植物工廠建設(shè)項(xiàng)目的可行性分析報(bào)告

植物工廠建設(shè)項(xiàng)目可行性分析報(bào)告四月十二日

目錄TOC\o"1-4"\h\z\uHYPERLINK一、植物工廠簡述 1HYPERLINK1.1何謂植物工廠？ 1HYPERLINK1.2植物工廠的優(yōu)勢 1HYPERLINK二、植物工廠發(fā)展歷程 2HYPERLINK2.1試驗(yàn)探索階段 2HYPERLINK2.2范應(yīng)用階段 PAGEREF2HYPERLINK2.3迅速發(fā)展階段 2HYPERLINK三、植物工廠在我國的發(fā)展?fàn)顩r 3HYPERLINK3.1建造植物工廠的科研與生產(chǎn)意義 \h4HYPERLINK3.2植物工廠的類型與生產(chǎn)運(yùn)用 5HYPERLINK四、目前國內(nèi)外研究狀況 6HYPERLINK五、植物工廠建設(shè)的系統(tǒng)構(gòu)成與有關(guān)設(shè)備設(shè)施 8HYPERLINK5.1風(fēng)能太陽能發(fā)電裝置 8HYPERLINK5.2環(huán)境閉鎖密封系統(tǒng) 9HYPERLINK5.3人工補(bǔ)光系統(tǒng)的建設(shè) 10HYPERLINK5.4微噴加濕系統(tǒng)的建設(shè) 11HYPERLINK5.5空氣循環(huán)流通系統(tǒng) 11HYPERLINK5.6二氧化碳補(bǔ)充系統(tǒng) 12HYPERLINK5.7營養(yǎng)液自動控制與供應(yīng)系統(tǒng) 12HYPERLINK5.8物理殺菌系統(tǒng) 13HYPERLINK5.9溫度控制系統(tǒng) 13HYPERLINK5.10立體式栽培系統(tǒng) 14HYPERLINK5.11計(jì)算機(jī)自動控制及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng) 14HYPERLINK5.12視頻監(jiān)控與圖像傳送系統(tǒng) 15HYPERLINK5.13廢物廢液的循環(huán)再運(yùn)用系統(tǒng) 16HYPERLINK六、植物工廠示意圖及應(yīng)用效果 17HYPERLINK6.1補(bǔ)光型半天候的植物工廠 17HYPERLINK6.2立體式高效率植物工廠 PAGEREF17HYPERLINK6.3貨柜隔熱型全天候植物工廠 20HYPERLINK6.4船艙式微型植物工廠 22HYPERLINK七、投資估算及效益分析 0\h23HYPERLINK7.1投資估算 23HYPERLINK7.2效益估算 24HYPERLINK7.3存在的風(fēng)險(xiǎn) 24HYPERLINK八、結(jié)論 25一、植物工廠簡述1.1何謂植物工廠？所謂植物工廠，就是通過設(shè)施內(nèi)的高精度控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物周年持續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)對植物生育過程的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行全天候控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。相對老式常規(guī)農(nóng)業(yè)來說，其設(shè)施設(shè)備生產(chǎn)工具與栽培模式是股強(qiáng)大的沖擊波與挑戰(zhàn)。并且，在產(chǎn)量及品質(zhì)上都是老式模式所不能比擬的，在生產(chǎn)方式上也是完全迥異的。在這里沒有四季的嬗變，沒有天氣的干擾，更沒有病害及自然的災(zāi)害,是種全天候的人工智能環(huán)境。植物生長于最適合的模擬環(huán)境中，具有更大的生長發(fā)育潛能與更好的質(zhì)量。運(yùn)用植物工廠模式可以不受任何自然界之影響，可以在地上也可以地下，可以在農(nóng)村也可以在都市，可以在沙漠也可以在極地，甚至還可以在空間站與外星球，如月亮及火星上栽培。在生產(chǎn)模式與概念上它已完全超越了常規(guī)意義的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，它是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新之路，也是人們在與自然界抗?fàn)幹校纬勺砸炎钣姓鞣缘男滦蜕a(chǎn)模式。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就是植物通過光合作用生產(chǎn)碳水化合物的過程。遵照該科學(xué)原理，智能LED植物工廠根據(jù)不一樣作物對營養(yǎng)和陽光的需求，對“工廠”內(nèi)環(huán)境要素和營養(yǎng)要素進(jìn)行實(shí)時自動調(diào)配，精確供應(yīng)植物，以保證植物健康生長，實(shí)現(xiàn)了不用土、不用陽光，可實(shí)現(xiàn)全天候的植物智能化生產(chǎn)，人類甚至可以在太空、荒漠、戈壁等非可耕地里進(jìn)行作物生產(chǎn)。1.2植物工廠的優(yōu)勢與老式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不一樣，植物工廠有七大技術(shù)優(yōu)勢：一是作物生產(chǎn)計(jì)劃性強(qiáng)，可在不受外界環(huán)境影響的條件下，實(shí)現(xiàn)周年均衡生產(chǎn)；二是單位面積產(chǎn)量高，可大幅提高資源運(yùn)用效率；三是機(jī)械化、自動化程度高，勞動強(qiáng)度低，工作環(huán)境舒適；四是不施用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無污染；五是多層式、立體栽培，節(jié)省土地和能源；六是不受或很少受地理、氣候等自然條件影響；七是與現(xiàn)代生物技術(shù)緊密結(jié)合，可以生產(chǎn)出稀有、價(jià)高、富含營養(yǎng)的植物產(chǎn)品。植物工廠是目前全球農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究的熱點(diǎn)，因其融合了現(xiàn)代生物技術(shù)、智能裝備與信息技術(shù)等新科技，也是彰顯一種國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志。植物工廠顛覆了老式的農(nóng)作方式，代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種創(chuàng)新方向，掌握植物工廠關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)具有戰(zhàn)略意義。伴隨人們生活水平的提高，對潔凈安全農(nóng)產(chǎn)品的需求越來越迫切，為植物工廠開發(fā)的市場前景發(fā)明了良好外圍環(huán)境。由于在植物工廠內(nèi)生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品是毫無污染與殘留的，它是真正的免農(nóng)藥與無公害，這樣的產(chǎn)品也會有較高的價(jià)位與市場空間，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的良性循環(huán)。此外，我國人均耕地少，耕地資源稀缺。這種形勢下，當(dāng)下發(fā)展我國植物工廠產(chǎn)業(yè)非常有必要。二、植物工廠發(fā)展歷程回憶植物工廠發(fā)展歷程，從上世紀(jì)40年代至今，重要?dú)v經(jīng)初期的試驗(yàn)探索、示范應(yīng)用和目前的迅速發(fā)展三個階段。2.1試驗(yàn)探索階段20世紀(jì)40年代到70年代初為試驗(yàn)探索階段。該階段是植物工廠的概念成型與試驗(yàn)探索期，其中兩項(xiàng)技術(shù)的突破對其發(fā)展起到了重要支撐作用，一項(xiàng)是“營養(yǎng)液栽培技術(shù)”，另一項(xiàng)為“人工模擬與控制環(huán)境技術(shù)”，以1949年美國科學(xué)家在加州帕薩迪納建立的第一座人工氣候室為標(biāo)志。其后，日本和蘇聯(lián)相繼建成大型人工氣候室，進(jìn)行植物栽培試驗(yàn)。這一時期植物工廠規(guī)模較小，僅為幾十平方米到幾百平方米。應(yīng)用范圍也比較窄，重要局限在試驗(yàn)室和示范農(nóng)場。光源為高壓鈉燈，光源與空調(diào)能耗大，運(yùn)行成本較高。2.2范應(yīng)用階段20世紀(jì)70年代至90年代末為示范應(yīng)用階段，其中以水耕栽培和人工光源技術(shù)的突破為重要標(biāo)志。1973年?duì)I養(yǎng)液膜技術(shù)的出現(xiàn)，以及隨即的深液流栽培技術(shù)的發(fā)明為植物工廠栽培技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。