牧草集裝箱植物工廠研發(fā)與應(yīng)用

董 微， 馬 鐵， 張 棟， 周增產(chǎn),3， 姚 濤， 張浩文

（1. 北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096； 2. 北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3. 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京 100094）

0 引言

隨著畜牧業(yè)的日益發(fā)展，牧草生產(chǎn)越來越被人們重視，種植面積逐年增加。發(fā)展牧草業(yè)對于調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)“糧改飼”進(jìn)程，提升草產(chǎn)品與畜產(chǎn)品的市場競爭力具有重要意義[1-3]。在我國北方，牧草的供應(yīng)量因受自然條件限制，四季并不均衡。由于廣大牧民飼喂的草料種類、營養(yǎng)成分單一，從而造成營養(yǎng)平衡失調(diào)等問題，特別是在寒冷的冬季，家畜只能采食青干飼料，不能充分滿足家畜健康生長需要。因此，解決家畜冬春季節(jié)采食，是當(dāng)前畜牧業(yè)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題[4-5]。

隨著我國植物工廠技術(shù)的不斷提高，微型化植物工廠已逐步應(yīng)用于各種生產(chǎn)環(huán)境。在人口、耕地資源緊缺的大背景下，將大量淘汰棄用的集裝箱再次利用，改造成用于種植的集裝箱植物工廠，不但可以提高資源的利用率，還可以降低建設(shè)成本[6-10]。

利用集裝箱進(jìn)行牧草生產(chǎn)在我國尚處于起步階段，栽培工藝、環(huán)境調(diào)控、配套設(shè)備與設(shè)施類型需要進(jìn)一步融合和深入研究。

為提升我國牧草生產(chǎn)工廠化作業(yè)水平，消除設(shè)施裝備技術(shù)體系薄弱對牧草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阻礙，綜合分析我國牧草生產(chǎn)工廠化技術(shù)水平現(xiàn)狀，基于國內(nèi)牧草生產(chǎn)實(shí)際，針對牧草的生長習(xí)性，北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司設(shè)計開發(fā)了牧草集裝箱植物工廠，可有效解決環(huán)境惡劣地區(qū)牧草生產(chǎn)問題，避免飼草在干燥、貯存、運(yùn)輸過程中的營養(yǎng)損失，為畜牧業(yè)的健康發(fā)展開辟新路徑。

1 組成

牧草集裝箱植物工廠是一個高效多層牧草生產(chǎn)空間，利用智能控制系統(tǒng)，達(dá)到溫、光、濕、氣、水、肥的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)牧草周年快速生產(chǎn)。

牧草集裝箱植物工廠由殼體、栽培系統(tǒng)、營養(yǎng)液循環(huán)再利用系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、CO2補(bǔ)氣系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)組成，如圖1 和圖2 所示。殼體由國際標(biāo)準(zhǔn)20 尺高柜集裝箱改造而成，其內(nèi)尺寸為5 898 mm（長）×2 352 mm（寬）×2 385 mm（高）。地面采用5 mm 厚度花紋鋁板。殼體內(nèi)側(cè)鋪裝75 mm 厚度的巖棉凈化板層，隔熱保溫。殼體一端設(shè)置雙開門作為入口，另一端設(shè)置設(shè)備間，用于放置空調(diào)、加濕器、配電柜、營養(yǎng)液箱。

圖1 牧草集裝箱植物工廠側(cè)視圖Fig. 1 Side view of herbage container plant factory

圖2 牧草集裝箱植物工廠平面圖Fig. 2 Plan of herbage container plant factory

2 栽培系統(tǒng)設(shè)計

栽培系統(tǒng)由牧草栽培架、補(bǔ)光燈和栽培槽組成，如圖3 所示。牧草栽培架采用立體栽培模式，集裝箱內(nèi)共配置2 列牧草栽培架，栽培架外形尺寸為5 000 mm×790 mm×2 242 mm。每列栽培架由12 組栽培單元組成，每組栽培單元共2 層，層高1 100 mm。根據(jù)牧草對光照的需求，每層栽培架配置24 支40 W 的LED 補(bǔ)光燈。

圖3 牧草栽培架Fig. 3 Herbage cultivation rack

選用寬度600 mm、深度300 mm、長度900 mm，組裝式的通長PVC 栽培槽作為牧草栽培槽，放置在牧草栽培架上，如圖4 所示。栽培槽內(nèi)鋪設(shè)栽培基質(zhì)，椰糠、蛭石、珍珠巖按照2∶1∶1 的比例進(jìn)行配置，確?；|(zhì)具有良好的保水性與透氣性。

