技術是垂直農場成功的重要保證|維薩拉

2023/12/25 11:49:47

　　垂直農場被越來越多的人視為解決全球食品生產系統(tǒng)所面臨問題的方法之一。在接下來這篇文章中，來自維薩拉的 Antti Viitanen 將解釋在這個快速發(fā)展的行業(yè)中，測量和控制技術為何會成為成功與否的關鍵。

　　農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)

　　戶外農業(yè)（牧場和農田）占據了地球上大約一半的可居住土地。人們常說的現代農業(yè)方法提高了糧食產量，降低了糧食生產價格。據世界銀行調查，農業(yè)發(fā)展是消除極端貧困、促進共同富裕的有力手段之一。預計到 2050 年，將有 97 億人口需要養(yǎng)活。但據估計，2021 年約有 7.68 億人處在饑餓中。此外，農業(yè)、林業(yè)和土地用途的變化產生了約 25% 導致全球變暖的溫室氣體排放量，而且農業(yè)還消耗了約 70% 的淡水供應量。氣候變化無疑加劇了這些挑戰(zhàn)。

　　近幾十年來，農業(yè)生產的增長也讓人類付出了巨大的代價；對環(huán)境和生物多樣性造成了損害，破壞了可持續(xù)發(fā)展。集約化畜牧業(yè)加重了污染程度，增加了疾病傳播的風險，而不斷擴大的單一作物農田降低了生物多樣性，并且經常使用肥料和農用化學品，從而造成進一步的環(huán)境破壞。人們也越來越關注農業(yè)對土壤健康的影響，其有害影響包括侵蝕、污染（營養(yǎng)物和殺蟲劑）、壓實、荒漠化和鹽堿化。

　　戶外農業(yè)活動具有季節(jié)性，這意味著大多數農作物每年只能收獲一次。全球各地的人口每年每天 24 小時都有糧食需求，因此對糧食儲存和洲際運輸的需求很大，這嚴重增加了農作物的碳足跡。

　　農業(yè)對氣候變化的影響極為敏感，氣溫升高、干旱、洪水和極端天氣都給農民帶來了更大的風險。因此，食品和飲料行業(yè)正在積極降低供應鏈中的氣候風險。他們采取的措施包括分析產品的碳足跡，提出減少“食物里程”的要求，并鼓勵食用當地采購的食物。水資源的減少也促進了對水足跡評估的需求，進一步促使人們降低供應鏈中的氣候風險。同時，世界上一半以上的人口居住在城市，城市化進程仍在繼續(xù)推進。

　　垂直農場

　　將農業(yè)生產轉移到室內解決了前面提到的許多挑戰(zhàn)。例如，在任何季節(jié)都可以為作物提供理想的生長條件，同時保護作物不受天氣變化的影響?？梢匝h(huán)利用水，幾乎不需要噴灑農藥。沒有土壤或殺蟲劑污染，因此無需清洗農產品，從而進一步提高了水的使用效率。

　　傳統(tǒng)的溫室和水培法曾經解決過許多農業(yè)問題，但隨著城市化的推進，以及由于城市地區(qū)土地成本高、利用率低的原因，很難解決食物里程挑戰(zhàn)。

　　垂直農場大大減少了糧食生產的物理足跡，但由于能源成本高，盡可能高效地運營是確保垂直農場財務可持續(xù)性的重要手段。如此一來，傳感器便發(fā)揮著重要作用。因此，Jones Food Company (JFC) 在英國現有的垂直農場以及利德尼的大型新設施 (JFC2) 中布置了維薩拉傳感器，這將有可能成為全球最大的垂直農場之一。

　　Jones Food Company (JFC) vertical farms.

　　案例研究 - 英國的大型商業(yè)垂直農場：JFC2

　　JFC 成立于 2016 年，旨在利用垂直農場的優(yōu)勢，全年提供新鮮的本地農產品。該公司的首個商業(yè)垂直農場 (JFC1) 于 2018 年開始生產，種植面積為 5,000 平方米，每年可生產 150 噸新鮮農產品。JFC2 將大幅擴大規(guī)模，達到 15,000 平方米種植面積和 1,000 噸年種植產量。為支持商業(yè)可持續(xù)發(fā)展，該公司實施的重要策略包括：

　　規(guī)模 – 大型設施提供規(guī)?；洕约皾M足大訂單的能力。

　　技術 – 為了創(chuàng)造和維持理想的生長條件，需要實施高效的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。

　　改造利用的設施 – JFC 沒有修建新建筑，而是積極重新利用大型冗余建筑，避免了高昂的環(huán)境和經濟成本。例如，JFC2 以前是一家鑄造廠。

　　創(chuàng)新 – 成立研究機構來試驗新作物和不同的生長條件。同樣，準確的監(jiān)測和控制至關重要。

　　JFC 在布里斯托爾設立的創(chuàng)新中心有能力在不同條件下同時試驗十種不同的作物。“這是企業(yè)成功的重要保障，”Justin Au 表示。“當客戶要求我們提供特定作物時，我們可以快速開展試驗，以確定該作物生長的各個階段所需的良好生長條件。通過監(jiān)測和控制系統(tǒng)，我們可以改變 LED 照明強度和光譜、灌溉水中的養(yǎng)分，以及種植房中的溫度、濕度和二氧化碳水平。”

