步入式人工气候室介绍

一、系统定义与学术定位

托普云农步入式人工气候室（典型代号RTOP系列定制型）是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的模块化拼装式大型受控环境实验设施。该系统通过工业级制冷/加热、加湿/除湿、全光谱LED照明及CO₂补气单元，在聚氨酯夹芯板围护构建的气密舱体内对温度、相对湿度、光合有效辐射（PAR）/光量子通量密度（PPFD）、CO₂浓度及气流速度实施独立或耦合的闭环PID调控，可在数十至数百立方米空间内复现昼夜交替、季节更迭及气候事件（高温热害、低温冷害、干旱模拟等）。其本质是研究基因型—表型—环境互作（G×P×E）的"环境发生器"，属植物生理学、逆境生物学、作物遗传育种加代及生态模拟领域的基准科研平台，区别于台式人工气候箱的有限容积与单因子粗放控制。

二、控制原理与理论依据

多回路PID闭环反馈控制：各环境因子由对应高精度传感器（Pt100铂电阻测温、电容式/湿敏电容测湿、光量子/照度计测光、非扩散红外CO₂分析仪测CO₂浓度）实时采样，与设定程序值比较后经比例—积分—微分算法驱动执行器（压缩机变频、电加热管、超声波/电极式加湿器、电子膨胀阀、CO₂电磁阀、EC变频风机）消除偏差，维持稳态或按预设时序渐变。

CFD优化强制对流风场：经计算流体动力学仿真设计顶部均流孔板或底部回风风道配合EC离心风机，在大空间内形成均匀湍流场，消除温度分层与CO₂浓度梯度，确保同一气候室内不同区域微环境变异系数满足重复实验要求。

多段程序化环境编排：支持将全天划分为若干时段（段数可达数十至上百段），每段独立定义温、湿、光、气、风参数，可模拟自然光周期、渐变晨昏、季节性温度漂移及突发性气候胁迫；支持昼夜差异化CO₂设定与假日/休眠模式。

新风与气体交换模型：配置全热新风换热器或定风量新风阀，按设定换气次数引入过滤后室外空气或排出过剩气体，维持O₂/CO₂平衡并防止乙烯等植物代谢副产物累积。

三、系统硬件构成

围护保温结构：采用双面彩钢/不锈钢面板中间填充高密度聚氨酯或岩棉的夹芯板（通常厚度≥75mm），阴阳角及板间接缝以耐候密封胶处理，底板设承重防腐层或防滑花纹铝板，配气密平移/平开门、双层钢化玻璃观察窗（附遮光帘）及安全逃生装置。

温湿度调控单元：二元或多元变频压缩机制冷机组（单级/复叠式可扩展低温段）+ 翅片式电加热器 + 超声波加湿器或蒸汽加湿筒 + 冷凝除湿再热回路，配套储液罐、干燥过滤器及高低压保护器件。

光照系统：顶部（及可选侧壁）均布红—蓝—白—远红多芯片组合LED植物生长灯板或荧光灯阵列，支持0～满幅无级调光、光周期定时及光配方（R:B比例）自定义，部分型号支持紫外UV-B补光模块。

CO₂浓度调控子系统：红外CO₂传感器 + 高压钢瓶/发酵CO₂减压阀/固态CO₂释放装置 + 文丘里混合喷嘴，实现设定浓度范围内的快速充气与稳态维持，支持昼夜不同设定值。

通风与新风模块：EC轴流/离心风机、均流层、初效/中效空气过滤器、电动新风/排风风阀及全热交换器，可调循环风量与换气频次。

栽培支撑系统：304不锈钢或阳极氧化铝可移动/固定多层培养架、水培/雾培/基质培槽体、营养液循环管路及可选配的pH/EC在线监测与自动配肥单元。

智能控制与物联终端：工业PLC或嵌入式PC搭载≥10英寸彩色触摸屏，内置多段程序编辑器、实时曲线显示、历史数据记录（符合GLP数据完整性要求）、声光/短信/APP异常报警、远程Web/手机端监控及与农业物联网云平台对接的有线/无线通讯模块。

