植物工厂系列谈_七_植物工厂光照和温度调控

温度环境及其控制技术
总管上安装循环水泵。在系统管道和散热器 的连接上采用单管式或双管式。根据室内湿
５００００ｈ以上，发光效率高，发热少，实现了
温度和植物生长的关系密切，温度对作 度高的特点，多用热浸镀锌圆翼型散热器，散
低热负荷和生产空间小型化。同时，脉冲发 物的重要性在于必须在一定的温度条件下， 热面积大，防腐性能好。散热器一般布置在作
水稻已经收到了很好的效果。ＬＤ在植物工厂
温度对作物的生长发育、产量、品质影响极 从热压的角度看，进出气窗的垂直高差越大，
的实用化不仅可以解决２１世纪的粮食不足 大，温度控制的目的是维持作物生长发育过程 空气重力压差就越大，通风效果越好。因此，
问题，而且连能源和资源不足的问题也会迎刃 的动态适温。温度控制的主要内容和技术如下： 屋脊和侧墙都设置通风口的温室，其通风效率
早在１９９４年就提倡使用激光作为植物工厂 光合产物的输送、根系的生长以及水分和养 风方式，它适用于高温、高湿季节的全面通
的照明光源。用波长为６６０ｎｍ的红色ＬＤ加 分的吸收均有着显著的影响。
上５％的蓝色ＬＥＤ的组合光源来生产生菜和 植物工厂内的温度调节与控制
风，在其他情况下，有时也可采用这种方式。 自然通风的必要条件是温室设有换气窗。
（４１０ｎｍ 和４１７ｎｍ）也可以在室温下连续工 了防止室内温度过高，应尽量减少室内得热 温室夏秋季通风主要是为了抑制高温，而冬季
作，只是蓝色ＬＤ的功率和寿命还没有达到植 物生产要求的水平。最近，使用工作在
量，增加散热量。遮阳、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
换气则是调节室内空气湿度、补充ＣＯ 等。 ２ 通风方式有自然通风和强制通风两种。
☆ ＬＥＤ光源 ＬＥＤ的光谱域宽在±２０ｎｍ左 光源布置
等组成。热源有石化燃料（煤、石油、天然气）、
右，波长正好与植物光合作用和形态建成的
在设计一个有效的光照系统时有许多 电、余热及地热等。热媒有热水、热风、蒸汽。
光谱范围吻合。近年来，ＧａＡＩＡｓ的红色ＬＥＤ 影响因素，灯的布置取决于作物、光照度、 采暖系统的选择应综合考虑种植空间的大小、
统。在系统内需要为对象作物提供适宜的生 补光时间因植物种类、天气状况、地理条件 尽量选择发射光谱与需用光谱接近的产品，
长环境。这些环境因子包括：光照（光强、光 而变化。为抑制短日照植物开花，一般在早 必要时再考虑应用多种光源组合；考虑光源
质和光照时数）、温度、湿度、ＣＯ 浓度、风 ２
速以及营养液的 ｐＨ、ＥＣ、肥料成分、溶氧
产物积累、转流分配、发育和呼吸等生理过 光合遮阳
和远红外光的比例较大，因此相当多的能量
程与环境因子之间的关系，综合考虑各环境因
光合遮阳主要目的是降温和减弱光照强 以热效应方式传递到温室环境中，能耗很
子的复合作用效果，选择运行成本低、效果好 度，四周不需严密搭接，也叫部分遮阳。目 大，同时所产生的热效应给控制过程造成许
人工光源的选择及室内光源布置
早期的人工光选择多是在生长室内组合
电光源中最成功、使用最广泛的一种。由于 荧光灯提供线光源，一般可获得更均匀的光 照。主要缺点是单灯功率小，一般为 ３～
光合补光
使用大量的荧光灯与少量的白炽灯，有时则 １２５Ｗ，多用于光周期补光。
在高纬度地区或连阴天，造成光强和光 根据不同的研究用途分别选择使用高压水银 ☆ 金属卤化物灯 一种新型光源，具有发光
光。这些激光的发光效率均在６０％左右，连 季正常运转的基本条件。
压力差，实现室内外空气间的流动。
续脉冲输出可达到数十毫瓦。日本东海大学
植物工厂内的气温和栽培床基质（或营 ☆ 自然通风 在太阳光利用型和太阳光人工
的高 正基教授和大阪大学的中山正宣教授 养液）的温度对作物的光合作用、呼吸作用、 光并用型植物工厂里，自然通风是常用的通
而解。需要注意的是，从使用成本的角度来 加温
最为显著。只设置侧墙通风口或屋面通风口的
看，ＬＤ光源面临着与ＬＥＤ光源的价格竞争。
供暖系统一般由热源、热媒管道和散热器 温室都难以获得良好的通风。从风压作用的角
G R EEN H O U SE H O R TICU LT U RE 3 5