　　“為特定作物確定良好的生長條件后，我們有信心能夠實現大規(guī)模種植，滿足客戶的要求。我們的目標是提高效率，與現成產品有力競爭，同時利用垂直農場帶來的巨大可持續(xù)性優(yōu)勢。”

　　“目前，我們種植的作物有羅勒、蒔蘿、歐芹、香菜、薄荷和細香蔥等香草類蔬菜；生菜、芝麻菜、小白菜、菠菜、甜菜、羽衣甘藍和西洋菜等沙拉類蔬菜，以及草莓等其他作物。毋庸置疑，我們通過垂直農場實現商業(yè)化種植的作物種類將會繼續(xù)增加。”

　　JFC 的所有設施不斷循環(huán)利用水，并連續(xù)測量 pH 值和電導率，確保通過溶解肥料調節(jié)植物養(yǎng)分。維薩拉傳感器測量溫度、濕度和二氧化碳；所有這些條件都對植物的生長有重大影響。“我們選擇維薩拉傳感器是為了確保長期的準確性和可靠性，而控制系統(tǒng)只有達到與傳感器同樣出色的性能水平，才能充分發(fā)揮作用。”賈斯汀解釋道。

　　The Vaisala sensors measure temperature, humidity and carbon dioxide.

　　JFC 的控制系統(tǒng)由工程主管 Christoph Grundmann 設計。Christoph Grundmann 擁有豐富的經驗，包括在 BBC 和 Arqiva 從事衛(wèi)星通信工作，以及發(fā)電站控制系統(tǒng)的設計和實施。JFC 所有設施的監(jiān)視和控制系統(tǒng)都運行良好，沒有出現重大停機時間。

　　JFC 的創(chuàng)新中心控制系統(tǒng)由 Luke Grundmann 編程和調試。他對維薩拉工程師贊不絕口，夸贊他們及時和主動提供支持，使用通用 USB 到 RS485 轉換器和免費軟件連接和配置其 modbus RTU 傳感器。“專業(yè)的編程負責人還沒到場，但即便如此，維薩拉工程師還是熟練地指導我利用現有工具完成了整個過程，”Luke 說到。

　　根據之前使用谷物干燥機控制系統(tǒng)的經驗，Christoph 將維薩拉傳感器作為標準配置使用。他說：“在 JFC，我們設法提高農作物種植的成本效益，但購買低成本傳感器是一種得不償失的節(jié)省行為，會帶來高昂的故障成本，而維薩拉傳感器的可靠性意味著持有成本很低。”

　　“傳感器的 MODBUS 通信功能也很重要，這節(jié)省了大量的安裝時間和成本，而且意味著將來可以快速簡單地實施任何更改。”

　　JFC 設施的溫度和濕度由單獨的 HVAC 系統(tǒng)控制，但 Christoph 說道：“JFC1 的 HVAC 自帶傳感器，我們把它換成了維薩拉傳感器。在 JFC2，我們將使用維薩拉傳感器來檢查和驗證 HVAC 系統(tǒng)的測量結果，并在必要時進行干預。”

　　Monitoring conditions with Vaisala sensors.

　　JFC2 將于 2023 年夏季迎來首次收獲。它采用 15 層設計，因此每英畝的產量會提高 15 倍。新設施的屋頂全部覆蓋太陽能電池板，100% 采用可再生能源。該設施將收集和過濾雨水，并且水的回收利用率將達到近 95%。

　　為了充分提高 JFC2 生長條件的效率，整個設施將由維薩拉傳感器網絡進行監(jiān)測。該網絡中包括：46 個濕度/溫度傳感器；12 個二氧化碳傳感器；10 個溫度/濕度/二氧化碳傳感器；2 個大氣壓力傳感器和 1 個維薩拉 WXT 530 系列多參數氣象站。

　　維薩拉的 Antti Viitanen 對該監(jiān)測系統(tǒng)評價道：“這些傳感器的準確性和可靠性對于高效和持續(xù)地按需管理植物生長條件至關重要，因為準確的測量有助于充分提高作物產量、避免浪費并最大限度地降低成本。”

　　總結

　　垂直農場相對于傳統(tǒng)方法的主要優(yōu)勢幾乎都與可持續(xù)發(fā)展有關。土壤和生物多樣性不受損害；溫室氣體排放量大大降低；用水效率顯著提高，避免不必要的蒸發(fā)蒸騰、鉆孔枯竭或浸出。空間得到有效利用，以必要地適應城市環(huán)境，并減少食物里程。重要的是，無論天氣或季節(jié)如何，每天都能供應新鮮農產品。盡管如此，不斷上升的糧食生產成本意味著新垂直農場能否成功運營，將取決于能否有效監(jiān)測和控制投入，因此一個高品質的傳感器至關重要。

　　Christoph 計劃未來通過各種舉措進一步提升 JFC 的可持續(xù)發(fā)展水平，例如利用厭氧發(fā)酵產生的二氧化碳，使用可厭氧發(fā)酵的可堆肥生長介質等。他還在評估維薩拉傳感器計算得出的露點輸出，以確定這能否成為更智能的方式控制 HVAC 系統(tǒng)。此外，在維薩拉專家的幫助下，他還在研究內部和外部環(huán)境的焓值測量，以確定有效的 HVAC 再循環(huán)（新鮮空氣比）。