船載式垂直植物工廠設計與應用.pdf

引用本文格式 李楠 萇進 宋作瑋 等 船載式垂直植物工廠設計與應用 J 農業(yè)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 船載式垂直植物工廠設計與應用 李 楠 萇 進 宋作瑋 蘇 紅 翟 豪 余文元 中國航天汽車有限責任公司 北京 100041 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(xiàn)蔬菜周年連續(xù)生產(chǎn) 該植物工廠是一種適合海環(huán)境條件的垂直種植系統(tǒng) 解決了水平層流種植方式的環(huán)境 適應性問題 使用紫外線 臭氧等方案對營養(yǎng)液進行綜合處理 提高了營養(yǎng)液循環(huán)使用率 減少了淡水資源的消耗 降 低了設備在海環(huán)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(huán)境 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 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 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 植物工廠是通過設施內高精度環(huán)境控制實現(xiàn)農作 物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農業(yè)系統(tǒng) 是利用計算機 電 子傳感系統(tǒng) 農業(yè)設施對植物生長的溫度 濕度 光 照 二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等環(huán)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(chǎn) 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(huán)境控制實現(xiàn)農作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農業(yè) 系統(tǒng) 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(fā)展 4 在國內 農業(yè)部于2003 年在中國農業(yè)大學啟動了人工光型植物工廠研發(fā)項目 中國農業(yè)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(guī)模化發(fā)展 并在光效 提升 能耗降低 環(huán)境控制 營養(yǎng)調控及智能化無人 化方面不斷地研發(fā)和創(chuàng)新 正逐步成為全球規(guī)模最大 的裝備生產(chǎn)制造國 但現(xiàn)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(yǎng)液自 重實現(xiàn)水平層流的方式進行營養(yǎng)液循環(huán) 但是在面臨 收稿日期 2023 08 07 修回日期 2023 12 17 作者簡介 李楠 碩士 主要從事設施農業(yè)研究 E mail 1066374951 第 14 卷 第 3 期農 業(yè) 工 程Vol 14 No 3 2024 年 3 月AGRICULTURAL ENGINEERING Mar 2024 海環(huán)境時易受艦艇傾斜 機動慣性導致營養(yǎng)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(huán)泵可能出現(xiàn)頻繁吸空等問題 導 致系統(tǒng)可靠性 穩(wěn)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(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 環(huán)控設備 二氧化碳供應裝置和智能控制系統(tǒng)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(huán)境條件下 大傾角大擺幅的航行和機動運輸?shù)氖褂?進而為遠洋 人員持續(xù)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(huán)控設備 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 二氧化碳供應裝置和智 能控制系統(tǒng)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(huán)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(huán)境因子 的需求 最大程度發(fā)揮植物生長的潛能 提高生長速 率 縮短種植周期 實現(xiàn)周年穩(wěn)定生產(chǎn)和供應 本研 究主要滿足艦船航行過程中蔬菜培育生產(chǎn) 如出現(xiàn)大 傾角大擺幅時 營養(yǎng)液供液系統(tǒng)及補光燈設備停止工 作 如明期出現(xiàn)內部溫度超出預警值 補光燈設備停 止工作并發(fā)出報警 如分段回液槽水位超過閾值 營 養(yǎng)液供液泵停止工作并發(fā)出報警等 2 關鍵部分設計 2 1 種植系統(tǒng) 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(yǎng)液監(jiān)測模塊 供液管路及附件 組成 如圖2所示 主液箱為營養(yǎng)液配制和營養(yǎng)液監(jiān)測的主要對象 根據(jù)植物種植進程調配相應的營養(yǎng)液 并根據(jù)實時監(jiān) 測值 調整并補充營養(yǎng)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(yǎng)液循環(huán)提供動力 根據(jù)系統(tǒng)栽培模組數(shù)量調節(jié)供液流量和供液壓力 射 流管是實現(xiàn)外部氣體 O2 與液體混合的裝置 用于 提高營養(yǎng)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(xiàn)噴淋 對應的栽培模組為垂直 布置的專用模組 根據(jù)植物生長特點和海環(huán)境應用特 點設計 除保證密封性能外 還需為植物生產(chǎn)過程提 供水分 氣體 營養(yǎng)液的駐留 確保其生長 回液槽 為營養(yǎng)液回流通道 同時確保在傾斜條件下 營養(yǎng)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(yǎng)液提升至主液箱 確?