人工光型及太陽(yáng)光型植物工廠空調(diào)應(yīng)用技術(shù)

【摘要】本文主要論述人工光型植物工廠和太陽(yáng)光型植物工廠內(nèi)空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用特征。首先討論了人工光型植物工廠的主要構(gòu)成要素、CO2濃度、室內(nèi)氣溫、飽和蒸汽壓差等環(huán)境因子設(shè)定值與實(shí)際值之間的關(guān)系，室內(nèi)降溫負(fù)荷的影響要素，降溫時(shí)熱泵成績(jī)系數(shù)與室外氣溫的關(guān)系。在太陽(yáng)光型植物工廠方面，論述了室內(nèi)氣溫、飽和蒸汽壓差以及CO2濃度的設(shè)定值的控制方法，同時(shí)對(duì)葉片附近蒸汽壓差與氣流速度的重要性，及室內(nèi)加溫、降溫負(fù)荷的變化進(jìn)行了總結(jié)。

【Abstract】Features of air conditioning technologies are described with respect to plant factory with artificial lighting （PFAL） and greenhouse （GH）. Main components of PFAL， CO2 concentration， air temperature and water vapor pressure deficit （VPD） in the PFAL are discussed. Cooling loads by components and the coefficient of performance of air conditioners for cooling as affected by outside air temperature are discussed. Set points and control methods of air temperature， VPD and CO2 concentration in the greenhouse are explained. Importance of VPD and air current speed over leaves is emphasized. Yearly heating and cooling loads are discussed.

引言

截至2016年2月，日本共擁有人工光型植物工廠191座，太陽(yáng)光利用型植物工廠229座。該數(shù)字自2009年以來(lái)一直在持續(xù)增加。但根據(jù)估算，能夠?qū)崿F(xiàn)盈利的人工光植物工廠不及總數(shù)的一半。另外，日本農(nóng)林水產(chǎn)省自2014年起啟動(dòng)了“次世代植物工廠”發(fā)展計(jì)劃，開(kāi)始對(duì)太陽(yáng)光型植物工廠和人工光型育苗裝置進(jìn)行補(bǔ)貼。截至目前，共有10余座生產(chǎn)規(guī)模在3～4 hm2的植物工廠在該項(xiàng)計(jì)劃的資助下建成運(yùn)營(yíng)。

環(huán)境控制技術(shù)是增加植物工廠作物產(chǎn)量、提高品質(zhì)、降低成本的重要手段，進(jìn)而使植物工廠的經(jīng)營(yíng)狀況獲得有效改善[1]。因此，就必須要對(duì)植物工廠環(huán)境調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)知識(shí)有深刻的了解。本文闡述了人工光型和太陽(yáng)光型植物工廠的空調(diào)應(yīng)用技術(shù)。其中，本文所引用的文獻(xiàn)[2]和[3]已翻譯為中文并出版，文獻(xiàn)[4]正在翻譯中。文獻(xiàn)[5]對(duì)人工光型植物工廠進(jìn)行了全面闡述。另外，提高生產(chǎn)效率同樣是改善植物工廠經(jīng)營(yíng)情況的重要措施，將另文論述。

人工光型植物工廠

人工光型植物工廠是由栽培室、作業(yè)室、預(yù)冷庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、事務(wù)室、更衣室、洗手間等房間構(gòu)成[5]。本文主要針對(duì)栽培室的空調(diào)利用技術(shù)進(jìn)行闡述。栽培室內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液栽培裝置的測(cè)量控制技術(shù)也很重要，但由于與空調(diào)應(yīng)用技術(shù)的關(guān)聯(lián)度較少，所以本文不對(duì)其展開(kāi)論述。另外，在生產(chǎn)過(guò)程中，為了防止附著在人身體上痢疾桿菌、霍亂弧菌等細(xì)菌污染作用，很多植物工廠嚴(yán)格要求工人必須換穿無(wú)菌作業(yè)服，經(jīng)過(guò)風(fēng)淋室消毒后才能進(jìn)入栽培室和作業(yè)室。

構(gòu)成要素和特征

◎ 人工光型植物工廠的栽培室由6大要素構(gòu)成：

① 高保溫、高密封、高清潔度的房間；

② 照明裝置和配備營(yíng)養(yǎng)液栽培槽的多段栽培架；

③ 家用空調(diào)或工業(yè)空調(diào)（以下稱之為“熱泵”），以及室內(nèi)空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)；

④ CO2施肥裝置（為促進(jìn)植物光合作用）；

⑤ 營(yíng)養(yǎng)液罐及配管、循環(huán)泵、殺菌裝置（紫外線、臭氧、過(guò)濾膜等）等；

⑥ 室內(nèi)氣溫、照明、營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境測(cè)量控制裝置[2，6-7]。此外，還包括空氣凈化器等附屬品。

