植物工廠光照和溫度調控

.植物工廠光照和溫度調控 植物工廠是在高精度環(huán)境控制的封閉或半封閉生長空間內進行植物周年生產的系統(tǒng)。在系統(tǒng)內需要為對象作物提供適宜的生長環(huán)境。這些環(huán)境因子包括：光照（光強、光質和光照時數）、溫度、濕度、CO2濃度、風速以及營養(yǎng)液的pH、EC、肥料成分、溶氧量、液溫、流速等。對植物工廠進行環(huán)境優(yōu)化控制，最根本的是要明確作物光合作用、產物積累、轉流分配、發(fā)育和呼吸等生理過程與環(huán)境因子之間的關系，綜合考慮各環(huán)境因子的復合作用效果，選擇運行成本低、效果好的調控手段進行優(yōu)化控制，以達到理想的控制效果。這里，主要對植物工廠的光照、溫度調節(jié)作重點介紹。光環(huán)境調控技術光照是作物生命活動的能量源泉，又是某些作物完成生命周期的重要信息。無論是弱光、短日照或強光、長日照都可能成為某些作物生長、發(fā)育的限制因子。因此，對植物工廠內的光照環(huán)境進行調節(jié)控制是十分必要的。光照環(huán)境的調節(jié)，是根據作物的種類及生育階段，通過一定的措施，調節(jié)光照條件，創(chuàng)造良好的光照環(huán)境，以提高作物的光合效率。補光調節(jié) 光合補光 在高緯度地區(qū)或連陰天，造成光強和光照時數不足，或整體作物具有較高的光照強度要求時，進行光合補光是必要的。利用人工光源補充照明是行之有效的方法。目前使用的人工光源僅限于電光源一種，通常使用高壓鈉燈（HID）進行補光。由于成本太高，大面積應用還難以做到，但在蔬菜育苗工廠中應用則較為經濟且能育出壯苗。光周期補光對于光周期敏感的作物，特別是在光周期的臨界期，當暗期過長而影響作物的生長發(fā)育時，應對作物進行人工光周期補光。光周期補光是作為調節(jié)生長發(fā)育的信息提供的，需用的光照度較低，一般為22Lx左右。補光時間因植物種類、天氣狀況、地理條件而變化。為抑制短日照植物開花，一般在早晚補光4h，使暗期短于7h；也可進行深夜間斷暗期補光25h，間斷暗期也能起到早晚補光，抑制短日照植物開花的效果。遮光調節(jié)光合遮陽光合遮陽主要目的是降溫和減弱光照強度，四周不需嚴密搭接，也叫部分遮陽。目前，生產上比較實用的遮陽方法是采用黑紗網、無紡布或綴鋁遮陽網進行內遮陽或外遮陽。對于玻璃溫室，還可在玻璃表面上刷一層白灰或玻璃表面噴水，達到遮陽降溫的效果。光周期遮光光周期遮光的目的是延長暗期，保證短日照作物對最低連續(xù)暗期的要求，這種方法多用于進行花期調控。延長暗期要保證光照強度低于臨界光周期強度（約22Lx以下），通常采用黑布或黑色薄膜在作物頂部和四周嚴密覆蓋，因而光周期遮光又叫完全遮光。在遮光期間，應加強通風，防止黑膜下面出現高溫高濕，危害植株。人工光源的選擇及室內光源布置早期的人工光選擇多是在生長室內組合使用大量的熒光燈與少量的白熾燈，有時則根據不同的研究用途分別選擇使用高壓水銀燈或氙氣燈。后來又采用鹵化金屬燈。而在植物工廠里多用高效率的高壓鈉燈，同時LED（發(fā)光二極管）和LD（激光燈）等新光源也在進一步研究與開發(fā)之中。人工光源的選擇依據人工光源的選擇取決于不同的使用目的，選擇時應遵循合理和經濟的原則。在選擇和設計光照系統(tǒng)時需要考慮許多要素，其中包括：作物對光的響應；其他環(huán)境因素的影響；作物對光照度、光照時間和光譜成分的要求；可產生最佳效果的光源；最均勻光照系統(tǒng)的設計；系統(tǒng)的投資及運行費用等。在設計人工光照時，應考慮光譜能量，盡量選擇發(fā)射光譜與需用光譜接近的產品，必要時再考慮應用多種光源組合；考慮光源強度時，既要使多組燈組合具有一定的調節(jié)余地，又要盡量不增加燈具設置和更新投資。另外，選擇人工光源時，還要考慮光源的熱負荷。一般情況下，人工光源采用紅外和遠紅外光的比例較大，因此相當多的能量以熱效應方式傳遞到溫室環(huán)境中，能耗很大，同時所產生的熱效應給控制過程造成許多不利影響。