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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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讓植物工廠融入都市

張舜翔

為了提高農作物的生產效能與品質,光照、節能與建置架構不斷翻新,新的植物工廠概念也不斷顛覆人們的想像。這些概念有的已試圖商業運轉,有的還在工程階段,有的仍只是設計圖──然而,這些必經的辨證過程,都將為農業科技的發展注入新思維。

植物工廠能讓農作物生產效能更高、品質更齊一,生產過程中也能省下高達70%的用水,若設置在都會地區,將節省農產品運輸費用、降低碳足跡。

然而,植物工廠設施投資昂貴,加上能源費用可能會壓得經營者喘不過氣來,成本墊高了,農產品價格又不見得被消費者接受,若能降低植物工廠的能源消耗,或是增加溫室空間的利用效率,將可降低種植成本,加速植物工廠的普及化。

有別於過去如千層糕形狀般往上種的植物工廠,本文將介紹幾種新概念或新設計的作法,這些beta版(測試版)的新概念,有的已試圖商業運轉,有的還在工程階段,有的仍只是設計圖──然而,這些必經的辨證過程,都將為植物工廠的開發注入新思維。

種植、照明立體化

植物工廠蓋在寸土寸金的都會地區,空間的配置會影響產出的效果。目前主流的設計方式,是垂直立方多層次設計,每一層的植物生長架上都有獨立的燈層和養液層,加上預留植物生長的空間,構成了每一層次的組成方式,不過這真的是最有效率的設計嗎?難道說,照明只能往平面上照?

美國密西根的綠靈農場(Green Spirit Farms)在新水牛城區(New Bufflo)建造了一個4萬平方英呎的廠區,主要種植蔬菜和草本作物(herbs)。綠靈農場採自行研發的專利旋轉式(rotary)種植法,有別於主流立方式種植法,旋轉式種植法的設備設計,是以一組六個旋轉式種植架的組成,綠靈農場稱之為Omega Garden,堆疊方式是兩兩一組疊三層,每一層的旋轉式種植架高203公分,三層大約6公尺。旋轉式種植架是一種緩慢旋轉的中空轉輪,輪的內圍可種植作物,生長光源則位於旋轉輪的正中央,光線可均勻散佈給圓周種植的作物。根據綠靈農場自行發佈的資料指出,以羅勒(basil)為例,平均每一組(6個旋轉式Omega Garden的組合)大約可種480株。目前在水牛城的廠房共有193組,等於1158個旋轉式Omega Garden。

由於Omega Garden會緩慢旋轉,因此傳統薄膜式養液供應(NFT)與植物根系的結合方式需重新設計,才能讓植物持續吸收到足夠的養份。為了讓每株作物都吸收到養液,Omega Garden如同水車一般,在旋轉中讓植物根系接觸養液。但是否有其他介質使植物根系保留養液,以待下次輪轉吸收則不得而知,目前資料也未公佈旋轉轉速,以及旋轉的動力來源──是以馬達帶動,或是依靠養液流體傳動,外界都還是霧裡看花。由於一組6個的旋轉式種植設備高度達6公尺,因此需要幫浦將養液打到最上層,再流下供三層Omega Garden循環使用。

照明燈的使用亦為植物工廠設計重點,Omega Garden設計的特殊之處,在於照明空間的重新應用。傳統立體化的種植只是把種植層堆疊上去,光源照明和植物受光的模式仍然是平面而非立體的,但Omega Garden的專利設計,每支照明燈即可供80株作物成長。

由於Omega Garden需要360度立方圓式的照明,因此早期測試便不考慮LED,而是使用高壓納燈、螢光燈、金屬鹵素燈,直到今年才確定以無電極燈管作為植物生長光源。綠靈農場認為,無電極燈具有使用長壽命、低溫工作的特性,節能亦較螢光燈具省電達35至50%,而且汞含量低、可回收。其中超長工作時間對需要不停開燈的植物工廠來說,具有強大的吸引力。
  
過去照明只能散佈在一個平面的植物上,圓形的設計可以讓照明變成立體。綠靈農場在空間設計上的突破,是實現了照明的立體化,節省照明燈具的使用,並降低了電費。不過立體圓週旋轉式的種植方式,尚未有量產化的數據、案例,植物在圓周運動中,根系吸收養份的能力是否會被離心力?另外,旋轉意味植物生長過程中,重力方向是不斷改變的,這是否會影響養液的輸送效率和植物高度的生長?畢竟植物長久演化的歷史中,重力方向和光源方向都是固定,如今改變了,能產生一樣的結果嗎?