在人工光型植物工廠內(nèi)，為了最小化室內(nèi)氣溫波動(dòng)以及防止出現(xiàn)結(jié)露，常采用高保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于寒冷地區(qū)來(lái)說(shuō)，還應(yīng)隔斷地面的傳熱。根據(jù)植物工廠所在地的氣候，人工光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)約為0.1～0.2 W/（m2·K）；栽培室的換氣次數(shù)約為0.01～0.02次/h。如果規(guī)范中對(duì)植物工廠換氣次數(shù)有明確規(guī)定，應(yīng)予以遵守。另外，栽培室的密閉程度很高，為了保護(hù)工人健康，防止植物生長(zhǎng)不良，應(yīng)當(dāng)選擇不產(chǎn)生揮發(fā)性氣體的建材。對(duì)于光照來(lái)說(shuō)，栽培床面的光合有效光量子密度約為100～200 ?mol/（m2· s）

（對(duì)于寬度為1 m左右的栽培床，單位面積上應(yīng)配置3～5支40 W的熒光燈）。一般栽培架包含10～15層栽培床，當(dāng)栽培架的燈全部用于照明時(shí)，相同地面面積的照明用電是普通辦公室的數(shù)十倍。

空氣清凈度、CO2濃度和空氣溫濕度[2，6]

◎ 蔬菜帶菌數(shù)

栽培室內(nèi)的空氣較為清潔，沒(méi)有細(xì)菌。但是栽培室內(nèi)的植物葉片表面分泌的淀粉以及多糖類粉末會(huì)飛散到空氣中。因此與半導(dǎo)體工廠相比，人工光植物工廠的空氣清潔度（粉塵含量）較差。在實(shí)際中，苛求較高的空氣清潔度是沒(méi)有意義的。雖然空氣中有少許粉塵，但人工光植物工廠所收獲的蔬菜微生物較少，尤其是不含對(duì)人身體有害的病原菌，粉塵不會(huì)對(duì)蔬菜的品質(zhì)或人體健康產(chǎn)生影響。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，人工光植物工廠中，1 g新鮮蔬菜的菌落形成單位應(yīng)在300以下。該數(shù)值是溫室生產(chǎn)蔬菜和露地生產(chǎn)蔬菜菌落形成單位的1/100～1/1000。如果蔬菜的包裝及裝袋工序都在密閉的栽培室內(nèi)進(jìn)行，那么，蔬菜采收初期的微生物密度將會(huì)更低。采收后微生物數(shù)量雖然會(huì)隨著時(shí)間有所增加，但基本可以不用清洗直接食用。

◎ CO2濃度

在設(shè)定人工光植物工廠照明期間的CO2濃度時(shí)，應(yīng)首先遵守衛(wèi)生管理的相關(guān)法律。一般情況下，當(dāng)室內(nèi)CO2濃度維持在1000 μmol/mol以上時(shí)，能有效促進(jìn)植物的光合作用。因此，當(dāng)栽培室內(nèi)沒(méi)有作業(yè)人員時(shí)，室內(nèi)的CO2濃度一般會(huì)高于1000 μmol/mol。

人工光植物工廠實(shí)行高度密閉不只是為了防止室外的昆蟲(chóng)、微生物以及小動(dòng)物進(jìn)入室內(nèi)，減少室內(nèi)水蒸氣和熱量散失，更重要的是防止室內(nèi)CO2流失到室外（室外大氣的CO2濃度僅有400 μmol/mol）。

◎ 空氣溫濕度

人工光型植物工廠的室內(nèi)氣溫控制在20～25℃左右。栽培室內(nèi)并排布置數(shù)排多層栽培床。栽培架頂端距離屋頂很近，不利于屋頂空氣流動(dòng)，栽培室內(nèi)的空氣流動(dòng)性能也較差，使得栽培室在垂直方向上容易出現(xiàn)溫差。此外，栽培架內(nèi)燈具開(kāi)啟時(shí)，會(huì)向外釋放熱量，栽培架內(nèi)空氣溫度一般會(huì)與室內(nèi)氣溫有1～2℃的差異。但是，如果能夠促進(jìn)栽培架的空氣流動(dòng)，使栽培架內(nèi)的氣流速度達(dá)到每秒數(shù)十厘米的程度，則栽培架內(nèi)外的溫差會(huì)減小至1℃以內(nèi)。

如何實(shí)現(xiàn)照明期間室內(nèi)氣溫分布的可視化和控制是以后面臨的最大課題之一。當(dāng)照明燈具開(kāi)啟時(shí)，栽培架的燈具發(fā)出的光能被植物葉片吸收，然后轉(zhuǎn)化為潛熱和顯熱[7]。潛熱和顯熱的比例受植物冠層葉面積、氣孔導(dǎo)度以及葉片周邊的氣流速度等因素影響。目前，室內(nèi)的空氣溫濕度可通過(guò)市場(chǎng)上的流體動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行模擬，但是室內(nèi)的氣流分布情況隨植物長(zhǎng)勢(shì)以及栽培密度不斷變化，必須通過(guò)實(shí)際測(cè)試來(lái)有效把握。

