根據(jù)蔬菜種類、蔬菜大小、環(huán)境溫度等調(diào)節(jié)補光燈與蔬菜之間的距離，滿足蔬菜當前對光照的需求；另一方面在蔬菜移栽、采收、管理等過程中，調(diào)節(jié)燈架與模組之間的空間，方便管理操作人員工作。充分利用船體有限空間，提供更多優(yōu)質(zhì)的蔬菜補給。

2.3 空調(diào)設(shè)備

空調(diào)系統(tǒng)能為植物生長提供相對可控制甚至最適宜的溫度環(huán)境，使其在一定程度上擺脫對自然環(huán)境的依賴[6-7]?？照{(diào)系統(tǒng)使用在具有鹽霧、霉菌等惡劣的海環(huán)境條件下，并且會隨船左搖右擺、上下晃動，故選用滿足GJB 4000—2000《艦船通用規(guī)范》和《船用條件》有關(guān)要求的空調(diào)設(shè)備[8-9]。通過最大熱流量計算（包含圍護結(jié)構(gòu)的熱流量、通風換氣熱流量、設(shè)備運行熱流量、LED 補光燈熱流量）QL 約為7 kW，考慮到實際冷負荷為空調(diào)設(shè)備裝機容量的60%～70% 時，其制冷性能系數(shù)最大，故空調(diào)機組制冷量設(shè)定12 kW。

根據(jù)植物工廠的使用場景，其最大空調(diào)熱負荷出現(xiàn)在夜晚，并且種植環(huán)境處于暗期。根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)熱流量計算公式，計算可得，最大熱負荷QR 約為2 kW。為提高制熱性能系數(shù)，空調(diào)最大制熱量應≥4 kW。

空調(diào)系統(tǒng)采用艦船風冷分體式空調(diào)機，一拖二結(jié)構(gòu)，其中的一臺外機包含兩套獨立的壓縮機系統(tǒng)，互相之間互不影響，降低空調(diào)系統(tǒng)運行故障風險。室內(nèi)機采用柜機形式，每臺室內(nèi)機制冷量6 kW、總制冷量12 kW，每臺室內(nèi)機制熱量3 kW、總制熱量6 kW。

2.4 營養(yǎng)液循環(huán)處理裝置

考慮到海島環(huán)境、艦船海上航行環(huán)境，淡水資源寶貴，應充分利用其營養(yǎng)液中的淡水資源。因此，營養(yǎng)液循環(huán)處理裝置摒棄了傳統(tǒng)的開放式系統(tǒng)，而是采用了封閉式的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。封閉式營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)是指通過相關(guān)的工程技術(shù)手段將灌溉排出的滲出液進行收集，再通過過濾、消毒、檢測和調(diào)配后反復利用的營養(yǎng)液栽培方式。通過營養(yǎng)液的循環(huán)利用，避免了因廢棄營養(yǎng)液排放對環(huán)境造成污染，具備環(huán)境友好、水分與營養(yǎng)利用率高等優(yōu)點。封閉式營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要由栽培裝置、營養(yǎng)液回收與消毒系統(tǒng)、營養(yǎng)液成分檢測與調(diào)配系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

2.5 自動控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用西門子6ES72141-BG400XB0 作為核心控制器，并輔以通信模塊6ES7241-1CH32-0XB0 對艙內(nèi)封閉結(jié)構(gòu)溫濕度和營養(yǎng)液特征參數(shù)采集。系統(tǒng)配置有10 英寸人機交互觸摸屏作為上位機，完成參數(shù)設(shè)定和系統(tǒng)運行情況監(jiān)視[10]。其中，控制器和上位機通過標準的Modbus 協(xié)議和RS485 接口方式通信?？刂葡到y(tǒng)的控制方式有手動控制和自動控制兩種，手動狀態(tài)下可以輸入控制參數(shù)閾值、設(shè)定明期暗期環(huán)境參數(shù)、營養(yǎng)液泵送速率及配比等；自動狀態(tài)下完全解放了人的勞動量，根據(jù)設(shè)定的邏輯判斷自動調(diào)節(jié)環(huán)控設(shè)備的關(guān)聯(lián)性，達到適應蔬菜生長的最佳條件。

