一种垂直农场及其空气调控方法与流程

本发明属于垂直农业领域，具体涉及一种垂直农场及其空气调控方法。

背景技术：

随着植物工厂技术的成熟，在其基础上发展起来的垂直农业受到了广泛的关注，作为未来的一种重要的果蔬、粮食生产方式，相关概念与设计不断涌现。

目前，针对垂直农业的专利仅限于楼宇外观(201330191059.x)，家庭蔬菜立体种植柜(201510678970.1)及产品外观(201530404173.5)，针对农产品生产的都市垂直农场内部结构的设计多为不同楼层进行不同农事活动，此时传统植物工厂立体栽培方式作为人工光栽培的主要手段，得到最大程度的保留，已存在的一些弊端也未得到解决，并未充分发掘“垂直”所带来的结构和功能上的创新并在植物生长、环境调控中发挥其积极作用。以植物工厂通风降温为例，受多层立体栽培结构限制，已有通风模式如全密闭侧面通风(200610076205.3)在小规模植物工厂内效果较好，当栽培面积进一步扩大，层数增加时，出风口和回风口之间距离增加，加之栽培架和植物阻挡，通风调温效果降低。

申请人以植物工厂技术为基础，发展出集蔬菜立体栽培，食用菌生产，水产养殖，果菜、花卉、果树栽培，绿色农耕体验，观光休闲购物会议等功能为一体的垂直农业/农场，即在高层建筑的各层安排不同功能区，并在各功能区间实现物质、能量的循环流动，实现最大程度的资源利用。该类建筑宜位于城市或其周边地区，便于产品的就近运输，方便居民现场选购，及大地减少物流时间与物质损耗，是未来都市优质农产品供给的一种有效途径。

技术实现要素：

本发明提出了一种垂直农场，创造性的提出一种蔬菜立体栽培空间布置方式及基于该布置方式的垂直农场高效环控方法，即充分发挥垂直农场空间布局优势与特点，将建筑内各层设计为上下联通一体的植物工厂区，并通过透明玻璃将其与其它功能区隔离，即作为蔬菜立体栽培空间的同时，又作为空气由底部至顶部流通的通道，将高密度植物栽培融合进建筑空气循环系统中，使蔬菜生产区作为楼内空气的优化功能区和绿色观赏区出现在楼内各层。

本发明的垂直农场，其为在一栋多层建筑中设置上下垂直贯穿整个建筑的植物工厂区，植物工厂区底端通过通风调温系统和外部大气相连；每层植物工厂区与建筑内其它功能区以玻璃墙隔开，各层植物工厂区设有人员进出口；每层植物工厂区以镂空钢结构平台替换隔层楼板；植物工厂区和其它功能区之间设有装着阀门的通风管道。

其中，所述植物工厂区底端通过通风调温系统和外部大气相连，优选在植物工厂区内部设上下贯穿的风道，通过风道设于每层植物工厂区的风口向植物工厂区供气。风口对着栽培架，每层植物工厂区可设多个风口。

本发明的垂直农场，所述其它功能区，各层可自由划分其功能，可分区块用于餐厅、商场、影院、室内游乐场、办公区、会议室等人类公共活动区，也可设置为作物果蔬花卉的种植温室、食用菌种植区、水产养殖区、药材种植区等农业生产观光区；还可将人类公共活动区和农业生产和/或观光区两种区域交叉设置。例如，可直接在一商场大楼中设置垂直农场，或者新建设有垂直农场的建筑，植物工厂区之外的其它功能区的各层阳面可考虑采用现代化温室技术进行果菜(如番茄、黄瓜、辣椒、茄子和草莓)、作物(如小麦、玉米、水稻等栽培)栽培，也可考虑栽培果树，热带植物等；其它功能区的各层背阴面可采用设施工厂化方式进行食用菌、水产、药用高附加值植物等的生产，适当引入人工光。

当垂直农场所在建筑设有水产养殖区时，可在地下室设植物工厂区营养液储液池和水产养殖区水处理池，二者间液体经过过滤、消毒和硝化床处理后形成鱼菜共生循环体系。

当垂直农场所在建筑设有餐厅、商场、影院、室内游乐场、办公区、会议室等人类活动区中的任一种或几种时，人类活动区与植物工厂区共用至少一面的通高透明玻璃墙，可设有百叶窗，透明玻璃墙透过玻璃可直接观察到植物工厂区中人工光栽培的绿色植物，增加房间绿色生机的同时，可为阴面房间提供足够的光照。通高指从该层楼板到更高一层的楼板。

