王士英，張躍峰，王 海

（1.格林凱爾華中農(nóng)大精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究院，武漢 430050；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125；3.北京華農(nóng)農(nóng)業(yè)工程技術(shù)有限公司，北京 100125）

在最近發(fā)布的2022 年“中央一號(hào)”文件中，把“加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)”作為強(qiáng)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)支撐的六項(xiàng)舉措之一。設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過(guò)技術(shù)手段和人工設(shè)施，創(chuàng)造和優(yōu)化動(dòng)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的環(huán)境條件，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)不同程度地?cái)[脫自然束縛的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。設(shè)施農(nóng)業(yè)不僅能夠打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的地域性和季節(jié)性制約，實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的就近供應(yīng)、周年生產(chǎn)、反季節(jié)上市，進(jìn)一步滿足多元化、多層次的消費(fèi)需求，而且在生產(chǎn)集約化程度、新技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用效果、產(chǎn)品品質(zhì)和種植效益等方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，能夠大幅度提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，對(duì)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力具有重要推動(dòng)作用。

設(shè)施農(nóng)業(yè)是高投入、高技術(shù)、高產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是一種能源消耗較大的產(chǎn)業(yè)，特別是那些環(huán)境調(diào)控能力強(qiáng)、規(guī)?；潭雀叩拇笮瓦B棟溫室（圖1）和植物工廠（圖2），其熱能、電能使用強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到工業(yè)規(guī)模。能源穩(wěn)定性和能耗成本越來(lái)越成為設(shè)施農(nóng)業(yè)提檔升級(jí)面臨的主要壓力，也是很多設(shè)施農(nóng)業(yè)項(xiàng)目無(wú)法實(shí)現(xiàn)盈利的關(guān)鍵障礙。推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效，就必須以實(shí)現(xiàn)“綠色”“低碳”“循環(huán)”“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，這不僅關(guān)乎具體項(xiàng)目的投資回報(bào)，更關(guān)乎整個(gè)產(chǎn)業(yè)在碳中和目標(biāo)背景下的技術(shù)革命全局，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的重大課題。為此，本文從能耗分析和控制的基礎(chǔ)問(wèn)題——能耗效率基準(zhǔn)的角度提出建議，供業(yè)內(nèi)人士參考。

圖1 連棟智能溫室

圖2 植物工廠

設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試

在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用中，能源支出占有較大比重，而且隨著設(shè)施先進(jìn)性的提高，能源支出通常也會(huì)相應(yīng)增加。但是，能源支出量的提高不是關(guān)鍵，能源使用效率才是決定這種支出增加是否有利的關(guān)鍵，這種能源效率的變化代表了利潤(rùn)潛力。各種類型的業(yè)務(wù)成本，如人力資源、租金、能源以及其他成本，永遠(yuǎn)會(huì)保持上升趨勢(shì)，而單位能源成本則是最有可能通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)而降低。因此，降低單位產(chǎn)出的能源成本，以及提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量，是實(shí)現(xiàn)盈利的主要驅(qū)動(dòng)力。然而長(zhǎng)期以來(lái)，人們?cè)谡撌鲈O(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的影響，以及在討論分析設(shè)施生產(chǎn)能耗問(wèn)題并進(jìn)行決策時(shí)，往往依賴于模糊和過(guò)時(shí)的概念，缺乏有力的數(shù)據(jù)支持和準(zhǔn)確的邏輯分析。正如管理大師彼得? 德魯克所說(shuō)，“如果不能衡量，就無(wú)法管理”。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和提質(zhì)增效，必須對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的能耗效率進(jìn)行量化分析，提出數(shù)字化解決方案。

開展設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試的目的，是通過(guò)描述設(shè)施農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵能耗指標(biāo)、基線數(shù)據(jù)和設(shè)施級(jí)基準(zhǔn)，開發(fā)一套全面的數(shù)據(jù)工具，并結(jié)合市場(chǎng)干預(yù)策略來(lái)解決使用節(jié)能技術(shù)、獲取能源使用數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析決策等方面存在的障礙，從而提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的彈性、盈利能力和生產(chǎn)力，履行效率領(lǐng)導(dǎo)者對(duì)可持續(xù)性的承諾。通過(guò)與利益相關(guān)者密切合作，評(píng)估生產(chǎn)作業(yè)中的資源使用情況，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，推薦最佳實(shí)踐指南，倡導(dǎo)推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的有效政策和激勵(lì)措施。

