羅馬尼亞LED植物工廠設(shè)計與應用

周增產(chǎn)，趙 靜，姚 濤，胡福生，李秀剛，蘭立波

(1.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京100094； 2.北京市農(nóng)業(yè)機械研究所有限公司，北京100096；3.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京100094)

0 引言

由科技部支持的首個中國-羅馬尼亞農(nóng)業(yè)科技園在羅馬尼亞首都布加勒斯特落成。該農(nóng)業(yè)科技園LED植物工廠占地50 m2，利用LED節(jié)能光源、淺液流營養(yǎng)液立體栽培等技術(shù)，栽培面積可達150 m2，年產(chǎn)葉菜4 000 kg。該植物工廠整體設(shè)計形式呈現(xiàn)模塊化，重點圍繞栽培系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行創(chuàng)新設(shè)計，并對栽培環(huán)境進行模擬測試，在羅馬尼亞布加勒斯進行運營生產(chǎn)。項目的落成推動了中國成熟農(nóng)業(yè)技術(shù)在中東歐國家的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，提升了中東歐國家在設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面的創(chuàng)新能力與產(chǎn)業(yè)化水平，實現(xiàn)了雙方合作共贏。

1 項目背景

2019年5月16日，首個中-羅農(nóng)業(yè)科技園在羅馬尼亞首都布加勒斯特落成，該科技園是中國科技部援助項目(中-羅農(nóng)業(yè)科技示范園構(gòu)建及合作研究示范)，項目以推動“一帶一路”沿線國家設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展為目標，以建設(shè)“中-羅農(nóng)業(yè)科技園”為平臺，研發(fā)并展示具有中國特色的高效節(jié)能設(shè)施園藝技術(shù)裝備，促進我國設(shè)施園藝技術(shù)裝備“走出去”[1]。項目牽頭單位是中國農(nóng)業(yè)科學院，有4項研究任務(wù)，北京京鵬環(huán)球科技股份公司承擔其中一項重要研究任務(wù)，即中-羅農(nóng)業(yè)科技園的構(gòu)建示范，重點是智能LED植物工廠的設(shè)計建造和輕簡高效日光溫室的設(shè)計建造。項目實施過程中，京鵬科技公司將已經(jīng)獲得國家科技進步獎的“LED智能植物工廠關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成”創(chuàng)新成果進行轉(zhuǎn)化，在布加勒斯特農(nóng)業(yè)大學教學樓地下室，設(shè)計建造智能LED植物工廠，將光配方技術(shù)、水肥一體化技術(shù)、營養(yǎng)液循環(huán)利用技術(shù)、環(huán)境自動化調(diào)控技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和專家作物診斷技術(shù)等多項技術(shù)進行融合創(chuàng)新，實現(xiàn)植物工廠的智慧化管控。在高效節(jié)能日光溫室的設(shè)計建造過程中，把新型保溫被節(jié)能技術(shù)、水肥一體化技術(shù)及主動蓄放熱技術(shù)等高度集成創(chuàng)新，實現(xiàn)作物的高效低碳安全生產(chǎn)。

2 總體方案設(shè)計

智能LED植物工廠利用羅馬尼亞布加勒斯特農(nóng)業(yè)與獸藥大學的一座實驗室地下室改造而成。該地下室室內(nèi)凈尺寸為11 710 mm(南北長)×5 140 mm(東西寬)，原有下沉式地臺及固定設(shè)備用的一些混凝土條形基礎(chǔ)臺，地面至頂部混凝土梁下沿高度2 280 mm，地臺深度約530 mm，最大凈高為2 810 mm，如圖1所示。

對地下室進行改造，四周墻體及頂部混凝土梁維持原狀不變，去除地臺上原有的設(shè)備基礎(chǔ)臺等雜物，并進行平整。整個地面采用PVC地板工藝重新處理，內(nèi)部四壁增設(shè)50 mm厚巖棉凈化板(屋頂也需增設(shè)50 mm厚巖棉屋面板)，并增設(shè)巖棉凈化板隔斷層，形成參觀走廊(緩沖區(qū))及栽培區(qū)兩大功能區(qū)。在走廊北端還設(shè)置了1 130 mm×1 000 mm微型電梯井一間，電梯間地面與栽培區(qū)地面等高，開門方向在栽培區(qū)內(nèi)，以便于小型資材的運輸。

該植物工廠總建筑面積約68 m2，其中種植區(qū)建筑面積約51 m2，走廊建筑面積約15 m2，微型電梯井建筑面積約2 m2。智能LED植物工廠內(nèi)設(shè)置栽培系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、CO2補氣系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、環(huán)境自動控制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。智能LED植物工廠平面設(shè)計如圖2所示。

3 人工光系統(tǒng)

