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植物工廠建設的系統組成與相關設備設施

植物工廠的建造是個系統而龐大的工程，它所涉及的技術之廣與所用的材料之多是常規傳統農業所不能比的。其中就環境控制就需要涉及到十三大系統，風能光能發電系統、環境閉鎖密封系統、人工補光系統、微噴加濕系統、空氣迴圈流通系統、二氧化碳補充系統、營養液自動調控系統、物理殺菌系統、溫度控制系統、立體式栽培系統、視頻監控圖像傳送系統、電腦遠端控制系統、廢物的再迴圈利用系統等；組成這些系統所涉及的學科包括生物技術、電腦環境控制技術、物理材料技術、能源綜合利用技術、規劃設計技術、農產品加工貯藏技術等；這麼龐大的技術體系與構建工程必須對它進行科學設計，合理規劃與嚴格實施才能得以完成，只有在科技人員、工程人員充分配合下才能建成，所以說它的建造是項龐大複雜的工程，它的建造具有農業航模一樣的意義與偉大，是一般單位難以獨立完成的，它必須利用各個學科各個部門的相互合作相互配合的前提下才能實施建造，所以在建造之前要讓工程施工者對各個系統有個充分的認識，對各種設備與材料有個全面的瞭解，是十分必要的。以下就植物工廠建設所需的相關設施設備及材料採購有作些說明，這樣才能在建造時能得心應手地實施，按計劃如期完工。現就植物工廠所涉的各種技術與設備作些簡單的介紹。

1、風能太陽能發電裝置：植物工廠屬於電動力農業範疇，它所涉及的每一塊運行系統都離不開電能，如環境模擬、工廠操作、人員管理等都需要用電，而電資源在當前這個時代又是耗能最大最匱乏的資源，如何實現電資源利用的節能化是建造植物工廠需要考慮的核心問題，所以在儘量挖掘可利用資源上進行研究與開發是極為重要的，再加上有些植物工廠是建在無電力供應的地方，更需把電擺到最首要的位置來進行科學設計，當前電資源以水資源的利用最為廣泛，還有煤發電、核發電、沼氣發電等發電模式，而這些發電都有它的局限性，只有太陽光發電與風力發電才具有它運用的普遍性，而且在實踐上往往又是把兩者結合起來設計，達到能源供應的互補，如沒有光照時可利用風能發電，這些發電技術與裝置投入成本又不大，而且安裝簡單易實施，例如在地球的南北極建造植物工廠或在月球上建造植物工廠首選的發電系統就是風太陽能發電系統，在有工業電供應區也可利用這兩種發電技術進行補充供電，特別是用於通風與補光上最為經濟實用。太陽能發電原理與技術就是利用半導體材料在光照作用下發生電子躍遷位移而形成電流的原理而設計的，現在常用的半導體發電板有晶體電板與非晶體電板，這些電板在太陽照射下能產生電流，再利用貯電電瓶與逆變裝置進行電的貯藏與轉換，這樣就構成了一個完整的太陽能發電系統；而風力發電是利用風力對風扇的帶動而實現能量轉換的發電方式，原理與操作都較為簡單而容易掌握，在植物工廠配置太陽能或風能發電系統時，可先對補光所需的功率進行計算，再確定太陽能電板的受光發電面積，從而使所發的電能供給人工補光或其他用電器件的供電需要。可以形成風力發電機組或太陽能電板群，實現用之不竭的植物工廠供電系統。下圖就是太陽能及風能發電裝置在植物工廠上的運用。

2、環境閉鎖密封系統：植物工廠是在全封閉的環境下構建的植物種植系統，它要求栽培環境不受任何外界氣候因數的影響，基於此就要利用隔熱避光與防風的材料進行廠房的建設，以最佳的隔熱性能來實現能量損耗的最少化與節能化，根據冷庫建設的隔熱原理，先擇15CM厚的泡沫絕熱板作為建設材料，這種材料具有良好的隔熱性與避光性，能使工廠內外的能量交換最小化，內外影響最小化，當然對於發達的國家可以選擇一些更高檔的隔熱避光材料進行建設，如日本大多用工業上的隔熱塑膠板材為建造材料，這樣成本極高，對於我們國家還是難以接受。建設時要求接縫處粘接密封良好，以免透風而影響植物工廠內的人工生態環境，在建造隔熱密封系統時，還要加入承載力與牢固度較好的鋼材或木材作骨架，另外，在隔熱板的內外兩面最好還要噴塗上反光層，以實現內環境補光的充分利用，和外環境日照影響的最小化，一般我國當前的植物工廠大多內套於溫室大棚內，這樣有更好的抗風性與避風防雨作用，如果是在一般的廠房或室內進行植物工廠之改造，最好也能在內牆壁上套建泡沫房，達到環境因數影響的最小化，讓植物工廠內的環境實現真正的人工類比不受外界影響之環境。在建造時，要求重視與注意的是，通風窗或進氣口與泡沫板的交接處的密封性一定要好，否則漏風造成環境不穩外，還會參雜大量的細菌進入植物工廠，而造成細菌真菌的滋生繁衍，影響植物之生長與無菌環境的創造。

