现代光电植物工厂室内气流洁净系统及在洁净厂房中的应用

马源，乔申，赵飞胜

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100023）

1 引言

由于换气次数是影响洁净等级的直接因素，为了满足植物工厂洁净等级要求，在制订气流洁净系统方案时，应以换气次数作为主要设计目标，并结合洁净原理、过滤控制、温湿度控制、送风量、冷耗等其他指标进行方案必选，然后从施工的角度出发，详细探讨实施的可行性，充分利用各种资源，提供技术重难点解决方案和相关技术参数，保证建设目标的顺利实现。

2 工程概况

中国科学院海南种子创新研究院科研楼项目为EPC（设计+采购+施工）项目，位于三亚市崖州湾南繁科技城起步区，合同额约8.93亿元，是国家热带农业科学中心，全球动植物种质资源引进中转基地，海南国际离岸创新创业示范区和国家实验室。项目占地面积约40 000 m2，总建筑面积107 745.38 m2，包含1#楼办公研究及公共实验平台、2#楼院士工作站、3#楼实验展示平台。

本工程植物工厂建设于3号楼展示平台2层，工厂总面积为240 m2，主要包括更衣室、清洗操作间、营养液房、植物栽培区、自动循环大型展示架等。植物工厂为全人工光型植物工厂，兼具参观、教学及生产功能，主要利用LED植物光谱技术和无土化植物栽培技术，采用自动化环境控制及智能化装备，在净化厂房进行叶菜类作物工厂化种植，其生产完全不受外界环境条件影响，可进行叶菜连续周年性生产。

3 现代光电植物工厂室内气流洁净系统研发

3.1 问题分析

根据种植物生产工艺，以及厂房的参观需求，厂房总体布局分为3个区，栽培区、辅助功能区、参观区。栽培区共设1个栽培间，面积共为96 m2。蔬菜栽培间内共布置41套种植模组，其中，炼苗模组1套，育苗期模组4套，栽培期模组36套。根据栽培模组尺寸，要求种植区吊顶下最低高度3.2 m。辅助功能区分为4个区间：更衣室、操作区、清洗间、营养液房。参观区位于厂房里西侧，可以参观工厂整个流程，包括营养液、生产操作、植物栽培。本项目植物工厂为全人工光型植物工厂，兼具参观、教学及生产功能，洁净度要求为30万级，如何保证植物工厂的洁净度和美观性成为关键所在。

植物工厂施工具有施工区有限、层高较高等特点。项目植物同种植区域的温差可控制在±1℃以内，并保证室内温湿度的均匀性，相对湿度控制在50%～95%（±5%），洁净度达到30万级别。为达到要求，以夏季室内的种植灯的散热量26.6 kW、送回风温差9℃时为例，所需送风量需达到17 500 m3/h，最大换气次数需达到15～20次/h。

虽然矢流气流流形施工技术满足项目要求，但是该工艺无法对本项目植物工厂气流洁净做到全覆盖，本项目为特定值范围实验室，现有技术无法满足相关方要求。通过现代光电植物工厂室内气流洁净系统的研发，将设计目标设定为确保植物工厂换气次数≥20次/h。

3.2 方案比选

综合植物工厂洁净原理、温湿度控制、过滤程度、送风量、冷耗等指标,围绕排风系统的送风方式的角度，提出3种创新性的植物工厂综合施工方案。

方案一为单向流洁净室，采用室内垂直或水平单侧送风的方式，通过活塞和挤压原理实现净化气流的目的，该方案构造简单，运行后短时间内即可变成稳定气流，但随着机器和人员流动，会使单向流变成紊流，在障碍物周围形成气流团，从而弱化净化效果，成本投入约为800万元。

方案二为非单向流洁净室，气流流形为顶送下回、顶送顶回、顶送下侧回，运用了稀释原理，该方案容易管理，同样可以在短时间内达到稳定运行状态，但构造费用较高，弹性运用空间困难，维修维护比较麻烦，成本投入约为700万元。