所以在選擇人工光源時，一定要充分考慮光源的發(fā)光效率。常用人工光源 白熾燈 從光譜來看，白熾燈的輻射能主要是紅外線，可見光所占比例很小。白熾燈發(fā)光效率很低（約1020lm/W），目前，常用的白熾燈為40100W，一般只作為輔助光源應用。 熒光燈 是一種低壓氣體放電燈，內壁涂有熒光粉。通過改變熒光粉的成分可獲得不同的可見光譜。熒光燈光譜性能好，發(fā)光性能較好（約65lm/W），使用壽命長，是現有電光源中最成功、使用最廣泛的一種。由于熒光燈提供線光源，一般可獲得更均勻的光照。主要缺點是單燈功率小，一般為3125W，多用于光周期補光。 金屬鹵化物燈 一種新型光源，具有發(fā)光效率高（約100lm/W）、光色好、壽命長和輸出功率大等特點，是目前高強度人工光照的主要光源。作物生產中常用的是400W 和1000W兩種規(guī)格。安裝燈具時應同時考慮設置反光罩，使光照更均勻，光照強度更大。 高壓鈉燈和低壓鈉燈 高壓鈉燈性能類似金屬鹵化物燈，壽命約24000h。廣泛用于蔬菜及花卉的光合補光。低壓鈉燈是一種很特殊的光源，只有589nm的發(fā)射波長，在電光源中的發(fā)光效率最高。由于產熱量小，低壓鈉燈與高壓鈉燈可以更加接近作物。GR EENHOU SE HOR TICULT URE 3 5 LED光源 LED的光譜域寬在20nm左右，波長正好與植物光合作用和形態(tài)建成的光譜范圍吻合。近年來，GaAIAs的紅色LED（660nm）的發(fā)光效率達到了22%以上，GaN的藍色LED（410nm和470nm）的發(fā)光效率也達到了8%以上, 把發(fā)藍色光的InGaN半導體和發(fā)黃綠光的YAG（Yttrium AluminumGarnet）合成一體化的白色LED的價格也在不斷降低。PPF 設置為150molm-2s-1，R/B 比為5、10、20的LED和金屬鹵化物燈的對照試驗相比，R/B比為10的LED光源的植物產量無論從干物重還是品質來講都比金屬鹵化物燈要好。LED的使用壽命一般在50000h以上，發(fā)光效率高，發(fā)熱少，實現了低熱負荷和生產空間小型化。同時，脈沖發(fā)光也有利于植物的光合作用。因此，以現在普遍推廣的高壓鈉燈18元人民幣/W的使用成本推算,即使是LED光源比高壓鈉燈貴上10倍也是有可能推廣應用的。由于藍色LED成本還比較高，LED光源的大規(guī)模推廣應用還需要一段時間。 LD光源 激光的發(fā)光效率較高，且激光設備的發(fā)光光譜與植物光合作用的葉綠素吸收光譜基本一致。單純從植物的光合作用來講，激光的單色性與直向性對植物生長不利，但激光光源具有體積小、重量輕、低電壓、脈沖發(fā)光、干涉性好、壽命長等優(yōu)點，再加上它功率高、發(fā)光效率好、可以用電流直接調節(jié)。功率為3mW 的AlGaAs 系LD（650nm）的價格逐漸降低，GaN的藍色LD（410nm和417nm）也可以在室溫下連續(xù)工作，只是藍色LD的功率和壽命還沒有達到植物生產要求的水平。最近，使用工作在860nm附近的AlGaAs的激光可發(fā)出430nm附近的藍色光，工作在9 0 0 n m 附近的AlGaAs 的激光可發(fā)出450nm 附近的藍色光。這些激光的發(fā)光效率均在60%左右，連續(xù)脈沖輸出可達到數十毫瓦。日本東海大學的高正基教授和大阪大學的中山正宣教授早在1994年就提倡使用激光作為植物工廠的照明光源。用波長為660nm的紅色LD加上5%的藍色LED的組合光源來生產生菜和水稻已經收到了很好的效果。LD在植物工廠的實用化不僅可以解決21世紀的糧食不足問題,而且連能源和資源不足的問題也會迎刃而解。需要注意的是，從使用成本的角度來看，LD光源面臨著與LED源的價格競爭。光源布置在設計一個有效的光照系統(tǒng)時有許多影響因素，燈的布置取決于作物、光照度、溫室高度、燈的大小等。離開燈一定距離的某點上的光照度與此距離的平方成反比，在設置燈的位置時，燈與作物之間的距離是影響種植區(qū)域輻照度和光分布的一項重要因素。