船载式垂直植物工厂设计与应用.pdf

引用本文格式 李楠 苌进 宋作玮 等 船载式垂直植物工厂设计与应用 J 农业工程 2024 14 3 36 40 DOI 10 19998 ki 2095 1795 2024 03 007 LI Nan CHANG Jin SONG Zuowei et al Design and application of shipborne vertical plant factory J Agricultural Engineering 2024 14 3 36 40 船载式垂直植物工厂设计与应用 李 楠 苌 进 宋作玮 苏 红 翟 豪 余文元 中国航天汽车有限责任公司 北京 100041 摘 要 介绍了船载式植物工厂设计与应用 其完全使用人工光源封闭方式进行蔬菜栽培 使蔬菜生长不受外部自然条 件制约 实现蔬菜周年连续生产 该植物工厂是一种适合海环境条件的垂直种植系统 解决了水平层流种植方式的环境 适应性问题 使用紫外线 臭氧等方案对营养液进行综合处理 提高了营养液循环使用率 减少了淡水资源的消耗 降 低了设备在海环境条件下的保障需求 该植物工厂的应用解决了船在航行中新鲜蔬菜的补给问题 同时也起到了对海上 长期漂泊人员心理的一种疗愈功能 关键词 植物工厂 垂直种植 船载式 海环境 营养液循环系统 中图分类号 S316 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2024 03 0036 05 DOI 10 19998 ki 2095 1795 2024 03 007 Design and Application of Shipborne Vertical Plant Factory LI Nan CHANG Jin SONG Zuowei SU Hong ZHAI Hao YU Wenyuan China Aerospace Automotive Co Ltd Beijing 100041 China Abstract Design and application of a shipborne vertical plant factory was introduced It completely used artificial light source enclosed method for vegetable cultivation and planting ensuring that vegetable growth was not restricted by external natural conditions and achiev ing continuous annual vegetable production The plant factory was a vertical planting system suitable for sea environment conditions which solved problem of environmental adaptability of horizontal laminar flow planting Comprehensive treatment of nutrient solution through schemes such as ultraviolet and ozone has improved recycling rate of nutrient solution reduced consumption of freshwater resources and reduced guarantee demand of equipment under marine environmental conditions Application of plant factory could solve supply problem of fresh vegetables during voyage of the ship and at the same time it also could play a healing function for psychology of long term floating personnel at sea Keywords plant factory vertical planting shipborne marine environment nutrient circulation system 0 引言 植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作 物周年连续生产的高效农业系统 是利用计算机 电 子传感系统 