首页 > 专利技术

一种植物工厂及工厂化种植方法与流程

一种植物工厂及工厂化种植方法
1.本技术是2022年2月18日提交的名称为《一种节能减排的植物工厂化种植系统及运行方法》，申请号为202210149556.1的中国专利申请的分案申请。
技术领域
2.本技术属于种植技术领域，具体地涉及一种植物工厂及工厂化种植方法。

背景技术：

3.植物工厂是一种通过对种植单元内的环境进行控制从而使植物能够连续生产的高效种植系统。通过对植物生长所需的温度、湿度、光照、co2浓度以及营养液等环境条件的控制，使种植单元内植物的生长独立于自然条件制约，从而打破时间和地域限制、减少耕地占用、提高种植效率。植物工厂中的种植单元可以采用不透光的保温密闭材料，对其中植物的光照完全独立于自然界中阳光，而依靠人工方式给植物提供光照。
4.但是，目前的植物工厂多数是亏损的。导致植物工厂亏损的原因有以下几个方面：首先是能耗高。植物工厂中消耗能源的方面包括例如对光照、温度、湿度、二氧化碳浓度水平的维持或调节。目前植物工厂生产一公斤蔬菜的用电量高达10度，成本达到20元。其次，目前的植物工厂没有从根本上解决物候期问题。因此，目前的植物工厂多种植只需要营养即可以生长的植物如蔬菜、中药，以及部分草本花卉。对于有物候期变化的品种，尤其是木本果树，则鲜有成功的案例。这是因为，在例如植物工厂中营造物候期变化需要耗费大量的能量，使得成本过高难以实现。

技术实现要素：

5.本技术提供了一种植物工厂及相关种植方法，所述方法能够大幅度降低能源消耗；改变并缩短物候期，实现多年生木本水果的周年、高效生产。
6.本技术公开了一种植物工厂包括，包括至少两个相邻的种植单元的组，所述种植单元主体为不透光的保温密闭结构，在每组所述至少两个相邻的种植单元中均设有热泵末端系统；热泵主机系统，设置在所述至少两个相邻的种植单元以外，与所述热泵末端系统相连构成热交换系统，配置为控制分别设置在相邻种植单元中的各自的热泵末端系统将所述至少两个相邻的种植单元中一个单元的热量转移到另一个单元中。
7.特别的，所述植物工厂还包括设置在所述至少两个种植单元之间的通气机，配置为在其开启的情况下在两个单元之间进行空气和热量交换。
8.特别的，所述植物工厂还包括设置在所述至少两个相邻的种植单元中的每个中的进气风机和排气孔。
9.特别的，所述植物工厂还包括设置在所述至少两个相邻的种植单元以外的燃气发电机，其尾气管道通过支管连入所述至少两个相邻的种植单元中。
10.特别的，所述热泵主机系统与所述热泵末端系统通过管道相连并通过阀门切换，使所述热泵末端系统分别作为冷凝器或蒸发器，从而实现不同种植单元之间的热量转移。
11.特别的，所述至少两个相邻的种植单元中的每个还包括照明组件，温度探头，光照探头，湿度探头，和/或二氧化碳探头。
12.特别的，所述所述植物工厂还包括多个所述组，以及位于所述组之间的连廊，所述热泵主机位于所述连廊中，在所述连廊中还包括空气过滤器，连廊温度探头，和/或二氧化碳探头。
13.特别的，所述植物工厂还包括位于所述多个组和连廊以外的燃气发电机，室外温度探头，和/或二氧化碳探头。
14.本技术还公开了一种工厂化种植方法，包括在至少两个相邻的种植单元中使不同种植单元中的植物处在对温度需求存在差异的不同种植阶段，其中所述种植单元主体为不透光的保温密闭结构；利用包括位于所述至少两个相邻的种植单元中的热泵末端系统以及位于所述种植单元以外的热泵主机系统的热交换系统，将所述至少两个相邻的种植单元中的一个单元的热量转移到另一个单元中。
15.特别的，所述方法还包括启动连通所述相邻两个种植单元的通气机，使所述相邻两个种植单元中之间形成空气和热量交换。
