周增產(chǎn)，董 微，張曉文，姚 濤，胡福生，封喜雷

(1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096； 2.北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094；3.北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引言

集裝箱植物工廠采用封閉式環(huán)境，可為植物全生長(zhǎng)周期智能提供生長(zhǎng)所需的光、溫、水、氣和肥，且不受外界自然環(huán)境的影響，適用于任何地區(qū)，包括自然條件極端惡劣的海島和沙漠[1-5]。傳統(tǒng)的集裝箱植物工廠沒(méi)有配置新風(fēng)系統(tǒng)，無(wú)法滿足箱體內(nèi)新風(fēng)量的要求[6-7]。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)封閉環(huán)境的要求不斷提高，如何實(shí)現(xiàn)集裝箱植物工廠內(nèi)空氣自動(dòng)過(guò)濾、平衡室內(nèi)溫濕度環(huán)境，同時(shí)達(dá)到寧?kù)o運(yùn)行、節(jié)能減排的效果，已成為集裝箱植物工廠內(nèi)環(huán)境凈化亟待解決的問(wèn)題[8-10]。本文介紹一種新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)，適配于集裝箱植物工廠內(nèi)，可完美解決集裝箱植物工廠內(nèi)環(huán)境凈化難題，實(shí)現(xiàn)植物工廠內(nèi)溫濕度均勻。

1 新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)組成

新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)由新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)組成，新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)節(jié)集裝箱植物工廠內(nèi)環(huán)境。新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后能夠快速高效向集裝箱植物工廠內(nèi)輸送大量有氧新風(fēng)，同時(shí)快速排出植物工廠內(nèi)污濁空氣，確保植物工廠內(nèi)空氣清潔。新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)在清潔集裝箱植物工廠內(nèi)空氣的同時(shí)平衡了溫濕度環(huán)境，為作物打造良好生長(zhǎng)空間，安全高效且節(jié)能環(huán)保。集裝箱植物工廠新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)示意如圖1所示，集裝箱植物工廠內(nèi)外景如圖2所示。

1.集裝箱門(mén) 2.空調(diào)風(fēng)道 3.栽培架 4.新風(fēng)系統(tǒng) 5.空調(diào)主機(jī) 6.新風(fēng)管道圖1 集裝箱植物工廠新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of integrated system of fresh air and air conditioning in container plant factory

圖2 集裝箱植物工廠內(nèi)外景Fig.2 Inside and outside of container plant factory

2 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新風(fēng)系統(tǒng)具有空氣凈化和高效節(jié)能的功能，包括新風(fēng)機(jī)組、新風(fēng)入口、新風(fēng)出口、空氣凈化裝置、排風(fēng)機(jī)組、排風(fēng)入口、排風(fēng)出口和熱交換芯體，用于新風(fēng)換氣和空氣過(guò)濾。新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.排風(fēng)出口 2.排風(fēng)機(jī)組 3.熱交換芯體 4.排風(fēng)入口 5.新風(fēng)出口 6.新風(fēng)機(jī)組 7.空氣凈化裝置 8.新風(fēng)入口圖3 新風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of fresh air system

新風(fēng)系統(tǒng)工作時(shí)，集裝箱植物工廠內(nèi)外雙向換氣，持續(xù)將室外新鮮空氣輸入到集裝箱內(nèi)，清新空氣無(wú)限循環(huán)通過(guò)過(guò)濾器，濾除空氣中的灰塵及粉塵。室內(nèi)排風(fēng)和新風(fēng)分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱器芯體時(shí)，由于氣流分隔板兩側(cè)氣流存在溫差和蒸汽分壓差，兩股氣流通過(guò)分隔板時(shí)呈現(xiàn)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，引起全熱交換過(guò)程，氣體交換后通過(guò)新風(fēng)管道進(jìn)入集裝箱植物工廠內(nèi)或排到室外。夏季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從空調(diào)排風(fēng)獲得冷量，使溫度降低，同時(shí)被空調(diào)風(fēng)干燥，使新風(fēng)含濕量降低；冬季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從空調(diào)室排風(fēng)獲得熱量，溫度升高。新風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)風(fēng)量為150～500 m3/h。通過(guò)換熱芯體的全熱換熱過(guò)程，讓新風(fēng)從空調(diào)排風(fēng)中回收能量，同時(shí)調(diào)節(jié)集裝箱植物工廠內(nèi)溫度與濕度，平衡作物生長(zhǎng)環(huán)境。利用空氣凈化裝置，過(guò)濾從室外進(jìn)入的空氣，完成空氣潔凈的目的。

