日光温室气雾培生产系统的设计

刘曙光，马云飞，南松剑，张梅，徐箴言，车忠志，孙少宁*

（1. 中国农业大学烟台研究院理工学院，山东 烟台 264670；2. 中国农业大学烟台研究院科技处，山东 烟台 264670；3. 山东艾维农业科技有限公司，山东 烟台 264111）

日光温室气雾培生产系统的设计

刘曙光1，马云飞2，南松剑1，张梅1，徐箴言3，车忠志1，孙少宁1*

（1. 中国农业大学烟台研究院理工学院，山东 烟台 264670；2. 中国农业大学烟台研究院科技处，山东 烟台 264670；3. 山东艾维农业科技有限公司，山东 烟台 264111）

目前气雾培生产过程中存在环境调控准确度低、生产系统运行不稳定，种植面积小，导致先进新技术无法最大限度的实现高产、优质、高效的问题。本文以合理光照条件扩大种植面积及采用PLC快速、准确、灵活实现稳定植物生长环境的构建为设计核心，确定气雾培生产系统布局参数，优化气雾培生产系统结构组成、形式及工作、尺寸参数，确定PLC控制结构及参数，设计了适用于实际生产要求的日光温室气雾培生产系统。试验结果表明，各区域管路终端压力变化范围在3%以内；各区域终端栽培床内温度差异及各区域终端栽培床与贮液池内营养液温度差异均小于2 ℃；各区域终端栽培床内湿度变化小于1%；回流管路营养液回流时间小于30 min，所有测试指标均符合生产要求，为进一步推动气雾培技术在设施农业中的应用推广创造条件。

日光温室；气雾培；生产系统；设计；PLC

Abstract：There are the problems of low environmental control accuracy, unstable production system and small planting area in the process of aerosol-culture production at present. Because of the problems advanced new technologies of aerosol-culture production can’t maximize the realization of high yield, quality and efficiency. In order to solve the problems, aerosol-culture production system was studied, focusing on the reasonable illumination conditions to expand the planting area and PLC for construction of stable plant growth environment to get accurate, rapid, and flexible.Determining layout parameters of the aerosol-culture production system, optimizing the structure, form, work parameters and size parameters, determining the structure and parameters of PLC control were researched. Afterwards, aerosolculture production system in sunlight greenhouse was designed suitable for the actual production requirements. The test results showed that the each terminal pressure of the regional pipeline in regions changed within 3%; the temperature differences in the terminal cultivation beds were less than 2 ℃; the temperature differences of nutrient solution between in terminal cultivation bed in the each region and in the storage tank were less than 2 ℃; the humidity in terminal cultivation bed in the each region was less than 1%; reflux time of nutrient solution in reflux pipeline was less than 30 min; all the test indexes met the production requirements. The production system will create conditions for further promoting the application of aerosol-culture technology in facility agriculture.

Key words：sunlight greenhouse; aerosol culture; production system; design; PLC

气雾培是融合植物营养、植物生理、环境生态、农业自动化、园艺作物栽培等多学科的新兴无土栽培生产技术[1-2]，该技术将植物根系置于空气中，通过营养液的雾化供给方式更好的满足植物根系对水、肥的需求[3-4]，创造新型的作物根系环境取代土壤、基质环境，有效解决传统土壤栽培及水培中根系需水和供氧的适度及平衡问题，使作物根系较其他栽培方式更容易处于最适宜的生长环境中，从而发挥作物的生长潜力，使植物品质、产量得到大大提高。气雾培为垂直栽培模式的发展提供了技术支持，具有土地利用率高、节水率高、最佳环境调控准确快捷、生产效率与营养价值高等优点[5-8]，在土地利用率、植物根系生长环境及调控等方面优于土壤栽培、水培、其他无土栽培。

20世纪中叶，气雾培的概念被提出并开始研究，美国、意大利、日本分别提出了A型气雾培、立柱式气雾培、半气雾培形式。目前，美国、荷兰、日本、以色列等农业发达国家气雾培核心技术研究起步早，气雾培植物工厂化生产技术先进[9-11]。本世纪初我国开始有关气雾培技术方面的研究，目前的气雾培技术生产仍为研究阶段，全国以气雾培技术为主的研发单位以丽水市农科院农业智能化快繁中心、山东艾维农业科技有限公司最具代表性，大多面向科研单位、生态休闲农业园区应用较多。已有研究均为气雾栽培科学方面的成果，以营养液成分对植物生长影响相关研究为主[12-14]，研究对象主要为脱毒马铃薯、黄瓜、香菜、切花菊、辣椒、番茄等，没有与气雾培工程技术相关的研究成果。目前气雾培较其他栽培方式在理论上的先进性得到了广泛认可，而在实际应用中，没有全面科学的技术数据可以参考借鉴，生产的形式及方法正在探索中，先进性无法得到充分证实，实际应用极少，严重影响了气雾培技术的发展。在这种情况下，全面深入研究气雾培生产工程技术体系，建立稳定可靠高效的气雾培技术体系和配套全面完善的工程装备，使理论分析在实际应用中得到体现，从实际生产中突显新的栽培模式优越性，成为气雾培技术发展亟待解决的首要问题。