农业设施对植物生长的温度 湿度 光 照 二氧化碳浓度及营养液等环境条件进行自动控制 使设施内植物培育不受或很少受自然条件制约的省力 型生产 1 2 国际上 荷兰和日本在全人工光型植物工 厂领域起步较早 20世纪50年代开始进行通过设施内 高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业 系统 3 目前 日本在种植设施 荷兰在种子研究 美国在智能化 以色列在自动化种植技术方面各有所 长 并取得了较大的发展 4 在国内 农业部于2003 年在中国农业大学启动了人工光型植物工厂研发项目 中国农业科学院在2009年建设了使用荧光灯的蔬菜工 厂实验室和使用LED灯具的种苗工厂实验室 2015年 开始 我国植物工厂已逐渐成规模化发展 并在光效 提升 能耗降低 环境控制 营养调控及智能化无人 化方面不断地研发和创新 正逐步成为全球规模最大 的装备生产制造国 但现有植物工厂模式不太适合远 洋使用 目前我国主流的植物工厂普遍采用开放式层流方 法 控制简洁 维护及管理成本低 其依托营养液自 重实现水平层流的方式进行营养液循环 但是在面临 收稿日期 2023 08 07 修回日期 2023 12 17 作者简介 李楠 硕士 主要从事设施农业研究 E mail 1066374951 第 14 卷 第 3 期农 业 工 程Vol 14 No 3 2024 年 3 月AGRICULTURAL ENGINEERING Mar 2024 海环境时易受舰艇倾斜 机动惯性导致营养液溢出 根系吸湿吸氧不足等影响舰艇安全 栽培设备工作和 植物生长 同时循环泵可能出现频繁吸空等问题 导 致系统可靠性 稳定性较低 本研究针对舰船上植物工厂的应用场景 定制化 地设计了适用于约48 m3空间的垂直种植方式的植物工 厂 主要由围护结构 种植模组 营养液循环系统 环控设备 二氧化碳供应装置和智能控制系统等部分 组成 船载式垂直植物工厂克服了当前通用的开放式 层流种植设备和种植方式的不足 满足海环境条件下 大倾角大摆幅的航行和机动运输的使用 进而为远洋 人员持续获得新鲜蔬菜 增强应急保障能力 舒缓远 洋焦虑提供有力支撑 1 总体设计方案 船载式垂直植物工厂是通过在船舱内搭建一个封 闭空间 配置蔬菜种植需要的种植模组及LED补光灯 环控设备 营养液循环系统 二氧化碳供应装置和智 能控制系统等 平面布局及整体效果如图1所示 组 成一个可以不受外界影响的蔬菜生长环境 以满足不 同植物类型和同一类植物的不同生长期对于环境因子 的需求 最大程度发挥植物生长的潜能 提高生长速 率 缩短种植周期 实现周年稳定生产和供应 本研 究主要满足舰船航行过程中蔬菜培育生产 如出现大 倾角大摆幅时 营养液供液系统及补光灯设备停止工 作 如明期出现内部温度超出预警值 补光灯设备停 止工作并发出报警 如分段回液槽水位超过阈值 营 养液供液泵停止工作并发出报警等 2 关键部分设计 2 1 种植系统 考虑舰船在海上航行存在大倾角大摆幅的运行情 况 拟采用全封闭方式进行 采用顶送底回方式 构 建竖直回流的植物栽培设备 整套栽培设备由主液箱 主供液泵 射流气液混合器 供液喷头 栽培吊架 回液槽 自吸泵 营养液监测模块 供液管路及附件 组成 如图2所示 主液箱为营养液配制和营养液监测的主要对象 根据植物种植进程调配相应的营养液 并根据实时监 测值 调整并补充营养液的原液成分 并按预设比例 与清水进行混合 供液泵主要为营养液循环提供动力 根据系统栽培模组数量调节供液流量和供液压力 射 流管是实现外部气体 O2 与液体混合的装置 用于 提高营养液中的溶解氧成分 喷头采用专用喷淋装置 确保在栽培模组内实现喷淋 对应的栽培模组为垂直 布置的专用模组 根据植物生长特点和海环境应用特 点设计 除保证密封性能外 还需为植物生产过程提 供水分 气体 营养液的驻留 确保其生长 回液槽 为营养液回流通道 同时确保在倾斜条件下 营养液 可靠回液至主液箱 自吸泵在回液槽内布置 将栽培 模组回流的营养液提升至主液箱 确保回液不在种植 舱内富集 从而造成溢出 营养液监测模块为营养液 1 催芽箱 2 营养液箱 3 育苗架 4 补光灯 5 种植模组 6 空调内 机 7 加湿器 8 芽苗菜种植模组 9 二氧化碳气瓶柜 10 工作台 11 门 12 控制柜 图1 船载式垂直植物工厂平面布局及整体效果 Fig 1 Plan layout and overall rendering of shipborne vertical plant factory 图2 种植模组原理示意 Fig 2 Schematic diagram of planting module principle 李楠 等 船载式垂直植物工厂设计与应用 37 监测 对营养液的氧化还原电位 EC值 