3 系統(tǒng)主要環(huán)境因素測定

由于船載式垂直植物工廠是在7 月某港口完成相關(guān)安裝調(diào)試工作，試驗測試時外部環(huán)境平均氣溫在30 °C 以上，圍護結(jié)構(gòu)封閉空間的內(nèi)部溫度相對比較高，空調(diào)設(shè)備主要用于內(nèi)部環(huán)境全天降溫，為蔬菜種植提供合適的生長環(huán)境。

3.1 光環(huán)境測定

LED 補光燈陣列是垂直均勻排布在固定燈架上，此次光環(huán)境測試是對B 區(qū)從上到下設(shè)置5 個測試點，距離LED 補光燈具的表面30 cm 處分別進行測試。具體測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

光照是蔬菜生長發(fā)育的關(guān)鍵影響因素，它可以幫助蔬菜長莖生葉、促進莖段生根、葉綠素形成和碳水化合物積累等，同時對蔬菜的營養(yǎng)物質(zhì)代謝、理化性質(zhì)等具有調(diào)控作用。因此選擇適宜的光照是影響蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。通過對補光燈光照環(huán)境的測試，光合有效輻射（PPFD）達到220 μmol∕（m2·s?1）以上，光照強度達到16 000 Lux 以上。綜合采集數(shù)據(jù)分析，距LED 燈具表面30 cm 處的光照強度和光合有效輻射達到了蔬菜生長需求。

3.2 封閉結(jié)構(gòu)溫濕度測定

葉菜類蔬菜耐低溫，生長適宜溫度18～22 °C，生長期內(nèi)溫度主要控制在20 °C 左右。多數(shù)蔬菜的生長適宜相對濕度60%～ 90%， 在多數(shù)情況下， 相對濕度75%～85% 時凈光合速率達到最大[11]。

在種植區(qū)域水平方向上分成A、B、C 3 個區(qū)域（見圖1a），每個區(qū)域在垂直方向上設(shè)定上、中、下3 個測試點，共9 個溫濕度定點采集點。植物工廠為迎合船上人員的活動時間，起到一定的活動療愈功能，設(shè)定蔬菜補光時間8： 00—20： 00，定為明期；20： 00—次日8： 00，定為暗期。

由圖3 可知，在明期階段，水平方向A、B、C 3個區(qū)域在人工光開啟后1 h 溫度達到最大值，最大溫差5.5 °C（與設(shè)定值20 °C 對比），在2 h 恢復至設(shè)定值左右，中午前后溫度有一個小的波動，基本趨于平穩(wěn)；垂直方向同樣是在人工光開啟后升溫，底層溫度最高超過26 °C，在環(huán)流風機的作用下，空氣流動加速，溫度逐漸趨于穩(wěn)定值。在暗期階段，由于沒有大功率發(fā)熱設(shè)備，室內(nèi)溫度基本穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)。綜合數(shù)據(jù)分析，明期平均溫度約21.5 °C，暗期平均溫度約20 °C ，符合蔬菜生長溫度。

由圖4 可知，在明期階段，空氣相對濕度會在室內(nèi)溫度上升時開始降低，當達到濕度下限值75% RH時，加濕器開始工作增加空氣濕度，在濕度下降到65% RH 時開始上升，加濕器會持續(xù)增加空氣濕度達到85% RH 以后停止工作。在暗期階段，由于室內(nèi)溫度比較穩(wěn)定，空氣中的相對濕度保持在85% 左右。綜合數(shù)據(jù)分析，明期平均濕度約75.2% RH，暗期平均濕度約84.8% RH ， 符合蔬菜生長的相對濕度要求。

4 結(jié)束語

船載式垂直植物工廠通過建立封閉空間，利用計算機自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)部溫度、濕度和光照等參數(shù)的控制，達到蔬菜生長所需的最佳環(huán)境，充分利用有效種植空間達到蔬菜周年培育高效高產(chǎn)。船載式垂直植物工廠的應用，解決了艦船在航行中新鮮蔬菜的補給問題，提高自供給保障能力，對于長期在海島駐守、遠洋航行等人員，在緩解心情、改善營養(yǎng)元素缺乏等方面有較大的益處。

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