一種下行供液氣霧培生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊秋碩，龐玉龍，劉曙光，馬云飛，張 梅，車忠志

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670）

氣霧培是一種新興設(shè)施農(nóng)業(yè)無(wú)土栽培生產(chǎn)技術(shù)［1-6］，其生產(chǎn)形式多樣，其中桶式氣霧培具有管理靈活性高、垂直栽培效果好等優(yōu)點(diǎn)，具有很大發(fā)展?jié)摿?。中?guó)氣霧培技術(shù)研究起步較晚，目前桶式氣霧培普遍采用上行供給營(yíng)養(yǎng)液，下行回流營(yíng)養(yǎng)液形式，結(jié)構(gòu)形式單一，應(yīng)用技術(shù)發(fā)展不完善。本研究旨在建立適用于規(guī)?；a(chǎn)要求的新型下行供液氣霧培生產(chǎn)系統(tǒng)，充分發(fā)揮桶式氣霧培生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化氣霧培生產(chǎn)技術(shù)體系。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

該氣霧培生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括營(yíng)養(yǎng)液供給池、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液供給管路、氣霧栽培床、過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路等，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。營(yíng)養(yǎng)液供給管路、過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路主體部分均布置在地面以下。每一供液?jiǎn)卧墓┮簳r(shí)間經(jīng)設(shè)定后由控制系統(tǒng)控制執(zhí)行。對(duì)每一供液?jiǎn)卧┮簳r(shí)，營(yíng)養(yǎng)液由水泵從營(yíng)養(yǎng)液供給池中抽出，經(jīng)營(yíng)養(yǎng)液供給管路輸送至各氣霧栽培床內(nèi)，從與營(yíng)養(yǎng)液供給管路連接的噴頭霧化噴施于植物根系上，供根系吸收利用，噴施至根系而未被吸收的過剩營(yíng)養(yǎng)液霧滴及未噴施至根系的營(yíng)養(yǎng)液霧滴下落至氣霧栽培床的過剩營(yíng)養(yǎng)液匯集板上，經(jīng)其排液口下流至回流液過渡槽，再經(jīng)其排液口流至過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路內(nèi)，回流的營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)過濾處理池處理后重新流入營(yíng)養(yǎng)液供給池中。該生產(chǎn)系統(tǒng)的氣霧栽培床可以旋轉(zhuǎn)，使其上所有植株都可獲得均勻光照，而且其結(jié)構(gòu)保證營(yíng)養(yǎng)液供給過程與過剩營(yíng)養(yǎng)液回流過程的暢通及營(yíng)養(yǎng)液供給與回流過渡過程的暢通。營(yíng)養(yǎng)液供給管路與過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路同時(shí)置于地面以下，提高了溫室內(nèi)光照的均勻度，擴(kuò)大了溫室內(nèi)可利用空間，為進(jìn)一步配套生產(chǎn)、管理裝備提供環(huán)境條件。

圖1 下行供液氣霧培生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要作用為保持供給的營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境穩(wěn)定與保證供液過程有序、安全、可靠、準(zhǔn)確?？刂葡到y(tǒng)如圖2 所示?？刂葡到y(tǒng)利用PLC，通過營(yíng)養(yǎng)液EC傳感器、溫度傳感器、液位傳感器與執(zhí)行部件等不斷監(jiān)測(cè)營(yíng)養(yǎng)液EC 值、溫度和存量，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液EC 值、存量低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出提示，根據(jù)監(jiān)測(cè)值人為干預(yù)；當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液溫度低于設(shè)定值時(shí)，通過控制加熱板保證營(yíng)養(yǎng)液溫度恒定?？刂葡到y(tǒng)利用PLC，通過總供液管路與各主干供液管路的壓力傳感器、水流量傳感器等監(jiān)控營(yíng)養(yǎng)液供給參數(shù)變化，異常時(shí)，該供液?jiǎn)卧Ｖ构┮?，發(fā)出提示，控制并切換至下一供液?jiǎn)卧??？刂葡到y(tǒng)利用PLC，通過定時(shí)器與主干供液管路的電磁閥開關(guān)，控制水泵向不同供液?jiǎn)卧D(zhuǎn)換供液及控制供液時(shí)間與供液持續(xù)時(shí)間，保證及時(shí)定量供液。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

營(yíng)養(yǎng)液EC 傳感器、溫度傳感器、液位傳感器均設(shè)置于營(yíng)養(yǎng)液供給池。總供液管的水流量傳感器與壓力傳感器設(shè)置于水泵與各主干供液管之間。各主干供液管電磁閥、水流量傳感器、壓力傳感器設(shè)置于各供液?jiǎn)卧谝粋€(gè)氣霧栽培床與總供液管之間。

