智能玻璃溫室補光系統選型和設計經濟性研究

摘要

近兩年，國内設施農業行業快速發展，越來越多的大型設施農業項目逐漸落地，特别是引進荷蘭模式的智能玻璃溫室在現代設施農業領域得到了廣泛應用，徹底改變了傳統農業靠天吃飯的局面。現代智能玻璃溫室在密閉的空間内運用設施裝置對溫室内的光、溫、水、肥、氣等因素進行控制，為作物的生長創造一個良好的條件，真正可以做到按照計劃保證農作物有一個高效且高質量的産出。

植物生長最重要的一個環境因子就是光照，由于冬季日照時間短、光照強度低，在智能溫室進行反季節種植期間，使用人工光系統對光照進行補充就成為一個必不可少的需求，一個合理有效的補光系統能夠在智能溫室的種植運營中起到如虎添翼的作用。但是對于一個新建智能溫室項目來說，補光系統如何選型，設計時應該綜合考慮哪些因素，在施工以及後期運營過程中需要注意哪些問題等，國内還沒有統一的标準。本文就關于如何打造合理有效的補光系統需要注意的問題以及設計施工流程做簡要論述。

補光系統設計的時間選擇

新建智能玻璃溫室的設計是一個系統化的工作，在項目論證階段就需要考慮很多因素，溫室内部各設施之間是相互關聯的，所以在項目立項之初就需要确定是否需要補光，補光方案如何确定，這都是溫室設計非常重要的組成部分，主要原因有以下幾點：

能源預留

根據補光方案進行能源預留，配置合适的變壓器容量。若項目已經建設完畢再加裝補光系統，電纜接入、變壓器增容等二次施工成本價格不菲。

溫室承重

補光系統需要安裝在溫室頂部和植株間，補光燈、電纜、橋架等設備都會增加溫室的承重，因此需要對骨架的承重能力進行調整。

電力成本

補光系統在智能溫室運營過程中是能源消耗較大的設備，在項目落地之前需綜合考慮能源成本。

補光系統設計的影響因素

補光系統的設計有多個影響因素，不同地區，不同種植品種，不同的種植模式都會與補光系統的設計息息相關，綜合考慮主要為以下幾點因素。

項目所在地的氣象條件

确定好溫室建設的地址後，需要到當地氣象局調取曆史氣象條件，溫室内環境的設備配置都需要根據曆史氣象數據進行設計，補光系統的設計參考氣象數據是計劃種植季的平均光照累積量，補光系統應盡量參考光照累積量的波谷值作為設計依據，可以避免低溫寡照帶來的危害。

種植作物品種的光照需求

種植作物不同，對光照的需求也不同，對于補光系統設計來說，最低标準需要達到作物的最低補償點，以下列舉一些常規作物的最低補償點（表1）。

溫室結構和種植模式

智能溫室内部設施以及種植模式多種多樣，根據不同作物的種植需求衍生了不同的栽培模式，花卉類種植多用苗床，茄果類多用于種植槽。種植方式不同就決定了内部設施不同，因此作物的生長平面空間和補光燈之間的距離也不同，補光燈發出的有效光照到達植物生長平面的傳輸過程中會産生一定的光損。溫室結構決定挂燈高度，種植模式決定有效距離，這兩個數值也是補光系統設計的重要基礎數據。

合理的補光系統設計流程

補光系統的設計需要綜合考慮各種因素，根據項目所在地的光照條件、作物生長的光照需求、溫室結構和種植模式進行統籌設計，一個合理的設計流程可以更全面的考慮各項綜合因素，避免因流程錯誤考慮不周全而造成的時間和人力物力的損失，合理的補光系統設計應該遵循以下流程：

确定補光系統的光源類型

在智能玻璃溫室應用的人工光系統中的光源有很多種，如熒光燈、等離子燈、金屬鹵化物燈（包括金鹵燈和陶瓷金鹵燈）、高壓鈉燈（HPS）、發光二極管（LED）等。目前，在溫室中實現規模化生産應用最成功光源種類的是高壓鈉燈和LED。

