船載式垂直植物工廠設計與應用

摘 要： 介紹了船載式植物工廠設計與應用，其完全使用人工光源封閉方式進行蔬菜栽培，使蔬菜生長不受外部自然條件制約，實現蔬菜周年連續生產。該植物工廠是一種適合海環境條件的垂直種植系統，解決了水平層流種植方式的環境適應性問題。使用紫外線、臭氧等方案對營養液進行綜合處理，提高了營養液循環使用率，減少了淡水資源的消耗，降低了設備在海環境條件下的保障需求。該植物工廠的應用解決了船在航行中新鮮蔬菜的補給問題，同時也起到了對海上長期漂泊人員心理的一種療愈功能。

關鍵詞：植物工廠；垂直種植；船載式；海環境；營養液循環系統

中圖分類號：S316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）03-0036-05

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.03.007

0 引言

植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統，是利用計算機、電子傳感系統、農業設施對植物生長的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養液等環境條件進行自動控制，使設施內植物培育不受或很少受自然條件制約的省力型生產[1-2]。國際上，荷蘭和日本在全人工光型植物工廠領域起步較早，20 世紀50 年代開始進行通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業系統[3]。目前，日本在種植設施、荷蘭在種子研究、美國在智能化、以色列在自動化種植技術方面各有所長，并取得了較大的發展[4]。在國內，農業部于2003年在中國農業大學啟動了人工光型植物工廠研發項目，中國農業科學院在2009 年建設了使用熒光燈的蔬菜工廠實驗室和使用LED 燈具的種苗工廠實驗室。2015 年開始，我國植物工廠已逐漸成規模化發展，并在光效提升、能耗降低、環境控制、營養調控及智能化無人化方面不斷地研發和創新，正逐步成為全球規模最大的裝備生產制造國。但現有植物工廠模式不太適合遠洋使用。

目前我國主流的植物工廠普遍采用開放式層流方法，控制簡潔、維護及管理成本低，其依托營養液自重實現水平層流的方式進行營養液循環。但是在面臨海環境時易受艦艇傾斜、機動慣性導致營養液溢出、根系吸濕吸氧不足等影響艦艇安全、栽培設備工作和植物生長，同時循環泵可能出現頻繁吸空等問題，導致系統可靠性、穩定性較低。

本研究針對艦船上植物工廠的應用場景，定制化地設計了適用于約48 m3 空間的垂直種植方式的植物工廠，主要由圍護結構、種植模組、營養液循環系統、環控設備、二氧化碳供應裝置和智能控制系統等部分組成。船載式垂直植物工廠克服了當前通用的開放式層流種植設備和種植方式的不足，滿足海環境條件下大傾角大擺幅的航行和機動運輸的使用，進而為遠洋人員持續獲得新鮮蔬菜、增強應急保障能力、舒緩遠洋焦慮提供有力支撐。

1 總體設計方案

船載式垂直植物工廠是通過在船艙內搭建一個封閉空間，配置蔬菜種植需要的種植模組及LED 補光燈、環控設備、營養液循環系統、二氧化碳供應裝置和智能控制系統等，平面布局及整體效果如圖1 所示。組成一個可以不受外界影響的蔬菜生長環境，以滿足不同植物類型和同一類植物的不同生長期對于環境因子的需求，最大程度發揮植物生長的潛能，提高生長速率，縮短種植周期，實現周年穩定生產和供應。本研究主要滿足艦船航行過程中蔬菜培育生產，如出現大傾角大擺幅時，營養液供液系統及補光燈設備停止工作；如明期出現內部溫度超出預警值，補光燈設備停止工作并發出報警；如分段回液槽水位超過閾值，營養液供液泵停止工作并發出報警等。

2 關鍵部分設計

2.1 種植系統

考慮艦船在海上航行存在大傾角大擺幅的運行情況，擬采用全封閉方式進行，采用頂送底回方式，構建豎直回流的植物栽培設備。整套栽培設備由主液箱、主供液泵、射流氣液混合器、供液噴頭、栽培吊架、回液槽、自吸泵、營養液監測模塊、供液管路及附件組成，如圖2 所示。