2.2 營(yíng)養(yǎng)液供給池

營(yíng)養(yǎng)液供給池位于整個(gè)供液區(qū)域的中間位置，防滲透處理磚砌混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)氣霧栽培總規(guī)模、營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充頻率、供給量、回流速度等影響因素，綜合考慮設(shè)計(jì)營(yíng)養(yǎng)液供給池實(shí)際最大儲(chǔ)存量。營(yíng)養(yǎng)液消耗量計(jì)算如式（1）。

式中，Q1為營(yíng)養(yǎng)液消耗量，j為設(shè)計(jì)每一循環(huán)內(nèi)供液次數(shù)，c為1 個(gè)供液?jiǎn)卧? 次供液的過剩營(yíng)養(yǎng)液回流量與本次對(duì)本供液?jiǎn)卧┮毫康谋戎?，i為每一座氣霧栽培床內(nèi)噴頭數(shù)量，q為噴頭流量，t為每次每個(gè)供液?jiǎn)卧墓┮撼掷m(xù)時(shí)間，m為每個(gè)供液?jiǎn)卧獨(dú)忪F栽培床數(shù)量，n為供液?jiǎn)卧獢?shù)量。

營(yíng)養(yǎng)液供給池實(shí)際營(yíng)養(yǎng)液最大儲(chǔ)存量滿足式（2）。式中，Q為營(yíng)養(yǎng)液供給池實(shí)際設(shè)計(jì)最大儲(chǔ)存量，k1為修正調(diào)整系數(shù)，一般取值范圍為1.1~1.3。

營(yíng)養(yǎng)液供給池最大儲(chǔ)存量時(shí)的液面低于過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路的埋設(shè)最低位置，營(yíng)養(yǎng)液供給池最大儲(chǔ)存量以過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路最低位置以下的容積進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。在營(yíng)養(yǎng)液供給池旁設(shè)置過濾處理池，過濾處理池底面高度位于回流管路的埋設(shè)最低位置高度與營(yíng)養(yǎng)液供給池內(nèi)容納最大體積營(yíng)養(yǎng)液時(shí)液面高度之間，池內(nèi)設(shè)置過濾消毒殺菌等設(shè)備。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)劃分供液?jiǎn)卧┮?，避免同時(shí)供液過大增加動(dòng)力配置要求，保證作業(yè)質(zhì)量，節(jié)約成本。為了節(jié)約空間，水泵及配套管路固定于營(yíng)養(yǎng)液供給池上方鋪設(shè)的板上。動(dòng)力選擇應(yīng)保證每一供液?jiǎn)卧詈笠蛔鶜忪F栽培床內(nèi)的噴頭正常工作。根據(jù)水頭損失情況［7，8］，生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)力水頭設(shè)計(jì)計(jì)算如式（3）。

式中，H為生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)計(jì)水頭，P為噴頭霧化壓力，ρ為營(yíng)養(yǎng)液密度，g為重力加速度，k2為多口系數(shù)，當(dāng)每一供液?jiǎn)卧獮?0 座氣霧栽培床而相鄰氣霧栽培床間距約為本供液?jiǎn)卧嚯x營(yíng)養(yǎng)液供液池最近的氣霧栽培床與抽取營(yíng)養(yǎng)液位置之間管道長(zhǎng)度的1/2 時(shí)，k2=0.367，f為管材摩阻系數(shù)，f=0.505，l為供液?jiǎn)卧鞲晒┮汗荛L(zhǎng)，Qg為計(jì)算管段的設(shè)計(jì)流量，m為流量指數(shù)，m=1.75，d為供液管路內(nèi)徑，b為管徑指數(shù)，b=4.75。

