植物工厂光照和温度调控

1、植物工厂光照和温度调控ffiisi厂是在高» a »境控斟的封冈或半封闭生长空间进展植物周年生产 的系貌。在系貌需要为対象作物提俱适宜的生长坏境。更些环境因子filS：光照光强、光质和光照时数、温度、湿度、C02浓 度、风速以员营养液的PH、EC、肥料成分、溶氧量、液温、逍速等。对ffiisira展坏境优化腔制，最根本的是要明确作物光合作用、产物枳累、转 流分配、发育和呼吸等生理过程与坏境因子之同的关系，综合考虑各坏境因子的 夏合作用效果，选择运行本钱低、效果好的调控手段进展优化控w到这理想 的腔制效果。这里，主要对植物工厂的光照、温度调节作重点介给。光环境调控技术光照是作

2、物生金活动的能量源泉，乂是某些作物完成生金周期的重要信息。 无论是弱光、短日照或强光、长日照都可能成为某些作物生长、发育的限制因子。因此，对植物工厂的光照环境谨展调节控對是十分必要的。光照坏境的调节, 是根据作物的种类员生育阶段，通il 一定的措施，调节光照条件，御造良好的光 照坏境，以提高作物的光合效率。补光调节光合补光在高纬度地区或连阴天， 造成光強和光照时数缺乏,或整体作物具有较高的光照9B8求时，进展光合补 光是必要的。利用人工光源补充照明是行之有效的方法。目前使用的人工光源仅 眼干电光源一种，通常使用高压餡灯HID进展补光。由于本找太高，大面枳 应用还难以做到，但在裁菜育苗工厂巾应用

3、期么较为经济目能育岀壮苗。光周期补光对于光周期敏感的作物，特别是在光周期的临界期，当略期11长而影响作物 的生长发育时，应对作物进展人工光周期补光。光周期补光是作为调节生长发育 的信息提俱的，需用的光照度较低，一般为22LX左右。补光时间因植物种类、 天气状况、地理条件而变化。为抑翎短日照相物开花,一般在早晚补光4h,使 略期姬于7h；也可进展深夜连续暗期补光25h,连续略期也能起到早晚补光， 抑制姬日照植物开花的效果。逮光调节光合胃阳光合逆81主要目的是降田和减弱光照強度，E1周不需严密搭接，也叫局部逆讯。 目前，生产上比#1实用的逆III方法是采用黑纱网、无纺布或缀钳逆皿啊进展逆皿 或外進

4、讯。对于玻朋温室，还可在玻朋外表上划一层白灰或玻咽外表喷水，到这 逆81降温的效果。光周期禮光光周期逆光的目的是延长略期，保证短日照作物对最低连续略期的要求，这种方 法多用于进展花期调控。延长18期要保证光朋強8IKT临界光周期强度列22LX 以下，通常采用黑布或黒色薄肢在作物顷部和E1周严密覆盖，因而光周期逆光 Q叫完全逆光。在進光期间，应加強通风，肪止黑般下面出现高温高湿，危害植 株。人工光瑕的选择及室光溫布置早期的人工光选择多是在生长室组合使用大量的荧光灯与少量的白炽灯，有 时期么根据不同的研究用谨分别选择使用高压水银灯或氤气灯。后来Q呆用卤化 金屈灯。而在植物工厂里名用高效率的高压餡灯

5、，同时LED 发光二极管和LD (®光灯等源也在进一步研究与开发之中。人工光源的选择依据人工光源的选择取决于不同的使用目的，选择时应遵循合理和经济的原那么。在 选择和设廿光照系统时需要考虑许多要素，其中包祐：作物对光的晌应；其他坏 境因素的影响；作物对光照度、光照时同和光谱成分的要求；可产生最正确效果 的光源；最均匀光照系貌的设廿；系貌的投资及运行费用等。在设it人工光照时, 应考虑光谱能量，尽量选择发射光谱与需用光谱接近的产晶，必要时再考虑应用 名种光源组合；考虑光源强度时，既要使多组灯组合具有一定的调节余地，Q要 尽量不増加灯具设置和更新投资。另外，选择人工光源时，还要考虑光源的