這一時期，日本植物工廠發(fā)展較快，截至上世紀(jì)末，日本擁有約20座人工光植物工廠。80年代，在日本海洋博覽館展出了單株13000多種果的番茄王，就是運(yùn)用植物工廠技術(shù)及多種高新技術(shù)集成的產(chǎn)物，當(dāng)時這種超高產(chǎn)巨型植株的栽培成功，就預(yù)示著人類在發(fā)揮植物潛能上將有大的突破與發(fā)展，也為后來植物工廠的開發(fā)與推廣起到了極為重要的作用。在植物工廠里，西紅柿單株產(chǎn)量可上千斤，水稻可生產(chǎn)5-6季，黃瓜產(chǎn)量可提高200倍，生菜35天就收獲這些不是天方夜譚，它是被實(shí)踐所證明的科學(xué)與真理。在這一階段，人工光源不停改善，高壓鈉燈逐漸被熒光燈替代，紅光LED開始應(yīng)用，光源的能耗深入減少；傳感器與自動控制技術(shù)逐漸引入；示范應(yīng)用面不停擴(kuò)大。植物工廠是植物工廠的高科技與高投入的業(yè)態(tài)，在這個日本建造一種400平米面積的植物工廠總投資需1億日元。2.3迅速發(fā)展階段二十一世紀(jì)初至今植物工廠迅速發(fā)展，重要得益于藍(lán)光LED的出現(xiàn)與紅藍(lán)LED組合光源的研制成功，以及基于網(wǎng)絡(luò)的智能控制技術(shù)的應(yīng)用。伴隨LED的應(yīng)用，植物工廠人工光源能耗顯著減少，栽培層間距深入縮短，能效比大幅度提高；同步，傳感器、智能控制器以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用為植物工廠智能化管控提供了也許。在這一時期，各國加緊了對植物工廠的研發(fā)力度與產(chǎn)業(yè)化步伐，日本提出大力發(fā)展植物工廠、振興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)計(jì)劃。韓國自開始，政府支持科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)共同進(jìn)行人工光植物工廠的研發(fā)，數(shù)年時間內(nèi)就推出了10多種型號的植物工廠產(chǎn)品。美國首先通過植物工廠的研究但愿為空間站和星球探索提供食物保障，另首先提出了“摩天大樓農(nóng)業(yè)”的設(shè)想，但愿從空間上突破資源瓶頸，先后出現(xiàn)了芝加哥大廈農(nóng)場、新澤西州“垂直農(nóng)場”等設(shè)計(jì)模式。三、植物工廠在我國的發(fā)展?fàn)顩r我國從上世紀(jì)90年代開始植物工廠研發(fā)工作，成功研發(fā)自然光植物工廠，研制出LED植物工廠試驗(yàn)系統(tǒng)，并在上海世博會上海世博會初次展出家庭LED植物工廠。其中尤以中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所楊其長團(tuán)體進(jìn)展顯著。中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所楊其長團(tuán)體率先提出多種植物的“光配方”，并創(chuàng)制出基于光配方的LED節(jié)能光源及其光環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備，在業(yè)界完畢了多種首創(chuàng)性工作：初次提出“光—溫耦合節(jié)能環(huán)境調(diào)控”措施，創(chuàng)制出植物工廠節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)裝備；率先提出“光—營養(yǎng)調(diào)控蔬菜品質(zhì)”措施，創(chuàng)制出采前短期持續(xù)光照提高品質(zhì)工藝及技術(shù)裝備；率先提出植物工廠光效、能效以及營養(yǎng)品質(zhì)提高的智能管控措施，創(chuàng)制出基于物聯(lián)網(wǎng)的智能化管控系統(tǒng)。，中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所植物工廠的研發(fā)團(tuán)體與北京中環(huán)易達(dá)設(shè)施園藝科技有限企業(yè)研發(fā)出國內(nèi)第一例智能型植物工廠。目前，該技術(shù)成果已推廣到北京、上海、山東等20多種省區(qū)市。我國的植物工廠逐漸走向國際舞臺。至我國持續(xù)舉行4期植物工廠技術(shù)國際培訓(xùn)班，20多種國家的學(xué)員接受了系統(tǒng)的植物工廠訓(xùn)練?；诠馀浞降闹参風(fēng)ED光源產(chǎn)品推廣到美國、日本、歐洲等，植物工廠成套產(chǎn)品已推廣到新加坡等。植物工廠雖然擁有眾多優(yōu)勢，但在實(shí)際發(fā)展過程中也面臨著某些“瓶頸”。植物工廠普及和推廣的關(guān)鍵是工業(yè)產(chǎn)品化，從目前看，植物工廠原則化、模塊化妝備的研發(fā)方面尚有待提高。從研發(fā)力量上來看，目前參與研究的重要是科研單位、高校和中小企業(yè)。楊其長表達(dá)“但愿未來有中國的大企業(yè)能積極參與其中，只有實(shí)現(xiàn)植物工廠原則化、規(guī)?；a(chǎn)，才能在國際競爭中有地位。”從經(jīng)濟(jì)效益上來看，與露地、大棚相比，植物工廠由于初期建設(shè)成本較高、耗能較大等原因，總體上來看單位生產(chǎn)成本還是相對偏高，未來仍需要深入減少成本。近年，我國農(nóng)業(yè)自動化智能化數(shù)字化的迅速發(fā)展，已為植物工廠的發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與成本的減少也為植物工廠的建設(shè)提供了助力，許多企業(yè)或科研單位已嘗試深入的研究和推廣運(yùn)用。國家正式將“智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究”項(xiàng)目列入“863”計(jì)劃，由15家科教單位與企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。目前，我國擁有不一樣規(guī)模的人工光植物工廠約100座。相信很快的未來，植物工廠的發(fā)展已不再是望塵莫及望洋興嘆的項(xiàng)目，它將在很快未來，在我國各個地區(qū)出現(xiàn)，為我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展開辟一種嶄新的空間。3.1建造植物工廠的科研與生產(chǎn)意義建造植物工廠除了自身的經(jīng)濟(jì)效益外，還具有更大的社會效益與科研價(jià)值。目前，日本的植物工廠由本來的地上已發(fā)展到地下，在東京建設(shè)的植物工廠就是在一種原本是銀行機(jī)構(gòu)的下室，把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從田野搬至鬧熱的城鎮(zhèn)，它除了生產(chǎn)外，更重要的是為城里人啟動了一扇認(rèn)識農(nóng)業(yè)認(rèn)識自然與植物的教育窗口，更是學(xué)生們培養(yǎng)生物技術(shù)愛好的一種姣好實(shí)踐教育基地，也是城里人在煩忙工作之余的休閑參觀基地。這種地下的植物工廠將是未來開拓都市地下空間，營造地下生態(tài)地下景觀地下農(nóng)場地下觀光的最佳模式。植物工廠的建造能為我國樹立農(nóng)業(yè)發(fā)展史上階段性的里程牌，它標(biāo)志著人類征服自然過程中已經(jīng)獲得的輝煌成果，已經(jīng)為農(nóng)業(yè)發(fā)展的最終出路找到了答案，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不再靠天吃飯，不再是被動地順應(yīng)自然，而是能運(yùn)用人類的智慧戰(zhàn)勝了自然，為農(nóng)業(yè)發(fā)展前景描繪出漂亮的畫卷，大大增強(qiáng)了人類的自信心與由于地球變暖后對農(nóng)業(yè)導(dǎo)致不良影響的恐慌，更為重要的是，人類將找到一種正真無公害對人體及環(huán)境沒有任何殘留與污染的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，它的意義不亞于任何一種時期的農(nóng)業(yè)革命，雖然它的推廣與普及尚有相稱長的時間，但作為生存到這個地球上的人們已認(rèn)識到人類征服克服戰(zhàn)勝自然，獲取人類生存空間上也獲得了偉大的勝利。處理蔬菜與糧食問題，處理環(huán)境保護(hù)綠色與污染問題已找到了理想的答案，更為令人鼓舞的是，它將為在此外星球上建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地開拓了一條理想之徑，如在月球上或空間站進(jìn)行植物工廠的生產(chǎn)已成為也許。