一種下行供液氣霧培生產系統設計

楊秋碩，龐玉龍，劉曙光，馬云飛，張 梅，車忠志

（中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

氣霧培是一種新興設施農業無土栽培生產技術［1-6］，其生產形式多樣，其中桶式氣霧培具有管理靈活性高、垂直栽培效果好等優點，具有很大發展潛力。中國氣霧培技術研究起步較晚，目前桶式氣霧培普遍采用上行供給營養液，下行回流營養液形式，結構形式單一，應用技術發展不完善。本研究旨在建立適用于規模化生產要求的新型下行供液氣霧培生產系統，充分發揮桶式氣霧培生產技術優勢，進一步優化氣霧培生產技術體系。

1 系統結構與工作原理

該氣霧培生產系統結構主要包括營養液供給池、控制系統、動力系統、營養液供給管路、氣霧栽培床、過剩營養液回流管路等，結構如圖1 所示。營養液供給管路、過剩營養液回流管路主體部分均布置在地面以下。每一供液單元的供液時間經設定后由控制系統控制執行。對每一供液單元供液時，營養液由水泵從營養液供給池中抽出，經營養液供給管路輸送至各氣霧栽培床內，從與營養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養液霧滴及未噴施至根系的營養液霧滴下落至氣霧栽培床的過剩營養液匯集板上，經其排液口下流至回流液過渡槽，再經其排液口流至過剩營養液回流管路內，回流的營養液經過濾處理池處理后重新流入營養液供給池中。該生產系統的氣霧栽培床可以旋轉，使其上所有植株都可獲得均勻光照，而且其結構保證營養液供給過程與過剩營養液回流過程的暢通及營養液供給與回流過渡過程的暢通。營養液供給管路與過剩營養液回流管路同時置于地面以下，提高了溫室內光照的均勻度，擴大了溫室內可利用空間，為進一步配套生產、管理裝備提供環境條件。

圖1 下行供液氣霧培生產系統結構示意圖

2 主要結構設計

2.1 控制系統

控制系統主要作用為保持供給的營養液環境穩定與保證供液過程有序、安全、可靠、準確。控制系統如圖2 所示。控制系統利用PLC，通過營養液EC傳感器、溫度傳感器、液位傳感器與執行部件等不斷監測營養液EC 值、溫度和存量，當營養液EC 值、存量低于設定值時，發出提示，根據監測值人為干預；當營養液溫度低于設定值時，通過控制加熱板保證營養液溫度恒定。控制系統利用PLC，通過總供液管路與各主干供液管路的壓力傳感器、水流量傳感器等監控營養液供給參數變化，異常時，該供液單元停止供液，發出提示，控制并切換至下一供液單元。控制系統利用PLC，通過定時器與主干供液管路的電磁閥開關，控制水泵向不同供液單元轉換供液及控制供液時間與供液持續時間，保證及時定量供液。

圖2 控制系統框圖

營養液EC 傳感器、溫度傳感器、液位傳感器均設置于營養液供給池。總供液管的水流量傳感器與壓力傳感器設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、壓力傳感器設置于各供液單元第一個氣霧栽培床與總供液管之間。

2.2 營養液供給池

營養液供給池位于整個供液區域的中間位置，防滲透處理磚砌混凝土結構。根據氣霧栽培總規模、營養液補充頻率、供給量、回流速度等影響因素，綜合考慮設計營養液供給池實際最大儲存量。營養液消耗量計算如式（1）。

式中，Q1為營養液消耗量，j為設計每一循環內供液次數，c為1 個供液單元1 次供液的過剩營養液回流量與本次對本供液單元供液量的比值，i為每一座氣霧栽培床內噴頭數量，q為噴頭流量，t為每次每個供液單元的供液持續時間，m為每個供液單元氣霧栽培床數量，n為供液單元數量。

營養液供給池實際營養液最大儲存量滿足式（2）。式中，Q為營養液供給池實際設計最大儲存量，k1為修正調整系數，一般取值范圍為1.1~1.3。

營養液供給池最大儲存量時的液面低于過剩營養液回流管路的埋設最低位置，營養液供給池最大儲存量以過剩營養液回流管路最低位置以下的容積進行設計計算。在營養液供給池旁設置過濾處理池，過濾處理池底面高度位于回流管路的埋設最低位置高度與營養液供給池內容納最大體積營養液時液面高度之間，池內設置過濾消毒殺菌等設備。

