智能温室未来发展（智能玻璃温室如何更经济）

智能玻璃温室补光系统选型和设计经济性研究

摘要

近两年，国内设施农业行业快速发展，越来越多的大型设施农业项目逐渐落地，特别是引进荷兰模式的智能玻璃温室在现代设施农业领域得到了广泛应用，彻底改变了传统农业靠天吃饭的局面。现代智能玻璃温室在密闭的空间内运用设施装置对温室内的光、温、水、肥、气等因素进行控制，为作物的生长创造一个良好的条件，真正可以做到按照计划保证农作物有一个高效且高质量的产出。

植物生长最重要的一个环境因子就是光照，由于冬季日照时间短、光照强度低，在智能温室进行反季节种植期间，使用人工光系统对光照进行补充就成为一个必不可少的需求，一个合理有效的补光系统能够在智能温室的种植运营中起到如虎添翼的作用。但是对于一个新建智能温室项目来说，补光系统如何选型，设计时应该综合考虑哪些因素，在施工以及后期运营过程中需要注意哪些问题等，国内还没有统一的标准。本文就关于如何打造合理有效的补光系统需要注意的问题以及设计施工流程做简要论述。

补光系统设计的时间选择

新建智能玻璃温室的设计是一个系统化的工作，在项目论证阶段就需要考虑很多因素，温室内部各设施之间是相互关联的，所以在项目立项之初就需要确定是否需要补光，补光方案如何确定，这都是温室设计非常重要的组成部分，主要原因有以下几点：

能源预留

根据补光方案进行能源预留，配置合适的变压器容量。若项目已经建设完毕再加装补光系统，电缆接入、变压器增容等二次施工成本价格不菲。

温室承重

补光系统需要安装在温室顶部和植株间，补光灯、电缆、桥架等设备都会增加温室的承重，因此需要对骨架的承重能力进行调整。

电力成本

补光系统在智能温室运营过程中是能源消耗较大的设备，在项目落地之前需综合考虑能源成本。

补光系统设计的影响因素

补光系统的设计有多个影响因素，不同地区，不同种植品种，不同的种植模式都会与补光系统的设计息息相关，综合考虑主要为以下几点因素。

项目所在地的气象条件

确定好温室建设的地址后，需要到当地气象局调取历史气象条件，温室内环境的设备配置都需要根据历史气象数据进行设计，补光系统的设计参考气象数据是计划种植季的平均光照累积量，补光系统应尽量参考光照累积量的波谷值作为设计依据，可以避免低温寡照带来的危害。

种植作物品种的光照需求

种植作物不同，对光照的需求也不同，对于补光系统设计来说，最低标准需要达到作物的最低补偿点，以下列举一些常规作物的最低补偿点（表1）。

温室结构和种植模式

智能温室内部设施以及种植模式多种多样，根据不同作物的种植需求衍生了不同的栽培模式，花卉类种植多用苗床，茄果类多用于种植槽。种植方式不同就决定了内部设施不同，因此作物的生长平面空间和补光灯之间的距离也不同，补光灯发出的有效光照到达植物生长平面的传输过程中会产生一定的光损。温室结构决定挂灯高度，种植模式决定有效距离，这两个数值也是补光系统设计的重要基础数据。

合理的补光系统设计流程

补光系统的设计需要综合考虑各种因素，根据项目所在地的光照条件、作物生长的光照需求、温室结构和种植模式进行统筹设计，一个合理的设计流程可以更全面的考虑各项综合因素，避免因流程错误考虑不周全而造成的时间和人力物力的损失，合理的补光系统设计应该遵循以下流程：

确定补光系统的光源类型

在智能玻璃温室应用的人工光系统中的光源有很多种，如荧光灯、等离子灯、金属卤化物灯（包括金卤灯和陶瓷金卤灯）、高压钠灯（HPS）、发光二极管（LED）等。目前，在温室中实现规模化生产应用最成功光源种类的是高压钠灯和LED。

农用高压钠灯光谱全、综合性价比高，并且钠灯系统的辐射热可以有效减少冬季温室加温的能源成本，因此，目前农用高压钠灯系统在智能玻璃温室补光应用中仍占有主导地位。

LED作为近两年新兴光源具有光谱可定制、辐射热小可以对植株进行近距离补光等特点，但由于LED补光系统采购成本较高，投入产出比还需另行计算。在中国建材国际工程集团有限公司总承包建设的四川省眉山市凯盛浩丰智慧农业园区（图1），针对四川盆地地区的气候特点，设计方采用了高压钠灯与LED混合补光系统。四川盆地地区冬季气温相对华北华东地区较高，但湿度偏大，光照较差，高压钠灯与LED灯可以共同开启，补光的同时还起到升温与叶片除湿的作用。而在夏秋季高温高湿，但光照较好的时候，可以增加LED灯的开灯比例，这一设计思路已经在2019年上半年种植季得到了种植者的肯定。

进行光学方案设计（以四川眉山项目为例）

根据补光强度的需求标准，结合挂灯高度、有效工作距离、工作面尺寸、反射系数等详细参数进行设计，并且制定出最合理的光学方案。

◆补光强度标准

补光强度的设计标准跟温室补光的目的息息相关，需要根据种植作物的补光目标来确定。

（1）确定种植植物每天所需的光照累积量（单位J/cm2）。以茄果类作物为例，该类作物在室内（按照室外70%计算）每天接收到800~1400J/cm2光照累计量（基于教科书和种植者经验的理论值），可以保持正常的生长状态及结果。自然光的计算方法：自然光照射进玻璃温室内，经过玻璃、桁架和内部设备的反射，实际照射到作物上的光会损失一部分。荷兰等设施强国通常采用的温室透光率为70%。转成PPFD（即光合光子通量密度，按最大补光18h）为500~600umol/（m2·s）。根据作物品种生长对光照的需求和补光目的就可以确定补光强度，这是整个补光系统设计的目标，也是最重要的基础参数之一。

