集裝箱設(shè)施化菇房的研發(fā)與應(yīng)用

張曉文 王志冉 周增產(chǎn) 姚 濤 曲維明 陳立振

（1北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京昌平100096；2北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京海淀100094；3北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京海淀100094）

食用菌栽培模式一般分為傳統(tǒng)栽培模式與工廠化栽培模式兩種[1-2]。傳統(tǒng)的個(gè)體戶栽培模式大都是手工作坊，受溫度、濕度、光照等自然環(huán)境條件的限制，生產(chǎn)技術(shù)水平低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)，難以保證產(chǎn)量與品質(zhì)[3]。工廠化栽培模式是集工業(yè)、農(nóng)業(yè)與科學(xué)為一體的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，該模式運(yùn)用當(dāng)下先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)食用菌的生產(chǎn)環(huán)境等條件進(jìn)行工廠化集中管理，不僅解決了食用菌季節(jié)性生產(chǎn)等限制因素，也為食用菌提供了較為理想的生長(zhǎng)環(huán)境，同時(shí)提高了食用菌的產(chǎn)量和品質(zhì)[4]。目前，大型食用菌工廠的生產(chǎn)模式現(xiàn)已進(jìn)入發(fā)展階段，傳統(tǒng)的農(nóng)戶栽培模式仍是主流，但是生產(chǎn)中未見有小型的食用菌生產(chǎn)裝置投入生產(chǎn)[5]。為此，筆者研究設(shè)計(jì)了一種小規(guī)模栽培食用菌裝置——集裝箱設(shè)施化菇房，以期實(shí)現(xiàn)栽培食用菌單位面積優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)目的。

1 總體設(shè)計(jì)方案

集裝箱設(shè)施化菇房是由標(biāo)準(zhǔn)的40尺集裝箱高柜改造而成，其結(jié)構(gòu)主要是由移動(dòng)式栽培架系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。在集裝箱的后側(cè)設(shè)置了設(shè)備間，用于放置空調(diào)室外機(jī)、加濕器等設(shè)備。集裝箱內(nèi)部容積約70 m3，擺放長(zhǎng)3 m，寬0.7 m的栽培架共六組（栽培架為立體式，共有八層），充分利用了垂直空間；地面鋪設(shè)軌道，能夠?qū)崿F(xiàn)架子的橫向移動(dòng)，使操作空間能夠轉(zhuǎn)移利用，節(jié)省水平空間。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)集裝箱內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子，為食用菌提供一個(gè)良好生長(zhǎng)環(huán)境。

圖1集裝箱設(shè)施化菇房立面圖

圖2集裝箱設(shè)施化菇房剖面圖

2 集裝箱設(shè)施化菇房配套系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

在集裝箱的殼體兩側(cè)設(shè)計(jì)了4扇側(cè)窗，每側(cè)各兩個(gè)，側(cè)面通風(fēng)口安放了初效過(guò)濾器，能夠阻止昆蟲蟲卵和空氣中的真菌孢子等進(jìn)入，有效地防止病蟲害的發(fā)生。在集裝箱的頂部安裝頂部通風(fēng)風(fēng)機(jī)，并與防蟲網(wǎng)罩側(cè)窗一起構(gòu)成集裝箱設(shè)施化菇房的通風(fēng)系統(tǒng)，做到既能有效與外界進(jìn)行氣體交換，又能很好的隔絕蟲害及雜菌。通風(fēng)系統(tǒng)的主要功能有兩個(gè)方面：一是能夠有效地降低栽培室內(nèi)CO2濃度，起到內(nèi)外氣體交換作用；二是內(nèi)外熱量交換，起到降溫作用。