主液箱為營養液配制和營養液監測的主要對象，根據植物種植進程調配相應的營養液，并根據實時監測值，調整并補充營養液的原液成分，并按預設比例與清水進行混合。供液泵主要為營養液循環提供動力，根據系統栽培模組數量調節供液流量和供液壓力。射流管是實現外部氣體（O2）與液體混合的裝置，用于提高營養液中的溶解氧成分。噴頭采用專用噴淋裝置，確保在栽培模組內實現噴淋，對應的栽培模組為垂直布置的專用模組，根據植物生長特點和海環境應用特點設計，除保證密封性能外，還需為植物生產過程提供水分、氣體、營養液的駐留，確保其生長。回液槽為營養液回流通道，同時確保在傾斜條件下，營養液可靠回液至主液箱。自吸泵在回液槽內布置，將栽培模組回流的營養液提升至主液箱，確保回液不在種植艙內富集，從而造成溢出。營養液監測模塊為營養液監測，對營養液的氧化還原電位、EC 值、pH 值和溫度等進行監測。

2.2 人工光系統

光是植物生長發育的重要能量源和信息源，不同光受體吸收不同波長的光，不同波長的光對植物生長的作用也不相同，光質配比作為光環境中的關鍵影響因子能通過光受體傳導途徑調節植物的整個生命周期，影響植物各生長時期的發育狀況[5]。船載式垂直植物工廠選擇全光譜LED 補光燈，增加對植物光合作用起決定作用的630 nm 紅光、660 nm 超紅光及730 nm 遠紅光，其中730 nm 遠紅光為不可見光，顯示的亮度很小。全光譜LED 補光燈色溫在3 700 K 左右，不會影響人眼的舒適度。

LED 補光燈安裝在兩排垂直種植模組之間的燈架上，燈架與種植模組之間的距離可以調節，一方面可以根據蔬菜種類、蔬菜大小、環境溫度等調節補光燈與蔬菜之間的距離，滿足蔬菜當前對光照的需求；另一方面在蔬菜移栽、采收、管理等過程中，調節燈架與模組之間的空間，方便管理操作人員工作。充分利用船體有限空間，提供更多優質的蔬菜補給。

2.3 空調設備

空調系統能為植物生長提供相對可控制甚至最適宜的溫度環境，使其在一定程度上擺脫對自然環境的依賴[6-7]。空調系統使用在具有鹽霧、霉菌等惡劣的海環境條件下，并且會隨船左搖右擺、上下晃動，故選用滿足GJB 4000—2000《艦船通用規范》和《船用條件》有關要求的空調設備[8-9]。通過最大熱流量計算（包含圍護結構的熱流量、通風換氣熱流量、設備運行熱流量、LED 補光燈熱流量）QL 約為7 kW，考慮到實際冷負荷為空調設備裝機容量的60%～70% 時，其制冷性能系數最大，故空調機組制冷量設定12 kW。

根據植物工廠的使用場景，其最大空調熱負荷出現在夜晚，并且種植環境處于暗期。根據圍護結構熱流量計算公式，計算可得，最大熱負荷QR 約為2 kW。為提高制熱性能系數，空調最大制熱量應≥4 kW。

空調系統采用艦船風冷分體式空調機，一拖二結構，其中的一臺外機包含兩套獨立的壓縮機系統，互相之間互不影響，降低空調系統運行故障風險。室內機采用柜機形式，每臺室內機制冷量6 kW、總制冷量12 kW，每臺室內機制熱量3 kW、總制熱量6 kW。

2.4 營養液循環處理裝置

考慮到海島環境、艦船海上航行環境，淡水資源寶貴，應充分利用其營養液中的淡水資源。因此，營養液循環處理裝置摒棄了傳統的開放式系統，而是采用了封閉式的營養液循環系統。封閉式營養液栽培系統是指通過相關的工程技術手段將灌溉排出的滲出液進行收集，再通過過濾、消毒、檢測和調配后反復利用的營養液栽培方式。通過營養液的循環利用，避免了因廢棄營養液排放對環境造成污染，具備環境友好、水分與營養利用率高等優點。封閉式營養液循環系統主要由栽培裝置、營養液回收與消毒系統、營養液成分檢測與調配系統等部分構成。

