城市地下空間混合型植物工廠實踐與評價

孫維拓吳尚軍宋曙光陳曉麗郭文忠*

〔1北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心，農(nóng)業(yè)部都市農(nóng)業(yè)（華北）重點實驗室，北京 100097；2北京市農(nóng)業(yè)技術推廣站，北京 100029；3北京市西城區(qū)園林市政管理中心，北京 100054〕

隨著北京城市副中心建設和非首都功能疏解，都市核心區(qū)騰出大量的地下空間，為城市地下空間植物工廠的商業(yè)化發(fā)展提供了有利條件。開發(fā)地下植物工廠具有諸多優(yōu)勢，利用地下空間建造植物工廠不擠占居民的生活空間；地下建筑處于一定厚度的土巖層覆蓋之下，具有良好的熱穩(wěn)定性，植物工廠周年生產(chǎn)的冷、熱負荷將大幅降低，運行能耗及成本隨之降低（楊其長 等，2012）。本文以北京市西城區(qū)某地下植物工廠為例，詳細介紹在城市地下空間構建混合型植物工廠的方法，評價系統(tǒng)設計并提出優(yōu)化方法，以期為城市地下空間植物工廠的應用發(fā)展提供借鑒。

1 系統(tǒng)構建方法

1.1 植物工廠整體布局 該植物工廠位于北京市西城區(qū)某地下停車場，由北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心設計施工，占地面積105 m2，其中葉菜栽培區(qū)面積約25 m2，食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)約69 m2（圖1）。配套設備主要包括：環(huán)境調控系統(tǒng)、LED人工光源系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、葉菜立體栽培系統(tǒng)、食用菌與芽苗菜栽培系統(tǒng)、計算機智能控制系統(tǒng)及風淋室。墻體材料為填充巖棉的賽木墻板及雙層中空鋼化玻璃，既便于參觀，又同時具備潔凈、防腐、防潮、隔熱、支撐的功能（彩色圖版1）。

1.2 環(huán)境調控系統(tǒng)

1.2.1 葉菜生產(chǎn)區(qū)環(huán)境調控 調控機制是在葉菜類蔬菜光期和暗期分別設定1個預期溫度值（如光期24 ℃，暗期20 ℃），空調機組通過啟?；蚯袚Q制冷、制熱模式，將室內溫度控制在預定值的±2 ℃范圍內。葉菜生產(chǎn)區(qū)空間高度密閉且采用營養(yǎng)液栽培，受植物蒸騰作用及營養(yǎng)液表面蒸發(fā)的影響，相對濕度一般處于較高水平，不需要專門加濕，當室內濕度過高時，開啟風閥引進新風進行除濕。通風除濕與CO2補施（光期CO2濃度一般高于1 000 μL·L-1，如1 200 μL·L-1）存在矛盾，應嚴格控制風閥的開啟時間，可將相對濕度上限設置為90%。

葉菜生產(chǎn)區(qū)環(huán)境調控系統(tǒng)主要由組合式空調機組、風管與風閥（彩色圖版2-a）、送風口和回風口（彩色圖版2-b、c）、CO2補施裝置等構成，可實現(xiàn)空氣凈化、溫濕度調控、空氣內循環(huán)、新風引進及CO2補施等功能。

圖1 植物工廠整體布局

組合式空調機組主要包括初效過濾段、加熱段、直膨段、風機段、消聲段5個功能段。初效過濾段利用化學纖維材料凈化室內空氣。加熱段和直膨段用于調溫。植物工廠內的溫度調控主要以降溫為主，降溫能耗約占全年空調能耗的90%，因此空調選用單冷直膨組合式空氣處理機組。植物工廠栽培室冷熱負荷的計算涉及照明及其他設備運行產(chǎn)生的熱量、通過圍護結構及地面的熱交換、新風滲透等，而對于保溫性和密封性較高的栽培室，其室內外熱量交換可忽略；同時在栽培室消耗的電能中，95%以上都轉化為熱能，因此可估算照明及其他設備的電耗之和就是其降溫負荷，且光能（LED燈具光電轉換效率30%～40%）的50%轉化為潛熱負荷（古在豐樹和李明，2016）。在空調設備選型時，當栽培室冷熱負荷為空調或熱泵裝機容量的60%～70%時，其制冷或制熱性能系數(shù)（COP）最大。采用負荷系數(shù)法（陳慧子 等，2013）計算得出該植物工廠葉菜生產(chǎn)區(qū)圍護結構冷熱負荷均約為1.5 kW（冷熱負荷室外設計溫度分別為30、15 ℃），照明及設備冷負荷約為4.5 kW。考慮到最適裝機容量以及未來栽培規(guī)模的擴大，該植物工廠的空調選型為：額定制冷量12.4 kW，額定輸入功率4.6 kW；加熱段采取電加熱，額定功率8.0 kW。