6、热负 荷。一般悄况下，人工光源采用红外和远红外光的比例较夫，因此相肖多的能量 以热效应方式传递到温室坏境中，能耗很夫，同时所产生的热效应给腔制11程造 成许名不利影响。所以在选择人工光源时，一定要充分考虑光源的发光效率。常用人工光源白炽灯从光谱来看，白炽灯的辐射能主要是红外线，可见光所占比例很小。 白炽灯发光效率很K 1020lm/W),目前，常用的白炽灯为40100W, 般只作 为繭助光源应用。荧光灯是一种IK压气It放电灯，壁涂有荧光粉。通过改变荧光粉的成分可获 得不同的可见光谱。荧光灯光谱性能好，发光性能较好约65lm/W,使用寿金 长，是现有电光源中最成助、使用最广泛的一种。由于荧光灯

7、提供线光源，一般 可获得更均匀的光照。主要缺点是单灯助率小，一般为3125W,名用于光周期 补光。金扬卤化物灯一种新型光源，具有发光效率高约100lm/WL光色好、寿 金长和输岀功率大等特点，是目前高强U人工光照的主要光源。作物生产中常用 的是400W fll 1000W 种规格。安装灯具时应同时考虑设置反光罩，使光照更 均匀，光照强度更大。高压抽灯和低压餡灯高压ifitTtl能类似金扬卤化物灯，寿金约24000ho广 泛用于裁菜及花卉的光合补光。低压抽灯是一种很特殊的光源，只有589nm的 发射波长，在电光温中的发光效率最高。由于产热量小，低压抽灯与高压抽灯可 以更加接近作物。GR EENH

8、OU SE HOR TICULT URE 3 5 LED光源LED的光谱裁宽5±20nm左右,波长正好与植物光合作用和形态建 成的光谱围朋合。近年来,GaAIAs的红色LED (660nm)的发光效率到ft T 22% 以上，GaN的蓝色LED (410nm和470nm 的发光效率也到这了 8%以上，把发 蓝色光的InGaN半导体和发黄绿光的YAG (Yttrium AluminumGarnet合成一体化 的白色LED的价格也在不斷降低。PPF设置为150molm-2s-1, R/B比为5、 10、20的LED和金属卤化物灯的对朋试验相比，R/B比为10的LED光源的植物 产量无论从

9、干物重还是品质来讲都比金扬卤化物灯要好。LED的使用寿金一般在 50000h以上,发光效率高,发热少，实现了低热负荷和生产空间小塑化。同时, 脉冲发光也有利于植物的光合作用。因此，以现在普遍推广的高压ifitT 18元人 民帀/W的使用本钱推算,即使是LED光源比高压抽灯贵上10倍也是有可能推广 应用的。由干蓝色LED本钱jj比孤高，LED光源的大规模推广应用还需要一股时 间。 LD光源激光的发光效率较高，冃激光设备的发光光谱与植物光合作用的叶 绿素吸收光谱根本一致。单纯从植物的光合作用来讲，激光的单色性与直向性对 II物生长不利，但激光光源具有体枳小、重量轻、低电压、脉冲发光、干预性好、 寿

10、金长等优自，再UDlttt率高、发光效率好、可以用电潦直接调节。功率为 3mW的AIGaAs系LD（ 650nm的价格逐渐降低,GaN的蓝色LD（ 410nm和417nm 也可以在室温下连续工作，只是蓝色LD的助率和寿命还没有到这植物生产要求 的水平。最近,使用工作在860nm附近的AIGaAs的激光可发出430nm附近的蓝 色光，工作在900 nm附近的AIGaAs的激光可发出450nm附近的蓝色光。& 些激光的发光效率均在60%£右，连续脉冲输岀可到这数十毫瓦。日本东海大学 的高正基教授和大瞋大学的正宣教授早在1994年就提倡使用激光作为ffifflir 的照明光源。用波

11、长为660nm的红色LD加上5%的蓝色LED的组合光源来生产 生菜和水稻已经收到了很好的效果oLD在fi»）I厂的实用化不仅可以解决21世 纪的粮食缺之间题,而且连能源和资源缺乏的冋題也会St刃而解。需要注恿的是， 从使用本找的角度来看,LD光源面临着与LED温的价格竞争。光檬布置在设it-f有效的光照系统时有许多影哨因素，灯的布置取决于作物、光照 ir a室高度、灯的夫小等。离开灯一定亚离的某点上的光照度与此亚离的平方 成反比，在设置灯的位置时,灯与作物之同的距离是影响种植区域辐照度和光分 布的一顶重要因素。温室中反映光照均匀程度的参数为照度均匀率，即室最小照 度与最大照度之比。为

