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兰桂骐与荷兰瓦赫宁根大学合作项目发表中国温室设计多目标优化研究论文
发表时间:2024-01-23 点击量:69

近日,兰桂骐与荷兰瓦赫宁根大学联合培养博士闵心远在国际一区期刊《Agricultural Systems》(影响因子6.6)上发表了题为《多利益相关者视角下的温室设计多目标优化》的研究论文。

温室设计优化是一项复杂的挑战,涉及庞大的组合解空间以及设施设备、室外气候和作物之间的相互作用。传统的温室设计优化文献通常只考虑一到两个设计因素,而非系统性地进行设计优化。此外,在碳中和的背景下,评估温室性能需要考虑经济效益和环保两个维度,以及不同利益相关者的优先目标。

为了解决这一问题,本文创新地将运筹学方法与生物经济建模相结合,并结合各地区的气候及市场条件,为中国四个不同地区(上海金山、山东潍坊、甘肃平凉、河北廊坊)的番茄温室设计(温室结构、覆盖材料、加温系统、降温系统、保温幕布、遮阳幕布、补光系统、二氧化碳补充系统、和涂白)进行了系统性优化。具体而言,本文:

1)采用温室作物和环控模型Intkam-Kaspro,模拟了不同温室设计的产量、能耗、经济效益和环保性能。

2)采用遗传算法,本文探索大量的解空间以减少计算量。

3)通过采用方向距离函数方法,纳入了利益相关者对经济和环境性能的优先考虑,对温室设计的整体表现进行评估。

图:多目标优化的温室设计流程图

研究结果确定了在三种不同价格情景下,在经济和环保性能方面均表现出色的温室设计。对温室的经营收益影响最大的设计因素包括:补光、温室结构、保温幕布和CO2补充速率的选择。

在补光方面,LED照明在经济效益和环境性能方面均优于HPS照明。相较无补光的情况,采用LED补光强度为200 μmol m−2s−1的设计,可增加年经营收入97.3至200.2 ¥ m−2。相反,相较无补光的情况,使用低光照强度(100 μmol m−2s−1)会显著降低温室的经济效益和环保表现。补光和CO2补充之间具有正向的协同关系,因此在进行补光时应同时进行CO2补充。

在环保方面,补光是温室生产过程中温室气体排放的主要贡献者。采用补光强度为200 μmol m−2s−1的LED补光设计将使二氧化碳当量排放从151.7增加到211.0 kg m−2。使用保温幕布可以增加经济效益,并有效减少温室气体排放。

研究结果强调了在金山、潍坊、平凉、和廊坊等四个不同地区,最优温室设计各有不同,凸显了温室设计需因地制宜,结合当地的气候和市场条件的重要性。这项研究对于温室系统的优化具有重要意义,为中国温室行业提供了实际的政策建议。

 

表:金山、潍坊、平凉、廊坊鉴定的最优温室设计(按经济效益排序)

表:金山、潍坊、平凉、廊坊鉴定的最优温室设计(按环保表现排序)

论文链接:https://authors.elsevier.com/c/1iSg5,70zHv3yq