人工補光的效果除取決于光照強度外，還取決于補光光源的生理輻射特性[2]。在光源的可見光光譜(380～760 nm)中，植物吸收的光能占生理輻射光能的60%～65%，如圖3a所示。其中，主要是波長為610～720 nm的紅、橙光輻射，植物吸收的光能占生理輻射光能的55%左右[2]。紅、橙光具有最大的光譜活性，用富含紅、橙光的光源進行人工補光，在適宜的光照時間內(nèi)，會使植物的發(fā)育顯著加速，引起植物較早開花、結(jié)實，促使植物體內(nèi)干物質(zhì)的積累，促使鱗莖、塊根、葉球以及其他植物器官的形成[3]。其次是波長為400～510 nm的藍、紫光輻射，植物吸收的光能占生理輻射光能的8%左右。藍、紫光具有特殊的生理作用，對于植物的化學成分有較強的影響，用富含藍、紫光的光源進行人工補光，可延遲植物開花，使以獲取營養(yǎng)器官為目的的植物充分生長[4]。而植物對波長為510～610 nm的黃、綠光輻射，吸收的光能很少[5]。

植物工廠內(nèi)采用的補光系統(tǒng)為LED光源，配置30 W的LED燈管(圖3b)，長度1 230 mm，單層配置4×6=24支，一組栽培模塊4層共配96支。整個植物工廠3組栽培模塊共配置288支，LED燈的總功率約8.64 kW。其具體參數(shù)如表1所示。

4 栽培系統(tǒng)

整個智能LED植物工廠配3組栽培模塊(圖4和圖5)。每組栽培模塊外形規(guī)格為7 870 mm×720 mm×2 340 mm，4層式結(jié)構(gòu)，在東西方向排布3列，骨架采用C型冷軋鋼及矩管組裝結(jié)構(gòu)，每組骨架由4組龍門式立框，18組縱梁和若干橫梁組成，骨架立柱底端裝有帶制動器的8組腳輪。人工光栽培模塊為4層結(jié)構(gòu)，自帶營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。3組栽培模塊，共配置2個相互連通的營養(yǎng)液循環(huán)水箱，營養(yǎng)液箱規(guī)格為1 300 mm×600 mm×450 mm，有效容積約0.3 m3。栽培模塊的栽培槽采用專用扣蓋式PVC栽培槽，以便換茬種植時清理栽培槽中的殘根與雜物。端頭伸入160×107方型PVC管道統(tǒng)一回水。每層4排，栽培槽水平中心距離160 mm，配置定植杯。

5 水肥一體化系統(tǒng)

營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)主要是由栽培管、栽培箱(育苗架用)、母液罐、工作液箱、水泵、供液管道系統(tǒng)、回流管道系統(tǒng)及紫外消毒器組成。

植物工廠配一套配肥系統(tǒng)(圖6和圖7)，包括3個母液罐，每個母液罐直徑為400 mm，體積為50 L立體擺放，在電子水表和電磁閥門的控制下流入營養(yǎng)液工作箱，營養(yǎng)液工作箱是貯存和供應栽培箱營養(yǎng)液的容器。

栽培管、栽培箱用于盛放營養(yǎng)液，給作物提供營養(yǎng)和水分。供液管道系統(tǒng)將營養(yǎng)液工作箱中的營養(yǎng)液供給到栽培箱中供作物需求，而回流管道系統(tǒng)是將栽培箱內(nèi)的營養(yǎng)液回流至營養(yǎng)液箱中。紫外線消毒器是利用波長為225～275 nm的紫外線對微生物的強烈殺滅作用，對原水中的微生物進行殺滅。紫外線燈選用國家衛(wèi)生部門、防疫部門鑒定的專業(yè)新產(chǎn)品，功率30 W，主線譜253.7 nm，此波長的紫外線殺菌率最高，可達98%以上，耗能低，連續(xù)使用壽命可達3 000 h以上，并配有可靠的鎮(zhèn)流裝備；模塊化電控裝置，功能齊全，定時標準，與水處理筒體采用一體化設(shè)計，具有安裝方便、操作簡單、安全可靠及便于維護的特點。

表1 LED燈參數(shù)

6 環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)

植物工廠內(nèi)的環(huán)境調(diào)控是保證植物生長最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到植物生長的品質(zhì)與產(chǎn)量[6-7]。環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計主要從溫度、濕度、光照和CO2濃度等方面考慮。

考慮到節(jié)能運行的要求，本植物工廠設(shè)置兩套降溫系統(tǒng)。一套是壓縮機空調(diào)降溫系統(tǒng)，一套是強制通風降溫系統(tǒng)。壓縮機空調(diào)降溫系統(tǒng)方面，根據(jù)植物工廠室內(nèi)冷負荷，采用3P柜式空調(diào)2臺、加濕器1臺和環(huán)流風扇2臺，可促進植物工廠內(nèi)空氣的流通和溫度濕度的均勻性。強制通風降溫系統(tǒng)方面，在植物工廠北端接近地下室換氣窗位置設(shè)置2臺頂部通風專用的電動排氣扇，作用是強制換新風及栽培區(qū)內(nèi)空氣濕度偏高時的輔助除濕。設(shè)置1組進氣裝置，該進氣裝置由帶有電動推桿開閉的外窗和2塊具有快換結(jié)構(gòu)的平板式初效空氣過濾濾芯組成。空氣和栽培器具消毒方面，擬在植物工廠的栽培區(qū)設(shè)置紫外消毒燈2盞，在生產(chǎn)間歇無人時開啟，實現(xiàn)對植物工廠栽培器具及空氣的消毒。CO2補氣系統(tǒng)采用氣瓶型，可產(chǎn)生純凈的高濃度氣體肥料，可明顯提高作物光合作用，使植株生長加快，根系發(fā)達，枝繁葉茂，增產(chǎn)增收。自動控制系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器(包括溫濕度、液位)和觸摸屏(圖8)。自動控制系統(tǒng)主要用于植物工廠內(nèi)環(huán)境的調(diào)控，包括溫度、濕度、CO2濃度與光照時間，自動配肥和營養(yǎng)液循環(huán)灌溉控制。