2.3 動力系統

本設計劃分供液單元供液，避免同時供液過大增加動力配置要求，保證作業質量，節約成本。為了節約空間，水泵及配套管路固定于營養液供給池上方鋪設的板上。動力選擇應保證每一供液單元最后一座氣霧栽培床內的噴頭正常工作。根據水頭損失情況［7，8］，生產系統動力水頭設計計算如式（3）。

式中，H為生產系統動力設計水頭，P為噴頭霧化壓力，ρ為營養液密度，g為重力加速度，k2為多口系數，當每一供液單元為30 座氣霧栽培床而相鄰氣霧栽培床間距約為本供液單元距離營養液供液池最近的氣霧栽培床與抽取營養液位置之間管道長度的1/2 時，k2=0.367，f為管材摩阻系數，f=0.505，l為供液單元主干供液管長，Qg為計算管段的設計流量，m為流量指數，m=1.75，d為供液管路內徑，b為管徑指數，b=4.75。

生產系統動力設計流量計算如式（4）。

式中，Q2為生產系統動力設計流量。

2.4 營養液供給管路

營養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。

營養液供給管路各管段直徑［9］計算如式（5）。

式中，v為管道經濟流量。

營養液供給管路整體呈樹狀分布。營養液供給池兩側每排劃定為1 個供液單元，每個供液單元設置1 條主干供液管，如圖1 所示。總供液管連接各供液單元的主干供液管。在每一供液單元的每座氣霧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套筒的管筒，與霧化軟管連接。端蓋外緣下垂，防止營養液霧滴經氣霧栽培床旋轉套筒的管筒滲入地里，端蓋的固定筒與氣霧栽培床旋轉套筒的管筒內嵌套，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與噴頭連接，端蓋上固定支撐桿。營養液經伸入氣霧栽培床內的支供液管末端進入霧化軟管，最終到達噴頭處。噴頭采用十字霧化噴頭。根據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。在支供液管上設置控制閥，在正常工作時，支供液管控制閥為打開狀態，當某一氣霧栽培床出現故障時，將支供液管閥臨時關閉，切斷其與主供液管路的連接，進行檢查維修。噴頭支撐桿為固定在端蓋上的豎立非金屬桿，其上對應噴頭位置，設置噴頭固定夾，固定噴頭。

營養液供給管路通過固定的氣霧栽培床旋轉套筒的管筒伸入氣霧栽培床內，與氣霧栽培床相對獨立，在氣霧栽培床旋轉過程中不產生任何干涉。

2.5 氣霧栽培床

氣霧栽培床是植株固定的載體，植株根系位于其內部營養液噴施范圍內，保證根系對營養液良好的吸收。氣霧栽培床具體尺寸參數、相鄰供液單元之間距離及供液單元內相鄰氣霧栽培床之間距離與溫室結構參數和可利用面積，人工栽種、管理、采收合理作業空間，氣霧栽培床排布形式、主體材質、承載植株總重量及旋轉扭力，植物生產空間，植物對光線要求程度及種植季節等影響因素有重要關系。氣霧栽培床整體菱形排布對其下部植株采光最有利。不同季節、不同地域、不同時間氣霧栽培床之間產生的遮擋范圍是不同的，根據實際情況，以可能對氣霧培生產質量與產量產生最大經濟影響的時間段進行考慮［10］。