溫室中反映光照均勻程度的參數為照度均勻率，即室內最小照度與最大照度之比。為保證作物生長均勻，照度均勻率推薦值應0.7。溫度環(huán)境及其控制技術溫度和植物生長的關系密切，溫度對作物的重要性在于必須在一定的溫度條件下，作物才能進行體內生理活動及其生化反應。植物工廠內外熱收支除人工光利用型植物工廠外，其他類型的植物工廠都是一個半封閉的熱力系統(tǒng)，它隨時受到室內外諸多擾量的影響。其中，室外擾量有：室外空氣溫度、濕度、太陽輻射強度、風速、風向等；室內擾量包括采暖系統(tǒng)、照明及其他設備的散熱，作物及栽培床的散熱、散濕等。在這些擾量作用下，室內的空氣始終保持著熱平衡。室內熱環(huán)境控制就是通過一定的工程措施，人為地調節(jié)室內與外界環(huán)境之間的熱量變化，使溫度維持在作物生長需要的水平。當室內空氣得熱量大于失熱量時，溫度升高；反之，溫度降低。夏季外界氣溫較高，為了防止室內溫度過高，應盡量減少室內得熱量，增加散熱量。陽、通風、蒸發(fā)降溫等都是降低室溫的常用方法。冬季室外氣溫較低，室內外溫差大，為了保持室溫，應盡量減少失熱量，增加得熱量。采取保溫節(jié)能措施，必要時啟用采暖設備是保證植物工廠冬季正常運轉的基本條件。植物工廠內的氣溫和栽培床基質（或營養(yǎng)液）的溫度對作物的光合作用、呼吸作用、光合產物的輸送、根系的生長以及水分和養(yǎng)分的吸收均有著顯著的影響。植物工廠內的溫度調節(jié)與控制溫度對作物的生長發(fā)育、產量、品質影響極大，溫度控制的目的是維持作物生長發(fā)育過程的動態(tài)適溫。溫度控制的主要內容和技術如下：加溫供暖系統(tǒng)一般由熱源、熱媒管道和散熱器等組成。熱源有石化燃料（煤、石油、天然氣）、電、余熱及地熱等。熱媒有熱水、熱風、蒸汽。采暖系統(tǒng)的選擇應綜合考慮種植空間的大小、結構、種植方式和生產的經濟效益等。 熱水供暖 植物工廠一般采用熱水供暖系統(tǒng)集中供暖。熱水供暖系統(tǒng)由熱水鍋爐、供熱管道和散熱器等組成。一般采用低溫熱水供暖（供、回水溫度分別為95和70）。由于熱水采暖系統(tǒng)的鍋爐與散熱器垂直高差較?。?m），因此，一般不采用重力循環(huán)的方式，而采用機械循環(huán)的方式，即在回水總管上安裝循環(huán)水泵。在系統(tǒng)管道和散熱器的連接上采用單管式或雙管式。根據室內濕度高的特點，多用熱浸鍍鋅圓翼型散熱器，散熱面積大，防腐性能好。散熱器一般布置在作物層附近或栽培床下。散熱器的規(guī)格和長度的確定要以滿足供暖設計熱負荷要求為原則，在室內均勻布置以期獲得一致的溫度分布。 地上部加熱 地上部加溫主要由熱源、空氣換熱器、風機及送風管道等組成。根據熱源的不同，可以分為燃煤式、燃油式、燃氣式和電熱式，常用的是燃煤和燃油式。 地下部加溫 地下部加熱是對營養(yǎng)液或基質進行加熱，目的是使作物根部保持正常生長溫度。主要方法有： 水培時對營養(yǎng)液加溫，即采用熱水加溫（管道的方式）； 基質栽培時采用熱水管道或電熱線加溫方式。通風換氣通風換氣不僅能排除室內多余的熱量降低室溫，而且還能排出多余水汽調節(jié)空氣濕度。溫室夏秋季通風主要是為了抑制高溫，而冬季換氣則是調節(jié)室內空氣濕度、補充CO2等。通風方式有自然通風和強制通風兩種。自然通風是利用室內外溫差造成熱壓或自然風力造成的風壓促使空氣流動；而強制通風則是依靠風機機械旋轉動力造成室內外空氣壓力差，實現室內外空氣間的流動。 自然通風 在太陽光利用型和太陽光人工光并用型植物工廠里，自然通風是常用的通風方式，它適用于高溫、高濕季節(jié)的全面通風，在其他情況下，有時也可采用這種方式。自然通風的必要條件是溫室設有換氣窗。從熱壓的角度看，進出氣窗的垂直高差越大，空氣重力壓差就越大，通風效果越好。因此，屋脊和側墻都設置通風口的溫室，其通風效率最為顯著。只設置側墻通風口或屋面通風口的溫室都難以獲得良好的通風。