引言随着经济发展，人们对新鲜蔬果的消费需求高速增长[1]，农产品单位产量无明显提高。设施农业是解决该问题的关键技术之一，我国以塑料大棚、日光温室等低端设施农业为主，产量和稳定性较低，现代化水平有待提升。植物工厂作为设施农业的关键技术，最早在20世纪40~70年代初被提出，主要用于解决耕地少、人口高龄化导致的农作物供应不足的问题。植物工厂可以通过人工精准营造植物所需生长环境，对设施内温度、湿度、光照等环境条件进行高精度自动调节，减少外界环境对植物生长的影响，实现周期性生产，减少农药等药剂使用，提高农作物的质量与产量[2]。植物工厂按照光照方式不同，可以分为太阳光利用型、人工光利用型[3]以及太阳光和人工光并用的综合型。人工光型植物工厂（以下简称为人工光工厂）以不透光、密封的围护结构和全人工光源为主要特点[4]。日本学者古在丰树指出[5]，人工光工厂由封闭围护结构、多层垂直培养床（含灯光）等设备构成，尽可能实现最佳资源转化比和最低污染排放。在人工光工厂中，光和温度是植物生长需要调控的重要因素[6]。但目前人工光工厂的照明和空调设备能耗高居不下，能耗成本占人工光工厂运行成本的30%~50%，温度调节能耗占总能耗的15%~35%[7]。光环境调控作为提高植物产量的有效途径之一，目前最节能的LED光源技术，能耗也会达到总耗电量的52%~80%[8-9]。降低人工光工厂的温控设备和照明设备能耗，提高单位能耗的作物产量，是人工光工厂节能改进的重点方向。以人工光工厂为探究对象，对目前国内外公开的温度调控、光环境调控技术及相关节能措施的文献进行了系统综述，进行讨论及展望，为人工光工厂节能发展方向提供参考。1人工光工厂光环境调控及节能技术可见光是电磁辐射光谱的一部分，对调节植物生长与物质代谢具有关键作用[10]。400~700 nm波段之间的光辐射能量被称为光合有效辐射(PAR)，是使叶绿素分子呈激发状态的最主要能量来源。在人工光工厂中，PAR全部来自人工光，因此需要根据植物的生长需求选择特定的光源。基于植物生长与光能利用的关系，提出人工光设备的光能利用效率LUEL和植物的光能利用效率LUEp及人工光设备的电能利用效率EUE[5]，具体关系如下：LUEL=f×D/PARL (1)LUEp=f×D/PARp (2)EUEL=h×D/LUEL (3)式中：f——单位质量干物质所含化学能；D——植物干物质质量增量；h——灯具将电能转换至PAR的转换系数；PARL——灯具发出的光合有效辐射，通常与光的特性有关；PARp——植物接收的光合有效辐射。在照明工程中PARp与PARL的比值称为利用系数[5]，表征灯具发出的光合有效辐射被植物实际利用的比例，该值通常与灯光的空间布置、室内的空间几何有关。使用节能的照明设备、调整照明光相关特性，提高照明设备的光电转换效率和植物的光合效率，是目前植物工厂人工光节能领域的重要研究方向[11]。按照目前植物光调控领域的主流分类，即光特性、光照运行策略和光源布置，对光调控的技术及相关节能技术进行介绍。1.1光特性光谱的选择对植物生长调控至关重要，400~700 nm的光谱配比会对植物的生长产生不同的影响[12]，红蓝光比(R/B)是重要的评价参数[13]。人工光工厂早期使用的光源包括白炽灯、荧光灯等，这些光源被广泛用在温室补光领域。上述灯光均为复合光，R/B无法调节且配比不合理，植物所需波长的覆盖范围不足，光能利用率低[14]。近年来，发光二极管(LED)凭借窄光谱、峰值可调等特性，逐渐成为植物工厂的主流光源。LED能量效率最高的颜色是蓝色、红色和冷白色，因此LED通常使用这些颜色的组合，其他颜色的LED可用于调节植物生长[15]。LED芯片的制造工艺不同，红色和蓝色LED具有不同光电转换效率，总PAR相同但R/B不同的LED表现的能量消耗不同[16]。不同植物对不同颜色的光吸收能力也有所差异[17]，但以往关于R/B的研究较少关注不同R/B的能量消耗和电能利用效率。季方[18]等发现红蓝光配比为1.2时，番茄的LUE和EUE均达到最大。Lee[17]等研究了不同光谱对生菜的影响，在相同能耗水平下，红蓝色LED比绿色LED使生菜表现出更高的光合速率。