7 試驗測試

溫度和植物生長的關(guān)系密切，植物必須在一定的溫度條件下，才能進行體內(nèi)生理活動及其生化反應[8-9]。濕度的高低不僅影響設(shè)施內(nèi)作物蒸騰與地面蒸發(fā)量，而且直接影響植物光合強度與病害的發(fā)生[10]。為確定智能LED植物工廠的栽培環(huán)境穩(wěn)定性，對建設(shè)后的植物工廠進行光環(huán)境的試驗測試。

7.1光環(huán)境測試

選取一半栽培架光源進行測試，共4組燈具，12支燈。在智能LED植物工廠內(nèi)的LED燈具的表面20 cm處分別測試20個點(圖9)。

使用遠方光電PLA-30用于測試植物光譜的分析(圖10和圖11)，結(jié)果表明：測試點中PPFD平均值160 molm2s，最高可達220 molm2s，最低124 molm2s，數(shù)據(jù)低點位于燈具的連接處。

7.2溫、濕度測試

將智能LED植物工廠內(nèi)一個栽培架分為3個區(qū)域，分別設(shè)為A、B、C區(qū)，每個區(qū)域從高到低設(shè)置測試點，懸掛溫濕度RC-4HC記錄儀共12個(圖12)，記錄植物工廠內(nèi)的溫濕度變化。

其中高度方向測試為3個區(qū)間內(nèi)相同高度測點平均值，即A1、B1和C1的平均值，水平方向測試為3個區(qū)域內(nèi)所有高度平均值，即A區(qū)1-4、B區(qū)1-4和C區(qū)1-4的平均值，測試結(jié)果如圖13～16所示。

智能LED植物工廠內(nèi)補光時間為8∶00—20∶00，此為明期，非補光時間為暗期。由圖13可知溫度隨高度變化不斷增加，明期內(nèi)高度方向最大溫差3.7 ℃，最小溫差1.5 ℃，平均溫差2.5 ℃，平均溫度25.6 ℃；暗期內(nèi)高度方向最大溫差2.4 ℃，最小溫差1.5 ℃，平均溫差2.1 ℃，平均溫度20.1 ℃。由圖14可知，明期內(nèi)水平方向最大溫差2.2 ℃，最小溫差1.0 ℃，平均溫差1.5 ℃，平均溫度24.9 ℃；暗期內(nèi)水平方向平均最大溫差1.2 ℃，最小溫差0.5 ℃，平均溫差1.0 ℃，平均溫度20.0 ℃。綜合數(shù)據(jù)分析，明期平均溫度(25±1)℃，暗期平均溫度(20±1)℃，符合溫度20～25 ℃設(shè)定值。

由圖15可知，明期內(nèi)高度方向最大濕度79.4%，最小濕度70.9%，平均濕度75.2%，平均濕度差2.3%；暗期內(nèi)高度方向最大濕度87.6%，最小濕度75.7%，平均濕度83.6%，平均濕度差0.8%；高度方向總平均濕度79.1%。由圖16可知，明期內(nèi)水平方向最大濕度77.9%，最小濕度69.1%，平均濕度72.2%，平均濕度差0.9%；暗期內(nèi)水平方向最大濕度85.1%，最小濕度74.2%，平均濕度81.3%，平均濕度差0.8%；水平方向總平均濕度76.4%。綜合數(shù)據(jù)分析，明期平均濕度75%±5%，暗期平均濕度80%±5%，符合濕度70%～85%設(shè)定值。

8 結(jié)論

智能LED植物工廠已經(jīng)運營數(shù)月，與羅馬尼亞校方一直保持密切聯(lián)系，綜合試驗結(jié)果證明如下觀點。

(1)地下室植物工廠可以用于蔬菜種植。

(2)地下室LED植物工廠的設(shè)計方案合理，系統(tǒng)配置科學，光能利用率高，種植系統(tǒng)安裝便捷，充分利用已有廢舊地下設(shè)施，提高資源利用效率，內(nèi)環(huán)境均勻。

(3)中-羅農(nóng)業(yè)科技園是落實“一帶一路”科技創(chuàng)新行動計劃，是中國-中東歐國家科技創(chuàng)新伙伴計劃的重要舉措?？萍紙@有望通過技術(shù)合作與技術(shù)示范，推動中國成熟農(nóng)業(yè)技術(shù)在中東歐國家的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，提升中東歐國家在設(shè)施農(nóng)業(yè)等方面的創(chuàng)新能力與產(chǎn)業(yè)化水平，實現(xiàn)雙方合作共贏。