水平種植與垂直設計的差異分析

高密度垂直農場發明人張孝安在《植物工廠研究的關鍵核心方向與問題》中談到,植物工廠最主要的目的在於解決糧食問題,因此最主要的研究方向應在於內部集約的最大化方式,提高集約度便能有效分攤營運成本,而本章將在集約的方式上做討論。

在同一個三維空間的環境下,種植系統的組合方式只會有兩種:水平層疊種植、垂直排列種植。在立體空間種植時,「理論上」這兩種種法皆能達到密度的極限,因此這兩種設計的優缺比較理應不會在種植量上面討論。若從營運成本的角度來考量全環空型植物工廠的設計,目前層架式植物工廠的成本前三高為能源支出佔27%、勞力成本佔23%、物流成本佔20%(未列入設施攤提成本,因目前植物工廠的設施技術尚不成熟,細節可參考《研究科技農業的先期準備》),這三項除了物流成本以外皆是植物工廠有機會透過內部設計來降低支出(注1)。

現行大部分的水平層疊種植的設計是一層營養液、一層植物、一層光源,一組一組的水平複製堆疊。從這當中我們可以很明顯的看出來,水平的設計是希望把氣候模擬的狀況不斷複製在每一層中,但這樣的設計最大的問題在於氣流的循環。在全環空型植物工廠中,就算使用目前的LED技術製造人工光源,其依然是最大的能源開銷之一,也是內部影響溫度最嚴重的發熱體。因著氣候複製使每一層的溫度各自被層板侷限,且每一層並沒有足夠的高度能夠進行自然對流,使多數層架式植物工廠除了降溫設備以外還需要多增加循環設施,能源支出也跟著上升。無法有效空氣循環的層架式植物工廠,除了需要花費更多成本進行每一層的溫控,更大的缺點在於無法帶走植物蒸散作用所產生的水氣。

眾所皆知,植物獲取水份的最主要動力為蒸散作用,而透過蒸散作用所獲取的水份有90%以上直接被蒸散到空氣中(注2),也就是說,蒸散出來的水氣量非常多,且空氣的濕度極大的影響植物蒸散的效率。目前層架式植物工廠面臨的最大考驗在於水平層疊無法有效帶走水氣及熱氣,許多的死角造成對流不易使植物的蒸散效能差,潮濕則讓植物上面的光照設備折損代換速度非常快,因此在室內進行溫控最主要的氣流循環設計是必須的。目前的循環方式一般來說分為兩種:強迫通風與自然通風(注3),當自然通風的效果不彰時必須要透過人為強迫的方式來達到空氣循環,但除了耗能的缺點以外,強迫通風容易造成死角。大部分的層架式植物工廠,因為循環設計問題而大量使用風扇與除濕機(注4),且葉子密集處與葉背的空氣很難流通。

對於空氣對流這部分,張孝安認為垂直排列種植可說是給出了很好的解答。垂直排列種植之所以可以降低能源支出的原因在於,製造出垂直的空間來有效利用自然通風的熱上冷下對流原理帶走水氣及熱氣,且因植物朝上斜著種植而使葉背處的空氣能直接向上對流,完美的解決了層架式植物工廠的對流問題。

再者,次高的勞力成本也是比較的重點之一。曾經有在層架式植物工廠工作的人都知道,不管是初期的移植幼苗或者是後期的採收,層架式種植方式在執行任何行為時皆需要利用昂貴的升降梯,在人為操作上也極度不符合人體工學,效率低下使勞力成本極高(注5),且因為動線問題而降低了集約程度。相對的,垂直排列種植的設計除了依照人體工學的工作方式而大幅提高了勞力生產效率,更重要的是能建構出合理的生產線流程。

高密度垂直農場發明人張孝安認為,垂直排列種植優於水平層疊種植的原因在於:空氣易於流動的設計有利於植物的蒸散且能降低溫控循環的成本、以工廠生產線的邏輯安排人力且設計符合人體工學皆有利於提高勞力效率與集約度。

創森公司重新詮釋垂直農場(植物工廠)認知,提出農業工業化的農業量據機構想,簡單的說就是,具備大量化生產獲利,能夠導出與導入研究的種植數據,進行模組化製造的量產,數據,工具機,農業量據機在大規模環控計劃性生產,只需透過規格化模組,SOP管理,進行工廠化生產,符合市場需求。垂直農場(植物工廠)的規模,取決於農業量據機的數量多寡,創森農業量據機(貨櫃農場)為最小體積,最多產量的農業生產設施。

<相關資料>

注1:

https://mymkc.com/article/content/21957

注2:

http://140.128.107.194/wpmu/thuhsd003/files/2015/06/3-1-e6b0b4e5928ce7a4a6e789a9e8b3aae79a84e590b8e694b6e88887e9818be8bcb8.pdf

注3:

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%9A%96%E9%80%9A%E7%A9%BA%E8%AA%BF#%E9%80%9A%E9%A2%A8

注4:

https://www.onhydroponics.com/index.php/zh-tw/114-news-hydroponics-tw/240-vertical-farming-is-the-industry-learning-from-its-mistakes-part-2-tw

注5:

http://www.onhydroponics.com/index.php/zh-tw/114-news-hydroponics-tw/48-9-reasons-vertical-farm-fail

https://university.upstartfarmers.com/blog/9-reasons-why-vertical-farms-fail

發佈留言