3、人工補光系統的建設：植物工廠內補光系統是最為重要的系統，它是構成植物生物量的一種主要能源，沒有光照，植物光合作用就不能正常進行，一切代謝與活動所需的能量就不能供給，植物的正常生長就不能進行，根據科學家對光照的多年研究表明，植物的光合作用單元葉綠素對於特定波段的光源有嗜好性，如紅光、藍光、遠紅光，除了這些光外，其他光質的光照利用率轉換率並不高，為了使植物工廠內的植物有更高的光合作用效率，一般選擇紅藍光為主的人工補光系統，通常不同光質的科學搭配比例為R/B為10-5/1，這樣的光對於植物的栽培是最合適的，而且在光週期上通常採用二十四小時全光照補光與400US的脈衝補光相結合，實現光照光合時間的最大化，而對於光週期敏感的開花結果植物，一般還是要求光期暗期分明的補光方式，這與常規自然條件下栽培有點相似。隨著二極體技術及雷射技術的發展，目前新建造的植物工廠大多採用LED（二極體）作為補光光源，它具有安裝方便，光合效率高，省電節能的優點，據生產測定，在相同強度的光照強度下，二極體的耗電量只是常規補光燈的1/10用電量，另外，更重要的是二極體是冷光源，在栽培時可貼近植物葉片表面進行補光，效率更高，不發熱與不改變環境與燒傷葉片。現在用於植物工廠內的二極體補光燈有燈罩式與有平板反光式，也有燈串式各種方式，具體可按栽培生產的實際需要而定，在安裝時可平面也可垂面安裝，以達到光照均勻，反光漫射利用最大化為原則即可，對於層次較多的立體栽培架可以在架間設計反光裝置，可大大提高光源的利用率。採用二極體補光，安裝佈線也極為方便與快捷，而且也有防水防濕的作用，在高濕環境下也不會影響使用壽命，是當前植物工廠內補光系統的最佳選擇，目前在日本叫做LED植物工廠。除了二極體補光處，還有採用鐳射光源進行補光，也具有很高的補光效率，但投資成本相對較高，運用上還未得到普及，但未來的發展方向可能還是具有很大潛力的。二極體補光結合利用太陽能風能發電供電系統就可形成植物工廠的人工光獨立補充系統，是當前植物工廠內運用較多的補光方法。

4、微噴加濕系統的建設：植物工廠內環境濕度的控制與管理就是利用微噴加濕系統來完成的，目前，植物工廠內用於加濕的方法有彌霧微噴法與超聲波霧化加濕法兩種，微噴加濕系統對於植物工廠內小環境氣候的創造起到極為重要的作用，對於需水量大的植物一般選用微噴法，如芽苗菜的植物工廠，就是在栽培床上方安裝噴頭以實現環境濕度的控制管理，而對於栽培一些需水較少的植物如蔬菜及瓜果的栽培，只需保持一定的空氣濕度即可的，就可採用超聲波霧化加濕機，不管哪種方法，都是為了達到植物生長最適的濕度環境。除了創造適合的濕度環境外，還可對於環境溫度產生影響，如微噴或加濕可除低濕度與除去空氣中的懸浮的微小塵粒，還可結合根外追肥或殺菌技術進行空間殺菌與葉面補肥。微噴加濕系統的建設較為簡單，一般由供水管道與微噴頭組成，而超聲波霧化器就更簡單，只需把產生的霧化經風扇通入工廠栽培空間即可。在選擇噴頭時一般選霧化程度較好的彌霧專用園藝噴頭，一般用於溫室內微噴降溫用的進口噴頭較佳。而水管一般選擇符飲用水標準的專用供水管，不能選擇有任何殘留的塑膠廢棄物再利用加工的水管，這種管不能選作植物工廠供水管。而超聲波加濕機的選擇植物工廠的不同面積來選購所需配置的功率與霧化頭的數量。不同的數量的霧化頭能產生不同的水汽量，按照栽培植物對濕度的需要進行不同的配置是較為科學的，如蘿蔔苗菜的超聲波工廠，就是要先按空間的大小及栽培的蘿蔔苗數量與每天產出量進行科學計算而獲知應選擇的功率與霧化頭數量。