相鄰供液單元之間距離確定如式（6）。

式中，s1為相鄰供液單元之間距離，k3為綜合因素影響調整系數，參考區間為0.5~1.0，h為氣霧栽培床高度，α為太陽高度角，r為氣霧栽培床橫截面外接圓半徑。

供液單元內相鄰氣霧栽培床之間距離確定如式（7）。

式中，s2為供液單元內相鄰氣霧栽培床中心之間距離，b1為植株生長范圍超出氣霧栽培床長度，b2為人工栽種、管理、采收合理作業間隔。

氣霧栽培床排布規劃區域面積如式（8）。

式中，L為氣霧栽培床排布區域長度，W為氣霧栽培床排布區域寬度，S為營養液供給池占地面積。

氣霧栽培床結構（圖3）主要包括營養液過渡槽、下承重定位盤、萬向輪、過剩營養液匯集板、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塑料材質，其中心設置一通孔，與氣霧栽培床旋轉套筒的管筒外表面同軸配合控制氣霧栽培床繞其旋轉。下承重定位盤在與過剩營養液匯流板排液口對應重疊位置設置一通孔，使過剩營養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 個萬向輪，支撐氣霧栽培床便于其旋轉。氣霧栽培床用于栽培的區域主要結構由6 塊厚16 mm 泡沫材料栽培板通過凹凸嚙合構成。栽培板上的穴孔均勻分布，其間距根據植株生長環境條件確定，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，整體構成相對穩定的垂直栽培支撐形態。過剩營養液匯集板為發泡材料，放置于下承重定位盤內，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，在最低位置設置排液口，位于回流液過渡槽范圍內。回流液過渡槽為發泡材料，整體為中心帶通孔環形槽狀，與氣霧栽培床旋轉套筒的管筒配合，不隨氣霧栽培床主體旋轉，為可以旋轉的氣霧栽培床主體與固定的支回流管的過渡結構。其槽底設置排液口，插入支回流管管口，該結構解決了氣霧栽培床的旋轉伴隨過剩營養液匯集板排液口位置變化與支回流管管口位置不動導致不能直接連接的問題。

圖3 氣霧栽培床結構

營養液供給管路與過剩營養液回流管路鋪設完畢覆土后，支供液管輸送營養液至噴頭的部分、剩余營養液回流管路盛接營養液的部分伸出地面。氣霧栽培床旋轉套筒由圓形板與中央垂直于圓形板的管筒一體構成，圓形板的中央孔及管筒內徑稍大于支供液管直徑，在圓形板上對應過剩營養液回流管路穿出地面位置設置孔，將氣霧栽培床旋轉套筒套入露出地面的支供液管，氣霧栽培床旋轉套筒的圓形板上對應孔套過剩余營養液回流管路伸出地面的支回流管，氣霧栽培床旋轉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、過剩營養液匯集板中間的通孔進入氣霧栽培床內，氣霧栽培床旋轉套筒的管筒為氣霧栽培床旋轉的中心。氣霧栽培床支撐固定座，圓板狀，其直徑大于萬向輪分布直徑，一般其占地面積略大于氣霧栽培床水平投影范圍，在營養液供給管路與過剩營養液回流管路向上穿過的地面位置，對應氣霧栽培床旋轉套筒的圓筒與圓形板上孔的位置分別設孔，直徑分別與氣霧栽培床旋轉套筒的管筒外徑、圓形板上孔徑相同，在氣霧栽培床旋轉套筒定位后，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套筒的管筒置于地面上進行固定。

2.6 過剩營養液回流管路

過剩營養液回流管路主要由總回流管、主干回流管、支回流管等組成。相鄰兩供液單元共用1 個主干回流管。每座氣霧栽培床內的過剩營養液從支回流管流入主干回流管，所有主干回流管內的過剩營養液匯入總回流管，然后流入過濾處理池。主干回流管均向總回流管方向傾斜，過剩營養液依靠重力流入總回流管。

3 小結

本研究設計了一種新型下行供液氣霧培生產系統，該生產系統的營養液供給管路與過剩營養液回流管路均無障礙地布置于地面以下。氣霧栽培床可無干涉旋轉，營養液供給與回流循環暢通；控制系統利用PLC，通過營養液EC 傳感器、溫度傳感器、液位傳感器與執行部件等不斷監測與調控，保持營養液環境的穩定；通過總供液管路與各主干供液管的壓力傳感器、水流量傳感器等實時監控，保證營養液供給過程穩定；通過定時器與主干供液管路電磁閥控制，保證各供液單元營養液定時、定量、準確供給，營養液供給實現自動控制。該生產系統使氣霧培生產優質高效，無排放，零污染，為進一步推動氣霧培技術在設施農業中的應用推廣創造條件。