鄭文香
(福建省中科生物股份有限公司 福建廈門 361000)
隨著近幾年植物工廠的快速發展,其配套的室內環境要求越來越高。無論是室內裝飾、暖通空調還是工藝給排水,均與常規生產廠房有所差異。由于國內暫時沒有較實用的權威標準,設計時難以把握尺度。為此,本文整理了國內外一些植物工廠在環境設計、施工方面存在的常見問題,提出了相關改進建議,供大家參考。
植物工廠內部裝飾材料的選型,除了符合防火、防霉、防潮、少產塵等要求外,還應避免以下錯誤做法,如表1所示。
表1 室內裝飾常見問題
通風空調是影響室內環境質量的主要方面,其中最難把握的是高密度栽培架氣流組織的設計。氣流組織設計如不合理,則會導致栽培架的不同點位溫度偏差較高,設計時,應避免氣流順著過道流動,并盡量使氣流穿過栽培架各層,以便使栽培架內種植燈的熱量散出,降低栽培架內外的溫差。有些項目,在各層栽培間內增加微型風扇,也獲得不錯的效果。對于一些高大且密集的栽培架,建議應用計算流體動力學(CFD)數值模擬方法預測,優化氣流組織。
圖1 左視溫度場(左為無風扇,右為有風扇)
圖2 俯視溫度場(左為無風扇,右為有風扇)
圖3 正視溫度場(無風扇) 圖4 正視溫度場(有風扇)
圖1~圖4是一個高大密集的栽培架,總高度近10 m,共有17層,每層均裝有密集的種植燈,散熱量大且聚集難以散去,溫度均勻性極差。經多次CFD模擬預測,在適當的位置加上微型小風扇后,熱量被送至栽培架外,使栽培架內部各層之間得到較好的溫度均勻性。
除氣流組織設計外,還有以下六點影響因數,在通風空調的設計、施工過程中務必注意,如表2所示。
表2 通風空調常見問題
當采用室外新風消除室內余熱(主要為種植燈的散熱)時,引入的新風量可按下式[3]估算:
式中L——通風換氣量(m3/h);
Q——室內顯熱發熱量(W);
tp——室內排風設計溫度(℃);
ts——送風溫度(℃)。
二氧化碳管路設計時,應避免以下錯誤做法,如表3所示。
表3 二氧化碳常見問題
大多數設計人員,往往僅考慮采用高中效過濾器來減少細菌,卻忽略了3個影響細菌數量的重要因數,如表4所示。
表4 細菌控制常見問題
高能耗一直是限制植物工廠發展的主要瓶頸,所以在設計時,應對建筑的總能耗進行估算。如無已投產的類似項目可以參考時,則建議用專業的能耗模擬分析軟件進行估算,再根據實際使用情況進行修正。以下數據是某一有潔凈要求的植物工廠(以生產葉菜植物為主)能耗模擬分析的結果,如表5所示,供大家參考:
表5 建筑分項能耗數據 kWh/m2
從上述各月能耗數據表1和圖5可以看出,種植燈、營養液系統的能耗較為穩定,而空調能耗變化幅度也比傳統辦公室、家居項目低。全年能耗中,種植燈占65%,空調占25%,營養液系統占10%。當然,該數據不是絕對的,因為不同的植物應采用不同電功率的種植燈,即使是相同的植物,在不同成長階段,其燈光照射的時間長短也不同,導致種植燈及空調的能耗發生變化。有些植物不是采用營養液(水培)系統,而采用基質栽培(如金線蓮),就沒有相關的營養液系統耗電。
圖5 建筑逐月各項能耗圖
考慮到植物工廠的特點是種植燈發熱量大,冬季也要制熱,所以在項目上,采用熱回收型的空調設備,會提高其節能效果。如上萬平方的項目,可考慮采用熱回收型水冷螺桿機;一千平方以下的項目采用三管制熱回收型變頻多聯式空調機組。
隨著室內種植技術的發展,小型植物工廠在低至-40℃的極寒高原地區,高至50℃的炎熱沙漠地帶,偏僻的海上孤島,種植實驗室等項目中,有著不可替代的作用。雖然其能耗較高,但在綜合利用太陽能、天然冷源、自動輪流開燈等技術后,其能耗已大大降低。且優質的室內種植環境培養出了藥用價值、營養、口感、成長速度均優于傳統室外環境下生長的蔬菜、瓜果、草藥。
未來,植物工廠將會在現場農業發展中無處不在,既可以成為繁華都市食物供給的來源,也可以為島礁、沙漠、高原等特殊場所及時供應蔬菜、瓜果,還將為太空探索中提供食物保障,推動工業、農業的融合發展。