城市地下空间混合型植物工厂实践与评价

2018-10-15孙维拓吴尚军宋曙光陈晓丽郭文忠

中国蔬菜 2018年10期

孙维拓吴尚军宋曙光陈晓丽郭文忠*

〔1北京农业智能装备技术研究中心，农业部都市农业（华北）重点实验室，北京 100097；2北京市农业技术推广站，北京 100029；3北京市西城区园林市政管理中心，北京 100054〕

随着北京城市副中心建设和非首都功能疏解，都市核心区腾出大量的地下空间，为城市地下空间植物工厂的商业化发展提供了有利条件。开发地下植物工厂具有诸多优势，利用地下空间建造植物工厂不挤占居民的生活空间；地下建筑处于一定厚度的土岩层覆盖之下，具有良好的热稳定性，植物工厂周年生产的冷、热负荷将大幅降低，运行能耗及成本随之降低（杨其长等，2012）。本文以北京市西城区某地下植物工厂为例，详细介绍在城市地下空间构建混合型植物工厂的方法，评价系统设计并提出优化方法，以期为城市地下空间植物工厂的应用发展提供借鉴。

1 系统构建方法

1.1 植物工厂整体布局该植物工厂位于北京市西城区某地下停车场，由北京农业智能装备技术研究中心设计施工，占地面积105 m2，其中叶菜栽培区面积约25 m2，食用菌与芽苗菜生产区约69 m2（图1）。配套设备主要包括：环境调控系统、LED人工光源系统、营养液循环系统、叶菜立体栽培系统、食用菌与芽苗菜栽培系统、计算机智能控制系统及风淋室。墙体材料为填充岩棉的赛木墙板及双层中空钢化玻璃，既便于参观，又同时具备洁净、防腐、防潮、隔热、支撑的功能（彩色图版1）。

1.2 环境调控系统

1.2.1 叶菜生产区环境调控调控机制是在叶菜类蔬菜光期和暗期分别设定1个预期温度值（如光期24 ℃，暗期20 ℃），空调机组通过启停或切换制冷、制热模式，将室内温度控制在预定值的±2 ℃范围内。叶菜生产区空间高度密闭且采用营养液栽培，受植物蒸腾作用及营养液表面蒸发的影响，相对湿度一般处于较高水平，不需要专门加湿，当室内湿度过高时，开启风阀引进新风进行除湿。通风除湿与CO2补施（光期CO2浓度一般高于1 000 μL·L-1，如1 200 μL·L-1）存在矛盾，应严格控制风阀的开启时间，可将相对湿度上限设置为90%。

叶菜生产区环境调控系统主要由组合式空调机组、风管与风阀（彩色图版2-a）、送风口和回风口（彩色图版2-b、c）、CO2补施装置等构成，可实现空气净化、温湿度调控、空气内循环、新风引进及CO2补施等功能。

图1 植物工厂整体布局

组合式空调机组主要包括初效过滤段、加热段、直膨段、风机段、消声段5个功能段。初效过滤段利用化学纤维材料净化室内空气。加热段和直膨段用于调温。植物工厂内的温度调控主要以降温为主，降温能耗约占全年空调能耗的90%，因此空调选用单冷直膨组合式空气处理机组。植物工厂栽培室冷热负荷的计算涉及照明及其他设备运行产生的热量、通过围护结构及地面的热交换、新风渗透等，而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；同时在栽培室消耗的电能中，95%以上都转化为热能，因此可估算照明及其他设备的电耗之和就是其降温负荷，且光能（LED灯具光电转换效率30%～40%）的50%转化为潜热负荷（古在丰树和李明，2016）。在空调设备选型时，当栽培室冷热负荷为空调或热泵装机容量的60%～70%时，其制冷或制热性能系数（COP）最大。采用负荷系数法（陈慧子等，2013）计算得出该植物工厂叶菜生产区围护结构冷热负荷均约为1.5 kW（冷热负荷室外设计温度分别为30、15 ℃），照明及设备冷负荷约为4.5 kW。考虑到最适装机容量以及未来栽培规模的扩大，该植物工厂的空调选型为：额定制冷量12.4 kW，额定输入功率4.6 kW；加热段采取电加热，额定功率8.0 kW。

循环风管选用镀锌铁管，规格为400 mm×320 mm，外包20 mm厚的橡塑板进行隔热。风阀安装于靠近空调机组的回风管上，规格为320 mm×200 mm，在空气内循环过程中开启风阀可引进新风。风管送风口、回风口共计2组，均安装于赛木墙面，送风口为500 mm×400 mm的散流器，回风口为540 mm×400 mm的双层百叶（带滤网）。CO2补施装置包括CO2钢瓶、流量计、调节阀、供气导管等，出气口安放于散流器旁边，随空气内循环扩散到室内。

