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罗马尼亚LED植物工厂设计与应用
来源:京鹏科技 | 作者:kingpeng | 发布时间: 2020-04-30 | 220 次浏览 | 分享到:
人工光植物工厂具有环境可控、高密度种植以及周年生产等优点。简要叙述了科技部对发展中国家科技援助项目的实施情况,设计开发了一种地下室人工光植物工厂,并在罗马尼亚布加勒斯进行了运营生产。结果表明,该工厂设计方案合理,为罗马尼亚当地种植拓宽了思路,是中国设施农业高技术水平在“一带一路”国家实施的典范,为中罗合作提供机遇,对加强许多国家和地区的联系有重要意义。

周增产1,2,3,赵静1,2,3,姚涛1,2,3,胡福生1,2,3,李秀刚1,3,兰立波1,3

1.北京京鹏环球科技股份有限公司,北京100094;2.北京市农业机械研究所有限公司,北京100096;3.北京市植物工厂工程技术研究中心,北京100094)

摘要:人工光植物工厂具有环境可控、高密度种植以及周年生产等优点。简要叙述了科技部对发展中国家科技援助项目的实施情况,设计开发了一种地下室人工光植物工厂,并在罗马尼亚布加勒斯进行了运营生产。结果表明,该工厂设计方案合理,为罗马尼亚当地种植拓宽了思路,是中国设施农业高技术水平在“一带一路”国家实施的典范,为中罗合作提供机遇,对加强许多国家和地区的联系有重要意义。

关键词:罗马尼亚;LED植物工厂;系统设计;一带一路

中图分类号:文献标识码:A文章编号:2095-1795(2020)03-0000-07

引言

由科技部支持的首个中国-罗马尼亚农业科技园在罗马尼亚首都布加勒斯特落成。该农业科技园LED植物工厂占地50㎡,利用LED节能光源、浅液流营养液立体栽培等技术,栽培面积可达15㎡,年产叶菜4000kg。该植物工厂整体设计形式呈现模块化,重点围绕栽培系统、补光系统、环境调控系统、营养液循环系统及控制系统进行创新设计,并对栽培环境进行模拟测试,在罗马尼亚布加勒斯进行运营生产。项目的落成推动了中国成熟农业技术在中东欧国家的转移转化,提升了中东欧国家在设施农业等方面的创新能力与产业化水平,实现了双方合作共赢。


项目背景

2019年5月16日,首个中-罗农业科技园在罗马尼亚首都布加勒斯特落成,该科技园是中国科技部援助项目(中-罗农业科技示范园构建及合作研究示范),项目以推动一带一路沿线国家设施农业发展为目标,以建设“中-罗农业科技园”为平台,研发并展示具有中国特色的高效节能设施园艺技术装备,促进我国设施园艺技术装备“走出去”[1]。项目牵头单位是中国农科院,有4项研究任务,京鹏科技公司承担其中一项重要研究任务,即中-罗农业科技园的构建示范,重点是智能LED植物工厂的设计建造和轻简高效日光温室的设计建造。项目实施过程中,京鹏科技公司将已经获得国家科技进步奖的“LED智能植物工厂关键技术及系统集成”创新成果进行转化,在布加勒斯特农业大学教学楼地下室,设计建造智能LED植物工厂,将光配方技术、水肥一体化技术、营养液循环利用技术、环境自动化调控技术、视频监控技术和专家作物诊断技术等多项技术进行融合创新,实现植物工厂的智慧化管控。在高效节能日光温室的设计建造过程中,把新型保温被节能技术、水肥一体化技术以及主动蓄放热技术等高度集成创新,实现作物的高效低碳安全生产。


总体方案设计

智能LED植物工厂利用罗马尼亚布加勒斯特农业与兽药大学的一座实验室地下室改造而成。该地下室室内净尺寸为11710mm(南北长)×5140mm(东西宽),原有下沉式地台及固定设备用的一些混凝土条形基础台,地面至顶部混凝土梁下沿高度2280mm,地台深度约530mm,最大净高为2810mm,如图1所示。


1:实验室内外景以及地下室内部情形

内部四壁增设50厚岩棉净化板(屋顶也需增设50厚岩棉屋面板),并增设岩棉净化板隔断层,形成参观走廊(缓冲区)及栽培区两大功能区。在走廊北端还设置了1130mm×1000mm微型电梯井一间,电梯间地面与栽培区地面等高,开门方向在栽培区内,以便于小型资材的运输。

该植物工厂总建筑面积约68㎡,其中种植区建筑面积约51,走廊建筑面积约15,微型电梯井建筑面积约2。智能LED植物工厂内设置栽培系统、营养液循环系统、补光系统、空调系统、加湿系统、CO2补气系统、给排水系统、环境自动控制系统以及视频监控系统等。智能LED植物工厂平面设计如图2所示。