生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)計(jì)流量計(jì)算如式（4）。

式中，Q2為生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)計(jì)流量。

2.4 營(yíng)養(yǎng)液供給管路

營(yíng)養(yǎng)液供給管路主要包括總供液管、主干供液管、支供液管、霧化軟管及噴頭、端蓋、支撐桿、支供液管控制閥等。

營(yíng)養(yǎng)液供給管路各管段直徑［9］計(jì)算如式（5）。

式中，v為管道經(jīng)濟(jì)流量。

營(yíng)養(yǎng)液供給管路整體呈樹狀分布。營(yíng)養(yǎng)液供給池兩側(cè)每排劃定為1 個(gè)供液?jiǎn)卧?，每個(gè)供液?jiǎn)卧O(shè)置1 條主干供液管，如圖1 所示?？偣┮汗苓B接各供液?jiǎn)卧闹鞲晒┮汗?。在每一供液?jiǎn)卧拿孔鶜忪F栽培床最靠近主干供液管位置引出支供液管，支供液管通過氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒，與霧化軟管連接。端蓋外緣下垂，防止?fàn)I養(yǎng)液霧滴經(jīng)氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒滲入地里，端蓋的固定筒與氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒內(nèi)嵌套，以固定端蓋，端蓋的固定筒開口為霧化軟管通道，霧化軟管由端蓋的固定筒開口處接入氣霧栽培床內(nèi)與噴頭連接，端蓋上固定支撐桿。營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)伸入氣霧栽培床內(nèi)的支供液管末端進(jìn)入霧化軟管，最終到達(dá)噴頭處。噴頭采用十字霧化噴頭。根據(jù)氣霧栽培床高度與噴頭噴施覆蓋范圍將噴頭均勻分布于各高度，保證可以向所有根系均勻供液。所有噴頭通過噴頭固定夾固定在支撐桿上。在支供液管上設(shè)置控制閥，在正常工作時(shí)，支供液管控制閥為打開狀態(tài)，當(dāng)某一氣霧栽培床出現(xiàn)故障時(shí)，將支供液管閥臨時(shí)關(guān)閉，切斷其與主供液管路的連接，進(jìn)行檢查維修。噴頭支撐桿為固定在端蓋上的豎立非金屬桿，其上對(duì)應(yīng)噴頭位置，設(shè)置噴頭固定夾，固定噴頭。

營(yíng)養(yǎng)液供給管路通過固定的氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒伸入氣霧栽培床內(nèi)，與氣霧栽培床相對(duì)獨(dú)立，在氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)過程中不產(chǎn)生任何干涉。

2.5 氣霧栽培床

氣霧栽培床是植株固定的載體，植株根系位于其內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)液噴施范圍內(nèi)，保證根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)液良好的吸收。氣霧栽培床具體尺寸參數(shù)、相鄰供液?jiǎn)卧g距離及供液?jiǎn)卧獌?nèi)相鄰氣霧栽培床之間距離與溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)和可利用面積，人工栽種、管理、采收合理作業(yè)空間，氣霧栽培床排布形式、主體材質(zhì)、承載植株總重量及旋轉(zhuǎn)扭力，植物生產(chǎn)空間，植物對(duì)光線要求程度及種植季節(jié)等影響因素有重要關(guān)系。氣霧栽培床整體菱形排布對(duì)其下部植株采光最有利。不同季節(jié)、不同地域、不同時(shí)間氣霧栽培床之間產(chǎn)生的遮擋范圍是不同的，根據(jù)實(shí)際情況，以可能對(duì)氣霧培生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)影響的時(shí)間段進(jìn)行考慮［10］。

相鄰供液?jiǎn)卧g距離確定如式（6）。

式中，s1為相鄰供液?jiǎn)卧g距離，k3為綜合因素影響調(diào)整系數(shù)，參考區(qū)間為0.5~1.0，h為氣霧栽培床高度，α為太陽(yáng)高度角，r為氣霧栽培床橫截面外接圓半徑。

供液?jiǎn)卧獌?nèi)相鄰氣霧栽培床之間距離確定如式（7）。

式中，s2為供液?jiǎn)卧獌?nèi)相鄰氣霧栽培床中心之間距離，b1為植株生長(zhǎng)范圍超出氣霧栽培床長(zhǎng)度，b2為人工栽種、管理、采收合理作業(yè)間隔。