Zhang[19]等研究发现，在一定条件下，R/B为1.2的LED灯每产生1 g莴苣干重消耗的电能为0.56~0.68 kWh，EUE为0.007 6~0.010 1，R/B为2.2的LED灯的能耗和EUE略低于前者。除LED光源R/B的选择外，尚未有文献研究在人工光工厂领域研究LED电能转化率的改进技术。1.2光照运行策略光照策略指通过改变人工光源的属性，使植物工厂内部光质、光周期以及光强等特性呈现动态的变化规律。目前常见的光照模式有间歇光照、连续光照以及交替光照[20]。间歇光照和交替光照可以分别通过调节光照的光周期及光质，减少光源的热能散失，缓解环境调控设备压力。以上3种光照模式可以根据植物的生长需求进行选择，实现能耗的降低。查凌雁[21]等研究LED红蓝光连续光照（光周期24 h/0 h）对5种水培生菜生长发育影响，相对于常规光照（光周期12 h/12 h），连续光照使5种生菜的产量均显著增加，但不同种类生菜的适应性存在显著差异，存在因长期光照导致的光合活性降低问题。刘文科[22]等总结了间歇光照与连续光照策略对植物生长的影响，建议运行策略应根据植物的光照敏感性而改变。以上文献均未深入探究光照模式对电能利用率的影响，难以评估节能效果。1.3光源布置除了光源本身的特点外，光源相对于植物的位置会从光和热两个方面对植物产生影响。植物表面获得的辐射能量与表面和光源的距离的平方呈反比关系，光源放置太近可能会导致过热，放置太远，植物可能会因光线不足而受损[23]。植物冠层结构是决定植物产量的重要因素，也是光效改良的关键，光合作用一般随着光合有效辐射的增加而增强且存在饱和点，该饱和点与光合有效辐射在植物冠层中的分布有关[24]。通过合理布置光源调节光合有效辐射在植物冠层的分布，不仅可以提升植物整体的光能利用率，还可以减少LED光源对植物的热效应，实现光照系统能量利用效率的提升[5]。Joshi[25]等研究了一种基于向下照明和补充照明结合的LED照明设备，在相同照明能耗的情况下，补充向下和向上光照可使叶片鲜重分别增加27.1%和56.3%。林孝腾[26]等将配备可伸缩聚光筒与凸透镜的LED光源应用于植物工厂，通过OpenCV编程语言优化LED在植物光合表面形成的光斑大小，照明能耗降低55.8%，电能利用效率提高72.7%。改变光源位置及强度导致的温度变化会对不同种类和生长阶段的植物造成影响，因此光源的布置优化，需要考虑植物对于光环境或其他环境因素变化的响应程度进行调节。2人工光工厂温控节能技术维持植物最佳生理活动及相应的生化反应，通常需要通过空调等设备调节室温，产生了室内与外界环境之间的热量交互[9]。人工光工厂冷热负荷主要来自围护结构的传热、人工灯及相关设备的散热。目前照明设备能耗占植物工厂运行能耗的比例最大，可达50%~80%，但灯光设备能量转化效率低，即使是目前最节能的LED灯，能量转换效率也只有30%~40%[5]。其余能量以热量或辐射的形式散失到室内，这部分负荷占空调降温负荷的50%[27]。大部分情况下，人工光工厂全年温度调控以制冷为主，降温能耗占温度调控总能耗的90%[28]。人工光工厂总能耗与各设备能耗的关系如下[5]：Ar=AL+AA+AM (4)AA=AL+AM+HVCOP=HnCOP (5)式中：Ar——总能耗；AL——照明能耗；AA——空调能耗；AM——其他设备能耗；HV——由空气渗透和墙体传热引起的冷热负荷；COP——空调的电能利用效率；Hn——空调从植物工厂中除去的热量。人工光工厂温控节能技术可分为以空气处理技术为主的主动式技术和以围护结构设计为主的被动式设计[29]。2.1主动温控技术2.1.1有限通风我国大部分地区为季风性气候，尤其是北方地区，全年多数时间环境温度低于植物工厂设定温度，存在天然冷源[30]。可以通过通风引入低温空气，控制内部环境温度，减少空调负荷，降低能耗。王君[30]等利用通风对植物工厂进行温度调节，节能效果显著。辛敏[31]等研究通风对植物工厂制冷设备性能和内部环境的影响。研究表明，通风可以有效控制植物工厂的温度变化，提高降温设备的COP，总能耗可降低10.8%。