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技术是垂直农场成功的重要保证

更新时间:2023-08-24  |  点击率:628

 垂直农场被越来越多的人视为解决全球食品生产系统所面临问题的方法之一。在接下来这篇文章中,来自维萨拉的 Antti Viitanen 将解释在这个快速发展的行业中,测量和控制技术为何会成为成功与否的关键。

农业的可持续发展挑战

户外农业(牧场和农田)占据了地球上大约一半的可居住土地。人们常说的现代农业方法提高了粮食产量,降低了粮食生产价格。据世界银行调查,农业发展是消除贫困、促进共同富裕的有力手段之一。预计到 2050 年,将有 97 亿人口需要养活。但据估计,2021 年约有 7.68 亿人处在饥饿中。此外,农业、林业和土地用途的变化产生了约 25导致全球变暖的温室气体排放量,而且农业还消耗了约 70 的淡水供应量。气候变化无疑加剧了这些挑战。 


近几十年来,农业生产的增长也让人类付出了巨大的代价;对环境和生物多样性造成了损害,破坏了可持续发展。集约化畜牧业加重了污染程度,增加了疾病传播的风险,而不断扩大的单一作物农田降低了生物多样性,并且经常使用肥料和农用化学品,从而造成进一步的环境破坏。人们也越来越关注农业对土壤健康的影响,其有害影响包括侵蚀、污染(营养物和杀虫剂)、压实、荒漠化和盐碱化。


户外农业活动具有季节性,这意味着大多数农作物每年只能收获一次。全球各地的人口每年每天 24 小时都有粮食需求,因此对粮食储存和洲际运输的需求很大,这严重增加了农作物的碳足迹。


农业对气候变化的影响敏感,气温升高、干旱、洪水和天气都给农民带来了更大的风险。因此,食品和饮料行业正在降低供应链中的气候风险。他们采取的措施包括分析产品的碳足迹,提出减少“食物里程"的要求,并鼓励食用当地采购的食物。水资源的减少也促进了对水足迹评估的需求,进一步促使人们降低供应链中的气候风险。同时,世界上一半以上的人口居住在城市,城市化进程仍在继续推进。


垂直农场

将农业生产转移到室内解决了前面提到的许多挑战。例如,在任何季节都可以为作物提供理想的生长条件,同时保护作物不受天气变化的影响。可以循环利用水,几乎不需要喷洒农药。没有土壤或杀虫剂污染,因此无需清洗农产品,从而进一步提高了水的使用效率。 


传统的温室和水培法曾经解决过许多农业问题,但随着城市化的推进,以及由于城市地区土地成本高、利用率低的原因,很难解决食物里程挑战。 


垂直农场大大减少了粮食生产的物理足迹,但由于能源成本高,尽可能运营是确保垂直农场财务可持续性的重要手段。如此一来,传感器便发挥着重要作用。因此,Jones Food Company (JFC) 在英国现有的垂直农场以及利德尼的大型新设施 (JFC2) 中布置了维萨拉传感器,这将有可能成为全球垂直农场之一。

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案例研究 - 英国的大型商业垂直农场:JFC2

JFC 成立于 2016 年,旨在利用垂直农场的优势,全年提供新鲜的本地农产品。该公司的商业垂直农场 (JFC1) 于 2018 年开始生产,种植面积为 5,000 平方米,每年可生产 150 吨新鲜农产品。JFC2 将大幅扩大规模,达到 15,000 平方米种植面积和 1,000 吨年种植产量。为支持商业可持续发展,该公司实施的重要策略包括:


   规模 – 大型设施提供规模化经济以及满足大订单的能力。

  技术 – 为了创造和维持理想的生长条件,需要实施监测和控制系统。

  改造利用的设施 – JFC 没有修建新建筑,而是重新利用大型冗余建筑,避免了高昂的环境和经济成本。例如,JFC2 以前是一家铸造厂。

  创新 – 成立研究机构来试验新作物和不同的生长条件。同样,准确的监测和控制至关重要。

JFC 在布里斯托尔设立的创新有能力在不同条件下同时试验十种不同的作物。“这是企业成功的重要保障,"Justin Au 表示。“当客户要求我们提供特定作物时,我们可以快速开展试验,以确定该作物生长的各个阶段所需的良好生长条件。通过监测和控制系统,我们可以改变 LED 照明强度和光谱、灌溉水中的养分,以及种植房中的温度、湿度和二氧化碳水平。"