圖3 集裝箱設(shè)施化菇房?jī)?nèi)外實(shí)景

食用菌子實(shí)體生長(zhǎng)階段CO2的釋放一般有兩個(gè)途徑，一是物料的釋放量，二是子實(shí)體的釋放量。CO2釋放量計(jì)算如下：

（1）物料的CO2釋放量計(jì)算

在子實(shí)體生長(zhǎng)階段，物料釋放的CO2量小且釋放量穩(wěn)定，假設(shè)物料的體積量為N1（L），單位時(shí)間內(nèi)每升物料釋放的CO2量為q1（mg/L·s），所以物料釋放的CO2量M1（mg/s）[6]：

菌袋體積v= πr2d，食用菌物料體積=π×5.52×20=1 899.7 cm3，約為2 L，集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)物料體積為 v=2×4 610=9 220 L，物料的體積 N1=9 220 L，q1=0.01，M1=9 220×0.01=92.2 mg/s

（2）食用菌子實(shí)體CO2釋放量計(jì)算

在子實(shí)體生長(zhǎng)的整個(gè)階段，隨子實(shí)體的膨大，CO2的釋放量是逐漸增加的。假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)每千克子實(shí)體呼出的CO2量為Q（mg/kg·s），單元內(nèi)食用菌的平均產(chǎn)量為m（kg），即單位時(shí)間內(nèi)CO2量M2（mg/s）：

集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)食用菌的產(chǎn)量為1.0 kg×4 610=4 610 kg；Q=0.03，M2=4 610×0.03=138.3 mg/s。綜上，單元內(nèi)物料與子實(shí)體散發(fā)的CO2總量為M=M1+M2=230.5 mg/s

氧氣與二氧化碳濃度是制約食用菌子實(shí)體生長(zhǎng)的重要因素，空氣中二氧化碳的濃度超過(guò)1 000 mg/L時(shí)，會(huì)影響平菇子實(shí)體的發(fā)育，當(dāng)濃度超過(guò)1 300 mg/L時(shí)，會(huì)導(dǎo)致平菇子實(shí)體畸形。因此，當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到1 000 mg/L時(shí)需要通風(fēng)換氣來(lái)降低二氧化碳的濃度，同時(shí)提高含氧量。CO2的體積濃度（mg/L）與體積質(zhì)量濃度（mg/m3）之間的換算公式：

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1 000 mg/L的二氧化碳體積濃度的體積質(zhì)量濃度的計(jì)算公式如下：

400 mg/L的二氧化碳體積濃度的體積質(zhì)量濃度的計(jì)算公式如下：

二氧化碳的濃度增加量為：

集裝箱體積v=2.65×2.2×11.9=69.377 m3。70 m3的集裝箱內(nèi)增加的二氧化碳質(zhì)量為：

結(jié)合物料和子實(shí)體二氧化碳的釋放量可計(jì)算得出，在密閉的集裝箱內(nèi)，空氣中的二氧化碳濃度從400 mg/L增加到1 000 mg/L所需要的時(shí)間，即可以得出集裝箱內(nèi)的換氣時(shí)間。76.86/0.23=334.2 s=5.6 min。頂部通風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為4 600 m3/h，側(cè)窗通風(fēng)窗的初效過(guò)濾器允許的風(fēng)量為1 700 m3/h。根據(jù)頂部通風(fēng)風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)換算后的通風(fēng)量為4 600/3 600=1.2 m3/s，集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)完成一次換氣所需要的時(shí)間為t=70/1.2=58 s，即換氣一次約為1 min。集裝箱內(nèi)維持適宜二氧化碳含量所進(jìn)行的理論通風(fēng)換氣策略為：換氣1 min，暫停6 min的周期性換氣策略。由于子實(shí)體產(chǎn)生的CO2量高于物料產(chǎn)生的量，約是2.25倍，所以前期的換氣時(shí)間為76.86/0.092=854 s=14.23 min，則理論的通風(fēng)換氣策略為：換氣1 min，暫停14 min的周期性換氣策略。

2.2 可移動(dòng)式食用菌栽培架系統(tǒng)