Harbick[32]等基于EnergyPlus能耗模拟工具，对寒冷干燥地区使用室外冷源空气的植物工厂进行能耗模拟，对比传统植物工厂全年能耗降低15.4%；Zhang[19]等发现植物工厂通风与机械制冷相结合可以在寒冷气候下降低87%的制冷能耗，在炎热气候下降低约30%的制热能耗。结合目前相关新风热交换技术，人工光工厂可以根据应用场景使用显热热交换系统(HRV)或全热热交换系统(ERV)，实现高效的热交换，更好地控制植物工厂的温度环境和空气质量。2.1.2气流组织优化植物工厂使用空调等环境调控设备时，进回风口的布置不同，会产生温度分布不均和分层现象，使室内温度差异明显，影响植物生长发育，引发调温设备的频繁启动，产生额外能耗[33]。合理的气流组织可以改善温湿度等各项环控因素在内部空间的分布，促进植物光合作用和蒸腾作用，提高植物产量的同时减少制冷、制热设备的能耗。高菊玲[33]等在植物工厂设置混风通道，空气在通道内部充分降温，再以机械送风的形式分层差速运送到植物冠状层空间，实现了分区温度的精准控制。Seung[34]等利用CFD模拟风机放置位置及数量对植物工厂温度场和风场的影响，对比温度场和风场处于设定目标区间的比例及均匀性，得到最佳风机布置形式。尽管气流组织形式可以有效调节植物工厂内的温度分布以促进植物生长，但只有少数文章探讨了气流组织形式和能耗的具体关系。Li[35]等设计了间冷却气流(ILCA)系统，将水冷后的空气引入培养板与营养液表面之间的夹层，通过培养板的通气孔向上流入内部冠层，风速可调，达到与空调系统相近的冷却效果，节省50.8%能耗。气流组织优化大多基于室内送风设备的位置、流速等因素开展试验或数值研究，但相较于成熟的温室技术体系，植物工厂在气流组织优化及节能效果方面仍需进一步研究[13]。2.1.3主动蓄热节能对于人工光工厂而言，在灯光负荷和太阳辐射的作用下，一天中冷热负荷的分布不均匀。结合人工光工厂的余热或太阳能等可再生能源，使用蓄热设备用以实现热量转移，调节夜间气温，可以提升植物工厂的温度可控性，降低能源需求。孙行健[36]等设计了一种蓄能型地下水源热泵植物工厂供能系统，利用夜间多余的电力进行蓄冷，缓解日间高峰负荷。石惠娴[37]等对蓄能型地下水源热泵系统冬季供热的运行特性进行节能研究，结果表明该系统可以有效维持室内温度，相对于燃煤锅炉配套系统和燃气锅炉配套系统的节能率分别为81.05%和74.83%。袁喜鹏[38]等设计太阳能与空气源热泵相结合的供暖系统，利用太阳能加热空气，多余热量储存于蓄热装置中，用以对拉萨某植物工厂进行供暖，运行结果安全稳定。2.2被动式建筑节能技术被动式建筑节能技术属于建筑设计，指以非机械电气设备干预手段实现建筑能耗降低的节能技术，具体指通过合理规划建筑朝向、优化围护结构等方式实现建筑能耗的降低。人工光工厂空间布局与植物生长环境紧密相关，应考虑全年负荷以冷负荷为主、室内环境需适合植物生长的特点，根据地理和气候特点合理设计[39-40]。徐超[27]建立植物工厂的动态热量模型，在冬夏最不利工况下模拟常见隔热材料的温度场分布及热通量，确定最佳单层、双层材料的结构参数；Graamans[41]等模拟植物工厂外观属性改变对能耗的影响，结果表明总能源需求对围护结构传热系数相当敏感，优化窗墙比和建筑的空间朝向，可以增加有益的效果或太阳辐射。3结论与展望（1）目前对于光照模式的研究集中于促进植物生长的可行性与有效性，在综合效益及能耗方面研究较少，难以评估节能效果。（2）对改变光源布置优化的研究未考虑光源位置及强度的变化对植物生长造成的影响。（3）现有文献集中于采取主动调节措施处理人工光工厂内部负荷，对被动方法研究较少，缺少对人工光工厂围护结构参数优化的研究。（4）目前设施园艺蓄热节能大多围绕日光温室研究且多为显热蓄热，缺少对人工光工厂的相变蓄热研究。（5）现有文献多研究人工光工厂引入室外冷源空气对为植物工厂降温或对主动式调节设备送风进行优化，相对于温室通风技术的成熟，在植物工厂通风、气候、气流均匀性等方面的研究较少，也缺乏相应设计指南。