“为特定作物确定良好的生长条件后,我们有信心能够实现大规模种植,满足客户的要求。我们的目标是效率,与现成产品有力竞争,同时利用垂直农场带来的巨大可持续性优势。"


“目前,我们种植的作物有罗勒、莳萝、欧芹、香菜、薄荷和细香葱等香草类蔬菜;生菜、芝麻菜、小白菜、菠菜、甜菜、羽衣甘蓝和西洋菜等沙拉类蔬菜,以及草莓等其他作物。毋庸置疑,我们通过垂直农场实现商业化种植的作物种类将会继续增加。"


JFC 的所有设施不断循环利用水,并连续测量 pH 值和电导率,确保通过溶解肥料调节植物养分。维萨拉传感器测量温度、湿度和二氧化碳;所有这些条件都对植物的生长有重大影响。“我们选择维萨拉传感器是为了确保长期的准确性和可靠性,而控制系统只有达到与传感器同样性能水平,才能充分发挥作用。"贾斯汀解释道。

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JFC 的控制系统由工程主管 Christoph Grundmann 设计。Christoph Grundmann 拥有丰富的经验,包括在 BBC 和 Arqiva 从事卫星通信工作,以及发电站控制系统的设计和实施。JFC 所有设施的监视和控制系统都运行良好,没有出现重大停机时间。


JFC 的创新控制系统由 Luke Grundmann 编程和调试。他对维萨拉工程师赞不绝口,夸赞他们及时和主动提供支持,使用通用 USB 到 RS485 转换器和免费软件连接和配置其 modbus RTU 传感器。“专业的编程负责人还没到场,但即便如此,维萨拉工程师还是熟练地指导我利用现有工具完成了整个过程,"Luke 说到。


根据之前使用谷物干燥机控制系统的经验,Christoph 将维萨拉传感器作为标准配置使用。他说:“在 JFC,我们设法提高农作物种植的成本效益,但购买低成本传感器是一种得不偿失的节省行为,会带来高昂的故障成本,而维萨拉传感器的可靠性意味着持有成本很低。"


“传感器的 MODBUS 通信功能也很重要,这节省了大量的安装时间和成本,而且意味着将来可以快速简单地实施任何更改。"


JFC 设施的温度和湿度由单独的 HVAC 系统控制,但 Christoph 说道:“JFC1 的 HVAC 自带传感器,我们把它换成了维萨拉传感器。在 JFC2,我们将使用维萨拉传感器来检查和验证 HVAC 系统的测量结果,并在必要时进行干预。"

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JFC2 将于 2023 年夏季迎来收获。它采用 15 层设计,因此每英亩的产量会提高 15 倍。新设施的屋顶全部覆盖太阳能电池板,100 采用可再生能源。该设施将收集和过滤雨水,并且水的回收利用率将达到近 95。


为了充分提高 JFC2 生长条件的效率,整个设施将由维萨拉传感器网络进行监测。该网络中包括:46 个湿度/温度传感器;12 个二氧化碳传感器;10 个温度/湿度/二氧化碳传感器;2 个大气压力传感器和 1 个维萨拉 WXT 530 系列多参数气象站。


维萨拉的 Antti Viitanen 对该监测系统评价道:“这些传感器的准确性和可靠性对于和持续地按需管理植物生长条件至关重要,因为准确的测量有助于充分提高作物产量、避免浪费并限度地降低成本。"


总结

垂直农场相对于传统方法的主要优势几乎都与可持续发展有关。土壤和生物多样性不受损害;温室气体排放量大大降低;用水效率显著提高,避免不必要的蒸发蒸腾、钻孔枯竭或浸出。空间得到有效利用,以必要地适应城市环境,并减少食物里程。重要的是,无论天气或季节如何,每天都能供应新鲜农产品。尽管如此,不断上升的粮食生产成本意味着新垂直农场能否成功运营,将取决于能否有效监测和控制投入,因此一个高品质的传感器至关重要。


Christoph 计划未来通过各种举措进一步提升 JFC 的可持续发展水平,例如利用厌氧发酵产生的二氧化碳,使用可厌氧发酵的可堆肥生长介质等。他还在评估维萨拉传感器计算得出的露点输出,以确定这能否成为更智能的方式控制 HVAC 系统。此外,在维萨拉专家的帮助下,他还在研究内部和外部环境的焓值测量,以确定有效的 HVAC 再循环(新鲜空气比)。