集裝箱菇房?jī)?nèi)的可移動(dòng)式栽培架是由地面角鋼暗軌與V型2寸滑輪構(gòu)成的可移動(dòng)式裝置，栽培架系統(tǒng)長(zhǎng)3 000 mm，寬700 mm，高2 400 mm，栽培架適宜菌袋栽培模式，一組栽培架可容納768個(gè)規(guī)格為10 cm×20 cm的菌袋生長(zhǎng)，整個(gè)集裝箱菇房可容納4 608個(gè)菌袋。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)

圖4 可移動(dòng)式食用菌栽培架示意圖

集裝箱菇房栽培食用菌過(guò)程中，培養(yǎng)基在子實(shí)體生長(zhǎng)發(fā)育中會(huì)發(fā)生一些生物化學(xué)反應(yīng)，并且子實(shí)體生長(zhǎng)過(guò)程中也會(huì)釋放熱量，盡管每個(gè)菌袋釋放的熱量很少，但是整個(gè)菇房?jī)?nèi)釋放的熱量總數(shù)是不能忽略不計(jì)的，在計(jì)算空調(diào)的冷熱負(fù)荷時(shí)必須考慮計(jì)算[8]。

2.3.1 集裝箱設(shè)施化菇房夏季降溫計(jì)算

物料的發(fā)熱量計(jì)算：物料在不同的環(huán)境條件下，其發(fā)熱量會(huì)有微小的變化，但是在一定的溫度條件下，在菌絲生長(zhǎng)期或是子實(shí)體生長(zhǎng)階段，在特定條件下物料的發(fā)熱量認(rèn)為是恒定的。因此可以根據(jù)穩(wěn)定傳熱的原理，計(jì)算物料的發(fā)熱量。在特定的菇房?jī)?nèi)，假設(shè)單位時(shí)間單位體積物料的最大發(fā)熱量為qmax（W/L），物料總數(shù)量為N（L），如此，在生產(chǎn)單元內(nèi)單位時(shí)間的最大發(fā)熱量為：Qmax=N×qmax。公式中的qmax在培養(yǎng)房?jī)?nèi)適宜取值在0.055～0.065 W/L，在菌菇生長(zhǎng)期適宜的取值為0.065～0.075 W/L，生產(chǎn)物料放置的密度較高時(shí)需要取上限，密度較低時(shí)取下限值[7]。集裝箱設(shè)施菇房宜取上限值qmax=0.075 W/L，物料體積為v=2×4 610=9 220 L，物料發(fā)熱量為 Qmax=N×qmax=9 220×0.075=691.5 W。

70 m3容積的集裝箱設(shè)施菇房，在子實(shí)體生長(zhǎng)階段菌袋物料在單位時(shí)間的發(fā)熱量為691.5 W。綜合北京地區(qū)氣溫狀況選擇3匹中央空調(diào)，其制冷量為7.2 kW，完全能夠滿足集裝箱設(shè)施菇房降溫要求。

2.3.2 集裝箱設(shè)施化菇房冬季加溫計(jì)算

根據(jù)材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算復(fù)合維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。

an—外圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的對(duì)流換熱系數(shù)，一般an=8.72 W/（m2·K）；aw—外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的對(duì)流換熱系數(shù)，一般aw=23.26 W/（m2·K）；σi—外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的厚度，m；λi—外圍護(hù)結(jié)構(gòu)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）。

集裝箱殼體厚度為2 mm，材料為鋼材。凈化板的厚度為75 mm，其中表面鋼板的厚度分別為0.5 mm，巖棉的厚度為74 mm。建筑鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為58.2 W/（m·K）巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.064 W/（m·K）。將上述值代入公式得K=0.761 W/（m2·K），因此復(fù)合維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)為K=0.761 W/（m2·K）。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本傳熱量是根據(jù)穩(wěn)定傳熱量理論進(jìn)行計(jì)算的，即