16.特别的，所述方法还包括使种植单元中的空气与外界进行交换，以带走热量并补充二氧化碳，或者补充氧气和热量。
17.特别的，所述方法还包括利用所述两个相邻的种植单元以外的燃气发电机为所述种植单元提供电力，并且将燃气发电机的尾气导入所述种植单元中以补充二氧化碳和热量。
18.特别的，所述对温度需求存在差异的不同的种植阶段包括昼夜相反的阶段。
19.本技术中的种植单元主体采用多层保温密闭结构，最大限度地减少外界环境变化对系统的影响，同时节约土地。
20.本技术使植物工厂内总热量保持基本稳定的前提下在同一个组内不同种植单元之间进行空气交换和热量转移，在节约能源的前提下，实现昼夜温差，以及植物物候期变化所需的温度，进而实现物候期调节。
21.本技术中使用燃气发电机提供电力，一方面可以减少污染，另一方面，可以使用燃气发电机的尾气作为植物光合作用必须的二氧化碳的补充，保证高密度种植情况下光合速率。
附图说明
22.下面，将结合附图对本技术的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：
23.图1所示为根据本技术一个实施例的包括两个相邻种植单元的植物工厂结构示意图；
24.图2所示为根据本技术一个实施例的包括多组种植单元的植物工厂内设备布局的结构示意图；
25.图3所示为为根据本技术一个实施例的植物工厂中相邻两个种植单元通过空气交换实现温度、二氧化碳的重新分配的状态示意图；
26.图4所示为根据本技术一个实施例的植物工厂中相邻两个种植单元通过通过热交换系统实现将热量从一个种植单元转移到另一个种植单元的状态示意图；
27.图5所示为根据本技术一个实施例的植物工厂中通过发电机尾气向种植单元内补充二氧化碳和热量的状态示意图；
28.图6所示为根据本技术一个实施例的植物工厂中通过与外界的空气交换以补充二氧化碳和带走多余热量的状态示意图；
29.图7所示为根据本技术一个实施例的植物工厂中通过与外界的空气交换以补充热量和氧气的状态示意图；
30.图8所示为根据本技术一个实施例的植物工厂中相邻两个种植单元通过热交换系统实现将热量从一个种植单元转移到另一个种植单元的状态示意图，再通过与外部空气交换带走多余热量的状态示意图。
具体实施方式
31.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.在以下的详细描述中，可以参看作为本技术一部分用来说明本技术的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本技术的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本技术的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本技术的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。
33.本技术所针对的植物工厂内部的光照、温度等参数与工厂外部自然界条件例如光照无关，当然植物工厂内部的二氧化碳量也可以与工厂外部自然界当前的二氧化碳量无关。例如，本技术中的植物工厂的建筑可以是完全不透光的，因此外界的光照对于工厂内部的植物生长没有任何影响。根据一个实施例，本技术中的植物工厂可以采用多层保温密闭材料，从而更好的使工厂内部的环境独立于外部自然界环境。
34.针对传统的植物工厂来说，要解决植物物候期的问题就需要根据植物生长的需要周期性的调节工厂内部的环境参数，例如自然界中是白天，而根据植物生长阶段需要将工厂内部的环境从白天状态到夜晚状态，因此至少需要降低工厂内的温度以营造夜晚的环境。该降温操作需要消耗与待调整的温度幅度相应的能量才能实现的。