從風壓作用的角36 GRE ENHOUS E HOR TICULT URE度看，應充分考慮當地夏秋季的主導風向，將進氣窗設置在迎風面，而排氣窗設置在背風面或側面。有關通風口的大小，一般來說屋面通風口面積應達到溫室地面面積的15%20%，迎風向側墻通風口面積最小為一個屋面通風口的面積，大型連棟溫室迎風向側墻通風口面積應大于地面面積的3%。植物工廠開窗多采用齒輪齒條傳動系統(tǒng)。 強制通風 強制通風是依靠風機旋轉動力促使空氣流動而形成的通風換氣方式。與自然通風相比，它可以更有效地控制室內溫度、濕度及CO2濃度，是溫室環(huán)境控制的重要手段。人工光利用型植物工廠多采用這種方式，而太陽光利用型和太陽光人工光并用型植物工廠則是在必要時才采用。根據溫室內空氣壓力狀態(tài)的不同，強制通風的方式可以為負壓通風、正壓通風及等壓通風三種。負壓通風又稱排氣式通風。它是利用風機將溫室內的空氣強制性地排出室外，使室內空氣壓力小于室外空氣壓力，室外空氣能通過進氣口進入室內，形成室內外空氣的交換。負壓通風比較簡單，投資少，管理方便，是溫室強制通風中應用最廣泛的方式。它可與濕簾降溫、細霧降溫等配合使用，實現溫室盛夏季節(jié)的降溫。正壓通風又稱進氣式通風。它是利用鼓風機強制性地將室外空氣送入室內，使溫室內空氣壓力大于室外空氣壓力，室內空氣能通過排氣口流出室外，形成室內外空氣的變換。正壓通風結構復雜，管理費用高。但便于對進入室內的空氣進行加熱、冷卻等預處理。如溫室冬季采用的熱風爐管道加熱系統(tǒng)，小型溫室夏季采用的濕簾冷風機都是利用了這一原理。等壓通風又稱進排氣式通風。同時采用機械送風和排風，功能可靠，但投資及運行費用都很高，目前極少采用。自然通風與強制通風各有優(yōu)缺點。自然通風的最大優(yōu)點是造價及能耗低，也不存在溫室長度對通風的限制；缺點是對外界風速和風向的依賴性強，對室內氣溫的降低也有很大的局限。強制通風的優(yōu)點是可以根據氣候變化比較準確地調節(jié)溫室通風量，還可以結合噴霧、濕簾對溫室進行蒸發(fā)降溫；缺點是增加投資和運行費用。 循環(huán)通風 近年來，溫室環(huán)境的均勻性越來越受到重視。尤其在冬季，溫室通風換氣少，氣密性強，往往會導致溫室內溫度分布不均勻。采用循環(huán)通風，可以促使冷熱空氣混合，消除溫室內的冷、熱點，在作物附近產生氣流，降低葉面濕度，保持良好的葉面微環(huán)境。為使作物層獲得較為一致的環(huán)境，可以采用小的循環(huán)風機創(chuàng)造較緩和的水平氣流。總的風機容量為每分鐘排出約占溫室總容積25%的空氣。風機安裝高度不低于2.1m。溫室寬度每增加15m，要增加一排風機。室內循環(huán)通風還可以采用懸掛于溫室上部的開口塑料管，封閉一端，另一端與壓力型風機相連。風機運轉時將壓力高于室內空氣的氣體送入管道內，管內氣體以射流的形式進入溫室空氣中，在整個溫室內產生混合完全的紊動氣流，使得溫室內溫、濕度分布均勻。管道的高度不高于2.4m。這種空氣循環(huán)方式可以和溫室熱風爐采暖結合起來加溫效果更好。降溫隨著植物工廠的周年利用，夏季降溫是一個需要解決的問題。實現植物工廠內夏季降溫，技術要求較高。為了保證室內氣溫維持在作物生長發(fā)育的適溫范圍，需強制排除室內的熱量。 人工光利用型植物工廠的降溫控制 人工光利用型植物工廠屬于封閉式結構，屋頂和覆蓋材料的隔熱性能好，室外溫度對室內的影響不大。但是，在夏季高溫時，從栽培床、構造物等釋放出來的熱量和從室外傳導進來的熱量都能提高室內的溫度。因此，必須采取降溫措施以保持植物生長所需的溫度。降溫一般采用熱力泵冷凍機制冷系統(tǒng)。 太陽光利用型與太陽光人工光并用型植物工廠的降溫控制這兩種類型的植物工廠采用的覆蓋材料多是玻璃或PC板、氟素薄膜等，易受外界環(huán)境的影響。夏季高溫時，單純使用換氣窗、換氣風扇等措施降溫已難以奏效，必須采用其他措施。為了降低運行成本一般不使用熱力泵冷凍機，而是使用價廉的降溫措施，主要包括： 遮陽降溫。方法有外遮陽和