不用人工光源的垂直農場

西班牙建築設計工作室Appareil呼應都會農業的概念,推出Agriculture 2.0。如同麻花捲形狀般的螺旋式昇降支柱設計,使培養盤(incubator)可以順著螺旋式支柱的溝槽昇降(一邊昇另一邊降),一棟Agriculture 2.0的大廈大約有3組甚至更多的麻花捲式昇降對。

當培養盤中的作物剛種植下去時,培養盤位於螺旋式支柱的最下層,隨著作物的生長,培養盤就像樹葉一樣會自動擴延其培養面積,從發芽到生長,作物就像搭著電扶梯往上,昇到最高點後逐漸成熟繞下來。因此作物成熟時,培養盤剛好回到地面便於採收,並重新將培養盤收縮、育苗並播種,讓培養盤重新上昇。

培養盤可以收集雨水,供植物生長所用,葉片螺旋式的種植配置設計並不會產生影響植物吸收自然光源的遮蔭,完全運用陽光,不需人工光源,當然就省下了電費。Appareil估計,每一棟Agriculture 2.0大約每天可生產42公斤的萵苣,足以讓1.5平方公里的居民食用,只要每1.5平方公里建造一棟Agriculture 2.0,都市的蔬菜就可以接近自給自足,不需要依賴運輸。

目前Appareil的Agriculture 2.0只是一個設計方案,尚有許多問題沒有回答,在園藝學者眼仍然非常不成熟。比方說養液的重量、高處的風勢、過量的光照、開放環境的病蟲害等等,都會成為植物生長的問題。

但Appareil的Agriculture 2.0值得學習之處,在於它充份利用建築結構的設計,使得過去被迫遠離都市的農業在建築的設計下重新歸來,Agriculture 2.0猶如仿生學般的概念,麻花捲昇降支柱就是植物的莖,培養盤就是植物的葉,葉片還會延伸,好像植物葉片的成長一樣。這些長得像大樹、比植物尺寸大上數百倍的人造建物將成為巨大的仿生蔬菜。

融入都市的植物工廠

綠建築的概念,過去集中在建材省電,這樣的設計風潮已經不稀奇,新秀建築師們正積極尋找可以發揮綠色概念的題材,加上歐美國家風行都會農業,社區大樓在屋頂搭個小溫室種菜的例子到處都是,建築的思維不只是要住人,還更要住植物,建築師們對農業的關注,似乎已在國外漸漸成型。

義大利著名的建築師波埃里(Stefano Boeri),在義大利米蘭市設計出樹塔般的「Bosco Verticale」──意為「垂直森林」的大樓,就是一個很好的例子。「垂直森林」高27層、兩棟分別為365呎和260呎,約等於1公頃綠地面積,可種730棵樹、5000棵矮木、11000株盆栽。地點2006年設計,於2012年底完工。
「垂直森林」提供的房型為80平方公尺、200平方公尺兩種,要價分別為56萬歐元和170萬歐元,「垂直森林」不只是人的家,同時也提供植物、鳥類和昆蟲的棲地。雖然「垂直森林」的主要目的不是種植農作物,但結合植物與建築,明確地指出都市建築設計師目前最感興趣的議題。

都市建築與農業的結合,不僅需要考慮空間的利用,同時也必須思考農業深入城市的紋理。畢竟都市是人的生活空間,工廠式的建築強調封閉性,人們無法自由進入,市容的美感亦會打折扣,若能將垂直農場結合現有都市中常看到的商店、電影院、超級市場,利用透明牆展示農作物的生長過程,不僅可利用都市空間種植作物,還可綠化景觀。加拿大瑞爾森大學(Ryerson University)室內設計系的學生便設計出與住宅、小商店結合的垂直農業。屋頂可採集雨水,順流而下,光源亦可直接採集太陽,作物可直接於樓下商店販售。