通過(guò)提高光合速率可有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)。從該觀點(diǎn)來(lái)看，當(dāng)室內(nèi)氣溫為20℃，栽培室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度應(yīng)維持在80%（飽和蒸汽壓差為0.5 kPa）時(shí)對(duì)植物光合速率比較有利。當(dāng)栽培室內(nèi)所有燈具停止運(yùn)行時(shí)，受植物蒸騰作用的影響，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度容易達(dá)到100%。在如此高的相對(duì)濕度下，墻壁和地面上容易產(chǎn)生結(jié)露。而反過(guò)來(lái)，若植物蒸騰作用受到抑制，植物的莖和葉柄容易變的細(xì)長(zhǎng)。因此，應(yīng)該使栽培室內(nèi)維持適當(dāng)?shù)目諝庀鄬?duì)濕度，一般人工光型植物工廠栽培室內(nèi)的燈具不會(huì)全部停止運(yùn)行。如果一直有部分燈具運(yùn)行，則必須要利用熱泵對(duì)栽培室進(jìn)行降溫以除去燈具運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。與此同時(shí)，室內(nèi)空氣中的水分也可以被熱泵除去，從而有效降低室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度。此外，一部分燈具運(yùn)行，一部分燈具停止運(yùn)行的模式，還能有效減小最大照明電耗，進(jìn)而降低用電成本。

光照強(qiáng)度分布

一般，栽培床上的光強(qiáng)分布是中間高，兩側(cè)低。光強(qiáng)度不均勻會(huì)導(dǎo)致植物長(zhǎng)勢(shì)不均，必須予以注意。如果為栽培架配置高反射材料制作的反射板，栽培床上的光強(qiáng)可以顯著提高。另外，白色栽培板的光反射率約為80%，而植物葉面的光反射率一般低于10%。因此，隨著植株的成長(zhǎng)，栽培床內(nèi)的平均反射率降低，植物冠層上的光強(qiáng)度也會(huì)隨之降低并影響植物生長(zhǎng)，對(duì)此應(yīng)加以注意。

降溫負(fù)荷

圖1為裝備有熱泵、燈具、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)泵、送風(fēng)扇等設(shè)備的人工光型植物工廠栽培室及其能量和CO2平衡示意圖。對(duì)于保溫性和密閉性較高的人工光型植物工廠，栽培室在照明期間流失到室外的熱量基本可以忽略。根據(jù)2002年的測(cè)試結(jié)果，在使用高性能熱泵的條件下，人工光型植物工廠照明、熱泵及其他設(shè)備（營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)泵，空氣循環(huán)扇等）年間電耗占年間總電耗的比例分別為80%、16%、4%左右。根據(jù)表1中照明及其他電設(shè)備的電耗之和，熱泵的成績(jī)系數(shù)（COP=降溫?zé)崃?熱泵消耗電量）大概為5.3[8]。

在保溫性和密封性較高的栽培室內(nèi)，如果僅有一部分燈具在夜間運(yùn)行，即使在冬季夜間，熱泵也是以降溫模式運(yùn)轉(zhuǎn)。如果栽培室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性和密封性較差，熱泵降溫的費(fèi)用將會(huì)顯著增加。另外，當(dāng)冬季室外氣溫低于0℃時(shí)，必須使用特別的熱泵（如卡拉OK店使用的熱泵）進(jìn)行降溫。

熒光燈和LED燈將電能轉(zhuǎn)換為光能（光合有效輻射波段：400～700 nm）的比例分別為25%和30%～40%。植物葉片將照射在其表面的光能轉(zhuǎn)化為自身化學(xué)能的最大比例約5%。結(jié)果，照射在葉片的光能中，有95%的光能轉(zhuǎn)換為熱量散失?？偟膩?lái)說(shuō)，栽培室消耗的電能中，95%以上都轉(zhuǎn)換為熱量。

一般情況下，正常進(jìn)行蒸騰的葉片可將照射到其表面光能的50%轉(zhuǎn)換為潛熱，并使室內(nèi)空氣中的水分增加（該過(guò)程不影響室內(nèi)氣溫），將其余50%的光能轉(zhuǎn)換為顯熱（該過(guò)程會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)氣溫上升）。因此人工光型植物工廠在照明期間，降溫負(fù)荷的50%為潛熱。