圖4 牧草栽培槽Fig. 4 Herbage cultivation tank

3 營養(yǎng)液循環(huán)再利用系統(tǒng)設(shè)計

營養(yǎng)液循環(huán)再利用系統(tǒng)由營養(yǎng)液箱、紫外消毒器、管路等組成。所有供水管路采用DN20 灰色UPVC 管材管件，營養(yǎng)液供液管路采用藍(lán)色UPVC 管材管件，所有排水或回液管路采用白色管材管件。紫外線消毒器利用波長225～275 nm 的紫外線對原水中的微生物進(jìn)行殺滅。牧草生長所需的營養(yǎng)液在營養(yǎng)液箱內(nèi)配制，營養(yǎng)液箱位于設(shè)備間。營養(yǎng)液循環(huán)再利用系統(tǒng)通過智能控制系統(tǒng)定時進(jìn)行栽培系統(tǒng)中各層栽培槽內(nèi)的營養(yǎng)液循環(huán)，以達(dá)到營養(yǎng)液消毒及營養(yǎng)均衡供應(yīng)的目的。

4 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

新風(fēng)系統(tǒng)由空調(diào)系統(tǒng)和換氣系統(tǒng)組成。換氣系統(tǒng)通過管道與新風(fēng)主機(jī)連接，系統(tǒng)原理為風(fēng)機(jī)將生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)空氣抽出到集裝箱外，與此同時生產(chǎn)區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，將集裝箱外新鮮空氣抽入到生產(chǎn)區(qū)域，以此達(dá)到室內(nèi)通風(fēng)換氣的目的。換氣系統(tǒng)的應(yīng)用改善了傳統(tǒng)集裝箱強(qiáng)制通風(fēng)造成換氣不均勻、不同高度溫差較大的現(xiàn)狀，同時起到了調(diào)節(jié)濕度與二氧化碳濃度的作用。

通過外墻、屋面、外窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱形成的冷負(fù)荷計算公式如下。

將空調(diào)區(qū)的各個分項冷負(fù)荷按照計算時刻累加，得出空調(diào)區(qū)總冷負(fù)荷逐時值的時間序列，從中找出序列中的最大值，即作為該空調(diào)區(qū)的冷負(fù)荷。根據(jù)上述牧草集裝箱植物工廠室內(nèi)冷負(fù)荷計算，空調(diào)系統(tǒng)配置一臺壁掛式2 匹空調(diào)，空調(diào)制冷量為5.15 kW，制熱量為5.8 kW，電輔熱為1.4 kW。

5 加濕系統(tǒng)設(shè)計

加濕系統(tǒng)由加濕機(jī)、過濾器、加濕管道組成。經(jīng)過過濾器的自來水進(jìn)入加濕機(jī)，然后通過加濕管道對牧草集裝箱植物工廠內(nèi)部進(jìn)行加濕，此種加濕方式加濕效果均勻。通過牧草集裝箱植物工廠內(nèi)的干濕度傳感器自動控制加濕機(jī)的開關(guān)。加濕系統(tǒng)的使用可以提高牧草品質(zhì)，保持葉子堅挺，增加生產(chǎn)牧草的含水量，同時可減少生產(chǎn)中牧草干燒心的現(xiàn)象。

6 CO2 供氣系統(tǒng)設(shè)計

CO2供氣系統(tǒng)由CO2儲氣瓶、電磁閥、氣體釋放管道組成。牧草集裝箱植物工廠內(nèi)的CO2濃度傳感器實(shí)時監(jiān)測內(nèi)部CO2濃度變化：當(dāng)CO2濃度低于設(shè)置值時，智能控制系統(tǒng)將自動打開電磁閥進(jìn)行供氣；當(dāng)達(dá)到CO2濃度設(shè)定值時停止供氣，從而保證牧草可以正常進(jìn)行光合作用。

7 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

智能控制系統(tǒng)由控制器、傳感器（溫度、濕度、CO2濃度、光照等）和觸摸屏組成，如圖5 所示，能夠智能控制集裝箱內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、光照等因子，為牧草提供適宜的生長環(huán)境，不受外界自然環(huán)境的影響。

圖5 智能控制系統(tǒng)界面Fig. 5 Intelligent control system interface

8 應(yīng)用情況

牧草集裝箱植物工廠已在呼和浩特投入使用，目前使用狀況良好，如圖6 所示。牧草集裝箱植物工廠內(nèi)種植紫花苜蓿的有效栽培面積為14 m2，單茬苜蓿單位面積產(chǎn)量約為18 kg/m2，集裝箱內(nèi)單茬產(chǎn)量為252 kg。一年可收獲5～6 次，初步估算，20 尺集裝箱內(nèi)種植苜蓿的年產(chǎn)量為1 260～1 512 kg。

圖6 牧草集裝箱植物工廠內(nèi)外景Fig. 6 Inside and outside view of herbage container plant factory

9 結(jié)束語

采用牧草集裝箱植物工廠生產(chǎn)牧草，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低，可以穩(wěn)定滿足大規(guī)模養(yǎng)殖對于牧草的需求，是草食動物養(yǎng)殖的一場革命。牧草集裝箱植物工廠擺脫了自然條件對于牧草生長的限制，可周年進(jìn)行生產(chǎn)，適用于任何極端惡劣氣候地區(qū)牧草種植。在未來，任何地方都可以飼養(yǎng)草食動物，這對于畜牧業(yè)的市場拓展、減少運(yùn)輸成本及節(jié)能減排具有重要意義。