35.假如工厂外界的时间是10-12点，而植物工厂内部需要营造从白天到夜晚例如从16-18点的温度转化为18-20点的温度，就需要通过消耗能量人工的将工厂内部的温度降下来。该降温操作是无法通过与工厂外界环境交互实现的。
36.类似的，如果自然界中是夜晚，而根据植物生长阶段需要将工厂内部的环境从夜晚状态到白天状态，因此至少需要升高工厂内的温度以营造白天的环境。该升温操作需要消耗与待调整的温度幅度相应的能量才能实现的。
37.传统的植物工厂中各种植单元彼此独立，根据各种植单元中的植物所处的生长阶段，独立的调整各单元中的温度，光照等种植条件，消耗能量比较大。
38.在本技术公开的植物工厂中，热泵主机与末端系统相连，构成热交换系统，至少两个种植单元中包括各自的热泵末端系统，并且这两个相邻种植单元中植物所处的种植周期
处在具有一定差异的阶段(体现在温度或者光照等方面)，例如彼此昼夜相反。比如一个种植单元中要营造的是夜晚的环境，相邻的种植单元中要营造的是白天的环境。并且，根据一个实施例，这两个相邻的种植单元中所种植的植物可以是相同的也可以是不同的。
39.例如，当需要在一个种植单元中升温的同时需要在与其相邻的种植单元中降温。因此，利用热泵主机和热泵末端系统组成的热交换系统，通过阀门切换，使第一种植单元中的末端系统成为蒸发器吸收热量，同时使相邻的第二种植单元中的热泵末端系统成为冷凝器，将从第一种植单元中所获得的热量提供给第二种植单元作为升温所需要的能量。利用这种方法和植物工厂对两个相邻种植单元的温度进行调节所需能量能量相对于传统的植物工厂得到大幅度的节省。
40.实施例1
41.草莓植物工厂
42.本草莓植物工厂可以包括多组的种植单元、连廊和设备组成；其中两个相邻种植单元为一组(例如一和二，或者三和四)，组内种植单元之间有通气机连通，在通气机不运行的情况下，相邻两个种植单元之间不连通。组与组之间设有连廊，组与组之间的空气不互通。连廊内可以设有升降机、楼梯、电梯、以及其他设备，如图1-图2所示。
43.其中：
44.安装在室外的设备可以包括：燃气发电机1，室外温度探头t6、室外二氧化碳探头c6；燃气发电机尾气经过第二空气过滤器25后通过管道2和第一单元支管3、第二单元支管4、第三单元支管5和第四单元支管6进入各种植单元；
45.安装在连廊的设备可以包括，连廊两端的第一空气过滤器24和第二空气过滤器25、连廊内的配电箱30、控制器31、热泵主机系统23，以及连廊温度探头t5、连廊二氧化碳探头c5；
46.安装在每个种植单元的设备可以包括：第一单元照明组件26、第二单元照明组件27、第三单元照明组件28、第四单元照明组件29、第一单元温度探头t1、第二单元温度探头t2、第三单元温度探头t3、第四单元温度探头t4、第一单元湿度探头h1、第二单元湿度探头h2、第三单元湿度探头h3、第四单元湿度探头h4、第一单元二氧化碳探头c1、第二单元二氧化碳探头c2、第三单元二氧化碳探头c3、第四单元二氧化碳探头c4、第一单元光照探头l1、第二单元光照探头l2、第三单元光照探头l3、第四单元光照探头l4、第一单元进气风机7、第二单元进气风机8、第三单元进气风机9、第四单元进气风机10、第一单元排气孔11、第二单元排气孔12、第三单元排气孔13、第四单元排气孔14、第一单元热泵末端系统19、第二单元热泵末端系统20、第三单元热泵末端系统21、第四单元热泵末端系统22；
47.种植单元的主体均为保温密闭结构，种植单元的门开在连廊一端；
48.组内两种植单元之间有通气机15、16，通气机17、18相连，以形成空气流通；