對(duì)于保溫性和密封性較高的栽培室，其室內(nèi)外熱量交換可忽略，可認(rèn)為照明及其他設(shè)備的電耗之和就是其降溫負(fù)荷。一般情況下，夜間有2/3的燈具運(yùn)行時(shí)，即使在冬季，也要開(kāi)啟熱泵進(jìn)行降溫。甚至在冬季夜間最低溫度為-40℃的蒙古國(guó)烏蘭巴托，夜間也同樣需要降溫。因此，雖然人工光型植物工廠照明電耗巨大，但該模式使得寒冷地區(qū)不加溫生產(chǎn)蔬菜成為可能。這一點(diǎn)，對(duì)于在寒冷地區(qū)進(jìn)行蔬菜生產(chǎn)至關(guān)重要。順便提一下，對(duì)于使用熒光燈作為照明燈具的人工光型植物工廠，生產(chǎn)100g新鮮生菜所需的電耗大概為1 kW·h，如果使用LED替代熒光燈后，則生菜生產(chǎn)的電耗可以減少一半。

一般栽培室內(nèi)植物葉片面積可達(dá)栽培床面積的數(shù)倍。由此，栽培室在照明期間的降溫負(fù)荷中，有50%為潛熱。通過(guò)植物蒸騰作用進(jìn)入室內(nèi)空氣的水蒸氣中，有95%轉(zhuǎn)換為熱泵冷卻面的冷凝水，其余部分則通過(guò)栽培室的微小縫隙擴(kuò)散到室外。通過(guò)熱泵冷卻得到的結(jié)露水可回收并返回營(yíng)養(yǎng)液罐進(jìn)行重復(fù)利用。這樣的話，總用水量=換氣損失水量+植物體增加水量。考慮到植物根部吸收的水分中95%用于葉片的蒸騰作用，其余5%用于自身生長(zhǎng)，則向營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)中添加的水中，有90%可以被回收利用，人工光型植物工廠的用水量不到溫室營(yíng)養(yǎng)液栽培系統(tǒng)用水量的10%[7]。如此高的節(jié)水性能對(duì)世界上干燥地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大。實(shí)際上，由于栽培定植板、栽培床需要定期清洗，營(yíng)養(yǎng)液也要更新，實(shí)際用水量會(huì)比上述計(jì)算結(jié)果高數(shù)倍。

熱泵的成績(jī)系數(shù)

當(dāng)栽培室的氣溫在25℃時(shí)，熱泵的成績(jī)系數(shù)（COP=降溫?zé)崃?熱泵消耗電量）受室外氣溫的影響較大。根據(jù)2002年以前在東京郊外的千葉縣松戶市試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)室內(nèi)氣溫為25℃，室外氣溫為0～20℃時(shí)，COP為8～10；當(dāng)室外氣溫為30℃左右時(shí)，COP則降至5[8]。值得注意的是，該試驗(yàn)是在2002年以前進(jìn)行的，如果使用2015年制造的熱泵，熱泵的COP將會(huì)提高1左右。一般情況下，日本制造的熱泵較其他國(guó)家的COP會(huì)高很多。

如圖2所示，在與松戶市相同氣溫的地區(qū)，保溫型和密閉性較高的人工光型植物工廠中熱泵電耗占總電耗的比例低于15%。隨著熱泵技術(shù)發(fā)展，熱泵COP不斷提升，該比例還會(huì)繼續(xù)下降。另外，使用LED等替代熒光燈，植物工廠照明電耗也會(huì)顯著降低，則人工光型植物工廠的總電耗也會(huì)下降。而對(duì)于保溫性和密閉性較差的人工光型植物工廠來(lái)說(shuō)，熱泵電耗占總電耗的比例則為20%～40%，而且在冬季，墻體內(nèi)表面也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)結(jié)露的問(wèn)題。

栽培室內(nèi)運(yùn)行燈具的比例與降溫負(fù)荷有較大關(guān)聯(lián)，為了維持較高的COP，應(yīng)根據(jù)室內(nèi)燈具運(yùn)行比例設(shè)定運(yùn)行的熱泵數(shù)量。此外，為了使室內(nèi)空氣分布均勻，即使不降溫時(shí)，也應(yīng)將熱泵設(shè)定在送風(fēng)模式下運(yùn)行。一般情況下，當(dāng)栽培室降溫負(fù)荷為其最大降溫負(fù)荷的60%～70%時(shí)，熱泵的COP最大，當(dāng)栽培室降溫負(fù)荷為其最大降溫負(fù)荷的40%以下或80%以上時(shí)，熱泵的COP會(huì)明顯降低。實(shí)際中，很多植物工廠所配備的熱泵臺(tái)數(shù)是必需配置數(shù)的2倍，這不僅增加了設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用，而且會(huì)導(dǎo)致熱泵的COP較低，電耗增加。