12、保込作物生长均匀，照度均匀率推荐值应0.7o 富度环境及其控胃技术温度和植物生长的关系密幼，温度对作物的重要性在于必须在一定的温度条 件下，作物才能进展体生理活动及其生化反响。相物工厂外热收支除人工光利用 型植物工厂外，其他类塑的植物工厂郡是一个半封冈的热力系统，它甌时受到室 外诸多扰量的影响。其中,室外扰量有:室外空气温度、湿度、tffllfi射強度、 风速、风向等;室扰量包桔采18系轨照明及其他设备的散热，作物及栽培床的 散热、散湿等。在这些扰量作用下，室的空气始终保持着热平術。室热坏境控翎就是通过一定的工程措施，人为地调节室与外界坏境之间的热 量变化，使温18维特在作物生长需要的水平。当

13、室空气得热量夫于失热量时，温 度升高；反之，温度降低。夏季外界气温较高，为了肪止室sea高，应尽量械 少室得热量，增iralli热量。讯、通风、蒸发降温等都是降低室温的常用方法。冬 季室外气温较低,室外温差大,为了保持室田,应尽量减少失热量，增加得热量。 呆®I保温节能措施，必要时启用果暖设备是保ilffiWJl厂冬季正常运转的根本条 件。枢物工厂的气泪和栽培床基质或营养液的温度对作物的光合作用、呼吸 作用、光合产物的输送、根系的生长以员水分和养分的吸收均有着显普的影响。 植物工厂的富度调节与控制富度对作物的生长发育、产量、品质册喑极大,温度控制的目的是维持作物 生长发育11程的动态

14、适温。泪度腔制的主要容和技术80T：JJOS俱暖系貌一般由热源、热媒管道和散热器等组成。热源有石化燃料煤、石油、 天然气、电、余热及地热等。热媒有热水、热风、蒸汽。果暧系筑的选择应综合考虑种H 空同的大小、构造、种植方式和生产的经济效益等。热水（ft暖枢物工厂一般呆用热水佻暖系貌集中哄暖。热水（ft暖系貌由热水錯 炉、哄热管道和散热器等组成。一般果用低温热水侠暧哄、回水温度分别为 95咒和70（。由于热水釆暧系统的竭炉与散热器垂貞高差较小3m）,因此， 一般不呆用重力循坏的方式，而采用机械循坏的方式，即在回水总管上安装循坏 水泵。在系貌管通和散热器的连接上采用单管式或双管式。根摇室湿度高的特自

15、, 名用热浸镀锌岡翼型散热器，散热面枳大，肪腐U能好。散热器一般布置在作物 层附ifi或栽培床下。散热器的规恪和长度确实定要以满足IftlBiHt热负荷要求为 原期么，在室均匀布置以期获得一致的温度分布。地上部加热地上部加温主要由热源、空气换热器、风机员送风管道等组成。 根播热源的不同，可以分为燃煤式、滋油式、燃气武和电热武，常用的是滋煤和 燃油式。地下部加温地下部加热是湘营养液或基质进展加热，目的是使作物根部保持 正常生长iS ®o主要方法有：水培时对营养液加温，即采用热水HU温管道 的方式；基质栽培时果用热水管道或电热筑加温方式。通风换气通风换气不仅能排除室多余的热量降低室温，而

16、目还能排岀名余水汽调节空 气湿度。温室夏秋季通风主要是为了抑制高温，而冬季换气那么是调节室空气湿慣、补充 CO2等。通风方武有自然通风和强翎通风两种。自然通风是利用室外温差造成热 压或自然风力造成的风压促使空气流动；而強制通风期么是依靠风机机械旋转动 力造成室外空气压力差，实现室外空气间的流动。自然通风在太利用型和太人工光并用型植物工厂里，自然通风是常用的通风 方式，它适用于高泪、高湿季节的全面通风，在其他悄况下，有时也可采用建种 方式。自然通风的必要条件是温室设有换气窗。从热压的舟度看，进出气窗的垂 直高差越大，空气重力压差就越大，通风效果越好。因此，屋脊和MWffl设置通 风口的温室，其通