其中，所述镂空钢结构平台固定在建筑各层楼板上。工作人员在镂空钢结构平台上对该层植物工厂区的植物进行管理采收。

其中，每层植物工厂区设置多个通高的栽培架，栽培架设置有若干栽培层。每层植物工厂区设有人工光源，根据植物生长需求进行补光。

其中，所述植物工厂区设有通风调温系统，优选分段设置(从下向上运行的气流，在某段温湿度不合适的情况下可以随时通过该段前后的通风调温系统进行调整)。所述其它功能区设有通风调温系统。

所述通风调温系统，以空调、风机作为主要设备。

其中，所述植物工厂和所述其它功能区均设有温湿度探头、氧气浓度探头和二氧化碳浓度探头，用以监测温湿度、氧气浓度和二氧化碳浓度。

其中，所述植物工厂区，优选各层设有二氧化碳出气口，用于喷施二氧化碳。

其中，所述通过通风调温系统和外部大气相连的空气管道优选经过一定深度的地下。

本发明的垂直农场，还包括紧靠植物工厂区的观光梯，在电梯运行中可参观植物生长情况。

本发明还提供适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，由于植物工厂区的人工光散发的热量以及植物呼吸产生的热量，植物工厂区长期处于高温高湿环境，主要考虑通风降温，若遇植物工厂区气温低于植物工厂区设定气温时，以通风调温系统为植物工厂区加温。

所述植物工厂区设定气温依据植物工厂区内所种植物的生长适宜气温范围设定。

本发明提供的适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，包括如下步骤：

1)以低温的垂直农场外部大气为植物工厂区通风降温；

2)以低温的其它功能区空气为植物工厂区通风降温；

3)以通风调温系统为植物工厂区降温；

上述3个步骤单个或者多个结合进行，直至气温降至植物工厂区设定气温为止。

步骤1)、步骤2)中所述低温是指小于等于植物工厂区气温。

所述1)以低温的垂直农场外部大气为植物工厂区降温，具体为：当垂直农场外部大气温度低于或等于植物工厂区当前气温时，外部大气经通风调温系统调节湿度后进入植物工厂区(有风道的通过风道进入植物工厂区，没有风道的直接进入植物工厂区)，定向向上流动，由植物吸收二氧化碳，释放氧气得到富氧空气，同时降低植物工厂区环境温湿度；当外部大气温度高于植物工厂区当前气温时，停止引入外部大气。

其中，所述定向向上流动，进入植物工厂区的空气在空气压力、空气热升动力、或风扇推/拉力等一种或多种的作用下定向向上流动。

其中，所述空气压力是在植物工厂底部进风时产生的。

其中，所述空气热升动力是空气经过内部人工光源加热后在建筑顶部形成空气热升拉动。

当停止引入外部大气时，若植物工厂区需要通风降温，进行步骤2)。所述2)以低温的其它功能区空气为植物工厂区通风降温，具体为：当其它功能区气温低于或等于植物工厂区当前气温时，其它功能区空气经其与植物工厂区相连的通风管道进入植物工厂区，降低植物工厂区气温；当其它功能区气温高于植物工厂区当前气温时，停止引入其它功能区空气。

当外部大气及其它功能区的气温均高于(不含等于)植物工厂区气温时，进行步骤3)以通风调温系统为植物工厂区降温。

夏天优选在温度较低的夜晚进行通风降温，以更多的利用大气进行降温，减少通风调温系统的能耗。与之相配合的，需将植物光周期进行相应的调整，即在夜晚气温低引入外部大气时打开人工光源进行光期，在白天气温高停止引入外部大气进行暗期。

本发明提供的适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，还包括如下步骤：

4)以富氧的植物工厂区空气为其它功能区增氧。

所述4)以富氧的植物工厂区空气为其它功能区增氧，具体为：当建筑内其它功能区所需温度与其当前温度有偏差时，测定植物工厂区的富氧空气温度：当能以植物工厂区的富氧空气调节建筑内其它功能区气温时，富氧空气经植物工厂与其它功能区相连的通风管道进入其它功能区，调节温度同时为空气增氧；当植物工厂区的富氧空气温度不适合调节建筑内其它功能区温度时，富氧空气经植物工厂区顶部排入大气。

其中，所述能以植物工厂区的富氧空气调节建筑内其它功能区温度，是指如下情景：①当建筑内其它功能区当前温度高于其所需温度时(需降温)，植物工厂区的富氧空气温度低于其它功能区的温度；②当建筑内其它功能区当前温度低于其所需温度时(需增温)，植物工厂区的富氧空气温度高于其它功能区的温度。