太陽(yáng)光型植物工廠

太陽(yáng)光型植物工廠內(nèi)的熱泵利用技術(shù)與人工光型植物工廠不同，有很多要必須解決的問(wèn)題[3，9]。比較突出的問(wèn)題及解決方法如表2所示[9]。造成該現(xiàn)象的主要原因是太陽(yáng)光型植物工廠四周是由可透過(guò)太陽(yáng)光的玻璃或塑料薄膜圍護(hù)而成。由于室內(nèi)的太陽(yáng)輻射不斷隨時(shí)間變化，導(dǎo)致室內(nèi)的加溫、降溫、換氣負(fù)荷也不斷變化。

此外，太陽(yáng)光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)高達(dá)3～6 W/（m2·K），其保溫性能僅為人工光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幾十分之一。因此，太陽(yáng)光型植物工廠的加溫和降溫負(fù)荷極易受室外氣溫、風(fēng)速和降雪等因素的影響，隨時(shí)間變化較大。此外，室內(nèi)地面與空氣之間也有很顯著的熱交換，這也是有時(shí)冬季夜間采暖負(fù)荷較低，而有時(shí)夏季冷房負(fù)荷較大的原因之一。

室內(nèi)氣溫的調(diào)控方法

室內(nèi)氣溫的控制方法與一般辦公室或工廠有所不同。需根據(jù)室內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室內(nèi)氣溫設(shè)定值與室外氣溫之差等參數(shù)，綜合應(yīng)用換氣裝置（風(fēng)扇或通風(fēng)窗）、活動(dòng)遮陽(yáng)網(wǎng)、活動(dòng)保溫幕裝置、噴霧降溫裝置、濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、采暖裝置、熱泵等設(shè)備來(lái)對(duì)室內(nèi)氣溫進(jìn)行控制。最近，在日本使用多功能熱泵進(jìn)行降溫、加溫以及除濕的事例越來(lái)越多。但必須使用很多措施來(lái)發(fā)揮熱泵的多功能特性，并降低運(yùn)行成本[3，10]。

太陽(yáng)光型植物工廠的室內(nèi)氣溫一般在夜間采暖時(shí)設(shè)定為12～15℃，換氣時(shí)設(shè)定為25～26℃。但在夏季晴朗白天，即使進(jìn)行通風(fēng)，實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫依然為30℃的時(shí)候很多。在冬季日間，采暖時(shí)的室內(nèi)氣溫設(shè)定值一般為20℃左右。而使用熱泵在夜間進(jìn)行降溫時(shí)，室內(nèi)氣溫的設(shè)定值為24℃左右（室外氣溫大概為-3℃）。如果室內(nèi)氣溫分布不均勻，則應(yīng)該啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)。基于上述原因，室內(nèi)氣溫的實(shí)際值在加溫期間設(shè)定值12℃和換氣期間設(shè)定值25℃之間變化。雖然如此，但是只要植物積溫不變，植物的長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量和品質(zhì)基本不受影響。

在不同條件，室內(nèi)氣溫的調(diào)控方式為：

◎ 太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度為0（夜間）或較少的場(chǎng)合（陰雨天、日出后1 h或日落前1 h以內(nèi)）

① 實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫>設(shè)定室內(nèi)氣溫>室外氣溫時(shí)（主要是在夏季），應(yīng)該通風(fēng)降溫；

② 設(shè)定室內(nèi)氣溫>實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫>室外氣溫時(shí)（主要是在冬季），應(yīng)展開(kāi)活動(dòng)保溫幕進(jìn)行保溫；

③ 在采取保溫措施后，出現(xiàn)設(shè)定室內(nèi)氣溫>實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫>室外氣溫時(shí)（主要是在冬季），應(yīng)進(jìn)行供暖；

④ 當(dāng)實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫>設(shè)定室內(nèi)氣溫<室外氣溫時(shí)（主要是在夏季），應(yīng)采用熱泵進(jìn)行降溫。該情況可視情況將保溫幕展開(kāi)。

◎ 太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較少的場(chǎng)合

① 實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫>設(shè)定室內(nèi)氣溫>室外氣溫的場(chǎng)合，應(yīng)進(jìn)行換氣；

② 當(dāng)換氣窗全部打開(kāi)，換氣扇全部運(yùn)行時(shí)，如果實(shí)測(cè)室內(nèi)氣溫>設(shè)定室內(nèi)氣溫時(shí)（主要是在夏季），應(yīng)該運(yùn)行蒸發(fā)降溫裝置（室內(nèi)氣溫較低時(shí)，濕球溫度會(huì)升高）。如果沒(méi)有配備蒸發(fā)冷卻裝置，可根據(jù)實(shí)際情況展開(kāi)一部分或全部遮陽(yáng)網(wǎng)。另外，如果熱泵的降溫能力大于室內(nèi)的太陽(yáng)輻射負(fù)荷以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱交換負(fù)荷。可將換氣窗關(guān)閉，使用熱泵進(jìn)行降溫。在實(shí)際生產(chǎn)中，確定合理的室內(nèi)設(shè)定氣溫不僅要考慮植物生長(zhǎng)情況，還要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)綜合考慮室外氣溫、電費(fèi)、燃料價(jià)格、蔬菜市場(chǎng)價(jià)格、室內(nèi)作業(yè)人員情況等因素。今后應(yīng)開(kāi)發(fā)綜合環(huán)境控制方法來(lái)輔助設(shè)定合理的室內(nèi)氣溫[3]。