pH值和温 度等进行监测 2 2 人工光系统 光是植物生长发育的重要能量源和信息源 不同 光受体吸收不同波长的光 不同波长的光对植物生长 的作用也不相同 光质配比作为光环境中的关键影响 因子能通过光受体传导途径调节植物的整个生命周期 影响植物各生长时期的发育状况 5 船载式垂直植物 工厂选择全光谱LED补光灯 增加对植物光合作用起 决定作用的630 nm红光 660 nm超红光及730 nm远 红光 其中730 nm远红光为不可见光 显示的亮度很 小 全光谱LED补光灯色温在3 700 K左右 不会影 响人眼的舒适度 LED补光灯安装在两排垂直种植模组之间的灯架 上 灯架与种植模组之间的距离可以调节 一方面可 以根据蔬菜种类 蔬菜大小 环境温度等调节补光灯 与蔬菜之间的距离 满足蔬菜当前对光照的需求 另 一方面在蔬菜移栽 采收 管理等过程中 调节灯架 与模组之间的空间 方便管理操作人员工作 充分利 用船体有限空间 提供更多优质的蔬菜补给 2 3 空调设备 空调系统能为植物生长提供相对可控制甚至最适 宜的温度环境 使其在一定程度上摆脱对自然环境的 依赖 6 7 空调系统使用在具有盐雾 霉菌等恶劣的海 环境条件下 并且会随船左摇右摆 上下晃动 故选 用满足GJB 4000 2000 舰船通用规范 和 船用条 件 有关要求的空调设备 8 9 通过最大热流量计算 包含围护结构的热流量 通风换气热流量 设备运 行热流量 LED补光灯热流量 QL约为7 kW 考虑到 实际冷负荷为空调设备装机容量的60 70 时 其 制冷性能系数最大 故空调机组制冷量设定12 kW 根据植物工厂的使用场景 其最大空调热负荷出 现在夜晚 并且种植环境处于暗期 根据围护结构热 流量计算公式 计算可得 最大热负荷QR约为2 kW 为提高制热性能系数 空调最大制热量应 4 kW 空调系统采用舰船风冷分体式空调机 一拖二结 构 其中的一台外机包含两套独立的压缩机系统 互 相之间互不影响 降低空调系统运行故障风险 室内 机采用柜机形式 每台室内机制冷量6 kW 总制冷量 12 kW 每台室内机制热量3 kW 总制热量6 kW 2 4 营养液循环处理装置 考虑到海岛环境 舰船海上航行环境 淡水资源 宝贵 应充分利用其营养液中的淡水资源 因此 营 养液循环处理装置摒弃了传统的开放式系统 而是采 用了封闭式的营养液循环系统 封闭式营养液栽培系 统是指通过相关的工程技术手段将灌溉排出的渗出液 进行收集 再通过过滤 消毒 检测和调配后反复利 用的营养液栽培方式 通过营养液的循环利用 避免 了因废弃营养液排放对环境造成污染 具备环境友好 水分与营养利用率高等优点 封闭式营养液循环系统 主要由栽培装置 营养液回收与消毒系统 营养液成 分检测与调配系统等部分构成 2 5 自动控制系统 系统采用西门子6ES72141 BG400XB0作为核心控 制器 并辅以通信模块6ES7241 1CH32 0XB0对舱内 封闭结构温湿度和营养液特征参数采集 系统配置有 10英寸人机交互触摸屏作为上位机 完成参数设定和 系统运行情况监视 10 其中 控制器和上位机通过标 准的Modbus协议和RS485接口方式通信 控制系统的 控制方式有手动控制和自动控制两种 手动状态下可 以输入控制参数阈值 设定明期暗期环境参数 营养 液泵送速率及配比等 自动状态下完全解放了人的劳 动量 根据设定的逻辑判断自动调节环控设备的关联 性 达到适应蔬菜生长的最佳条件 3 系统主要环境因素测定 由于船载式垂直植物工厂是在7月某港口完成相 关安装调试工作 试验测试时外部环境平均气温在 30 C以上 围护结构封闭空间的内部温度相对比较高 空调设备主要用于内部环境全天降温 为蔬菜种植提 供合适的生长环境 3 1 光环境测定 LED补光灯阵列是垂直均匀排布在固定灯架上 此次光环境测试是对B区从上到下设置5个测试点 距离LED补光灯具的表面30 cm处分别进行测试 具 体测试数据如表1所示 光照是蔬菜生长发育的关键影响因素 它可以帮 助蔬菜长茎生叶 促进茎段生根 叶绿素形成和碳水 化合物积累等 同时对蔬菜的营养物质代谢 理化性 质等具有调控作用 因此选择适宜的光照是影响蔬菜 表 1 光环境测试采集结果 Tab 1 Collection results of light environment testing 指标 距LED灯具表面30 cm处测试点1 2 3 4 5 光合有效辐射 mol m 2 s 1 228 05 230 87 255 02 240 26 231 48 光照强度 Lux 18 351 36 19 036 47 17 902 98 16 949 17 18 982 61 38 农业工程设施农业工程 品质和产量的关键因素 通过对补光灯光照环境的测 试 光合有效辐射 PPFD 