http://ecaaser3.ecaa.ntu.edu.tw/weifang/cea/Cea1-7.htm
環境控制在農業的應用
一、簡介
二、基礎理論
三、環境條件
四、環境參數
五、環境控制
六、環控農業的相關應用實例
七、植物工程系統(Phytomation)

環控農業  一、簡介

環境控制為工程界之重要領域，主要包括加熱、通風與空氣調節（Heating,
Ventilation and Air Conditioning, 簡稱 HVAC ）。
環境控制在農業上之應用簡稱環控農業，其英文名稱為Controlled
Environment Agriculture （CEA）。
CEA又依應用之對象別而區分為CEPPS（C.E.
Plant Production System）與CEAPS（C.E.Animal P.S.）兩大類。

廣義的CEA，最後一個A字，依應用的產業別可分為農業(Agriculture)與養殖漁業(Aquaculture)，前者以水耕栽培(hydroponics)，後者以水產養殖為主，兩者均涉及循環水。
且前者可用後者的廢棄物作為養分，並節約後者所需生物濾床的尺寸，可大幅降低設備建置成本。
兩系統可分別共用同一水體，所以二者可整合成一套複合生產系統，英文名稱各取一半以Aquaponics 稱之。
簡言之，CEA可以是CEAg, CEAq, 也可以是CEAp。

環境控制的範圍主要以生物的居住或或生物產品的儲藏空間為主，可小到如組織培養苗瓶或更小，前蘇聯有發展所謂的『局部天氣控制技術』即為擴大使用的例子。

近年來由於生物(Biology)科技研發上的需求與機電整合(Mechatronics)的進步，環境控制技術應用在人工氣候之重現為熱門的研究課題，此研究領域以生物機電工程(BioTronics或BioMechatronics)稱之。

環控農業與傳統露地（粗放）農業的最大區別在於前者去除了靠天吃飯的不利因素，由被動的農業轉而為主動的農業。
事實上，也唯有完全掌握生物之生長環境，才有可能去要求產品品質上之精確細緻。

農業現代化之目標

以現代化科技配合企業化管理方式來經營農業，使之精確細緻（精緻農業），並能運籌於帷幄之中，製造良好的工作環境，使其對環境的影響減至最少，並達獲利的目的。

環控農業為農業現代化之必然途徑。

環控農業  二、基礎理論

談環境控制離不開探討濕空氣的熱力學性質，此為第二週(下週)的主題。
環境控制也離不開控制溫度與濕度；溫度與濕度的控制理論則植基於質量守恆與能量守恆兩大定律；所以第三週的主題為基礎熱傳學的複習，第四週則著重於為穩態熱傳與質傳分析的介紹。

2.1 濕空氣熱力學(Psychrometrics)

乾空氣與水氣組成的混合氣體簡稱「濕空氣」或「濕氣」(moist air)，專門探討濕空氣的一門學問稱為濕空氣熱力學。
探討濕空氣熱力性質時除了想瞭解某已知狀態點的其它性質之外，另一個重點便是想瞭解某已知狀態點在經過某種變化過程
(Psychrometric Processes)之後，新狀態點的性質。

2.2 能量守恆

進入系統之能量(太陽照射，熱輻射，熱傳導， 熱對流，冷凝，加熱器，熱交換器，人工輔助燈光與進入系統之流體等)＝離開系統之能量(反射太陽光線，熱輻射，熱傳導，熱對流，蒸發，空調，熱交換器與離開系統之流體等)＋儲存於系統之能量。
儲存於系統之能量若為正值，則環境的溫度昇高，生物體的新陳代謝速率增加。

2.3 質量守恆

進入系統之質量(泛指水份、養料、化學藥品、氧氣、二氧化碳等)＝離開系統之質量＋儲存於作物內新增之生理質量(BioMass)。

2.4 動植物生理

請參閱

溫室環境控制工程

設施內作物之生長與生理
禽畜舍環境控制

2.5 感測與控制

請參閱


農業設施環境因子量測


環控農業  三、環境條件

三、環境條件

環控農業工程人員所需具備之專業知識與工業界之工程人員並無二異，惟其主要的應用對象在動、植物及農、畜產品等。
農業環控系統的設計需要工程人員澈底瞭解系統內生物與環境間之互動關係，從而創造一合宜之環境以利生物之生長、繁殖，或農、畜產品之儲藏、運輸。

環控對象所處之外在條件，必需維持在某範圍內才會成長茂盛、維持產量或保鮮。
此些環境條件包括：空氣溫度與濕度、環控對象之體溫度與濕度、二氧化碳含量氨含量（畜舍）太陽輻射能、根系營養液（溫室）等。
控制這些參數後，即可在環控對象之周遭提供適當之『微氣候』。
以溫室為例：微氣候包括：植物之上方、頂層葉冠部、底部及根部等區域。

植物上方、頂層葉冠部與底部之環境因子包括：

輻射環境 太陽或人工光照之能量、品質或光譜分佈狀況以及光照時間等。
氣體環境 水蒸氣、氧氣、二氧化碳及其它如乙醚、二氧化硫等不良氣體。

植物根部之環境因子則包括：

氣／液環境 水與氣體之比例、營養溶液之可利用分佈與施用時間。
養分環境 礦物質含量、鹽分及生長基質與營養液之ｐＨ值。
物理環境 根部基質物之物理性質包含陽離子交換能力、持水能力及密度等。
生化環境 有機廢棄物之清除及有益之微生物。

環控農業  四、環境參數

4.1 一級環境參數

將可用感測器量測之一級環境參數定義為一級環境參數，包括:

1. 輻射 淨輻射量，總輻射量(全光譜)，光合作用有效光(400- 700nm)，直射與漫射量，光量子數。
2. 溫度 空氣溫度，葉片表面溫度，溫室被覆資材表面溫度，作物層空氣溫度，營養液之溫度，根系介質溫度，地面／地底之溫度。
3. 濕度 空氣之相對濕度，作物層空氣相對濕度。
4. 養液 酸鹼值（pH），電導度（EC），溶氧量（DO），氮、磷、鉀、鈣等離子之活動量，水流量。
5. 其它 二氧化碳濃度，大氣壓力，風向／風速，降雨量。

4.2 二級參數

量測一級參數有助於二級參數之推導，二級參數包括：
水蒸氣壓力，蒸散速率，水蒸氣壓差，顯熱通量，濕球溫度，二氧化碳通量，露點溫度，作物周遭氣流大小，絕對濕度，系統熱焓值，乾濕球溫差，系統淨能量通量，葉片內外溫差等。
4.3 作物生長與環境參數之關連性
作物生長與環境參數關連性之建立步驟：

1. 量測及計算前面所述之一、二級參數
2. 觀察作物對此些參數變化之反應
3. 建立關連性。

4.4 範例

葉面及空氣溫濕度可調節光合、呼吸作用、同化作用、蒸散作用及養分之吸收率。
二氧化碳之吸排量直接受光合作用速率、葉片表面水份蒸發速率及空氣中二氧化碳濃度等因子之影響。
以下所列為作物生理相關之三項反應速率:

葉片表面水份蒸發之速率
氣孔阻力
根系吸水情形
邊界層阻力
氣流大小
氣孔內外水蒸氣壓差
作物含水情形
葉片與空氣之溫差
太陽輻射能

二氧化碳之吸排量
葉片表面水份蒸發之速率
光合作用速率

光合作用之速率
光合作用有效光

細胞內二氧化碳濃度
葉片面積指標（Leaf Area Index, LAI）
葉片溫度

在建立作物生理與環境參數之關連性的過程中，常面對的困難是缺乏足夠的二級參數，其歸因於一級參數之無法量測，亦即感測器的付之闕如。
此類挫折也正指出了重要的研究發展方向。
葉面積量測器（
Leaf Area Meter），葉片蒸散速率量測器，氣孔阻力感測器（Porometer）及光合作用速率量測器等現在均已有成熟的商品。

要使用成熟的商品，其代價通常是需要先有一筆經費來採購該設備，而此些設備通常是不便宜的。
瞭解其原理，直接由量測一級參數並透過計算來求出所需的二級或三級參數，應是可獲得較多學習的練習。

就算已擁有該商品可方便的進行實驗，亦應由基礎量測一次以驗證該設備之可信。
以下舉一例說明：

作物之水逆境指標(Crop Water Stress Index, CWSI)之量測已有商品化產品，但其需先找出校正曲線，儀器中已有若干農藝作物的校正曲線，但園藝作物則很少。
該設備定價為約24-25萬(1996)，事實上若瞭解原理則可透過簡單的溫、濕度感測器再透過計算即可求出該作物的CWSI值。

環控農業  五、環境控制

5.1 環控動作

以溫室環控為例：

1. 選用適當之感測器量測『環境參數』
2. 根據各參數之『設定值』與使用之控制策略計算各類驅動器(Actuator)之設定值，譬若：鍋爐之設定溫度、風扇之轉數、開啟之個數、窗戶開口之大小、噴霧裝置之水壓及流量、輔助燈光開啟之盞數與使用之時數、養液循環之頻率等。

3. 驅動器執行動作
4. 重覆動作

5.2 複合環控策略

以溫室環控為例，所謂『複合』係包括多項環境調節設備的選擇及作物之生長狀況與生長階段之認知。
以本省夏季溫室降溫之操作為例，是選擇打開外部簾幕遮蔭？還是開啟風機濕簾裝置？或以噴霧方法移走室內潛熱？答案：需視當時作物之生長狀況來做判斷。

作物之最適生長溫度常隨著季節與地區而有所不同，也有隨株齡與生長階段而異者，如蕃茄之株齡大者之最適溫較低，鬱金香之發芽、花芽引發、結球等之最適溫亦皆各異。
所以環控策略若完全不考慮作物生態與生理，這種環控有時是相當冒險的。

收穫後處理: 儲藏、運輸、包裝
六、環控農業的相關應用實例
6.1 收穫後處理 : 儲藏、運輸、包裝

農產品均為易腐產品，園產品採收後，其組織細胞的生理、生化活動仍不斷進行，如：呼吸作用、蒸散作用、乙烯的合成、微生物的接觸等均影響其生化反應及採收後的壽命。



6.1.1 預冷

園產品採收之後迅速將產品冷卻來移去其田間熱(field heat)，稱為預冷(Precooling)。
預冷對容易衰老或腐損，採後壽命很短的園產品，以及需經長途運輸才能到達市場的園產品特別重要。
將產品迅速冷卻可以減低蒸散作用、呼吸作用與乙烯生成的速率，亦可以減輕乙烯之作用及減緩產品之完熟與衰老。

預冷處理以室冷(room cooling)、強制風冷(壓差風冷 force-air cooling)、水冷(hydrocooling)與真空預冷(vacuum precooling)四種方式較為普及。

補充閱讀：蔬菜保鮮方法之I-預冷

6.1.2 低溫儲藏

主要針對蔬果與其他農漁牧產品或屠體的保鮮，低溫儲藏雖然能延長保存時間，但儲藏後的色澤與品質都大不如前。
切花保鮮一般尚需使用保鮮劑。

補充閱讀：園產品保鮮法寶II-冷藏

低溫儲藏很容易造成溼度過低，一般須注意保濕與加濕。
能夠提供高溼度，但不造成水珠凝結是關鍵。
加濕方式頗多，舉凡噴霧、旋轉離心、超音波等均能產生霧氣，以後者形成的顆粒最細，效果最佳。

補充閱讀：超音波造霧保濕



6.1.3 低溫氣調儲藏 

低溫氣調儲藏 (Controlled Atmosphere, CA storage)係藉著降低環境的溫度與含氧濃度、提高二氧化碳濃度，來進一步減緩儲藏物的新陳代謝，但維持其生存或保鮮所需之環境。
降低空氣中含氧量有其下限，提高二氧化碳濃度有其上限。
CA儲藏的設施與冷藏庫相同但需兼顧高度的氣密性與內外壓力的平衡。

低乙烯氣調儲藏是近十幾年的新方式，通常保持庫內乙烯濃度低於1 ppm。

CA儲藏應用最廣的園產品是蘋果與西洋梨，未能普遍推廣的原因可歸納如下：

產品不耐低氧或高二氧化碳濃度的環境
CA對某些產品的優點並不比其他方法突顯太多，但卻貴上許多
產品本身價位不高
產品本身儲藏壽命短，CA可延長，但仍短
CA可延長產品儲藏壽命，但可用產期調節或選種其他品種來克服



6.1.4 低溫氣變儲藏 
氣變儲藏 (Modified Atmosphere, MA storage)與CA類似，但較粗略，只是提高CO2或降低O2濃度至某一概數。
雖不如CA要求的精確，但已有實用價值。
最常見為將產品裝在塑膠袋中，透過塑膠膜的半滲透性與外界空氣的水分，CO2與O2維持於一自然平衡狀態。
透過對袋內產品的呼吸率，重量與塑膠膜的有效表面積、透氣速率等，可控制袋內的氣體濃度於一設定的範圍內。
此原理描述的多半是個理想，但由於使用上的方便與便宜，使得其應用範圍高過CA許多。

環境內氧氣降至 3% 或是 3% 以下，可降低果蔬之呼吸速率,但氧氣濃度太低會引起無氧呼吸(Anaerobic
Respiration)使產品發生異味, 發生無氧呼吸之氧氣濃度：波菜為 0.8%，
蘆筍為 2.3%。

補充閱讀：不結球葉菜類氣變包裝貯藏技術

6.1.5 運輸
農產品由收穫至到消費者手上，中間需經歷儲藏與運輸的過程，後者可能的方式包括陸運(公路或鐵路)、海運與空運。
下面幾張圖片說明陸運貨櫃車中空調系統的設計上需考量的事項，海運部份請參見補充閱讀文獻中有關海運的一文。


冷藏(冷凍)車的熱源


影響冷藏(冷凍)車內溫度的五項因子


冷藏(冷凍)車內空調系統設計指南


冷藏(冷凍)車內空調系統組成

6.1.6 低溫低壓儲藏 
低溫低壓(0.1 大氣壓或更低)儲藏的儲藏效果優於低溫氣調儲藏，但要維持低溫且兼顧保濕並不容易，且設備成本高，雖已發明多年，但也未能普及。
低壓等於低氧，再加上乙烯在低壓下容易由產品體內滲透出來，可降低乙烯的促成後熟與造成衰老的作用。

6.1.7 低溫弱光儲藏 

針對種苗或具葉片的切花或盆花的低溫弱光儲藏，係以弱光(該產品在光補償點的亮度)使植物維持在光合作用與呼吸作用所產生或消耗的醣類可相互抵銷，維持在一個不增不減的情況。
一般的低溫儲藏均為處於全暗的設備或容器內，植物完全無法行光合作用。
低溫儲藏的目的在減緩新陳代謝以減緩消耗，弱光之目的在補此不足。

補充閱讀：穴盤苗貯運

短距離輸送通常僅作預冷處理，運輸時間超過五天者，建議使用低溫氣調或氣變儲藏。

仍存在葉綠體者如蝴蝶蘭大小苗可考慮低溫弱光儲藏，文心蘭切花則不宜使用此方法。
切花的輸送除了有保鮮劑之外，一般透過在容器內安置乙烯吸收或抑制劑。

6.1.7 參考閱讀

穴盤苗貯運/by 李美娟/from 種苗改良繁殖場
台灣菊花切花外銷預冷技術和成本分析/ by 陳連勝、黃肇家/from 農試所技術服務/1995/三月/第21期
海運過程中影響冷藏蔬果因素之探討/ by 方信雄 from 台灣農業/27(3)/80年6月
百合切花及盆花品質與乙烯、STS之關係/by 莊耿彰 from 台灣花卉園藝/1995年12月
利用催色技術以改進金柑採收作業及提高加工品質/by 李國明/from 花蓮區農業專訊第十四期採收後處理專輯/84年12月出版
預措處理與保鮮劑對切花瓶插壽命之影響/by 郭坤峰/from 花蓮區農業專訊第十四期採收後處理專輯/84年12月出版
切葉植物採後保鮮/by 范美玲/from 花蓮區農業專訊第十四期採收後處理專輯/84年12月出版
長形山藥塊莖保鮮技術/by 黃鵬、范美玲/from 花蓮區農業專訊第十四期採收後處理專輯/84年12月出版
野薑花採後處理要點/by 范美玲/from 花蓮區農業專訊第十四期採收後處理專輯/84年12月出版
園產品保鮮法寶II-冷藏/by 楊宏瑛/from 花蓮區農業專訊第11與14期/84年3月與12月出版
蔬菜保鮮方法之I-預冷/by 楊宏瑛/from 花蓮區農業專訊第6期/82年12月出版
不結球葉菜類氣變包裝貯藏技術/by 林棟樑
玫瑰採後處理及保鮮/by 台中區農業改良場陳彥睿
如何使切花的保鮮處理更有效率/by 台中區農業改良場陳彥睿 譯
玫瑰與康乃馨的保鮮處理/by 楊海明

