人工光型及太陽光型植物工廠空調應用技術

【摘要】本文主要論述人工光型植物工廠和太陽光型植物工廠內空調技術的應用特征。首先討論了人工光型植物工廠的主要構成要素、CO2濃度、室內氣溫、飽和蒸汽壓差等環境因子設定值與實際值之間的關系，室內降溫負荷的影響要素，降溫時熱泵成績系數與室外氣溫的關系。在太陽光型植物工廠方面，論述了室內氣溫、飽和蒸汽壓差以及CO2濃度的設定值的控制方法，同時對葉片附近蒸汽壓差與氣流速度的重要性，及室內加溫、降溫負荷的變化進行了總結。

【Abstract】Features of air conditioning technologies are described with respect to plant factory with artificial lighting （PFAL） and greenhouse （GH）. Main components of PFAL， CO2 concentration， air temperature and water vapor pressure deficit （VPD） in the PFAL are discussed. Cooling loads by components and the coefficient of performance of air conditioners for cooling as affected by outside air temperature are discussed. Set points and control methods of air temperature， VPD and CO2 concentration in the greenhouse are explained. Importance of VPD and air current speed over leaves is emphasized. Yearly heating and cooling loads are discussed.

引言

截至2016年2月，日本共擁有人工光型植物工廠191座，太陽光利用型植物工廠229座。該數字自2009年以來一直在持續增加。但根據估算，能夠實現盈利的人工光植物工廠不及總數的一半。另外，日本農林水產省自2014年起啟動了“次世代植物工廠”發展計劃，開始對太陽光型植物工廠和人工光型育苗裝置進行補貼。截至目前，共有10余座生產規模在3～4 hm2的植物工廠在該項計劃的資助下建成運營。

環境控制技術是增加植物工廠作物產量、提高品質、降低成本的重要手段，進而使植物工廠的經營狀況獲得有效改善[1]。因此，就必須要對植物工廠環境調節的基礎知識有深刻的了解。本文闡述了人工光型和太陽光型植物工廠的空調應用技術。其中，本文所引用的文獻[2]和[3]已翻譯為中文并出版，文獻[4]正在翻譯中。文獻[5]對人工光型植物工廠進行了全面闡述。另外，提高生產效率同樣是改善植物工廠經營情況的重要措施，將另文論述。

人工光型植物工廠

人工光型植物工廠是由栽培室、作業室、預冷庫、倉庫、事務室、更衣室、洗手間等房間構成[5]。本文主要針對栽培室的空調利用技術進行闡述。栽培室內營養液栽培裝置的測量控制技術也很重要，但由于與空調應用技術的關聯度較少，所以本文不對其展開論述。另外，在生產過程中，為了防止附著在人身體上痢疾桿菌、霍亂弧菌等細菌污染作用，很多植物工廠嚴格要求工人必須換穿無菌作業服，經過風淋室消毒后才能進入栽培室和作業室。

構成要素和特征

◎ 人工光型植物工廠的栽培室由6大要素構成：

① 高保溫、高密封、高清潔度的房間；

② 照明裝置和配備營養液栽培槽的多段栽培架；

③ 家用空調或工業空調（以下稱之為“熱泵”），以及室內空氣循環風機；

④ CO2施肥裝置（為促進植物光合作用）；

⑤ 營養液罐及配管、循環泵、殺菌裝置（紫外線、臭氧、過濾膜等）等；

⑥ 室內氣溫、照明、營養液等環境測量控制裝置[2，6-7]。此外，還包括空氣凈化器等附屬品。

在人工光型植物工廠內，為了最小化室內氣溫波動以及防止出現結露，常采用高保溫的圍護結構。對于寒冷地區來說，還應隔斷地面的傳熱。根據植物工廠所在地的氣候，人工光型植物工廠圍護結構的傳熱系數約為0.1～0.2 W/（m2·K）；栽培室的換氣次數約為0.01～0.02次/h。如果規范中對植物工廠換氣次數有明確規定，應予以遵守。另外，栽培室的密閉程度很高，為了保護工人健康，防止植物生長不良，應當選擇不產生揮發性氣體的建材。對于光照來說，栽培床面的光合有效光量子密度約為100～200 ?mol/（m2· s）