达到220 mol m2 s 1 以上 光照强度达到16 000 Lux以上 综合采集数据 分析 距LED灯具表面30 cm处的光照强度和光合有 效辐射达到了蔬菜生长需求 3 2 封闭结构温湿度测定 叶菜类蔬菜耐低温 生长适宜温度18 22 C 生 长期内温度主要控制在20 C左右 多数蔬菜的生长适 宜相对湿度60 90 在多数情况下 相对湿度 75 85 时净光合速率达到最大 11 在种植区域水平方向上分成A B C 3个区域 见图1a 每个区域在垂直方向上设定上 中 下 3个测试点 共9个温湿度定点采集点 植物工厂为迎 合船上人员的活动时间 起到一定的活动疗愈功能 设定蔬菜补光时间8 00 20 00 定为明期 20 00 次日8 00 定为暗期 由图3可知 在明期阶段 水平方向A B C 3 个区域在人工光开启后1 h温度达到最大值 最大温 差5 5 C 与设定值20 C对比 在2 h恢复至设定 值左右 中午前后温度有一个小的波动 基本趋于平 稳 垂直方向同样是在人工光开启后升温 底层温度 最高超过26 C 在环流风机的作用下 空气流动加速 温度逐渐趋于稳定值 在暗期阶段 由于没有大功率 发热设备 室内温度基本稳定在设定值范围内 综合 数据分析 明期平均温度约21 5 C 暗期平均温度约 20 C 符合蔬菜生长温度 由图4可知 在明期阶段 空气相对湿度会在室 内温度上升时开始降低 当达到湿度下限值75 RH 图3 温度变化曲线 Fig 3 Temperature variation curve 图4 湿度变化曲线 Fig 4 Humidity change curve 李楠 等 船载式垂直植物工厂设计与应用 39 时 加湿器开始工作增加空气湿度 在湿度下降到 65 RH时开始上升 加湿器会持续增加空气湿度达到 85 RH以后停止工作 在暗期阶段 由于室内温度比 较稳定 空气中的相对湿度保持在85 左右 综合数 据分析 明期平均湿度约75 2 RH 暗期平均湿度约 84 8 RH 符合蔬菜生长的相对湿度要求 4 结束语 船载式垂直植物工厂通过建立封闭空间 利用计 算机自动控制系统实现内部温度 湿度和光照等参数 的控制 达到蔬菜生长所需的最佳环境 充分利用有 效种植空间达到蔬菜周年培育高效高产 船载式垂直 植物工厂的应用 解决了舰船在航行中新鲜蔬菜的补 给问题 提高自供给保障能力 对于长期在海岛驻守 远洋航行等人员 在缓解心情 改善营养元素缺乏等 方面有较大的益处 参考文献 刘宏新 张明俊 权龙哲 等 基于植物工厂技术的水稻育秧技 术 J 农机化研究 2018 40 1 257 263 LIU Hongxin ZHANG Mingjun QUAN Longzhe et al Rice seed ling based on plant factory technology J Journal of Agricultural Mechanization Research 2018 40 1 257 263 1 阴囯富 朱创录 植物工厂生产方式下智慧农业监控平台的研究 与设计 J 江苏农业科学 2018 46 21 232 237 2 刘文科 植物工厂的定义与分类方法辨析 J 照明工程学报 2016 27 5 83 86 LIU Wenke Definition and classification method discrimination of plant factory J China Illuminating Engineering Journal 2016 27 5 3 83 86 李清明 仝宇欣 杨晓 等 国内外植物工厂研究进展与发展趋 势 J 农业工程技术 2022 42 10 49 53 4 江虹 李志元 秦勇 等 全人工光型集装箱植物工厂新疆雪菊 栽培技术 J 农业工程 2019 9 10 66 68 JIANG Hong LI Zhiyuan QIN Yong et al Cultivation techniques of coreopsis tinctoria nutt in all artificial light container plant factory J Agricultural Engineering 2019 9 10 66 68 5 周增产 赵静 胡福生 等 草莓集装箱植物工厂设计与应用 J 农业工程 2020 10 9 52 57 ZHOU Zengchan ZHAO Jing HU Fusheng et al Design and application of strawberry container plant factory J 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