本发明提供的适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，还包括如下步骤：

5)以其它功能区内高二氧化碳含量的空气为植物工厂区增加二氧化碳浓度。

所述5)以其它功能区内高二氧化碳含量的空气为植物工厂区增加二氧化碳浓度，具体为：当建筑内其它功能区内二氧化碳浓度高于植物工厂区时，且其它功能区内气温低于或等于植物工厂区时，其它功能区内富含二氧化碳的空气经其与植物工厂区相连的通风管道进入植物工厂区，否则其它功能区内空气直接排入大气。

其中，所述其它功能区所需温度根据其它功能区的具体需要设定。

空气高效调控方法详细如下：

a)外部大气由通风调温系统制冷/热、增/降湿等处理后，进入垂直贯穿整个建筑的植物工厂区，在空气压力、热升动力、风扇推/拉力等一种或多种的作用下，在植物工厂区内定向流动，为植物提供必须的温湿度环境并为人工光源降温，改善现有植物工厂立体栽培中普遍存在的空气流动受阻，通风不畅，温湿度不均匀的问题；优选：经过内部人工光源加热后在建筑顶部形成空气热升拉动，在底部进风推动的共同作用下，新进入的空气由通道底端向上运动；

b)以通风系统将经植物工厂区改善后二氧化碳含量显著降低、氧含量增加的富氧空气引入其它功能区，和/或将富含二氧化碳的其它功能区空气引入植物工厂区。

c)进入植物工厂区的空气管道可位于一定深度的地下，在空气进入通风调温系统前利用地热/冷对不同季节不同温度的空气进行预热/冷，减少通风调温系统加温/制冷能耗。该通风系统可调控，当外部环境非常不适于植物生长时，关闭植物工厂区和外部大气相连的空气管道，在植物工厂区内采用内循环模式(指仅在植物工厂区和其它功能区之间进行空气流通)进行环境调控。

d)植物工厂区内各层设一定功率的热/冷气出口及二氧化碳出气口，各出口间垂直方向上每隔一定距离设多个空气温湿度及二氧化碳传感器。随着植物工厂区内空气的定向流动，当气流上游的某传感器数值接近或达到所设定环境参数的阈值时，该传感器周围的热/冷气出口及二氧化碳出气口及时开始工作，保证气流下游环境参数符合植物生长需求。

e)由于植物工厂区内经过人工光源加热后的空气越往上越热，种植时尽量将小苗安排在下层防止徒长，长大后往上层植物工厂区转移。

本发明垂直农场的优点如下：

1、将垂直农场中的植物栽培部分作为空气处理单元融入到建筑通风控温系统中，利用植物光合作用，吸收二氧化碳，释放氧气，改善楼内空气质量。同时，利用其中的流动空气为植物提供必须的温湿度环境并为人工光源降温，改善现有植物工厂立体栽培中普遍存在的空气流动受阻，通风不畅，温湿度不均匀的问题。

2、充分利用自然资源。当室外空气温湿度适宜时，将其引入地下，与地下稳定环境进行热交换后，根据此时的温湿度进一步采用空气调节系统对空气进行调整，再进入植物工厂区。能够极大地节约空调系统电能消耗。

3、各层不同种养区和植物工厂区之间的营养液、水、空气等根据需要形成循环，减少资源消耗，降低生产成本。

4、建筑中适宜场所与植物工厂区由透明玻璃隔开，保证两侧生产、办公功能的正常运行外，为人员提供了舒适的绿色景观和照明，改善工作条件，提高工作效率，节约电能。

附图说明

图1为本发明实施例1中垂直农场侧面剖视图。

图2为本发明实施例1中植物工厂区栽培架与各层操作平台结构图。

图3为本发明实施例1中垂直农场每层地面的平面布局图。

图4为本发明实施例2中垂直农场侧面剖视图。

其中，箭头示意气流方向，1为植物工厂区，2为其它功能区，3为隔层楼板，4为镂空钢结构平台，5为人员进出口，6为栽培架，7为电梯，8为玻璃墙，9为风道，10为风口。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例的垂直农场侧面剖视图如图1所示，其中箭头方向为空气流动方向。植物工厂区栽培架与各层操作平台结构图如图2所示，垂直农场每层地面的平面布局图如图3所示。

