現(xiàn)代光電植物工廠室內(nèi)氣流潔凈系統(tǒng)及在潔凈廠房中的應(yīng)用

馬源，喬申，趙飛勝

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100023）

1 引言

由于換氣次數(shù)是影響潔凈等級(jí)的直接因素，為了滿足植物工廠潔凈等級(jí)要求，在制訂氣流潔凈系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)以換氣次數(shù)作為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，并結(jié)合潔凈原理、過(guò)濾控制、溫濕度控制、送風(fēng)量、冷耗等其他指標(biāo)進(jìn)行方案必選，然后從施工的角度出發(fā)，詳細(xì)探討實(shí)施的可行性，充分利用各種資源，提供技術(shù)重難點(diǎn)解決方案和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，保證建設(shè)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

2 工程概況

中國(guó)科學(xué)院海南種子創(chuàng)新研究院科研樓項(xiàng)目為EPC（設(shè)計(jì)+采購(gòu)+施工）項(xiàng)目，位于三亞市崖州灣南繁科技城起步區(qū)，合同額約8.93億元，是國(guó)家熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)中心，全球動(dòng)植物種質(zhì)資源引進(jìn)中轉(zhuǎn)基地，海南國(guó)際離岸創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范區(qū)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。項(xiàng)目占地面積約40 000 m2，總建筑面積107 745.38 m2，包含1#樓辦公研究及公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、2#樓院士工作站、3#樓實(shí)驗(yàn)展示平臺(tái)。

本工程植物工廠建設(shè)于3號(hào)樓展示平臺(tái)2層，工廠總面積為240 m2，主要包括更衣室、清洗操作間、營(yíng)養(yǎng)液房、植物栽培區(qū)、自動(dòng)循環(huán)大型展示架等。植物工廠為全人工光型植物工廠，兼具參觀、教學(xué)及生產(chǎn)功能，主要利用LED植物光譜技術(shù)和無(wú)土化植物栽培技術(shù)，采用自動(dòng)化環(huán)境控制及智能化裝備，在凈化廠房進(jìn)行葉菜類作物工廠化種植，其生產(chǎn)完全不受外界環(huán)境條件影響，可進(jìn)行葉菜連續(xù)周年性生產(chǎn)。

3 現(xiàn)代光電植物工廠室內(nèi)氣流潔凈系統(tǒng)研發(fā)

3.1 問(wèn)題分析

根據(jù)種植物生產(chǎn)工藝，以及廠房的參觀需求，廠房總體布局分為3個(gè)區(qū)，栽培區(qū)、輔助功能區(qū)、參觀區(qū)。栽培區(qū)共設(shè)1個(gè)栽培間，面積共為96 m2。蔬菜栽培間內(nèi)共布置41套種植模組，其中，煉苗模組1套，育苗期模組4套，栽培期模組36套。根據(jù)栽培模組尺寸，要求種植區(qū)吊頂下最低高度3.2 m。輔助功能區(qū)分為4個(gè)區(qū)間：更衣室、操作區(qū)、清洗間、營(yíng)養(yǎng)液房。參觀區(qū)位于廠房里西側(cè)，可以參觀工廠整個(gè)流程，包括營(yíng)養(yǎng)液、生產(chǎn)操作、植物栽培。本項(xiàng)目植物工廠為全人工光型植物工廠，兼具參觀、教學(xué)及生產(chǎn)功能，潔凈度要求為30萬(wàn)級(jí)，如何保證植物工廠的潔凈度和美觀性成為關(guān)鍵所在。

植物工廠施工具有施工區(qū)有限、層高較高等特點(diǎn)。項(xiàng)目植物同種植區(qū)域的溫差可控制在±1℃以內(nèi)，并保證室內(nèi)溫濕度的均勻性，相對(duì)濕度控制在50%～95%（±5%），潔凈度達(dá)到30萬(wàn)級(jí)別。為達(dá)到要求，以夏季室內(nèi)的種植燈的散熱量26.6 kW、送回風(fēng)溫差9℃時(shí)為例，所需送風(fēng)量需達(dá)到17 500 m3/h，最大換氣次數(shù)需達(dá)到15～20次/h。

雖然矢流氣流流形施工技術(shù)滿足項(xiàng)目要求，但是該工藝無(wú)法對(duì)本項(xiàng)目植物工廠氣流潔凈做到全覆蓋，本項(xiàng)目為特定值范圍實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法滿足相關(guān)方要求。通過(guò)現(xiàn)代光電植物工廠室內(nèi)氣流潔凈系統(tǒng)的研發(fā)，將設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定為確保植物工廠換氣次數(shù)≥20次/h。