植物工廠的建造，還可引領(lǐng)與培養(yǎng)出更多的農(nóng)業(yè)科研人才投入到高科技農(nóng)業(yè)研究與發(fā)展的熱潮中，也可以在實(shí)踐中大大提高科研業(yè)務(wù)生產(chǎn)水平，尤其是目前在老式農(nóng)業(yè)日益令人困惑的時期，為我國的農(nóng)業(yè)科研提出了一種前贍性的方向。也讓更多的農(nóng)業(yè)科研人員轉(zhuǎn)向這種邊緣交叉程度極高的學(xué)科研究中來，這對于提高我國農(nóng)業(yè)綜合研究水平意義重大。植物工廠為科研人員提出了方向，開辟了思緒，提高了水平。植物工廠的建造能激發(fā)更多的年輕人投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，投入到現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，為他們創(chuàng)立一種更廣闊的平臺，目前全世界的農(nóng)業(yè)從業(yè)者日趨老齡化與婦女化，這與老式農(nóng)業(yè)模式的生產(chǎn)方式有關(guān)，面朝黃土背朝天的靠天靠力吃飯的落后生產(chǎn)方式有關(guān)，大多數(shù)想創(chuàng)業(yè)的年輕人更關(guān)注的是環(huán)境與功能齊全的都市，而離開農(nóng)村離開農(nóng)業(yè)，這樣使農(nóng)業(yè)從業(yè)者的素質(zhì)每況愈下與后繼人才日漸匱乏。而這種新型的農(nóng)業(yè)模式，勞動力已得到徹底解放，勞動強(qiáng)度大大減少，生產(chǎn)場所環(huán)境已完全優(yōu)化，自然風(fēng)險(xiǎn)完全解除，在生產(chǎn)過程中從本來的野外勞力付出型變化室內(nèi)的智力付出型，在植物工廠內(nèi)會讓人體會更，人在花叢中，人在與自然的友好中，在輕松而優(yōu)雅的環(huán)境中，做些諸如生產(chǎn)計(jì)劃制定，植物生長觀測、參數(shù)數(shù)據(jù)的設(shè)定切換等皆屬輕松智力型工作，大大激發(fā)了年輕人對農(nóng)業(yè)的愛好與愛好，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式及觀念的變化，使年輕人能紛紛在從城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)回到農(nóng)村，投身到植物工場的現(xiàn)代農(nóng)場建設(shè)中，變化目前農(nóng)業(yè)的三八六零部隊(duì)（指婦女與60歲以上的老人）的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)實(shí)狀況。這種變化對于加緊農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平意義是深遠(yuǎn)與巨大的。3.2植物工廠的類型與生產(chǎn)運(yùn)用植物工廠從廣義來說分為溫室型半候的植物工廠與封閉型全天候的植物工廠，這里所指的植物工廠是專接封閉型全天候的植物工廠，它的重要特點(diǎn)是，植物生長的任何環(huán)境因子都是人工精確化模擬發(fā)明的，不受外界任何原因的點(diǎn)滴影響，植物生長于一種數(shù)字化可控化，可精確計(jì)算與估計(jì)的工廠內(nèi)，就如工廠同樣生產(chǎn)出外觀形態(tài)及品質(zhì)一致符合原則的農(nóng)產(chǎn)品。在可控精確環(huán)境下，植物的收獲期是確定的，植物對多種因子的需求也是穩(wěn)定的，人們生產(chǎn)操作模式是原則的或是無人化機(jī)器人生產(chǎn)方式的。這種植物工廠能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)定茬準(zhǔn)期精確地供應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品，能不受自然病蟲侵害與土壤污染供應(yīng)清潔無任何殘留的高檔農(nóng)產(chǎn)品，能按照植物遺傳基因的性狀最大化在體現(xiàn)，培養(yǎng)出超常規(guī)超營養(yǎng)價(jià)值的農(nóng)產(chǎn)品。能為生產(chǎn)者提供最及時而精確的植物生長因子與發(fā)育狀況的有關(guān)咨訊，為靈活而精確地調(diào)整生產(chǎn)方案提供資料，也可以實(shí)現(xiàn)任何品種的發(fā)育進(jìn)程調(diào)整與產(chǎn)期調(diào)整，更為有利的是，在植物工廠內(nèi)能按照人工研究的農(nóng)藝參數(shù)為生長發(fā)明模擬最佳的生長模式，為農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的研究與運(yùn)用發(fā)明了一種最佳的平臺。在植物工廠內(nèi)植物的基因能比老式模式下得到最大化最優(yōu)化的體現(xiàn)與發(fā)揮，并且可以通過環(huán)境的人為發(fā)明，有計(jì)劃或目的性地體現(xiàn)某些能改善品質(zhì)營養(yǎng)的目的基因，培養(yǎng)出常規(guī)環(huán)境不能培育的特色產(chǎn)品。作為最先進(jìn)的植物栽培模式在生產(chǎn)上具有如下作用，首先單位面積產(chǎn)量是老式生產(chǎn)的幾十倍甚至上百倍，增產(chǎn)的重要部份重要是由于生育期大大縮短而使栽培的茬數(shù)也就是復(fù)種指數(shù)大大地提高，此外就是單株的產(chǎn)量，在最適的人工環(huán)境下能比常規(guī)栽培有更大的生物量，在栽培運(yùn)用空間上可以提高7-10倍以上，真由于植物工廠的這些優(yōu)越性才使產(chǎn)量超常規(guī)地提高，生產(chǎn)效率發(fā)生了質(zhì)的飛躍。另一方面，植物工廠內(nèi)發(fā)明的生長環(huán)境是相對穩(wěn)定的數(shù)字化環(huán)境，植物發(fā)育所需的諸如積溫可以精確地計(jì)算，讓植物按專家系統(tǒng)的生長模式設(shè)定的進(jìn)程精確地進(jìn)行，能做到從播種至收獲的穩(wěn)定準(zhǔn)期上市，使最精確的生產(chǎn)計(jì)劃得以實(shí)現(xiàn)；如在植物工廠內(nèi)小麥的生育期只需56天，萵苣的生育期只需35天，這些都可作為精確栽培計(jì)劃生產(chǎn)的原則數(shù)據(jù)被錄入計(jì)算機(jī)的專家系統(tǒng)。在植物工廠內(nèi)，可以人為地控制與啟動對人們需求的基因體現(xiàn)時間與速度，從而可以培育為人們提供最具營養(yǎng)價(jià)值與口味的高檔蔬菜或者反季節(jié)蔬菜；在植物工廠內(nèi)，植物的生長大多采用24小時的全光照補(bǔ)光或脈沖式補(bǔ)光，植物的同化率得到最大化的發(fā)揮，并且光照時間與光質(zhì)可以按人們栽培的需要進(jìn)行調(diào)控，從而使植物的光形態(tài)形成實(shí)現(xiàn)科學(xué)化的控制；植物工廠是種全封閉的栽培系統(tǒng)，可以做到無菌化無蟲化生產(chǎn)，栽培的植物勿需使用任何殺菌治蟲的化學(xué)藥劑，栽培的產(chǎn)品是真正的綠色無公害食品，并且品質(zhì)愈加脆嫩與優(yōu)良。植物工廠內(nèi)環(huán)境可控性強(qiáng)，尤其是可以使栽培環(huán)境的二氧化碳濃度得到大幅度的提高，使生長著的植物光合效率提高至幾倍，生物量的形成，營養(yǎng)物質(zhì)的積累是常規(guī)的幾倍。植物工廠雖然在設(shè)施上一次投入較大，不過它是種高度集約的栽培模式，不管是勞動力還是能源資源上都得以最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)用，栽培效率與效益得到大幅度的提高，曾有人做過對照試驗(yàn)，在常規(guī)溫室內(nèi)栽培蔬菜，相似的產(chǎn)量前提下，植物工廠運(yùn)行的投入與溫室有關(guān)無幾，但植物工廠的產(chǎn)品卻有更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，總體來說投資植物工廠還是很合算的；植物工廠可以在自然環(huán)境惡劣不適老式栽培的地區(qū)進(jìn)行建造生產(chǎn)，如沙漠、孤島、地下、南北極、或者土壤氣候不適區(qū)栽培，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的空間限制得到理解放；此外，從業(yè)者可以依賴專家系統(tǒng)進(jìn)行植物工廠的管理，無需掌握與理解太專業(yè)的農(nóng)業(yè)技術(shù)就可進(jìn)行管理，使更多有志于農(nóng)業(yè)的業(yè)外人士可以隨心所欲地操作與生產(chǎn)，假如結(jié)合機(jī)器人，真的可以實(shí)現(xiàn)無人化傻瓜化的管理。目前，植物工廠作為最前沿的栽培模式，常作為觀光農(nóng)業(yè)開發(fā)的一種重要項(xiàng)目，也常作為學(xué)校學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握生物自然科學(xué)的一種最佳基地與實(shí)踐教材，更是城鎮(zhèn)居民尋找自然感受自然品味自然的最佳去處。