2:智能LED植物工厂平面设计




人工光系统

人工补光的效果除取决于光照强度外,还取决于补光光源的生理辐射特性[2]。在光源的可见光光谱(380~760nm)中,植物吸收的光能约占生理辐射光能的60%~65%,如图3a所示。其中,主要是波长为610~720nm的红、橙光辐射,植物吸收的光能约占生理辐射光能的55%左右[2]。红、橙光具有最大的光谱活性,用富含红、橙光的光源进行人工补光,在适宜的光照时数下,会使植物的发育显著加速,引起植物较早开花、结实,促使植物体内干物质的积累,促使鳞茎、块根、叶球以及其他植物器官的形成[3]。其次是波长为400~510nm的蓝、紫光辐射,植物吸收的光能约占生理辐射光能的8%左右。蓝、紫光具有特殊的生理作用,对于植物的化学成分有较强的影响,用富含蓝、紫光的光源进行人工补光,可延迟植物开花,使以获取营养器官为目的的植物充分生长[4]。而植物对波长为510~610nm的黄、绿光辐射,吸收的光能很少[5]。

3:智能植物工厂LED光源选择


植物工厂内采用的补光系统为LED光源,配置30W的LED灯管(图3b),长度1230mm,单层配置4×6=24支,一组栽培模块4层共配96支。整个植物工厂3组栽培模块共配置288支,LED灯的总功率约8.64kW。其具体参数如表1所示。

1:LED灯参数



栽培系统

整个智能LED植物工厂配3组栽培模块(图4和图5)。每组栽培模块外形规格为7870mm×720mm×2340mm,4层式结构,在东西方向排布3列,骨架采用C型冷轧钢及矩管组装结构,每组骨架由4组龙门式立框,18组纵梁和若干横梁组成,骨架立柱底端装有带制动器的8组脚轮。人工光栽培模块为4层结构,自带营养液循环系统。3组栽培模块,共配置2个相互连通的营养液循环水箱,营养液箱规格为1300mm×600mm×450mm,有效容积约0.3m³。栽培模块的栽培槽采用专用扣盖式PVC栽培槽,以便换茬种植时清理栽培槽中的残根与杂物。端头伸入160×107方型PVC管道统一回水。每层4排,栽培槽水平中心距离160mm,配置定植杯。

4:智能植物工厂栽培架三维图

5:智能植物工厂栽培架实景


水肥一体化系统

营养液循环系统主要是由栽培管、栽培箱(育苗架用)、母液罐、工作液箱、水泵、供液管道系统、回流管道系统以及紫外消毒器组成。

植物工厂配一套配肥系统(图6和图7),包括共3个母液罐,分为A、B、C3个小罐,每个母液罐直径为400mm,体积为50L立体摆放,在电子水表和电磁阀门的控制下流入营养液工作箱,营养液工作箱是贮存和供应栽培箱营养液的容器。

6:智能植物工厂控制系统(配肥+供液界面)


7:智能植物工厂营养液箱实景

栽培管、栽培箱用于盛放营养液,给作物提供营养和水分。供液管道系统将营养液工作箱中的营养液供给到栽培箱中供作物需求,而回流管道系统是将栽培箱内的营养液回流至营养液箱中。紫外线消毒器是利用波长为225~275nm的紫外线对微生物的强烈杀灭作用,对原水中的微生物进行杀灭。紫外线灯选用国家卫生部门、防疫部门鉴定的专业新产品,功率30W,主线谱253.7nm,此波长的紫外线杀菌率最高,可达98%以上,耗能低,连续使用寿命可达3000h以上,并配有可靠的镇流装备;模块化电控装置,功能齐全,定时标准,与水处理筒体采用一体化设计,具有安装方便、操作简单、安全可靠以及便于维护的特点。

 

环境调控系统

植物工厂内的环境调控是保证植物生长最为关键的环节,它直接关系到植物生长的品质与产量[6-7]。因此,环境控制系统的设计主要从温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等方面考虑。

