摘要：全人工光植物工厂技术是近些年设施农业乃至于农业种植研究的重点和前沿方向。全人工光植物工厂是一种高度自动化、智能化的农业生产系统，它通过在完全受控的环境中使用人工光源来实现植物的周年连续生产，尤其适用于城市地区或干旱地区的植物生产。与大田农业和温室农业系统相比，

RSER文章介绍

作者：蔡文逸，卜坤朗，查凌雁，章竞瑾，赖达祎，鲍华*

通讯单位：上海交通大学

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.115235

全人工光植物工厂技术是近些年设施农业乃至于农业种植研究的重点和前沿方向。全人工光植物工厂是一种高度自动化、智能化的农业生产系统，它通过在完全受控的环境中使用人工光源来实现植物的周年连续生产，尤其适用于城市地区或干旱地区的植物生产。与大田农业和温室农业系统相比，全人工光植物工厂具有作物产量高、水资源高效利用和无需农药的优势。然而，全人工光植物工厂的能耗极高，这也一定程度上限制了植物工厂技术的全球扩张与发展。

近年来，围绕着全人工光植物工厂技术开展了大量的研究，主要集中在节能方法上，但始终缺乏一个统一的标准来量化这些节能技术的效果并进行比较。近日，上海交通大学未来技术学院鲍华教授课题组在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》发表综述论文，归纳了近年来植物工厂在节能技术上的发展，并就未来工作方向提出了见解。该综述论文介绍并比较了全人工光植物工厂不同系统的能耗占比，通过多个案例研究发现光照系统和暖通系统占比最高，占据总能耗的90%以上，并将单位产量所需电耗作为评判标准对现有植物工厂各节能技术进行了归纳和比较。

图1. 全人工光植物工厂能耗分布

全人工光植物工厂的光照系统是植物工厂能耗的一大重要来源。在设备层面和植物层面均有对于光照系统节能的研究。在设备层面，讨论了光照系统光效提升带来的节能效果，从荧光灯到LED，从低光效到高光效，大幅减少了系统光耗。另外，随着现有LED科技的发展，光强、光谱和光期均可以变得可控。例如，在植物苗期使用较低光强和适宜光谱，在植物移栽后使用较高光强并调整相应光谱，也能减少单位产量的能耗。在植物层面，选取生长条件要求高且收益高的植物也更适宜植物工厂的生产目标，通过调整各项参数达到单位电耗收益的理想值。

图2. 全人工光植物工厂空调系统节能设计

全人工光植物工厂的暖通系统是植物工厂能耗的另一大重要来源。在工厂层面、设备层面和植物层面均有对于暖通系统节能的研究。在工厂层面，讨论了选择合适的地理位置和优化建筑外围结构设计对减少能源消耗的影响。例如，选择在寒冷干燥地区建立人工光植物工厂可以降低运营能耗，而优化外围结构设计，如调整整体热传递系数和表面反照率，也能减少能源消耗。在设备层面，介绍了增加空气省煤器和通风调节系统的设计，这些在一般建筑中降低空调能耗的措施同样可以显著降低植物工厂空调系统的能源消耗。在植物层面，根据植物生长情况适当扩大温湿度区间也可以降低空调能耗。注意由于前面提到地理本身对植物工厂能耗有重大影响，在设备层面和植物层面下的节能优化效果会与地理位置有关。

图3. 全人工光植物工厂暖通系统节能设计

除了上述节能策略，一些新技术也可以整合到人全工光植物工厂中以提高能源使用效率。更高效的空调及LED灯设备、人工智能（AI）辅助节能设计及管理、可再生能源（光伏技术、风能发电技术）和先进能源材料（如高反射材料、储热储冷材料）均有望显著节省能源。尽管植物工厂节能技术发展迅速且有很大的提升潜力，其仍存在一些挑战，如节能过程中缺乏统一的比较指标和节能后额外的运营成本。其中对于统一的比较标准上，我们倾向于使用单位产量能耗作为评价不同植物工厂节能策略的比较指标。

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来源：智慧农业资讯