飽和蒸汽壓差控制與風(fēng)速控制

作物的蒸騰速度與空氣飽和蒸汽壓差（葉溫所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓與周圍大氣水蒸氣分壓力之差），以及葉片表面的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)成正比。一般情況下，蒸騰速度越大，植物根部對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收速度也越大，而葉溫也會(huì)較周邊的空氣溫度低1～2℃。

如果葉片蒸騰速度過(guò)快，不僅會(huì)導(dǎo)致氣孔導(dǎo)度減小，葉片向周圍空氣的水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)降低，植物葉片萎蔫，還會(huì)使得周邊空氣通過(guò)進(jìn)入葉片內(nèi)的CO2速度減少，進(jìn)而導(dǎo)致植物的凈光合速度下降。另外，葉片蒸騰速率也隨葉片周邊氣流速度的增加而增加。

基于上述分析，在日間，應(yīng)盡可能調(diào)整太陽(yáng)光型植物工廠的飽和蒸汽壓差和空氣流動(dòng)速率，促進(jìn)和優(yōu)化植物蒸騰速率和凈光合速率就變得非常重要。對(duì)于種苗來(lái)說(shuō)，一般定植后的種苗葉面積和葉面積指數(shù)較小，蒸騰速率不高，室內(nèi)空氣的飽和蒸汽壓差較大，對(duì)種苗生長(zhǎng)不利。在該情況下，應(yīng)在維持適宜的室內(nèi)氣溫的前提下，使用噴霧裝置增加室內(nèi)空氣濕度，減小室內(nèi)空氣的飽和蒸汽壓差。相反，若是室內(nèi)的植物較為繁茂的話，葉面積指數(shù)較大，會(huì)阻礙室內(nèi)空氣流動(dòng)，使得葉片周邊氣流速度減小，從而導(dǎo)致蒸騰速率和凈光合速率減小。

降溫負(fù)荷和加溫負(fù)荷的最大值

假設(shè)太陽(yáng)光型植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)（屋頂+側(cè)墻+山墻）面積與室內(nèi)地面面積之比為1.2，計(jì)算其降溫負(fù)荷和加溫負(fù)荷。

◎ 夏季日間的最大降溫負(fù)荷

首先計(jì)算太陽(yáng)光型植物工廠在夏季晴天正午前后換氣窗關(guān)閉時(shí)單位室內(nèi)地面面積的降溫負(fù)荷最大值。當(dāng)室外太陽(yáng)輻照度為1000 W/m2，太陽(yáng)光型植物工廠的太陽(yáng)輻射透過(guò)率（室內(nèi)地面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度之比）為60%時(shí)，太陽(yáng)輻射負(fù)荷為0.6 kW/m2。若室外氣溫為35℃，室內(nèi)氣溫為30℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為0.05 kW/（m2·K）時(shí)，單位地面面積通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷為0.3 （=0.05×（35-30）×1.2） kW/m2。如果太陽(yáng)光型植物工廠的通風(fēng)換熱進(jìn)入室內(nèi)的熱量為0.1 kW/m2，則單位地面面積的降溫負(fù)荷為1.0 （=0.6 + 0.3 + 0.1） kW/m2。根據(jù)給定條件，面積為1000 m2的太陽(yáng)光型植物工廠在降溫負(fù)荷為1000 kW。如果要使用熱泵進(jìn)行降溫，無(wú)論是初期投資成本和運(yùn)轉(zhuǎn)成本都比較高，不適用于夏季太陽(yáng)光型植物工廠的降溫，應(yīng)選擇蒸發(fā)降溫的方法。

◎ 蒸發(fā)降溫

蒸發(fā)降溫是在溫帶、亞熱帶和熱帶氣候地區(qū)園藝設(shè)施內(nèi)常用的降溫方法。世界上主流蒸發(fā)降溫方式是濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)，而在日本，更多的是采用水霧汽化的方式，即噴霧降溫，來(lái)進(jìn)行降溫。從理論上來(lái)講，如果能將水滴進(jìn)行充分霧化，即使在盛夏室外氣溫為35℃，濕球溫度在26℃時(shí)，也能使用噴霧降溫來(lái)降低室內(nèi)氣溫。但該情況下，室內(nèi)飽和蒸汽壓差較小，可達(dá)到0 Pa，相對(duì)濕度為100%。最近，市面上出現(xiàn)了可靈活設(shè)置噴霧速度、精確室內(nèi)空氣飽和蒸汽壓差的裝置。這樣，就會(huì)消除水霧發(fā)生不充分而引起的溫濕度變化，以及葉面沾濕等問(wèn)題。