氣霧栽培床排布規(guī)劃區(qū)域面積如式（8）。

式中，L為氣霧栽培床排布區(qū)域長(zhǎng)度，W為氣霧栽培床排布區(qū)域?qū)挾龋琒為營(yíng)養(yǎng)液供給池占地面積。

氣霧栽培床結(jié)構(gòu)（圖3）主要包括營(yíng)養(yǎng)液過渡槽、下承重定位盤、萬(wàn)向輪、過剩營(yíng)養(yǎng)液匯集板、栽培板、上支撐定位蓋等，裝配主體呈六棱柱狀。下承重定位盤為輕質(zhì)塑料材質(zhì)，其中心設(shè)置一通孔，與氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒外表面同軸配合控制氣霧栽培床繞其旋轉(zhuǎn)。下承重定位盤在與過剩營(yíng)養(yǎng)液匯流板排液口對(duì)應(yīng)重疊位置設(shè)置一通孔，使過剩營(yíng)養(yǎng)液匯集板排液口穿過該通孔插入支回流管口。下承重定位盤下方靠近邊緣的圓周上均勻布置6 個(gè)萬(wàn)向輪，支撐氣霧栽培床便于其旋轉(zhuǎn)。氣霧栽培床用于栽培的區(qū)域主要結(jié)構(gòu)由6 塊厚16 mm 泡沫材料栽培板通過凹凸嚙合構(gòu)成。栽培板上的穴孔均勻分布，其間距根據(jù)植株生長(zhǎng)環(huán)境條件確定，各栽培板大小、形狀完全相同，便于加工。氣霧栽培床上方由上支撐定位蓋限位，下方通過下承重定位盤支撐定位，防止6 片凹凸嚙合的栽培板分開，整體構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的垂直栽培支撐形態(tài)。過剩營(yíng)養(yǎng)液匯集板為發(fā)泡材料，放置于下承重定位盤內(nèi)，其邊緣高，最高不超過下承重定位盤邊緣高度的1/2，中部比較低，最低位置靠近中間位置，在最低位置設(shè)置排液口，位于回流液過渡槽范圍內(nèi)?；亓饕哼^渡槽為發(fā)泡材料，整體為中心帶通孔環(huán)形槽狀，與氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒配合，不隨氣霧栽培床主體旋轉(zhuǎn)，為可以旋轉(zhuǎn)的氣霧栽培床主體與固定的支回流管的過渡結(jié)構(gòu)。其槽底設(shè)置排液口，插入支回流管管口，該結(jié)構(gòu)解決了氣霧栽培床的旋轉(zhuǎn)伴隨過剩營(yíng)養(yǎng)液匯集板排液口位置變化與支回流管管口位置不動(dòng)導(dǎo)致不能直接連接的問題。

圖3 氣霧栽培床結(jié)構(gòu)

營(yíng)養(yǎng)液供給管路與過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路鋪設(shè)完畢覆土后，支供液管輸送營(yíng)養(yǎng)液至噴頭的部分、剩余營(yíng)養(yǎng)液回流管路盛接營(yíng)養(yǎng)液的部分伸出地面。氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒由圓形板與中央垂直于圓形板的管筒一體構(gòu)成，圓形板的中央孔及管筒內(nèi)徑稍大于支供液管直徑，在圓形板上對(duì)應(yīng)過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路穿出地面位置設(shè)置孔，將氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒套入露出地面的支供液管，氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的圓形板上對(duì)應(yīng)孔套過剩余營(yíng)養(yǎng)液回流管路伸出地面的支回流管，氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒自下依次通過氣霧栽培床下承重定位盤中間的通孔、過剩營(yíng)養(yǎng)液匯集板中間的通孔進(jìn)入氣霧栽培床內(nèi)，氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒為氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)的中心。氣霧栽培床支撐固定座，圓板狀，其直徑大于萬(wàn)向輪分布直徑，一般其占地面積略大于氣霧栽培床水平投影范圍，在營(yíng)養(yǎng)液供給管路與過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路向上穿過的地面位置，對(duì)應(yīng)氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的圓筒與圓形板上孔的位置分別設(shè)孔，直徑分別與氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒外徑、圓形板上孔徑相同，在氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒定位后，將氣霧栽培床支撐固定座通過中心孔套入氣霧栽培床旋轉(zhuǎn)套筒的管筒置于地面上進(jìn)行固定。

2.6 過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路

過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路主要由總回流管、主干回流管、支回流管等組成。相鄰兩供液?jiǎn)卧灿? 個(gè)主干回流管。每座氣霧栽培床內(nèi)的過剩營(yíng)養(yǎng)液從支回流管流入主干回流管，所有主干回流管內(nèi)的過剩營(yíng)養(yǎng)液匯入總回流管，然后流入過濾處理池。主干回流管均向總回流管方向傾斜，過剩營(yíng)養(yǎng)液依靠重力流入總回流管。

3 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了一種新型下行供液氣霧培生產(chǎn)系統(tǒng)，該生產(chǎn)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)液供給管路與過剩營(yíng)養(yǎng)液回流管路均無(wú)障礙地布置于地面以下。氣霧栽培床可無(wú)干涉旋轉(zhuǎn)，營(yíng)養(yǎng)液供給與回流循環(huán)暢通；控制系統(tǒng)利用PLC，通過營(yíng)養(yǎng)液EC 傳感器、溫度傳感器、液位傳感器與執(zhí)行部件等不斷監(jiān)測(cè)與調(diào)控，保持營(yíng)養(yǎng)液環(huán)境的穩(wěn)定；通過總供液管路與各主干供液管的壓力傳感器、水流量傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證營(yíng)養(yǎng)液供給過程穩(wěn)定；通過定時(shí)器與主干供液管路電磁閥控制，保證各供液?jiǎn)卧獱I(yíng)養(yǎng)液定時(shí)、定量、準(zhǔn)確供給，營(yíng)養(yǎng)液供給實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該生產(chǎn)系統(tǒng)使氣霧培生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效，無(wú)排放，零污染，為進(jìn)一步推動(dòng)氣霧培技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用推廣創(chuàng)造條件。