某科研机构植物生长研究的人工微气候环境设计

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　　摘要：本文重点阐述了植物生长的几大外部环境因素，通过植物生长研究的人工微气候环境的设计实例，全面探讨了有限空间内植物生长试验研究的环境控制，并提出植物生长研究的人工微气候环境控制的发展方向。
　　关键词 植物生长 人工微气候环境 人工光源温度湿度CO2
　　中图分类号：J522.3 文献标识码：A 文章编号：
　　
　　一、植物生长研究的概述
　　植物的生长发育是一系列内、外因素调节的结果，内部因素即指植物激素（生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯），这些激素通过相互之间的协同、颉顽、反馈和交替作用，控制植物生长。在这个生长过程中，遗传信息的表达是在环境条件的影响下实现的，包括日照、温度、湿度、水分、矿物质、CO2等，自然环境可以提供这些环境条件，但由于各地气候条件、土壤条件不同，试验研究有很大局限性。在这些外部因素中，矿物质和水分可以人工调节，因此研究植物生长，只要模拟自然气候条件，就可以将研究对象置于封闭环境中，形成人工控制的微气候环境，通过改变各种环境要素，研究适宜不同植物生长的气候条件。
　　目前植物生长研究的主要方向包括：
　　（1）加快优质新品种培育。
　　（2）进行重要植物的抗拟机理研究，创制抗逆的新品种和新种质
　　（3）挖掘重要植物的基因资源，开展基因功能鉴定与利用的研究。
　　在植物生长的研究中，除了直接研究对象植物，还有对模式植物的试验研究，在这些模式植物中，拟南芥扮演着重要的作用，是研究植物的遗传、细胞、分子生物学的典型植物。拟南芥作为重要模式植物，基因组很小，包含大约1.3亿碱基对和2.5万个基因组，有利于基因定位和测序；植株小，方便在有限空间内培育；生命周期从萌芽到种子成熟大约为六个星期，大大节省时间成本；自交繁殖：自花传粉，也有助于遗传实验。
　　二、人工微气候环境的要求
　　下面以上海某植物生长研究所的人工微气候环境中植物生长研究项目为例，阐述人工微气候环境的设计。
　　在下文中，人工微气候环境所在封闭空间以及调节环境光照强度、温度、湿度、水分、CO2等要素的设备、控制系统在内的集成系统称为人工气候室。
　　本项目的人工气候室内放置不同的试验作物，每间人工气候室都有独立的光照强度、温度、湿度、水份、CO2的调节系统，人工气候室的类别和数量、环境要求如下表：
　　
　　
　　
　　在这些参数条件中，可以采用人工光源作为植物生长光源，保证光照强度。
　　温度和湿度各自有变化范围，在实际使用时需要自由组合，模拟试验作物所需要的各种自然气候条件，同时由于植物的光合作用，需要补充新风保证CO2供应，因此通风空调的设计是本项目的重点。为维持整个系统的运行，另有若干辅助用房，包括存放种子的冷库、集中管理的中央控制室、提供冷源的冷冻机房、单独存放试验作物的库房等。
　　上表中所列的室内控制参数，相对湿度的影响最大，并且随着温度地变化而波动。设计时设定在低湿（相对湿度≤55%）的环境下，室内不种植水培植物，不进行经常浇水作业，仅在对试验作物操作时打开室门，平时通过观察窗巡视，最大程度地减小室内产湿量，以避免波动急剧影响湿度调控。
　　三、总体布置
　　本项目建在现有科研中心，在地下室单独隔离400平方米左右的空间，布置人工气候室和辅助用房，原有空间仅仅作为办公用途和仓库。
　　冷冻机房位于改造区域北侧的一个不规则房间，靠近本层配电房6间水稻及小麦作物试验、3间重要种类保育研究、1间高温间以及5间拟南芥培养室散布在改造区域内，2间冷库位于南面。
　　控制室位于改造区域的中心，便于集中管理、监控。
　　按图中所示重新分隔后，每间人工气候间的净面积在10.8平方米左右，冷库面积大约为6平方米，每间人工气候室的室外走道布置空气处理设备（空调机组），以及本地控制系统设备，便于运行管理。
　　三、土建设计
　　1、墙板、顶板
　　人工气候室的墙板和顶板需要减小外界环境对室内空气品质特别是相对湿度的影响，在提高围护结构热阻的同时，加强房间气密性，。