3.2 方案比選

綜合植物工廠潔凈原理、溫濕度控制、過(guò)濾程度、送風(fēng)量、冷耗等指標(biāo),圍繞排風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)方式的角度，提出3種創(chuàng)新性的植物工廠綜合施工方案。

方案一為單向流潔凈室，采用室內(nèi)垂直或水平單側(cè)送風(fēng)的方式，通過(guò)活塞和擠壓原理實(shí)現(xiàn)凈化氣流的目的，該方案構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)行后短時(shí)間內(nèi)即可變成穩(wěn)定氣流，但隨著機(jī)器和人員流動(dòng)，會(huì)使單向流變成紊流，在障礙物周圍形成氣流團(tuán)，從而弱化凈化效果，成本投入約為800萬(wàn)元。

方案二為非單向流潔凈室，氣流流形為頂送下回、頂送頂回、頂送下側(cè)回，運(yùn)用了稀釋原理，該方案容易管理，同樣可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但構(gòu)造費(fèi)用較高，彈性運(yùn)用空間困難，維修維護(hù)比較麻煩，成本投入約為700萬(wàn)元。

方案三為混合流潔凈室，將非單向流和垂直單向流混合在一起，具有建造成本低、構(gòu)造簡(jiǎn)單、過(guò)濾效率高、潔凈效果好等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)重新啟動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)需要花費(fèi)一定的時(shí)間，成本投入約為500萬(wàn)元。

考慮到植物工廠潔凈度、氣密性、溫濕度控制指標(biāo)、投入成本等方面因素，決定選用方案三混合流潔凈室[1]。

3.3 系統(tǒng)分解

混合流植物工廠室內(nèi)潔凈系統(tǒng)主要包括裝飾裝修系統(tǒng)、凈化空調(diào)系統(tǒng)、排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)，具體分解如圖1所示。

圖1 混合流植物工廠室內(nèi)潔凈系統(tǒng)分解圖

3.3.1 吊頂系統(tǒng)

根據(jù)研發(fā)目標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)吊頂施工的選擇方案進(jìn)行了對(duì)比，雙層紙面石膏板吊頂施工難度簡(jiǎn)單、價(jià)格較為便宜，且適用空氣潔凈度等級(jí)符合潔凈室設(shè)計(jì)要求，而雙層金屬板材吊頂造價(jià)更高，施工較難，二者的燃燒性能等級(jí)均為A級(jí)，所以，最終選用雙層紙面石膏板吊頂。

3.3.2 墻體系統(tǒng)

樹(shù)脂板內(nèi)墻面和巖棉夾芯金屬壁板內(nèi)墻均能滿足空氣潔凈度等級(jí)要求，樹(shù)脂板內(nèi)墻面抗菌防腐蝕，不易老化，使用壽命長(zhǎng)，抗污性強(qiáng)，不易變形，但存在熱膨脹的缺點(diǎn)，而且工序復(fù)雜，成本較高，巖棉夾芯金屬壁板內(nèi)墻防火性能優(yōu)異，保溫隔熱性好，吸聲隔熱效果顯著，但強(qiáng)度一般，根據(jù)綜合成本及實(shí)用性，選擇采用巖棉夾芯金屬壁板內(nèi)墻作為植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.3.3 凈化空調(diào)系統(tǒng)

組合式空氣處理機(jī)組＋冷水機(jī)組雖然控制效果好，在送風(fēng)過(guò)程中空氣被污染的風(fēng)險(xiǎn)小，但造價(jià)較高，空間需求大，變頻空調(diào)機(jī)組＋增壓風(fēng)機(jī)不需要占用機(jī)房面積，布置相對(duì)靈活，能夠滿足潔凈度要求，而且造價(jià)較低，綜合溫度、濕度控制性能和安裝布置合理性，選擇采用變頻空調(diào)機(jī)組＋增壓風(fēng)機(jī)作為凈化空調(diào)系統(tǒng)。

3.3.4 排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)