本文旨在建立适用于农户实际生产要求的完整的叶菜类桶式日光温室气雾培生产系统，确定规模化气雾培生产工程技术有价值的技术参数、积累数据资料，为全面深入研究气雾培环境下植物的优质、高效生产技术及进一步完善气雾培生产技术体系，推动气雾培技术的广泛应用创造条件。

1 气雾培生产系统组成及工作过程

气雾培整个生产系统由贮液池、供液与回液系统、控制系统、栽培床等组成。其工作原理如图1所示。其中，供液系统包括稳压恒压泵、吸管、过滤器、主干管路、区域主干管路、电磁阀、支管路、区域主干管路手动控制阀、栽培床手动控制阀、分管路和雾化喷头；回液系统包括回流管路、过滤网；控制系统包括贮液池内的板式加热板、液体温度传感器、液位传感器、主干管路压力表、营养液EC传感器、湿度传感器、PLC控制器和液晶显示器等。

工作过程包括营养液供给过程、营养液回流过程和控制过程。

1）营养液供给过程。稳压恒压泵通过吸管将贮液池内的营养液吸入主干管路中，经过滤器过滤，主干管路压力表监控，送入区域主干管路，随后依次经过每个区域的支管路、分管路，进入雾化管路，之后由倒悬在栽培床内部的雾化喷头将营养液雾化至植物根系。

图1 气雾培生产系统工作原理示意图Fig.1 Working principle of Aerosol-Culture Production System

2）营养液回流过程。未被吸收的营养液顺着根系滴落至栽培床底后，流经支回流管路、主回流管路，最后经安装在过滤池内的过滤网后流入贮液池内。

3）控制过程。控制过程包括：贮液池内营养液EC值监控；贮液池内营养液温度监控；贮液池水位监控；水泵电机定时控制；主干管路供液压力监控；区域主干管路电磁阀的准确切换控制；栽培床内温湿度监控。控制过程涵盖气雾培生产全过程，同时监控采集数据，使生产环境处于正常范围，在出现异常情况时，立刻采取应对措施。

生产系统在日光温室内的分布（温室钢架结构、覆盖材料、准备间等已省略）如图2。

图2 日光温室气雾培生产系统Fig.2 Aerosol-culture production system in sunlight greenhouse

2 气雾培生产系统设计

2.1 系统设计要求

根据植物对生长环境的需求，设计要求：系统雾化雾滴达到水雾（雾滴直径0.15-0.5 mm）状态[15]；回流管路营养液回流时间≤30 min；雾化量可以调整同时达到满足植物生长及环境湿度要求的较佳范围[16]；营养液温度稳定在植物根系生长的较佳范围；气雾栽培床布置达到植物对光照的需求；栽培床每个位置都可以均匀采光；各种工作参数可以合理监测调控[17]。

2.2 控制系统

生产系统控制（图3）功能主要包括：

1）贮液池内营养液EC值监控。当应用一种营养液时，通过实验测得营养液EC值与母液量的线性回归直线[18-19]，并在液晶显示器中设定。当营养液EC值低于设定值时，控制系统报警提示，并在液晶显示器上自动显示补充营养液中母液与水量。

2）贮液池内营养液温度监控。设定适宜于植物生长的营养液温度环境范围，液体温度传感器监测营养液温度低于设定值时，板式加热器的继电器控制电源导通，开始缓慢加热，当达到设定值时，停止加热，循环运行。为了使监测准确，采用多个液体温度传感器，通过对比监测值确定监测结果的准确性，如果出现监测温度、温差不在设定范围内，控制系统立刻停止供液，防止温度传感器故障导致营养液温度过高或过低对植物造成的损害。

图3 控制系统Fig.3 Control system

3）贮液池液位监控。通过两个液位传感器监测贮液池液位，当贮液池的营养液没有及时供给，次低液位的液位传感器露出液面，控制系统报警提示；最低液位的液位传感器露出液面，控制水泵电机停止工作，并报警提示补充营养液。