◎ 冬季夜間的最大采暖負(fù)荷

冬季黎明的時(shí)候，當(dāng)太陽(yáng)光型植物工廠的保溫幕展開(kāi)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為

0.025 kW/（m2·K），室外氣溫為-3℃，室內(nèi)氣溫的設(shè)定值為12℃的時(shí)候，單位地面面積的采暖負(fù)荷為0.45 （0.025 × （12+3）×1.2） kW/m2。

由室內(nèi)地面向室內(nèi)空氣放熱的熱流量密度為0.02 kW/m2時(shí)，單位地面面積的采暖負(fù)荷變?yōu)?.43 （= 0.45-0.02） kW/m2。則面積為1000 m2的太陽(yáng)光型植物工廠的采暖負(fù)荷為430 kW。加上通風(fēng)換熱引起的加溫負(fù)荷，則總采暖負(fù)荷低于500 kW。在該情況下，使用熱泵不僅能滿足加溫負(fù)荷要求，同時(shí)也可以用于日間的降溫。該情況下使用熱泵對(duì)植物生產(chǎn)就非常有利。

◎ 夏季夜間最大降溫負(fù)荷

夏季夜間移動(dòng)保溫幕全部展開(kāi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)約為0.3 kW/（m2·K），室外氣溫為28℃，室內(nèi)設(shè)定氣溫為23℃的時(shí)候，單位地面面積相對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)約為0.18（= 0.03×（28-23） ×1.2）kW/m2。根據(jù)上述參數(shù)，面積為1000 m2的太陽(yáng)光型植物工廠的熱負(fù)荷為180 kW，再加上室內(nèi)地面向室內(nèi)空氣放熱以及通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的換氣引起降溫負(fù)荷，總降溫負(fù)荷為200 kW。

日本根據(jù)過(guò)去1年間最大電耗征收基本電費(fèi)，即使在不需要使用電力的月份也要繳納電費(fèi)。因此，對(duì)于應(yīng)用熱泵的太陽(yáng)光型植物工廠來(lái)說(shuō)，可在室外氣溫超過(guò)25℃以上的夜間進(jìn)行降溫，對(duì)提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)有很好的效果[11]。

◎ 加溫與降溫負(fù)荷的變動(dòng)與熱泵運(yùn)作臺(tái)數(shù)控制

太陽(yáng)光型植物工廠的加溫和降溫負(fù)荷隨時(shí)間、季節(jié)及室外氣象條件等不斷變化，且變化幅度較大。應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)相關(guān)控制程序來(lái)簡(jiǎn)化熱泵的運(yùn)轉(zhuǎn)模式和臺(tái)數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)。

CO2零濃度差控制方法

植物冠層在日間需要從空氣中吸收CO2，然后通過(guò)光合作用將其轉(zhuǎn)化為自身的碳水化合物。一般室外大氣的CO2濃度約為400～420 μmol/mol。但在正午時(shí)分，室內(nèi)CO2濃度會(huì)較室外CO2濃度低100～150 μmol/mol。即使采取通風(fēng)換氣的措施，室內(nèi)CO2濃度也處于較低的水平。如此低的CO2濃度下會(huì)對(duì)植物冠層的凈光合速率產(chǎn)生抑制。如果通過(guò)CO2施肥使得室內(nèi)CO2濃度與室外相當(dāng)，不僅能促進(jìn)植物光合作用，而且由于室內(nèi)外CO2濃度一致，所施用的CO2不會(huì)損失[12-14]。

結(jié)語(yǔ)

植物工廠的土地生產(chǎn)性能遠(yuǎn)高于露地。目前，很多城市人口持續(xù)增加，為保障相應(yīng)人口生活的新鮮食物生產(chǎn)系統(tǒng)也變得越來(lái)越重要[2]。城市產(chǎn)生的CO2、污水、有機(jī)垃圾、樹(shù)木修剪殘枝等卻是植物生產(chǎn)所必需的資源。因此，通過(guò)發(fā)展植物生產(chǎn)來(lái)促進(jìn)城市廢棄資源的循環(huán)利用，對(duì)減少CO2排放、石油和水資源消耗有非常重要的意義。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，植物工廠是未來(lái)農(nóng)業(yè)技術(shù)變革的基本技術(shù)之一[15]。最近，很多中國(guó)研究者在日本做了很多的研究，人工光植物工廠相關(guān)的文獻(xiàn)有[16]～[19]，太陽(yáng)光型植物工廠先關(guān)的文獻(xiàn)有[20]和[21]。另外，本文是在《冷凍》雜志上發(fā)表的論文[22]修改而來(lái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 古在豊樹(shù).植物工場(chǎng)の背景 課題および動(dòng)向[J].冷凍，2013，88 （1025）：143-150.