Respiration activity of vegetables under CA by G.S.V. Raghavan 等 ASAE paper 89-6034
A summary of the pressure drops in a vegetable storage ventilation system /by D. Small 等/ASAE paper 89-4020
Data acquisition and control of storage environment/by Y. Gariepy 等/ASAE paper 87-4070
Modeling the effect of O2 and CO2 on respiration and quality of stored tomatoes/by C.C. Yang等/1988 Trans. ASAE 31(03):920-925.
Pressurized CO2 water-scrubber for CA storage/by C. Vigneault等/ASAE paper 89-4019
Using HPP (Hydrogen Peroxide Plus) to Inhibit Potato Sprouting during storage
The Effect of HPP on Silver Scurf Disease in Three Potato var. During Storage
Using the Shira Aeroponics System to maintain weight and firmness in stored potato tubers

張士勳、1999，花胡瓜採收後生理與氣調儲藏之研究。
碩士論文。
台北：台灣大學園藝學研究所園產品處理加工組。
(圖書館四樓科技圖書)





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環控農業的相關應用實例








禽畜舍環境控制

基礎知識
（一）生理調節系統
（二）熱量產生
（三）散失到環境中的熱
（四）週期性現象
（五）空氣成份與污染
（六）空氣污染防治對策
（七）禽畜舍環境控制
（八）控制系統

一、 基礎知識

在設計禽舍或畜舍時，溫度狀況、空氣品質、光線、噪音、離子濃度及其族群群聚程度等都是很重要的因素。
像熱環境影響動物的散熱；光線影響光週期反應；空氣品質、噪音、離子濃度與群聚程度影響其強健性與產量。

動物的生產力（長肉、下蛋、產乳、長毛或繁殖）及所給與的飼料的利用效率和熱環境有著密切的關連。
對恆溫動物而言，在最佳的熱環境下由進食的飼料中所獲得之能量扣除維持正常的身體機能所需的能量，其結餘（用在生長繁殖上的能量）為最多。
此所謂最佳的熱環境通常以有效溫度表示，此有效溫度值為乾球溫度、濕球溫度、風速與輻射量的函數。



圖 1. (a) 豬隻生長所耗能量 



(b)生長速率


(c)
飼料利用效率對環境空氣溫度的關係（摘自Hahn 等， 1983） 

圖 1所示為量測豬隻生長所耗能量 (1a)、生長速率
(1b) 與飼料利用效率 (1c)
三者對空氣溫度的關係，如圖所示在 15 ∼
22 ℃的溫度範圍內會有最佳產量與效率。
換言之，豬舍的設計便要依照此需求才能獲得最佳效能。
但稍微超出或低於此範圍亦無大礙，此無大礙的範圍即為圖
1a 之最佳範圍兩端的上下限範圍，換言之，溫度範圍在
10 ∼ 25 ℃之內都是可接受的。

由圖 1
可知，最佳熱環境並非只存在於單一某有效溫度值，
而是某一有效溫度範圍，動物在此區內的環境有較好的表現。
研究者更發現此區域和獲利峰點相符合（即維持環境狀況在此區域內可增加獲利）。

圖 1
所示之資料可提供吾人配合氣象資料做環境選擇與設計時之參考。
唯，有其它研究顯示群居或獨居、餵食方式與地面型式會使下限值變動
5 ℃之多，所以在設計時需留意此差別。

臨界上下限溫度值取決於動物種類、品種、年齡、重量、性別、餵食量與飼料種類、先期狀況、寄生蟲、病害及空間配置、哺乳與群聚情形，另外也和環境的物性有關。
每隻動物的臨界上下限溫度值都不太一樣，目前可供參考的資料都是針對群居的整體來考量，事實上這些都是統計值，會隨著與時間有關的因子而改變。
不同動物，甚至同一動物不同品種的適宜區皆可能不同，如圖
2 所示娟姍（ Jersey）乳牛的範圍在 0 ∼ 25
℃，荷蘭（ Holstein ）乳牛則在 -12 ∼25
℃，蛋雞則在 10 ∼ 20 ℃內。



圖 2.
娟姍牛、荷蘭牛、與蛋雞的適宜生長溫度範圍

（摘自 Hahn 等，1983；Hienhoven 等，1979)

舒適的環境狀況大都是由溫度的高低來決定，因為動物體顯熱排放的大小受到皮膚與大氣的溫度差影響很大，濕度及風速有時可加入計算來求得有效溫度值。

在中溫或高溫的氣候下，濕度的提高會嚴重限制動物體的顯熱排放功能。
低溫時，相對濕度的影響則很小。

風速（空氣流動的程度）在顯熱的排放上是較次要但也是不可忽視的影響因子，其影響程度會隨著動物之品種與年齡而有不同（將風速由
0.125m/s 提高到 0.25m/s 時，對未滿 8
週大的仔豬而言並無多大降溫效益，反而增加其獲病之機率，如因受涼引起之下痢）。

將動物眷養在封閉環境中會改變其內的空氣成份，例如降低氧氣，增加二氧化碳與水份濃度；廢棄物（屎尿）的分解則增加沼氣、硫化氫與氨氣的濃度；動物的活動與空氣的流動則會增加由飼料與地面而來的懸浮微粒。
一般而言，充份的通風（內外空氣交換）以帶走過濕的空氣可同時帶走那些會刺激動物呼吸系統的灰塵與有害氣體。

其它需考量的環境因子尚包括：空間的需求、地面或地板的型式、光線、飼料與水份的需求、動物的運搬與廢棄物處理。
簡言之，禽畜舍的環境設計與控制需針對環控對象之需求，且必需做整體的考量。

（一）生理調節系統

動物本身都擁有明顯且穩定的控制系統（Scott
等, 1974, Tienhoven 等, 1979 ），
縱使在環境或營養成份等各方面有很大差異，動物體皆有控制本身的血壓、血液成份、身體溫度、呼吸作用與心臟血液輸出的本能。
此種生理調節系統可因應不適情況作出適切的反應以確保動物的生存。

動物體內的生理調節系統中與禽畜舍環境設計直接相關的是其恆溫系統。
動物藉此來調節自己適應外在的熱環境。
動物體產生的熱量靠著呼吸作用及暴露在外的皮膚加以散熱來調整體溫，此一控溫系統對眷養的動物而言是閉迴路系統，可依分析閉迴路控制系統的方法來分析它。

（二）熱量產生

在 1950 與 1960
年代有多位學者針對多種動物維持存活所需之最基本需求做量測（
Yeck 與 Stewart, 1959, Longhouse 等,1960, 1968, Bond
等, 1959 ）。
此些資料基本上只具學術價值，對業者與禽畜舍之設計工程師而言並不適用。
對吾人較有用者為在正常新陳代謝作用下的熱量產生情形，包括潛熱與顯熱。
經過三十年來的研究，對大部份家禽、家畜而言，這類資料已相當完備。

圖 3 與圖4
所示即為家禽與家畜在不同乾球溫度範圍內每公斤體重之散熱率，其中圖
3 為已成熟具生產力之蛋雞、羊與乳牛；圖
4 則為成長中的雞（實線）與豬（虛線）。


圖 3. 已成熟具生產力之蛋雞、羊與乳牛在不同乾球溫度範圍內每公斤體重之總熱產生率
（摘自 Hienhoven 等，1979）


圖 4.成長中的雞（實線）與豬（虛線）在不同乾球溫度範圍內每公斤體重之總熱產生率（摘自 Bond 等，1959）

由尿液、糞便、溢出水與清洗所產生的液態廢棄物會影響禽畜舍內的顯熱與潛熱比（
ASAE, 1987
）。
殘留在地表的水份愈多，就需要愈多動物身上的體熱或畜舍內的加熱系統來蒸發這些水份。
而蒸發後的水汽又需要通風系統來移除以避免在室內各種表面或設備上凝結。
室內濕度超過
80 ﹪便會影響健康。

沖洗地板或對動物超量用水會增加
1/3 潛熱的產生， 相對應於每頭動物，其顯熱產生量即相對地減少
(ASAE, 1987 ）。
禽畜舍內使用整片的地板面和條狀地板且下方為廢棄物暫存區者相比，後者可減少室內水汽約
35 ﹪。
若整個禽畜舍都使用條狀地板，則水汽產生率更可低
50 ﹪，所以所需的通風率可降低，但若超量用水則需要的通風率又需提高。

動物體產生熱量的速率主要視環境、動物品種與大小不同而異（Brody
等, 1945 ）； 其同時會隨著動物本身的活動與進食時間不同而異，且會隨著特殊情況的發生而每天有不同的變化（譬如患病時）。
禽畜舍的型式及廢棄物處理的方式亦會影響顯熱轉變為潛熱之程度，其影響有時會大於
50 ﹪。

另外，研究顯示動物的表現和遺傳有很大的關聯，譬如含脂肪高的豬種比量低者成長快很多，
但後者在餵食上較有效率（ Bereskin等, 1975
）， 閹豬（小公豬在成熟前加以去勢）之食量比小母豬（尚未生產過者）多
6 ﹪，而生長速率快 7 ﹪。

基於品種的改良，
動物的成長率及飼料效率皆會有所增長，
如1962 年至 1977 年豬隻的平均成長率增加了
70 g/ 日，密蘇里豬（Missouri hog ）的飼料效率也改善了
15 ﹪。
所以系統設計相關的基礎資料應持續調查並定期更新，繼續沿用舊資料將導致系統設計之偏差。

（三）散失到環境中的熱

動物可藉由物理及化學調節作用而將由身體轉移出去的熱量控制在某一程度內。
環境溫度低時，體內新陳代謝加強，增加熱量的產生而補償散失到外界的熱量（
Brody，1945 ）。
這種化學調節作用使餵食失去效用，即無法增肉或增加蛋、乳等之產量。
同樣環境下，物理調節作用也會發生效用，如皮下微血管的血液循環降低，毛髮或羽毛會豎立，甚至動物們會聚成一堆來減少顯熱的損失。
相反地，當環境溫度高時，反向地生理反應便發生以允許熱量能順利散逸到環境中。
除此之外，當顯熱的散失難行時，藉由蒸發作用來散熱就逐漸增加，此時空氣中的濕度便成為一重要因子。
因為熱量產生是生長所必要的，所以若這些熱量不能散逸出來則飼料的消耗便會減少（食慾不振之故），連帶地影響生長與繁殖。

大部份眷養的家禽與家畜，其顯熱是經由皮膚所排放。
家禽、羊與豬等是藉由呼吸作用來排除潛熱，而牛與馬則是藉由皮膚來排除潛熱（流汗方式）。
血液將新陳代謝產生的大部份熱量送至皮膚或肺，後者則利用肺泡內黏膜層的蒸散作用將熱帶走。
吸入肺的氣體到達肺泡時已被加熱成接近體溫，且此時應已接近飽和含水狀態，呼出的氣體與部份未深入肺部的氣體混合後排出，所以不會是飽和狀態，尤其是有受熱緊迫的時期。
少部份熱量經由吞嚥食物與喝水帶走，最後隨廢棄物排出。

影響到動物熱量排除的設計考量因子有：空氣溫度與濕度，蒸汽壓，空氣流通性，畜舍結構與尺寸與材質，各個表面（指可能與動物有熱量交換的所有表面）的溫度、熱傳導係數、放射率與吸收率等。

（四）週期性現象

動物身上的生物感應裝置可感應到環境的狀況及其改變。
大自然有諸多因子不需或只需簡易的工程控制就會有週期性地變化，如：溫度、壓力、光、養份、寄生蟲、磁場、離子化程度等。

1. 光週期性 
光線可能是最早被發現且最重要的會影響繁殖的環境因子（Farner,
1961 ）， 其效益隨著動物的種類與年齡之不同而有很大的不同。
不管有或是沒有光，某些動物均可維持健康生長（如成長中的豬），但對其它動物而言，光的管理是相當重要的。
研究結果顯示：

短光期會誘導或加速羊的發情，

晝長會影響羊與馬的精液的產生（Farner，1961 ），

在孵化白來亨雞蛋時，持續以白熱燈泡照射比在完全黑暗中孵化可縮短 16 ∼ 24 小時（Shutze 等,1962） 紅、黃或藍光照射也有類似前項的結果。

僅照射三週中的一週也可縮短孵化時間，但差異不是很大，

孵化率則和是否實施光處理無關。

2. 溫度週期性 
有多位學者針對動物受環境溫度週期性變化之影響做過調查，家畜如牛（
Brody 等, 1955，Kibler 與 Brody, 1956 ），豬（
Bond等, 1963，Nienaber 等, 1987 ）與家禽（
Squibb, 1959 ）等。
其結果在動物間稍有不同。
由牛隻與豬隻身上散失的熱量可由環境溫度的日平均計算而得，其在畜舍設計中環境冷熱負荷之計算上頗有幫助。
另外，環境溫度的大小差異在
10 ℃以內時，產量隨日平均溫度之大小僅有小的差異（
Squibb, 1959 ），超出此範圍時，產量會比預期來得低。

（五）空氣成份與污染

污染現象值得重視，因為它易使動物患病或表現異常，同時也會危害到作業員工的健康。
一般的家畜對空氣污染的忍受度比人類高，但是當動物在承受緊迫的狀況下（像新生幼畜、高熱或低溫、營養不足或生病時），只要有少量程度的污染即可能造成危害。

美國職業安全與健康局依據每週
40 小時的工作時間訂出一套保障作業人員安全的最低空氣污染暴露標準（表
1 ）（ OSHA, 1985），若持續處於污染環境中低於每週
40 小時則忍受程度將可提高，反之則減少。
此污染暴露標準尚具有累加性，譬如一個人處在最大污染標準
75 ﹪的環境中，便不能再忍受有超過 25
﹪的其它污染。

表 1. 每週工作40小時之作業人員的最低空氣污染暴露標準

懸浮微粒 
總數
15 mg/m3 




可進入呼吸管道者（< 5
μm） 
5 mg/m3



氨氣 NH3 

25 mg/kg 



硫化氫 H2S 

10 mg/kg 



一氧化碳CO 

50 mg/kg 



OSHA, 1985 標準

禽畜舍中的主要污染有：來自飼料的懸浮微粒與動物皮膚、毛髮與羽毛掉落的懸浮微粒，寄生在呼吸道或排泄物中的病原性與非病原性微生物，各種不良氣體。
可隨呼吸作用吸入的懸浮微粒粒徑約為
0.5 ∼ 5 微米（μ m ）。

而比較需要注意的不良氣體為氨、硫化氫及一氧化碳。

1. 懸浮微粒及微生物 
隨著動物活動量增加或空氣流動而擾動那些已靜止的懸浮微粒，使得懸浮微粒量增加。
牛舍內空氣中飄浮的微生物主要是由牛隻排出的糞尿或咳嗽所產生（
Van Wicklen 與 Albright, 1987 ）， 氣體則是由動物的新陳代謝作用與厭氧菌分解廢棄物所產生（
Muehling,1970 ）。

懸浮微粒的主要危害在於其為許多微生物與不良氣體的傳播媒介，且會擴大動物對其它污染的反應，量多時會加重肺的負擔，附著於懸浮微粒上的微生物有很多種會影響到動物的正常行為。
肺炎與其它呼吸道的病原菌會經由空氣在動物間相互傳染，就算是非病原菌如果量夠多時也會危害到動物體免疫系統。
患病的動物對細菌更加敏感，正常來說，通風系統如果能有效移除空氣中的濕氣，就可解決由空氣傳播細菌的危險，
但在冬季時，
通風不佳的畜舍污染狀況將惡化（Bundy, 1984
）。
Hillinao 等（ 1992 ）建議在密閉且擁擠的牛舍中使用空氣過濾設施可避免肺部病變的發生。

