迈向可持续农业：设计环保、经济且模块化的垂直农业系统

《Engineering》：Toward Sustainable Agriculture: The Design of Environmentally Friendly, Economical, and Modular Vertical Farming Systems

垂直农业通过整合二氧化碳富集、生物炭改良土壤和光伏-热系统，显著提升蔬菜产量至57.5%，并降低碳足迹至0.468 kg-CO?eq·kg?1-蔬菜。经济分析显示，模块化设计结合可再生能源使净现值增加157%。研究还验证了系统在不同气候和规模下的适用性。

　　在当今全球面临人口增长与城市化进程不断加快的背景下，食品供应的安全性与可持续性成为可持续发展的重要议题。为了应对这一挑战，研究人员提出了一种结合了多种先进技术和生态友好设计的垂直农场系统，旨在提升农业生产效率的同时，降低对环境的影响。这种系统不仅具备模块化和可扩展性的特点，还能通过优化多种关键参数，如光照、二氧化碳浓度、生物炭应用以及作物种类，实现更高的产量与更低的碳排放。该研究团队来自上海交通大学制冷与低温研究所，他们通过实验和系统分析，验证了这一设计在提升作物产量和优化资源利用方面的有效性。

### 垂直农场系统的设计理念与核心要素

垂直农场系统的核心在于其对空间的高效利用和对环境条件的精准控制。传统的农业生产模式受到土地资源的限制，尤其是在城市化迅速发展的地区，耕地面积正逐渐减少，而人口需求却在不断上升。因此，垂直农场作为一种创新的农业模式，能够通过垂直叠加的方式，最大化土地使用效率，同时避免土壤退化和过度使用化学肥料带来的环境负担。此外，垂直农场还能够独立于外界环境运行，不受气候条件的限制，从而实现全年无间断的作物生产。

本研究中，系统设计包含多个关键组件，如种植舱、光照单元、直接空气捕集（DAC）单元、光伏-热能（PVT）单元以及供热、通风与空气调节（HVAC）单元。其中，DAC单元是系统的重要组成部分，其功能在于从空气中捕集二氧化碳并将其引入种植舱，以提高作物生长所需的气体浓度。这种技术的应用不仅有助于提升作物产量，还能通过碳捕集与封存，减少农业活动对全球变暖的贡献。与此同时，PVT单元的引入，使得系统能够利用太阳能发电和供热，从而显著降低能源成本，提升经济可行性。

### 实验设计与作物生长评估

在实验过程中，研究人员在新加坡郊区设立了一个垂直农场的实验场地，并构建了四个独立的种植舱，分别用于评估不同环境因素对作物生长的影响。其中，三个种植舱采用透明聚乙烯（PE）薄膜进行密封，以维持稳定的内部环境；而第四个种植舱则使用遮光布，模拟完全封闭的环境。这些种植舱均配备了风扇，用于空气流通和温湿度调节。通过调节光照、二氧化碳浓度、生物炭添加比例以及种植作物种类，研究人员全面评估了这些因素对作物产量的影响。

实验结果显示，相较于对照组（自然光照，未进行二氧化碳富集），在二氧化碳浓度为1000 ppm的种植舱中，生菜和芥蓝的鲜重分别提升了57.5%和53.5%。这一结果表明，二氧化碳富集能够有效促进作物生长，提高产量。同时，生物炭的应用也对作物生长产生了积极影响，其中6%的生物炭添加比例对叶面积的提升效果最佳，表明适度使用生物炭能够改善土壤结构，提高作物的生长质量。然而，鲜重和干重的变化并未表现出显著差异，这可能与实验设计中的变量控制有关，也提示了在实际应用中，需进一步优化生物炭的使用比例，以平衡土壤改良效果与成本。

### 系统性能分析与经济环境评估

为了进一步评估系统的经济与环境效益，研究人员设计了四种不同的系统配置，并进行了技术经济分析和生命周期评估（LCA）。结果显示，配置4（采用PVT单元和DAC单元）在经济指标上表现最优，其净现值（NPV）相比传统系统提升了157%，而投资回收期则缩短了27%。这表明，结合太阳能发电与二氧化碳捕集技术的垂直农场系统不仅能够提高作物产量，还能显著降低碳排放，从而实现更可持续的农业生产。

从环境影响的角度来看，配置4的碳排放量为0.468 kg-CO?eq·kg?1-蔬菜，这一数值仅为传统系统的十分之一，说明该系统在减少碳足迹方面具有显著优势。同时，系统在不同环境类别（如全球变暖、土地利用、水消耗等）中的影响程度也得到了评估。结果显示，能量消耗（包括电力和热能）是系统环境影响的主要来源，占总影响的50%以上。此外，生物炭的使用虽然有助于碳封存，但也增加了系统的碳排放。因此，为了进一步优化系统性能，研究人员建议提高设备效率，降低能源消耗，并采用更环保的生物炭合成方法和包装材料。