（對于寬度為1 m左右的栽培床，單位面積上應配置3～5支40 W的熒光燈）。一般栽培架包含10～15層栽培床，當栽培架的燈全部用于照明時，相同地面面積的照明用電是普通辦公室的數十倍。

空氣清凈度、CO2濃度和空氣溫濕度[2，6]

◎ 蔬菜帶菌數

栽培室內的空氣較為清潔，沒有細菌。但是栽培室內的植物葉片表面分泌的淀粉以及多糖類粉末會飛散到空氣中。因此與半導體工廠相比，人工光植物工廠的空氣清潔度（粉塵含量）較差。在實際中，苛求較高的空氣清潔度是沒有意義的。雖然空氣中有少許粉塵，但人工光植物工廠所收獲的蔬菜微生物較少，尤其是不含對人身體有害的病原菌，粉塵不會對蔬菜的品質或人體健康產生影響。

根據相關標準，人工光植物工廠中，1 g新鮮蔬菜的菌落形成單位應在300以下。該數值是溫室生產蔬菜和露地生產蔬菜菌落形成單位的1/100～1/1000。如果蔬菜的包裝及裝袋工序都在密閉的栽培室內進行，那么，蔬菜采收初期的微生物密度將會更低。采收后微生物數量雖然會隨著時間有所增加，但基本可以不用清洗直接食用。

◎ CO2濃度

在設定人工光植物工廠照明期間的CO2濃度時，應首先遵守衛生管理的相關法律。一般情況下，當室內CO2濃度維持在1000 μmol/mol以上時，能有效促進植物的光合作用。因此，當栽培室內沒有作業人員時，室內的CO2濃度一般會高于1000 μmol/mol。

人工光植物工廠實行高度密閉不只是為了防止室外的昆蟲、微生物以及小動物進入室內，減少室內水蒸氣和熱量散失，更重要的是防止室內CO2流失到室外（室外大氣的CO2濃度僅有400 μmol/mol）。

◎ 空氣溫濕度

人工光型植物工廠的室內氣溫控制在20～25℃左右。栽培室內并排布置數排多層栽培床。栽培架頂端距離屋頂很近，不利于屋頂空氣流動，栽培室內的空氣流動性能也較差，使得栽培室在垂直方向上容易出現溫差。此外，栽培架內燈具開啟時，會向外釋放熱量，栽培架內空氣溫度一般會與室內氣溫有1～2℃的差異。但是，如果能夠促進栽培架的空氣流動，使栽培架內的氣流速度達到每秒數十厘米的程度，則栽培架內外的溫差會減小至1℃以內。

如何實現照明期間室內氣溫分布的可視化和控制是以后面臨的最大課題之一。當照明燈具開啟時，栽培架的燈具發出的光能被植物葉片吸收，然后轉化為潛熱和顯熱[7]。潛熱和顯熱的比例受植物冠層葉面積、氣孔導度以及葉片周邊的氣流速度等因素影響。目前，室內的空氣溫濕度可通過市場上的流體動力學分析軟件進行模擬，但是室內的氣流分布情況隨植物長勢以及栽培密度不斷變化，必須通過實際測試來有效把握。

通過提高光合速率可有效促進植物生長。從該觀點來看，當室內氣溫為20℃，栽培室內空氣的相對濕度應維持在80%（飽和蒸汽壓差為0.5 kPa）時對植物光合速率比較有利。當栽培室內所有燈具停止運行時，受植物蒸騰作用的影響，室內空氣相對濕度容易達到100%。在如此高的相對濕度下，墻壁和地面上容易產生結露。而反過來，若植物蒸騰作用受到抑制，植物的莖和葉柄容易變的細長。因此，應該使栽培室內維持適當的空氣相對濕度，一般人工光型植物工廠栽培室內的燈具不會全部停止運行。如果一直有部分燈具運行，則必須要利用熱泵對栽培室進行降溫以除去燈具運行過程中產生的熱量。與此同時，室內空氣中的水分也可以被熱泵除去，從而有效降低室內空氣的相對濕度。此外，一部分燈具運行，一部分燈具停止運行的模式，還能有效減小最大照明電耗，進而降低用電成本。

