智能温室物联网技术是植物工厂运营必不可少的驱动力

2019-11-30 14:40:09 0

首先植物工厂具有显著提升资源利用效率,大幅度提高作物产量,保证食品安全,以及吸引大批有知识年轻人参与、实现农业可持续发展的现代农业特征,是当前或今后一段时期中国设施农业发展的重点研究领域。因此,应该采取积极措施,加大植物工厂研究和开发力度,切实解决植物工厂存在的现实问题,为实现植物工厂的快速发展做出积极贡献。首先,国家应从战略的高度,加大植物工厂的研究与开发力度。植物工厂是现代农业的重要标志,它的发展在一定程度上反映了一个国家和地区农业高技术发展的水平,同时也是未来国际农业高技术竞争的重要方向。因此,建议围家从战略的高度出发,加大科技研发力度,进行多学科的协同攻关,降低成本,提升效益,尽快实现植物工厂的产业化。

其次,国家应从长远发展考虑,加大对植物工厂的政策和资金扶持力度。植物工厂是一项高投入、高技术、高产出的生产方式,在发展初期,离不开国家政策的扶持。日本发展的经验充分证明了这一点,多年来,日本政府采取补贴50%的手段,推进植物工厂的发展。因此,建议国家从长远的战略高度出发,将植物工厂列入政府重点扶持的产业之中,大力扶持、积极推进、稳步发展。

三,植物工厂的发展离不开所在地区的社会经济环境,区域发展的不平衡以及地区内部的经济差距也影响到植物工厂的发展。因此,在发展战略上,建议国家有关部门制定出长期的发展规划:在建设区域上,可先从经济发达地区和城市开始,在北京、上海、深圳、天津等消费水平高的大都市城郊建设若干个植物工厂示范基地,进而向全国普及推广。

二、节能环境调控技术

人工光植物工厂的能耗主要包括人工光源(80%)、空调(16%)及营养液循环系统(4%)等响。为减少系统的运行费用,在人工光源节能技术基础上,研究人员正在研究如何减少植物工厂空调的能耗,主要包括热泵调温技术、光温耦合节能调温技术等。

热泵调温节能技术由于热性能系数(COP)较高,甚至达到7.0以上,节能效果明显,近年逐渐在植物工厂得到应用。与其他温度调控方式相比,热泵的优势有:

1)节能。据Tong等研究表明,用空气源热泵进行温室冬季夜晚加温比用燃油机节能20-60%;

2)减少温室气体(如CO)排放:

3)具有湿度调控作用;

4)增加室内气流循环。在人工光植物工厂中,由于围护结构保温性能较好,主要选用热泵进行降温:在太阳光植物工厂中,热泵主要用于夏季夜晚降温,冬季加温。由于室内制冷、制热负荷受太阳辐射、室内外温度差影响较大,选用热泵夏季降温和冬季加温时,有时还需结合其他辅助设施,如夏季结合喷雾降温,冬季结合加温装置等,进行联合调控。

三、光温耦合节能调温技术的核心思想是利用室外的气候资源用于植物工厂的温度调节,以达到减少能耗的目的。人工光植物工厂内部的热量平衡主要有4部分组成,即人工光源产热、空调调温、围护结构传热、通风换气热交换等,由于光源数量一定,故光期阶段,光源的散热量相对不变:围护结构的传热与材料性能、室内外温差相关,一般植物工厂选择绝热程度较高的材料,该值相对较小;因此,空调调温的能耗与通风换气热交换密切相关。根据室外温度一年四季及日变化情况,结合光源产生的热量,引进室外冷源进行植物工厂的温度调控,可大大节约能耗。通过在北京的试验表明,室外空气温度在-4~12C变化时,应用光温耦合技术进行植物工厂的温度调控,明暗期节省的降温耗电量分别为24.6%~63.0%和2.3%~33.6%。

四、基于网络的智能化管理是植物工

厂近年来突破的重点。目前,人工光植物工厂已经能够根据植物在整个生育期的营养与环境需求,实现对植物生长的环境要素(温度、湿度、光照、CO:浓度、气流等)和营养液要素(电导率、pH值、液温等)的在线实时检测和智能化管控:而且,太阳光利用型植物工厂也能实现对环境与营养要素的实时检测和调控。通过各种环境与营养液传感器的应用,植物工厂可以实现将各种信息数据传输到计算机系统进行储存、显示,并经过控制软件进行分析判断后,通过执行机构发出指令完成对植物工厂各子系统的智能化控制。近年来,随着网络技术,尤其是物联网技术的快速发展,植物工厂正在实现通过网络平台进行远端访问、权限修改、程序更新和远程操作等功能,显著提升植物工厂的智能化管控水平和远程管理能力。

五、植物工厂的功能拓展近年来,植物工厂在实现为人们提供新鲜、安全农产品的同时,也在不断拓展其功能,逐渐融入快速发展的城市生活。通过植物工厂的功能拓展,植物工厂将会延伸到现代城市生活的每一个角落,真正实现植物工厂的无所不在。继上海世博会“低碳·智能·家庭植物工厂”展出后,各种家庭型植物工厂逐渐推出,形成了众多系列的家庭式植物工厂产品,不仅为城市居民提供了绿色的自然空间和体验种植的乐趣,而且还可获得洁净安全的农产品。植物对人的身心都会产生重要影响,现在一些医院也在探索利用植物工厂构建绿色空间,为病人康复提供辅助治疗:一些绿色餐厅正在构建植物工厂,使顾客在就餐时可自己选择新鲜的蔬菜,大大提升了餐饮的趣味性:城市居民对蔬菜的新鲜度越来越关注,一些植物工厂直接建立在超市,顾客可亲自选取新鲜、洁净的蔬菜,不仅可体验采收的乐趣,而且也对蔬菜的安全性增强了信心:此外,植物工厂还可建立在商场、商务会客厅、学校等场所,可为城市居民提供轻松的自然环境,为中小学生提供科普教育的基地。植物工厂技术的应用正在不断地融入城市生活,为都市人的绿色需求提供靠的保障。

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