1.2.2 食用菌与芽苗菜生产区环境调控调控机制为食用菌生长过程中产生的大量CO2须及时排放，当室内CO2浓度上升至设定值（不同食用菌的耗氧量及对CO2的反应不同，但一般不应超过2 000 μL·L-1），开启内循环通风并打开风阀引进室外新风，排除CO2并降低室内温度。CO2排放应迅捷，防止食用菌长时间处于低湿空气中，这就需要足够的新风引进流量。随后系统进入加湿阶段，室内气体缓慢循环流动，并保持湿度在80%以上。

食用菌与芽苗菜生产区环境调控系统主要由组合式空调机组、风管与风阀、送风口和回风口、超声波雾化加湿装置、加湿管道等构成，可实现空气净化、加湿、空气内循环、新风引进及CO2排放等功能。

综合考虑地下空间的热稳定性、项目投资及运行成本控制，选用的组合式空调机组未设置温度调控功能段。其中，风机额定送风量为2 000 m3·h-1，机外静压300 Pa；风管及风阀技术参数与叶菜生产区相同；每个栽培室均设置2组送风口、回风口，其中散流器400 mm×300 mm，双层百叶440 mm×330 mm。超声波雾化加湿装置喷雾量为12 kg·h-1，额定输入功率1.2 kW。为实现节能与均匀加湿，安装专用加湿管道（彩色图版3），管道选用直径为110 mm的PVC管，进入室内的管道均匀开孔，孔直径约23 mm，间距110 mm。

1.3 LED人工光源系统针对植物光需求特性，建立针对性的光配方和光环境控制策略是植物工厂光照节能增效和优质、高产的主要方法（刘文科和杨其长，2014）。不同作物或者同一作物不同生育时期对光环境的反应有所差异（陈晓丽等，2013）。该植物工厂采用北京农业智能装备技术研究中心自主研发的双色LED灯板，共计42个，尺寸为600 mm×750 mm，功率100 W，直流电压36 V，包含红、蓝、白3种光质的LED芯片，其中红、蓝LED的波峰值分别为660 nm和450 nm，白LED光显色指数95，红光波峰值463 nm，蓝光波峰值607 nm。双色灯板的组合光质包括红+蓝、白+红、白+蓝（彩色图版4），灯板下方15 cm处光强约200 μmol·m-2·s-1。每种灯板的双色光质采用独立开关控制，配套调压整流装置，每个灯位光源的供光时间在主控制界面进行设定。3种光质的组合光可根据栽培植物的种类，以及不同生育期的光吸收特点进行选择。

1.4 营养液栽培系统

1.4.1 叶菜立体栽培系统植物工厂的立体栽培系统一般由栽培架、栽培槽、防水塑料膜、带孔泡沫栽培板等组成，通过循环管路与营养液循环系统连接，实现植物工厂的立体多层栽培，大幅度提高了空间利用率和单位面积产量。系统层数多为3～6层，有些甚至达到10层以上。

该植物工厂顶部围护结构距地面高度2.2 m，叶菜立体栽培系统共计3层（彩色图版5）。栽培架材质为40 mm×40 mm铝型材，栽培槽与栽培板均为PVC材质。栽培架高1.9 m，长1.6 m，宽0.6 m；栽培层高0.5 m，底层距地面0.4 m，其下放置营养液槽。栽培槽长1.5 m，宽0.52 m，高0.08 m，壁厚8 mm；栽培板上均匀开44（4×11）个直径为25 mm的孔，孔的行间距10.5 mm，列间距12.5 mm，即该植物工厂叶菜生产区可同时生产成品菜924株，种植密度约56株·m-2（栽培面积）。

1.4.2 营养液循环系统该植物工厂的营养液循环系统采用深液流栽培技术，主要由供液管路、阀门、进液口、栽培槽、溢液口、回液管路、营养液池、排液管和循环水泵组成。系统采取间歇供液方式，以满足作物对水分、养分和溶解氧的需求，如选择每2 h（小时）开启循环水泵10 min（分）。营养液参数维持在EC值1.8～2.0 mS·cm-1，pH值5.8～6.0，溶解氧（DO）7 mg·L-1。通过选择合适的水泵及调节阀门，使各栽培层的供液量均衡稳定，并防止营养液溢出，保证栽培槽内的营养液维持在稳定的液位（约60 mm）。营养液池长1.5 m、宽0.52 m、高0.3 m。

上述系统属于开放式营养液循环系统，在营养液使用一段时间后将形成的废液向系统外排放，会对周边环境造成污染。而封闭式营养液循环系统，可有效利用废液，除具备上述基本配置外，还配备营养液回收与过滤消毒系统、营养液检测与调配系统。