4）水泵电机定时控制。根据种植作物不同，通过液晶触摸显示屏设置控制电机工作的时间及持续的时间。由于气雾栽培环境不需要持续供液，每个区域水泵持续工作15 s，间隔28 min，8个区域轮流连续供液进行设计。

5）主干管路供液压力监控。通过压力传感器实时监测，检测值在液晶显示器显示，当主干管路供液压力异常，由控制系统控制切断稳压恒压泵电源，并报警提示。

6）区域主干管路电磁阀的准确切换。采用控制电磁阀循环导通控制依次轮流向各区域主干管路供给营养液。电磁阀通断时间信息均在液晶显示器显示。每次供液只能有一个电磁阀工作，当因电磁阀的故障导致供液管路压力异常时，通过压力传感器的监测值及时调整切断电源，并报警提示，保护设备及管路。系统设定每区依次供液15 s，即每个电磁阀开断间隔15 s，从第一个区域供液到第八个区域供液共持续2 min，然后控制水泵电机停止工作28 min后，仍然从第一区域开始供液，循环运行。

7）栽培床内温湿度监控。在8个供液区域的每个区域里离主干管路供液距离最远的栽培床内均设置一个温湿度传感器，通过液晶触摸显示器实时显示温湿度，并设定湿度极限值，监测栽培床温湿度变化规律，当一个区域的湿度低于极限值时，控制水泵电机向该区域供液；当栽培床内温度异常，调控加热板工作参数。

2.3 贮液池

贮液池主要是贮存植物生长所需营养液，位于整个供液区域的中间位置。本设计共分8个区域，每区域每天共需供液480 L，每天营养液输出量为3.84 m3，以营养液4-5日补充一次设计，贮液池实际贮液容量设计为17.5 m3。长方体蓄水池尺寸（长×宽×高）7×1.5×2.1 m3，池底位于地下1.8 m。采用经防渗透处理的砖砌混凝土结构。贮液池内液位至少低于回流管路20 mm，贮液池的营养液液位低于地面130 mm。在贮液池旁设置过滤池，尺寸0.3×0.3×0.42 m3，池内铺设可以拆装更换的网状过滤器，过滤精度80 μm。在贮液池底部放置铸铝板式加热器（1000×500×30 mm3），功率5 kW，保持温度20-25 ℃，超过25 ℃，停止加热，通过营养液自身的热传递、对流降低温度。

将两个水位传感器分别倒悬在贮液池池壁设定的最低液位、次最低液位，通过提升或降低液位传感器来调整贮液池内提示报警的液位。在稳压恒压泵的吸管末端与最低液位传感器垂直距离之间，距离吸管1 m位置的池壁上设定营养液EC传感器，由控制系统控制。

2.4 供液系统

2.4.1 配套动力 本系统选用三相电动变频稳压恒压泵为配套动力，工作压力350-450 kPa，其工作时间由控制系统控制。每个区域每天供液12 min，每区每次供液10 L，动力系统每次工作需供液80 L，供液速度为2 400 L/h，每天动力系统工作时间约1.6 h，共需工作48次。

2.4.2 营养液供给管路 营养液供给管路主要完成营养液的供给，由主干管路、区域主干管路、支管路、分管路组成（图4）。除与稳压恒压泵连接及过滤器过滤处理外，主干管路供液主体均埋设于靠近温室保温墙一侧地下80 mm处，走向沿温室长度方向，主干管路采用φ40 mm PVC管，将营养液输送至8个供液区域。本设计整个管路中，每一区域的区域主干管路、支管路的分布形式、布置、数量均相同。区域主干管路每个区域设置一条，垂直于温室长度方向平面分布，将营养液由地下的主管路引入栽培床上侧分布的支管路中，区域主干管路采用φ40 mm PVC管。为了避免栽培床上方供液管路过多，影响采光，每区域支管路沿温室长度方向呈主干树状形式5排平行分布。支管路每排间距为1.6 m，每排分布8个分管路，间距为1.5 m。

在支管路通向每个栽培床的分管路上，设置手动控制阀。所有支管路均由吊线悬挂在日光温室桁架或横杆上。每个区域均采用φ25 mm PVC管。距离稳压恒压泵1 m处，采用单体叠片过滤器，过滤精度60 μm，进行营养液过滤。区域主干管路手动控制阀设置在区域主干管竖直走向的1.5 m的位置，接通或切断主干管路对某区域的供液。与区域主干管路手动控制阀并联一手动控制阀，防止电磁阀故障。

图4 营养液供给管路Fig.4 Pipe lines for supplying nutrient solution

2.4.3 营养液雾化管路及喷头 每个供液分管路末端通过Y型四通接口连接3个十字四头微喷头（带防滴器）。每个栽培床内垂直方向上分布的微喷头间隔0.53 m，距离栽培床上下底面0.27 m。选择微喷头雾化直径0.8-1.2 m，流量20 L/h，雾化压力300±20 kPa。

