集装箱植物工厂新风空调一体化系统设计与应用

周增产，董 微，张晓文，姚 涛，胡福生，封喜雷

(1.北京市农业机械研究所有限公司，北京 100096； 2.北京京鹏环球科技股份有限公司，北京 100094；3.北京市植物工厂工程技术研究中心，北京 100094)

0 引言

集装箱植物工厂采用封闭式环境，可为植物全生长周期智能提供生长所需的光、温、水、气和肥，且不受外界自然环境的影响，适用于任何地区，包括自然条件极端恶劣的海岛和沙漠[1-5]。传统的集装箱植物工厂没有配置新风系统，无法满足箱体内新风量的要求[6-7]。随着现代农业对封闭环境的要求不断提高，如何实现集装箱植物工厂内空气自动过滤、平衡室内温湿度环境，同时达到宁静运行、节能减排的效果，已成为集装箱植物工厂内环境净化亟待解决的问题[8-10]。本文介绍一种新风空调一体化系统，适配于集装箱植物工厂内，可完美解决集装箱植物工厂内环境净化难题，实现植物工厂内温湿度均匀。

1 新风空调一体化系统组成

新风空调一体化系统由新风系统和空调系统组成，新风系统与空调系统协同调节集装箱植物工厂内环境。新风空调一体化系统启动运行后能够快速高效向集装箱植物工厂内输送大量有氧新风，同时快速排出植物工厂内污浊空气，确保植物工厂内空气清洁。新风空调一体化系统在清洁集装箱植物工厂内空气的同时平衡了温湿度环境，为作物打造良好生长空间，安全高效且节能环保。集装箱植物工厂新风空调一体化系统示意如图1所示，集装箱植物工厂内外景如图2所示。

1.集装箱门 2.空调风道 3.栽培架 4.新风系统 5.空调主机 6.新风管道图1 集装箱植物工厂新风空调一体化系统示意Fig.1 Schematic diagram of integrated system of fresh air and air conditioning in container plant factory

图2 集装箱植物工厂内外景Fig.2 Inside and outside of container plant factory

2 新风系统设计

新风系统具有空气净化和高效节能的功能，包括新风机组、新风入口、新风出口、空气净化装置、排风机组、排风入口、排风出口和热交换芯体，用于新风换气和空气过滤。新风系统结构如图3所示。

1.排风出口 2.排风机组 3.热交换芯体 4.排风入口 5.新风出口 6.新风机组 7.空气净化装置 8.新风入口图3 新风系统结构Fig.3 Structure of fresh air system

新风系统工作时，集装箱植物工厂内外双向换气，持续将室外新鲜空气输入到集装箱内，清新空气无限循环通过过滤器，滤除空气中的灰尘及粉尘。室内排风和新风分别呈正交叉方式流经换热器芯体时，由于气流分隔板两侧气流存在温差和蒸汽分压差，两股气流通过分隔板时呈现传热传质现象，引起全热交换过程，气体交换后通过新风管道进入集装箱植物工厂内或排到室外。夏季运行时，新风从空调排风获得冷量，使温度降低，同时被空调风干燥，使新风含湿量降低；冬季运行时，新风从空调室排风获得热量，温度升高。新风系统送风风量为150～500 m3/h。通过换热芯体的全热换热过程，让新风从空调排风中回收能量，同时调节集装箱植物工厂内温度与湿度，平衡作物生长环境。利用空气净化装置，过滤从室外进入的空气，完成空气洁净的目的。

3 空调系统设计

空调系统包括空调机组和风道，用于温度的调节。空调机组冬季制热、夏季制冷，通过风道将适宜温度的空气传递到集装箱植物工厂内，与新风系统协助调节种植内环境。本系统采用冷暖两用空调，制冷剂是氟利昂。利用制冷剂气态变为液态时，释放大量的热量；由液态转变为气态时，会吸收大量热量的原理调节温度。

4 试验设计与方法

4.1 试验设计

2020年11月19日进行了集装箱植物工厂室内外温度、湿度测试试验，测试时间为9∶00—17∶00，温湿度每隔30 min记录测试数据。

4.2 测试仪器

试验采用RC-4HC型温湿度测量仪，数量13个。

4.3 试验方法

将集装箱植物工厂内一侧栽培架分为A、B和C共3个测试区(图4)，每个区域垂直方向设置4个温湿度测试点，每个测试点距离灯管20 cm。室外温湿度测试点应选取背阴处，避免太阳光直射对测试数据的影响。

图4 温湿度测点布置Fig.4 Layout of temperature and humidity measuring points

5 结果与分析

5.1 温度

各层温度平均值对比如图5所示。测试期间栽培架上A、B、C试验区同一水平方向上的3点温差0～1.5 ℃，A区垂直方向温差1.1～2.8 ℃，B区垂直方向温差0.9 ℃～2.9 ℃，C区垂直方向温差1.1～2.6 ℃，室外测点温度5.2～10.7 ℃。13∶00时，室外温度达到全天最高值10.3 ℃，各层平均值达到最高值。此时集装箱植物工厂内栽培架上A、B、C试验区同一水平方向上的3点温差0.7～1.3 ℃；A区垂直方向温差2.8 ℃；B区垂直方向温差2.9 ℃；C区垂直方向温差2.6 ℃，各区域垂直方向温差达到最大值。测试期间，新风空调一体化系统一直处于制冷状态。由此可见，新风空调一体化系统具有良好的降温均匀性。明期集装箱内温度总平均值23.2 ℃，满足集装箱植物工厂的设计要求。

图5 各层温度平均值对比Fig.5 Comparison of average temperature of each layer

5.2 湿度

各层湿度平均值对比如图6所示。测试期间栽培架上A、B、C试验区同一水平方向上的3点湿度差1.9%～18.3%，A区垂直方向湿度差5.4%～22.8%，B区垂直方向湿度差6.0%～17.1%，C区垂直方向湿度差4.4%～15.5%，室外测点湿度33.3%～60.6%。17∶00时，室外湿度达到测试期间最高值60.6%，此时栽培架上A、B、C试验区同一水平方向上的3点湿度差1.8%～14.0%，A区垂直方向湿度差8.9%，B区垂直方向湿度差8.4%，C区垂直方向湿度差14.9%。明期集装箱内湿度总平均值57.4%，满足集装箱植物工厂的设计要求。

图6 各层湿度平均值对比Fig.6 Comparison of average humidity of each layer

6 结论

测试期间栽培架上A、B、C试验区同一水平方向上的3点温差0～1.5 ℃，湿度差1.9%～18.3%；A区垂直方向温差1.1～2.8 ℃，湿度差5.4%～22.8%；B区垂直方向温差0.9～2.9 ℃，湿度差6.0%～17.1%；C区垂直方向温差1.1～2.6 ℃，湿度差4.4%～15.5%。

明期集装箱内温度总平均值23.2 ℃，湿度总平均值57.4%，满足集装箱植物工厂的设计要求。通过集装箱植物工厂运行试验测试，其结果表明新风一体化系统具有基本保持集装箱植物工厂内部温湿度恒定、噪声小、降温速度快、节能等优点，可在温室工程中广泛应用。