49.热泵主机系统23与第一单元热泵末端系统19、第二单元热泵末端系统20、第三单元热泵末端系统21、第四单元热泵末端系统22通过管道相连，构成热交换系统，通过阀门切换，使第一单元热泵末端系统19、第二单元热泵末端系统20、第三单元热泵末端系统21、第四单元热泵末端系统22分别成为冷凝器或蒸发器，从而实现不同种植单元之间的热交换。
50.种植单元内设置多列多层支架，以放置多层草莓，草莓植株上面布置照明灯具。
51.本实施例假设某草莓品种在结果期同时伴随营养生长、花芽分化、开花授粉、果实
发育，其对温度、光照的需求为：光补偿点10000勒克斯、光饱合点25000勒克斯，夜晚最适温度8℃，白天光合最适温度24℃，最佳光照时长为12小时。
52.本实施例以两个相邻种植单元作为一组，通过光照、温度的控制模拟一天的环境变化。如图3-8所示，因此，本实施例的有三个时间系统：外界自然时间、种植单元一模拟时间、种植单元二模拟时间，种植单元一和种植单元二的模拟时间为昼夜相反，与外界自然时间独立。
53.下面按照种植单元一的模拟时间的顺序来描述24小时的控制逻辑：
54.1)种植单元一内部的20时-次日4时是深夜时段，光照为0，温度设定点为种植作物的夜晚最适温度8℃，与之对应的种植单元二的时间是8时-16时，光照为种植作物的光饱合点25000勒克斯，温度设定点为24℃，为光合作用最强烈的时段；这个时段需要优先将种植单元一的内部温度保持在8℃，如果温度高于8℃，则启动热交换系统将种植单元一多余的热量转移到种植单元二，如果种植单元二温度过高，则通过与外界的空气交换，带走过多的热量；发电机的尾气通往种植单元二以补充二氧化碳；此时段对应室外的自然时间段为14时-22时，从14时-17时，工人在种植单元二进行管理工作；
55.2)种植单元一的4时-6时为清晨时段，温度逐渐上升，为白天的代谢作准备，光照仍为0；与之对应的种植单元二为下午时段16时-18时，光照递减，从光饱合点逐渐降至光补偿点再到0，温度逐渐下降，光合作用逐渐减弱；这个时段是通过两个种植单元间的通气机交换空气，从而实现温度、氧气、二氧化碳逐渐达到平衡；因为光照下降，热泵也不启动，用电量下降，因此发电机组功率下降，尾气仍然通往种植单元二；此时段对应室外的自然时间段为22时-24时，不需要工人进行管理；
56.3)种植单元一的6时-8时为上午时段，光照逐渐升高，达到光饱合点，温度从平衡点上升到种植作物白天的最适温度24℃；与之对应的种植单元二进入夜晚时段18时-20时，光照为0，温度由平衡点降到种植作物的夜晚最适温度8℃；这个时段通过热交换系统将热量从种植单元二转移到种植单元一，从而实现种植单元二降温、种植单元一升温；发电机尾气通往种植单元一；此时段对应室外的自然时间段为0时-2时，不需要工人进行管理；
57.4)种植单元一的8时-16时为白天时段，光照处于光饱合点25000勒克斯，温度保持种植作物的白天最适温度24℃，与之对应的种植单元二为夜晚时段20时-次日4时，光照为0，温度保持在种植作物的夜晚最适温度8℃；这个时段需要优先将单元二的内部温度保持在最适温度8℃，如果温度高于8℃，则启动热泵将种植单元二多余的热量转移到种植单元一，同时，如果种植单元一温度过高，则通过与外界的空气交换，带走过多的热量；发电机的尾气通往种植单元一以补充二氧化碳；此时段对应室外的自然时间段为2时-10时，工人从8时-10时在种植单元一进行管理；
58.5)种植单元一的16-18时为下午时段，光照递减，从光饱合点逐渐降至光补偿点再到0，温度逐渐下降，光合作用逐渐减弱；种植单元二的4-6时为清晨时段，温度逐渐上升，为白天的代谢作准备，光照仍为0；这个时间靠通气机形成空气流动，从而实现两个种植单元温度、氧气、二氧化碳的平衡；发电机低功率运行，尾气通往种植单元一；此时段对应室外的自然时间段为10时-12时，工人在种植单元一进行管理工作；