5、空氣迴圈流通系統：植物的生長環境以有微風吹撫葉片表面為最好，這樣植物的氣孔吸收二氧化碳的數量會明顯的提高，一般以每分鐘3-4米的微風為最佳，可以在植物工廠的空間內均勻安裝小風扇，可以在走道上方，也可以在層架之間，也可以在隔板內外，這些通風裝置可以使植物工廠內的氣體分佈與環境溫濕度更加均勻與一致，特別是二氧化碳具有下沉性，通過對流通風能實現栽培植物葉片表面的均勻供氣，另外，有了通風系統對於育苗工廠來說可以大大提高育苗的密度，以提高空間的利用率，還可以經過通風系統結合物理殺菌，實現栽培空間空氣的無菌化，通風用的小風扇可選擇交流與直流兩種，在濕度較大的環境下以選擇直流小風扇為好，或者在用電量不大時可以與太陽能發電系統聯接。在栽培系統中一般只在空間上方安裝風扇，而對於立體育苗架或層次較密的情況下，甚至每個層架上都得安裝小風扇，這可因具體的生產需要來進行設計與安裝。在閉鎖型的苗木生產工廠內，空氣迴圈流通系統結合二氧化碳的強制供應成為該技術中最為重要的核心，它對於提高植物快繁微材料光合效率，促進離體材料發育生根的作用極為重要，現在日本已設計出一套非常科學的通風供氣系統，可以作為建造的重要借鑒。

6、二氧化碳補充系統：二氧化碳是植物的糧食，是光合作用最重要的原料與參予者，植物工廠之所以有這樣大的生產潛能，與植物工廠內的二氧化碳強制供給是分不開的，它的設計與建造也是植物工廠中的重要工程。首先，二氧化碳在有限的栽培空間內消耗與遞減是非常快的，如果沒有外源的氣體供給，植物工廠內生長的植物將會缺二氧化碳而形成生長不良的弱苗，而二氧化碳氣的供給除了有足夠的供氣源外，還要設計輸送系統就是通氣管道，利用二氧化碳的沉降性，一般在設計時都是從植物工廠的頂端輸入為好，借氣的沉降與工廠內的通風系統來實現二氧化碳氣在工廠內的均勻分佈。另外也可用鼓風機強制吹送，但最好設計多入送風口，使其達到勻衡之效果。在植物工廠內一般植物對二氧化碳最佳濃度的需求保持在1000-1500PPM為最好，而對於育苗還可以適當地提高，這些濃度的精確控制主要是依賴於二氧化碳濃度感測器的即時線上檢測與控制來實現的。二氧化碳氣源的選擇，在植物工廠內為了便於控制與穩定供給一般採用二氧化碳鋼瓶進行供氣，它是乾冰經解壓後實現的，目前，這種供給法成本也不高，使用也方便，為大多數植物工廠所選用。

7、營養液自動控制與供給系統：該系統是為植物的生長提供適合配方與濃度的養分輸送系統，只有它才能讓植物所需的水與肥得到及時的供給，這系統的建造也分為輸送部分與調控部份，輸送部份由管道聯接而成，調控部份由營養液池，母液貯藏罐，及各種養分檢測探頭與自動控制組成，它是營養液調控的中心，通過調控中心的科學調控，能為植物生長供應溫度適合，各種營養元素齊全、溶氧充足、PH值適宜的營養液，只有這樣才能讓栽培的植物快速生長，這部分的建設可參照水培系統，植物長的好與不好在環境氣候因數確定情況下，主要就是由營養液的配方所決定，所以調控中心要完成EC值、PH值、溶氧、液溫的調節與控制，這種控制目前一般都是通過電腦控制系統來完成，也叫做養液調控中心。其中營養液池中還必須設計營養液的殺菌消毒系統，利用它把回流已污染的養液進行淨化，以實現迴圈利用，一般會滋生的生物有細菌、真菌、病毒、及藻類，會導致污染的有機物有根系分泌物，菌類排出物，藻類代謝物，這些菌與有機物都會污染營養液，可以在營養液池中安裝紫外線電場複合殺菌器或者納米材料製作的殺菌裝置，這樣才能讓植物工廠內的栽培環境實現空間與養液的無菌化。該系統的安裝與使用相對較為複雜些，但目前國內外，都已有成套的養液調控設奮與技術方案，也是較易掌握與運用的。