辅助安防组件：紫外线杀菌灯、臭氧发生器、烟雾探测器、门禁联锁、应急照明及过载/漏电/缺相保护装置。

四、可控环境因子与监测参数

主动调控因子：空气温度（含降温速率与升温速率限定）、相对湿度、光照强度（照度或PPFD）与光质（R:B:W:FR比例）、CO₂浓度、循环风速/新风换气次数、昼夜时段切换。

实时监测记录参数：室内温度、壁面温度、相对湿度、PAR/PPFD、CO₂浓度、O₂浓度（选配）、叶面/冠层温度（选配）、营养液温度/pH/EC（选配）、压缩机高低压、设备运行工况。

程序功能：多段时序编程、梯度设置（温度/光照/CO₂）、模拟气候事件（骤冷/骤热/遮阴）、育种加代加速模式、断电记忆与自恢复、用户分级权限管理。

五、仪器功能特征

1、精准环控系统：采用工业级高精度物联网传感器，全密闭空间内温湿光气多参数24小时同步采集，外界温湿度波动时无需人工频繁调整温湿气参数，系统设备快速响应调节，自动完成温度、湿度、CO2浓度等适配。

2、围护保温系统：可根据使用需求、场地面积定制高性能碳钢外壳主体，保温夹层采用不锈钢聚氨酯保温板，高阻燃、抗压强。

3、立体种植系统：立体种植架采用镀锌钢喷塑、不锈钢等防锈防腐材质，适配植物工厂高湿、高洁净环境，尺寸、层高可根据种植作物类型、作物高矮及实际需求定制。

4、节能光照系统：采用LED生长灯，能耗低、寿命长、布光均匀，可无极调节光照强度，灵活调控光谱。

5、智能灌溉系统：可根据作物种植需求兼容水培、雾培、基质培等多类型栽培方式，支持营养液pH和EC值在线监测及实时配肥，实现自动精准水肥灌溉。

6、数字化信息管理平台：精准实现作物从育苗、定植、生长到收获的全流程温度、湿度、水肥、二氧化碳、氧气等参数的智能化调控。实现远程联网监测功能，全程记录参数及温湿度等曲线图变化，设备状态监控及异常报警等综合功能。操作人员可通过现场PLC、PC端、手机APP端进行监测、控制、管理。

7、AI作物长势监测系统：精准检测发芽率，自动化监测作物全周期生长动态。

六、主要应用领域

作物遗传育种与加代繁殖：在可控温光条件下缩短水稻、小麦、玉米等作物生育期，实现一年多代（加代）加速育种进程；同一气候室内并行设置不同温光程序处理多样化种质群体。

植物逆境生理与生态学研究：精确模拟干旱（配合土壤水势控制）、盐渍、高温、低温、UV-B增强、 elevated CO₂等单一或复合胁迫，研究光合碳同化、抗氧化系统、渗透调节物质积累及基因表达响应。

植物—微生物/昆虫互作及昆虫饲养：提供恒定适宜温湿光条件供植食性昆虫（如蚜虫、飞虱）周年继代饲养及植物—昆虫互作观察。

组培快繁与种苗工厂化生产：作为组培苗驯化、穴盘苗绿化及蔬菜/药用植物种苗工厂的洁净可控生长空间。

高校与科研院所教学实训：植物生理学、生态学及设施农业课程中演示环境因子对植物生长发育的调控作用及受控环境实验设计方法。

七、学术使用注意事项

建室前应根据拟开展实验的物种光温需求、最大植株高度及预期样本量确定净空尺寸、光照功率密度及制冷/加热负荷，避免后期改造；正式实验前须空载运行验证舱内各测点温湿光气均一度并记录本底偏差，必要时做空间校正。CO₂补气钢瓶须定期检漏与更换，防止浓度漂移；新风引入量应平衡室内CO₂累积与温湿度负荷。长期使用中定期清洁空气过滤器、检查压缩机冷媒压力与加湿器水质（建议使用去离子水防结垢），并按周期校准温湿度及CO₂传感器。发表成果时应完整报告气候室型号、各因子设定值及波动范围、采样点位置与校正方式，以保证实验可重现性。

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