卓有成效的設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試項(xiàng)目，可以形成值得信賴的能耗標(biāo)準(zhǔn)，為政府有關(guān)部門提供政策建議和監(jiān)管依據(jù)。還可以通過(guò)與第三方認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)組織合作，以驗(yàn)證新興技術(shù)解決方案、進(jìn)行市場(chǎng)推廣、優(yōu)化效率激勵(lì)產(chǎn)品的部署。通過(guò)基準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)，能夠幫助設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)優(yōu)化資源投入和生產(chǎn)產(chǎn)出，改進(jìn)運(yùn)營(yíng)模式。通過(guò)識(shí)別數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)效率提升，可以使建筑師、承包商、制造商、供應(yīng)商、工程師能夠更好地為客戶服務(wù)。通過(guò)促進(jìn)基準(zhǔn)測(cè)試，供應(yīng)鏈合作伙伴可以幫助種植者更好地進(jìn)行生產(chǎn)，而單一設(shè)施和比較數(shù)據(jù)可以為未來(lái)的項(xiàng)目提供信息。通過(guò)組織技術(shù)咨詢委員會(huì)，促進(jìn)同行評(píng)審的最佳實(shí)踐和驗(yàn)證技術(shù)，制定利益相關(guān)者驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

能耗效率主要技術(shù)領(lǐng)域

設(shè)施農(nóng)業(yè)從種類上分，主要包括設(shè)施種植和設(shè)施養(yǎng)殖（畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖）兩大部分。在國(guó)際上的稱謂，歐洲、日本等通常使用“設(shè)施農(nóng)業(yè)（Protected Agriculture）”這一概念，美國(guó)等國(guó)家通常使用“可控環(huán)境農(nóng)業(yè)（Controlled Environmental Agriculture）”一詞。本文討論的范圍限于設(shè)施種植業(yè)，其能耗主要涉及以下5個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

基礎(chǔ)設(shè)施

設(shè)施種植業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)置一般分為溫室大棚和人工光利用型植物工廠兩大類。溫室大棚包括傳統(tǒng)保護(hù)性農(nóng)業(yè)和高性能智能溫室，可細(xì)化為連棟溫室（玻璃、塑料、PC 板等）、日光溫室、塑料大棚、小拱棚（遮陽(yáng)棚）等。而人工光利用型植物工廠（又稱“室內(nèi)農(nóng)業(yè)”“垂直農(nóng)場(chǎng)”）是完全由人工打造的植物生長(zhǎng)環(huán)境，形成各種復(fù)雜程度不同的垂直種植。用于維持最佳植物生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施決定了其需要的能源強(qiáng)度。因此，能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試要按照基礎(chǔ)設(shè)施的細(xì)分類別分別進(jìn)行。在這些種植設(shè)施中，高性能現(xiàn)代化溫室和人工光利用型植物工廠的設(shè)施環(huán)境調(diào)控要求高，設(shè)備自動(dòng)化程度高，能源需求強(qiáng)度大，能耗成本占比大，應(yīng)作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

補(bǔ)光系統(tǒng)

在植物工廠里，人工光源是作物光合作用的唯一能量來(lái)源。而在溫室生產(chǎn)中，補(bǔ)充光照能夠提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。尤其是在北方，補(bǔ)光成為冬季生產(chǎn)的必要條件。由不同廠家生產(chǎn)的不同類型的照明與補(bǔ)光燈具，其功率和性能差別很大。要梳理不同空間內(nèi)每種燈光類型的詳細(xì)信息和運(yùn)行時(shí)數(shù)，挖掘提高照明和補(bǔ)光設(shè)備能耗效率的潛力。

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和除濕設(shè)備

為了創(chuàng)造更適宜作物生產(chǎn)的條件，設(shè)施種植使用加溫、通風(fēng)、降溫、除濕等設(shè)備來(lái)保持生產(chǎn)空間的溫度，管理植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中室內(nèi)的濕度，并最大程度地減少與室內(nèi)環(huán)境條件相關(guān)的病蟲害問(wèn)題。暖通空調(diào)和除濕設(shè)備的選擇、單位大小和操作成本受多種因素影響，要盡量與所要控制空間的顯負(fù)荷和潛在負(fù)荷緊密匹配。設(shè)備容量過(guò)大，能源消耗多，而且設(shè)備循環(huán)時(shí)間短會(huì)導(dǎo)致設(shè)備頻繁開關(guān)，影響其預(yù)期壽命。設(shè)備容量過(guò)小，室內(nèi)達(dá)不到溫度和濕度的設(shè)定值范圍，會(huì)影響作物的健康生長(zhǎng)。優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)可以減少能源使用和運(yùn)行成本，同時(shí)也能提高產(chǎn)量和品質(zhì)，增加收益，提高生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