8、物理殺菌系統：雖然植物工廠是在相對封閉的環境下進行生產與操作，但難免一些生產過程或植物生長過程會導致菌類的滋生與蔓延，使生產過程難以實現正真的免農藥栽培，針對這些問題，必須利用物理殺菌的技術作為主要的解決方案，以實現無公害綠色農產品的生產。分析容易攜帶與進入植物工廠的細菌有以下一些主要環節，如操作人員攜帶與內外環境通風對流以及生產工具等，針對這些可能引起細菌滋生的因素，制定了以下的一些殺菌與防菌措施作為系統建造的依據，在進入植物工廠所有人員必須先進行換鞋更衣與殺菌消毒，這個殺菌室一般設於入口處的緩衝間；為防止內外對流時空氣帶菌，一般可以通過在每個入氣口加上一個空氣殺菌裝置，或空氣過濾裝置，通常以兩種方式結合較好。除了這些防止外源進入的一些措施外，還需對植物工廠內的環境進行定期的全面殺菌消毒，包括走道、器具、場所等，這些消毒目前最好的方法就是利用電功能水，這種電功能水具有很強大的殺菌能力，可以在1-10分鐘內把細菌、真菌及病毒殺死，而且利用電功能水的強氧化性與強還原性，殺菌後不對環境造成一點殘留，這種方法已在日本的植物工廠內得到普及與運用，而我國才剛剛開始。另外，還有電場臭氧紫外線超聲波等殺菌方法，總之不管採用哪一種，一定要以物理手段與方法不會對環境及農產品造成任何污染與殘留為原則，以下就是電功能水的發生裝置，生產安裝與運用都極為簡單，是當前解決農藥危害的最有效的一種途徑。

9、溫度控制系統：一切植物的生長發育都必須在一定的溫度條件下才能進行正常的生理活動與代謝；是植物生長的最基本因素，過高及過低的溫度對植物生長都是不利的，而在植物工廠內為了產生更好的栽培效果，對於環境溫度的要求還要更於嚴格，溫度的控制在植物工廠內是通過溫度感測器及自動控制來實現的，而加溫或致冷的執行部份主要由空調機、加熱用的熱風爐、暖氣片、加熱管道、地下熱、致冷器等來完成加熱或降溫所需的能量，目前在植物工廠內，運用較多而較先進的就是利用半導體加溫致冷，它具有運行成本低，安裝使用方便的優點，也可因地制宜，特別是加溫部份、在能源較為豐富的煤礦區或地下熱資源豐富的地方可採用熱風爐進行冬季加溫或地下熱的管道加溫與鍋爐加溫，可靈活應用。而加溫部件選定安裝好後，就是必須佈局好輸熱排氣管道，一般都是從植物工廠的房頂進行均勻布管與開口，這樣可以使空間均勻受熱與降溫，而致冷的排風口需均勻在佈局於植物工廠的頂面與側面，這樣更有利於散熱降溫。目前，加溫或致冷是植物工廠中運行成本較高的一部份，在自然風能與太陽能豐富的地方可以利用它們進行節能化的加溫與致冷，如太陽能空調，太陽能加溫與發電，風能發電等，

10、立體式栽培系統：栽培系統是由栽培床或槽及立體式的栽培架所組成，它是植物生長與固定場所，也是營養液供應及植物生長的場所，它的設計目前有平面式的栽培床，還有立體式的栽培架，甚至一些工廠為了充分利用空間採用或移動式的栽培床，不管哪種栽培系統都是為了合理與充分地利用栽培空間，提高植物工廠利用率及生產效率而設定的。栽培床可以是用專門用於園藝栽培的泡沫床也可以是用裝修板材製成的木制床或槽，但如果是木制材料製作，必須對木材表面進行防水防腐處理，這些材料具有輕型易裝的特點，所以在植物工廠內的運用還是較為普遍。而栽培架的製作大多採用防銹防水防腐處理過的鋼架進行組裝或焊接而成，它的規格與大小因栽培目標植物大小及可利用空間的大小而靈活確定，對於喜陽的瓜果類層次可大些提高通風透光率，而對於葉菜或芽菜類層次可設密一些以提高空間利用率，這些方面可因生產而定。