59.6)种植单元一的18-20时进入夜晚，光照为0，温度从平衡点逐渐下降到种植作物的夜晚最适温度；对应的种植单元二为上午时段6-8时，光照逐级升高至光饱合点，温度从
平衡点上升到最适白天种植作物的最适温度；这个时段热泵启动，将热量从种植单元一交换到种植单元二；发电机尾气通往种植单元二；此时段对应室外的自然时间段为12时-14时，工人13时-14时在种植单元二进行管理工作；
60.这样的时间规划使工人的工作时间从外界的早上到下午，工作时间覆盖两个种植单元的光照时段，并且各进行4小时管理工作；
61.这样的时间规划还有利于进行系统热平衡：夏季因为墙体导热、尾气补充热量的原因，系统总热量会增加，这时，可以依靠与外界的空气交换，带走多余的热量，这个动作在外界时间的凌晨2-5点进行，此时外界温度最低、二氧化碳浓度高，而同时种植单元一的温度处于最高的状态，通过对种植单元一与外部空气的交换，带走多余热量。
62.冬季因为墙体散热的原因，系统总热量会减少，可以通过发电机尾气补充部分热量；如果发电机补充的热量不能维持总热量的平衡，则通过与外界的空气交换补充热量，在冬季外界时间14-16点是外部温度最高的时段，此时种植单元一的内部时间为22-24点，为内部温度最低的时段，通过对种植单元一与外部进行空气交换，可以补充系统热量。
63.草莓可以在上述条件下连续结果至少一年的时间，没有休眠的需求，因此，本实施例没有制造低温区的需求。草莓工厂化种植只有日周期管理，没有物候期管理，在连续结果一年多，植株老化后，直接更换新的草莓苗。
64.实施例2
65.葡萄植物工厂
66.本实施例与实施例1的建筑结构、设备等均相同，不同在于：葡萄种植于置放在地面的容器中，同时安装有支架以支撑葡萄的藤蔓。
67.葡萄为多年生木本植物且有休眠需求，因此，在自然环境中存在花芽分化——休眠——发芽——开花——结果——成熟——营养生长——落叶的物候期变化。每个生理阶段对温度、光照的需求不同。本实施例中针对某葡萄品种的假设如下：
68.休眠阶段光照时长为8小时，温度为8℃以下，需冷量为120小时；
69.发芽阶段光照时长为10-12小时，温度为10-25℃；
70.开花阶段光照时长为10-12小时，温度为10-25℃；
71.果实生长期光照时长为12-14小时，温度为10-25℃；
72.果实成熟期光照时长为12-14小时，温度为10-25℃；
73.营养生长阶段光照时长为12-16小时，温度为10-25℃；
74.落叶阶段光照时长为12-10小时，温度为10-25℃；
75.尽管不同阶段的温度、光照有所差异，但是本实施例的日周期变化原理及管理思路与实施例1相同。
76.下面描述用人工控制环境的方法实现葡萄的年周期变化，并且缩短时间。具体的实施方案如下，从果实收获开始：
77.果实收获后，给予15天最适营养生长时间(光照时长为14小时，温度为夜间最低10，白天最高25℃)，以使葡萄获得足够的营养积累；
78.之后用15天的时间逐渐缩短光照时长，由14小时逐渐缩短至11小时，温度为夜间最低10，白天最高25℃，促使葡萄将养分回流到根、茎，进入休眠准备，并开始落叶；
79.落叶后将光照时长缩短至8小时，温度为夜间维持5℃以下，白天最高20℃，维持15
天，完成打破休眠的需冷量；这个阶段需要对休眠的种植单元进行额外的降温处理，方法见图8；
80.之后的30天逐渐延长光照时间，从8小时逐渐延长到12小时，温度控制在夜晚10℃，白天25℃，葡萄开始发芽，并进行营养生长；
81.之后继续保持光照时长到12小时，温度控制在夜晚10℃，白天25℃，葡萄进入花期；