考虑到节能运行的要求,本植物工厂设置有两套降温系统。一套是压缩机空调降温系统,一套是强制通风降温系统。压缩机空调降温系统方面,根据植物工厂室内冷负荷,采用3P柜式空调2台,加湿器1台和环流风扇2台,可促进植物工厂内空气的流通和温度湿度的均匀性。强制通风降温系统方面,在植物工厂北端接近地下室换气窗位置设置有2台顶部通风专用的电动排气扇,作用是强制换新风以及栽培区内空气湿度偏高时的辅助除湿。设置有1组进气装置,该进气装置由带有电动推杆开闭的外窗和2块具有快换结构的平板式初效空气过滤滤芯组成。空气和栽培器具消毒方面,拟在植物工厂的栽培区设置紫外消毒灯2盏,在生产间歇无人时开启,实现对植物工厂栽培器具及空气的消毒。二氧化碳补气系统采用气瓶型,可产生纯净的高浓度气体肥料,可明显提高作物光合作用,使植株生长加快,根系发达,枝繁叶茂,增产增收。自动控制系统主要包括控制器、传感器(包括温湿度、液位)和触摸屏(图8)。自动控制系统主要用于植物工厂内环境的调控,包括温度、湿度、二氧化碳浓度与光照时间,自动配肥和营养液循环灌溉控制。



8:智能植物工厂控制系统(风机空调界面)



试验测试

温度和植物生长的关系密切,其对植物的重要性在于必须在一定的温度条件下,作物才能进行体内生理活动及其生化反应[8-9]。湿度的大小不仅影响设施内作物蒸腾与地面蒸发量,而且直接影响植物光合强度与病害的发生[10]。为确定智能LED植物工厂的栽培环境稳定性,对建设后的植物工厂进行光环境的试验测试。

7.1光环境测试

选取一半栽培架光源进行测试,共4组灯具,12支灯。在智能LED植物工厂内的LED灯具的表面20cm处分别测试20个点(图9)。

9:智能植物工厂光量子通量密度测试点

使用远方光电PLA-30用于测试植物光谱的分析(图10和图11),结果表明:测试点中PPFD平均值160mol/㎡/s,最高可达220mol/m2/s,最低124mol/㎡/s,数据低点位于灯具的连接处。

 

7.2温、湿度测试

将智能LED植物工厂内一个栽培架分为3个区域,分别设为A、B、C区,每个区域从高到底设置测试点,悬挂温湿度RC-4HC记录仪共12个(图12),记录植物工厂内环境的温湿度变化。

12:智能植物工厂温湿度测试点

其中高度方向测试为3个区间内相同高度测点平均值,即A1、B1和C1的平均值,水平方向测试为3个区域内所有高度平均值,即A区1-4、B区1-4和C区1-4的平均值,测试结果如图13~16所示。

智能LED植物工厂内补光时间为8:00一20:00,此为明期,非补光时间为暗期。由图可知温度随高度变化不断增加。明期内高度方向最大温差3.7℃,最小温差1.5℃,平均温差2.5℃,平均温度25.6℃;暗期内高度方向最大温差2.4℃,最小温差1.5℃,平均温差2.1℃,平均温度20.1℃。明期内水平方向最大温差2.2℃,最小温差1.0℃,平均温差1.5℃,平均温度24.9℃;暗期内水平方向平均最大温差1.2℃,最小温差0.5℃,平均温差1.0℃,平均温度20.0℃。综合数据分析,明期平均温度25±1℃,暗期平均温度20±1℃,符合温度20~25℃设定值。

明期内高度方向最大湿度79.4%,最小湿度70.9%,平均湿度75.2%,平均湿度差2.3%;暗期内高度方向最大湿度87.6%,最小湿度75.7%,平均湿度83.6%,平均湿度差0.8%;高度方向总平均湿度79.1%。明期内水平方向最大湿度77.9%,最小湿度69.1%,平均湿度72.2%;平均湿度差0.9%,暗期内水平方向最大湿度85.1%,最小湿度74.2%,平均湿度81.3%,平均湿度差0.8%;水平方向总平均湿度76.4%。综合数据分析,明期平均湿度75%±5%,暗期平均湿度80%±5%,符合湿度70%~85%设定值。


13:智能植物工厂高度方向温度变化



14:智能植物工厂水平方向温度变化



15:智能植物工厂高度方向湿度变化



16:智能植物工厂水平方向湿度变化

结论

智能LED植物工厂已经运营数月,与罗马尼亚校方一直保持密切联系,综合试验结果证明如下观点。

1)地下室植物工厂可以用于蔬菜种植。

2)地下室LED植物工厂的设计方案合理,系统配置科学,光能利用率高,种植系统安装便捷,充分利用已有废旧地下设施,提高资源利用效率,内环境均匀。

3)中-罗农业科技园是落实“一带一路”科技创新行动计划,是中国-中东欧国家科技创新伙伴计划的重要举措。科技园有望通过技术合作与技术示范,推动中国成熟农业技术在中东欧国家的转移转化,提升中东欧国家在设施农业等方面的创新能力与产业化水平,实现双方合作共赢。

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