方案三为混合流洁净室，将非单向流和垂直单向流混合在一起，具有建造成本低、构造简单、过滤效率高、洁净效果好等优点，但系统重新启动达到稳定运行状态需要花费一定的时间，成本投入约为500万元。

考虑到植物工厂洁净度、气密性、温湿度控制指标、投入成本等方面因素，决定选用方案三混合流洁净室[1]。

3.3 系统分解

混合流植物工厂室内洁净系统主要包括装饰装修系统、净化空调系统、排风及废气处理系统，具体分解如图1所示。

图1 混合流植物工厂室内洁净系统分解图

3.3.1 吊顶系统

根据研发目标及现场实际情况，对吊顶施工的选择方案进行了对比，双层纸面石膏板吊顶施工难度简单、价格较为便宜，且适用空气洁净度等级符合洁净室设计要求，而双层金属板材吊顶造价更高，施工较难，二者的燃烧性能等级均为A级，所以，最终选用双层纸面石膏板吊顶。

3.3.2 墙体系统

树脂板内墙面和岩棉夹芯金属壁板内墙均能满足空气洁净度等级要求，树脂板内墙面抗菌防腐蚀，不易老化，使用寿命长，抗污性强，不易变形，但存在热膨胀的缺点，而且工序复杂，成本较高，岩棉夹芯金属壁板内墙防火性能优异，保温隔热性好，吸声隔热效果显著，但强度一般，根据综合成本及实用性，选择采用岩棉夹芯金属壁板内墙作为植物工厂围护结构。

3.3.3 净化空调系统

组合式空气处理机组＋冷水机组虽然控制效果好，在送风过程中空气被污染的风险小，但造价较高，空间需求大，变频空调机组＋增压风机不需要占用机房面积，布置相对灵活，能够满足洁净度要求，而且造价较低，综合温度、湿度控制性能和安装布置合理性，选择采用变频空调机组＋增压风机作为净化空调系统。

3.3.4 排风及废气处理系统

高效送风口通用性强，施工简单，能够保证气流的喷射速度，防止产生涡流，但如果一台出现故障，对整个送风系统影响很大，后期维护费用较高，FFU送风口则不会出现这个问题，即使少量送风口出现故障，也不会对洁净室运行造成严重影响，而且更加节省空间、工期更短、可灵活调整，系统静压箱为负压，如果风口安装存在泄漏，也是从洁净室向静压箱泄漏，不会污染洁净室，经过对排风及废气处理系统出风稳定性、节能性、实施难度、成本及后期维修等方面进行考虑，且由于风机自带过滤器，选择风机过滤机组（FFU）送风口作为排风及废气处理系统的终端过滤装置。

通过对吊顶系统、墙体系统、净化空气系统、排风及废气处理系统的多方案必选，最终确定了最佳设计方案，具体如图2所示。

图2 混合流植物工厂室内洁净系统最佳方案

4 现代光电植物工厂室内气流洁净系统在洁净厂房中的应用

4.1 实施过程控制

4.1.1 吊顶系统安装

首先对植物工厂顶棚进行深化设计，进一步细化吊顶材质规格和连接方式做法大样图。纸面石膏板采用三明治式结构，两面为烤漆彩钢板，钢板厚度控制在0.5 mm，中间采用高密度绝缘隔热夹芯材料纸蜂窝，彩钢板内加入石膏，这样能增加顶板强度，方便人员开展维修工作。板材之间采用内置式铝龙骨连接，形成连续自支撑结构的墙，使用硅胶进行接缝密封处理，顶板采用支架和M-8螺纹钢固定在建筑顶上。吊顶安装流程为：选用直径为6 mm的轻钢龙骨吊杆按照标高固定，大龙骨、中龙骨和小龙骨依次固定，最后进行纸面石膏板安装与饰面。安装完成后，加强质量检查，按照板间接缝误差≤3.0 mm、接缝高低差≤1.0 mm的预定目标，检验安装接缝平直度、高低差是否符合要求，接缝平直度时使用5 m线拉通线，用钢直尺进行检查，接缝高低差通过钢尺和塞尺检查[2]。