植物工廠以其無比的優(yōu)勢性與可操作性前沿性，它必將成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中一種不可或缺的研究課題與發(fā)展方向，也更是未來農(nóng)業(yè)的一種重要模式，估計(jì)在后，它會像目前設(shè)施農(nóng)業(yè)同樣被普及與運(yùn)用，作為有先見的企業(yè)家投資者率先擠入這個行業(yè)建立植物工廠必將會帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)回報(bào)與巨大的社會效益。四、目前國內(nèi)外研究狀況植物工廠在日本是目前正在倡導(dǎo)與推廣的高新農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，它們已經(jīng)有成熟的技術(shù)與配套的有關(guān)設(shè)備與設(shè)施，并且都已經(jīng)做到相稱專業(yè)化的程度，它們通過植物工廠普及振興會進(jìn)行推廣，現(xiàn)已經(jīng)有幾十家較有規(guī)模的植物工廠基地，重要以生產(chǎn)瓜果蔬菜為主，尚有芽苗菜植物工廠與花卉類的植物工廠，這些植物工廠已經(jīng)能為日本本國對農(nóng)產(chǎn)品的需求起到了很大的調(diào)劑作用，如建在愛知縣的芽苗菜工廠一天能產(chǎn)200萬盤，可供好幾種都市的芽苗菜需求，尚有許多運(yùn)用植物工廠進(jìn)行規(guī)模化的生產(chǎn)萵苣，已成為生產(chǎn)無公害高檔萵苣的重要模式；尚有在農(nóng)作物水稻上進(jìn)行了科學(xué)的償試，獲得了很好的種植效果。而在臺灣，80年代就建立了設(shè)施與功能齊全的我國第一種芽苗菜植物工廠，內(nèi)部設(shè)備從播種傳送培育收獲包裝所有實(shí)現(xiàn)自動化機(jī)械化，并且結(jié)合微機(jī)與自走式的環(huán)境控制管理，使芽苗的栽培層次到達(dá)十幾層以上，空間運(yùn)用率極高，集約化程度大大地提高。尚有美國以色列荷蘭這些發(fā)達(dá)的國家也都對植物工場進(jìn)行了研究償試與推廣，都獲得了很好的效果與頗有價(jià)值的科研成果，目前，尤其是在節(jié)能化的研究上，已形成了從風(fēng)能電能到生物能的多種能源開發(fā)趨勢，并且都在生產(chǎn)上得以運(yùn)用，如運(yùn)用太陽能供電的自發(fā)電型植物工廠與風(fēng)能發(fā)電植物工廠，尚有運(yùn)用光導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行傳纖傳播實(shí)現(xiàn)光的充足運(yùn)用，尚有運(yùn)用科學(xué)的反光原理，使工廠內(nèi)的光能得到最大化的運(yùn)用，更有些植物工廠甚至運(yùn)用微生物發(fā)酵發(fā)電以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)與循環(huán)發(fā)展，能源與材料是植物工廠普及推廣的限制因子，有了這些先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，使植物工廠的普及漸趨也許；近來在補(bǔ)光節(jié)能化方面，日本又有了新的發(fā)展，如運(yùn)用半導(dǎo)體二極管及激發(fā)發(fā)光技術(shù)，可以使光的效率大大提高，使電能消耗得到深入的減少，還可以實(shí)現(xiàn)植物葉片表面的近距離補(bǔ)光；補(bǔ)光技術(shù)的改善發(fā)展為植物工廠的低成本運(yùn)用起到了關(guān)鍵性的作用，原本植物工廠內(nèi)耗能最大的就是補(bǔ)光而目前可以幾倍地下降，尤其是有特定光譜的二極管與激光光源，可以在不影響光合效率前提下，實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換率的最大化；在計(jì)算機(jī)的控制上，目前基本實(shí)現(xiàn)環(huán)境模擬的自動化智能化與精確化，可以實(shí)現(xiàn)諸如溫度濕度光照強(qiáng)度二氧化碳濃度營養(yǎng)液EC液溫溶氧等植物生長有關(guān)因子的在線檢測與反饋閉環(huán)控制，甚至還可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及通過衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行全球控制，在視頻監(jiān)控上采用數(shù)字化硬盤技術(shù)實(shí)現(xiàn)植物圖象的遠(yuǎn)距離清晰化傳送，做到參數(shù)與圖像的全方位監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)管理者只需敲擊鍵盤就能進(jìn)行生產(chǎn)指揮的數(shù)字化管理，此外，對于多種不一樣栽培植物專家系統(tǒng)的研發(fā)運(yùn)用上也得以采用，管理者只需輕松地調(diào)動有關(guān)植物的最佳生長模式就可進(jìn)行最優(yōu)化的生產(chǎn)管理，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更為傻瓜化；有些較為先進(jìn)的植物工廠還安裝上植物生理傳感器，實(shí)現(xiàn)植物生長過程中各項(xiàng)生理指標(biāo)的在線檢測，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境因子的最科學(xué)化控制，也就是可以按發(fā)育生理所需來命令控制各項(xiàng)環(huán)境因子，如光合效率、呼吸作用、蒸騰系數(shù)、莖流量、果實(shí)膨脹等，并且能運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行曲線記載，科研者可隨時調(diào)出實(shí)時的在線資料而進(jìn)行科學(xué)研究，為科研者的研究提供了最科學(xué)的試驗(yàn)平臺；目前，伴隨智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，也在植物工廠中被采納運(yùn)用，如種苗的嫁接插苗與果實(shí)的采收與走動式的管理等，都開始運(yùn)用機(jī)器人來完畢，取代了本來繁雜的人工操作；在無菌環(huán)境的發(fā)明上，也結(jié)合了目前較為先進(jìn)的納米材料技術(shù)物理殺菌技術(shù)，使整個植物栽培空間實(shí)現(xiàn)無菌化自潔化；營養(yǎng)液的供應(yīng)調(diào)配及控制上，也能了很大的提高，如營養(yǎng)液控制中心的建立替代了本來復(fù)雜的人工操作，多種植物所需元素上的在線檢測及調(diào)控也被運(yùn)用，做到了植物所需元素及栽培液酸堿度的精確化控制，在廢液的處理與再運(yùn)用上也有了深入的改善與提高；使栽培成本與環(huán)境排污最大大的減少，真正實(shí)現(xiàn)了封閉式自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)的合理構(gòu)建。從原本純耗資源型轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)可循環(huán)型，從原本的高成本型轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗慕?jīng)濟(jì)實(shí)用型；從原本的操作繁瑣型轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗纳倒喜僮餍停豢傊?，從發(fā)達(dá)國家看植物工廠具有很廣發(fā)展空間與很看好的發(fā)展趨勢，是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種重要模式。而我國這方面的研究也不甘落后，近年，在國防科技大學(xué)、中國農(nóng)科院及浙江麗水農(nóng)科所的通力聯(lián)合攻關(guān)下，上述的技術(shù)問題也基本上得到處理，可以與國際技術(shù)水平相比，只是在產(chǎn)品的精致上還不能與發(fā)達(dá)國家相提并論，但估計(jì)通過幾年的努力，與植物工廠相配的多種專業(yè)化設(shè)備設(shè)施將會相繼開發(fā)與運(yùn)用；基于目前國內(nèi)的實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平，還是需要從本國國情出發(fā)，開發(fā)某些成本較低但功能不亞于國外產(chǎn)品的控制系統(tǒng)、建造材料、及設(shè)備設(shè)施，以滿足我國初級階段對于建設(shè)植物工廠的市場需要，為迅速啟動與推進(jìn)植物工廠先邁出歷史性的第一步。