整個(gè)菇房的基本傳熱量等于它各個(gè)維護(hù)結(jié)構(gòu)基本傳熱量的總和，即

式中，Q1—通過(guò)溫室所有維護(hù)結(jié)構(gòu)的總的傳熱量，W；Ki—溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Fi—溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積，m2；Tn，Tw—分別為溫室結(jié)構(gòu)的內(nèi)外采暖設(shè)計(jì)溫度，℃。

集裝箱設(shè)施化菇房?jī)?nèi)部空間的尺寸為11.7 m×2.15 m×2.49 m，內(nèi)部面積為119.283 m2。根據(jù)北京地區(qū)菇房圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部的最低氣溫Tw=-15℃，集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)部的目標(biāo)溫度為Tn=20℃。將上述值代入公式得Q1=3 177.103 W

冷風(fēng)滲透熱損失計(jì)算。

因通風(fēng)換氣，冬季室外冷空氣經(jīng)常會(huì)通過(guò)集裝箱的門、窗進(jìn)入菇房?jī)?nèi)，這部分冷空氣從室外溫度加熱到室內(nèi)溫度所需要的熱量被稱為冷風(fēng)滲透熱損失。

式中，Q2—溫室冷風(fēng)滲透熱損失，W；CP—空氣的定壓比熱，CP=0.279 kWh/（kg·℃）；m—冷風(fēng)滲透進(jìn)入溫室的空氣重量，kg/h，m=NVγ；N—溫室與外界的空氣交換率，亦稱為換氣次數(shù)，以每小時(shí)的完全換氣次數(shù)為單位；V—溫室內(nèi)部體積，m3；γ—室外條件下的空氣容重，kg/m3；Tn，Tw—分別為溫室結(jié)構(gòu)的內(nèi)外采暖設(shè)計(jì)溫度，℃。

根據(jù)前述預(yù)測(cè)的理論換氣策略可知，平均換氣次數(shù)為 8.6 次/h，則 N=8.6，V=70，γ=1.365 kg/m3（-15℃下），代入公式得：

Q1+Q2=11 201 W。綜合北京地區(qū)氣溫狀況，選擇3匹中央空調(diào)，其制熱量為10 kW，完全能夠滿足集裝箱設(shè)施菇房上溫要求。

2.4 加濕系統(tǒng)

假設(shè)集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)的溫度為20℃，空氣相對(duì)濕度為40%，食用菌生長(zhǎng)適宜的空氣相對(duì)濕度為90%，需要計(jì)算相對(duì)濕度從40%上升到90%時(shí)所需水的質(zhì)量?？諝庀鄬?duì)濕度=空氣絕對(duì)濕度/飽和水汽壓。根據(jù)飽和水汽壓表查得，當(dāng)溫度為20℃時(shí)，空氣中的飽和水汽壓為17.2 g/m3，計(jì)算得出，空氣相對(duì)濕度為40%時(shí)，空氣絕對(duì)濕度為6.88 g/m3，當(dāng)空氣相對(duì)濕度達(dá)90%時(shí)，空氣絕對(duì)濕度為15.48 g/m3，空氣中水分增加量為8.6 g/m3，70 m3集裝箱設(shè)施菇房水分共增加602 g。要求加濕3 min左右達(dá)到要求空氣相對(duì)濕度，選擇加濕器的加濕量12 kg/h。

圖5 加濕器

2.5 補(bǔ)光系統(tǒng)

光照對(duì)菌絲及子實(shí)體生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的影響[9-10]；光照條件下產(chǎn)生子實(shí)體又稱光誘導(dǎo)效應(yīng)[11]；光誘導(dǎo)效應(yīng)與光強(qiáng)、光質(zhì)有關(guān)，而且不同食用菌對(duì)光的要求也不同[12]。在平菇子實(shí)體生長(zhǎng)發(fā)育階段需要微弱的散射光照，才能有利于子實(shí)體分化與后期菌蓋的展開。一般平菇適宜的光照強(qiáng)度為500～1 000 lx，平菇對(duì)白光的反應(yīng)比較敏感。集裝箱菇房選用的是10 W的節(jié)能LED燈帶作為補(bǔ)光燈源，光通量為750 LM，共鋪設(shè)了兩條燈帶。