2.5 自動控制系統

系統采用西門子6ES72141-BG400XB0 作為核心控制器，并輔以通信模塊6ES7241-1CH32-0XB0 對艙內封閉結構溫濕度和營養液特征參數采集。系統配置有10 英寸人機交互觸摸屏作為上位機，完成參數設定和系統運行情況監視[10]。其中，控制器和上位機通過標準的Modbus 協議和RS485 接口方式通信。控制系統的控制方式有手動控制和自動控制兩種，手動狀態下可以輸入控制參數閾值、設定明期暗期環境參數、營養液泵送速率及配比等；自動狀態下完全解放了人的勞動量，根據設定的邏輯判斷自動調節環控設備的關聯性，達到適應蔬菜生長的最佳條件。

3 系統主要環境因素測定

由于船載式垂直植物工廠是在7 月某港口完成相關安裝調試工作，試驗測試時外部環境平均氣溫在30 °C 以上，圍護結構封閉空間的內部溫度相對比較高，空調設備主要用于內部環境全天降溫，為蔬菜種植提供合適的生長環境。

3.1 光環境測定

LED 補光燈陣列是垂直均勻排布在固定燈架上，此次光環境測試是對B 區從上到下設置5 個測試點，距離LED 補光燈具的表面30 cm 處分別進行測試。具體測試數據如表1 所示。

光照是蔬菜生長發育的關鍵影響因素，它可以幫助蔬菜長莖生葉、促進莖段生根、葉綠素形成和碳水化合物積累等，同時對蔬菜的營養物質代謝、理化性質等具有調控作用。因此選擇適宜的光照是影響蔬菜品質和產量的關鍵因素。通過對補光燈光照環境的測試，光合有效輻射（PPFD）達到220 μmol∕（m2·s?1）以上，光照強度達到16 000 Lux 以上。綜合采集數據分析，距LED 燈具表面30 cm 處的光照強度和光合有效輻射達到了蔬菜生長需求。

3.2 封閉結構溫濕度測定

葉菜類蔬菜耐低溫，生長適宜溫度18～22 °C，生長期內溫度主要控制在20 °C 左右。多數蔬菜的生長適宜相對濕度60%～ 90%， 在多數情況下， 相對濕度75%～85% 時凈光合速率達到最大[11]。

在種植區域水平方向上分成A、B、C 3 個區域（見圖1a），每個區域在垂直方向上設定上、中、下3 個測試點，共9 個溫濕度定點采集點。植物工廠為迎合船上人員的活動時間，起到一定的活動療愈功能，設定蔬菜補光時間8： 00—20： 00，定為明期；20： 00—次日8： 00，定為暗期。

由圖3 可知，在明期階段，水平方向A、B、C 3個區域在人工光開啟后1 h 溫度達到最大值，最大溫差5.5 °C（與設定值20 °C 對比），在2 h 恢復至設定值左右，中午前后溫度有一個小的波動，基本趨于平穩；垂直方向同樣是在人工光開啟后升溫，底層溫度最高超過26 °C，在環流風機的作用下，空氣流動加速，溫度逐漸趨于穩定值。在暗期階段，由于沒有大功率發熱設備，室內溫度基本穩定在設定值范圍內。綜合數據分析，明期平均溫度約21.5 °C，暗期平均溫度約20 °C ，符合蔬菜生長溫度。

由圖4 可知，在明期階段，空氣相對濕度會在室內溫度上升時開始降低，當達到濕度下限值75% RH時，加濕器開始工作增加空氣濕度，在濕度下降到65% RH 時開始上升，加濕器會持續增加空氣濕度達到85% RH 以后停止工作。在暗期階段，由于室內溫度比較穩定，空氣中的相對濕度保持在85% 左右。綜合數據分析，明期平均濕度約75.2% RH，暗期平均濕度約84.8% RH ， 符合蔬菜生長的相對濕度要求。

4 結束語

船載式垂直植物工廠通過建立封閉空間，利用計算機自動控制系統實現內部溫度、濕度和光照等參數的控制，達到蔬菜生長所需的最佳環境，充分利用有效種植空間達到蔬菜周年培育高效高產。船載式垂直植物工廠的應用，解決了艦船在航行中新鮮蔬菜的補給問題，提高自供給保障能力，對于長期在海島駐守、遠洋航行等人員，在緩解心情、改善營養元素缺乏等方面有較大的益處。

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