五、植物工廠建設(shè)的系統(tǒng)構(gòu)成與有關(guān)設(shè)備設(shè)施植物工廠的建造是個系統(tǒng)而龐大的工程，它所波及的技術(shù)之廣與所用的材料之多是常規(guī)老式農(nóng)業(yè)所不能比的。其中就環(huán)境控制就需要波及到十二大系統(tǒng)，風(fēng)能光能發(fā)電系統(tǒng)、人工補(bǔ)光系統(tǒng)、微噴加濕系統(tǒng)、空氣循環(huán)流通系統(tǒng)、二氧化碳補(bǔ)充系統(tǒng)、營養(yǎng)液自動調(diào)控系統(tǒng)、物理殺菌系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、立體式栽培系統(tǒng)、視頻監(jiān)控圖像傳送系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、廢物的再循環(huán)運(yùn)用系統(tǒng)等；構(gòu)成這些系統(tǒng)所波及的學(xué)科包括生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)環(huán)境控制技術(shù)、物理材料技術(shù)、能源綜合運(yùn)用技術(shù)、規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)、農(nóng)產(chǎn)品加工貯藏技術(shù)等；這樣龐大的技術(shù)體系與構(gòu)建工程必須對它進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃與嚴(yán)格實(shí)行才能得以完畢，只有在科技人員、工程人員充足配合下才能建成，因此說它的建造是項(xiàng)龐大復(fù)雜的工程，它的建造具有農(nóng)業(yè)航模同樣的意義與偉大，是一般單位難以獨(dú)立完畢的，它必須運(yùn)用各個學(xué)科各個部門的互相合作互相配合的前提下才能實(shí)行建造，因此在建造之前要讓工程施工者對各個系統(tǒng)有個充足的認(rèn)識，對多種設(shè)備與材料有個全面的理解，是十分必要的。如下就植物工廠建設(shè)所需的有關(guān)設(shè)施設(shè)備及材料采購有作些闡明，這樣才能在建造時能得以應(yīng)手地實(shí)行，按計(jì)劃準(zhǔn)期竣工?，F(xiàn)就植物工廠所涉的多種技術(shù)與設(shè)備作些簡樸的簡介。5.1風(fēng)能太陽能發(fā)電裝置植物工廠屬于電動力農(nóng)業(yè)范圍，它所波及的每一塊運(yùn)行系統(tǒng)都離不開電能，如環(huán)境模擬、工廠操作、人員管理等都需要用電，而電資源在目前這個時代又是耗能最大最匱乏的資源，怎樣實(shí)現(xiàn)電資源運(yùn)用的節(jié)能化是建造植物工廠需要考慮的關(guān)鍵問題，因此在盡量挖掘可運(yùn)用資源上進(jìn)行研究與開發(fā)是極為重要的，再加上有些植物工廠是建在無電力供應(yīng)的地方，更需把電擺到最首要的位置來進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，目前電資源以水資源的運(yùn)用最為廣泛，尚有煤發(fā)電、核發(fā)電、沼氣發(fā)電等發(fā)電模式，而這些發(fā)電均有它的局限性，只有太陽光發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電才具有它運(yùn)用的普遍性，并且在實(shí)踐上往往又是把兩者結(jié)合起來設(shè)計(jì)，到達(dá)能源供應(yīng)的互補(bǔ)，如沒有光照時可運(yùn)用風(fēng)能發(fā)電，這些發(fā)電技術(shù)與裝置投入成本又不大，并且安裝簡樸易實(shí)行，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(fā)電系統(tǒng)就是風(fēng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，在有工業(yè)電供應(yīng)區(qū)也可運(yùn)用這兩種發(fā)電技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充供電，尤其是用于通風(fēng)與補(bǔ)光上最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。太陽能發(fā)電原理與技術(shù)就是運(yùn)用半導(dǎo)體材料在光照作用下發(fā)生電子躍遷位移而形成電流的原理而設(shè)計(jì)的，目前常用的半導(dǎo)體發(fā)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(chǎn)生電流，再運(yùn)用貯電電瓶與逆變裝置進(jìn)行電的貯藏與轉(zhuǎn)換，這樣就構(gòu)成了一種完整的太陽能發(fā)電系統(tǒng)；而風(fēng)力發(fā)電是運(yùn)用風(fēng)力對風(fēng)扇的帶動而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電方式，原理與操作都較為簡樸而輕易掌握，在植物工廠配置太陽能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)時，可先對補(bǔ)光所需的功率進(jìn)行計(jì)算，再確定太陽能電板的受光發(fā)電面積，從而使所發(fā)的電能供應(yīng)人工補(bǔ)光或其他用電器件的供電需要?？梢孕纬娠L(fēng)力發(fā)電機(jī)組或太陽能電板群，實(shí)現(xiàn)用之不竭的植物工廠供電系統(tǒng)。下圖就是太陽能及風(fēng)能發(fā)電裝置在植物工廠上的運(yùn)用。太陽能發(fā)電裝置5.2環(huán)境閉鎖密封系統(tǒng)植物工廠是在全封閉的環(huán)境下構(gòu)建的植物種植系統(tǒng)，它規(guī)定栽培環(huán)境不受任何外界氣候因子的影響，基于此就要運(yùn)用隔熱避光與防風(fēng)的材料進(jìn)行廠房的建設(shè)，以最佳的隔熱性能來實(shí)現(xiàn)能量損耗的至少化與節(jié)能化，根據(jù)冷庫建設(shè)的隔熱原理，先擇15CM厚的泡沫絕熱板作為建設(shè)材料，這種材料具有良好的隔熱性與避光性，能使工廠內(nèi)外的能量互換最小化，內(nèi)外影響最小化，當(dāng)然對于發(fā)達(dá)的國家可以選擇某些更高檔的隔熱避光材料進(jìn)行建設(shè)，如日本大多用工業(yè)上的隔熱塑料板材為建造材料，這樣成本極高，對于我們國家還是難以接受。建設(shè)時規(guī)定接縫處粘接密封良好，以免透風(fēng)而影響植物工廠內(nèi)的人工生態(tài)環(huán)境，在建造隔熱密封系統(tǒng)時，還要加入承載力與牢固度很好的鋼材或木材作骨架，此外，在隔熱板的內(nèi)外兩面最佳還要噴涂上反光層，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)境補(bǔ)光的充足運(yùn)用，和外環(huán)境日照影響的最小化，一般我國目前的植物工廠大多內(nèi)套于溫室大棚內(nèi)，這樣有更好的抗風(fēng)性與避風(fēng)防雨作用，假如是在一般的廠房或室內(nèi)進(jìn)行植物工廠之改造，最佳也能在內(nèi)墻壁上套建泡沫房，到達(dá)環(huán)境因子影響的最小化，讓植物工廠內(nèi)的環(huán)境實(shí)現(xiàn)真正的人工模擬不受外界影響之環(huán)境。在建造時，規(guī)定重視與注意的是，通風(fēng)窗或進(jìn)氣口與泡沫板的交接處的密封性一定要好，否則漏風(fēng)導(dǎo)致環(huán)境不穩(wěn)外，還會參雜大量的細(xì)菌進(jìn)入植物工廠，而導(dǎo)致細(xì)菌真菌的滋生繁衍，影響植物之生長與無菌環(huán)境的發(fā)明。閉鎖栽培空間5.3人工補(bǔ)光系統(tǒng)的建設(shè)植物工廠內(nèi)補(bǔ)光系統(tǒng)是最為重要的系統(tǒng)，它是構(gòu)成植物生物量的一種重要能源，沒有光照，植物光合作用就不能正常進(jìn)行，一切代謝與活動所需的能量就不能供應(yīng)，植物的正常生長就不能進(jìn)行，根據(jù)科學(xué)家對光照的數(shù)年研究表明，植物的光合作用單元葉綠素對于特定波段的光源有嗜好性，如紅光、藍(lán)光、遠(yuǎn)紅光，除了這些光外，其他光質(zhì)的光照運(yùn)用率轉(zhuǎn)換率并不高，為了使植物工廠內(nèi)的植物有更高的光合作用效率，一般選擇紅藍(lán)光為主的人工補(bǔ)光系統(tǒng)，一般不一樣光質(zhì)的科學(xué)搭配比例為R/B為10-5/1，這樣的光對于植物的栽培是最合適的，并且在光周期上一般采用24小時全光照補(bǔ)光與400US的脈沖補(bǔ)光相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光照光合時間的最大化，而對于光周期敏感的開花成果植物，一般還是規(guī)定光期暗期分明的補(bǔ)光方式，這與常規(guī)自然條件下栽培有點(diǎn)相似。