2.5 栽培床

栽培床是植物的垂直种植载体，其内部是植物根系吸收营养液的空间。将日光温室内贮液池两侧的320座栽培床划分为8个供液区域（每个区域5排，每排8座栽培床，共40座栽培床），每侧4个区域。栽培床相邻两排交错分布，每排的每个栽培床均分布在其相邻一排距离该栽培床最近距离的两个栽培床水平方向中心连线的垂直平分线上（图5）。

栽培床整体呈六棱柱状（图5），正六边形边长35 cm，高度1.6 m，垂直种植面积为3.36 m2，占地面积0.32 m2。

栽培床包括侧面栽培板、上支撑定位盖、营养液汇集板、下承重定位盘、万向轮等。栽培床种植区域主要由6块侧面栽培板通过牙式啮合构成（图5）。栽培板为16 mm厚泡沫材料，其上的穴孔φ30-50 mm，均匀分布，与海绵一起固定植物根茎。

图5 栽培床结构Fig.5 Structure of the cultivation bed

上支撑定位盖为轻质塑料材质，中心开φ50 mm孔。下承重定位盘为轻质塑料材质，中央向下为一体管孔，其内径与回流管路的地上接口管孔部分外径相等，实现整个栽培床中心定位。下方距中心14 cm处的圆周上布置6个万向旋转轮，实现栽培床绕回流管路的地上接口管孔原地旋转，便于作物栽培、管理、收获和各个方向作物的均匀采光。

栽培床上方由上支撑定位盖限位，下方通过下承重定位盘支撑定位，防止侧面栽培板分开，形成栽培床支撑状态。

营养液汇集板为发泡材料，四周高，中间比较低，在中间位置设置排液管孔口，管孔外径小于回流管路的地上接口管孔内径，可以直接伸入其接口内，使汇集后的营养液通过排液管孔口直接进入回流支管内。营养液汇集板放在下承重定位盘内，边缘上放置侧面栽培板。

栽培床固定板为高强度纤维水泥混凝土材质，φ750 mm，厚40 mm，呈圆板状，中间开孔直径略大于回流管路的地上接口管孔外径，误差小于2 mm，放在地面上。回流管路的地上接口通过栽培床固定板的中央圆孔与栽培床下承重定位盘中央管孔配合。

栽培床间距、高度以当地冬至日正午太阳高度角来设计参考。

式中：s为栽培床排距（m）；H为栽培床高度（m）；α为当地冬至日正午太阳高度角（º）；r为栽培床横截面外接圆半径（m）；k为校正系数，k∈[1, 2]。

式中：n为每排栽培床数量（个）；W为日光温室长度（m）；b为常数，b∈[0.7, 1.2]。

式中：p—气雾培土地利用率。

本设计中，以山东艾维有限公司农场为例（东经121°37'9.87"，北纬37°14'56.16"），冬至日正午太阳高度角29.33°，k=1.25，日光温室沿温室长度方向相邻栽培床间距1.5 m，垂直温室长度方向相邻栽培床间距1.6 m，可利用面积约占91%，高度在2.2 m以下的面积约占可利用面积的15%，该面积可进行土壤种植，其他非种植平面约为可利用面积的5%，栽培床可以旋转，可以增加地面种植面积占可利用面积40%以上，垂直种植面积气雾培系统种植面积为1 075 m2，土壤种植面积为400 m2。

2.6 营养液回流管路

营养液回流管路（图6）收集每个栽培床内多余营养液经支回流管路、主回流管路经过滤重新流入贮液池，完成营养液的汇集再利用。主回流管路、支回流管路除接口之外的主体部分均分布在地面以下100 mm处，均采用φ90 mm PVC管，每一管路分段连接，与水平面成0.5º-1º，不需要额外提供动力，依靠重力流入贮液池。

图6 营养液回流管路Fig.6 Pipe lines for returning nutrient solution

3 性能试验分析

3.1 试验环境

本试验于2016年11月6日在山东艾维农业科技有限公司实验（烟台市牟平区）进行。温室外部温度为8-12 ℃，日光温室内温度20-21 ℃，贮液池内营养液初始温度13 ℃，气雾栽培床内温度19℃。