光照強度分布

一般，栽培床上的光強分布是中間高，兩側低。光強度不均勻會導致植物長勢不均，必須予以注意。如果為栽培架配置高反射材料制作的反射板，栽培床上的光強可以顯著提高。另外，白色栽培板的光反射率約為80%，而植物葉面的光反射率一般低于10%。因此，隨著植株的成長，栽培床內的平均反射率降低，植物冠層上的光強度也會隨之降低并影響植物生長，對此應加以注意。

降溫負荷

圖1為裝備有熱泵、燈具、營養液循環泵、送風扇等設備的人工光型植物工廠栽培室及其能量和CO2平衡示意圖。對于保溫性和密閉性較高的人工光型植物工廠，栽培室在照明期間流失到室外的熱量基本可以忽略。根據2002年的測試結果，在使用高性能熱泵的條件下，人工光型植物工廠照明、熱泵及其他設備（營養液循環泵，空氣循環扇等）年間電耗占年間總電耗的比例分別為80%、16%、4%左右。根據表1中照明及其他電設備的電耗之和，熱泵的成績系數（COP=降溫熱量/熱泵消耗電量）大概為5.3[8]。

在保溫性和密封性較高的栽培室內，如果僅有一部分燈具在夜間運行，即使在冬季夜間，熱泵也是以降溫模式運轉。如果栽培室圍護結構的保溫性和密封性較差，熱泵降溫的費用將會顯著增加。另外，當冬季室外氣溫低于0℃時，必須使用特別的熱泵（如卡拉OK店使用的熱泵）進行降溫。

熒光燈和LED燈將電能轉換為光能（光合有效輻射波段：400～700 nm）的比例分別為25%和30%～40%。植物葉片將照射在其表面的光能轉化為自身化學能的最大比例約5%。結果，照射在葉片的光能中，有95%的光能轉換為熱量散失。總的來說，栽培室消耗的電能中，95%以上都轉換為熱量。

一般情況下，正常進行蒸騰的葉片可將照射到其表面光能的50%轉換為潛熱，并使室內空氣中的水分增加（該過程不影響室內氣溫），將其余50%的光能轉換為顯熱（該過程會導致室內氣溫上升）。因此人工光型植物工廠在照明期間，降溫負荷的50%為潛熱。

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，可認為照明及其他設備的電耗之和就是其降溫負荷。一般情況下，夜間有2/3的燈具運行時，即使在冬季，也要開啟熱泵進行降溫。甚至在冬季夜間最低溫度為-40℃的蒙古國烏蘭巴托，夜間也同樣需要降溫。因此，雖然人工光型植物工廠照明電耗巨大，但該模式使得寒冷地區不加溫生產蔬菜成為可能。這一點，對于在寒冷地區進行蔬菜生產至關重要。順便提一下，對于使用熒光燈作為照明燈具的人工光型植物工廠，生產100g新鮮生菜所需的電耗大概為1 kW·h，如果使用LED替代熒光燈后，則生菜生產的電耗可以減少一半。

一般栽培室內植物葉片面積可達栽培床面積的數倍。由此，栽培室在照明期間的降溫負荷中，有50%為潛熱。通過植物蒸騰作用進入室內空氣的水蒸氣中，有95%轉換為熱泵冷卻面的冷凝水，其余部分則通過栽培室的微小縫隙擴散到室外。通過熱泵冷卻得到的結露水可回收并返回營養液罐進行重復利用。這樣的話，總用水量=換氣損失水量+植物體增加水量?？紤]到植物根部吸收的水分中95%用于葉片的蒸騰作用，其余5%用于自身生長，則向營養液系統中添加的水中，有90%可以被回收利用，人工光型植物工廠的用水量不到溫室營養液栽培系統用水量的10%[7]。如此高的節水性能對世界上干燥地區的農業發展意義重大。實際上，由于栽培定植板、栽培床需要定期清洗，營養液也要更新，實際用水量會比上述計算結果高數倍。

熱泵的成績系數

當栽培室的氣溫在25℃時，熱泵的成績系數（COP=降溫熱量/熱泵消耗電量）受室外氣溫的影響較大。根據2002年以前在東京郊外的千葉縣松戶市試驗結果，當室內氣溫為25℃，室外氣溫為0～20℃時，COP為8～10；當室外氣溫為30℃左右時，COP則降至5[8]。值得注意的是，該試驗是在2002年以前進行的，如果使用2015年制造的熱泵，熱泵的COP將會提高1左右。一般情況下，日本制造的熱泵較其他國家的COP會高很多。