循環(huán)風管選用鍍鋅鐵管，規(guī)格為400 mm×320 mm，外包20 mm厚的橡塑板進行隔熱。風閥安裝于靠近空調機組的回風管上，規(guī)格為320 mm×200 mm，在空氣內循環(huán)過程中開啟風閥可引進新風。風管送風口、回風口共計2組，均安裝于賽木墻面，送風口為500 mm×400 mm的散流器，回風口為540 mm×400 mm的雙層百葉（帶濾網(wǎng)）。CO2補施裝置包括CO2鋼瓶、流量計、調節(jié)閥、供氣導管等，出氣口安放于散流器旁邊，隨空氣內循環(huán)擴散到室內。

1.2.2 食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)環(huán)境調控 調控機制為食用菌生長過程中產(chǎn)生的大量CO2須及時排放，當室內CO2濃度上升至設定值（不同食用菌的耗氧量及對CO2的反應不同，但一般不應超過2 000 μL·L-1），開啟內循環(huán)通風并打開風閥引進室外新風，排除CO2并降低室內溫度。CO2排放應迅捷，防止食用菌長時間處于低濕空氣中，這就需要足夠的新風引進流量。隨后系統(tǒng)進入加濕階段，室內氣體緩慢循環(huán)流動，并保持濕度在80%以上。

食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)環(huán)境調控系統(tǒng)主要由組合式空調機組、風管與風閥、送風口和回風口、超聲波霧化加濕裝置、加濕管道等構成，可實現(xiàn)空氣凈化、加濕、空氣內循環(huán)、新風引進及CO2排放等功能。

綜合考慮地下空間的熱穩(wěn)定性、項目投資及運行成本控制，選用的組合式空調機組未設置溫度調控功能段。其中，風機額定送風量為2 000 m3·h-1，機外靜壓300 Pa；風管及風閥技術參數(shù)與葉菜生產(chǎn)區(qū)相同；每個栽培室均設置2組送風口、回風口，其中散流器400 mm×300 mm，雙層百葉440 mm×330 mm。超聲波霧化加濕裝置噴霧量為12 kg·h-1，額定輸入功率1.2 kW。為實現(xiàn)節(jié)能與均勻加濕，安裝專用加濕管道（彩色圖版3），管道選用直徑為110 mm的PVC管，進入室內的管道均勻開孔，孔直徑約23 mm，間距110 mm。

1.3 LED人工光源系統(tǒng) 針對植物光需求特性，建立針對性的光配方和光環(huán)境控制策略是植物工廠光照節(jié)能增效和優(yōu)質、高產(chǎn)的主要方法（劉文科和楊其長，2014）。不同作物或者同一作物不同生育時期對光環(huán)境的反應有所差異（陳曉麗 等，2013）。該植物工廠采用北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術研究中心自主研發(fā)的雙色LED燈板，共計42個，尺寸為600 mm×750 mm，功率100 W，直流電壓36 V，包含紅、藍、白3種光質的LED芯片，其中紅、藍LED的波峰值分別為660 nm和450 nm，白LED光顯色指數(shù)95，紅光波峰值463 nm，藍光波峰值607 nm。雙色燈板的組合光質包括紅+藍、白+紅、白+藍（彩色圖版4），燈板下方15 cm處光強約200 μmol·m-2·s-1。每種燈板的雙色光質采用獨立開關控制，配套調壓整流裝置，每個燈位光源的供光時間在主控制界面進行設定。3種光質的組合光可根據(jù)栽培植物的種類，以及不同生育期的光吸收特點進行選擇。

1.4 營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)

1.4.1 葉菜立體栽培系統(tǒng) 植物工廠的立體栽培系統(tǒng)一般由栽培架、栽培槽、防水塑料膜、帶孔泡沫栽培板等組成，通過循環(huán)管路與營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)植物工廠的立體多層栽培，大幅度提高了空間利用率和單位面積產(chǎn)量。系統(tǒng)層數(shù)多為3～6層，有些甚至達到10層以上。