高效送風(fēng)口通用性強(qiáng)，施工簡(jiǎn)單，能夠保證氣流的噴射速度，防止產(chǎn)生渦流，但如果一臺(tái)出現(xiàn)故障，對(duì)整個(gè)送風(fēng)系統(tǒng)影響很大，后期維護(hù)費(fèi)用較高，F(xiàn)FU送風(fēng)口則不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，即使少量送風(fēng)口出現(xiàn)故障，也不會(huì)對(duì)潔凈室運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，而且更加節(jié)省空間、工期更短、可靈活調(diào)整，系統(tǒng)靜壓箱為負(fù)壓，如果風(fēng)口安裝存在泄漏，也是從潔凈室向靜壓箱泄漏，不會(huì)污染潔凈室，經(jīng)過(guò)對(duì)排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)出風(fēng)穩(wěn)定性、節(jié)能性、實(shí)施難度、成本及后期維修等方面進(jìn)行考慮，且由于風(fēng)機(jī)自帶過(guò)濾器，選擇風(fēng)機(jī)過(guò)濾機(jī)組（FFU）送風(fēng)口作為排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)的終端過(guò)濾裝置。

通過(guò)對(duì)吊頂系統(tǒng)、墻體系統(tǒng)、凈化空氣系統(tǒng)、排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)的多方案必選，最終確定了最佳設(shè)計(jì)方案，具體如圖2所示。

圖2 混合流植物工廠室內(nèi)潔凈系統(tǒng)最佳方案

4 現(xiàn)代光電植物工廠室內(nèi)氣流潔凈系統(tǒng)在潔凈廠房中的應(yīng)用

4.1 實(shí)施過(guò)程控制

4.1.1 吊頂系統(tǒng)安裝

首先對(duì)植物工廠頂棚進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步細(xì)化吊頂材質(zhì)規(guī)格和連接方式做法大樣圖。紙面石膏板采用三明治式結(jié)構(gòu)，兩面為烤漆彩鋼板，鋼板厚度控制在0.5 mm，中間采用高密度絕緣隔熱夾芯材料紙蜂窩，彩鋼板內(nèi)加入石膏，這樣能增加頂板強(qiáng)度，方便人員開(kāi)展維修工作。板材之間采用內(nèi)置式鋁龍骨連接，形成連續(xù)自支撐結(jié)構(gòu)的墻，使用硅膠進(jìn)行接縫密封處理，頂板采用支架和M-8螺紋鋼固定在建筑頂上。吊頂安裝流程為：選用直徑為6 mm的輕鋼龍骨吊桿按照標(biāo)高固定，大龍骨、中龍骨和小龍骨依次固定，最后進(jìn)行紙面石膏板安裝與飾面。安裝完成后，加強(qiáng)質(zhì)量檢查，按照板間接縫誤差≤3.0 mm、接縫高低差≤1.0 mm的預(yù)定目標(biāo)，檢驗(yàn)安裝接縫平直度、高低差是否符合要求，接縫平直度時(shí)使用5 m線拉通線，用鋼直尺進(jìn)行檢查，接縫高低差通過(guò)鋼尺和塞尺檢查[2]。

4.1.2 墻體系統(tǒng)安裝

首先對(duì)植物工廠墻體進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步細(xì)化隔墻材質(zhì)、各組件銜接、回風(fēng)墻做法大樣圖。巖棉夾芯金屬壁板50 mm厚，雙面鋼板厚0.5 mm，表面噴涂防塵漆。鋼板雙面鍍鋅增強(qiáng)了表面的抗腐蝕能力，完全平整地與各種組件相銜接。兩側(cè)墻下部均勻布置回風(fēng)口代替常規(guī)回風(fēng)夾道，金屬壁板內(nèi)置風(fēng)管，隔墻底部100 mm設(shè)置回風(fēng)口標(biāo)準(zhǔn)回風(fēng)量為2 m/s，這種方式占地少，平面布置更加靈活。

在隔墻各構(gòu)件安裝前做好測(cè)量點(diǎn)位標(biāo)記，保證墻體平整度與垂直度，金屬壁板需緊密連接。同時(shí)，采用獨(dú)特的地龍骨形式進(jìn)行墻與頂面、地面連接，與頂面的連接必須保證吊頂強(qiáng)度，又保證所有墻體的靈活拆裝，與地面連接確保地面上墻100 mm，并與墻面完全平齊，保證了各潔凈間的完全密閉，易于清潔。安裝完成后，做好質(zhì)量檢驗(yàn)，按照立面垂直度偏差≤1.5 mm、表面平整度偏差≤1.5 mm、接縫高低偏差≤1.0 mm的預(yù)設(shè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，墻體板材間必須連接緊密，立面垂直度偏差值、表面平整度最大偏差、接縫高低差最大偏差應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