如圖2所示，在與松戶市相同氣溫的地區，保溫型和密閉性較高的人工光型植物工廠中熱泵電耗占總電耗的比例低于15%。隨著熱泵技術發展，熱泵COP不斷提升，該比例還會繼續下降。另外，使用LED等替代熒光燈，植物工廠照明電耗也會顯著降低，則人工光型植物工廠的總電耗也會下降。而對于保溫性和密閉性較差的人工光型植物工廠來說，熱泵電耗占總電耗的比例則為20%～40%，而且在冬季，墻體內表面也經常會出現結露的問題。

栽培室內運行燈具的比例與降溫負荷有較大關聯，為了維持較高的COP，應根據室內燈具運行比例設定運行的熱泵數量。此外，為了使室內空氣分布均勻，即使不降溫時，也應將熱泵設定在送風模式下運行。一般情況下，當栽培室降溫負荷為其最大降溫負荷的60%～70%時，熱泵的COP最大，當栽培室降溫負荷為其最大降溫負荷的40%以下或80%以上時，熱泵的COP會明顯降低。實際中，很多植物工廠所配備的熱泵臺數是必需配置數的2倍，這不僅增加了設備購置費用，而且會導致熱泵的COP較低，電耗增加。

太陽光型植物工廠

太陽光型植物工廠內的熱泵利用技術與人工光型植物工廠不同，有很多要必須解決的問題[3，9]。比較突出的問題及解決方法如表2所示[9]。造成該現象的主要原因是太陽光型植物工廠四周是由可透過太陽光的玻璃或塑料薄膜圍護而成。由于室內的太陽輻射不斷隨時間變化，導致室內的加溫、降溫、換氣負荷也不斷變化。

此外，太陽光型植物工廠圍護結構的傳熱系數高達3～6 W/（m2·K），其保溫性能僅為人工光型植物工廠圍護結構的幾十分之一。因此，太陽光型植物工廠的加溫和降溫負荷極易受室外氣溫、風速和降雪等因素的影響，隨時間變化較大。此外，室內地面與空氣之間也有很顯著的熱交換，這也是有時冬季夜間采暖負荷較低，而有時夏季冷房負荷較大的原因之一。

室內氣溫的調控方法

室內氣溫的控制方法與一般辦公室或工廠有所不同。需根據室內太陽輻射強度、室內氣溫設定值與室外氣溫之差等參數，綜合應用換氣裝置（風扇或通風窗）、活動遮陽網、活動保溫幕裝置、噴霧降溫裝置、濕簾風機降溫系統、采暖裝置、熱泵等設備來對室內氣溫進行控制。最近，在日本使用多功能熱泵進行降溫、加溫以及除濕的事例越來越多。但必須使用很多措施來發揮熱泵的多功能特性，并降低運行成本[3，10]。

太陽光型植物工廠的室內氣溫一般在夜間采暖時設定為12～15℃，換氣時設定為25～26℃。但在夏季晴朗白天，即使進行通風，實測室內氣溫依然為30℃的時候很多。在冬季日間，采暖時的室內氣溫設定值一般為20℃左右。而使用熱泵在夜間進行降溫時，室內氣溫的設定值為24℃左右（室外氣溫大概為-3℃）。如果室內氣溫分布不均勻，則應該啟動循環風機?；谏鲜鲈颍覂葰鉁氐膶嶋H值在加溫期間設定值12℃和換氣期間設定值25℃之間變化。雖然如此，但是只要植物積溫不變，植物的長勢、產量和品質基本不受影響。