度看，应充分考虑当地夏秋季的主导风向，将 不均匀。采用循环通风，可以促使冷热空气 荫网，是以聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺等为原
法。目前使用的人工光源仅限于电光源一种， 源也在进一步研究与开发之中。
１０００Ｗ两种规格。安装灯具时应同时考虑设
通常使用高压钠灯（ＨＩＤ）进行补光。由于成 人工光源的选择依据
置反光罩，使光照更均匀，光照强度更大。
本太高，大面积应用还难以做到，但在蔬菜育
人工光源的选择取决于不同的使用目 ☆ 高压钠灯和低压钠灯 高压钠灯性能类似
温室管理
植物工厂系列谈（七） ——植物工厂光照和温度调控
■ 杨其长 张成波
植物工厂是在高精度环境控制的封闭或 周期补光是作为调节生长发育的信息提供 照系统的设计；系统的投资及运行费用等。
半封闭生长空间内进行植物周年生产的系 的，需用的光照度较低，一般为２２Ｌｘ左右。
在设计人工光照时，应考虑光谱能量，
光也有利于植物的光合作用。因此，以现在 普遍推广的高压钠灯１８元人民币／Ｗ的使用
作物才能进行体内生理活动及其生化反应。 物层附近或栽培床下。散热器的规格和长度的
植物工厂内外热收支
确定要以满足供暖设计热负荷要求为原则，在
成本推算，即使是ＬＥＤ光源比高压钠灯贵上
除人工光利用型植物工厂外，其他类型 室内均匀布置以期获得一致的温度分布。
照时数不足，或整体作物具有较高的光照强 灯或氙气灯。后来又采用卤化金属灯。而在 效率高（约１００ｌｍ／Ｗ）、光色好、寿命长和输
度要求时，进行光合补光是必要的。
植物工厂里多用高效率的高压钠灯，同时 出功率大等特点，是目前高强度人工光照的
利用人工光源补充照明是行之有效的方 ＬＥＤ（发光二极管）和ＬＤ（激光灯）等新光 主要光源。作物生产中常用的是 ４００Ｗ 和
导体和发黄绿光的ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ 距离是影响种植区域辐照度和光分布的一 热管道和散热器等组成。一般采用低温热水
Ｇａｒｎｅｔ）合成一体化的白色ＬＥＤ的价格也在 项重要因素。温室中反映光照均匀程度的 供暖（供、回水温度分别为９５℃和７０℃）。
不断降低。ＰＰＦ 设置为 １５０ｍｏｌ·ｍ－２·ｓ－１， 参数为照度均匀率，即室内最小照度与最 由于热水采暖系统的锅炉与散热器垂直高差
Ｒ／Ｂ 比为５、１０、２０的ＬＥＤ和金属卤化物灯 大照度之比。为保证作物生长均匀，照度 较小（＜３ｍ），因此，一般不采用重力循环
的对照试验相比，Ｒ／Ｂ比为１０的ＬＥＤ光源的 均匀率推荐值应＞０．７。
的方式，而采用机械循环的方式，即在回水
植物产量无论从干物重还是品质来讲都比金 属卤化物灯要好。ＬＥＤ的使用寿命一般在
的调控手段进行优化控制，以达到理想的控制 前，生产上比较实用的遮阳方法是采用黑纱 多不利影响。所以在选择人工光源时，一定
效果。这里，主要对植物工厂的光照、温度调 网、无纺布或缀铝遮阳网进行内遮阳或外遮 要充分考虑光源的发光效率。
节作重点介绍。
阳。对于玻璃温室，还可在玻璃表面上刷一层 常用人工光源
光环境调控技术
８６０ｎｍ 附近的ＡｌＧａＡｓ的激光可发出４３０ｎｍ 低，室内外温差大，为了保持室温，应尽量 自然通风是利用室内外温差造成热压或自然
附近的蓝色光，工作在 ９ ０ ０ ｎ ｍ 附近的 减少失热量，增加得热量。采取保温节能措 风力造成的风压促使空气流动；而强制通风
ＡｌＧａＡｓ 的激光可发出 ４５０ｎｍ 附近的蓝色 施，必要时启用采暖设备是保证植物工厂冬 则是依靠风机机械旋转动力造成室内外空气
☆ ＬＤ光源 激光的发光效率较高，且激光 强度、风速、风向等；室内扰量包括采暖系 式和电热式，常用的是燃煤和燃油式。
设备的发光光谱与植物光合作用的叶绿素吸 统、照明及其他设备的散热，作物及栽培床 ☆ 地下部加温 地下部加热是对营养液或基
收光谱基本一致。单纯从植物的光合作用来 的散热、散湿等。在这些扰量作用下，室内 质进行加热，目的是使作物根部保持正常生
加上它功率高、发光效率好、可以用电流直 变化，使温度维持在作物生长需要的水平。 通风换气