；匾翰辉诜N植 艙內富集 從而造成溢出 營養(yǎng)液監(jiān)測模塊為營養(yǎng)液 1 催芽箱 2 營養(yǎng)液箱 3 育苗架 4 補光燈 5 種植模組 6 空調內 機 7 加濕器 8 芽苗菜種植模組 9 二氧化碳氣瓶柜 10 工作臺 11 門 12 控制柜 圖1 船載式垂直植物工廠平面布局及整體效果 Fig 1 Plan layout and overall rendering of shipborne vertical plant factory 圖2 種植模組原理示意 Fig 2 Schematic diagram of planting module principle 李楠 等 船載式垂直植物工廠設計與應用 37 監(jiān)測 對營養(yǎng)液的氧化還原電位 EC值 pH值和溫 度等進行監(jiān)測 2 2 人工光系統(tǒng) 光是植物生長發(fā)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(huán)境中的關鍵影響 因子能通過光受體傳導途徑調節(jié)植物的整個生命周期 影響植物各生長時期的發(fā)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(jié) 一方面可 以根據(jù)蔬菜種類 蔬菜大小 環(huán)境溫度等調節(jié)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(jié)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(yōu)質的蔬菜補給 2 3 空調設備 空調系統(tǒng)能為植物生長提供相對可控制甚至最適 宜的溫度環(huán)境 使其在一定程度上擺脫對自然環(huán)境的 依賴 6 7 空調系統(tǒng)使用在具有鹽霧 霉菌等惡劣的海 環(huán)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(guī)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(shù)最大 故空調機組制冷量設定12 kW 根據(jù)植物工廠的使用場景 其最大空調熱負荷出 現(xiàn)在夜晚 并且種植環(huán)境處于暗期 根據(jù)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(shù) 空調最大制熱量應 4 kW 空調系統(tǒng)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(tǒng) 互 相之間互不影響 降低空調系統(tǒng)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(yǎng)液循環(huán)處理裝置 考慮到海島環(huán)境 艦船海上航行環(huán)境 淡水資源 寶貴 應充分利用其營養(yǎng)液中的淡水資源 因此 營 養(yǎng)液循環(huán)處理裝置摒棄了傳統(tǒng)的開放式系統(tǒng) 而是采 用了封閉式的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 封閉式營養(yǎng)液栽培系 統(tǒng)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(yǎng)液栽培方式 通過營養(yǎng)液的循環(huán)利用 避免 了因廢棄營養(yǎng)液排放對環(huán)境造成污染 具備環(huán)境友好 水分與營養(yǎng)利用率高等優(yōu)點 封閉式營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 主要由栽培裝置 營養(yǎng)液回收與消毒系統(tǒng) 營養(yǎng)液成 分檢測與調配系統(tǒng)等部分構成 2 5 自動控制系統(tǒng) 系統(tǒng)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(yǎng)液特征參數(shù)采集 系統(tǒng)配置有 10英寸人機交互觸摸屏作為上位機 完成參數(shù)設定和 系統(tǒng)運行情況監(jiān)視 10 其中 控制器和上位機通過標 準的Modbus協(xié)議和RS485接口方式通信 控制系統(tǒng)的 控制方式有手動控制和自動控制兩種 手動狀態(tài)下可 以輸入控制參數(shù)閾值 設定明期暗期環(huán)境參數(shù) 營養(yǎng) 液泵送速率及配比等 自動狀態(tài)下完全解放了人的勞 動量 根據(jù)設定的邏輯判斷自動調節(jié)環(huán)控設備的關聯(lián) 性 達到適應蔬菜生長的最佳條件 3 系統(tǒng)主要環(huán)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(huán)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(huán)境全天降溫 為蔬菜種植提 供合適的生長環(huán)境 3 1 光環(huán)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(huán)境測試是對B區(qū)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(shù)據(jù)如表1所示 光照是蔬菜生長發(fā)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(yǎng)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 