在不同條件，室內氣溫的調控方式為：

◎ 太陽光輻射強度為0（夜間）或較少的場合（陰雨天、日出后1 h或日落前1 h以內）

① 實測室內氣溫>設定室內氣溫>室外氣溫時（主要是在夏季），應該通風降溫；

② 設定室內氣溫>實測室內氣溫>室外氣溫時（主要是在冬季），應展開活動保溫幕進行保溫；

③ 在采取保溫措施后，出現設定室內氣溫>實測室內氣溫>室外氣溫時（主要是在冬季），應進行供暖；

④ 當實測室內氣溫>設定室內氣溫<室外氣溫時（主要是在夏季），應采用熱泵進行降溫。該情況可視情況將保溫幕展開。

◎ 太陽光輻射強度較少的場合

① 實測室內氣溫>設定室內氣溫>室外氣溫的場合，應進行換氣；

② 當換氣窗全部打開，換氣扇全部運行時，如果實測室內氣溫>設定室內氣溫時（主要是在夏季），應該運行蒸發降溫裝置（室內氣溫較低時，濕球溫度會升高）。如果沒有配備蒸發冷卻裝置，可根據實際情況展開一部分或全部遮陽網。另外，如果熱泵的降溫能力大于室內的太陽輻射負荷以及圍護結構熱交換負荷?？蓪Q氣窗關閉，使用熱泵進行降溫。在實際生產中，確定合理的室內設定氣溫不僅要考慮植物生長情況，還要根據經驗綜合考慮室外氣溫、電費、燃料價格、蔬菜市場價格、室內作業人員情況等因素。今后應開發綜合環境控制方法來輔助設定合理的室內氣溫[3]。

飽和蒸汽壓差控制與風速控制

作物的蒸騰速度與空氣飽和蒸汽壓差（葉溫所對應的飽和蒸汽壓與周圍大氣水蒸氣分壓力之差），以及葉片表面的水蒸氣擴散系數成正比。一般情況下，蒸騰速度越大，植物根部對水分和養分的吸收速度也越大，而葉溫也會較周邊的空氣溫度低1～2℃。

如果葉片蒸騰速度過快，不僅會導致氣孔導度減小，葉片向周圍空氣的水蒸氣擴散系數降低，植物葉片萎蔫，還會使得周邊空氣通過進入葉片內的CO2速度減少，進而導致植物的凈光合速度下降。另外，葉片蒸騰速率也隨葉片周邊氣流速度的增加而增加。

基于上述分析，在日間，應盡可能調整太陽光型植物工廠的飽和蒸汽壓差和空氣流動速率，促進和優化植物蒸騰速率和凈光合速率就變得非常重要。對于種苗來說，一般定植后的種苗葉面積和葉面積指數較小，蒸騰速率不高，室內空氣的飽和蒸汽壓差較大，對種苗生長不利。在該情況下，應在維持適宜的室內氣溫的前提下，使用噴霧裝置增加室內空氣濕度，減小室內空氣的飽和蒸汽壓差。相反，若是室內的植物較為繁茂的話，葉面積指數較大，會阻礙室內空氣流動，使得葉片周邊氣流速度減小，從而導致蒸騰速率和凈光合速率減小。

降溫負荷和加溫負荷的最大值

假設太陽光型植物工廠圍護結構（屋頂+側墻+山墻）面積與室內地面面積之比為1.2，計算其降溫負荷和加溫負荷。

◎ 夏季日間的最大降溫負荷

首先計算太陽光型植物工廠在夏季晴天正午前后換氣窗關閉時單位室內地面面積的降溫負荷最大值。當室外太陽輻照度為1000 W/m2，太陽光型植物工廠的太陽輻射透過率（室內地面太陽輻射強度與室外太陽輻射強度之比）為60%時，太陽輻射負荷為0.6 kW/m2。若室外氣溫為35℃，室內氣溫為30℃，圍護結構的傳熱系數為0.05 kW/（m2·K）時，單位地面面積通過圍護結構的傳熱負荷為0.3 （=0.05×（35-30）×1.2） kW/m2。如果太陽光型植物工廠的通風換熱進入室內的熱量為0.1 kW/m2，則單位地面面積的降溫負荷為1.0 （=0.6 + 0.3 + 0.1） kW/m2。根據給定條件，面積為1000 m2的太陽光型植物工廠在降溫負荷為1000 kW。如果要使用熱泵進行降溫，無論是初期投資成本和運轉成本都比較高，不適用于夏季太陽光型植物工廠的降溫，應選擇蒸發降溫的方法。