伴隨二極管技術(shù)及激光技術(shù)的發(fā)展，目前新建造的植物工廠大多采用LED（二極管）作為補(bǔ)光光源，它具有安裝以便，光合效率高，省電節(jié)能的長處，據(jù)生產(chǎn)測定，在相似強(qiáng)度的光照強(qiáng)度下，二極管的耗電量只是常規(guī)補(bǔ)光燈的1/10用電量，此外，更重要的是二極管是冷光源，在栽培時可貼近植物葉片表面進(jìn)行補(bǔ)光，效率更高，不發(fā)熱與不變化環(huán)境與燒傷葉片。目前用于植物工廠內(nèi)的二極管補(bǔ)光燈有燈罩式與有平板反光式，也有燈串式多種方式，詳細(xì)可按栽培生產(chǎn)的實(shí)際需要而定，在安裝時可平面也可垂面安裝，以到達(dá)光照均勻，反光漫射運(yùn)用最大化為原則即可，對于層次較多的立體栽培架可以在架間設(shè)計(jì)反光裝置，可大大提高光源的運(yùn)用率。采用二極管補(bǔ)光，安裝布線也極為以便與快捷，并且也有防水防濕的作用，在高濕環(huán)境下也不會影響使用壽命，是目前植物工廠內(nèi)補(bǔ)光系統(tǒng)的最佳選擇，目前在日本叫做LED植物工廠。除了二極管補(bǔ)光處，尚有采用激光光源進(jìn)行補(bǔ)光，也具有很高的補(bǔ)光效率，但投資成本相對較高，運(yùn)用上尚未得到普及，但未來的發(fā)展方向也許還是具有很大潛力的。二極管補(bǔ)光結(jié)合運(yùn)用太陽能風(fēng)能發(fā)電供電系統(tǒng)就可形成植物工廠的人工光獨(dú)立補(bǔ)充系統(tǒng)，是目前植物工廠內(nèi)運(yùn)用較多的補(bǔ)光措施。二極管光源補(bǔ)光系統(tǒng)5.4微噴加濕系統(tǒng)的建設(shè)植物工廠內(nèi)環(huán)境濕度的控制與管理就是運(yùn)用微噴加濕系統(tǒng)來完畢的，目前，植物工廠內(nèi)用于加濕的措施有彌霧微噴法與超聲波霧化加濕法兩種，微噴加濕系統(tǒng)對于植物工廠內(nèi)小環(huán)境氣候的發(fā)明起到極為重要的作用，對于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(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的控制管理，而對于栽培某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，就可采用超聲波霧化加濕機(jī)，不管哪種措施，都是為了到達(dá)植物生長最適的濕度環(huán)境。除了發(fā)明適合的濕度環(huán)境外，還可對于環(huán)境溫度產(chǎn)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(jié)合根外追肥或殺菌技術(shù)進(jìn)行空間殺菌與葉面補(bǔ)肥。微噴加濕系統(tǒng)的建設(shè)較為簡樸，一般由供水管道與微噴頭構(gòu)成，而超聲波霧化器就更簡樸，只需把產(chǎn)生的霧化經(jīng)風(fēng)扇通入工廠栽培空間即可。在選擇噴頭時一般選霧化程度很好的彌霧專用園藝噴頭，一般用于溫室內(nèi)微噴降溫用的進(jìn)口噴頭較佳。而水管一般選擇符飲用水原則的專用供水管，不能選擇有任何殘留的塑料廢棄物再運(yùn)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(jī)的選擇植物工廠的不一樣面積來選購所需配置的功率與霧化頭的數(shù)量。不一樣的數(shù)量的霧化頭能產(chǎn)生不一樣的水汽量，按照栽培植物對濕度的需要進(jìn)行不一樣的配置是較為科學(xué)的，如蘿卜苗菜的超聲波工廠，就是要先按空間的大小及栽培的蘿卜苗數(shù)量與每天產(chǎn)出量進(jìn)行科學(xué)計(jì)算而獲知應(yīng)選擇的功率與霧化頭數(shù)量。5.5空氣循環(huán)流通系統(tǒng)植物的生長環(huán)境以有微風(fēng)吹撫葉片表面為最佳，這樣植物的氣孔吸取二氧化碳的數(shù)量會明顯的提高，一般以每分鐘3-4米的微風(fēng)為最佳，可以在植物工廠的空間內(nèi)均勻安裝小風(fēng)扇，可以在走道上方，也可以在層架之間，也可以在隔板內(nèi)外，這些通風(fēng)裝置可以使植物工廠內(nèi)的氣體分布與環(huán)境溫濕度愈加均勻與一致，尤其是二氧化碳具有下沉性，通過對流通風(fēng)能實(shí)現(xiàn)栽培植物葉片表面的均勻供氣，此外，有了通風(fēng)系統(tǒng)對于育苗工廠來說可以大大提高育苗的密度，以提高空間的運(yùn)用率，還可以通過通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合物理殺菌，實(shí)現(xiàn)栽培空間空氣的無菌化，通風(fēng)用的小風(fēng)扇可選擇交流與直流兩種，在濕度較大的環(huán)境下以選擇直流小風(fēng)扇為好，或者在用電量不大時可以與太陽能發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)接。在栽培系統(tǒng)中一般只在空間上方安裝風(fēng)扇，而對于立體育苗架或?qū)哟屋^密的狀況下，甚至每個層架上都得安裝小風(fēng)扇，這可因詳細(xì)的生產(chǎn)需要來進(jìn)行設(shè)計(jì)與安裝。在閉鎖型的苗木生產(chǎn)工場內(nèi)，空氣循環(huán)流通系統(tǒng)結(jié)合二氧化碳的強(qiáng)制供應(yīng)成為該技術(shù)中最為重要的關(guān)鍵，它對于提高植物快繁微材料光合效率，增進(jìn)離體材料發(fā)育生根的作用極為重要，目前日本已設(shè)計(jì)出一套非常科學(xué)的通風(fēng)供氣系統(tǒng)，可以作為建造的重要借鑒。5.6二氧化碳補(bǔ)充系統(tǒng)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，植物工廠之因此有這樣大的生產(chǎn)潛能，與植物工廠內(nèi)的二氧化碳強(qiáng)制供應(yīng)是分不開的，它的設(shè)計(jì)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(nèi)消耗與遞減是非?？斓?，假如沒有外源的氣體供應(yīng)，植物工廠內(nèi)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?xì)獾墓?yīng)除了有足夠的供氣源外，還要設(shè)計(jì)輸送系統(tǒng)就是通氣管道，運(yùn)用二氧化碳的沉降性，一般在設(shè)計(jì)時都是從植物工廠的頂端輸入為好，借氣的沉降與工廠內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)二氧化碳?xì)庠诠S內(nèi)的均勻分布。此外也可用鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)制吹送，但最佳設(shè)計(jì)多入送風(fēng)口，使其到達(dá)勻衡之效果。在植物工廠內(nèi)一般植物對二氧化碳最佳濃度的需求保持在1000-1500PPM為最佳，而對于育苗還可以合適地提高，這些濃度的精確控制重要是依賴于二氧化碳濃度傳感器的實(shí)時在線檢測與控制來實(shí)現(xiàn)的。二氧化碳?xì)庠吹倪x擇，在植物工廠內(nèi)為了便于控制與穩(wěn)定供應(yīng)一般采用二氧化碳鋼瓶進(jìn)行供氣，它是干冰經(jīng)解壓后實(shí)現(xiàn)的，目前，這種供應(yīng)法成本也不高，使用也以便，為大多數(shù)植物工廠所選用。5.7營養(yǎng)液自動控制與供應(yīng)系統(tǒng)該系統(tǒng)是為植物的生長提供適合配方與濃度的養(yǎng)分輸送系統(tǒng)，只有它才能讓植物所需的水與肥得到及時的供應(yīng)，這系統(tǒng)的建造也分為輸送部分與調(diào)控部份，輸送部份由管道聯(lián)接而成，調(diào)控部份由營養(yǎng)液池，母液貯藏罐，及多種養(yǎng)分檢測探頭與自動控制構(gòu)成，它是營養(yǎng)液調(diào)控的中心，通過調(diào)控中心的科學(xué)調(diào)控，能為植物生長供應(yīng)溫度適合，多種營養(yǎng)元素齊全、溶氧充足、PH值合適的營養(yǎng)液，只有這樣才能讓栽培的植物迅速生長，這部分的建設(shè)可參照水培系統(tǒng)，植物長的好與不好在環(huán)境氣候因子確定狀況下，重要就是由營養(yǎng)液的配方所決定，因此調(diào)控中心要完畢EC值、PH值、溶氧、液溫的調(diào)整與控制，這種控制目前一般都是通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來完畢，也叫做養(yǎng)液調(diào)控中心。