當然,這樣的設計同樣會引起很多疑問,例如植物並非只需要雨水,所需要的養份如何取得?廣面積的作物但受光卻不平均怎麼辦?更別說開放式的病蟲害等問題。但這樣的設計帶來的不是一個可馬上使用的概念,而是一種新思維。

新的疑難

建築師對農業的關注,與建築業、室內設計共同規劃植物工廠,可帶來許多良好影響。

首先,建築學對空間配置敏感且有效率,而都市種植作物會帶來比鄉間更大的空間挑戰,只是興建一個考慮植物生長的廠房,可能很難在都市中生存,若能在建築設計之際即結合居民、商店和農作物於同一個空間中,為居民帶來新鮮的蔬菜,節省農作物的運輸成本,以及更有效率的空間利用,商店也受惠於閒置空間有了其他人分擔租金,形成三贏的局面。其次,植物工廠進入都市生產之初,利用都市既有閒置空間是無可避免的選擇,但閒置空間未必符合作物生長需求,改造和裝潢是改進策略,此時建築師和室內設計師將可協助植物工廠以更快、更經濟的方式融入都市。

成為都市的一部分是植物工廠無可避免的目標,但融入都市意謂著開放與景觀化,是否會成為病蟲害的漏洞?設計師認為,開放只是視覺上,融入都市的垂直農場仍然是以水耕法為主,這可避免一大半透過土壤傳播的病蟲害──然而是否如此,仍待園藝學家研究。來自地上的問題先不論,難道來自空中飛鳥、害蟲就絕跡了嗎?雨水的搜集難道不會成為另一個傳染源?

植物的移動是未來技術的重點,前述綠靈農場的個案,是否成功並不重要,但是它的確告訴我們一件事──人工光源優於自然光的地方,並不只是不停歇、不分季、持續而等量的照明,更重要的是照明的立體化,只要讓作物緩慢旋轉,這才是太陽光沒辦法作到的事。

但植物在生長過程不停的移動,對生長沒有影響嗎?這可能都是後續面對的挑戰。但無論如何,綠靈農場極具創意地提供了新的植物工廠設計。

調整光照與利用閒置能源

耗能是全人工化植物工廠的最大問題,尤其對完全人工光源的植物工廠來說,更是如此,因此能源運用的方式,就成為植物工廠技術開發的關鍵點。
能源運用技術的兩大發展軸線,一個是提高運用效率,使得每一單位的光能,都反應在植物的生長表現上;第二是挪用其他閒置不用的低成本能源,甚至是工廠廢熱,也能被溫室回收再利用。

植物工廠中的人工光源該如何調整,光量多大、波長如何、照射時機和時間,目前園藝學才剛展開研究,資料也正慢慢開始累積,仍屬非常前瞻的研究,許多分析的單位甚至都還沒有共識。

讓植物自己調整光照量

不過美國喬治亞大學農業與環境學系博士生馬特斯(Erico Rolim de Mattos)卻利用葉綠素螢光反應,來控制人工照明的質與量、波色和時間。這項技術無異於「讓植物自己決定開關燈」。

馬特斯運用常見於海洋生物觀察時的葉綠素螢光計,觀察植物受光時的反應,當植物葉綠素對光毫無反應時,便代表植物無法發揮光合作用;反之,則需要增加光量,讓植物達成最有效率的光合反應。

馬特斯研究的對象是生產生質能源的海藻,在人工設施中培養海藻最大的問題,同樣是拿捏能源的使用效率,不過他發現從海藻的葉綠素螢光反應中,觀察到海藻的光合作用,只要運用葉綠素螢光計測量海藻的受光反應,回饋到電腦,以專利的演算法,便可「翻譯」出海藻目前的光需求,直接控制照射的光質與光量。馬特斯因此獲得了矽谷育成機構──奇點大學(Singularity University)獎學金,並由喬治亞大學研究基會金註冊美國專利。這項技術的核心價值,在於葉綠素螢光反應的演算法,未來將會從海藻栽培擴大到垂直農場的蔬菜。