　　墙板和顶板的板材采用双层夹芯彩钢板，保温板材采用隔热芯岩棉保温板，板体两面为彩钢板，保温层厚度70mm-100mm。保温板有一定的标准模数，在一定范围可以任意组合，也可以根据现场条件定制。彩钢板面板一面安装于室内，不仅美观，而且便于清洁。板与板之间用偏心钩连接，其锁紧装置在工厂里板塑制作时已预埋在相应的位置上。现场安装仅需专用工具，使所有板壁构成相应拉紧的整体。安装完成后板与板之间接缝用白色硅胶密封。
　　2、底板
　　原有房间地面为PVC地板。人工气候室工作期间会对实验植物进行浇灌作业，对残留泥土会定期清洗。所以需要将原PVC地板清除，敷设排水管和地漏，重新进行地坪防水、保温，铺设防水地砖。
　　3、门
　　人工气候室的门采用双层夹芯板平开门，保温为岩棉隔热层，厚度70－100mm，两侧面板为彩钢/轧花铝板。门上设置圆形中空玻璃观察窗，具有防冻化霜功能。
　　五、人工光源
　　1、光源设计
　　由于人工气候室温度可能低至20℃以下，人工光照光源不仅要耐低温，而且必须防潮、防湿、密封良好，同时又要保证高光通输出率及良好的光线均匀度。为此，人工照明选用防水灯具，防护等级IP65。
　　除了拟南芥培养室人工光源布置在培养架上，室内光照强度保持在3000~6000Lux，其他人工气候室均为顶置光源，光照强度保持在30000Lux，因此为了达到与太阳光谱线的最大相似，人工照明光源采用金卤灯与氙钠灯混合光源。顶置人工光源的灯体采用灰色高抗撞击聚碳酸脂塑料；灯罩采用高抗撞击聚碳酸脂塑料灯罩；反光板采用白色钢板；垫圈采用抗老化聚氨脂泡沫材料垫圈；扣合采用不锈钢扣合具；电器采用进口电感/电子镇流器。
　　 2、光源控制：
　　1）每间人工气候室的光源开启设置成3个回路，每一回路开启都保护房间各个地方能均匀感受到光照，直至全部开启使房间各个地方光照均匀增加到最大值。光照回路开启为手动就地，也可通过上端计算机控制，根据时间设定定期打开各回路。
　　2）人工气候室内的光源回路与制冷回路联锁。当制冷回路停止运行，连锁开关切断相关房间的光照回路，仅保留工作照明灯及应急灯。当制冷运行恢复，直至室内设定温度时，自动联锁，打开光源回路电源，手动/自动开启光照回路。
　　3）照明配电回路与房间内温度传感器及空调供电回路连锁，当房间温度超过35℃，或空调供电断电任何一种情况发生，将连锁关闭所有室内人工照明灯具，防止室内温度上升过高对试验植物产生破坏。
　　六、空调通风设计
　　本项目中须采用温、湿度控制的房间共13间，包括水稻及小麦作物试验6间，重要种类保育研究3间，高温间1间，拟南芥培养室5间，以及2间只控制温度的冷库。13间人工气候室采用夹芯保温板独立分隔，净尺寸3米×3.6米，净空3米，无外窗，密封门。
　　13间人工气候室分别设置空调机组，单独控制，以满足不同的试验要求。为保证实验室内的CO2的供应，按照一定比例向室内提供新风，因场地限制，无法设置新风机组对新风预处理，项目中设置独立的新风系统，向空调机组提供室外新风，在空调机组中对新风、回风进行热湿处理。
　　人工气候室的排风集中设置，为维持风量平衡（人工气候室内微正压）和保证CO2浓度，每间实验室均设排风口，集中经风机排到室外，本排风系统也可以在实验室清洁时作为换气使用。
　　为节省占地面积，空调机组采用立式结构其功能段均包括：包括新回风混合段、粗效过滤段、表冷盘管段、电加热段、加湿段和送风段。电加热段制冷工况时作为再热段，加热工况时作为加热段。
　　1、冷负荷计算
　　人工气候室建在建筑物内，有独立的围护结构，因此通过围护结构的传热很小。拟南芥培养间的光照强度在3000~6000Lux，其他房间均为30000Lux，因此这些房间的照明负荷所占的比重很大，在计算冷热负荷主要考虑以下因素：
　　围护结构的传热量；
　　室内人工补光光源发热量：
　　室内栽培植物的水分蒸发引起的湿负荷（房间面积的50%水面计算）；
　　新风负荷；
　　1）冷负荷计算
　　
　　
　　
　　2）热负荷计算
　　
　　
　　
　　总热负荷：276.87kW；总湿负荷：258.7kg/h
　　在上述热负荷计算中，考虑到最不利情况，即在冬季工况下，室内不使用人工光源，而要求满足高温高湿的气候条件。
　　2、冷源、热源