農用高壓鈉燈光譜全、綜合性價比高，并且鈉燈系統的輻射熱可以有效減少冬季溫室加溫的能源成本，因此，目前農用高壓鈉燈系統在智能玻璃溫室補光應用中仍占有主導地位。

LED作為近兩年新興光源具有光譜可定制、輻射熱小可以對植株進行近距離補光等特點，但由于LED補光系統采購成本較高，投入産出比還需另行計算。在中國建材國際工程集團有限公司總承包建設的四川省眉山市凱盛浩豐智慧農業園區（圖1），針對四川盆地地區的氣候特點，設計方采用了高壓鈉燈與LED混合補光系統。四川盆地地區冬季氣溫相對華北華東地區較高，但濕度偏大，光照較差，高壓鈉燈與LED燈可以共同開啟，補光的同時還起到升溫與葉片除濕的作用。而在夏秋季高溫高濕，但光照較好的時候，可以增加LED燈的開燈比例，這一設計思路已經在2019年上半年種植季得到了種植者的肯定。

進行光學方案設計（以四川眉山項目為例）

根據補光強度的需求标準，結合挂燈高度、有效工作距離、工作面尺寸、反射系數等詳細參數進行設計，并且制定出最合理的光學方案。

◆補光強度标準

補光強度的設計标準跟溫室補光的目的息息相關，需要根據種植作物的補光目标來确定。

（1）确定種植植物每天所需的光照累積量（單位J/cm2）。以茄果類作物為例，該類作物在室内（按照室外70%計算）每天接收到800~1400J/cm2光照累計量（基于教科書和種植者經驗的理論值），可以保持正常的生長狀态及結果。自然光的計算方法：自然光照射進玻璃溫室内，經過玻璃、桁架和内部設備的反射，實際照射到作物上的光會損失一部分。荷蘭等設施強國通常采用的溫室透光率為70%。轉成PPFD（即光合光子通量密度，按最大補光18h）為500~600umol/（m2·s）。根據作物品種生長對光照的需求和補光目的就可以确定補光強度，這是整個補光系統設計的目标，也是最重要的基礎參數之一。

（2）結合項目地光照條件确定補光量（以眉山項目為例）。經過分析，眉山冬季平均每天室内自然光約為400J/cm2，根據植物可正常生長結果的800J/cm2，補光量最低需達到每天400J/cm2。光累積量轉PPFD為(400/46)×[1000000/(3600·18)]=134umol/（m2·s）。

◆補光均勻系數

在光學設計階段，補光系統的均勻系數是國内衆多使用者非常容易忽略的一個重要參數。均勻系數直接影響到作物生長的一緻性，特别是在光周期補光的應用中，由于光照強度要求較低，每盞補光燈覆蓋的面積較大，再受限于溫室高度，極易出現均勻性差的情況。影響均勻度最大的因素就是補光燈的配光設計，專業的補光燈都是根據使用目的以及使用環境對配光曲線經過專業設計，在保證強度的同時最大限度提高光照的均勻系數，從而保證作物生長的一緻性。一個合理的補光方案的均勻系數要做到≥0.9。

◆光衰

在補光燈的使用過程中，光源本身會産生光衰，并且随着使用時間的加長，反射器的反射效率也會有不同程度的下降。用戶在提出補光強度要求時極其容易忽略此問題，因此需要在設計之初，需要根據補光系統的設計使用壽命和補光燈的光衰情況對标準進行相應的提高。這樣設計的目的是在使用期限内，即便在産生光衰的情況下，光照強度也可以滿足植物生長的需求。

補光系統的電力設計

在加裝補光系統的生産型溫室裡，補光系統在整個配套設施中的能耗比例巨大，其用電量是整個溫室及生産加工設備用電量的3倍以上。因此在溫室進行規劃之初，就需要合理确定用電方案的經濟性和合理性。并且溫室内部高溫高濕的惡劣環境也給配電系統的安全性和穩定性提出了更高的需求。