該植物工廠頂部圍護結構距地面高度2.2 m，葉菜立體栽培系統(tǒng)共計3層（彩色圖版5）。栽培架材質為40 mm×40 mm鋁型材，栽培槽與栽培板均為PVC材質。栽培架高1.9 m，長1.6 m，寬0.6 m；栽培層高0.5 m，底層距地面0.4 m，其下放置營養(yǎng)液槽。栽培槽長1.5 m，寬0.52 m，高0.08 m，壁厚8 mm；栽培板上均勻開44（4×11）個直徑為25 mm的孔，孔的行間距10.5 mm，列間距12.5 mm，即該植物工廠葉菜生產(chǎn)區(qū)可同時生產(chǎn)成品菜924株，種植密度約56株·m-2（栽培面積）。

1.4.2 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 該植物工廠的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)采用深液流栽培技術，主要由供液管路、閥門、進液口、栽培槽、溢液口、回液管路、營養(yǎng)液池、排液管和循環(huán)水泵組成。系統(tǒng)采取間歇供液方式，以滿足作物對水分、養(yǎng)分和溶解氧的需求，如選擇每2 h（小時）開啟循環(huán)水泵10 min（分）。營養(yǎng)液參數(shù)維持在EC值1.8～2.0 mS·cm-1，pH值5.8～6.0，溶解氧（DO）7 mg·L-1。通過選擇合適的水泵及調節(jié)閥門，使各栽培層的供液量均衡穩(wěn)定，并防止營養(yǎng)液溢出，保證栽培槽內的營養(yǎng)液維持在穩(wěn)定的液位（約60 mm）。營養(yǎng)液池長1.5 m、寬0.52 m、高0.3 m。

上述系統(tǒng)屬于開放式營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，在營養(yǎng)液使用一段時間后將形成的廢液向系統(tǒng)外排放，會對周邊環(huán)境造成污染。而封閉式營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，可有效利用廢液，除具備上述基本配置外，還配備營養(yǎng)液回收與過濾消毒系統(tǒng)、營養(yǎng)液檢測與調配系統(tǒng)。

1.5 食用菌與芽苗菜栽培系統(tǒng) 為豐富植物工廠的生產(chǎn)功能，同時降低植物工廠整體運行能耗及成本，以提高空間利用效率為原則，設計食用菌與芽苗菜栽培系統(tǒng)。食用菌生長釋放大量CO2，濃度過高會對食用菌產(chǎn)生危害，而較高的CO2濃度水平（1 200 μL·L-1）可提升芽苗菜的產(chǎn)量和品質。栽培系統(tǒng)共分4層（彩色圖版6），上面2層為芽苗菜栽培箱（彩色圖版7-a），下面2層為食用菌層架（彩色圖版7-b），共計22組。食用菌層架由鋁型材及硬質PVC板構成，長1.6 m，寬0.45 m，層高共計1.25 m。

芽苗菜栽培系統(tǒng)包括：芽苗菜栽培箱、廢液回收裝置（彩色圖版8）、循環(huán)管道及控制裝置等。栽培箱開口處設置拉簾，防止芽苗菜噴霧滴濺到菌棒上。每個栽培箱長1.52 m，寬0.6 m，高0.37 m，可放置6個芽苗菜托盤，配置6組霧化噴頭，1條防水燈帶，并與供水、回水管路連接；栽培箱頂部和底部設置通風口，以增加空氣流動性。廢液回收裝置包括：慢砂過濾裝置、回液池、水泵（最大流量3 m3·h-1，最高揚程38 m）、臭氧消毒裝置（臭氧發(fā)生量20 g·h-1，氣泵排氣量70 L·min-1）、超濾凈水裝置（凈水量1 000 L·h-1）等。運行方式為：水泵抽取回液池中的水經(jīng)超濾凈水裝置過濾后進入供液管，由霧化噴頭均勻地噴灑在芽苗菜上，多余的水通過回水管路收集，經(jīng)慢砂過濾進入回液池，臭氧消毒裝置通過曝氣盤對回液池中的水消毒，消毒過濾后的水由水泵抽取，實現(xiàn)循環(huán)供水。此外，在慢砂過濾下游還可接入紫外消毒裝置。該系統(tǒng)自動化程度高，操作方便，技術易掌握，可大幅提升芽苗菜生產(chǎn)的用水效率。