空氣中的懸浮微粒與微生物已經證實和牛、豬、馬、家禽等的呼吸道疾病息息相關。

肺炎與痢疾等傳染性疾病導致牛舍中小牛有
20∼ 80 ﹪的死亡率，以冬季通風不佳的密閉畜舍為最嚴重。
家禽的許多呼吸道疾病亦多藉由病原菌所傳染，
其傳播能力可遠達 50km，且長達數月之久（
Siegmund，1979 ）。
1985
年喬治亞州境內有超過120
萬隻雞由於呼吸道疾病而判定需銷毀（ NASS，1986
）。
在養豬業來說，呼吸道疾病的防治亦是一項龐大的花費，豬感染地方性肺炎的機率為
30 ∼ 75 ﹪， 此相當於每年需花費 2 億美元的成本（Armstrong，1982
）。

2. 不良氣體 
氨氣經常在豬舍及禽舍中引起相當嚴重的污染問題，
只要有 50mg/kg （ ppm ）的濃度就會減緩豬隻的生長速率（
Curtis， 1983），且許多研究者認為在 15 ∼ 25
ppm 的濃度就足以危害到健康。
部份生理學家與獸醫建議將濃度控制在
5 ∼ 10 ppm 之間（ Donham，1987
）。
當氨氣濃度高到 60mg/kg
時不但降低了雞隻生長速率與飼料消耗，
且會增加視覺與呼吸道上的問題（ Carr 與
Nicholson,1980 ）。

禽畜舍內氨氣濃度受通風速率、清潔衛生作法與廢棄物處理方式的影響，若每月能做好清除工作，則一般對濕氣的通風控制可有效地將氨氣濃度控制在
10 ppm 以下。
另外需注意屎尿等廢棄物不可堆積超過一個月。

硫化氫主要是從廢棄物中產生，當液態廢棄物受到震動或廢物處理系統中的有毒氣體滲出到畜舍中時，對動物會有毒害的危險，一旦停留在廢棄物暫存區（通常在畜舍地板下）內的有機物料受到擾動時，硫化氫的污染有可能達到致死的濃度，所以要有額外的預防措施以確保通風系統能有效地將此污染帶走。

一氧化碳的產生通常肇因於加熱或通風設備的使用不當，許多加熱器通常沒有通風系統，如果又碰上畜舍內的環境是有腐蝕性的，則設備就更加容易損壞。
所以加熱器應將廢氣向外排放，或者加裝感測器以確定加熱系統有完全燃燒不致產生一氧化碳。
此問題在本省則較少見，但有透過燃燒方式加熱的所有禽畜舍皆應留意此問題。

（六）空氣污染防治對策

唯有藉著正確的通風設計與管理才能有效控制空氣污染。
冬季因為想要保溫，
所以儘量保持低通風率，
所以造成高濃度污染問題（Sutton 等, 1987
）。
懸浮微粒可用沉淨裝置、旋風分離裝置、纖維過濾器與靜電沉淨方式加以去除（
Bundy, 1986 ）。

透過適當的廢棄物處理系統，飼料中添加脂肪及降低禽畜與人的活動亦可有效控制污染，另外也建議作業員戴上口罩來保護自己。

當通風設施因停電或故障而停止運轉時會導致空氣中的污染、濕度及熱量的累積、此不良環境極可能危害到家禽的存活，故建議要有緊急發電裝備並在重要的通風設備上加裝警報系統。

在空氣中充入陰離子可有效降低污染與殺死細菌，但前述優點對環境中的動物是否就有好處?
在學界尚無定論。
研究顯示並不能確定這是由於空氣被淨化，血液中的
pH 值改變，呼吸道中纖毛受影響或者只是一種鎮靜作用。
有些研究者認為陰離子會延長懸浮微粒在呼吸道內的停留時間，
所以充入陰離子並沒有多大好處（ Janni 等,1984
）。

儘管離子化方法在成效上仍有爭議，以下仍然介紹幾種常用的產生陰離子的方法，包括：熱離子化法、α粒子放射法及高壓電暈放電法。
當放電點均勻分佈在離子化區域內時，以最末者之效果為最好。
此法可避免臭氧與氮氧化物的產生，此二者只要區域內有一處有足夠的離子即可，也可避免離子附著在懸浮微粒上後產生中和作用。
因為帶靜電的懸浮微粒生成，會沉降在地表面上，所以整個禽畜舍就像空氣清淨器一般，空氣中微生物與懸浮微粒可下降
50 ﹪或更多。

（七）禽畜舍環境控制

禽畜舍內的熱環境與空氣品質是禽畜舍內動物所承受的兩大緊迫因子，前者與空氣溫度、濕度、風速與周遭環境的表面溫度等相關，後者則和懸浮微粒量、微生物量與污染氣體等相關；其均與禽畜舍內通風系統的設計息息相關。
禽畜舍內動物之健康程度、期望的產量、飼料的利用等都與通風系統設計之好壞直接關聯。

McFarlane （ 1987
）發現氨氣、熱、噪音、疾病與鳥喙的修剪對雞的飼料使用效率與每日的成長率具線性累加的效果。
然而，不論這些緊迫因子是否能做線性相加，這都是個值得研究的領域。

禽畜舍環境控制的項目不外乎溫度、濕度、光度與不良氣體等四大項。
光度上可透過人工補光來達成，不良氣體通常需靠內外的空氣交換，即所謂的通風方式來將不良氣體如二氧化碳與氨氣等之含量減至最少。
濕度的大小亦可透過通風方式來調節。

在控制上可依據允許的不良氣體之上限（圖
5 曲線(1)）、濕度之上限（圖 5
曲線(2)）與室內溫度（圖 5
曲線(3)）之最下限求出不同室外溫度下各自的風量率。

三者相比較取其最大者即為系統之最小風量需求（圖
5 之粗線）。

再根據允許的室內外溫差值計算最大風量需求（圖
5 最上方之水平線）。

若通風系統的風量可做無段調整，則系統之最適風量即為因應外界氣溫值（橫座標）在較粗之折線上所對應之風量值（縱座標）。

若通風系統的風量僅能依幾段調整，則系統之最小風量需求為曲線(2)與(3)之交點，假設同溫度下之曲線(1)之值低於此交點。





圖 5. 禽畜舍通風系統風量率：1.控制不良氣體，2.控制濕度，3.控制室內溫度，4.控制室內
外溫差（摘自 Christianson 與 Fehr，1983）




在本省，通常所謂的環控就僅指溫度控制一項，又由於本省高溫期長達八個月，高溫多濕的環境對畜舍內的動物常會造成熱緊迫影響其生理，所以降溫常被認為就是環控的代名詞，雖不中亦不遠矣。

為減緩動物所受到的熱緊迫，國內外均有不少研究發表，國外之研究偏向於密閉型畜舍的環控，採用之方法則不外乎自然通風、機械通風與蒸發冷卻三種
(ASAE, 1984; Foster 與 Down, 1986;Bottcher 等, 1988;
Down 等, 1990; Moulsley and Randall,1990; Gates 等,
1991; Bottcher 等, 1991)。

使用風機可加強空氣之流動，提高內外空氣的交換率，達到降溫的效果。
再者，畜舍中免不了都會有禽畜的排洩物，異臭撲鼻不僅令人不適，過量的氨氣更是對人畜兩害，使用風機可將室內的不良空氣減至最少。

本省常見的只具遮雨功能之完全開放型禽畜舍，不論是靠自然通風或機械通風的方式其最低溫為同於大氣溫度，本省之高溫期長達八個月以上，機械通風方式常常不敷使用，就算可降至與外溫相同，其溫度仍然偏高。
表
2 所列為本省近十一年來各地之最高氣溫。

加濕（蒸發）冷卻方式為進一級的降溫方式，常見者有風機濕簾(
水牆或水簾 ) 法 (Fan and Pad) 與風機水霧法
(Fan and Mist)，此法最常見的配置方式為在禽畜舍之一端安裝水牆或噴水管路，而在另一端安裝風機（圖
6 ）。
圖 7
所示為其它的安裝方式。
此種方式僅能應用於密閉的禽畜舍，以本省大多數禽畜舍而言，僅有整套進口的自動化蛋雞舍採用此方法。
雷（
1993 ）針對水牆在蛋雞舍之應用做過詳細量測，其結論認為此法在本省並不適用，建議先以乾燥劑除濕，再讓此較乾之空氣通過水牆降溫後進入雞舍，唯，此法在經濟效益上仍有待評估。

表 2.
本省各地十一年中之最高日總平均氣溫與絕對最高氣溫



氣象局測站

北緯

東經

海拔(m)

最高日總平均溫
（絕對最高氣溫）

日期



台北692

25º02´

121º30´

5.5

332.60°C
(38.00)

1990/8/9
1988/8/22



花蓮699

23º59´

121º36´

16.1

30.52°C
(34.60)

1981/8/22
1981/9/3



宜蘭708

24º46´

121º45´

7.4

31.03°C
(35.20)

1991/7/27
1988/7/19



台南741

23º00´

120º12´

13.8

31.98°C
(36.60)

1986/6/23
1986/9/2



高雄744

22º34´

120º18´

2.3

31.83°C
(37.10)

1989/7/21
1983/7/16



資料來源：中央氣象局各測站十一年（1981-1991）之逐時資料

基本上，使用風機濕簾法或風機水霧法需要將原建築改為密閉的需求為此系統在推廣上的致命傷。
一般的禽畜舍多為完全開放式或半開放式建築，上述方法無用武之地，要想降溫，便得另尋他法。





圖 6.
最常見的風機濕簾法與風機水霧法系統配置方式



圖 7. 風機濕簾法之其它安裝方式



圖 8.
風機微霧法之多重『水線』安裝示意圖





風機微霧法（ Fan and Fog
）也是利用蒸發冷卻原理來降溫，其所產生之水霧顆粒一般為
0.01 ∼ 0.05mm （ 10 ∼ 50 μ m
），是以水霧由噴嘴中噴出之後，在下落抵達動物體之前通常便已近乎100%
的有效蒸發。
風機濕簾法與風機水霧法之水牆與水霧產生設備通常只安裝在密閉畜舍之一側，是以無可避免的室內會有溫度梯度的現象。

風機微霧法通常有多重『水線』（圖 8
），有較佳且均勻的降溫效果。
設計良好之風機微霧型降溫設備可將室內溫度降至同於原室內空氣的濕球溫度值，且室內的動物不會感受到水珠的存在。

風機微霧法為一可行的降溫方法，其最大優點在在不要求禽畜舍必需保持氣密。
傳統上，其造霧方式係透過高壓強迫水通過微細之噴嘴而形成，由於其使用的噴嘴孔徑非常小，其對水質之要求較高，且系統需維持在
30 ∼ 35
大氣壓或以上；基於高壓之需求，管路之材質與噴嘴品質之要求均較高，換言之，成本提高。
需有水質的處理與成本的居高不下為推廣上的兩大致命傷。

筆者研究牛舍降溫所使用的旋轉離心式造霧裝置，其降溫原理與風機微霧法相同，
其產生之水霧顆粒大小約在 45 微米（μ m
），其對水質之要求不高且更為便宜，應可廣為推廣。
此系統之詳細介紹請參見「紓解熱緊迫之對策」一節。

（八）控制系統 

簡易的控制應至少包括溫度與濕度兩項環境因子，恆溫調節器與恆濕調節器為常用的基本元件。
進階者可使用可程式控制器或個人電腦，將多種環境因子的現狀透過感測元件將訊號送至中央主控單元，透過控制策略做判斷，再送出控制訊號至環控設施上執行動作達到中央整體監控之目的。


雞舍環境調節

（一）光環境調節
（二）溫、濕度環境調節
（三）雞隻之熱量與水汽的產生
（四）熱緊迫程度之量測指標

由於基因工程、營養與雞舍的改良，全球各地有關肉雞與蛋雞之飼養均有相當驚人的產量，平均只需 8 週的時間，小雞就可長到 2公斤重，表 3 所列為肉雞成長速率與飼料效率（ North, 1984 ）。


表 3. 肉雞成長速率與飼料效率


限 食

任
食



雞齡週數

每週增重比例，%

每週飼料效率

每週增重比例，%

每週飼料效率



4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24



22.2

15.4

11.8

9.5

8.0

6.9

6.1

5.4

4.9

4.4

3.9

3.32

3.85

4.24

4.66

5.15

5.64

6.13

6.62

7.11

6.04

5.39

44.4

25.7

20.0

13.2

9.5

7.6

5.9

4.3

3.3

2.5

1.8

2.21

2.32

2.71

3.54

4.88

6.50

7.56

9.03

11.00

14.10

14.44




傳統的養殖法多半只需保持通風良好，密閉式自動化雞舍則需特別注意溫、濕度與不良氣體的控制。
雞舍內進行光環境的調節是雞舍環境調節與其它禽畜舍較為不同之處。

（一）光環境調節


雞舍內光照控制之目的在於提高雞隻之繁殖效率。
光線經由眼睛刺激腦部下視丘及松果腺而影響到雞隻之性腺及其繁殖狀況，因此蛋雞或種雞舍內常以光照來控制雌性雞之成熟。
一般業者通常使用定時器來開、閉光照之開關以控制雞舍內的光照，屬於較簡單之自動控制。
但如採用較複雜之光照管理時，需要感測器與微電腦來協助判斷與控制。

研究顯示實施光照明暗週期的控制可改善生長狀況與節省飼料及系統能量花費（McDaniel 與 Brewer 1975 ）。

光可用來延遲母雞的成熟，可增加隨後的產量。
其作法是對由孵化至
22 週大的小母雞逐漸減少其光照時間或對 14 至 16
週大的小母雞突然縮短光照時間到只有 9 小時；
如果以前小母雞是暴露生長於日長漸增的環境中，則在
14
週大時做光處理較好，如果是在一固定或日長漸減的情形下，在
16
星期大時光處理較適當。
光處理時所需的照度在與母雞同高處之值在
10 至 20Lux 範圍內即可。
在 21
週大時可增加光照時間為 14 ∼ 16
小時。
近年來，像 8 小時明期（ L ）與 10
小時暗期（ D ），2 小時 L 與 4 小時 D
或其它明暗週期分配已證實可改善飼料的使用及蛋的生產（Buckland，1975）。

對 20 ∼ 21
週大之小母雞採持續照光之結果發現不僅會抑制後來的產蛋量且會引起嚴重的眼睛病變，但不會減少所產蛋的重量（光照度為
10 ∼ 30 lux ）。



（二）溫、濕度環境調節

剛孵出的小雞通常需要保暖，
在孵化器中最適的孵化溫度為 33℃，孵出以後每星期降低
4 ℃， 直到 21 ℃，同時相對濕度都維持在 65 ∼ 70
﹪，如此可使雞隻有較佳的外觀與品質。
風速的影響一般未受到學界太多的重視，當溫度在
24 ∼ 35 ℃時，提高風速（上限為 2.5 m/s
）可降低熱緊迫（ Drury，1966
）。
當空氣溫度高於羽毛溫度時，高風速反而會加大熱緊迫而非減緩。
觀察發現
28 天大的小雞在以下的環境中可安靜地休息。
分別為：風速
0.28m/s、溫度15 ℃，風速 0.5m/s、溫度 21 ℃，風速
0.75m/s、溫度 24 ℃。

環境溫度過高（大於 29
℃）雞隻有中暑可能，會減少下蛋量，雞蛋變小，重量減輕，亦會使蛋殼變薄；溫度在
24 ∼ 29
℃，喘息開始，雞蛋變小，重量減輕，蛋殼變薄的問題同樣會發生，水分蒸發量亦同時會增加。
年齡超過一歲的母雞比年輕母雞更易受此影響；另外體型較大者（如
Rhode Island Reds 品種）也比體型小者（如White Leghorns
品種）易受影響。