接调节。功率为 ３ ｍ Ｗ 的 Ａ ｌ Ｇ ａ Ａ ｓ 系 Ｌ Ｄ 当室内空气得热量大于失热量时，温度升
通风换气不仅能排除室内多余的热量降低
（６５０ｎｍ）的价格逐渐降低，ＧａＮ 的蓝色 ＬＤ 高；反之，温度降低。夏季外界气温较高，为 室温，而且还能排出多余水汽调节空气湿度。
讲，激光的单色性与直向性对植物生长不 的空气始终保持着热平衡。
长温度。主要方法有：① 水培时对营养液加
利，但激光光源具有体积小、重量轻、低电
室内热环境控制就是通过一定的工程措 温，即采用热水加温（管道的方式）；② 基
压、脉冲发光、干涉性好、寿命长等优点，再 施，人为地调节室内与外界环境之间的热量 质栽培时采用热水管道或电热线加温方式。
白灰或玻璃表面喷水，达到遮阳降温的效果。 ☆ 白炽灯 从光谱来看，白炽灯的辐射能主
光周期遮光
要是红外线，可见光所占比例很小。白炽灯
光照是作物生命活动的能量源泉，又是
光周期遮光的目的是延长暗期，保证短 发光效率很低（约１０～２０ｌｍ／Ｗ），目前，常
某些作物完成生命周期的重要信息。无论是 日照作物对最低连续暗期的要求，这种方法 用的白炽灯为４０～１００Ｗ，一般只作为辅助
１０倍也是有可能推广应用的。由于蓝色ＬＥＤ 的植物工厂都是一个半封闭的热力系统，它 ☆ 地上部加热 地上部加温主要由热源、空
成本还比较高，ＬＥＤ光源的大规模推广应用 随时受到室内外诸多扰量的影响。其中，室 气换热器、风机及送风管道等组成。根据热
还需要一段时间。
外扰量有：室外空气温度、湿度、太阳辐射 源的不同，可以分为燃煤式、燃油式、燃气
苗工厂中应用则较为经济且能育出壮苗。
的，选择时应遵循合理和经济的原则。在选 金属卤化物灯，寿命约２４０００ｈ。广泛用于蔬
光周期补光
择和设计光照系统时需要考虑许多要素，其 菜及花卉的光合补光。低压钠灯是一种很特
对于光周期敏感的作物，特别是在光周 中包括：作物对光的响应；其他环境因素的 殊的光源，只有５８９ｎｍ的发射波长，在电光
弱光、短日照或强光、长日照都可能成为某 多用于进行花期调控。延长暗期要保证光照 光源应用。
些作物生长、发育的限制因子。因此，对植 强度低于临界光周期强度（约２２Ｌｘ以下），通 ☆ 荧光灯 是一种低压气体放电灯，内壁涂
物工厂内的光照环境进行调节控制是十分必 常采用黑布或黑色薄膜在作物顶部和四周严 有荧光粉。通过改变荧光粉的成分可获得不
（６６０ｎｍ）的发光效率达到了２２％以上，ＧａＮ 温室高度、灯的大小等。离开灯一定距离 结构、种植方式和生产的经济效益等。
的蓝色 ＬＥＤ（４１０ｎｍ 和 ４７０ｎｍ）的发光效率 的某点上的光照度与此距离的平方成反 ☆ 热水供暖 植物工厂一般采用热水供暖系
也达到了８％以上， 把发蓝色光的ＩｎＧａＮ半 比，在设置灯的位置时，灯与作物之间的 统集中供暖。热水供暖系统由热水锅炉、供
期的临界期，当暗期过长而影响作物的生长 影响；作物对光照度、光照时间和光谱成分 源中的发光效率最高。由于产热量小，低压
发育时，应对作物进行人工光周期补光。光 的要求；可产生最佳效果的光源；最均匀光 钠灯与高压钠灯可以更加接近作物。
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晚补光４ｈ，使暗期短于７ｈ；也可进行深夜间 断暗期补光２～５ｈ，间断暗期也能起到早晚
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强度时，既要使多组灯组合具有一定的调节 余地，又要尽量不增加灯具设置和更新投
量、液温、流速等。对植物工厂进行环境优 补光，抑制短日照植物开花的效果。
化控制，最根本的是要明确作物光合作用、 遮光调节
资。另外，选择人工光源时，还要考虑光源 的热负荷。一般情况下，人工光源采用红外
要的。
密覆盖，因而光周期遮光又叫完全遮光。在 同的可见光谱。荧光灯光谱性能好，发光性
光照环境的调节，是根据作物的种类及生 遮光期间，应加强通风，防止黑膜下面出现 能较好（约６５ｌｍ／Ｗ），使用寿命长，是现有
育阶段，通过一定的措施，调节光照条件，创 造良好的光照环境，以提高作物的光合效率。
补光调节
高温高湿，危害植株。