3.2 测试方法

本试验以系统正常工作状态进行试验，将压力变送器连接在每个区域最末端供给管路的分管路末端，贮液池内营养液控制温度设定为22 ℃，20 min 后，系统开始按照实际生产过程运行8 h，即16个循环，测定供液管路每个区域最末端栽培床供液压力、最末端栽培床内温度和湿度、回流管路营养液回流时间。供液管路每个区域最末端供给管路压力，即每个区域离主干管路最远的支管路最末端的分管路内的压力，每一个循环，每个区域每1 s采集一次压力值，去除前2个值，将后13个采集值平均，将运行时间内的16个循环的每个区域的压力平均值，即得每一循环每个区域最末端供给管路压力。最末端栽培床内的温度与湿度均在每个循环每个区域供液结束时测定。回流管路内营养液回流时间，从每一循环供液开始计时，当回流管路出液口的回流营养液开始断流计时止。

3.3 测试指标与测试仪器

测试指标：供液管路每个区域最末端栽培床供液压力、最末端栽培床内温度、湿度、回流管路营养液回流时间。

试验测试仪器：MIK-P300压力变送器、RC-4HA温湿度记录仪、JM-806机械秒表、DTM-280型数显温度计。

3.4 测试结果及分析

试验结果表明，各区域管路终端压力稳定，管路终端压力变化范围在3%以内；各区终端栽培床内温度差异最大1.2 ℃，与贮液池内营养液温度差异1.7 ℃，均小于2 ℃（图7）；各区终端栽培床内湿度小于1%；回流管回流时间小于30 min，可以通过时间保证贮液池内的营养液在下一循环供液时处于最大储量。该系统控制准确，管路无渗漏，工作性能稳定，试验测试指标合格，能够满足实际生产需要。

4 总结

本文以植物茎叶光照、植物根系环境温度、湿度等主要影响植物生产的环境因素为中心，确定气雾培生产系统优化气雾培生产系统结构组成、形式及工作、尺寸、布局参数，确定PLC控制结构及参数，设计了适用于实际生产要求的日光温室气雾培生产系统，整个系统根据不同植物生长的环境指标由控制系统根据设定值自动调控、监测，可以精准的模拟每天不同时段及生长周期的不同阶段的理想生长环境，提高生产系统的自动化、智能化程度，系统运行原理简单、系统运行效果稳定，进一步优化植物生长环境。

图7 试验结果Fig.7 The test results

本生产系统有效解决了目前气雾培生产中植物根系环境湿度无法控制、温度基本依靠温室，植物茎叶光照条件考虑不科学、不全面导致不合理设计等问题，在克服了土壤栽培、水培、其他无土栽培形式无法有效、全面调控优化植物生长环境等缺点的同时，大幅提高种植面积，优化植物生长环境，更好辅助农业科学栽培，为促进该技术实现优质、高效、高产创造条件，为设施农业高新技术工程的推广应用提供借鉴。

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Design of aerosol-culture production system in sunlight greenhouse

LIU Shu-guang1, MA Yun-fei2, NAN Song-jian1, ZHANG Mei1, XU Zhen-yan3,CHE Zhong-zhi1, SUN Shao-ning1
（1. Institute of Science and Technology, Yantai Institute, China Agricultural University, Yantai, Shandong 264670,China; 2. Science and Technology Department, Yantai Institute, China Agricultural University, Yantai, Shandong 264670, China; 3. Shandong Ivey Agricultural Science and Technology co., LTD, Yantai, Shandong 264111, China）

S318

A

1000-0275（2017）05-0893-07

山东省科技发展计划项目（2014GNC110026）；烟台市科技发展计划项目（2015NC112）；中国农业大学烟台研究院重点基金项目（YT201402）。

刘曙光（1980-），男，山东文登人，博士，讲师，主要从事设施农业工程教学与研究，E-mail: shuguang800511@126.com；

孙少宁（1975-），女，山东牟平人，硕士，讲师，主要从事计算机应用与自动控制教学与研究，E-mail: sunshaoning@sohu.com。

2017-04-10，接受日期：2017-08-04

Foundation item:Shandong Province Science and Technology Development Plans (2014GNC110026); Yantai Science and Technology Development Plan (2015NC112); Key Project of China Agricultural University, Yantai Institute (YT201402).

Corresponding author:SUN Shao-ning, E-mail: sunshaoning@sohu.com.

Received10 April, 2017;Accepted4 August, 2017

10.13872/j.1000-0275.2017.0081

刘曙光, 马云飞, 南松剑, 张梅, 徐箴言, 车忠志, 孙少宁. 日光温室气雾培生产系统的设计[J]. 农业现代化研究,2017, 38(5): 893-899.

Liu S G, Ma Y F, Nan S J, Zhang M, Xu Z Y, Che Z Z, Sun S N. Design of aerosol-culture production system in sunlight greenhouse[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(5): 893-899.