高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术及系统集成

经过多年探索和发展，我国封闭型植物工厂无论在材料、装置和技术都取得了快速进步，生产产量成数倍增长。随着植物工厂技术不断完善和提高，甚至有微型化、迷你型植物工厂已应用于人们生活的各种环境，植物工厂已无处不在。

1、封闭型植物工厂设施分类

1.1 闲置的厂房和地下室

当前，几乎每个地方都出现了闲置的房屋、厂房、停车场和地下室， 植物工厂是利用这些闲置资源并创造更高价值的最佳选择。把这些闲置地资源改造成封闭型植物工厂，进行高产量、高品质、高效益植物生产，既盘活了闲置资源又降低了成本，并且创造出很高的价值，可谓一举多得。

1.2 废旧的集装箱

我国每年都有大量集装箱淘汰弃用，把这些废旧的集装箱改造成人工光封闭型植物工厂，也是提高资源利用率的新举措。集装箱有各种不同规格，长度一般5～12 m，高和宽相差无几，一般都在2～3 m。利用废旧集装箱改建的人工光封闭型植物工厂，具有密封性好、安全度高、景观性、整体性、结构性好，温度便于控制、移动方便、使用期长、环境适应性强等特点。单箱可以成为独立的植物工厂，多个也可以组成大型植物工厂，多个叠加可以形成高楼式植物工厂。

1.3 泡沫板房

用泡沫夹心板为材料建设的人工光型植物工厂，具有材质轻、成本低、工期短、封闭性好等优点，还能做到大、小、高、低任意自如，便于内部设施的建设规划，广泛受到植物工厂建设者青睐。

1.4 充气膜

充气膜是一种在以高分子材料(高强度碳纤维和气凝胶制成的薄膜制品) 充入空气后而形成的全封闭性结构空间。在这样结构空间中建设的高层次立体植物栽培系统，就叫充气膜封闭型植物工厂。这种充气膜是膜轻型空间结构的重要分支，具有多种丰富多彩的造型，可建成占地面积20 hm2 以上、高度达40 m以上的巨型充气膜温室，具有优异的建筑特性、结构特性和适宜的经济性。充气膜结构是一个相对密闭的空间结构，有别于传统的空间结构，它通过风机向结构内部鼓风送气，使膜结构内外保持一定的压力差，以保证膜结构体系的刚度和维持所设计的形状。

充气膜具有丰富多彩的造型，充气屋是将充气膜设计成屋的形状。这种充气屋的材料是高强度碳纤维、气凝胶膜和空气，外面以太阳能为能源，内部是信息智能化和植物工厂系统设施，中间是空气。这样的充气屋封闭型植物工厂，具有成本低、密封性强、整体性好、使用方便等优点。

1.5 太空气密膜

多年来，前苏联在“礼炮”号和“和平”号空间站，多次进行了植物栽培和粮食作物生产长期实验，从培植小球藻等藻类实验到各种花卉、蔬菜和粮食作物，让这些植物在太空经历了从播种到收获的全过程，且已取得了突破性进展;在“和平”号空间站上已经培育了上百种植物，并成功地种植了小麦等粮食作物。

我国在全封闭的“天宫一号” 中实验种植植物也获得成功。我国科学家张懋取得了“太空魔方充气居住屋”发明专利，这个太空小屋墙面壳体由1层或多层类似于太空服材料的高强度气密膜组成;气密膜有不透明或透明两种，可以使多个小屋彼此被牢固地连接，并保持全封闭气密状态，其充满氮气，与金属性太空飞行器相比，具有重量轻、成本低、安全性高、抗温性好、抗压性强等特点，是未来开发利用太空资源、建设太空植物工厂、成为生命保障系统的重要器材和设施。

2、封闭型植物工厂栽培形式的选择

封闭型植物工厂可分为平面多层立体栽培、多面体立体栽培、垂挂式立体栽培、幕墙式立体栽培、圆柱形立体栽培等多种形式。

2.1 平面多层立体栽培

目前，国际上以色列、美国、日本等多个国家包括中国在内的绝大多数封闭型植物工厂普遍采用平面多层立体栽培。这种栽培形式在旧厂房、空置房、地下室等非农业用地场所植物工厂中得到了普遍使用。

在集装箱类封闭型植物工厂内，只能设计两排栽培架，由于受到高度和空间的制约，栽培形式只能是3～4 层，这是因为平面多层立体栽培形式只能采用营养液水培技术，每层都需有营养池、栽培板、LED 补光灯和蔬菜类植物以及栽培架所占的空间，一般每层都在65～70 cm，从而使得能够扩大的栽培面积空间有限，导致产量和效益只能在一定范围内提高。