孵出率亦會隨溫度增加而下降。
受精成功率在 21
℃時為最佳，到了 30 ℃時就下降。
低於 7
℃時飼料需求激增，而低於 0
℃時活動量及產蛋率降低。

建議的最佳溫度範圍約是在 13 ∼ 24 ℃。

在乾球溫度 29
℃時若相對濕度超過 79
﹪會導致呼吸作用加快及翅膀的歪斜。
經過 7 ∼
10 天適應環境後呼吸作用會減緩，但產蛋方面仍無改善，一般而言，建議相對濕度控制在
70 ∼ 75 ﹪，可以不致產生太多落塵，也不會因濕度太高造成水份不易蒸發而阻礙熱量以潛熱方式釋出。

(三)
雞隻之熱量與水汽的產生 





圖 9.籠飼蛋雞於白天與夜晚在不同溫度時所產生的總顯熱與潛熱（摘自
Ota 與 McNally，1961）



圖 10.為不同年齡之小雞其單位重量所釋放出來的顯熱，潛熱與總熱產生率（摘自 Reece 與 Lott，1982）



圖 11. 肉雞在溫度 16℃下單位重量之顯熱與潛熱產生率（摘自Reece 與 Lott，1982）



圖 12. 肉雞在溫度 27℃下單位重量之顯熱與潛熱產生率（摘自Reece 與 Lott，1982）




圖 9
所示為籠飼蛋雞於白天與夜晚在不同溫度時所產生的總熱、顯熱與潛熱，圖
10 為不同年齡之小雞其單位重量所釋放出來的顯熱，潛熱與總熱產生率。
圖
11 與 12 則分別為肉雞在兩種不同溫度（16 ℃ 與 27
℃）下單位重量之顯熱與潛熱產生率，此二圖涵括了當墊料的乾草對熱及水汽的吸收及釋放。

年輕的蛋雞之顯熱損失和同重的肉雞相近（
Zulovich 等，1987 ）， 而潛熱損失則只有後者的 50
﹪，且飼料的消耗比後者亦少了 20 ∼ 25
﹪，因此由於潛熱損失較少，其整體熱量產生亦較少。

（四）熱緊迫程度之量測指標

蛋雞適用的溫濕度指標（THI）之計算公式如下：


THI = 0.6 * Tdb + 0.4 * Twb 
(Deshazer and Beck, 1988)


一般雞隻的體溫多在35-40度C，當空氣溫度小於35度C時，Timmons (1991)認為雞隻所感受到的溫度應會受風速的影響，所以雞體承受之溫度(定義為風冷溫度)應為空氣溫度與風速的函數，
風冷溫度(Twc，Wind-chill Temperature)之計算公式如下：

Twc = 0.451* Tair - 0.456 * ln(Vair)*Tair + 6.832 ln(Vair) + 8.225


其中
Twc ：風冷溫度，雞隻所感受到的溫度，單位為度C
    
Tair：空氣溫度，單位為度C
    
Vair：風速，    單位為m/s


依上式計算，當空氣溫度為31度C，風速為1 m/s 時，雞隻所感受到的溫度為22度C，比實際溫度要低了9度C。
上式僅適用於小於35度C的溫度範圍，如圖13所示：



圖 13. 雞隻所承受的溫度(風冷溫度)為空氣溫度與風速的函數(摘自Timmons, 1991)





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豬舍環境調節



三、豬舍環境調節

        



（一）豬隻生長與環境
（二）豬隻繁殖與環境

（三）豬隻之熱量與水汽的產生
（四）豬舍環境調節
（五）熱緊迫程度之量測指標




       
（一）豬隻生長與環境


週圍環境溫度會影響豬隻的飼料效率與每日的增肉率。
圖
1b 顯示溫度在 16 ∼ 21 ℃之間時對 70 ∼ 100
kg 的豬可以有最大的增肉率， 範圍擴大到
10 ∼ 24 ℃時之平均表現才只有小幅下降。

對20 ∼ 59 kg
的小豬而言，最佳及最少損失的溫度範圍分別為
17 ∼23 ℃與 13 ∼ 24 ℃（ Kibler 與 Brady，1956
），較幼小者其最適溫度則為 23 ∼ 28
℃，而 3 天到 2 星期大的仔豬則需要的適溫為
30 ∼ 32 ℃（ Hahn, 1983 ）。

如果一天內的溫度週期在 21
℃上下超過 5
℃時將導致豬隻每日增重量的減少，
同時飼料效率也會降低（ Nienaber 等, 1987
），應儘可能地維持恆溫。

豬隻成長的溫度對蛋白質的累積與保持有影響（影響骨架品質），
溫度在 16 ∼ 21 ℃有最高的增肉率（ Mount,
1963 ），但是溫度在 15
℃以上時蛋白質對脂肪的比例會降低。

豬隻的增重與飼料效率對風速相當敏感，
很多時候風速維持在0.25 m/s
時就會有負面的影響。
小於 8
星期的豬隻不應放置在風速超過 0.25 m/s
的地方； 如果溫度適當，
則風速維持在小於 0.13m/s 是最好的。

即使在炎熱情形下，風速高於 1 m/s
時仍會有負面影響（ Bond 等, 1965， Gunmarson
等, 1967， Riskowski 與Bundy, 1986 ）。

另外，當溫度為適當時，
飼料的效率在低風速（0.18 m/s
）時比高風速（ 1.5 m/s ）時來得好。

（二）豬隻繁殖與環境

Merkle 與 Hazen （ 1967 ）及 Heard 等（
1986
）指出在炎熱氣候下有降溫裝置對母豬比較好，研究指出將較涼、較乾的空氣直接施於母豬上可增加蒸發作用與熱對流而舒解熱緊迫現象。
另外小豬在高溫下易發生食慾不振的情形，在母豬懷胎期間及生產後直接灑水降溫比未實施者有更高的胚胎存活率；交配前對公豬施用相同方法也有相同效果。

在 21 ℃的環境下受孕率可達近乎 100
﹪，但在受熱緊迫時（如升至 32
℃）受孕率僅能達 70 ﹪（ Roller 與Teague, 1966
）。
某些品種的豬在懷孕期間若處於高度熱緊迫情況下會以自然流產方式來自保，但若發生在懷孕末期，則由於母豬本身新陳代謝產生的額外熱量，會使母豬在自然流產發生之前產生熱衰竭而造成死亡。

（三）豬隻之熱量與水汽的產生


表 4 （ Butchbaker 與 Shanklin, 1964； Ota
等, 1982
）所示為小豬在不同溫度下單位重量之熱量產生率。
圖
13 與 14 所示為豬舍中不同體重的豬（ 30 ∼
180 kg ）在不同溫度（ 10 ∼ 35 ℃）下顯熱與潛熱的產生率（
Bond 等, 1959 ）。


表 4. 小豬在不同溫度下單位重量之熱量產生率

重量kg
溫 度℃
總熱產生率W/kg
潛熱／總熱％


4∼ 6

6∼11

11∼17 
29

24

18 
5.1

7.0

7.8 
33

31

30 




儘管畜舍內的溫度變化有週期性，只要設計的溫度值採用全週期的平均溫度，則前述的資料可同樣適用。

但若週圍風速為 0.25 m/s以上，則動物產生的顯熱及潛熱量都會比圖
13 與 14 所示之值來得高。





圖 13. 豬舍中不同體重的豬（30∼180 kg）在不同溫度（10∼35℃）下的顯熱產生率
（摘自 Bond 等，1959）



圖 14. 豬舍中不同體重的豬（30∼180 kg）在不同溫度（10∼35℃）下的潛熱產生率
（摘自 Bond 等，1959）





對聚集一起的新生小豬而言，臨界最低溫度（低於此溫度時熱量產生會增加）約為
25 ∼ 30 ℃，對單獨一隻而言則為 34 ∼ 35
℃。
隨著豬隻長大，臨界溫度會稍降， 對
2 ∼ 4 kg 者是 30 ∼ 35℃，而 4 ∼ 8 kg 者為 25
∼ 30 ℃。

地面鋪設物的材料也會影響此溫度，一群平均
40kg 重的豬，地面鋪設物為稻草時，臨界低限為12
∼ 13 ℃，柏油地面為 14 ∼ 15
℃，而水泥地面則為 19 ∼ 20℃（ Butchbaker
與 Shamklim, 1964 ）。

（四）豬舍環境調節

豬舍環境調節之目的在利用環控設備調節豬隻生活環境之溫、濕度,
使適合豬隻生產。
由於小豬怕冷，大豬怕熱，低溫環境會導致小豬易感染疾病，甚致死亡；熱緊迫則會造成大豬攝食量下降，導致生長不良,
還會造成分娩母豬之分娩時間拉長,
增加難產的機率，亦會使分娩哺乳的母豬乳中抗體不足或產乳量不足,
直接影響仔豬之存活。

小豬的保溫方式很多，可由上而下，亦可由下而上。
前者以燈泡照明保溫為最經濟、簡易且有效；燈泡之選擇以近紅外線燈泡為最佳，遠紅外線陶磁燈管為另一種選擇。
後者則多半採取地面保溫方式。
分娩或哺乳舍中可採用母豬分娩架或哺乳架，母豬躺著的部份可採用地面冷卻方式,
以達到使母豬涼爽之目的.
所謂的地面保溫與地面冷卻系統，其差別僅在使用的水溫有所不同，其它硬體上完全相同。
整個系統之主體為埋在小豬或母豬躺臥的地面下方的迂迴排列的水管，由於小豬與大豬各有其最佳之舒適溫度範圍，是以透過量測地面溫度的感測器可控制熱水器或冰水機之抽水幫浦以調節通過水管之水溫。
地面保溫亦可使用電熱式的保溫板。

減緩或降低大豬熱緊迫的方法一般可使用間歇性灑水（淋浴）方式來達到蒸發散熱之目的。
分娩或哺乳中的母豬則不可使用灑水方式，一般可以間歇性滴少量水來協助散熱，唯仍需注意勿使吮乳小豬受涼。
採間歇灑水的目的在於需使前次淋下之水份能充份蒸發，可配合風機使水分早些吹乾。

一般常用的淋浴設備有下列幾種：

以人工持水管每天噴灑豬隻 2 ∼3
次， 
將軟管打洞後一端接於畜舍上方之水龍頭，另一端彎折綁緊，於需降溫時，開啟水龍頭，水份自然會自軟管上的各個小洞流出，

配合感測器在溫度超過21
℃以上時，每隔 40
分噴水一至二分鐘。
淋浴的範圍最好在條狀地面上及靠近飲水器的地區。







（五）熱緊迫程度之量測指標

直腸溫度可作為量測熱緊迫程度之直接指標，但由於量測上不太方便，且難以自動化，是以一般採行間接的以環境中溫、濕度狀況為指標，此即溫濕度指標（THI），其計算公式如下：


THI = a * Twb + b * Tdb + c

豬隻適用的參數值如下：
其中
a = 0.63, b=1.17, c=32   
(Ingram, 1965)
a = 0.45, b=1.35, c=32   
(Roller and Goldman, 1969)
a = 0.72, b=0.72, c=40.6   
(NWSCR, 1976)
a = 1.53, b=0.27, c=34.07   
(Fehr et al., 1982)




圖sup1. 濕球溫度=20度C時, THI計算公式4組參數之比較



圖sup2. 濕球溫度=25度C時, THI計算公式4組參數之比較



圖sup3. 濕球溫度=30度C時, THI計算公式4組參數之比較



牛舍環境調節



四、牛舍環境調節



（一）環境因子對牛隻之影響

（二）牛隻生長與環境

（三）牛隻繁殖與環境

（四）牛隻之熱量與水汽的產生

（五）熱緊迫之影響

（六）熱緊迫程度之量測指標

（七）熱緊迫影響泌乳量之程度

（八）紓解熱緊迫之對策

（九）降溫設施效益評估與投資上限

（十）牛舍環控※極短篇※




       







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牛舍環境控制





一、簡介
二、效益評估
三、注意事項

四、乳牛夏季熱緊迫現象紓解與牛舍設計的探討(幻燈片)一、簡介 

亞熱帶及熱帶地區的牛舍環境控制首在降溫，其降溫對策應採多管齊下：首先要由牛舍方位與結構設計上去考量，其次要減少熱量進入並且彈性使用側遮陰，第三要善用自然風並且在風量不足時要加強通風量，最後再考慮使用蒸發冷卻方式來降溫。



(一)牛舍方位與結構設計



建築多採四面開放方式，屋頂與屋簷均高，有天窗允許熱空氣由上方逸出。

牛舍之縱深(較長之一邊)沿東西向為宜，如圖所示東西向牛舍的屋頂可較長時間遮去陽光，
進入牛舍的光線相對的較少。

(二)減少熱量進入



屋頂使用白色塗料可加強反射效果，使用適當資材也可增加隔熱效果。
較高的建築加大熱空氣與牛群的距離，有助於減少熱緊迫，但大幅增加建築成本。
若牛舍附近在高溫期能有每秒3公尺或以上的風速，則可不需採用太子樓方式的建築。


(三)彈性使用側遮陰



由於本省位於北半球，全年均應採側遮陰防止由西面及南面來的光線進入牛舍；另外由於地軸呈23.5度傾斜，夏季時亦有如圖所示的陰影，代表由北側進入牛舍的光線，屋簷越高的牛舍越需注意側遮陰。


 

下圖為太陽在各時節相對於地球的運行軌跡，含數值的小圓圈為各時刻的太陽位置，夏季由北側入射的太陽光均頗高，愈往午後其入射角愈低，所以牛舍北面的側遮陰應由中下高度開始由下往上捲。


 

四面開放與天窗提供自然通風效果，側遮陰系統除了提供遮陰效果，在設計上也應考慮是否會擋了風道，整個側邊分成兩段至三段的遮陰是好的設計。


(四)善用自然風且適時加強通風



要發揮充份的自然對流效果，太子樓的開口面積不宜過小，夏季迎風面應維持風道的暢通，若風量不足可適時且適當的使用風扇作強制通風。
風扇之安裝可採固定或如左圖所示的自走式，自走式風扇可提供一個類似自然風的效果，所以紓解熱緊迫的效果優於固定式風扇。
一台自走風機驅動主機透過連動裝置可帶動多組風扇。
風扇應直接朝著乳牛的後頸部與地上的飼料送風，通氣良好的飼料適口性較佳。


(五)蒸發冷卻法



下圖所示為高壓噴嘴造霧與自走式風機在牛舍中使用的情形。
圖中可見噴嘴朝上方噴出水霧。


 

為防止在牛舍內形成高濕，噴霧時應採間歇方式，且應同時保持風扇的開啟。



下圖所示分別為高壓噴嘴造霧系統在氣密型與開放型牛舍的配置示意圖。


二、效益評估 



降溫系統於八十四年五月開始使用，於同年十月初停止。
降溫系統安裝前與安裝後同期(五月至十月)
場平均泌乳量之比較如圖所示：






牛舍

環境控制

方煒

台大農機系 
 

 

 

 

 

 
 



在五月至九月的泌乳增加量平均為2.8公斤/牛/日，但由於泌乳量除了受環境的影響之外，也會受到泌乳天數(分娩後多久)及體成熟狀況(第幾胎)之影響，所以採用校正後全期泌乳量
(305-2x-ME)作比較應該較為適當。
如條狀圖所示產量較低者為八十三年五月至九月的校正後泌乳量，較高者為八十四年同期的校正後泌乳量。
降溫系統安裝前與安裝後的校正後泌乳量平均增加了1.9
公斤/牛/日。
 
 

下圖所示小三角形為八十四年五月至九月的校正後泌乳量，其餘各點為八十三年至八十四年兩年間其它19個月份的校正後泌乳量。
 
 

三、注意事項 

使用噴霧系統需注意風扇的配合，以防止牛群活動範圍內的空氣濕度過高。
前頁之照片中可看到噴嘴為朝上方噴出霧氣即基於此出發點。



下圖所示為間歇噴霧時錯誤與正確的控制回路示意圖，圖中照片為可提供每平方公分70公斤壓力的動力噴霧機；由於動力噴霧機為整個高壓噴霧系統中最關鍵也是最貴的組件，其使用與維護自然也就最值得注意。


 

