垂直农业中利用太阳光采光替代LED照明：光管（Light Pipe, LP）的技术经济学研究

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Solar daylighting to offset LED lighting in vertical Farming: A Techno-Economic study of light pipes

　　

摘要
垂直农业是一种受控环境农业（CEA）模式，其中作物在堆叠层中生长，并通过调控气候与照明实现可预测产量，但电力消耗较高。本研究量化了在三层集装箱垂直农场中采用屋顶光管（Light Pipe, LP）系统进行太阳光采光的技术经济影响，该系统将太阳光传输至上层作物层。光学链包括一条直管道及旋转穹顶内的可倾斜铝涂层反射镜，通过Tonatiuh软件模拟以估算作物层光子传输及太阳能增益。模拟结果与瞬态AGRI-Energy模型结合，开展迪拜全年光照条件下的仿真研究。第三层的光照策略与完全LED基准进行比较，包括仅自然光操作、开/关补光、PWM调光、UV–IR过滤、可变透光控制及简易玻璃方案。光线追踪预测作物层光管光学效率为45%–75%，取决于太阳位置，量化了收集口入射日光传递至目标生长区的比例。仅自然光操作将三层总产量降低17%，尽管节约了27%–29%电力，但经济不可行。混合自然光–LED策略在保持基准产量的同时减少电力使用。PWM调光结合UV–IR过滤实现最低比电能消耗（6.32 kWh kg^-1），比基准低14%。整体而言，经济可行性仍受资本支出（CAPEX）限制，因为可实现的电力节约不足以抵消新增投资，主要在高电价和高碳价背景下改善。LP系统在相同日照条件下，其光成本比光纤参考方案低15%–38%。

论文解读

研究背景与问题提出：近年来，可持续食品生产需求推动受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）成为重要研究方向，其中垂直农业（Vertical Farming, VF）通过在建筑、集装箱或模块化设施内堆叠作物层，实现全年可控生产。这种模式的优势包括高单位面积产量、节水能力以及降低害虫与天气风险。然而，垂直农业的主要制约因素是高能耗，尤其是人工照明（LED）和气候控制（HVAC）占据电力消耗主导地位，导致运营成本高昂并增加环境负荷。特定研究显示，生菜的比电能消耗可达10–18 kWh/kg，并且生产成本高度敏感于当地电价和气候条件。因此，提高光能传递效率并减少全电照明依赖成为研究重点。

研究目的与设计：本研究旨在通过屋顶集成光管（Light Pipe, LP）系统将太阳光直接传递至上层作物层，减少LED照明需求并量化技术经济效益。LP系统采用直管道结构，辅以旋转穹顶内可倾斜铝涂层反射镜，以最大化入射光传递效率；出口安装金字塔棱镜扩散器以改善光分布均匀性。研究在三层集装箱式垂直农场中进行，选取迪拜作为高光照条件案例，以评估全年光照与热负荷影响，并结合动态AGRI-Energy模型进行作物响应、光利用效率（LUE）、比电能消耗（Specific Electric Energy Consumption, SEEC）及经济指标（Light Cost, LC；Payback Time, PBT）分析。

技术方法概括：研究采用光线追踪（Ray-Tracing）模拟LP光学效率，结合AGRI-Energy模型进行作物层光子传递及生长响应计算。模拟涵盖全年变化的太阳位置及环境条件，同时考虑不同光照策略，包括自然光仅用、开/关LED补光、PWM调光、UV–IR过滤及可变透光调节。

研究结果：
- **LP系统光学性能**：光线追踪结果显示作物层光学效率45%–75%，依太阳高度而变化。
- **产量与电力节约**：仅自然光模式产量降低17%，电力节约27%–29%，经济不可行；混合自然光–LED策略在保持产量的同时降低电力消耗。
- **光照策略比较**：PWM调光结合UV–IR过滤实现最低比电能消耗6.32 kWh/kg，比完全LED方案低14%。
- **经济性分析**：CAPEX限制显著，可节约电力不足以抵消投资成本，但在高电价及碳价背景下经济性改善。LP光成本比光纤参考方案低15%–38%，具有成本优势。

讨论与结论：研究表明，通过屋顶集成光管系统可有效将太阳光导入垂直农场作物层，实现电力节约并维持产量，尤其适用于三层集装箱规模的小型垂直农场。相比光纤或复杂光学系统，LP方案结构简单、易于维护，并能在高光照城市环境中提供较高光学效率。研究进一步指出，实现经济可行性仍需结合高电价或碳价情境，并强调光分布均匀性与热负荷管理对作物生长及能源效率的关键影响。整体而言，本研究提供了低复杂度光管采光在多层垂直农业中的全年技术经济评估，为城市垂直农业能源优化提供量化依据。