在其他类封闭型植物工厂中，根据其设施的高度和空间，平面多层可以向空间延伸更多层，到目前为止，我国浙江大学封闭型植物工厂已达到10 层，世界上最大的2300 m2的LED 人工光日本植物工厂已提高到15 层，产量和效益得到更大提高。

2.2 多面体立体栽培

多面体立体栽培形式是我国自主创新的栽培形式，同样在空置房、厂房、地下室和集中箱等封闭型植物工厂里生产，与平面多层相比， 其效果具有明显优势。

以集装箱封闭型植物工厂为例，可以设置两组栽培床，每组栽培床的两面都可以栽培植物，两组栽培床共有4个植物栽培面，这种多面体立体栽培床形式可采用雾培技术代替营养液水培技术，每组栽培床只有1个营养池，LED灯可以配置在集装箱左右两壁和中间过道上，从而使光照、水、肥、空间利用率更高，由于实现了水、肥、气同补，使植物生长更快、成本更低、重量更轻，而产量提高了好多倍，如果在封闭型充气膜植物工厂中采用多面体栽培形式生产植物，立体空间更大，产量和效益将最大化。

2.3 幕墙式立体栽培

幕墙式立体栽培是利用在封闭型植物工厂的墙壁或人工设计建设的幕墙上栽培植物。以集装箱型植物工厂为例，在集装箱四周箱壁上设置栽培床，采用潮溪培技术在栽培床上栽培植物，栽培床下设营养池，集装箱内顶部安装LED 补光灯，相比于平面多层立体栽培，这种的光照利用更充分、布局更合理、操作更方便、栽培面更大、产量更高。如果在封闭型充气膜植物工厂中，设置更多、更高、更宽的植物幕墙栽培植物，产量、效益更高。

2.4 垂挂式立体栽培

把植物栽培床垂挂在封闭型植物工厂的顶部，然后在垂挂的栽培床上播种、灌溉、施肥、植保从事农耕，这既是一种农业生产，更是一种生存艺术。在任何封闭型植物工厂中，实现垂挂式立体栽培从事农业生产，不仅可扩大面积、提高产量、增加效益，而且还可降低成本、提高资源利用率，既生态环保，又便于可持续生产;不仅操作方便， 而且可增强生活体验。

2.5 圆柱形立体栽培

把植物定植在圆柱体表面，立体栽培面积更大，采用雾培技术，植物生长更快。不过在封闭型集装箱型植物工厂中，由于环境空间太小，不宜使用圆柱形立体栽培装置。但在其他类封闭型尤其是在充气膜和气密膜封闭型植物工厂中采用圆柱形立体栽培，其优越性将得到更加超长的发挥。

3、封闭型植物工厂栽培技术的选择与比较

3.1 栽培形式与栽培技术

封闭型植物工厂栽培技术可分为基质培、营养液水培、潮溪培和雾培多种，这些栽培技术可以单独使用，也可以并用，但必须以达到高产量、高品质为目的。栽培技术的选择是由栽培形式决定的，一般来讲， 一旦栽培形式确定之后，栽培技术也就确定了。先进的栽培形式和与之相匹配的栽培技术， 决定了封闭型植物工厂的产量、品质和特点。

3.2 主要栽培形式和栽培技术的比较

以40HQ型集装箱封闭型植物工厂为例，国内大多数植物工厂都采用日本平面多层立体栽培形式与之相配套的营养液水培技术。40HQ型集装箱长12 m、宽2.35 m、高2.39 m，空间面积为67.398 m2。

采用平面多层立体栽培的，中间过道两边栽培区可各设1 排长12 m 栽培架，架上可设3 层宽60 cm 的栽培床，这样整个40HQ 型集装箱空间实际可栽面积为43 m2，如果每平米可栽12 株菜，每批可栽518 株，全年10 批共可栽5 180 株。

采用多面体立体栽培的，中间过道两边栽培区可各建1 个栽培床，栽培床每面长12 m、宽2 m，每床单面可栽面积为24 m2，这样共可建4 个栽培面积，即实际栽培面积为96 m2，全年可栽蔬菜11 520 株。

这样，在同一个集装箱内栽培蔬菜，同一面积栽相同的数量，由于采用的两种栽培形式不同，相应地也会出现两种结果，相比平面多层立体栽培，多面体立体栽培的实际栽培面积和栽培数量均扩大了2.2倍。另外由于平面多层立体栽培形式采用营养液水培技术，而多面体立体栽培采用的是雾培技术，多面体立体栽培的优势还表现在以下几个方面：

(1)营养液水培技术对植物只能实现水、肥同补，雾培技术对植物真正实现了水、肥、气同补，从而使植物生长更快，这是任何一种栽培技术所不能比拟的;