4.1.3 凈化空調(diào)系統(tǒng)安裝

對(duì)凈化空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行確定，根據(jù)廠家提供技術(shù)參數(shù)，最終確認(rèn)使用集中式潔凈空調(diào)雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。其中，潔凈設(shè)備包括變頻空調(diào)室內(nèi)外機(jī)組、新風(fēng)機(jī)、加熱器、冷卻器、粗、中效過(guò)濾器、增壓風(fēng)機(jī)等，集中設(shè)置在變頻空調(diào)機(jī)房，通過(guò)風(fēng)管送入各潔凈室。該系統(tǒng)具有壓頭小、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，可以在全年內(nèi)都保持恒定的室內(nèi)壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)行方式。安裝結(jié)束后，邀請(qǐng)專業(yè)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行凈化空調(diào)系統(tǒng)漏風(fēng)檢測(cè)，包括風(fēng)量、漏風(fēng)量、漏風(fēng)率、壓力等具體參數(shù)，機(jī)組漏風(fēng)率不能超過(guò)1%。

4.1.4 排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)安裝

首先，根據(jù)項(xiàng)目暖通圖紙對(duì)排風(fēng)及廢氣處理系統(tǒng)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，然后開(kāi)展安裝工作，F(xiàn)FU的安裝應(yīng)無(wú)變形、銹蝕、漆膜脫落、拼接板破損等現(xiàn)象，框架平整、光滑，安裝后的風(fēng)機(jī)過(guò)濾器機(jī)組方向要正確，便于維修，與框架質(zhì)檢連接處采取密封膠密封。同時(shí)，為保證氣密性良好，氣密墊密封厚度為6～8 mm，墊料壓縮率為25%～50%，施工完成后，對(duì)氣密墊密封厚度水平、墊料壓縮率進(jìn)行實(shí)測(cè)，檢驗(yàn)氣密性效果。

4.2 應(yīng)用效果分析

4.2.1 技術(shù)方面

系統(tǒng)安裝完成后，組織相關(guān)單位進(jìn)行植物工廠系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，重點(diǎn)對(duì)凈化空調(diào)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)的4個(gè)空調(diào)內(nèi)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)量進(jìn)行100%檢測(cè)，通過(guò)成果總結(jié)評(píng)價(jià)，氣流潔凈系統(tǒng)滿足設(shè)定目標(biāo)值，達(dá)到了系統(tǒng)研制要求，獲得了一致的好評(píng)。

4.2.2 經(jīng)濟(jì)效益

從人工費(fèi)、材料費(fèi)、設(shè)備費(fèi)的角度出發(fā)，對(duì)總體成本進(jìn)行計(jì)算，與常規(guī)潔凈廠房相比，采用混合氣流潔凈系統(tǒng)能夠節(jié)省約24.68萬(wàn)元，而且運(yùn)行費(fèi)用更低，由于施工難度小，能夠節(jié)約5 d工期，所以，從綜合造價(jià)的角度出發(fā)，該氣流潔凈系統(tǒng)能夠獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2.3 社會(huì)效益

本工程植物工廠兼具參觀、教學(xué)及生產(chǎn)功能，此施工工法大大提升了植物工廠美觀性、室內(nèi)潔凈度以及農(nóng)作物生產(chǎn)條件，顯著的提高公司知名度。同時(shí)很好地解決了建筑30萬(wàn)級(jí)潔凈度和氣流組織控制難題，節(jié)省了維修等人工、材料費(fèi)用，為新工程承攬和建設(shè)積攢了寶貴經(jīng)驗(yàn)[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代光電植物工廠兼具生產(chǎn)、教學(xué)、參觀等多種功能，對(duì)潔凈度要求較高，同時(shí)要兼顧美觀性，而傳統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和施工工藝難以滿足需求，必須加強(qiáng)問(wèn)題分析，找到行之有效的新方法。本文首先介紹了中國(guó)科學(xué)院海南種子創(chuàng)新研究院科研樓植物工廠的基本情況，然后對(duì)室內(nèi)氣流潔凈系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)行了介紹，最后研究了該系統(tǒng)在潔凈廠房的具體實(shí)施和應(yīng)用效果，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新運(yùn)用，力求獲得更好的綜合效益。