（2）结合项目地光照条件确定补光量（以眉山项目为例）。经过分析，眉山冬季平均每天室内自然光约为400J/cm2，根据植物可正常生长结果的800J/cm2，补光量最低需达到每天400J/cm2。光累积量转PPFD为(400/46)×[1000000/(3600·18)]=134umol/（m2·s）。

◆补光均匀系数

在光学设计阶段，补光系统的均匀系数是国内众多使用者非常容易忽略的一个重要参数。均匀系数直接影响到作物生长的一致性，特别是在光周期补光的应用中，由于光照强度要求较低，每盏补光灯覆盖的面积较大，再受限于温室高度，极易出现均匀性差的情况。影响均匀度最大的因素就是补光灯的配光设计，专业的补光灯都是根据使用目的以及使用环境对配光曲线经过专业设计，在保证强度的同时最大限度提高光照的均匀系数，从而保证作物生长的一致性。一个合理的补光方案的均匀系数要做到≥0.9。

◆光衰

在补光灯的使用过程中，光源本身会产生光衰，并且随着使用时间的加长，反射器的反射效率也会有不同程度的下降。用户在提出补光强度要求时极其容易忽略此问题，因此需要在设计之初，需要根据补光系统的设计使用寿命和补光灯的光衰情况对标准进行相应的提高。这样设计的目的是在使用期限内，即便在产生光衰的情况下，光照强度也可以满足植物生长的需求。

补光系统的电力设计

在加装补光系统的生产型温室里，补光系统在整个配套设施中的能耗比例巨大，其用电量是整个温室及生产加工设备用电量的3倍以上。因此在温室进行规划之初，就需要合理确定用电方案的经济性和合理性。并且温室内部高温高湿的恶劣环境也给配电系统的安全性和稳定性提出了更高的需求。

◆能源预留

在加装补光系统的生产型温室里，补光系统在整个配套设施中的能耗比例是最大的，因此在温室进行规划之初就需要做好能源预留计算，特别是生长型的营养补光系统，如茄果类生产型温室建议每平方米要预留100W的容量，根据总功率来确定变压器的大小，否则满足不了整套系统的用电需求。在温室建成之后再对变压器进行增容手续很复杂，费用也很高，因此提前做好能源预留工作在温室设计工作中是非常重要的。

补光系统面积覆盖整个玻璃温室，用电负荷等级为三级。当照明负荷较大或照明采用公用变压器严重影响照明质量及光源寿命，应设照明专用变压器。供电方案应采取划区分组供电方式，采用预装式变电站。以多负荷中心为供电原则，变电设施接近负荷中心，降低低压线缆用量，选址综合技术经济等因素综合分析和比较确定；方便进出线，避免与其他设施互相干涉，方便施工；变配电设施不应设置在低洼和积水的场所，且与建筑物满足的防火间距要求。

◆变配电室位置选择

由于补光系统的用电容量较大，少则几百个千瓦，多则几千个千瓦，因此从变压器引入到温室内的动力电缆成本非常高，在设计之初合理的调整变压器位置，尽量缩短到二级配电柜的距离，可以节省很大一笔开支，也易于后期的维护。

◆配电柜的位置以及数量

配电柜的位置以及数量取决于电路设计中配电回路的数量以及覆盖区域，特别是在380V的系统设计中必须要满足基础的三项平衡问题，否则会影响用电安全和使用寿命，且会出现跳闸现象。

◆配电柜的自动化设计

近年来国内温室的自动化程度越来越高，相当一部分温室内配备了自动控制系统。补光设备、加温设备等都是由控制系统自动控制开启关闭，因此在配电柜内部的配件设计要求必须实现自动化可控，即控制系统信号接入后即可实现整套系统的自动开启。除此之外，为了避免补光灯同时开启对电网造成冲击，还需要在回路之间加入自动延时启动设备。在配电柜的回路设计上，应该按照配电柜内回路数量比例的10%做备用回路的预留，这样就可以在后期试用以及维护检修时可以保证补光系统的正常使用。补光系统接地系统为TN-C-S系统。电力系统主接线如图2所示。

补光系统采用大量HPS及LED灯具，其中电源部分含有非线性负载整流器及开关量电源，正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压和谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加线路损耗。使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用容量和使用效率，还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。为保护电能质量及温室系统用电设备，在供电系统设计中，无功补偿设备增设7%电抗率的电抗器，电抗器配合无功补偿电容器达到一定频率可有效抑制低次谐波的作用。补光系统采用环控系统集中智能控制方式，在系统分支配电箱内设置控制模块分组接入环境控制系统。可根据天气情况，实时控制补光系统的HPS分组及LED分组控制，从而调节对植物作物的补光量，满足植物生长所需要的光照能量。

结语

对于温室运营者来说，一个合理有效的补光系统设计方案，不仅可以在项目开始建设之前对可能出现的各种问题进行提前规避，也可以保证项目的施工进度的计划性，并且可以实现补光系统应用的效益最大化。

中国设施农业起步较晚，植物补光系统作为现阶段智能温室种植体系中的顶配设备在国内应用较少，能提供补光系统一站式专业服务的企业也不多，不过随着国家政策对设施农业的扶持以及越来越多民间资本的进入，系统化、规模化应用补光系统的生产型温室会越来越多，市场需求促进产业进步，植物补光应用技术也会快速发展，助力中国设施农业产业的腾飞。

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