設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準測試及其意義

王士英，張躍峰，王 海

（1.格林凱爾華中農(nóng)大精準農(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”文件中，把“加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)”作為強化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)支撐的六項舉措之一。設(shè)施農(nóng)業(yè)是通過技術(shù)手段和人工設(shè)施，創(chuàng)造和優(yōu)化動植物生長發(fā)育所需的環(huán)境條件，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)不同程度地擺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，進一步滿足多元化、多層次的消費需求，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，能夠大幅度提高土地產(chǎn)出率、資源利用率和勞動生產(chǎn)率，對增強農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力具有重要推動作用。

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、規(guī)模化程度高的大型連棟溫室（圖1）和植物工廠（圖2），其熱能、電能使用強度已經(jīng)達到工業(yè)規(guī)模。能源穩(wěn)定性和能耗成本越來越成為設(shè)施農(nóng)業(yè)提檔升級面臨的主要壓力，也是很多設(shè)施農(nóng)業(yè)項目無法實現(xiàn)盈利的關(guān)鍵障礙。推動設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，就必須以實現(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，這不僅關(guān)乎具體項目的投資回報，更關(guān)乎整個產(chǎn)業(yè)在碳中和目標背景下的技術(shù)革命全局，是一個極具挑戰(zhàn)的重大課題。為此，本文從能耗分析和控制的基礎(chǔ)問題——能耗效率基準的角度提出建議，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)能耗效率基準測試

在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運營費用中，能源支出占有較大比重，而且隨著設(shè)施先進性的提高，能源支出通常也會相應(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，永遠會保持上升趨勢，而單位能源成本則是最有可能通過應(yīng)用先進技術(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，是實現(xiàn)盈利的主要驅(qū)動力。然而長期以來，人們在論述設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響，以及在討論分析設(shè)施生產(chǎn)能耗問題并進行決策時，往往依賴于模糊和過時的概念，缺乏有力的數(shù)據(jù)支持和準確的邏輯分析。正如管理大師彼得? 德魯克所說，“如果不能衡量，就無法管理”。為了實現(xiàn)節(jié)能減排和提質(zhì)增效，必須對設(shè)施農(nóng)業(yè)的能耗效率進行量化分析，提出數(shù)字化解決方案。

開展設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準測試的目的，是通過描述設(shè)施農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵能耗指標、基線數(shù)據(jù)和設(shè)施級基準，開發(fā)一套全面的數(shù)據(jù)工具，并結(jié)合市場干預(yù)策略來解決使用節(jié)能技術(shù)、獲取能源使用數(shù)據(jù)并進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)導者對可持續(xù)性的承諾。通過與利益相關(guān)者密切合作，評估生產(chǎn)作業(yè)中的資源使用情況，制定行業(yè)標準，推薦最佳實踐指南，倡導推動可持續(xù)發(fā)展的有效政策和激勵措施。

卓有成效的設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準測試項目，可以形成值得信賴的能耗標準，為政府有關(guān)部門提供政策建議和監(jiān)管依據(jù)。還可以通過與第三方認證和標準組織合作，以驗證新興技術(shù)解決方案、進行市場推廣、優(yōu)化效率激勵產(chǎn)品的部署。通過基準測試平臺，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，改進運營模式。通過識別數(shù)據(jù)驅(qū)動效率提升，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)。通過促進基準測試，供應(yīng)鏈合作伙伴可以幫助種植者更好地進行生產(chǎn)，而單一設(shè)施和比較數(shù)據(jù)可以為未來的項目提供信息。通過組織技術(shù)咨詢委員會，促進同行評審的最佳實踐和驗證技術(shù)，制定利益相關(guān)者驅(qū)動標準。

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，美國等國家通常使用“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)保護性農(nóng)業(yè)和高性能智能溫室，可細化為連棟溫室（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”）是完全由人工打造的植物生長環(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環(huán)境的基礎(chǔ)設(shè)施決定了其需要的能源強度。因此，能耗效率基準測試要按照基礎(chǔ)設(shè)施的細分類別分別進行。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)備自動化程度高，能源需求強度大，能耗成本占比大，應(yīng)作為重點研究對象。

補光系統(tǒng)

在植物工廠里，人工光源是作物光合作用的唯一能量來源。而在溫室生產(chǎn)中，補充光照能夠提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。尤其是在北方，補光成為冬季生產(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信息和運行時數(shù)，挖掘提高照明和補光設(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、降溫、除濕等設(shè)備來保持生產(chǎn)空間的溫度，管理植物生長發(fā)育過程中室內(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荷和潛在負荷緊密匹配。設(shè)備容量過大，能源消耗多，而且設(shè)備循環(huán)時間短會導致設(shè)備頻繁開關(guān)，影響其預(yù)期壽命。設(shè)備容量過小，室內(nèi)達不到溫度和濕度的設(shè)定值范圍，會影響作物的健康生長。優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)可以減少能源使用和運行成本，同時也能提高產(chǎn)量和品質(zhì)，增加收益，提高生產(chǎn)企業(yè)的競爭力。

水肥管理系統(tǒng)

設(shè)施種植用水本身就是一個可持續(xù)性的指標，同時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因素，一是維持水流動力和配肥的直接能耗，二是灌溉施肥對空間環(huán)境以及植株本體形成的環(huán)境調(diào)控能耗的增減。

自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)

裝備自動化能夠節(jié)省勞力，提高生產(chǎn)作業(yè)標準，提升生產(chǎn)效率，但能源消耗相應(yīng)增加。通過能耗效率分析，有助于量化自動化帶來的效益和發(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)部分或全部實現(xiàn)了自動調(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。比如溫度和相對濕度的設(shè)定值會極大地影響系統(tǒng)的使用效率，燈具的打開和關(guān)閉對周邊溫度、相對濕度、飽和水氣壓差產(chǎn)生直接影響，進而影響空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和除濕設(shè)備的運行。

實施能效項目的能源和非能源效益

通過能耗效率基準測試和分析，實施設(shè)施農(nóng)業(yè)基于能源效率的最佳實踐，不僅可以實現(xiàn)節(jié)能減排、降低能耗和能源費用，而且能夠帶來較大的非能源效益，包括增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低運營成本、節(jié)省維護費用、減少勞動力需求等。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荷，降低暖通空調(diào)系統(tǒng)的成本和運行費用。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發(fā)育的需要調(diào)節(jié)光強和調(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反應(yīng)。

加快設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準測試

設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準測試，需要通過大量采集不同生產(chǎn)企業(yè)、設(shè)施類型和作物種類的能耗數(shù)據(jù)，進行縱橫對比、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)鍵績效指標。在此基礎(chǔ)上，可以由同行專家制定最佳實踐指南。開展設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗效率基準測試，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，委托第三方進行。如果能夠由行業(yè)組織牽頭，應(yīng)該也是個不錯的選擇。一定要把基礎(chǔ)工作做好：①定義關(guān)鍵術(shù)語、計量單位及其應(yīng)用，避免這些術(shù)語被普遍誤解或誤用；②設(shè)計數(shù)據(jù)庫格式，確保搜集/采集數(shù)據(jù)的程序標準化和統(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)，保護參與企業(yè)的商業(yè)秘密。各個參與企業(yè)的數(shù)據(jù)只能用來進行整體分析、建模，絕不可以向第三方泄露。參與企業(yè)應(yīng)該得到改進能耗效率的優(yōu)先服務(wù)。