本实施例的垂直农场为在一栋多层建筑中设置上下垂直贯穿整个建筑的植物工厂区1，植物工厂区1底端通过通风调温系统和外部大气相连；每层植物工厂区1与建筑内其它功能区2以玻璃墙8隔开，每层植物工厂区1设有人员进出口5；每层植物工厂区1以镂空钢结构平台4替换隔层楼板3。

其中，所述镂空钢结构平台4固定在其它功能区的隔层楼板3上。工作人员在镂空钢结构平台4上对该层植物工厂区的植物进行管理采收。

其中，每层植物工厂区4设置多个通高的栽培架6，栽培架6设置有若干栽培层。

本实施例的垂直农场，还包括紧靠植物工厂区的观光电梯7，在电梯7运行中可参观植物生长情况。

本实施例中垂直农场所在建筑的其它功能区，各层自由划分其功能，即有商场、影院、室内游乐场、办公区、会议室等人类活动区，也有果蔬花卉的种植温室、食用菌种植区、水产养殖区、药材种植区等农业生产观光区域。

垂直农场所在建筑内的商场、影院、室内游乐场、办公区、会议室均至少有一面为通高的设有百叶窗的透明玻璃，透过玻璃可直接观察到植物工厂区中人工光栽培的绿色植物，增加房间绿色生机的同时，可为阴面房间提供足够的光照。

各层植物工厂区之外的农业生产观光区域，在阳面采用现代化温室技术进行果菜(如番茄、黄瓜、辣椒、茄子和草莓)、作物(如小麦、玉米、水稻等栽培)栽培，也有栽培果树，热带植物等；背阴面则采用设施工厂化方式进行食用菌、水产、药用高附加值植物等的生产，适当引入人工光。由于垂直农场所在建筑设有水产养殖区时，在地下室设植物工厂区营养液储液池和水产养殖区水处理池，二者间液体经过过滤、消毒和硝化床处理后形成鱼菜共生循环体系。

由于植物工厂区1的人工光散发的热量以及植物呼吸产生的热量，植物工厂区1长期处于高温高湿环境，主要考虑通风降温，若遇植物工厂区气温低于植物工厂区设定气温时，以通风调温系统为植物工厂区1加温。本实施例还提供适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，其为：

1)以低温的垂直农场外部大气为植物工厂区1通风降温；具体为：当垂直农场外部大气温度低于或等于植物工厂区1当前气温时，外部大气经通风调温系统调节湿度后进入植物工厂区1，定向向上流动，由植物吸收二氧化碳，释放氧气得到富氧空气，同时降低植物工厂区1环境温湿度；当外部大气温度高于植物工厂区1当前气温时，停止引入外部大气。

当停止引入外部大气时，若植物工厂区1需要通风降温，进行步骤2)以低温的其它功能区2空气为植物工厂区1通风降温，具体为：当其它功能区2气温低于或等于植物工厂区1当前气温时，其它功能区2空气经其与植物工厂区1相连的通风管道进入植物工厂区1，降低植物工厂区1气温；当其它功能区2气温高于植物工厂区1当前气温时，停止引入其它功能区空气2。

当外部大气及其它功能区2的气温均高于(不含等于)植物工厂区1气温时，进行步骤3)以通风调温系统为植物工厂区1降温。

上述3个步骤单个或者多个结合进行，直至气温降至植物工厂区设定气温为止。

本实施例的垂直植物工厂，夏天在温度较低的夜晚进行通风降温，以更多的利用大气进行降温，减少通风调温系统的能耗。与之相配合的，需将植物光周期进行相应的调整，即在夜晚气温低引入外部大气时打开人工光源进行光期，在白天气温高停止引入外部大气进行暗期。

本实施例提供的适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，还包括如下任一个或两个步骤：

4)以富氧的植物工厂区1空气为其它功能区2增氧，具体为：当其它功能区2所需温度与其当前温度有偏差时，测定植物工厂区1的富氧空气温度：当能以植物工厂区1的富氧空气调节其它功能区2气温时，富氧空气经植物工厂1与其它功能区2相连的通风管道进入其它功能区2，调节温度同时为空气增氧；当植物工厂区1的富氧空气温度不适合调节其它功能区2温度时，富氧空气经植物工厂区1顶部排入大气。

其中，所述能以植物工厂区1的富氧空气调节其它功能区2温度，是指如下情景：①当其它功能区2当前温度高于其所需温度时(需降温)，植物工厂区的富氧空气温度低于其它功能区2的温度；②当建筑内其它功能区当前温度低于其所需温度时(需增温)，，植物工厂区1的富氧空气温度高于其它功能区的温度。