1.5 食用菌与芽苗菜栽培系统为丰富植物工厂的生产功能，同时降低植物工厂整体运行能耗及成本，以提高空间利用效率为原则，设计食用菌与芽苗菜栽培系统。食用菌生长释放大量CO2，浓度过高会对食用菌产生危害，而较高的CO2浓度水平（1 200 μL·L-1）可提升芽苗菜的产量和品质。栽培系统共分4层（彩色图版6），上面2层为芽苗菜栽培箱（彩色图版7-a），下面2层为食用菌层架（彩色图版7-b），共计22组。食用菌层架由铝型材及硬质PVC板构成，长1.6 m，宽0.45 m，层高共计1.25 m。

芽苗菜栽培系统包括：芽苗菜栽培箱、废液回收装置（彩色图版8）、循环管道及控制装置等。栽培箱开口处设置拉帘，防止芽苗菜喷雾滴溅到菌棒上。每个栽培箱长1.52 m，宽0.6 m，高0.37 m，可放置6个芽苗菜托盘，配置6组雾化喷头，1条防水灯带，并与供水、回水管路连接；栽培箱顶部和底部设置通风口，以增加空气流动性。废液回收装置包括：慢砂过滤装置、回液池、水泵（最大流量3 m3·h-1，最高扬程38 m）、臭氧消毒装置（臭氧发生量20 g·h-1，气泵排气量70 L·min-1）、超滤净水装置（净水量1 000 L·h-1）等。运行方式为：水泵抽取回液池中的水经超滤净水装置过滤后进入供液管，由雾化喷头均匀地喷洒在芽苗菜上，多余的水通过回水管路收集，经慢砂过滤进入回液池，臭氧消毒装置通过曝气盘对回液池中的水消毒，消毒过滤后的水由水泵抽取，实现循环供水。此外，在慢砂过滤下游还可接入紫外消毒装置。该系统自动化程度高，操作方便，技术易掌握，可大幅提升芽苗菜生产的用水效率。

1.6 计算机智能控制系统智能控制系统主要由数据采集单元、控制器和执行机构3部分组成。该植物工厂控制系统的控制器包括：PC机终端、三菱PLC（FX-2N系列）及16路继电器控制板（JYDAM1600D），同时配套65寸电脑触摸屏显示器。数据采集单元包括温湿度传感器（RS485通讯）、CO2传感器（RS485通讯）、高清摄像机枪机及时间控制器等设备。控制软件为组态软件组态王以及梯形图编程软件GX Developer。组态软件实现系统参数的展示以及简单的逻辑控制，例如开关的关联；梯形图软件完成系统的通信控制及复杂的逻辑控制，例如系统参数的比较控制。

控制系统分手动和自动2种模式。自动控制模式下，系统进一步引入数据采集单元参与控制。首先在PC机终端设定参数，包括气温、湿度、CO2浓度上下限、光照时间、营养液循环时间、芽苗菜喷水时间、臭氧曝气时间等参数。完成参数设定后，系统进入自动模式，严格按照设定的参数执行，实现无人化管理。植物工厂控制系统框架图如图2所示，PC机终端控制界面及控制室外观见彩色图版9。

2 系统测试应用及产投分析

2.1 环境调控与节能该地下植物工厂自2016年2月竣工后即投入使用，叶菜、芽苗菜及食用菌在现有设备及程序管控下均长势良好，获得丰收。选用ESPEC THCO2便携式环境采集仪测量该植物工厂的温度、湿度及CO2，温度测点分别布置于叶菜生产区几何中心、紧邻的食用菌与芽苗菜生产区几何中心、地下三层停车场内及地面以上大气环境，距地面高度均1 m。期间植物工厂种植生菜、普通白菜（小油菜）、平菇、蟹味菇、海鲜菇、杏鲍菇及豌豆苗、芸松苗等各类芽苗菜，未启动加温措施。

笔者于2017年12月4～11日，在不调温条件下对地下空间植物工厂室内外温度进行测定，结果表明，测试期间室外环境最低温度达-5 ℃，但地下三层停车场空间温度稳定，维持在15 ℃左右，波动幅度不超过0.7 ℃。叶菜生产区在测试期间未进行热环境调控，并处于相对密闭的状态，其温度变化主要源自LED光源发热及与停车场空间的热交换。在光期（6：00～10：00、12：00～16：00、18：00～23：00）叶菜生产区温度不断升高，平均温度20.4 ℃，最高温度为22.7 ℃，暗期平均温度为20.1 ℃，最低温度为17.9 ℃，非常适宜生菜的生长。可见与地上或其他形式的植物工厂相比，地下空间的热稳定性使地下植物工厂能在更多的时间内不调温生产，节能效果显著。食用菌与芽苗菜生产区在测试期间室内温度主要受停车场温度及食用菌生长发育放热的影响，未进行专门的温度调控，温度稳定在16.8 ℃左右，波动幅度不超过0.5 ℃，适宜食用菌及芽苗菜的生长。