　　对本项目来说，除了电能之外，没有其他形式的能源，因此所有空气加热处理过程均采用电能。在冷源选择方面，为了保证系统运行稳定可靠，系统冷负荷471kW，选用1台水冷螺杆冷水机组30XW-552，提供5℃/10℃的冷冻水，机组额定制冷量512kW。考虑13间人工气候室同时在低温低湿的试验条件下工作的可能性很小，冷水机组的容量还是有余量的。冷冻水系统采用一次泵定流量系统。
　　冷却塔放置于室外地面，冷却水泵就近放置，进水管高度低于积水盘液面高度。因为人工气候室的使用并不是专属，而是项目申请下来才来租用，因此每间人工气候室的使用各不相同，所以系统运行的特点是持续时间长，有可能是几个月昼夜连续运转，直到系统维护维修，因此冷却塔不考虑防冻。
　　在冬季直接使用冷却水供冷这一节能问题上，因为面积限制，目前仅预留接口，保留未来改造的可能性。
　　3、空气处理过程
　　改造区域面积有限，无法设置新风机组对新风进行预处理，所以空气处理使用新回风直接混合的一次回风处理过程。人工气候室的冷负荷以照明为最大，远大于围护结构负荷和其他负荷，因此并不能简单划分为夏季工况、冬季工况以及过渡季工况。在人工气候室的照明全部打开或部分打开时，冷水机组都可能需要运行，提供冷冻水，因此制冷工况并不只是夏季运行，即使在冬季时，当照明全部或部分打开时，也极有可能在制冷工况下运行。
　　在夏季空调室外设计参数的制冷工况下，满足低温低湿的试验条件是空气处理难度较大的，因此将几个人工气候室温度、湿度锁定在变化范围的下限值，作为一个试验条件的室内空气参数组合，来确定空气处理过程中的状态变化。
　　1）制冷工况
　　本项目为每一间人工气候室单独设置空调机组，新风机提供夏季室外新风，直接粗效过滤的室外新风送入空调机组，在混合段中与回风混合后再经过粗效过滤、冷冻去湿、电加热再热，满足送风状态要求，再送入人工气候室内。
　　人工气候室空气处理过程
　　
　　
　　
　　2)加热工况
　　当人工光源的发热量不足以弥补新风热负荷时，机组需要运行在加热工况。在这种工况下，室外少量低温新风送入空调机组，与回风混合后经过过滤、加热、加湿，满足送风状态要求，再送入人工气候室内。
　　4、气流组织
　　在本项目中，人工气候室分别采用上送下回和下送上回两种气流组织方式，因为室内最大发热源均为人工光源，因此气流组织均先经过试验作物区域。
　　在拟南芥培养室中，人工光源位于培养架上，因此其气流组织采用上送下回方式，上部吊顶内的空间作为送风静压箱，通过孔板均匀下送风，保证垂直温度变化的梯度要求，使试验作物周围环境的温度、湿度易于调节。
　　在其他人工气候室中，由于室内顶上安装有大量光照发热元件，为保证室内温度的均匀性和气流组织合理，同时考虑到现有建筑的层高和建筑装修格局，气候室内的地面上设架空地板，地板下空间作为送风静压箱，地板采用孔板，送风经过孔板均匀送风，率先到达试验区域，最后经过人工光源。
　　
　　八、自控系统设计
　　本项目在自控系统的设计上，除了常规的冷冻水系统、冷却水系统、末端空调设备、新风系统、排风系统、人工光源控制的监控之外，有以下几个特点：
　　（1）每间人工气候室在某一时段内归某一项目组全权使用，因此需要设置门禁系统，能耗计费系统将根据电量消耗和用水量计费；
　　（2）系统设定温度、湿度、光照强度等参数的时间变化曲线，来模拟模拟自然环境，由于空气和水有一定的热惰性，变化并不是即时的，但是植物生长有自适应性，因此模拟可以满足试验需要。
　　自控系统可以设定每间人工气候室的各项参数和时间变化曲线，在此不再展开。
　　九、结论
　　欧美国家的人工模拟自然条件的植物生长研究已经有五十年以上的历史，国内虽然及时起步，但是限于技术条件，近十年才有长足进步，最为大众熟知的就是热带雨林的大型玻璃温室。目前，在试验条件下模拟自然条件的植物生长研究正向集成化、模块化的方向发展，各行业更多的新技术将应用到这个新兴领域里。
　　个人简介：出生年月 ：1974.4 职称：工程师 学历：硕士 毕业学校：同济大学 供热通风及空调工程（本科） 同济大学 供热供燃气、通风及空调专业（硕士）
　　
　　参考文献：
　　植物生物学（第三版），周云龙，2011.1，高等教育出版社
　　实用供热空调设计手册（第二版），陆耀庆，中国建筑工业出版社

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