其中營養(yǎng)液池中還必須設(shè)計(jì)營養(yǎng)液的殺菌消毒系統(tǒng)，運(yùn)用它把回流已污染的養(yǎng)液進(jìn)行凈化，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)用，一般會滋生的生物有細(xì)菌、真菌、病毒、及藻類，會導(dǎo)致污染的有機(jī)物有根系分泌物，菌類排出物，藻類代謝物，這些菌與有機(jī)物都會污染營養(yǎng)液，可以在營養(yǎng)液池中安裝紫外線電場復(fù)合殺菌器或者納米材料制作的殺菌裝置，這樣才能讓植物工廠內(nèi)的栽培環(huán)境實(shí)現(xiàn)空間與養(yǎng)液的無菌化。該系統(tǒng)的安裝與使用相對較為復(fù)雜些，但目前國內(nèi)外，都已經(jīng)有成套的養(yǎng)液調(diào)控設(shè)奮與技術(shù)方案，也是較易掌握與運(yùn)用的。5.8物理殺菌系統(tǒng)雖然植物工廠是在相對封閉的環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)與操作，但難免某些生產(chǎn)過程或植物生長過程會導(dǎo)致菌類的滋生與蔓延，使生產(chǎn)過程難以實(shí)現(xiàn)正真的免農(nóng)藥栽培，針對這些問題，必須運(yùn)用物理殺菌的技術(shù)作為重要的處理方案，以實(shí)現(xiàn)無公害綠色農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)。分析輕易攜帶與進(jìn)入植物工廠的細(xì)菌有如下某些重要環(huán)節(jié)，如操作人員攜帶與內(nèi)外環(huán)境通風(fēng)對流以及生產(chǎn)工具等，針對這些也許引起細(xì)菌滋生的原因，制定了如下的某些殺菌與防菌措施作為系統(tǒng)建造的根據(jù)，在進(jìn)入植物工廠所有人員必須先進(jìn)行換鞋更衣與殺菌消毒，這個殺菌室一般設(shè)于入口處的緩沖間；為防止內(nèi)外對流時空氣帶菌，一般可以通過在每個入氣口加上一種空氣殺菌裝置，或空氣過濾裝置，一般以兩種方式結(jié)合很好。除了這些防止外源進(jìn)入的某些措施外，還需對植物工廠內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行定期的全面殺菌消毒，包括走道、器具、場所等，這些消毒目前最佳的措施就是運(yùn)用電功能水，這種電功能水具有很強(qiáng)大的殺菌能力，可以在1-10分鐘內(nèi)把細(xì)菌、真菌及病毒殺死，并且運(yùn)用電功能水的強(qiáng)氧化性與強(qiáng)還原性，殺菌后不對環(huán)境導(dǎo)致一點(diǎn)殘留，這種措施已在日本的植物工廠內(nèi)得到普及與運(yùn)用，而我國才剛剛開始。此外，尚有電場臭氧紫外線超聲波等殺菌措施，總之不管采用哪一種，一定要以物理手段與措施不會對環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品導(dǎo)致任何污染與殘留為原則，如下就是電功能水的發(fā)生裝置，生產(chǎn)安裝與運(yùn)用都極為簡樸，是目前處理農(nóng)藥危害的最有效的一種途徑。5.9溫度控制系統(tǒng)一切植物的生長發(fā)育都必須在一定的溫度條件下才能進(jìn)行正常的生理活動與代謝；是植物生長的最基本原因，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(nèi)為了產(chǎn)生更好的栽培效果，對于環(huán)境溫度的規(guī)定還要更于嚴(yán)格，溫度的控制在植物工廠內(nèi)是通過溫度傳感器及自動控制來實(shí)現(xiàn)的，而加溫或致冷的執(zhí)行部份重要由空調(diào)機(jī)、加熱用的熱風(fēng)爐、暖氣片、加熱管道、地下熱、致冷器等來完畢加熱或降溫所需的能量，目前在植物工廠內(nèi)，運(yùn)用較多而較先進(jìn)的就是運(yùn)用半導(dǎo)體加溫致冷，它具有運(yùn)行成本低，安裝使用以便的長處。也可因地制宜，尤其是加溫部份，在能源較為豐富的煤礦區(qū)或地下熱資源豐富的地方可采用熱風(fēng)爐進(jìn)行冬季加溫或地下熱的管道加溫與鍋爐加溫，可靈活應(yīng)用。而加溫部件選定安裝好后，就是必須布局好輸熱排氣管道，一般都是從植物工廠的房頂進(jìn)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(fēng)口需均勻在布局于植物工廠的頂面與側(cè)面，這樣更有助于散熱降溫。目前，加溫或致冷是植物工廠中運(yùn)行成本較高的一部份，在自然風(fēng)能與太陽能豐富的地方可以運(yùn)用它們進(jìn)行節(jié)能化的加溫與致冷，如太陽能空調(diào)，太陽能加溫與發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電等。5.10立體式栽培系統(tǒng)栽培系統(tǒng)是由栽培床或槽及立體式的栽培架所構(gòu)成，它是植物生長與固定場所，也是營養(yǎng)液供應(yīng)及植物生長的場所，它的設(shè)計(jì)目前有平面式的栽培床，尚有立體式的栽培架，甚至某些工廠為了充足運(yùn)用空間采用或移動式的栽培床，不管哪種栽培系統(tǒng)都是為了合理與充足地運(yùn)用栽培空間，提高植物工廠運(yùn)用率及生產(chǎn)效率而設(shè)定的。栽培床可以是用專門用于園藝栽培的泡沫床也可以是用裝修板材制成的木制床或槽，但假如是木制材料制作，必須對木材表面進(jìn)行防水防腐處理，這些材料具有輕型易裝的特點(diǎn)，因此在植物工廠內(nèi)的運(yùn)用還是較為普遍。而栽培架的制作大多采用防銹防水防腐處理過的鋼架進(jìn)行組裝或焊接而成，它的規(guī)格與大小因栽培目的植物大小及可運(yùn)用空間的大小而靈活確定，對于喜陽的瓜果類層次可大些提高通風(fēng)透光率，而對于葉菜或芽菜類層次可設(shè)密某些以提高空間運(yùn)用率，這些方面可因生產(chǎn)而定。立體式的栽培架5.11計(jì)算機(jī)自動控制及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)這個系統(tǒng)是植物工廠的大腦關(guān)鍵，前面簡介的各個系統(tǒng)其實(shí)都是為了配合與服務(wù)于這個系統(tǒng)而設(shè)定的，該系統(tǒng)是植物工廠的指揮官與大腦，一切環(huán)境因子的發(fā)明及栽培因子的監(jiān)測與控制都得通過計(jì)該系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。例如當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度過高超過限定值時，計(jì)算機(jī)就會發(fā)出致冷降溫指令而啟動致冷系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境降溫，假如當(dāng)溫度下減少于限定值時，計(jì)算機(jī)又會發(fā)出加溫指令而啟動加溫設(shè)備進(jìn)行環(huán)境加溫，此外光照的控制及濕度的控制尚有諸如營養(yǎng)液濃度及溶氧的控制都是同樣，都是通過系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制來實(shí)現(xiàn)環(huán)境多種因子的相對穩(wěn)定性，沒有這系統(tǒng)，植物工廠就主線無法運(yùn)行，也就無法實(shí)現(xiàn)人工環(huán)境的最佳模擬，它的構(gòu)建安裝就要是完畢與各個執(zhí)行部件的電信號聯(lián)接與多種傳感器在空間內(nèi)的布局，其他的控制主機(jī)部們目前均有相對成熟與成型的設(shè)備與技術(shù)，只需進(jìn)行安裝就可使用。安裝與聯(lián)接好計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，還可以把它與電腦聯(lián)接實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程控制，運(yùn)用電腦網(wǎng)絡(luò)或者手機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)跨空間遠(yuǎn)距離控制，實(shí)現(xiàn)的措施有兩種。一種是通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，一種是通過無線模塊實(shí)現(xiàn)無線通訊控制，只要手機(jī)有信號的地區(qū)都可對基地進(jìn)行操作與控制，運(yùn)用上述兩種措施可以實(shí)現(xiàn)全球性的控制。