1.6 計算機智能控制系統(tǒng) 智能控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、控制器和執(zhí)行機構3部分組成。該植物工廠控制系統(tǒng)的控制器包括：PC機終端、三菱PLC（FX-2N系列）及16路繼電器控制板（JYDAM1600D），同時配套65寸電腦觸摸屏顯示器。數(shù)據(jù)采集單元包括溫濕度傳感器（RS485通訊）、CO2傳感器（RS485通訊）、高清攝像機槍機及時間控制器等設備?？刂栖浖榻M態(tài)軟件組態(tài)王以及梯形圖編程軟件GX Developer。組態(tài)軟件實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的展示以及簡單的邏輯控制，例如開關的關聯(lián)；梯形圖軟件完成系統(tǒng)的通信控制及復雜的邏輯控制，例如系統(tǒng)參數(shù)的比較控制。

控制系統(tǒng)分手動和自動2種模式。自動控制模式下，系統(tǒng)進一步引入數(shù)據(jù)采集單元參與控制。首先在PC機終端設定參數(shù)，包括氣溫、濕度、CO2濃度上下限、光照時間、營養(yǎng)液循環(huán)時間、芽苗菜噴水時間、臭氧曝氣時間等參數(shù)。完成參數(shù)設定后，系統(tǒng)進入自動模式，嚴格按照設定的參數(shù)執(zhí)行，實現(xiàn)無人化管理。植物工廠控制系統(tǒng)框架圖如圖2所示，PC機終端控制界面及控制室外觀見彩色圖版9。

2 系統(tǒng)測試應用及產(chǎn)投分析

2.1 環(huán)境調控與節(jié)能 該地下植物工廠自2016年2月竣工后即投入使用，葉菜、芽苗菜及食用菌在現(xiàn)有設備及程序管控下均長勢良好，獲得豐收。選用ESPEC THCO2便攜式環(huán)境采集儀測量該植物工廠的溫度、濕度及CO2，溫度測點分別布置于葉菜生產(chǎn)區(qū)幾何中心、緊鄰的食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)幾何中心、地下三層停車場內及地面以上大氣環(huán)境，距地面高度均1 m。期間植物工廠種植生菜、普通白菜（小油菜）、平菇、蟹味菇、海鮮菇、杏鮑菇及豌豆苗、蕓松苗等各類芽苗菜，未啟動加溫措施。

筆者于2017年12月4～11日，在不調溫條件下對地下空間植物工廠室內外溫度進行測定，結果表明，測試期間室外環(huán)境最低溫度達-5 ℃，但地下三層停車場空間溫度穩(wěn)定，維持在15 ℃左右，波動幅度不超過0.7 ℃。葉菜生產(chǎn)區(qū)在測試期間未進行熱環(huán)境調控，并處于相對密閉的狀態(tài)，其溫度變化主要源自LED光源發(fā)熱及與停車場空間的熱交換。在光期（6：00～10：00、12：00～16：00、18：00～23：00）葉菜生產(chǎn)區(qū)溫度不斷升高，平均溫度20.4 ℃，最高溫度為22.7 ℃，暗期平均溫度為20.1 ℃，最低溫度為17.9 ℃，非常適宜生菜的生長?？梢娕c地上或其他形式的植物工廠相比，地下空間的熱穩(wěn)定性使地下植物工廠能在更多的時間內不調溫生產(chǎn)，節(jié)能效果顯著。食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)在測試期間室內溫度主要受停車場溫度及食用菌生長發(fā)育放熱的影響，未進行專門的溫度調控，溫度穩(wěn)定在16.8 ℃左右，波動幅度不超過0.5 ℃，適宜食用菌及芽苗菜的生長。

圖2 植物工廠控制系統(tǒng)框架圖

2017年12月4～11日測定食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)的CO2濃度及濕度，此期間停車場內CO2濃度在400～580 μL·L-1波動，食用菌與芽苗菜生產(chǎn)區(qū)內CO2濃度在1 000～1 700 μL·L-1波動，平均濃度為1 280 μL·L-1，能夠滿足食用菌的正常生長，同時有利于提高芽苗菜的產(chǎn)量及品質。停車場內相對濕度較低，為20.6%；在引進室外新風排除CO2的過程中，室內相對濕度大幅降低，波動范圍較大，為66%～93%，平均相對濕度為83.5%，為食用菌生長發(fā)育提供了良好的濕度環(huán)境。

2.2 運行經(jīng)濟效益估算 通過分析得出年運行成本及效益（表1）。地下空間混合型植物工廠的主要盈利點在食用菌及芽苗菜生產(chǎn)區(qū)，人工光葉菜生產(chǎn)區(qū)則難以盈利，在葉菜產(chǎn)品市場價格偏低時很容易造成虧損，這也是商業(yè)化生產(chǎn)的植物工廠所普遍面臨的問題。