4.1.2 墙体系统安装

首先对植物工厂墙体进行深化设计，进一步细化隔墙材质、各组件衔接、回风墙做法大样图。岩棉夹芯金属壁板50 mm厚，双面钢板厚0.5 mm，表面喷涂防尘漆。钢板双面镀锌增强了表面的抗腐蚀能力，完全平整地与各种组件相衔接。两侧墙下部均匀布置回风口代替常规回风夹道，金属壁板内置风管，隔墙底部100 mm设置回风口标准回风量为2 m/s，这种方式占地少，平面布置更加灵活。

在隔墙各构件安装前做好测量点位标记，保证墙体平整度与垂直度，金属壁板需紧密连接。同时，采用独特的地龙骨形式进行墙与顶面、地面连接，与顶面的连接必须保证吊顶强度，又保证所有墙体的灵活拆装，与地面连接确保地面上墙100 mm，并与墙面完全平齐，保证了各洁净间的完全密闭，易于清洁。安装完成后，做好质量检验，按照立面垂直度偏差≤1.5 mm、表面平整度偏差≤1.5 mm、接缝高低偏差≤1.0 mm的预设目标进行测量，墙体板材间必须连接紧密，立面垂直度偏差值、表面平整度最大偏差、接缝高低差最大偏差应满足相应规范要求。

4.1.3 净化空调系统安装

对净化空调系统进行确定，根据厂家提供技术参数，最终确认使用集中式洁净空调双风机系统。其中，洁净设备包括变频空调室内外机组、新风机、加热器、冷却器、粗、中效过滤器、增压风机等，集中设置在变频空调机房，通过风管送入各洁净室。该系统具有压头小、振动小、噪声低等优点，可以在全年内都保持恒定的室内压力，能够实现多种运行方式。安装结束后，邀请专业第三方检测机构进行净化空调系统漏风检测，包括风量、漏风量、漏风率、压力等具体参数，机组漏风率不能超过1%。

4.1.4 排风及废气处理系统安装

首先，根据项目暖通图纸对排风及废气处理系统进行深化设计，然后开展安装工作，FFU的安装应无变形、锈蚀、漆膜脱落、拼接板破损等现象，框架平整、光滑，安装后的风机过滤器机组方向要正确，便于维修，与框架质检连接处采取密封胶密封。同时，为保证气密性良好，气密垫密封厚度为6～8 mm，垫料压缩率为25%～50%，施工完成后，对气密垫密封厚度水平、垫料压缩率进行实测，检验气密性效果。

4.2 应用效果分析

4.2.1 技术方面

系统安装完成后，组织相关单位进行植物工厂系统联合调试，重点对净化空调系统和排风系统的4个空调内机出风口风速和风量进行100%检测，通过成果总结评价，气流洁净系统满足设定目标值，达到了系统研制要求，获得了一致的好评。

4.2.2 经济效益

从人工费、材料费、设备费的角度出发，对总体成本进行计算，与常规洁净厂房相比，采用混合气流洁净系统能够节省约24.68万元，而且运行费用更低，由于施工难度小，能够节约5 d工期，所以，从综合造价的角度出发，该气流洁净系统能够获得更好的经济效益。

4.2.3 社会效益

本工程植物工厂兼具参观、教学及生产功能，此施工工法大大提升了植物工厂美观性、室内洁净度以及农作物生产条件，显著的提高公司知名度。同时很好地解决了建筑30万级洁净度和气流组织控制难题，节省了维修等人工、材料费用，为新工程承揽和建设积攒了宝贵经验[3]。

5 结语

综上所述，现代光电植物工厂兼具生产、教学、参观等多种功能，对洁净度要求较高，同时要兼顾美观性，而传统的方案设计和施工工艺难以满足需求，必须加强问题分析，找到行之有效的新方法。本文首先介绍了中国科学院海南种子创新研究院科研楼植物工厂的基本情况，然后对室内气流洁净系统研发进行了介绍，最后研究了该系统在洁净厂房的具体实施和应用效果，通过技术创新运用，力求获得更好的综合效益。