第一部份所示者為錯誤的控制（圖中打叉的部份），卻也是目前坊間所最常見的；其間歇噴霧的控制線直接控制動力噴霧機的電源，若設定為噴霧1分鐘停2分鐘再繼續噴霧，則此控制回路將造成機器在一小時內重複開與關的動作各20
次，將嚴重損耗使用壽命。



正確的間歇噴霧控制應是控制出水的動作，不噴時自動關閉出水閥，開啟洩水閥，讓進水與洩水形成一個循環，機器開閉次數大幅減少，可延長機器之使用壽命。

另一個值得重視，但也常被忽略的重點是噴霧管路在安裝時需有一傾斜度，需掌握水由上往下流的基本原則，不要與重力作對。








風機原理及操作實務



五、風機原理及操作實務


(一)、風機基本原理



風機在農產加工的應用包括乾燥、通風、加熱、冷卻、抽吸、舉昇及運輸等。
在這些過程和其他與農業相關的活動上，風機的使用正與日俱增，風機成本的考量也變得愈來愈重要。
因此，當人們在選擇安裝風機時，應將經濟因素列入考慮，不僅考慮初始投資成本，操作成本更應納入；就風機之使用年限作一全程的考量是必要的。

1. 風機的定義 

風機即是空氣泵，是一種能產生壓差造成空氣流動的機器。
風機的葉片對空氣做功，產生的靜壓與動壓隨風機型式的不同而異，其分類一般以通過葉片的氣流方向為準，分成離心式和軸流式兩種。
軸流式風機一般又分成螺旋槳型風機（
Propeller Fan ）、 輸送管型風機（ Duct Fan
）、風車葉瓣型軸流風機（ Vane Axial Fan
）和圓盤型風機（ Disc Fan
）等四種。
螺旋槳型風機用於低靜壓下移動大量空氣，大多數的設施（溫室、禽畜舍）通風系統皆使用此種風機。
離心式風機則用於高靜壓系統，如穀倉通風與乾燥中所用之風機即屬此類型。

2. 風機的測試 

風機的唯一目的就是要移動空氣，
所以廠商標定該風機的通風量值的正確與否便非常重要。

在美國，很多製造廠商會依照「通風及空調協會」（
Air Movement and Control Association ， AMCA
）所公佈的 210
號標準測試程序來檢驗，由於標準中詳細地規範測試各類型風機的程序和測試系統之設置辦法，
是以廠商所提供該風機之性能表應是可靠的；
又由於所有風機皆是以同一套標準作測試，所以其分級頗為公平；
即使風機來自於不同製造商，類型也不盡相同，但是還能夠訂出等級，並得出風機之性能資料。

本省的廠商所公佈的資料（若有）則較缺乏此種公信力。

3. 風機定律 

除了由廠商提供的風機資料外，
幾何形狀相似的風機其彼此間的性能關係亦可透過風機定律來加以描述；
涉及的變數包括風機的大小，旋轉速率，體積風量率，靜壓，馬力和機械效率等。

當某系統需要改變風機大小時，風機定律提供吾人一有用的工具以決定所需的風機類型。

給定一新的風機轉速，某風機之新的工作點亦可透過風機定律求出。

體積流量率 (CFM) 與風機轉速 (N) 成正比，
靜壓 (SP) 與風機轉速之平方成正比，馬力
(HP) 則與風機轉速之三次方成正比。

此些定律以方程式表示如下：

CFM2 = CFM1 * (N2/N1) 

SP2 = SP1 * (N2/N1)2 

HP2 = HP1 * (N2/N1)3 

上述公式中下標 2
代表新的工作點，譬如：N2代表新的轉速，CFM2代表新的風量率。
上述公式僅適合相同尺寸的風機間之比較，若風機尺寸大小不同，則上述之風機定律應予以修正如下：

CFM2 = CFM1 * (N2/N1) * (D2/D1)3

SP2 = SP1 * (N2/N1)2 * (D2/D1)2

HP2 = HP1 * (N2/N1)3 * (D2/D1)5

上述風機定律在使用上有其限制， 一般
D2/D1 及 N2/N1 及兩者之乘積均以不超過 3
為原則。

4. 風機的效率 

自從風機被大量應用在溫室與禽畜舍的環境管理上之後，
此種通風設備便成為耗電量最大的裝置。

所以在您打算買新的風機，需找最有效率的來買（除非這些風機並不常用到），
高效率的風機雖然較貴，但在短短數年內，光從電費的節省上通常即可回收。

風機效率（ Efficiency
）又名通風效率評估值（Ventilating Efficiency
Rating, VER ）， 早期習用單位為 CFM/W，
現多採用m3/s-kW。
風機的 VER 值大約在 10 至
20 CFM/W 或 4.72 至 9.44m3/s-kW 之間，
常用者大部分在 12 至 13 CFM/W 或 5.66 至
6.14m3/s-kW 之間。
VER 值和能源效率評估值（Energy
Efficiency Rating, EER ）類似，EER
值可用來評估冷卻／冷凍設備之性能，
其意義為每小時所能帶走的熱量除以每千瓦的電力輸入，單位為
BTU/kWh。

假設有四型直徑皆為 36 英吋（ 91.44mm
）的風機， 使用馬達均為 0.5
馬力，通風量皆為 10,000 CFM （ 4.72 m3/s
）。
它們的VER 值如表 23 所示。
VER
值較高者，效率較佳，但也較貴，假設 D型風機之售價比
A， B 及 C 型每台分別便宜 1000， 1500 與 2000元；假設有一座連棟設施需要的最大通風率為
100,000 CFM。
該設施需配備有前述之風機十台，
假設該種風機在一年內平均有 35%
的時間需維持運轉以達通風降溫之效果。
假設電費計算方式為每千瓦小時（度）
1 元，請問那一種風機較值得買？以Ａ型風機為例，
計算其每一年所用的全部能量為 21900
千瓦小時， 以下簡單說明計算步驟：

(1) 需要瓦數 ＝
所需之通風量／效率 

＝ 100000/14 =
7142.857 W 

(2) 年使用時間 ＝ 全年時數 x
使用比例 

＝ 0.35x24x365 =
3066 hr 

(3) 每年使用能量＝ (1) x (2) / 1000
= 21900 kwhr


表 23. 四型風機之經濟評估
型號
風機效率cfm/watt
每年使用之能量， kwh
額 外 之投資金額
每年節省之電費
節省之電費佔投資之比
回收年限
Ａ
14.0
21900
10000 元
2600 元
26%
3.85 年
Ｂ
14.6
21000
15000 元
3400 元
22.6%
4.42 年
Ｃ
19.1
16100
20000 元
8400 元
42%
2.38 年
Ｄ
12.9
24500
0 元
0 元
0%
Ｘ


表 23
中第三行所示之值乘上每度之電費即為４種不同型式之風機每年運轉的費用。
Ｃ型和Ｄ型風機每年之電費便差了
8400
元，此為十台風機操作成本之差（因為計算時以總風量計算），為額外投資的
42 %。

在不考慮電費計算方式改變，不考慮通貨膨脹，銀行利率等因子，且假設使用壽命相同的情況下，此投資可望在三年內回收（2000
x 10 /8400 = 2.38 ）。
且若持續使用 10
年，將可節省八萬四千元的電費。

節約能源即是節省成本，不是嗎?
通常效率較高的風機有較優的結構品質，因此其壽命也比效率較低的風機要來的長；所以其所能節省的費用可能會比上面所算出來的值要來的高。

前述風機在一年內平均有 35%
的時間需維持運轉係以溫室為例，
若是禽畜舍則風機在一年內需運轉更長的時間，假設為
60 %，則表 23 中所示的運轉費用都應乘以 1.7
倍（ 60 / 35 ）。
再者，若電費為每度 n
元，則表 23 中所示的費用都應乘以 n，
且若該設施所需之最大通風率為 m x 100,000
CFM，則表 23 中所示的費用都應再乘以 m。

5. 靜壓

由於氣流需通過進氣通風口、水牆、排氣通風口、風機的安全防護柵等，是以有阻抗的產生。
為了克服阻抗，風機在室內與室外之間產生壓差，即為靜壓。
由於設施內的靜壓通常很小，所以其大小在早期的歐美一般以多少英吋的水柱高為單位。
一英吋的水柱壓力可支撐水管中一英吋高的水，這個壓力值相當於
248.8 Pa，比 0.04 psi 還小。

通常，設施中排氣風扇在運轉時所抵抗的靜壓尚小於一英吋，若風機與一塑
膠軟管連接，則其靜壓值為 0.2 至 0.5
吋水柱壓。
瞭解在此靜壓值下，風機所能傳送的風量是很重要的，當靜壓值愈高，阻抗愈大，風機所能傳送的空氣量也就愈少。

一般阻抗為 0.1 吋水柱靜壓的風機所能傳送的風量，大約是在沒有阻抗環境下的
80 ％。
因此，假如一風扇在沒有阻抗時之通風量為
10000 CFM
（通常廠商提供該風機的資料即為此值），那麼有
0.1 吋水柱靜壓的風機，其通風量便只有 8000
CFM。
（假設皮帶有適度的張緊度且風機在正常的轉速下運轉）

6. 風機產生的噪音

風機的噪音音量與風機的設計、風量率、靜壓及效率等相關。
在風機系統的設計上，首先要決定使用何種類型的風機，其次便是要找出最有效率的風機。
效率最高的風機通常也是最安靜的風機，低的出口風速並不保證一定能安靜的運轉。

對不同類型的風機，以旋轉速率作為比較噪音大小的標準是不正確的。
不同類型風機作噪音比較的唯一有效標準是實際測量產生的噪音值（音貝）。
必需在相同的給定靜壓、相同的風量率條件下，量測實際產生的噪音值，才能得出公平的比較。
由製造廠商提供之風機基本資料中亦應包括風機所會產生之噪音音貝值。

(二)、風機的選擇、檢查和維護



1. 風機的選擇 

在選擇一台風機時，應考慮下列之所有因子，此些因子決定應該選擇何種類型的風機和其尺寸大小。

單位時間所需移動的空氣量 
靜壓 ─
估計的系統阻抗和可能的變化量 
允許用來安裝風機的可用空間大小 
許可的噪音值 
效率─在一給定的靜壓下，選擇能傳送所需的空氣流量而消耗馬力為最小之風機

經濟上的考量



當所需傳送的空氣量為已知，風機的選擇應基於靜壓之大小，雖然所需的空氣量能明確的計算出來，但所需的靜壓卻只能估計個大概。
就大部份設施而言，
系統阻抗（靜壓值）大約在 0.1 至 0.15
吋水柱壓力。
當風機與水牆配合使用時，要記得由水牆製造商處得到空氣通過水牆之靜壓降資料。
此為系統增加之靜壓值。
某些新型水牆比傳統的白楊木質水牆有較高的靜壓降。

在某給定之風量條件下，若系統的實際壓力需求為已知，則系統之特性曲線可透過計算求得。
就大部份的系統而言，通風系統之特性曲線形狀如圖
34
所示，它的起點在風量與靜壓皆為零之處，因靜壓隨風量的平方而變化，所以曲線形狀為一拋物線。

將風機置於開放空間（系統無阻抗），則靜壓值為
0；將風機置於密閉空間，則系統內無空氣流動，靜壓值趨近無限大。
風量的變化可透過轉速之調整而得。
將風機置於一廣泛的風量與靜壓測試範圍下可得出風機的性能曲線，如圖
35 所示。




圖 35. 風機性能曲線




大多數廠商並不提供其所售風機的
VER 值， 這其實是很不負責的事，
你能想像賣冰箱與冷氣的不告訴你 EER
值或冷涷噸數嗎？您應該和廠商聯繫，
詢問風機之 VER 值或相關資料，此舉除了能幫助您找到最有效率的風機之外，亦能夠督促製造業採行一致的能量標準，使大眾能輕易的得知所欲購買的風機的一些基本資料。

儘管 VER
值不易得到，仍有一些方法可幫助您找到高效率的風扇，簡列如下：

一般而言，大型風機之效率比小型者高。
在每單位輸入功率中，風機葉片大者所能移動的空氣量也愈多。


在一固定的空間中，使用數個大型風機的整體效率會比使用許多個小型風機的整體效率要高。


直徑相同的風機，馬達較小的風者通常效率較高。


具可變速馬達的風機通常效率最好，但也最貴，且一般皆大於0.5馬力，市面上很少看到低於
0.5
馬力具可變速馬達的風機。
在所有可變速的馬達中，兩段電容式的效率為最好。






圖 36. 通風系統工作點 




如圖 36
所示，將風機性能曲線和通風系統特性曲線畫在同一張圖上，這兩條曲線的交點即是風機在此系統下能夠運轉的唯一工作點。
由於系統的靜壓值只是個概略的估計值，所以應選擇一個能夠在極限值內輕易改變風機風速的驅動裝置。





圖 37.
三種不同類型風機之性能曲線示意圖，其中：1.
離心式，2.風車葉瓣式，3. 螺旋槳式




如圖 37
所示為三種不同典型的風機的性能曲線，其中編號?ぇ者為離心式風機，編號?え者為風車葉瓣型風機，編號?ぉ者為螺旋槳型風機。

這些曲線顯示當工作點移至最高點 (A 點 )
之右側時靜壓增加的結果其風量率反而減少。
風機特性曲線中的最高壓力點代表著在該點運作的風機為最有效率，也最為安靜。
風機絕對不要在最高壓力點之左側狀態點運轉，否則通過葉片的氣流將會不穩定，結果造成靜壓的變動並產生噪音。

大部份的風機製造廠商並不會在其產品型錄或廣告上提供風機之性能曲線，但是他們應該會提供風機在最高壓力點右側之靜壓與風量資料。

如表 24 所示為三種可以在每分鐘傳送 10000
立方英呎空氣量的風機之性能表。

      
 表 24. 三種風機之性能表
-
葉片直徑
Free Air
1/8吋靜壓
1/4吋靜壓
3/8吋靜壓
風機轉速RPM
馬達馬力
風機 1
30吋
10200
9200
7400
4300
640
3/4
風機 2
36吋
11700
10220
8690
7560
650
1
風機 3
54吋
29100
22300
14100
10400
385
2


在沒有靜壓之下 ( 無系統阻抗 )，風扇 1
之風量率為 10200 cfm，但在 1/8
英吋水柱之靜壓下， 風量率減為 9200cfm，當靜壓值增至3/8
吋水柱，風量率更降到 4300cfm。

風機 2 在 1/8 吋水柱靜壓下之風量率為
10220cfm， 3/8 吋水柱靜壓下則降至 7560 cfm。

風機 3 在靜壓由 0 至 3/8 吋水柱範圍內，
其風量率皆遠超過10000 cfm。
只有在 3/8
吋靜壓下為 10400 cfm。
如果你的系統靜壓為1/8
吋水柱， 風量率的要求為 10000 cfm，則風機
2 是適當的選擇，風機 1
所能輸送之空氣量明顯的不夠，風機 3
則又過量。

表 25 為兩種風機之性能表，
此兩種風機在靜壓為 1/8
英吋水柱時之風量率皆為接近 10000 cfm。

就設施通風而言，風機 2
在各方面皆強過風機 1。
由於風機 2
之工作點 (10000 cfm) 較近於其最高壓力點，
而風機 1
之工作點位於其最高壓力點之右側頗遠之處，所以風機
2 較有效率，運轉也較安靜， 又風機 1
比風機 2
較為昂貴，因為其尚能在高靜壓下使用，此多餘之功能勢必反映在成本上，又由於本系統不會有高靜壓之現象，所以選風機
2 為適宜。

      
表 25. 兩種風機之性能表
-
Free Air
1/8吋靜壓
1/4吋靜壓
3/8吋靜壓
3/4吋靜壓
1吋靜壓
2吋靜壓
3吋靜壓
風機轉速RPM
馬達馬力
風機 1
-
10380
10230
10080
9570
9210
7620
5520
1048
3
風機 2
11700
10220
8690
7560
-
-
-
-
650
1


當選擇任一廠牌的風機，要特別查明該製造廠商是否根據
AMCA 的標準來測試。
否則，其所提供之該風機之性能資料便較不具公信力。
一般的優良製造廠商都是使用
AMCA 標準來測試並評估其出產的風機。