3 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)機(jī)組和風(fēng)道，用于溫度的調(diào)節(jié)。空調(diào)機(jī)組冬季制熱、夏季制冷，通過(guò)風(fēng)道將適宜溫度的空氣傳遞到集裝箱植物工廠內(nèi)，與新風(fēng)系統(tǒng)協(xié)助調(diào)節(jié)種植內(nèi)環(huán)境。本系統(tǒng)采用冷暖兩用空調(diào)，制冷劑是氟利昂。利用制冷劑氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，釋放大量的熱量；由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)，會(huì)吸收大量熱量的原理調(diào)節(jié)溫度。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年11月19日進(jìn)行了集裝箱植物工廠室內(nèi)外溫度、濕度測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間為9∶00—17∶00，溫濕度每隔30 min記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)試儀器

試驗(yàn)采用RC-4HC型溫濕度測(cè)量?jī)x，數(shù)量13個(gè)。

4.3 試驗(yàn)方法

將集裝箱植物工廠內(nèi)一側(cè)栽培架分為A、B和C共3個(gè)測(cè)試區(qū)(圖4)，每個(gè)區(qū)域垂直方向設(shè)置4個(gè)溫濕度測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)距離燈管20 cm。室外溫濕度測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選取背陰處，避免太陽(yáng)光直射對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。

圖4 溫濕度測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of temperature and humidity measuring points

5 結(jié)果與分析

5.1 溫度

各層溫度平均值對(duì)比如圖5所示。測(cè)試期間栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)溫差0～1.5 ℃，A區(qū)垂直方向溫差1.1～2.8 ℃，B區(qū)垂直方向溫差0.9 ℃～2.9 ℃，C區(qū)垂直方向溫差1.1～2.6 ℃，室外測(cè)點(diǎn)溫度5.2～10.7 ℃。13∶00時(shí)，室外溫度達(dá)到全天最高值10.3 ℃，各層平均值達(dá)到最高值。此時(shí)集裝箱植物工廠內(nèi)栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)溫差0.7～1.3 ℃；A區(qū)垂直方向溫差2.8 ℃；B區(qū)垂直方向溫差2.9 ℃；C區(qū)垂直方向溫差2.6 ℃，各區(qū)域垂直方向溫差達(dá)到最大值。測(cè)試期間，新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)一直處于制冷狀態(tài)。由此可見(jiàn)，新風(fēng)空調(diào)一體化系統(tǒng)具有良好的降溫均勻性。明期集裝箱內(nèi)溫度總平均值23.2 ℃，滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求。

圖5 各層溫度平均值對(duì)比Fig.5 Comparison of average temperature of each layer

5.2 濕度

各層濕度平均值對(duì)比如圖6所示。測(cè)試期間栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)濕度差1.9%～18.3%，A區(qū)垂直方向濕度差5.4%～22.8%，B區(qū)垂直方向濕度差6.0%～17.1%，C區(qū)垂直方向濕度差4.4%～15.5%，室外測(cè)點(diǎn)濕度33.3%～60.6%。17∶00時(shí)，室外濕度達(dá)到測(cè)試期間最高值60.6%，此時(shí)栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)濕度差1.8%～14.0%，A區(qū)垂直方向濕度差8.9%，B區(qū)垂直方向濕度差8.4%，C區(qū)垂直方向濕度差14.9%。明期集裝箱內(nèi)濕度總平均值57.4%，滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求。

圖6 各層濕度平均值對(duì)比Fig.6 Comparison of average humidity of each layer

6 結(jié)論

測(cè)試期間栽培架上A、B、C試驗(yàn)區(qū)同一水平方向上的3點(diǎn)溫差0～1.5 ℃，濕度差1.9%～18.3%；A區(qū)垂直方向溫差1.1～2.8 ℃，濕度差5.4%～22.8%；B區(qū)垂直方向溫差0.9～2.9 ℃，濕度差6.0%～17.1%；C區(qū)垂直方向溫差1.1～2.6 ℃，濕度差4.4%～15.5%。

明期集裝箱內(nèi)溫度總平均值23.2 ℃，濕度總平均值57.4%，滿足集裝箱植物工廠的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)集裝箱植物工廠運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果表明新風(fēng)一體化系統(tǒng)具有基本保持集裝箱植物工廠內(nèi)部溫濕度恒定、噪聲小、降溫速度快、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可在溫室工程中廣泛應(yīng)用。