表 1 光環(huán)境測試采集結果 Tab 1 Collection results of light environment testing 指標 距LED燈具表面30 cm處測試點1 2 3 4 5 光合有效輻射 mol m 2 s 1 228 05 230 87 255 02 240 26 231 48 光照強度 Lux 18 351 36 19 036 47 17 902 98 16 949 17 18 982 61 38 農業(yè)工程設施農業(yè)工程 品質和產(chǎn)量的關鍵因素 通過對補光燈光照環(huán)境的測 試 光合有效輻射 PPFD 達到220 mol m2 s 1 以上 光照強度達到16 000 Lux以上 綜合采集數(shù)據(jù) 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(shù)蔬菜的生長適 宜相對濕度60 90 在多數(shù)情況下 相對濕度 75 85 時凈光合速率達到最大 11 在種植區(qū)域水平方向上分成A B C 3個區(qū)域 見圖1a 每個區(qū)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(qū)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(wěn) 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(huán)流風機的作用下 空氣流動加速 溫度逐漸趨于穩(wěn)定值 在暗期階段 由于沒有大功率 發(fā)熱設備 室內溫度基本穩(wěn)定在設定值范圍內 綜合 數(shù)據(jù)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 圖3 溫度變化曲線 Fig 3 Temperature variation curve 圖4 濕度變化曲線 Fig 4 Humidity change curve 李楠 等 船載式垂直植物工廠設計與應用 39 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(xù)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(wěn)定 空氣中的相對濕度保持在85 左右 綜合數(shù) 據(jù)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(tǒng)實現(xiàn)內部溫度 濕度和光照等參數(shù) 的控制 達到蔬菜生長所需的最佳環(huán)境 充分利用有 效種植空間達到蔬菜周年培育高效高產(chǎn) 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(yǎng)元素缺乏等 方面有較大的益處 參考文獻 劉宏新 張明俊 權龍哲 等 基于植物工廠技術的水稻育秧技 術 J 農機化研究 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 陰囯富 朱創(chuàng)錄 植物工廠生產(chǎn)方式下智慧農業(yè)監(jiān)控平臺的研究 與設計 J 江蘇農業(yè)科學 2018 46 21 232 237 2 劉文科 植物工廠的定義與分類方法辨析 J 照明工程學報 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 楊曉 等 國內外植物工廠研究進展與發(fā)展趨 勢 J 農業(yè)工程技術 2022 42 10 49 53 4 江虹 李志元 秦勇 等 全人工光型集裝箱植物工廠新疆雪菊 栽培技術 J 農業(yè)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 周增產(chǎn) 趙靜 胡福生 等 草莓集裝箱植物工廠設計與應用 J 農業(yè)工程 2020 10 9 52 57 ZHOU Zengchan ZHAO Jing HU Fusheng et al Design and application of strawberry container plant factory J Agricultural Engin eering 2020 10 9 52 57 6 周增產(chǎn) 董微 張曉文 等 集裝箱植物工廠新風空調一體化系 統(tǒng)設計與應用 J 農業(yè)工程 2021 11 4 59 62 ZHOU Zengchan DONG Wei ZHANG Xiaowen et al Design and application of fresh air conditioning integrated system in container plant factory J Agricultural Engineering 2021 11 4 59 62 7 余林剛 豐利軍 加強艦船輔助機電設備標準化工作的研究 J 船舶標準化工程師 2013 46 5 18 21 YU Lingang FENG Lijun Research on reinforcing assistant machine and electrical devices standardization of warship J Ship Standardiza tion Engineer 2013 46 5 18 21 8 孫玉妹 某艦船發(fā)射裝置加強結構的有限元分析及優(yōu)化設計 D 南京 南京理工大學 2016 9 趙倩 王琨琦 聶銘君 等 集裝箱植物工廠自動控制系統(tǒng) 建立 J 農機化研究 2016 38 10 217 222 ZHAO Qian WANG Kunqi NIE Mingjun et al The establish of automatic control system of the container type plant factory J Journal of Agricultural Mechanization Research 2016 38 10 217 222 10 李建松 溫室空氣濕度環(huán)境調節(jié)控制 J 黑龍江科技信息 2015 6 23 11 40 農業(yè)工程設施農業(yè)工程