2. 風機馬達的選擇 

一般而言，當我們根據前面所述之內容選擇一台合適的風機時，風機所需的馬達大小通常可由廠商所提供之資料中查得。
就大部分的設施應用而言，由於室內的濕度通常頗高，且有時空氣中灰塵濃度也頗高，所以使用密封的馬達和密封的軸承是絕對必要的。
一個密封的馬達可保護線圈不受高濕及灰塵堆積之影響，而縮短使用壽命。

太小的馬達將無法推動葉片到期望的轉速，或者將導致過熱而燒壞。
太大的馬達則造成太高的初始投資成本及操作成本，也是划不來。
所以選擇適當的馬達配合風機的使用是非常重要的。

3. 風機的檢查和維護 

風機的定期檢查是必要的，檢查項目如下:

軸承是否過熱(加潤滑油或視需要而更換)

傳動皮帶是否有適當的張力以防止滑動

風機的轉輪是否處於適當的旋轉狀態 
風機葉片、外殼和百葉窗上是否有灰塵堆積

設施外是否有會影響風機運轉性能的雜草或灌木滋生



由於灰塵的累積會導致風機運轉不均衡而造成的震動，為了保持葉片的均衡運轉、防止過度震動及有效的移動空氣，風機葉片，外殼及百葉窗上之灰塵均應予以清除；當葉片不均衡時，風機所能移動的空氣量將減少
30-40%。

從節約能源的角度看，維持一台風機正確的運轉與挑選一台有效率的風機是同等重要的。
不當的操作情況可能降低風機的效率達
50
％或更多。
對某些型式的風機而言，風扇皮帶的調節是所有維護工作中最重要的。
皮帶傳動式風扇必須經常調整，才能保證在暑熱的天候中隨時提供最大的通風量；所以其設計上應該設計成很容易被調整。
當換裝新風扇或新皮帶時，在運轉兩週後，應重新調整皮帶，因為新皮帶在最初使用時會有一初始的伸長，應將其調回適當的張緊度。

風機沒有運轉時，百葉窗便應緊閉。
如此可避免加熱系統（若有）所補充之熱量的散失。
當風機在運轉時，百葉窗必須完全打開，否則它們將會阻礙來自設施的氣流。
一台有此阻流現象的風機需要運轉較長的時間且承受較大的負荷，才能達到所期望的通風冷卻效果，這相對也要花費更多的電力。
百葉窗有時會在全開或全關的位置卡住，常常只是需要做點清潔工作或在樞紐處塗上油或去鏽劑即可解決。
在風機的抽風流程，任何的阻塞物都會阻礙空氣流；所以室外型百葉窗的風機（百葉窗在風機葉片之外，氣流先通過葉片再經過百葉窗）其效率較室內型百葉窗的風機要低。
您可能必須花一些時間去買室內型百葉窗的風機（圖
38 ），因為大部分風機的百葉窗是安裝在空氣出口那端。





圖 38.
百葉窗安裝於室內側之風機





配與風機一起使用的百葉窗一般有兩種型式：一為馬達啟動，另一為空氣啟動。
空氣啟動型的百葉窗會使氣流降低
20 ∼ 30
％，且其效率也較差，這是因為有部份風力用在百葉窗的開啟上。
馬達啟動型的百葉窗則無此問題，因為百葉窗是自動地開啟和關閉。
除此之外，馬達啟動型百葉窗不會因百葉窗的骯髒或接合處變得有些黏滯而卡住。

在工作人員可觸及的範圍內，風機周圍應有安全防護柵（鐵絲網）裝置，以防意外的發生。
負責的製造商所提供的安全裝置通常是最好的，因為它不會降低太多的風機效率。
又，安全防護柵（網）的安裝應設計成容易取下以利維修工作的進行。







水牆操作實務




六、水牆操作實務

影響水牆降溫效率之因子

水牆的效率主要取決於其系統之設計；水牆效率亦是系統降溫能力的決定性因子，但是水牆效率並不等於水牆系統的降溫能力。
除水牆之外尚有一些其它因子會影響系統的降溫能力，以下為其中最主要的兩項：

1. 設施的氣密程度 

使用水牆系統需儘可能使設施維持氣密狀態，即在沒有使用時所有開口包括門、窗等皆必須保持關閉。
設施是否氣密對此冷卻系統之成效有極大的影響，必須要維持良好的氣密性才能迫使所有進入設施的空氣都要通過水牆。
如果有一扇門沒關，一個通風口沒關或沒蓋好，或者有大的裂縫未處理，空氣便會由此些阻抗小的地方進來。
如此，便只有少量的空氣通過水牆，那麼此水牆系統對整個設施的降溫效果便不可能好。

2. 水牆的操作狀況 

在操作上尚要留意是否有因循環水中的髒物、夾雜物、藻類、腐蝕或因鼠患等所引起的阻塞。
水牆的全部或部份面積受阻塞，則能通過的空氣量將會減少；如果水牆有些部位因腐蝕而變薄或是有缺口，則空氣將選擇此些阻力最小的路徑進入設施，換言之，空氣與水的接觸會大幅度減少，降溫效果便會大減。

水牆材質之選擇 

長久以來，水牆皆是以白楊木為材料。
直到近幾年，才有新材質的出現。
在高溫多濕的天候下，如本省或美國佛羅里達州，以白楊木為材質的水牆壽命通常不會太長。
水牆對藻類的破壞是非常敏感的，又藻類會導致水牆的腐蝕且造成阻塞。
近年來開始有其它的水牆材料的出現，其比白楊木為材料的水牆更能抵抗藻類的成長和實質上的破壞。

較普及者為採特殊纖維質紙板做成的水牆，在紙板內同時加入保濕添加劑及不會溶解的藥用鹽以抗腐蝕。
其它還有以混合纖維質和以豬毛經橡膠化處理為材料所作成的水牆。
此些較新材質水牆在高溫多濕地區的使用效果，看來還算不錯。
但尚需更多的試驗才能明確地說何者為較佳。

水牆設計之參考指南

當有計劃要更換或安裝新水牆時，由系統可行性上之考量，建議如下：

有系統的比較所有可選擇的水牆種類，包括材質、價錢與水牆厚度等，

參考廠商宣稱的水牆冷卻效率，配合當地最高溫計算通過水牆之空氣溫度，並與設施內禽畜之最適生長溫度比較，

計算所需之水牆面積並與廠商之設計比較，儘量發掘可能的問題，再向廠商尋求解答，

參考廠商宣稱的使用壽命，售價與估計之操作成本計算投資報酬率。



上述第 2步驟為降溫系統在功能上是否合乎需求的考量，第
4步驟則為該系統經濟上是否可行的考量，第2與第3步驟涉及一些簡單的計算。

所需要的水牆面積主要與水牆使用的材料種類有關。
製造廠商通常可提供允許的風量率值，使用白楊木質水牆者的參考值為每平方英吋的水牆面可通過
150 CFM （廠商仍習用英制）， 所需要的水牆面積為系統需要之總風量率除以此值。
纖維質紙板水牆容許的風量率可更大且不會有漂流（
drifting
）產生。
所謂「漂流」是指由於風速太大，水份來不及蒸發便以自由水（
free water ）的型態由水牆之展露面直接被吹入設施的現象。

水牆厚度增加可提高效率，10 公分（ 4
吋）的纖維紙板水牆之效率最高可達 87%，四倍厚度的水牆則可提高效率至
97%。
水牆厚度增加則空氣流經之阻力也加大（靜壓降增加），流速變小，總風量減少。
若增加風量則流經水牆之風速增加，降低空氣與水牆的接觸時間，
水牆效率一樣會降低（若風速為 2 m/s （ 6.6
ft/s ），水牆厚度為 10
公分，則空氣與水牆的接觸時間僅為 0.05
秒）。
一般建議之理想空氣流速以不超過
1.5 m/s （ 5 ft/s ）為原則， 水牆厚度則多在
10 ∼ 20 公分（ 4 ∼ 8 吋）之間。

水的需要量隨所使用的系統種類而定，一般而言，欲保持整個水牆表面完全潮濕，
每英呎的水牆（上側）大約需要 1/3
加侖的水在循環著。
應在從泵出發的管線中安裝一個流量控制閥，以調節進入分流水管的水量。
從水牆供水管流下來的水由下方排水管收集流回儲水槽，再由此用泵將水打入送水管重新循環。
在泵的入口通常有濾網，需注意定時清理。

設施長度超過 22.5 公尺 (75 呎 )，通常將儲水槽放在設施的中間地帶以避免管路過長，水壓加大造成的其它問題。
下表所示為國外廠商型錄上提供的設計參考資料（英制）。

每英呎水牆長度需 1.5加侖

水牆名稱
Excelsior Pad
Crossfluted Cellulose Pad
水牆材質
白楊木質纖維
纖維紙板
水牆厚度
4 吋 (10 cm)
4 吋 (10 cm)
風量率需求
150 FPM/平方英呎水牆面積
250 FPM/平方英呎水牆面積
泵之需求
0.6加侖/分鐘/英呎水牆長
1/3加侖/分鐘/英呎水牆長
儲水槽容量
每英呎水牆長度需 1.5 加侖
補充水需求
0.01加侖/分鐘/英呎水牆長
0.01加侖/分鐘/英呎水牆長


水牆與風機之安裝



以下以條列方式說明風機與水牆安裝位置的選擇，設計原則與使用注意事項：


將水牆安裝在夏季常吹風的那一面（迎風面），
風機則安裝在對側（圖39）。

萬一距離水牆 7.5 公尺（25
英呎）內尚有其它建物，則風向的影響將大幅的減少，甚至可忽略不計。




圖 39.
水牆安裝與配置原則說明圖Ⅰ 






如果需要將風機面對迎風面，則設計的風量率（CFM）需要增加
10到 15 %， 且需同時增加所需的馬達馬力並且加上百葉窗或止回流氣閘。


排氣風機不可和另一棟設施的水牆相對（圖
40），
除非兩棟設施之間的距離至少有15
公尺（50 英呎）或以上時才可。




圖 40.
水牆安裝與配置原則說明圖Ⅱ 







當相臨兩棟設施的風機必須相向排氣時，
兩棟的風機應交錯安裝以避免所排出的空氣直接地相互碰撞（圖40）。


如果風機在氣流的流出開口和最接近的阻礙物之間沒有至少1.5
倍風機直徑的間隙，則應將風機架設於屋頂上，朝空中排氣。


風機和水牆之間的最大實際距離不應該超過
60 公尺（200英呎），以45 公尺（ 150
英呎）或者更短的距離為較有效。

在很長的設施內，
可將水牆裝置在設施的兩末端，風機則裝在設施的另兩邊牆的中央，或架設於設施中央部份的屋頂，於是冷空氣由兩末端流入而從設施的中央（兩邊牆或屋頂）排出；亦可能反過來將風機置於設施的兩末端，水牆裝於兩邊牆中央。
所有的風機都應裝有自動百葉窗可自動開啟，且在風機不用時可自動關閉以防止逆流（圖41）。




圖 41.
風機外側加裝可防逆流之自動百葉窗（註：改裝於內側較佳）








排氣風機應等間隔安置，
間距以不超過 6 至 9 公尺（20∼ 30
英呎）為宜。
又，水牆的安裝必須是一個連續區域，且必須有正確的大小和厚度。
水牆若被門、窗給間隔，變成不連續，則將在設施內造成一寬度為該不連續面寬度6
至 8倍的狹長熱帶。

水牆在不用時應由設施外部加以覆蓋，
儘量避免太陽的直射（圖 42）。




圖 42.
水牆外側安裝遮蔭裝置



圖 43.
水牆安裝於設施邊牆之外的安裝原則








水牆可建築在設施內部、邊牆上或設施外。

水牆安裝於邊牆外部的安裝原則如圖43
所示。
不論安裝於何處均需確保所有進入設施之空氣皆經過水牆，換言之，氣密性要好。


在停止水牆系統之操作時應注意先關泵，
等數分鐘之後，水牆表面全乾後再關風機。




氣流通過設施，其在入出口處之溫度會有差異，此即所謂之溫度梯度。
在設施內，有很多變數會影響此梯度值。
在夏天有陽光的日子裡，
溫室內空氣每移動 5.2
公尺溫度會很快的升高 1 ℃ (10 英呎／ 1 ℉)。

空氣移動得愈慢，則空氣上升的愈快，且溫度梯度也愈大。
禽畜舍內的昇溫應小於前述溫室內之值。

氣流由開口進入設施內後會逐步擴散，其擴散高度與水平約成
7度角，即，在前進 8 公尺的水平距離內其範圍會擴寬至１公尺的高度。
如此則通過水牆之上半層冷空氣傾向於爬昇到設施的頂端，此部份的冷空氣對地面上家禽家畜的降溫只有極小的作用。
在氣流為橫向流動的連棟設施中
(圖 44a)
各棟之屋頂本身即有導流的功能，向上的氣流可再往下通過禽畜活動區。
在氣流為縱向流動的連棟設施中(圖
44b）， 則有必要從屋頂往下延伸每隔 9
公尺安裝一個軟質透明阻風板。




圖 44.
連棟設施中風機與水牆安裝方位對阻風板之需求示意圖（a.橫向，b.
縱向）





水牆降溫系統的控制



雖然許多水牆降溫系統只用恆溫器作控制，一般建議再配合恆濕器之使用。
恆溫器和恆濕器雖只提供兩段的on/off
控制，多半皆已足夠，何況其尚有價廉的優點。
恆溫器中溫度感測部所傳入的訊號為控制風機和泵的依據。
恆溫器可因應室內氣候的改變開啟或關閉風機以維持較穩定的室內溫度。
只使用恆溫器時，泵需配合風機動作。
同時使用恆溫與恆濕器時，恆溫器動作同前，恆濕器則可另外用來控制水牆供水部中泵的動作，當設施內濕度過高時將泵關閉。

同時要根據溫度與濕度之狀況來控制泵，則此二者應予以串聯，溫度高且濕度沒有過高時才造成通路、啟動泵。
這樣可幫助維持一穩定的溫度及避免過度的潮濕，也可幫助節約能源及用水。

恆濕器亦可與排氣風機連線，就算設施內溫度不高，風機與水牆皆未啟動，但濕度過高時啟動風機。
恆溫器和恆濕器應於每季開始時校正且各季中再作多次校正來確保其正確運作。

為了使水牆在不用時能維持全乾狀態，在操作程序上應先關泵，隔幾分後再將風機關掉。
溫、濕度之調節除自動控制外應另各加裝一個手動開關，方便彈性使用，同時在每個風機與泵附近都應加裝一緊急斷電裝置以備不時之需。

溫濕度感測器的安裝位置

所有的溫濕度感測器或溫度計均應避免太陽光的直接照射（可加蓋或置於保護盒內），如此才可提供較正確的感測值或讀數。
若裝於保護盒內，則應維持一定的通風使感測器能正確感測環境之狀況。
另外應將它們安裝在適當的地方，以設施中央與禽畜等高之處為最佳選擇地點，但有時為了防止動物的破壞，一般安置在稍高地點。
切勿將感測器安裝在加熱管線旁或空氣入口，尤其是水牆邊。





溫室環境控制
六、環控農業的相關應用實例
6.3 溫室環境控制

常見的蒸發冷卻方法包括水牆法(Fan and Pad)、細霧法 (Fan and Mist)、夾牆噴水法(Double
Wall misting)及微霧法 (Fan and Fog)等四種﹐前三者之降溫極限與外界空氣之濕球溫度相同，後者之降溫極限則為原室內空氣之濕球溫度。
四種設計的差異在於空氣與水份的接觸方式不同，目的則都是要使最大量的空氣與提供之水份接觸，使蒸發冷卻系統發揮最大功效。

精密溫室多半氣密性高，監控項目也多，養液方面暫且不去討論，一般的監控項目包括:空氣之溫度、濕度、光度、光質與二氧化碳濃度等。
較簡易的溫室則多半只有溫度的控制，在本省所謂之溫室環境控制多以降溫為主要訴求，以下以各種降溫方法為例做介紹。