### 模块化设计的优势与全球适应性

垂直农场系统的模块化设计是其成功的关键之一。通过将系统划分为多个最小化单元，每个单元可以独立运行，并通过标准化的接口连接，形成更大规模的系统。这种设计不仅降低了系统的复杂性，还提升了其可扩展性，使得系统可以根据实际需求灵活调整规模。此外，模块化结构也便于工厂预制和运输，从而降低了建设成本和时间。

为了验证系统的全球适应性，研究人员还对七个不同城市的部署情况进行了分析，包括上海、新加坡、开罗、巴塞罗那、巴西利亚、纽约市和悉尼。结果显示，不同地区的太阳能资源、气候条件以及蔬菜销售价格对系统性能具有重要影响。例如，在新加坡、巴塞罗那和悉尼等阳光充足的地区，系统的净现值较高，而碳排放较低。相比之下，开罗虽然阳光充足，但由于全年高温，系统需要更多的能源用于环境调节，导致碳排放增加。巴西利亚的气候较为适宜，但蔬菜销售价格较低，使得系统的净现值相对较小。纽约市虽然太阳能资源不如新加坡丰富，但其较高的蔬菜销售价格和适宜的气候条件，使得系统整体表现优于上海。这些结果表明，该垂直农场系统具有较强的适应性，可以在多种环境中运行，从而为全球范围内的食品供应提供支持。

### 生物炭与二氧化碳富集技术的应用前景

在本研究中，生物炭的使用不仅改善了土壤的物理和化学性质，还促进了作物的生长。实验表明，6%的生物炭添加比例能够有效提高叶面积，从而增加作物的产量。然而，生物炭的使用成本需要进一步优化，以确保其在实际应用中的经济可行性。此外，二氧化碳富集技术的应用也显示出巨大的潜力。通过DAC旋转吸附器，研究人员成功实现了对空气中的二氧化碳进行高效捕集，并将其引入种植舱，以提升作物生长效率。这一技术的应用不仅提高了作物产量，还降低了系统对传统能源的依赖，减少了碳排放。

### 系统优化与未来发展方向

尽管本研究已经取得了一定的成果，但仍有一些优化空间。例如，最小化模块的设计可以进一步细化，以适应不同地区的气候条件和作物需求。同时，内部种植单元的布局也可以进行调整，以提高空间利用率和作物产量。此外，通风口、二氧化碳释放点和传感器的布置需要更加精准，以确保种植舱内部环境的均匀性。这些优化措施有助于进一步提升系统的经济性和环境友好性。

在技术层面，未来的研究可以探索如何将流体力学原理应用于系统设计，以建立更精确的数学模型，优化作物生产过程。同时，不同种植单元的堆叠方式（如圆柱形、线性或金字塔形）也需要进一步研究，以实现更高效的太阳能利用和更小的土地占用。此外，通过改进模块间的物质与能量流动，可以进一步提升系统内部环境的调控能力，从而减少能源消耗，提高整体效率。

在政策与经济层面，系统优化不仅需要技术上的创新，还需要供应链的改进。例如，实现本地生产与销售，可以有效降低运输成本和碳排放。如果无法实现本地销售，也应探索如何优化运输路线，减少物流负担。此外，研究还建议开发多种能源来源，如风能、水能、地热能和工业余热，以进一步提升系统的可持续性。通过合理安排和利用这些能源，可以实现更高效的能源循环，降低对单一能源的依赖。

### 结论与展望

本研究提出了一种新型的垂直农场系统，结合了多种先进技术，包括二氧化碳富集、太阳能利用以及模块化设计。实验结果显示，该系统能够显著提高作物产量，同时减少碳排放，为可持续农业提供了新的思路。此外，系统具备较强的适应性，可以在不同气候条件下运行，具有广泛的推广前景。

未来的研究可以进一步优化系统的经济模型，探索如何在不同市场条件下实现更高的收益。同时，还可以深入研究如何通过人工智能和信息科技手段，实现更精准的环境调控和数据采集，从而提高作物产量和质量。这些技术的结合不仅能够提升系统的智能化水平，还能进一步降低运行成本，增强其在实际应用中的竞争力。

综上所述，该垂直农场系统在提升农业生产效率、降低环境影响和适应多种气候条件方面表现出显著优势。通过不断优化技术方案和经济模型，这一系统有望成为未来可持续农业的重要组成部分，为全球食品供应安全和生态友好型农业发展提供有力支持。