(2)在水、肥资源利用率方面，雾培技术实现了循环利用，是营养液水培技术用水量的1/10，营养液水培技术中肥的利用率为60%～70%， 而雾培技术中肥的利用率达到95%以上，真正实现了零污染、零排放;

(3)营养液水培技术在高温季节里，一旦营养液温度达到35℃以上时，植物就会停止生长甚至萎蔫死亡，在低温季节里，一旦温度低于下限值0℃时，大部分植物都会停止生长甚至遭受冻害，而雾培技术在同样的条件下，采用温控措施的成本都要低很多。

立体栽培形式有很多，所采用的栽培技术也有多种选择。在实际生产实践中，要根据不同的植物品种选择不同的栽培形式和与之相适宜的栽培技术，综合考量产量、生态、成本、景观、品质、操作性等多种因素，科学选择，以求最佳。

富士电机(Fuji Electric)、Panasonic、富士通(Fujitsu)等电子厂纷纷将制造技术运用在植物工厂，大幅降低农业生产成本。运用节能技术也成了中小企业进军植物工厂的推动力，并计画推展至新兴国家，助其农业发展。

富士通偕同Aeon子公司Aeon Agri Create和日本国际合作机构(JICA)，自2016年1月起在越南推动实验农场，由富士通建构测量系统，设置数十个传感器，实时测量天气、土壤和成长状况。Aeon Agri Create从中分析数据，透过网络从日本远程指导越南农民。

越南虽有近一半国民进行农业生产，但农民贫困，收入更远低于最低薪资。该实验计画将与越南当地消费团体、女性联盟合作，调查农产品市场价格，建立资料库，让产地价格透明化，可望改变过去无计画的农业生产方式。农民可透过智能型手机App得知零售价格，进而有计画生产市面上高价农产品，提高收入。

另外，据日刊工业新闻报导，富士电机与清水建设共同出资建设「苫东农场」，位于北海道小牧市的工业区内，主要生产草莓。预计年产量提高至300公吨，相当于占北海道草莓栽培量2成。该植物工厂主要利用自然光，但采用富士电机的能源控制技术，达到降低成本的目的。

该工厂除了棚架设计成易采收的高度外，草莓植床架内埋入3条管路。其一作为温水循环，让草莓根部维持在最易生长的摄氏15~18度。高效率的局部加热系统直接供应热能，而暖气设备费用仅约一般温室的4分之1，能源消耗也降低3成。

另外两条管路分别供应养分及二氧化碳，并有测量日照量的功能，在草莓最快速生长的时段增加供给，提高运转效率。该农场有效运用控制技术，8个月便可收成，生产量可观。价格虽高于一般市价，但能以稳定价格全年供应，确保购买端不受价格波动影响。苫东农场预计3年便可达到盈余。

Panasonic则推出采用LED灯照射的全人造光植物工厂。蓝色与红色LED灯搭配制造现场使用的空调技术，比一般萤光灯管的人造光工厂省能源6成;空调技术可稳定室温，让蔬果生长状况平均，解决以往造成植物工厂赤字的主要原因。并运用自动化技术，自动播种或更换棚架，降低人事成本。

规模较大的制造业者转而布局植物工厂的行动看似新鲜，但真正积极投入的多是中小企业，以低生产成本促进蓬勃发展，间接带动地方发展，创造雇用机会。植物工厂不受天候等因素影响，可达到稳定供给，加上可在狭小土地进行耕种，同时达到土地活用的效益。

Dmytro Zhuikov和 Arina Agieieva是ZA建筑事务所的创始人，这个“智能砖”项目是他们俩的硕士论文项目。这个自主设计的作品采用的还是传统的砌筑技术，但它诠释了一种新的结构设计和施工的方法。

得益于数字优化，它能大幅减少材料重量和建筑负载，并且可以使用机器人来完成复杂机构的组装。

智能砖通过不同的排列组合可以形成一个完整的网状结构，或者是柱子、支撑梁等等。Dmytro Zhuikov和Arina Agieieva从自然系统中得到的这个灵感——几何结构都是尽可能的优化并尽可能小。他们制造的砖块就反应了这种理论，并且能够用相对简单的技术快速生产。

砖块都是由橡胶源性泡沫物质制成。先通过计算机里的模型控制4轴热切割丝，在很短时间内就可以按程序设定切割出不同形状的橡胶源性泡沫，然后将这些切好的材料放到波特兰水泥混合物中浸泡至硬化，不同空隙密度的泡沫经过处理后就变成了形态各异的砖块。砖块硬化完成后就可以拿来使用了。Dmytro Zhuikov和Arina Agieieva相信这种方法制造的智能砖可以大大加快施工进度，同时降低能源和材料的消耗。