6.3.1 通風法

密閉型溫室，自然通風與機械強制通風。

有關風機之更詳細的探討請參見風機原理及操作實務

6.3.2 蒸發冷卻法

風機濕簾(水牆)法(Fan and Pad)，風機水霧法(Fan and Mist)，風機微霧法
(Fan and Fog)。
前二種方法之降溫極限為外界空氣之濕球溫度，末者則為室內的濕球溫度。

風機濕簾、風機水霧及風機微霧三種蒸發冷卻式降溫方法之相關基本原理:參見濕氣圖(Psychrometric Chart)。

風機濕簾(水牆)法：效率約75 - 85 %，風量過大、風速過高，空氣與溼簾之接觸時間縮短，效率反而下降。
水牆之安置方法，以直立式最為常見。

本省之氣候高溫高濕適合用加濕（蒸發）冷卻方式進行降溫？高溫與高濕不同時發生。

風機水霧法 （Fan and Mist）依水霧之顆粒大小分為水霧(mist)：1.0
mm，細霧(micromist)：0.1 mm，後者約 50% 有效蒸發。
風機微霧法：顆粒為0.01
- 0.05mm近乎100% 有效蒸發。

風機濕簾法與風機水霧法之水牆與水霧產生設備通常只安裝在溫室之一側，會有溫度梯度的眸H。

風機微霧法：通常有多重『水線』：預冷水線，再冷水線，所以降溫效果較佳且均勻。

6.3.3 水牆之設計、安裝與使用要點 


1.
水牆應裝於夏季最熱期間之迎風面，風機則裝於另一面，若不得不反過來安裝，則風機在風量之設計上應提高10 - 15%
2.
隨時留意水牆上濕潤部份是否均勻
3.
由風機出來的風不可迎向另一面水牆，除非二者相距有15公尺以上
4.
若風機必需相向安裝，務必要錯開
5.
風機與水牆之距離不應超過60公尺，維持在45公尺以下為佳
6.
風機間距離以不超過 6 - 9公尺為宜
7.
若水牆需安裝於窗戶開口之外圍，需保持開口至少為水牆高度之半且水牆距窗戶之距離也需至少為窗戶距地面距離之半
8.
若風機與水牆安裝於溫室之縱向，沿此方向應加設擋板使進來之冷風保持在作物層流動


更詳細之探討請參見水牆設計實務

6.3.4 其它降溫設備與方法


遮光法：內遮蔭、外遮蔭、外鋪蓋
遮光法：塗料、添劑
屋頂灑水法
內部空氣循環用之風扇
風機噴流法（Fan-Jet）
冷熱水根溫調節系統
桌面型熱/冷水管加熱/降溫系統
無沙水泥地底部加熱/降溫系統
冷凍循環法：壓縮式、吸收式
乾燥除濕法：液體除濕、固體除濕
吹入式蒸發冷卻單元機(側吹式、下吹式)

補充閱讀


跨國性海水溫室計畫





水耕栽培, 水產養殖, 複合養殖

六、環控農業的相關應用實例

6.4 水耕栽培,水產養殖,複合養殖

水耕 (Hydroponics):

將作物生長所需的微量與巨量元素混入水中，供給根系吸收的一種作物栽培方式稱為水耕。
簡而言之，水耕就是離開土壤的作物栽培方式。



以下提供網路上相關之網址:

Hydroponic Aquaponic Aquaculture
美國水耕協會 Hydroponic Society of America
The Green Machine Science Education Centre
Science and Plants for Schools
How to Hydroponics

水產養殖 (Aquaculture):




水中生物(含魚類、水草與其它軟體等)的人工養殖。
以下探討以魚類養殖為主：


常見的人工養殖方式包括池塘式(Pond Culture)、網式或箱網式(Net Culture)、跑道式(Raceway
Culture)與循環水式 (Recirculating Aquaculture)。
以循環水養殖方式最需特別注意水質的監控。

以下提供網路上相關之網址:

本網站循環水養殖工程網頁
立體化養蝦 (pdf)
台灣省水產試驗所
水產養殖相關設備廠商之網址
魚病相關之網址

水耕加水產(複合)養殖(Aquaponics):

結合水耕與水產養殖的一種複合人工養殖方式，水產養殖物提供植物所需之養份與O2，植物提供水產養殖物光合作用所需之CO2，植物之根系更可對養殖水提供過濾、淨化之功能。

使用植物淨化水質，並進而清除污染的專業領域 (Phytoremediation)，在環保意識抬頭的今日正成熟穩定的成長。

1991年迄今，美國國家太空總署(NASA)結合各大學所發展的「生態控制下維生系統」
(Controlled Ecological Life Support System，CELSS)與1996年開始的「控制的可生質再生的維生系統」
(Controlled Bioregenerative Life Support System，CBLSS)為太空農業發展的先驅計畫，也是植基於此方面之研究成果。

以下提供網路上相關之網址:

複合養殖 (pdf)
美國羅格斯大學生物資源工程系Dept. of Boresource Engineering



動、植物園、水族館的環控
六、環控農業的相關應用實例

6.5 動、植物園、水族館的環控




中華民國國立自然科學博物館熱帶植物溫室
美國賓州長木公園(LongWood Garden)溫室
美國威斯康辛州慕瓦基植物園溫室
維也納皇家植物園溫室
日本京都植物園溫室
日本夢之島熱帶植物館







特殊環控室
六、環控農業的相關應用實例
6.6 特殊環控室

包括: 冷藏展示櫃／恆溫恆濕櫃，變溫水浴槽，人工孵蛋室，植物生長箱，組織培養室／馴化裝置等。

6.6.1 人工孵蛋室

種雞所生之蛋透過集蛋輸送帶可送往集蛋台，收集後送往冷藏室，等一定蛋量後，再送至孵化室孵化。
目前可使用自動化真空吸蛋器將種蛋吸至孵化盤，再將整車的孵化盤送入孵化室。
孵化室內部的溫度與濕度及孵化盤之搖動可依據蛋的種類(雞、鴨或其它)來設定，整套作業已可完全自動控制。







真空吸蛋器可自動將蛋吸放於孵化盤
孵化盤安置於孵化架再送入孵化室存放





孵化室之外觀
孵化期滿以自動吸蛋器將蛋放回塑膠盤






孵化室內溫度濕度與風速調節設備



孵出之小雞或鴨經分級後，由輸送帶輸往定量裝箱機，將定量小雞分裝在籃內

6.6.2 植物生長箱

影響植物生長的因素：溫度、濕度、風速、光量與光質、二氧化碳濃度、根系介質內養份等。

何時需要植物生長箱？多半用於實驗研究，欲培養需特殊生長環境之植物，在實驗中需要對照組，大自然不能提供完全符合實驗所需之條件，或是重覆某一次實驗所需之生長條件時。





6.6.3 組織培養室 

微體繁殖移植苗(Micropropagated Transplants)

目的： 在較短時間內以較低之費用獲得大量遺傳理想、品質均勻且易於生長之植苗。

限制：1. 人工耗用太高，

2. 在增殖(multiplication)時，成長速率太低，

3. 若未經馴化（順化）則生存能力低，體質脆弱。



6.6.4 組織培養苗瓶 

不透氣(透氣率低)之苗瓶內環境特性:

高相對濕度、常溫、光合作用光子通量（PPFD)低、日變化幅度大之二氧化碳濃度、培養基內含有高成份之糖、鹽及生長調節物質、毒性物質之累積。
前述特性很容易導致蒸散作用與光合作用緩慢，水份與養份吸收力低落、黑暗時期之高呼吸率，病蟲害感染，等，這些都會造成成長不良之現象。

環境因子:


溫度
在二氧化碳充足之條件下，植苗高度隨日夜溫差之加大而增加，與光強度無顯著關係
濕度
芽長與相對濕度之高低成正比，乾物重與相對濕度無顯著關係
二氧化碳
供應足量二氧化碳所產生之乾物重較傳統方式提高數倍
光照
光量（PPFD），光質，光期，給光方向(正向與側光)與方式(固定或自走)，均勻度





6.6.5 馴化（順化）裝置 
傳統的組織培養苗經常處於恆定的溫度、濕度與光度的範圍內，一旦移植後常常無法適應外界變化較大的日夜溫差與濕度或光度的變化，導致存活率低。

馴化（順化）裝置便應運而生，其可提控溫濕與光度的控制，使各環境因子的日變化幅度在幾天或幾週的時間內，由小而變至與外界狀況相似，此漸進似的
馴化過程可大幅提高存活率。

6.6.6 嫁接苗癒合養生裝置 
嫁接後的苗需一段時間才能癒合，提供高濕弱光有助其恢復過程。






人工氣候室
六、環控農業的相關應用實例
6.7 人工氣候室 (Biotron)
6.7.1 定義 

在生物學領域中做為提供控制環境的設施或設備
6.7.2 BIOTRONICS 


利用 BIOTRON 進行研究以瞭解生物對環境因子的反應的學問領域

BIOTRONICS = BIOiology + MechaTRONICS

運用機電整合(Mechatronics)之自動控制技術來調節或創造生物生長、生育、分化、繁殖、儲藏或運輸等所需之最適生物環境(Bio-Environment)之研究領域稱為生物環境機電控制學
，屬生物機電整合(Biomechatronics)之應用。
此處所謂之生物不僅包括傳統的農林漁牧產品，尚包括昆蟲與微生物。
基於此 Biotron 依其應用可分為以下數種:
PhytoTron (植物)，ZooTron (動物)，InsecTron (昆蟲/微生物)，AquaTron (水產)


台大人工氣候室








植物工廠


六、環控農業的相關應用實例
6.8 植物工廠

農業總是給人魯鈍的形象，這雖是偏見，但多少也有理由，因傳統
的「耕作」使人有不用大腦只靠體力的印象，想像中的農夫似乎是腳穿
膠鞋或赤足，整天渾身泥濘的在田裡勞動著，除了靠天吃飯之外，只靠
直覺和經驗來謀生，而且收入和辛苦的程度多半不成比例。
一般人對農
業多半都有前述的印象，但也正因為此，在科技上可以且需要做的事一
定很多。
農業的『企業化經營』與農業的『工業化生產』為現代化農業
應走的方向。



不受任何約束，為求最大利益而活動的自由市場經濟原理在市場上
會汰弱留強，是產業有市場競爭力的原動力。
一旦加入了 GATT/WTO 組織，
開放進口，降低保護的同時，自由市場經濟的機制必將汰弱留強，只有
較強勢的農戶才得以生存。
農業採企業化的經營方式乃勢在必行。



欲求農業能達工業化生產，則作物的栽培過程需要加以制式化，一
切照手冊來，建立『人人都會操作』的農業。
為此，有必要脫離太陽和
土壤，使栽培方法定量化、數值化，將農業從『直觀與經驗』的世界轉
變到『科學』的世界。

6.8.1 本省農業的問題

自從人類有農耕以來， 農業是長久以來供給人們糧食的重要產業，
也是產業革命以前的人類的主產業。
農業人口在全人口中所佔的比率相
當大。
但產業革命後工業發達，自然吸收農業人口。
隨著世界人口增加
與所得的增多， 為了以少數的農業人口來供應大量的糧食，農業生產技
術的提升成為必須的課題。
在先進工業國，由農業基盤的整備，農業機
械的發明， 化學肥料與農藥的開發以及品種改良等技術的革新，生產力
大為提高，農業技術也隨著工業的進步的腳步急速的發達起來。

一般說來，先進國家農業生產力的成長率要比工業生產力的成長率
為高，但日本除外（如圖 1 所示）。
何以如此呢? 同是先進國家，為
何只有日本不行? 我們也正大步邁向已開發國家之林，然而我們的農業
也陷入與日本相同的窘境；再加上農業零成長的政策導向，農業的處於
劣位成了絕對的事實。



圖1. 各國農業與工業生產力成長率之比較

本省與日本之所以特殊的原因是農地狹小，每一農戶的平均耕地面
積前者少於 1公頃，後者則約為 1公頃強。
農業對土地的依存性甚高於
工業，所以土地狹小的國家，其農業會比較劣位是當然的事。
一樣是高
投資的機械卻不能作長時間大規模的利用，生產力比美國、歐洲諸國較
低，是可理解的。
日本的農業生產力只有美國的十分之一或歐洲共同組
織的四分之一至二分之一，本省則更低於此比率。
多年來以農業扶持工
業的政策導向再加上工業的確實爭氣，農工之間的差距就日益加大了。

針對這些問題，農政單位採取了一貫的保護政策，如由政府保證農
產品價格，限制農產品的輸入等。
確實，農業的生產力較低，或農產物
供給過剩時，有必要採用保護的政策，這是不論已開發或開發中國家都
有可能的共通現象。
但是，農業需要永遠在保護傘下才能圖存嗎? 如不
求在適當時機移向自由經濟的話，保守因循的結果，農業的體質將永遠
虛弱。

針對體質虛弱的農業，其前途該如何? 眾說紛紜，但可歸納成三類
說法：第一種是說農業關係著生存基本的「食」，為了準備「有事時」
不會匱乏，就是不管保護費用要多少，必須提高自給率。
這種主張頗有
問題，如果是為了絕少會有的「有事時」而防患於未然，不如養成一旦
「有事時」能夠自給的「潛在力」不是更好嗎?

與第一種說法正好相反的是主張農業要即刻完全自由化，較差的便
必須拋棄。
與其繳高額保護費，買貴的糧食，又被外國限制輸入，不如
自由化較乾脆。
此說猶如清涼劑使人爽快，從國際經濟的角度來看也是
有理的。
可是稍嫌操之過急，因為如果真的即刻全面自由化，恐怕許多
的農、畜產品會崩潰，水果和特用農作物等也會相當危險。
持此說的人
，多少有打算讓市場崩潰，置之死地而後生的心理。

想辦法加強農業的競爭力是第三個方案。
先進國由於農地規模廣大
，技術革新的收益也大，所以應使農地的規模擴大，其作法如減少農業
人口並增加借地農 (即肯把田地出借的農戶) ，使得每一農戶的平均耕
地面積能加大。
此理論或許適用於他地，但在本省與日本均不適用，本
省的特殊性是不但面積狹小，且地形起伏不平，很難有較廣大的耕作面
積。
所以再怎樣地做品種改良，投入化學肥料和農藥，努力機械化，卻
因受土地限制而有著生產力的上限。
就算擴大農業規模，現實上也有種
種困難。
設有農戶肯出借農地，在小片土地分散在各地的狀態下，根本
無法提昇生產力，須在相接連的某一地區上有多數農戶肯決心離開農業
，不然根本無法實行大規模化。
問題是由於地價暴騰，農家自是不肯輕
易拋棄土地。
代耕中心的出現，充其量僅是提高農機的使用率，在產量
與生產力的提高上效益不彰。

6.8.2 植物工廠的時代意義

以上的論點是由本省的農業問題為出發點，現在，再放眼天下，從
全球之人口問題出發，來審視植物工廠的時代意義。
英國學者馬爾薩斯 (Thomas Robert Malthus) 在 1798 年出版的『
人口論』 (Essay on Population) 中預言，人類所需要的食物與大地所
能供給的糧食會愈來愈不成比例， 結果是造成更多的饑饉、貧窮、疾病
、死亡與社會解體。

保羅•甘迺迪 (Paul Kennedy) 在『迎向二十一世紀』(Preparing
for the 21st Century) 中提到，馬爾薩斯的預言並未成真的主要原因
有三：一是向外移民，光是自1814年至1915年間，英國就有二千萬人移
民海外，使得人口壓力大幅減少。
二是農業生產技術的改進所累積的效
果。
此些技術包括：輪作、育種技術、農地管理、馬鈴薯的引進及栽種
、沼澤地的開闢、農耕新技術與運銷管道的改進等，後世稱之為『農業
革命』。
第三就是工業革命的技術突破。
以機器代替手工，以蒸氣、電
力取代人力、畜力的結果，造成英國生產力的大幅提高。
工業革命與強
調理性探討的科學革命，共同創造出經濟成長與技術突破的良性循環，
人們終能免於馬爾薩斯所深以為憂的可怕噩運。