17、风效率最为显著。只设置侧墙通风口或屋面通风口的温室都难 以获得良好的通风。从风压作用的角36 GRE ENHOUS E HOR TICULT URE ®看, 应充分考虑当地夏秋季的主导风向，将进气窗设置在fl!风面，而排气窗设置在背 风面或侧面。有关通风口的大小，一般来说屋面通风口面枳应到达温室地面面枳 的15%20%,述风向侧埼通风口面枳最小为一f屋面通风口的面枳，大型连栋 泪室迎风向侧墙通风口面枳应大于地面面枳的3%。植物工厂开窗名采用齿轮齿 条传动系筑。强制通风强制通风是依靠风机旋转动力促使空气流动而形成的通风换气方 式。与自然通风相比，它可以更有效地腔制室温度、湿度员C02浓

18、度，是滔室 坏境腔制的重要手段。人工光利用塑植物工厂多采用逆种方式，而太利用里和太 人工光并用型植物imu么是在必要时才呆用。根据富室空气压力状态的不同，强制通风的 方式可以为负压通风、正压通风员等压通风三种。负压通风乂称排气式通风。它是利用风机将温室的空气强制性地排岀室外， 使室空气压力小于室外空气压力，室外空气能通过进气口进人室，形成室外空气 的交换。负压通风比抓简单，投资少，管理方便，是温室強制通风中应用最广泛 的方式。它可与湿帘降泪、细雾降温等配合使用，实现温室盛夏季节的降温。正 压通风q称进气式通风。它是利用鼓风机强抽性地将室外空气送人室，使温室空 气压力大于室外空气压力，室空气能通

19、过排气口流出室外，形成室外空气的变换。 正压通风构造夏杂，管理费用高。但便于对进人室的空气进展加热、冷却等预处 So如温室冬季采用的热风炉管道加热系轨小里温室夏季采用的湿帘冷风机都 是利用了这一原理。等压通风Q林进排气武通风。同时采用机械送风和排风，功 能可靠，但投资员运行费用都很高，目前极少果用。自然通风与强制通风各有优缺点。自然通风的最大优点是造价及能耗低，也 不存在温室长度对通风的限制;缺点是对外界风速和风向的依輙性强，对室气温 的降低也有很大的局限。強制通风的优点是可以根据气候变化比抓准确地调节泪 室通风量，II可以结合喷雾、温帘对温室进展義发降温；缺点是増加投资和运行 费用。循坏通风

20、近年来，温室坏境的均匀性強来強受到重视。尤其在冬季，泪室通 风换气少，气密性強，往住会导致温室iSI8分布不均匀。釆用循坏通风，可以促 使冷热空气混合，消除滔室的冷、热点，在作IHHifi产生气流，降低叶面湿度， 保持良好的叶面做环境。为使作物层获得较为一致的坏境，可以采用小的循环风 机侨造较缓和的水平气流。总的风机容量为每分押排岀约占温室总容枳25%的空 气。风机安装高度不低于2.1mo温室宽度每增加15m,要增加一排风机。室循 坏通风还可以呆用悬桂于泪室上部的开口塑料管，封冈一端，易一端与压力里风 机相连。风机运转时将压力高于室空气的气体送人管道，菅气体以射流的形式进 人温室空气中，在整彳

21、、温室产生混合完全的素动气流，使得温室温、湿度分布均 匀。管道的高度不高于2.4m。这种空气循坏方式可以和温室热风炉采暧结合起 来加温效果更好。师着椅物工厂的周年利用，夏季降温是一个需要解决的问题。实现植物工厂 夏季降泪，技术要求较高。为了保证室气温维持在作物生长发育的适温围，需強 制排除室的热量。人工光利用型植物工厂的降泪腔制人工光利用里植物ir«于封冈式构造， 屋换和股盖林料的隔热性能好，室外温度对室的影哨不大。但是，在夏季高温时, 从栽培床、构造物等释故出来的热量和从室外传导进来的热量都能提高室的温 ®o因此，必须采取降温措葩以保持植物生长所需的iflBo降温一般采用热力泵 冷冻机制冷系貌。太利用塑与太人工光并用型植物工厂的障富控胃这两种类塑的憤物ir«用的畏盖林料多是玻朋或pc扳、氟 素薄除等，易受外界坏境的影响。夏季高温时，单纯便用换气窗、换气风扇等措 施降温已难以奏效，必须采用其地措隨。为了降低运行本钱一般不便用热力泵冷 冻机，而是使用价廉的降泪措施，主要sis： 逆皿降温。方法有外tm