5)以其它功能区2内高二氧化碳含量的空气为植物工厂区1增加二氧化碳浓度，具体为：当其它功能区2内二氧化碳浓度高于植物工厂区1时，且其它功能区2内气温低于或等于植物工厂区1时，其它功能区2内富含二氧化碳的空气经其与植物工厂区1相连的通风管道进入植物工厂区1，否则其它功能区2内空气直接排入大气。

实施例2

本实施例的垂直农场侧面剖视图如图4所示，其中箭头方向为空气流动方向。

本实施例的垂直农场在植物工厂区1内设有植物工厂区1内部设上下贯穿的风道9，通过风道9设于每层植物工厂区的风口10向植物工厂区供气。风口10对着栽培架。其它结构同实施例1。本实施的具体结构是在一栋多层建筑中设置上下垂直贯穿整个建筑的植物工厂区1，植物工厂区1内设有植物工厂区1内部设上下贯穿的风道9，风道9的底端通过通风调温系统和外部大气相连；每层植物工厂区1与建筑内其它功能区2以玻璃墙隔开，各层玻璃墙设有人员进出口；每层植物工厂区以镂空钢结构平台4替换隔层楼板3；植物工厂区设有通往建筑内其它功能区通风管道的通气阀门。

由于植物工厂区1的人工光散发的热量以及植物呼吸产生的热量，植物工厂区1长期处于高温高湿环境，主要考虑通风降温，若遇植物工厂区气温低于植物工厂区设定气温时，以通风调温系统为植物工厂区1加温。本实施例还提供适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，其为：

1)以低温的垂直农场外部大气为植物工厂区1通风降温；具体为：当垂直农场外部大气温度低于或等于植物工厂区1当前气温时，外部大气经通风调温系统调节湿度后进入植物工厂区1的风道9内，定向向上流动经过风口10进入各层植物工厂区1，由植物吸收二氧化碳，释放氧气得到富氧空气，同时降低植物工厂区1环境温湿度；当外部大气温度高于植物工厂区1当前气温时，停止引入外部大气。

当停止引入外部大气时，若植物工厂区1需要通风降温，进行步骤2)以低温的其它功能区2空气为植物工厂区1通风降温，具体为：当其它功能区2气温低于或等于植物工厂区1当前气温时，其它功能区2空气经其与植物工厂区1相连的通风管道进入植物工厂区1，降低植物工厂区1气温；当其它功能区2气温高于植物工厂区1当前气温时，停止引入其它功能区空气2。

当外部大气及其它功能区2的气温均高于(不含等于)植物工厂区1气温时，进行步骤3)以通风调温系统为植物工厂区1降温。

上述3个步骤单个或者多个结合进行，直至气温降至植物工厂区设定气温为止。

本实施例的垂直植物工厂，夏天在温度较低的夜晚进行通风降温，以更多的利用大气进行降温，减少通风调温系统的能耗。与之相配合的，需将植物光周期进行相应的调整，即在夜晚气温低引入外部大气时打开人工光源进行光期，在白天气温高停止引入外部大气进行暗期。

本实施例提供的适用于上述垂直农场的空气高效调控方法，还包括如下任一个或两个步骤：

4)以富氧的植物工厂区1空气为其它功能区2增氧，具体为：当其它功能区2所需温度与其当前温度有偏差时，测定植物工厂区1的富氧空气温度：当能以植物工厂区1的富氧空气调节其它功能区2气温时，富氧空气经植物工厂1与其它功能区2相连的通风管道进入其它功能区2，调节温度同时为空气增氧；当植物工厂区1的富氧空气温度不适合调节其它功能区2温度时，富氧空气经植物工厂区1顶部排入大气。

其中，所述能以植物工厂区1的富氧空气调节其它功能区2温度，是指如下情景：①当其它功能区2当前温度高于其所需温度时(需降温)，植物工厂区的富氧空气温度低于其它功能区的温度；②当其它功能区2当前温度低于其所需温度时(需增温)，，植物工厂区1的富氧空气温度高于其它功能区的温度。

5)以其它功能区2内高二氧化碳含量的空气为植物工厂区1增加二氧化碳浓度，具体为：当其它功能区2内二氧化碳浓度高于植物工厂区1时，且其它功能区2内气温低于或等于植物工厂区1时，其它功能区2内富含二氧化碳的空气经其与植物工厂区1相连的通风管道进入植物工厂区1，否则其它功能区2内空气直接排入大气。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。