馬特斯的研究開啟了一個新局,使得植物工廠研發一直「卡關」的能源效率獲得新解。畢竟,解鈴還需繫鈴人,植物工廠中的能源使用者是植物而不是人,直接觀測植物對環境的生理變化,而非觀測外表結果來判斷環境條件的設定是否符合植物生長需求。

這樣的概念不只可用在植物身上,只要種植或飼養成本上可以直接在作物或動物的內部生理變化中找到對應觀測量,例如植物的葉綠素螢光反應與照明能源的關係,都可以用這樣的概念開發演算法,以自動化檢測記錄的即時、連續資訊,將更能管理成本投入的效率。

利用工業廢熱加溫

日本是植物工廠概念的先行者,植物工廠供應的蔬菜也以中高價格為主,由豐田集團子公司──豐田通商投資的VEGi- Dream栗原是其中之一。

VEGi- Dream栗原種植的作物,是一種高價位的西班牙紅椒。在過去,日本都是依賴進口滿足市場需求,為了贏得市場,VEGi- Dream栗原打算在溫室種植西班牙紅椒。

身為豐田集團的孫公司,VEGi- Dream栗原與豐田的合作關係十分密切。豐田汽車早在日本震災後,重新規劃宮城縣大橫村的汽車工業區,並於2011年命名為「智能工廠規劃」,重新佈置區內的能源線路,工廠自備發電站,廠與廠之間透過智慧能源線路形成電力互聯網。而VEGi- Dream栗原則利用這些工廠發電的廢熱加熱溫水,供應溫室冬天的環境溫度控制需求。

台灣可因地制宜

目前調控植物工廠能源使用的方式,是透過實驗法找出環境因素對植物外部「表徵型」(phenotype)可觀察表現的變異參照,再由人為方式調控環境參數。
馬特斯的創新環控系統控制思維,將省去不同氣候條件,甚至同科不同品種的作物需要重新找出外部「表徵型」變異參照的麻煩,在理論層次更上一層。也許距離真正實用仍有段距離,但是直接將照明量或溫度的需求,交給植物本身決定的概念,對於能源使用效率的提昇,可能是下一波植物工廠基礎研究的重點。

VEGi- Dream栗原的例子,則說明植物工廠也許可以選址在工業區中。日本屬於溫帶氣候,嚴寒的冬天不利於生產蔬菜,才需要利用廢熱加熱。但台灣若以植物工廠生產蔬菜,問題並不在於加熱,而在降溫,尤其夏季往往飆破攝氏32度時,只有高冷地區的氣候條件才適合種植蔬菜。

不過蔬菜不適合,並不代表VEGi- Dream栗原的例子無所可取。台灣出口量第一的蝴蝶蘭冬天需要加溫,鍋爐的能源對業者而言是沉重的開銷,未來若能提供工業廢熱給蝴蝶蘭溫室冬天加溫,對台灣蘭花出口的競爭來說,是一大利多,只是蝴蝶蘭溫室多半與產生廢熱的工廠距離遙遠,如何有效率地蒐集龐大的工業區廢熱,將是植物工廠與工廠合作的關鍵因素,兩者若無法形成能源或熱能上的互補,甚至成為互搶能源的局面,植物工廠入駐工業區便失去意義。

台灣研發植物工廠已有一段時間,但主要研究項目仍在光源對作物生成的影響,這是非常基礎資料累積的研究工作,隨作物種類不同,亦需累積不同的資料,大部分都是園藝學或生物機電工作的範疇,但較為缺乏在應用端的討論。

目前國內已有建築業者以植物工廠設施為號召,銷售高價格的住宅,但只是把植物工廠設施當作昂貴的時尚家具贈送給住戶,而不是直接在建築設計上嵌入植物工廠,難道植物工廠非得要獨立使用一個建築物,不能與既有的商店或住宅結合嗎?難道新建好的辦公大樓和住宅不能融入植物工廠嗎?目前台灣尚未出現將植物工廠鑲嵌入都市肌理後的營運模式,也鮮少探討這些後端問題,甚為可惜。
未來開發植物工廠的業者,可結合建築業、室內設計業共同設計與營運,將植物工廠融入現代建物中,而不像工業區廠房,如此一來,可運用住宅設計時的地理思維評估未來的產品出路,亦可為新住宅提供強而有力的加值訴求,彼此相輔相成。


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