82.之后继续延长光照时间，直至14小时，温度控制在夜晚10℃，白天25℃，直至果实成熟；
83.果实收获后进入下一个循环。
84.用这种人工控制的方法，可以把原来需要一年的循环过程，压缩在7个月左右，大大节省时间，提高生产效率。
85.上述实施例仅供说明本技术之用，而并非是对本技术的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本技术范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本技术公开的范畴。

技术特征：

1.一种植物工厂，包括包括至少两个相邻的种植单元的组，所述种植单元主体为不透光的保温密闭结构，在每组所述至少两个相邻的种植单元中均设有热泵末端系统；热泵主机系统，设置在所述至少两个相邻的种植单元以外，与所述热泵末端系统相连构成热交换系统，配置为控制分别设置在相邻种植单元中的各自的热泵末端系统将所述至少两个相邻的种植单元中一个单元的热量转移到另一个单元中。2.如权利要求1所述的植物工厂，还包括设置在所述至少两个种植单元之间的通气机，配置为在其开启的情况下在两个单元之间进行空气和热量交换。3.如权利要求1所述的植物工厂，还包括设置在所述至少两个相邻的种植单元中的每个中的进气风机和排气孔。4.如权利要求1所述的植物工厂，还包括设置在所述至少两个相邻的种植单元以外的燃气发电机，其尾气管道通过支管连入所述至少两个相邻的种植单元中。5.如权利要求1所述的植物工厂，其中所述热泵主机系统与所述热泵末端系统通过管道相连并通过阀门切换，使所述热泵末端系统分别作为冷凝器或蒸发器，从而实现不同种植单元之间的热量转移。6.如权利要求1所述的植物工厂，其中所述至少两个相邻的种植单元中的每个还包括照明组件，温度探头，光照探头，湿度探头，和/或二氧化碳探头。7.如权利要求1所述的植物工厂，还包括多个所述组，以及位于所述组之间的连廊，所述热泵主机位于所述连廊中，在所述连廊中还包括空气过滤器，连廊温度探头，和/或二氧化碳探头。8.如权利要求7所述的植物工厂，还包括位于所述多个组和连廊以外的燃气发电机，室外温度探头，和/或二氧化碳探头。9.一种工厂化种植方法，包括在至少两个相邻的种植单元中使不同种植单元中的植物处在对温度需求存在差异的不同种植阶段，其中所述种植单元主体为不透光的保温密闭结构；利用包括位于所述至少两个相邻的种植单元中的热泵末端系统以及位于所述种植单元以外的热泵主机系统的热交换系统，将所述至少两个相邻的种植单元中一个单元的热量转移到另一个单元中。10.如权利要求9所述的方法，还包括，启动连通所述相邻两个种植单元的通气机，使所述相邻两个种植单元中之间形成空气和热量交换。11.如权利要求9所述的方法，还包括，使种植单元中的空气与外界进行交换，以带走热量并补充二氧化碳，或者热量。12.如权利要求9所述的方法，还包括，利用所述两个相邻的种植单元以外的燃气发电机为所述种植单元提供电力，并且将燃气发电机的尾气导入所述种植单元中以补充二氧化碳和热量。13.如权利要求9所述的方法，其中所述对温度需求存在差异的不同的种植阶段包括昼夜相反的阶段。

技术总结

本申请涉及一种植物工厂包括，包括至少两个相邻的种植单元的组，所述种植单元主体为不透光的保温密闭结构，在每组所述至少两个相邻的种植单元中均设有热泵末端系统；热泵主机系统，设置在所述至少两个相邻的种植单元以外，与所述热泵末端系统相连构成热交换系统，配置为控制分别设置在相邻种植单元中的各自的热泵末端系统将所述至少两个相邻的种植单元中一个单元的热量转移到另一个单元中。本申请还提供了一种工厂化种植方法。提供了一种工厂化种植方法。提供了一种工厂化种植方法。