表1 地下空間混合型植物工廠年運行成本及效益分析

3 討論與建議

3.1 城市地下空間混合型植物工廠 城市地下空間混合型植物工廠應發(fā)揮其資源互補的優(yōu)勢：食用菌生長過程釋放大量CO2，而葉菜生產(chǎn)區(qū)需要補施CO2，實現(xiàn)二者之間的氣體交換可提高資源利用效率，但應考慮氣體凈化與消毒，以防止?jié)撛诘钠焚|污染或病害交叉感染問題。本文中的植物工廠設計3個區(qū)域相互串通，不利于交通運輸和獨立防疫，在今后的設計中應加以改進，以使不同生產(chǎn)區(qū)保持獨立性。

3.2 商業(yè)化生產(chǎn)的植物工廠虧損原因及發(fā)展建議

目前國內建成的植物工廠主要用于科學研究、技術展示，進行商業(yè)化生產(chǎn)的植物工廠還未見實現(xiàn)盈利的成功案例。筆者認為目前影響植物工廠商業(yè)化發(fā)展的原因可以總結為：① 初始建設成本高，運行能耗大、費用高，但蔬菜市場價格低，產(chǎn)投比嚴重失衡，即使優(yōu)質高產(chǎn)，短期內也難以盈利。②植物工廠技術積累不足，標準化、智能化程度低，未生產(chǎn)出高品質的蔬菜，達不到生長在自然光下的蔬菜的品質和口感，同時也未實現(xiàn)高產(chǎn)、高效。③植物工廠的應用方向不合理，現(xiàn)階段，還無法生產(chǎn)大眾日常消費的果蔬產(chǎn)品，應考慮生產(chǎn)高附加值作物，并拓展其功能。④ 在產(chǎn)供銷的產(chǎn)業(yè)鏈中，銷售環(huán)節(jié)不順暢，沒有特色定位，抓不住特定消費群體。綜上所述，植物工廠商業(yè)化發(fā)展的瓶頸在于技術及市場2個層面的限制，實現(xiàn)植物工廠生產(chǎn)盈利及可持續(xù)發(fā)展，應全面完善和提升技術，并正確把握和開拓市場。

在技術層面，應圍繞降低建設成本，節(jié)能降耗，資源高效利用，優(yōu)質、高產(chǎn)開展工作。

① 在環(huán)境調控方面，應合理組織氣流，進行作物生長環(huán)境因素的精準調控，同時采用引入室外冷源協(xié)同降溫（王君 等，2013；辛敏 等，2015）、太陽能集熱加溫、熱泵調溫（孫行健 等，2015）等節(jié)能措施和綠色技術。

② 在LED人工光源方面，針對不同作物、品種及生育階段，建立針對性的光配方及光期、暗期布局等光環(huán)境控制策略，實現(xiàn)節(jié)能降耗，優(yōu)質高產(chǎn)（Yamada et al.，2000）；同時可以在燈具設計與安裝方面，考慮加入動態(tài)調控功能，如實現(xiàn)光源可上下移動、光斑大小可調節(jié)等，進一步降低光照能耗（姚鳳珍，2016），考慮設計帶冷卻盤管的水冷式燈具，降低空調系統(tǒng)負載。

③ 在營養(yǎng)液栽培方面，加大離子傳感器的研發(fā)力度，研制推廣穩(wěn)定的營養(yǎng)液在線檢測技術，解決營養(yǎng)液循環(huán)利用元素配比不合理的問題，提高資源利用效率；重視液溫管理，在栽培槽中配套換熱器盤管，與氣溫調節(jié)同步，降低營養(yǎng)液溫度隨空氣溫度變化的滯后性。

④ 在能源驅動方面，大力開發(fā)利用太陽能、風能等清潔可再生能源，例如發(fā)展光伏植物工廠，即在植物工廠圍護結構表面鋪設光伏板為植物工廠提供部分電能，或在城市地上尤其是建筑物表面鋪設光伏板，為地下空間的植物工廠提供能源。

此外，還應研制或引入新材料、新技術降低圍護結構及配套設備建設成本；加強試驗作物種類的多元化及適宜植物工廠環(huán)境的品種選育等。

4 結論

城市地下空間混合型植物工廠具有低碳節(jié)能的天然優(yōu)勢，可與城市有機融合，是城市大規(guī)模發(fā)展植物工廠的方向，尤其是在北京等大城市進行人口疏解后留下大量閑置的地下空間。本文將為城市地下空間植物工廠設計、施工及商業(yè)化發(fā)展提供參考。