◆能源預留

在加裝補光系統的生産型溫室裡，補光系統在整個配套設施中的能耗比例是最大的，因此在溫室進行規劃之初就需要做好能源預留計算，特别是生長型的營養補光系統，如茄果類生産型溫室建議每平方米要預留100W的容量，根據總功率來确定變壓器的大小，否則滿足不了整套系統的用電需求。在溫室建成之後再對變壓器進行增容手續很複雜，費用也很高，因此提前做好能源預留工作在溫室設計工作中是非常重要的。

補光系統面積覆蓋整個玻璃溫室，用電負荷等級為三級。當照明負荷較大或照明采用公用變壓器嚴重影響照明質量及光源壽命，應設照明專用變壓器。供電方案應采取劃區分組供電方式，采用預裝式變電站。以多負荷中心為供電原則，變電設施接近負荷中心，降低低壓線纜用量，選址綜合技術經濟等因素綜合分析和比較确定；方便進出線，避免與其他設施互相幹涉，方便施工；變配電設施不應設置在低窪和積水的場所，且與建築物滿足的防火間距要求。

◆變配電室位置選擇

由于補光系統的用電容量較大，少則幾百個千瓦，多則幾千個千瓦，因此從變壓器引入到溫室内的動力電纜成本非常高，在設計之初合理的調整變壓器位置，盡量縮短到二級配電櫃的距離，可以節省很大一筆開支，也易于後期的維護。

◆配電櫃的位置以及數量

配電櫃的位置以及數量取決于電路設計中配電回路的數量以及覆蓋區域，特别是在380V的系統設計中必須要滿足基礎的三項平衡問題，否則會影響用電安全和使用壽命，且會出現跳閘現象。

◆配電櫃的自動化設計

近年來國内溫室的自動化程度越來越高，相當一部分溫室内配備了自動控制系統。補光設備、加溫設備等都是由控制系統自動控制開啟關閉，因此在配電櫃内部的配件設計要求必須實現自動化可控，即控制系統信号接入後即可實現整套系統的自動開啟。除此之外，為了避免補光燈同時開啟對電網造成沖擊，還需要在回路之間加入自動延時啟動設備。在配電櫃的回路設計上，應該按照配電櫃内回路數量比例的10%做備用回路的預留，這樣就可以在後期試用以及維護檢修時可以保證補光系統的正常使用。補光系統接地系統為TN-C-S系統。電力系統主接線如圖2所示。

補光系統采用大量HPS及LED燈具，其中電源部分含有非線性負載整流器及開關量電源，正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發生畸變産生諧波。諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變，另外相同頻率的諧波電壓和諧波電流要産生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，增加線路損耗。使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用容量和使用效率，還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。為保護電能質量及溫室系統用電設備，在供電系統設計中，無功補償設備增設7%電抗率的電抗器，電抗器配合無功補償電容器達到一定頻率可有效抑制低次諧波的作用。補光系統采用環控系統集中智能控制方式，在系統分支配電箱内設置控制模塊分組接入環境控制系統。可根據天氣情況，實時控制補光系統的HPS分組及LED分組控制，從而調節對植物作物的補光量，滿足植物生長所需要的光照能量。

結語

對于溫室運營者來說，一個合理有效的補光系統設計方案，不僅可以在項目開始建設之前對可能出現的各種問題進行提前規避，也可以保證項目的施工進度的計劃性，并且可以實現補光系統應用的效益最大化。

中國設施農業起步較晚，植物補光系統作為現階段智能溫室種植體系中的頂配設備在國内應用較少，能提供補光系統一站式專業服務的企業也不多，不過随着國家政策對設施農業的扶持以及越來越多民間資本的進入，系統化、規模化應用補光系統的生産型溫室會越來越多，市場需求促進産業進步，植物補光應用技術也會快速發展，助力中國設施農業産業的騰飛。