图2 植物工厂控制系统框架图

2017年12月4～11日测定食用菌与芽苗菜生产区的CO2浓度及湿度，此期间停车场内CO2浓度在400～580 μL·L-1波动，食用菌与芽苗菜生产区内CO2浓度在1 000～1 700 μL·L-1波动，平均浓度为1 280 μL·L-1，能够满足食用菌的正常生长，同时有利于提高芽苗菜的产量及品质。停车场内相对湿度较低，为20.6%；在引进室外新风排除CO2的过程中，室内相对湿度大幅降低，波动范围较大，为66%～93%，平均相对湿度为83.5%，为食用菌生长发育提供了良好的湿度环境。

2.2 运行经济效益估算通过分析得出年运行成本及效益（表1）。地下空间混合型植物工厂的主要盈利点在食用菌及芽苗菜生产区，人工光叶菜生产区则难以盈利，在叶菜产品市场价格偏低时很容易造成亏损，这也是商业化生产的植物工厂所普遍面临的问题。

表1 地下空间混合型植物工厂年运行成本及效益分析

3 讨论与建议

3.1 城市地下空间混合型植物工厂城市地下空间混合型植物工厂应发挥其资源互补的优势：食用菌生长过程释放大量CO2，而叶菜生产区需要补施CO2，实现二者之间的气体交换可提高资源利用效率，但应考虑气体净化与消毒，以防止潜在的品质污染或病害交叉感染问题。本文中的植物工厂设计3个区域相互串通，不利于交通运输和独立防疫，在今后的设计中应加以改进，以使不同生产区保持独立性。

3.2 商业化生产的植物工厂亏损原因及发展建议

目前国内建成的植物工厂主要用于科学研究、技术展示，进行商业化生产的植物工厂还未见实现盈利的成功案例。笔者认为目前影响植物工厂商业化发展的原因可以总结为：① 初始建设成本高，运行能耗大、费用高，但蔬菜市场价格低，产投比严重失衡，即使优质高产，短期内也难以盈利。②植物工厂技术积累不足，标准化、智能化程度低，未生产出高品质的蔬菜，达不到生长在自然光下的蔬菜的品质和口感，同时也未实现高产、高效。③植物工厂的应用方向不合理，现阶段，还无法生产大众日常消费的果蔬产品，应考虑生产高附加值作物，并拓展其功能。④ 在产供销的产业链中，销售环节不顺畅，没有特色定位，抓不住特定消费群体。综上所述，植物工厂商业化发展的瓶颈在于技术及市场2个层面的限制，实现植物工厂生产盈利及可持续发展，应全面完善和提升技术，并正确把握和开拓市场。

在技术层面，应围绕降低建设成本，节能降耗，资源高效利用，优质、高产开展工作。

① 在环境调控方面，应合理组织气流，进行作物生长环境因素的精准调控，同时采用引入室外冷源协同降温（王君等，2013；辛敏等，2015）、太阳能集热加温、热泵调温（孙行健等，2015）等节能措施和绿色技术。

② 在LED人工光源方面，针对不同作物、品种及生育阶段，建立针对性的光配方及光期、暗期布局等光环境控制策略，实现节能降耗，优质高产（Yamada et al.，2000）；同时可以在灯具设计与安装方面，考虑加入动态调控功能，如实现光源可上下移动、光斑大小可调节等，进一步降低光照能耗（姚凤珍，2016），考虑设计带冷却盘管的水冷式灯具，降低空调系统负载。

③ 在营养液栽培方面，加大离子传感器的研发力度，研制推广稳定的营养液在线检测技术，解决营养液循环利用元素配比不合理的问题，提高资源利用效率；重视液温管理，在栽培槽中配套换热器盘管，与气温调节同步，降低营养液温度随空气温度变化的滞后性。

④ 在能源驱动方面，大力开发利用太阳能、风能等清洁可再生能源，例如发展光伏植物工厂，即在植物工厂围护结构表面铺设光伏板为植物工厂提供部分电能，或在城市地上尤其是建筑物表面铺设光伏板，为地下空间的植物工厂提供能源。

此外，还应研制或引入新材料、新技术降低围护结构及配套设备建设成本；加强试验作物种类的多元化及适宜植物工厂环境的品种选育等。