◎ 蒸發降溫

蒸發降溫是在溫帶、亞熱帶和熱帶氣候地區園藝設施內常用的降溫方法。世界上主流蒸發降溫方式是濕簾風機降溫系統，而在日本，更多的是采用水霧汽化的方式，即噴霧降溫，來進行降溫。從理論上來講，如果能將水滴進行充分霧化，即使在盛夏室外氣溫為35℃，濕球溫度在26℃時，也能使用噴霧降溫來降低室內氣溫。但該情況下，室內飽和蒸汽壓差較小，可達到0 Pa，相對濕度為100%。最近，市面上出現了可靈活設置噴霧速度、精確室內空氣飽和蒸汽壓差的裝置。這樣，就會消除水霧發生不充分而引起的溫濕度變化，以及葉面沾濕等問題。

◎ 冬季夜間的最大采暖負荷

冬季黎明的時候，當太陽光型植物工廠的保溫幕展開，其圍護結構的傳熱系數為

0.025 kW/（m2·K），室外氣溫為-3℃，室內氣溫的設定值為12℃的時候，單位地面面積的采暖負荷為0.45 （0.025 × （12+3）×1.2） kW/m2。

由室內地面向室內空氣放熱的熱流量密度為0.02 kW/m2時，單位地面面積的采暖負荷變為0.43 （= 0.45-0.02） kW/m2。則面積為1000 m2的太陽光型植物工廠的采暖負荷為430 kW。加上通風換熱引起的加溫負荷，則總采暖負荷低于500 kW。在該情況下，使用熱泵不僅能滿足加溫負荷要求，同時也可以用于日間的降溫。該情況下使用熱泵對植物生產就非常有利。

◎ 夏季夜間最大降溫負荷

夏季夜間移動保溫幕全部展開，圍護結構的傳熱系數約為0.3 kW/（m2·K），室外氣溫為28℃，室內設定氣溫為23℃的時候，單位地面面積相對應的傳熱系數約為0.18（= 0.03×（28-23） ×1.2）kW/m2。根據上述參數，面積為1000 m2的太陽光型植物工廠的熱負荷為180 kW，再加上室內地面向室內空氣放熱以及通過圍護結構縫隙的換氣引起降溫負荷，總降溫負荷為200 kW。

日本根據過去1年間最大電耗征收基本電費，即使在不需要使用電力的月份也要繳納電費。因此，對于應用熱泵的太陽光型植物工廠來說，可在室外氣溫超過25℃以上的夜間進行降溫，對提高蔬菜產量和品質有很好的效果[11]。

◎ 加溫與降溫負荷的變動與熱泵運作臺數控制

太陽光型植物工廠的加溫和降溫負荷隨時間、季節及室外氣象條件等不斷變化，且變化幅度較大。應當開發相關控制程序來簡化熱泵的運轉模式和臺數，降低生產成本，提高蔬菜產量和品質。

CO2零濃度差控制方法

植物冠層在日間需要從空氣中吸收CO2，然后通過光合作用將其轉化為自身的碳水化合物。一般室外大氣的CO2濃度約為400～420 μmol/mol。但在正午時分，室內CO2濃度會較室外CO2濃度低100～150 μmol/mol。即使采取通風換氣的措施，室內CO2濃度也處于較低的水平。如此低的CO2濃度下會對植物冠層的凈光合速率產生抑制。如果通過CO2施肥使得室內CO2濃度與室外相當，不僅能促進植物光合作用，而且由于室內外CO2濃度一致，所施用的CO2不會損失[12-14]。

結語

植物工廠的土地生產性能遠高于露地。目前，很多城市人口持續增加，為保障相應人口生活的新鮮食物生產系統也變得越來越重要[2]。城市產生的CO2、污水、有機垃圾、樹木修剪殘枝等卻是植物生產所必需的資源。因此，通過發展植物生產來促進城市廢棄資源的循環利用，對減少CO2排放、石油和水資源消耗有非常重要的意義。從這個角度來說，植物工廠是未來農業技術變革的基本技術之一[15]。最近，很多中國研究者在日本做了很多的研究，人工光植物工廠相關的文獻有[16]～[19]，太陽光型植物工廠先關的文獻有[20]和[21]。另外，本文是在《冷凍》雜志上發表的論文[22]修改而來。

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作者簡介：古在豐樹，男，博士，日本千葉大學原校長、名譽教授，日本植物工廠研究會理事長，主要從事無糖組培、植物工廠、設施園藝環境研究。