目前運(yùn)用最多最實(shí)用的還是直接把辦公室的微機(jī)與植物工廠的計(jì)算機(jī)控制主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)線聯(lián)接實(shí)現(xiàn)近距離的控制，這種也是較為實(shí)用與以便的，你也可以在辦公室內(nèi)處理植物工廠內(nèi)的一切運(yùn)行數(shù)據(jù)設(shè)定，專家模式切換與圖像處理，操作指令確實(shí)定，有了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與軟件，才真正實(shí)目前辦公室內(nèi)就可種田的理想，這也是植物工廠區(qū)別于常規(guī)農(nóng)業(yè)的一種重要特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)自動控制柜5.12視頻監(jiān)控與圖像傳送系統(tǒng)為了使管理者以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與遠(yuǎn)程診斷，在植物工廠內(nèi)一般都在不一樣的角度安裝攝像頭，這些攝像頭具有360度的旋轉(zhuǎn)可調(diào)性與焦距可變性，能從不一樣的角度觀測植物的生長狀況，并且可以進(jìn)行24小時的實(shí)時在線監(jiān)控錄像與傳送。安裝該系統(tǒng)可以輕松實(shí)目前家就可種田的夢想，就可實(shí)現(xiàn)專家診斷遠(yuǎn)程化，不需進(jìn)入植物工廠內(nèi)就可進(jìn)行植物生長的診斷，運(yùn)用可調(diào)焦鏡頭可以很清晰地觀測到植物葉片表面的氣孔與與否缺素的癥狀，能為科研者或生產(chǎn)者提供大量的植物生長資料，為生產(chǎn)決策作參照。該統(tǒng)重要數(shù)攝像頭、數(shù)字化硬盤、軟件、及電腦構(gòu)成，還可結(jié)合計(jì)算機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)圖像與參數(shù)的實(shí)時在線監(jiān)控與記錄，通過生長狀況與環(huán)境參數(shù)曲線的記錄可以進(jìn)行植物最佳生長模式的分析，為制定新品種的專家系統(tǒng)提供大量參數(shù)與根據(jù)。遠(yuǎn)程控制軟件5.13廢物廢液的循環(huán)再運(yùn)用系統(tǒng)在植物工廠的栽培與收獲過程中，某些營養(yǎng)廢液的排放，及植物的殘?jiān)认履_料都可以作為生物菌發(fā)酵的原料進(jìn)行堆肥處理，把堆肥發(fā)酵后的無菌無臭殘?jiān)鳛闋I養(yǎng)土配制的原料進(jìn)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(yǎng)液進(jìn)行二次循環(huán)運(yùn)用，采用這種措施可以實(shí)現(xiàn)植物工廠的零排除，正真做到植物微生物環(huán)境間友好共處的生態(tài)環(huán)境，讓植物工廠自身就能完畢整個生態(tài)圈內(nèi)的能量循環(huán)，也不會由于排出的廢液下腳料而影響到工廠外環(huán)境導(dǎo)致污染與影響生態(tài)。完畢這個環(huán)節(jié)所起到作用最大的技術(shù)就是生物菌的發(fā)酵處理技術(shù)，在該系統(tǒng)完裝時，只需按生物菌發(fā)酵的流程與工藝購置成套的設(shè)備與有關(guān)檢測儀器即可，操作使用都較為簡樸，可認(rèn)為多種類型的植物工廠所采用?？傊?，植物工廠是一種復(fù)雜的多學(xué)科交錯的龐大系統(tǒng)，它的完畢其實(shí)不僅僅是上述所提及的十三大系統(tǒng)，在詳細(xì)的建造中尚有波及更多的子系統(tǒng)與子工程，例如殺菌系統(tǒng)的構(gòu)成它就由多種殺菌方式與技術(shù)復(fù)合構(gòu)成，為了增進(jìn)工廠內(nèi)植物的光合作用，還可在植物工廠頂上方布施電場網(wǎng)，以提高光合效率進(jìn)行光合作用速率的調(diào)控；在二氧化碳補(bǔ)充系統(tǒng)中，許多植物工廠內(nèi)又結(jié)合了碳酸水補(bǔ)氣法，這樣就又需配制一種碳酸水發(fā)生裝置的子系統(tǒng)，在深液流的水培中除了在營養(yǎng)液調(diào)控中心進(jìn)行養(yǎng)液調(diào)控外，還需在栽培容器或床內(nèi)布設(shè)曝氣增氧系統(tǒng)，在植物工廠內(nèi)還要建設(shè)用于蔬菜采后預(yù)貯與包裝系統(tǒng)，有些還需配建冷藏庫，其他的諸如播種機(jī)、插苗機(jī)、嫁接機(jī)、操作升降臺、走動式的補(bǔ)光加濕機(jī)、超聲波蔬菜清洗機(jī)、蔬菜加工包裝流水線等，尚有許多子系統(tǒng)與設(shè)備是要按生產(chǎn)需要而進(jìn)行靈活配置的。其實(shí)植物工廠就是把多種最先進(jìn)的生產(chǎn)工具與生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了綜合的集成，在這里可以充足體現(xiàn)植物生產(chǎn)過程的全方位工廠化自動化精確化與智能化，是各學(xué)科各技術(shù)的高度集約化的生產(chǎn)模式。伴隨植物工廠建造技術(shù)的不停發(fā)展與完善，相信很快的未來就會形成我國特色的植物工廠建造原則與模式，大大推進(jìn)與加緊我國植物工廠技術(shù)的發(fā)展速度，為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高起到極為重要的推進(jìn)作用。六、植物工廠示意圖及應(yīng)用效果6.1補(bǔ)光型半天候的植物工廠補(bǔ)光型半天候的植物工廠，這種植物工廠不是完全運(yùn)用人工光照而是自然光與補(bǔ)光相結(jié)合的一種工廠模式，它具有補(bǔ)光耗能少，并且光照強(qiáng)度大的特點(diǎn)，適合于種植多種開花成果型的植物種類，但這種植物工廠在夏季光照充足氣溫高的季節(jié)，需要用大量的電能用于降溫耗能，并且溫度因子的穩(wěn)定性沒有全封閉型的可靠，不過這種目前還是能為許多投資者所采納與運(yùn)用。6.2立體式高效率植物工廠立體式高效率植物工廠，這種植物工廠，目前已被日本電力企業(yè)采納與運(yùn)用，它的重要長處是運(yùn)用率可以比平面式大大提高，蔬菜的栽培周期大大縮短，重要用于萵苣等葉菜類的生產(chǎn)，如萵苣在植物工廠內(nèi)兩周就可收獲，一年可種植20多茬，也可用于蘑菇的栽培種植，以蘑菇為例，可以使蘑菇的周期縮短為20天，產(chǎn)量與質(zhì)量多得到超人的是提高。這種模式可以做成全天候也可以是半天候，也是效益較高能源運(yùn)用率很好的一種模式。栽培的糧食作物水稻這是一種建于地下的全天候人工模擬栽培工廠，是建于東京一種銀行的地下室，運(yùn)用這種工廠植物栽培種各各樣的糧食蔬菜植物，上圖就是栽培的水稻，水稻在全天候環(huán)境下，一種可以收獲5-6季。這種模式一般者是依托電力支持的人工系統(tǒng)，但也有某些是運(yùn)用光導(dǎo)技術(shù)，如光纖名光導(dǎo)裝置，把地下的太陽光照經(jīng)光處理后傳送至地下栽培空間，這種模式投入最大，但它可以在鬧市區(qū)進(jìn)行，可以在沒有地面空間的高樓大廈的地底下進(jìn)行，是未來都市觀光農(nóng)業(yè)的一種好模式。栽培的花卉與蔬菜運(yùn)用這種植物工廠進(jìn)行芽苗菜的培育運(yùn)用植物工廠進(jìn)行種苗的閉鎖型高農(nóng)密度迅速生產(chǎn)6.3貨柜隔熱型全天候植物工廠貨柜隔熱型全天候植物工廠，栽培空間是運(yùn)用隔板材建造，與外界環(huán)境基本隔絕，因外界環(huán)境這化而導(dǎo)致栽培空間氣候因子變化的影響度小，可以實(shí)現(xiàn)全天候的人工模擬，環(huán)境可以做到相對穩(wěn)定，適合于葉菜類生產(chǎn)及種苗工廠化培育，可以做到全封閉的無菌化操作，如極地植物工廠。這種模式可以使空間層次布局更多密度更大，育苗或葉菜栽培的效率可以上十倍的提高。極地植物工廠內(nèi)栽培的多種蔬菜多種各樣的營養(yǎng)液栽培方式極地植物工廠，在最寒冷的極地建造植物工廠，規(guī)定有極好的隔熱密封性，否則難以在寒冷的材料建造穩(wěn)定的栽培空間，一般采用強(qiáng)度好而隔熱良好的工業(yè)材料進(jìn)行空間建造，此外，還需有太陽能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)支持，為栽培空間提供環(huán)境控制所需的所有能量。目前，美國的亞利桑那大學(xué)已在南極建立了這種植物工廠，為極地工作人員提供新鮮之蔬菜。6.4船艙式微型植物工廠空間站設(shè)計(jì)的船艙式微型植物工廠這種植物工廠其實(shí)就是空間生命支持技術(shù)在植物栽培上的運(yùn)用，研究在離開地球的太空中，怎樣讓植物在失重的環(huán)境下進(jìn)行正常的栽培與生長，是目前空間生命技術(shù)中研究較多的課題，目前美國已在空間站進(jìn)行栽培試驗(yàn)與運(yùn)用，為宇航員處理新鮮蔬菜的供應(yīng)問題，此外，它也可作為一種微型的生態(tài)圈，對空間環(huán)境進(jìn)行影響與調(diào)整。月球上的植物工廠系統(tǒng)示意圖這是美國研究成功