圖6 集裝箱設(shè)施化菇房?jī)?nèi)景

2.6 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)位于配電箱內(nèi)，包括控制器、傳感器（包括溫度、濕度、CO2濃度）和觸摸屏，能夠精確地自動(dòng)調(diào)控菇房?jī)?nèi)的溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，必要時(shí)還可以手動(dòng)調(diào)控。

3 栽培試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)間2019年11月，地點(diǎn)在北京市通州區(qū)北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所京鵬植物工廠基地。試驗(yàn)栽培菇類為平菇。從空調(diào)和加濕器工作時(shí)開始計(jì)時(shí)，設(shè)置溫度20℃，空氣相對(duì)濕度90%。菇房?jī)?nèi)布置18個(gè)測(cè)試點(diǎn)（圖7），記錄集裝箱菇房?jī)?nèi)的溫、濕度等變化。

3.1 溫、濕度變化

溫濕度記錄儀為精創(chuàng)公司的RC-4HA/C。記錄3次，取平均值。

由圖8可見，集裝箱設(shè)施化菇房?jī)?nèi)的溫度在18.9～20.8℃，內(nèi)部溫差在2℃以內(nèi)。上層靠近出風(fēng)口的溫度較高，下層靠近底部的溫度較低，中部溫度高，靠近門口的溫度低。4號(hào)架子底部溫度最低（18.9℃），5號(hào)架子上層溫度最高20.8℃，溫度相差1.9℃。

圖9可見，靠近門口的1，4號(hào)架子位置的空氣相對(duì)濕度較低，3，6架子位置的空氣相對(duì)濕度較高。臨近出霧口的空氣相對(duì)濕度高于架子底部。但是整個(gè)集裝箱菇房?jī)?nèi)的空氣相對(duì)濕度在84.2%～91.2%，空氣相對(duì)濕度分布較為均勻。

圖7 集裝箱菇房?jī)?nèi)環(huán)境參數(shù)測(cè)試布置點(diǎn)

圖8 集裝箱菇房?jī)?nèi)溫度變化

圖9 空調(diào)啟動(dòng)后集裝箱菇房?jī)?nèi)相對(duì)濕度的變化

圖10 集裝箱菇房?jī)?nèi)氧化碳的濃度變化

圖11 集裝箱菇房?jī)?nèi)光照強(qiáng)度變化

3.2 二氧化碳濃度變化狀況

食用菌子實(shí)體形成期需要足夠的氧氣，適宜的氧氣與二氧化碳濃度是食用菌生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子。當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)影響食用菌的生長(zhǎng)發(fā)育，因此要保證足夠的通風(fēng)換氣[13]。CO2濃度一般不能高于1 000 mg/L，當(dāng)濃度達(dá)1 500 mg/L就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的畸形菇。

由圖10可見，整個(gè)集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)CO2濃度在702～814 mg/L，完全能夠滿足平菇的生長(zhǎng)需要。

3.3 光照強(qiáng)度變化狀況

由圖11可見，集裝箱設(shè)施菇房?jī)?nèi)光照強(qiáng)度在500～700 lx，能夠滿足平菇生長(zhǎng)的光照為500～1 000 lx，能夠滿足光照需求。

4 小結(jié)

集裝箱設(shè)施化菇房是小型的食用菌生產(chǎn)工廠。在其內(nèi)部安裝角鋼暗軌，使用可移動(dòng)式栽培架，充分利用了橫向空間，方便生產(chǎn)管理，配套齊全，溫度、濕度、光照、二氧化碳調(diào)控系統(tǒng)使其能在四季栽培食用菌。