[2] 古在豐樹(shù).人工光型植物工廠[M].賀冬仙，鈕根花，馬承偉， 譯.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2014.

[3] 古在豐樹(shù).太陽(yáng)光利用型植物工廠[M].張成波，尚慶茂，譯.北 京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[4] 古在豊樹(shù).都市における生鮮食料生産の多面的意義[J].農(nóng)業(yè) および園蕓，2014，89（10）：994-1006.

[5] Kozai T， G Niu ， M Takagaki. Plant Factory： An indoor vertical farming system for quality food production[J]. Academic Press，2015，445.

[6] Kozai T， C Kubota，M Takagaki，et al. Greenhouse Environment Control Technologies for Improving the Sustainability of Food Production[J].Acta Horticulturae （in press） ，2015.

[7] Kozai T.Resource use efficiency of closed plant production system with artificial light： Concept， estimation and application to plant factory[J]. Proceedings of the Japan Academy，2016B，89（10）： 447-461.

[8] 大山克己，古在豊樹(shù)，久保田智惠利，等.閉鎖型苗生産?? ??に設(shè)置した家庭用????の冷房時(shí)成績(jī)係數(shù)[J].植物工場(chǎng)學(xué) 會(huì)誌，2002，14（3）：141-146.

[9] 古在豊樹(shù).知能的太陽(yáng)光植物工場(chǎng)の新展開(kāi)[13]―省資源·環(huán) 境保全と高収量·高品質(zhì)を両立させる???????植物工場(chǎng)―[J]. 農(nóng)業(yè)および園蕓，2011，86（1）：41-50.

[10] 関山哲雄，古在豊樹(shù).園蕓施設(shè)の空調(diào)に????????を使用する 場(chǎng)合の???削減に関わる課題[J].農(nóng)業(yè)電化，2015，68（2）： 12-17.

[11] 馬場(chǎng)勝.???に???????????設(shè)備を?qū)毪工雸?chǎng)合の償卻期間 短縮[J].農(nóng)業(yè)電化，2015，68（4）：8-13.

[12] 古在豊樹(shù)，糠谷綱希，渋谷俊彥，等.施設(shè)園蕓における??? 濃度差CO2施用（1）[J].その原理と実際?農(nóng)業(yè)および園蕓， 2014a，89（6）：43-652.

[13] 古在豊樹(shù)，糠谷綱希，渋谷俊彥，等.施設(shè)園蕓における??? 濃度差CO2施用（2）[J].その原理と実際.農(nóng)業(yè)および園蕓， 2014b，89（7）：749-758.

[14] 賀冬仙，古在豐樹(shù)，竇海杰，等.基于設(shè)施內(nèi)外零濃度差的 CO2增施對(duì)日光溫室草莓生產(chǎn)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫 室園藝），2016，36（4）：9-14.

[15] 古在豊樹(shù).近代農(nóng)法はどちらに向かって変わるのか？[J]. 農(nóng)業(yè)および園蕓，2016，91（4）：421-426.

[16] 古在豊樹(shù).植物工場(chǎng)における空調(diào)技術(shù)[J].冷凍，2015，90 （1059）：823-826.

[17] Li M， T Kozai， Niu G，et al. Estimating the air exchange rate using water vapour as a tracer gas in a semi-closed growth chamber[J]. Biosystems Engineering，2012，113（1）： 94-101.

[18] Li M， T Kozai， K Ohyama，et al. Estimation of hourly CO2 assimilation rate of lettuce plants in a closed system with artificial lighting for commercial production[J]. Eco-Engineering，2012，24（3）：77-83.

[19] Li M， T Kozai， K Ohyama， et al. CO2 balance of a commercial closed system with artificial lighting for producing lettuce plants[J]. HortScience，2012，47（9）： 1257-1260.

[20] G Zhang， S Shen， M Takagaki， et al. Supplemental upward lighting from underneath to obtain higher marketable lettuce （Lactuca sativa） leaf fresh weight

by retarding senescence of outer leaves[J]. Frontiers in Plant Science，2015（6）：1-9.

[21] Tong Y， T Kozai， N Nishioka， et al. Reductions in energy consumption and CO2 emissions for greenhouses heated with heat pumps[J]. Applied Engineering in Agriculture，2012，28（3）：401-406.

[22] N Lu， T Nukaya， T Kamimura， et al. Control of water vapor pressure deficit （VPD） in greenhouse enhanced tomato growth and productivity during the

winter season[J]. ScientiaHorticulturae，2015，197：17-23.

作者簡(jiǎn)介：古在豐樹(shù)，男，博士，日本千葉大學(xué)原校長(zhǎng)、名譽(yù)教授，日本植物工廠研究會(huì)理事長(zhǎng)，主要從事無(wú)糖組培、植物工廠、設(shè)施園藝環(huán)境研究。