水肥管理系統(tǒng)

設(shè)施種植用水本身就是一個(gè)可持續(xù)性的指標(biāo)，同時(shí)也不可避免地與能耗效率有密切聯(lián)系。不同的灌溉方式、灌溉量以及水循環(huán)利用對(duì)能源的消耗各不相同，還直接影響生產(chǎn)環(huán)境溫濕度控制。因此，衡量水管理系統(tǒng)的能源效率要考慮兩個(gè)因素，一是維持水流動(dòng)力和配肥的直接能耗，二是灌溉施肥對(duì)空間環(huán)境以及植株本體形成的環(huán)境調(diào)控能耗的增減。

自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)

裝備自動(dòng)化能夠節(jié)省勞力，提高生產(chǎn)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提升生產(chǎn)效率，但能源消耗相應(yīng)增加。通過(guò)能耗效率分析，有助于量化自動(dòng)化帶來(lái)的效益和發(fā)現(xiàn)能耗效率的障礙。另外，設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境控制和水管理系統(tǒng)已經(jīng)部分或全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)控，控制系統(tǒng)的優(yōu)化程度，關(guān)系到該生產(chǎn)單元的能耗效率。比如溫度和相對(duì)濕度的設(shè)定值會(huì)極大地影響系統(tǒng)的使用效率，燈具的打開和關(guān)閉對(duì)周邊溫度、相對(duì)濕度、飽和水氣壓差產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和除濕設(shè)備的運(yùn)行。

實(shí)施能效項(xiàng)目的能源和非能源效益

通過(guò)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試和分析，實(shí)施設(shè)施農(nóng)業(yè)基于能源效率的最佳實(shí)踐，不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低能耗和能源費(fèi)用，而且能夠帶來(lái)較大的非能源效益，包括增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低運(yùn)營(yíng)成本、節(jié)省維護(hù)費(fèi)用、減少勞動(dòng)力需求等。如LED 光源應(yīng)用之后，不僅用電量大幅減少，還可以減少照明熱負(fù)荷，降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的成本和運(yùn)行費(fèi)用。LED 燈具能夠比傳統(tǒng)照明技術(shù)發(fā)出更多的光子，為作物提供更多的能量，而且可以按照作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要調(diào)節(jié)光強(qiáng)和調(diào)制光譜，以提高作物的光合效率或產(chǎn)生影響作物結(jié)構(gòu)、外觀、顏色、味道和香氣的作物化學(xué)反應(yīng)。

加快設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試

設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試，需要通過(guò)大量采集不同生產(chǎn)企業(yè)、設(shè)施類型和作物種類的能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行縱橫對(duì)比、深入分析，揭示多種設(shè)施農(nóng)業(yè)模式背后的許多深層次的差別，建立高性能的行業(yè)基線和以能耗效率或生產(chǎn)力為度量的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，可以由同行專家制定最佳實(shí)踐指南。開展設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準(zhǔn)測(cè)試，事關(guān)全行業(yè)的發(fā)展，涉及面廣，工作量大，應(yīng)該由政府相關(guān)部門盡快立項(xiàng)，委托第三方進(jìn)行。如果能夠由行業(yè)組織牽頭，應(yīng)該也是個(gè)不錯(cuò)的選擇。一定要把基礎(chǔ)工作做好：①定義關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)、計(jì)量單位及其應(yīng)用，避免這些術(shù)語(yǔ)被普遍誤解或誤用；②設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)格式，確保搜集/采集數(shù)據(jù)的程序標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化；③選擇數(shù)據(jù)采集的生產(chǎn)企業(yè)，既要有代表性，而且又有積極參與的意愿。另外，項(xiàng)目牽頭單位必須充分尊重企業(yè)的數(shù)據(jù)所有權(quán)，保護(hù)參與企業(yè)的商業(yè)秘密。各個(gè)參與企業(yè)的數(shù)據(jù)只能用來(lái)進(jìn)行整體分析、建模，絕不可以向第三方泄露。參與企業(yè)應(yīng)該得到改進(jìn)能耗效率的優(yōu)先服務(wù)。