植物工廠室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)常見問題研究

鄭文香

(福建省中科生物股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著近幾年植物工廠的快速發(fā)展，其配套的室內(nèi)環(huán)境要求越來越高。無論是室內(nèi)裝飾、暖通空調(diào)還是工藝給排水，均與常規(guī)生產(chǎn)廠房有所差異。由于國內(nèi)暫時沒有較實(shí)用的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時難以把握尺度。為此，本文整理了國內(nèi)外一些植物工廠在環(huán)境設(shè)計(jì)、施工方面存在的常見問題，提出了相關(guān)改進(jìn)建議，供大家參考。

1 常見問題

1.1 室內(nèi)裝飾

植物工廠內(nèi)部裝飾材料的選型，除了符合防火、防霉、防潮、少產(chǎn)塵等要求外，還應(yīng)避免以下錯誤做法，如表1所示。

表1 室內(nèi)裝飾常見問題

1.2 通風(fēng)空調(diào)

通風(fēng)空調(diào)是影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的主要方面，其中最難把握的是高密度栽培架氣流組織的設(shè)計(jì)。氣流組織設(shè)計(jì)如不合理，則會導(dǎo)致栽培架的不同點(diǎn)位溫度偏差較高，設(shè)計(jì)時，應(yīng)避免氣流順著過道流動，并盡量使氣流穿過栽培架各層，以便使栽培架內(nèi)種植燈的熱量散出，降低栽培架內(nèi)外的溫差。有些項(xiàng)目，在各層栽培間內(nèi)增加微型風(fēng)扇，也獲得不錯的效果。對于一些高大且密集的栽培架，建議應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法預(yù)測，優(yōu)化氣流組織。

圖1 左視溫度場(左為無風(fēng)扇，右為有風(fēng)扇)

圖2 俯視溫度場(左為無風(fēng)扇，右為有風(fēng)扇)

圖3 正視溫度場(無風(fēng)扇) 圖4 正視溫度場(有風(fēng)扇)

圖1～圖4是一個高大密集的栽培架，總高度近10 m，共有17層，每層均裝有密集的種植燈，散熱量大且聚集難以散去，溫度均勻性極差。經(jīng)多次CFD模擬預(yù)測，在適當(dāng)?shù)奈恢眉由衔⑿托★L(fēng)扇后，熱量被送至栽培架外，使栽培架內(nèi)部各層之間得到較好的溫度均勻性。

除氣流組織設(shè)計(jì)外，還有以下六點(diǎn)影響因數(shù)，在通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)、施工過程中務(wù)必注意,如表2所示。

表2 通風(fēng)空調(diào)常見問題

當(dāng)采用室外新風(fēng)消除室內(nèi)余熱(主要為種植燈的散熱)時，引入的新風(fēng)量可按下式[3]估算：

式中L——通風(fēng)換氣量(m3/h);

Q——室內(nèi)顯熱發(fā)熱量(W);

tp——室內(nèi)排風(fēng)設(shè)計(jì)溫度(℃);

ts——送風(fēng)溫度(℃)。

1.3 二氧化碳

二氧化碳管路設(shè)計(jì)時，應(yīng)避免以下錯誤做法，如表3所示。

表3 二氧化碳常見問題

1.4 細(xì)菌控制

大多數(shù)設(shè)計(jì)人員，往往僅考慮采用高中效過濾器來減少細(xì)菌，卻忽略了3個影響細(xì)菌數(shù)量的重要因數(shù)，如表4所示。

表4 細(xì)菌控制常見問題

1.5 能耗控制

高能耗一直是限制植物工廠發(fā)展的主要瓶頸，所以在設(shè)計(jì)時，應(yīng)對建筑的總能耗進(jìn)行估算。如無已投產(chǎn)的類似項(xiàng)目可以參考時，則建議用專業(yè)的能耗模擬分析軟件進(jìn)行估算，再根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行修正。以下數(shù)據(jù)是某一有潔凈要求的植物工廠(以生產(chǎn)葉菜植物為主)能耗模擬分析的結(jié)果，如表5所示，供大家參考：

表5 建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù) kWh/m2

從上述各月能耗數(shù)據(jù)表1和圖5可以看出，種植燈、營養(yǎng)液系統(tǒng)的能耗較為穩(wěn)定，而空調(diào)能耗變化幅度也比傳統(tǒng)辦公室、家居項(xiàng)目低。全年能耗中，種植燈占65%，空調(diào)占25%，營養(yǎng)液系統(tǒng)占10%。當(dāng)然，該數(shù)據(jù)不是絕對的，因?yàn)椴煌闹参飸?yīng)采用不同電功率的種植燈，即使是相同的植物，在不同成長階段，其燈光照射的時間長短也不同，導(dǎo)致種植燈及空調(diào)的能耗發(fā)生變化。有些植物不是采用營養(yǎng)液(水培)系統(tǒng)，而采用基質(zhì)栽培(如金線蓮)，就沒有相關(guān)的營養(yǎng)液系統(tǒng)耗電。

圖5 建筑逐月各項(xiàng)能耗圖

考慮到植物工廠的特點(diǎn)是種植燈發(fā)熱量大，冬季也要制熱，所以在項(xiàng)目上，采用熱回收型的空調(diào)設(shè)備，會提高其節(jié)能效果。如上萬平方的項(xiàng)目，可考慮采用熱回收型水冷螺桿機(jī)；一千平方以下的項(xiàng)目采用三管制熱回收型變頻多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組。

2 結(jié)語

隨著室內(nèi)種植技術(shù)的發(fā)展，小型植物工廠在低至-40℃的極寒高原地區(qū)，高至50℃的炎熱沙漠地帶，偏僻的海上孤島，種植實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目中，有著不可替代的作用。雖然其能耗較高，但在綜合利用太陽能、天然冷源、自動輪流開燈等技術(shù)后，其能耗已大大降低。且優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)種植環(huán)境培養(yǎng)出了藥用價(jià)值、營養(yǎng)、口感、成長速度均優(yōu)于傳統(tǒng)室外環(huán)境下生長的蔬菜、瓜果、草藥。

未來，植物工廠將會在現(xiàn)場農(nóng)業(yè)發(fā)展中無處不在，既可以成為繁華都市食物供給的來源，也可以為島礁、沙漠、高原等特殊場所及時供應(yīng)蔬菜、瓜果，還將為太空探索中提供食物保障，推動工業(yè)、農(nóng)業(yè)的融合發(fā)展。