11、電腦自動控制及遠端控制系統：這個系統是植物工廠的大腦核心，前面介紹的各個系統其實都是為了配合與服務於這個系統而設定的。該系統是植物工廠的指揮官與大腦，一切環境因數的創造及栽培因數的監測與控制都得通過該系統進行自動控制。比如當溫度感測器檢測到溫度過高超過限定值時，電腦就會發出致冷降溫指令而開啟致冷系統進行環境降溫，當溫度下降低於限定值時，電腦又會發出加溫指令而開啟加溫設備進行環境加溫，另外光照的控制及濕度的控制還有諸如營養液濃度及溶氧的控制都是一樣，都是通過系統的閉環回饋控制來實現環境各種因數的相對穩定性，沒有這系統，植物工廠就根本無法運行，也就無法實現人工環境的最佳類比，它的構建安裝就是要完成與各個執行部件的電信號聯接與各種感測器在空間內的佈局，其他的控制主機部門現在都有相對成熟與成型的設備與技術，只需進行安裝就可使用。安裝與聯接好電腦控制系統後，還可以把它與電腦聯接實現軟體的遠端控制，利用電腦網路或者手機通訊實現跨空間遠距離控制，方法有兩種：一種是通過互聯網實現遠端控制，一種是通過無線模組實現無線通訊控制，只要手機有信號的地區都可對基地進行操作與控制，利用上述兩種方法可以實現全球性的控制。目前運用最多最實用的還是直接把辦公室的微機與植物工廠的電腦控制主機進行網路線聯接實現近距離的控制，這種也是較為實用與方便的，你也可以在辦公室內處理植物工廠內的一切運行資料設定，專家模式切換與圖像處理，操作指令的確定，有了遠端控制系統與軟體，才真正實現在辦公室內就可種田的理想，這也是植物工廠區別於常規農業的一個主要特點。

12、視頻監控與圖像傳送系統：為了使管理者以實現遠端管理與遠端診斷，在植物工廠內一般都在不同的角度安裝攝像頭，這些攝像頭具有360度的旋轉可調性與焦距可變性，能從不同的角度觀察植物的生長狀況，並且能夠進行24小時的即時線上監控錄影與傳送。安裝該系統可以輕鬆實現在家就可種田的夢想，就可實現專家診斷遠端化，不需進入植物工廠內就可進行植物生長的診斷，利用可調焦鏡頭可以很清晰地觀察到植物葉片表面的氣孔與是否缺素的症狀，能為科研者或生產者提供大量的植物生長資料，為生產決策作參考。該統主要數攝像頭、數位化硬碟、軟體、及電腦組成，還可結合電腦控制軟體，實現圖像與參數的即時線上監控與記錄，通過生長狀況與環境參數曲線的記錄可以進行植物最佳生長模式的分析，為制定新品種的專家系統提供大量參數與依據。

13、廢物廢液的迴圈再利用系統：在植物工廠的栽培與收穫過程中，一些營養廢液的排放，及植物的殘渣等下腳料都可以作為生物菌發酵的原料進行堆肥處理，把堆肥發酵後的無菌無臭殘渣作為營養土配製的原料進行無土栽培，而由其浸出液制取的液肥又可作為追肥或者水培的營養液進行二次迴圈利用，採用這種方法可以實現植物工廠的零排除，正真做到植物微生物環境間和諧共處的生態環境，讓植物工廠自身就能完成整個生態圈內的能量迴圈，也不會因為排出的廢液下腳料而影響到工廠外環境造成污染與影響生態。完成這個環節所起到作用最大的技術就是生物菌的發酵處理技術，在該系統完裝時，只需按生物菌發酵的流程與工藝購置成套的設備與相關檢測儀器即可，操作使用都較為簡單，可以為各種類型的植物工廠所採用。

總之，植物工廠是一個複雜的多學科交錯的龐大系統，它的完成其實不僅僅是上述所提及的十三大系統，在具體的建造中還有涉及更多的子系統與子工程，比如殺菌系統的組成它就由多種殺菌方式與技術複合組成，為了促進工廠內植物的光合作用，還可在植物工廠頂上方佈施電場網，以提高光合效率進行光合作用速率的調控；在二氧化碳補充系統中，許多植物工廠內又結合了碳酸水補氣法，這樣就又需配製一個碳酸水發生裝置的子系統，在深液流的水培中除了在營養液調控中心進行養液調控外，還需在栽培容器或床內佈設曝氣增氧系統，在植物工廠內還要建設用於蔬菜采後預貯與包裝系統，有些還需配建冷藏庫，其他的諸如播種機、插苗機、嫁接機、操作升降臺、走動式的補光加濕機、超聲波蔬菜清洗機、蔬菜加工包裝流水線等，還有許多子系統與設備是要按生產需要而進行靈活配置的。其實植物工廠就是把各種最先進的生產工具與生產技術進行了綜合的集成，在這裏可以充分體現植物生產過程的全方位工廠化自動化精准化與智慧化，是各學科各技術的高度集約化的生產模式。隨著植物工廠建造技術的不斷發展與完善，相信不久的將來就會形成我國特色的植物工廠建造標準與模式，大大推進與加快我國植物工廠技術的發展速度，為我國農業生產力水準的提高到極為重要的推動作用。