今天，我們仍然面臨著幾乎相同的問題，只是情況更為嚴重。
在馬
爾薩斯的時代，全球約有十億人，到了1990年，全球人口總數高達五十
三億。
雖然，全球糧食生產仍然持續增加，但成長率愈來愈低為不爭的
事實。
亞洲地區在1965年代推行『綠色革命』所創造的奇蹟已成了強弩
之末，過度施肥與施藥造成地力衰減與新病蟲害產生等，都是農業減產
的主因。
別忘了目前的地球尚有溫室效應所造成的全球暖化（Global
Warming） 、熱帶雨林的喪失、表土流失、海平面上漲淹沒耕地、環
境污染等打擊農業的問題。

1960年代的農業技術似乎都不太管用了，但人類仍需不斷提升農業
生產力以餵飽全球人口，因此須考慮的是要如何技術革新，使得單位面
積的產量能大幅提高且對地力之損耗及環境之污染達最小，以確保農業
之永續發展。
在新的農業革命進展的同時，還要能夠導入自由經濟市場
的機制，以留下較強勢的農戶。
究竟有無如前所述的農業呢? 其實這不
外乎就是選擇「植物工廠」。
日本植物工廠學會第一屆會長－高汁正基
稱之為「農業的第四選擇」。

6.8.3 植物工廠的時代意義

可提昇農業的生產力

提昇農業生產力可協助解決糧食問題。
植物工廠在土地狹窄、地力貧瘠或氣候條件較差的地區來說具
有特殊的意義。
對本省的農業亦然，因為我們很難像美國那樣
在廣大地面用機械化來提高勞動生產力。
在狹小的土地上，用
高度環境控制技術來提高單位面積產量及勞動生產力是最好的
選擇。
從水耕栽培到植物工廠，然後再跟生物技術結合的方式
就是邁向21世紀現代化農業的發展策略。
組織培養苗以立體栽培架在環控室內生產，單位面積產量大，產值高是大家熟知的。
日昇公司在1998年建立的蝴蝶蘭小苗栽培植物工廠每平方米栽培1900株小苗的高產能是一般溫室的17倍以上，其關鍵就在立體化栽培。



有望做寒冷地、不毛地的農業

加拿大、蘇聯、北歐等寒冷地或寒冷期，中、近東及非洲的沙
漠地帶，如用一般的栽培方法是不可能或很難的。
寒冷地的溫
室栽培須費很大的能源(燃油)成本，沙漠地則受自然環境的限
制就是有充分的水也難栽培。
但如電力成本便宜的話，完全控
制型植物工廠便能發揮效用。
尤其要解決森林被濫伐、土壤沙
漠化，時常在旱魃為虐，而政府卻束手無策的非洲窮國的飢餓
問題，也許只能靠"它"了。
有望做寒冷地、不毛地、地下、海底與太空中的農業，進一步協助解決糧食問題

可生產高品質作物

在最適當環境下栽培植物 (菜蔬) ，植株體內一般的維他命
或微量元素的含量會增加，可提高營養價值。
但是環境條件、
作物生長階段與營養價值的關係，目前對大多數作物尚無法完全加以定量化
，是今後的研究課題。
可定量定期生產高品質作物之後才可進行
生產規劃，才可做到農業生產工業化與農業經營企業化。

筆者之母系，美國紐澤西州羅格斯大學生物資源工程系，
開發成功的單果串番茄生長系統即為最典型的代表。

在該系統中使用日光配合人工光源，由植物所接受的總光量，
可預估蕃茄之產期、產量與品質。



作業環境良好、有省力化的可能

作業環境良好、有省力化的可能，可吸引年輕人回歸農業。
農業本是冒著寒冷褥暑的重勞動，跟一般上班族在有冷暖氣機
／中央空調的大廈中快適地工作，兩般情況大有逕庭。
可是農
業從事者也有主張在舒適環境中作業的權利吧! 因工作環境惡
劣導致不少年輕人不願留在農村或拒絕嫁到農村是毋庸多言的
事實，又在社會趨向高齡化的今日，良好的作業環境且兼顧省
力化是很重要的。



能供給無農藥的新鮮作物

在完全控制型植物工廠裡，由於與外界隔絕，使用的培養液也
經紫外線殺菌，所以植物比較不會受病蟲害感染，其對病蟲害
的抵抗力也增強，是以可做完全無農藥的生產，當然完全沒有
農藥殘留的可能，鑑於農藥大量使用的現狀，無農藥栽培的作
物有很大的經濟價值，是對環境無污染的永續農業。
又如在市郊生產的話，更具有可供應最
新鮮的蔬果給消費者的優點。



沒有連作障礙

土壤栽培的最大問題之一是連作障礙。
植物工廠因採用水耕栽
培，所以在同一場所把同一作物連種幾回也可以，亦不會因天然災害而中斷生產。
此優點或許
就是可以把農業從根本上改革的主因。

植物工廠負有「農業工業化」的任務。
將農作物在「工廠」內 ( 不
管是用陽光或人工光線照射 ) 像製造工業產品那樣的生產出來。
這是可
以節省土地的技術革新， 這在像美國那樣大規模化的農業地帶施行，不
如在像本省耕地面積小、人口又過密的地域實施來的較有效用， 因已用
大規模機械化達成高生產力的地方，對植物工廠的必要性沒有那麼迫切。

再說植物工廠有可能給開發中國家的農業帶來光明的希望， 尤其是
最貧窮，常鬧饑荒的國家。
因為他們可能是為了工業化或軍事化搾取農
業，加上因農業基盤整備的延誤或缺乏資源，導致生產力非常低，偏偏
農業是受土地的自然環境影響最大的，所以比工業更難於行技術轉移。

把在先進國家中開發的優良品種直接移入開發中國家還是不行的，當初
「綠色革命」所以歸於失敗就是因為這個原因。
另一方面，似工業技術
般容易被制式化的植物工廠，在開發中國家的人也容易學習。

植物工廠是在設施(工廠)內，不受自然環境左右、定期定量生
產的系統，所以技術完成之後容易移轉給開發中國家應用。
又開發中國
家往往其能源較為價廉，對高耗能的植物工廠更為有利。

6.8.4 植物工廠的定義

植物工廠的定義可歸納如下：

廣義：在一定生產管理下的全年無休的植物生產系統

狹義：在完全人工環境下的全年無休的植物生產系統

廣義的植物工廠除包含狹義者外，尚包含高度環境控制的太陽光利
用型系統（精密溫室）。
植物工廠的廣義定義包含了廣大範圍的生產設
施，譬如：豆芽菜，蘑菇，蘿蔔嬰等的生產工廠，半自動控制的溫室水
耕系統，種苗繁殖系統或人工種子生產等的生產系統等均屬之。

說到工廠生產時，有二個前提：一個是從自然界妨害的解放，可以
不管寒暑且風雨無阻地進行與在自然環境中生產截然不同；再者，工廠
生產可預先明確地決定好生產流程，並做好作業分析，也就是說對象的
輸入輸出特性皆可定量的掌握，甚麼樣的操作會產生甚麼樣的輸出是可
以預期的。
只要做好操作的作業手冊，按部就班誰也能夠生產。

由此點看，理想的植物工廠是生長那些環境條件與作物生長關係已
明確地量化的植物，在一定的人工環境下栽培的完全控制型系統。
工廠
生產以生長快速又高價格的作物較適合，就資料蒐集來說，須要生長過
程較單純，葉面積較大的比較好，所以非結球生菜中的一種沙拉菜恰好
可符合這些條件，因此做為葉菜類的代表。
除了沙拉菜之外，果菜類的
甜椒，根菜類的蘿葡嬰（二十日蘿葡）等，皆為代表。
豆芽菜或蘑菇類
不行光合作用，所以生長程序容易定量化，是另一類代表。

蘿蔔嬰或水芹等的生產工廠通常為了植株體的綠化而使用陽光。
世
界上首先成立且成績輝煌的植物工廠當推丹麥的克里斯天仙農場，其水
芹的一貫自動生產系統的實用化非常成功。
與此相似的系統在日本有多
家蘿蔔嬰生產工廠中，海洋牧場因自動化程度最高而有名。
此場用暗處
發芽，軟白栽培，等莖長 10cm ，再在明亮處使雙葉綠化。
從播種到收
穫包裝約 1週左右。

其他尚有芫荽的水耕栽培，在過去幾乎無產量的夏季也因使用了遮
光與培養液冷卻的技術，使得相當穩定的周年生產也成可能了。
同時因
環境條件與培養液條件皆由微電腦控制，所以能夠做確實的生產管理。

由於溫室及水耕栽培的結合，日夜間冷暖氣及培養液冷卻的實施，使得
較高程度的環境控制為可能，廣泛範圍的蔬菜、花卉將可做周年生產。

6.8.5 植物工廠的種類

植物工廠依使用光源的不同可分成"太陽光利用型" (簡稱太型) 與
"完全控制型" (簡稱完型) 與綜合型三種。
完型不僅使用人工光源，連溫度、濕
度、二氧化碳濃度、培養液等，凡對植物生長有影響的主要環境條件，
都以人工來控制，所以可以說是理想的植物工廠，但在現實上有能源成
本(Energy Cost) 的問題，必須設法降低成本。
太型是水耕栽培法的延
伸，在夏季如何降低設施內與養液的溫度是最大的重點課題。

太型及完型雖然同是植物工廠，但在基本精神上仍有很大的差異。

太型會受到不確定要因－太陽光的決定性影響，此點與傳統上的農業生
產一樣，即對天候與收穫量不能夠有正確的預測與控制且栽培者的直覺
與經驗通常對生產結果的好壞有很大的影響。
反之，完型可以根據定量
測定過的栽培技術知識 (know-how) 做計畫生產。

太陽光利用型(簡稱太型)植物工廠，事實上即為高精密環境控
制溫室的延伸，可是既然說是 "植物工廠" ，首先便必須能克服夏天的
酷熱，這在乾燥地帶較可簡單地達成。
在乾燥地區可以使用風機水霧法
(Mist and Fan) ， 或風機濕簾法 (Pad and Fan) 等冷卻成本低廉的
蒸發冷卻設備，但在高溫高濕的台灣，多種降溫方法的併用為必需的手
段。
選擇耐熱品種通常是第一步，遮蔭次之，再輔以前述的各種蒸發冷卻方法，
仍可達到全年生產的目標。
由於高溫時的溼度多半在50%左右，蒸發冷卻方法仍然有發揮功效的空間。

太型植物工廠的次要問題是環境控制需做到甚麼程度。
控制的環境
因子愈多，諸如包括了加溫、降溫、補光、二氧化碳濃度、施肥等，增
加越多越接近完全控制，但成本問題又不能不考慮。
控制要因增加越多
、成本越高，然而是否可得相對的產量的增加呢? 所以需對照生產成本
來考慮究竟要控制到何種程度方稱合理；此點通常需要以實驗來確定。

整體而言，只增加有效的控制要因才是上策。
綜合型為前述兩型之折衷。

6.8.6 植物工廠、水耕栽培、環境控制與生物技術

植物工廠、水耕栽培、環境控制與生物技術的結合有深度的意義。

水耕栽培、環境控制與生物技術都是人工的技術。
水耕栽培使作物生長離開
土壤，避免地力損失、連作障礙等弊病。
另外的好處是方便自動化，且養液可循環使用更可方便隨時監控。





環境控制則旨在將最佳生長條件定量化後創造作物生長
之最適環境。



與生物技術結合則主要是有關基因的改變或篩選的技術。
生物生長是
與基因和環境息息相關的。





基因和環境就像『先天』與『後天』一般關
係著生命發展的成敗。
所以植物工廠需與水耕栽培、環境控制與生物技
術相結合。

6.8.7 植物工廠的必要技術


基本技術
生長的定量化和生長促進

共通技術
系統的設計
水耕栽培技術
移動栽培技術
密植栽培技術

各式自動化技術
保溫斷熱資材的選定與利用


完全控制型
光源與照明設計
最適當的空調設計

太陽光利用型與綜合型
最適當的控制技術
熱線吸取、反射資材的開發



6.8.8目前發展植物工廠的瓶頸

初始成本高與能源負荷大為目前發展植物工廠的兩大瓶頸，硬體建設的成本雖較高，但使用壽命長，風險低的優勢，如果能採立體化栽培，當栽培層數達到某一規模，單位面積的產量大增之後，硬體建設的年折舊成本與單位產品的能源負荷就不再是高不可攀了。

監控管理技術層次高，強調系統整合等是優點也是缺點，此些因素使得現階段植物工廠的發展需要技術性人員的參與，而非傳統農民所能單獨從事。
植物工廠的成功可吸引具技術背景的年輕人回歸農業生產。





6.8.9 結語

植物工廠的問題只有一個，就是成本。
初始成本與操作成本均高，但也可以是高獲利。
大略地說，在完全控制型植物工廠生產蔬菜，一般以葉菜類較合算。
因為葉菜類的生產周轉率較快
，且價錢較高，除了根以外都可吃這點也較有利。
果菜類一般地光飽和
點較高，又須丟棄莖葉，所以較浪費，依現狀來說，果菜類應以太陽光
利用型植物工廠來生產。
完全控制型植物工廠生產花卉則應以小、中苗階段或特殊目的
為宜，譬如嫁接苗的癒合養生與花期調節等。

在生產成本中，電費的比率確實很大，通常占操作成本的 50% ∼
60% ，用電量中照明與空調的比例約為 2:1。
若能有廉價電源與效率高
、光質佳的人工燈光，且配合選擇成長較快、具高經濟價值的植物，植
物工廠將更為吸引人。

選擇適合在完全控制型植物工廠栽培的作物應具有體積小、單價高、栽培期短、省工、可採水耕栽培等特質。
由於完全控制型植物工廠內的天候可與外界不同，可栽培非當令蔬菜，採逆勢操作方式，可全年生產，可定時定量供貨等操作模式，提供管理者在計畫生產與銷售上很大的彈性，譬如掌握物以稀為貴的基本原則，當可掌握獲利的契機。

植物工廠是接在露地栽培、設施園藝、水耕栽培等依序發展之後的
終極技術，也可依此稱之為「第四農業」。
其不僅技術上可行，更可以
有經濟上的實質利益，所以值得去追求這第四農業。

植物工廠的最終目標是想要生產某種蔬果， 只要按下某指定按紐，
該工廠便能完全自動地實施適當的環境控制， 並定時定量的生產高品質
的該指定蔬果。
也許離這樣的時日尚遠，也許根本是天方夜譚，可是植
物工廠確實值得作為 21 世紀的「農業的第四選擇」。

6.8.10 參考文獻

方  煒.   1993.  發展本土化精密溫室與植物工廠之可行性分析. 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告.
計畫編號：NSC 82-0409-B-002-028.
蔡尚光.   1990.  植物工廠. 淑馨出版社.
高汁正基. 1987.  植物工場入門. （日文）
Kennedy, P. 1993. Preparing for the 21st Century. 中譯本名稱：『創世紀』，  天下雜誌社.



太空農業

六、環控農業的相關應用實例
6.9 太空農業

太空農業的研發分三個方向: 太空旅行,太空站,太空殖民地。
研發計畫中較著名者包括: 

第二生物球試驗: BIOSPHERE II, 美國 Arizona 州沙漠區，4 對成年男女研究人員, 1991 - 1993 第一次試驗。
 
生態控制下維生系統: 


CELSS：Controlled Ecological Life Support System，生態控制下的維生系統。
NASA 太空計畫 1991-1995。
 
CBLSS：Controlled Bioregenerative L.S.S.，可控制的生質再生的維生系統。
 NASA 目前之主要太空計畫之一。
 

BIOS-3: 前蘇聯太空計畫之一。
 
生物圈-J : 日本太空計畫之一。
 

6.9.1 在CBLSS投資損益平衡的計算


人體每日需求:

640 g食物(乾重): 450g 碳水化合物,130g 蛋白質,60g 脂肪，860 g O2，1270 g H2O (食物中)，2360 g H2O (飲用)，1140 g CO2 (移走) 。
 
在太空梭上的載重成本為 2000 $/kg。
 
投資損益平衡為 2.6 年 for crew of 4。
 

6.9.2 在CELSS中植物扮演的角色


在CELSS中植物扮演的角色包括吸收CO2，釋出O2 ，食物生產與淨化H2O。
CBLSS 中的主要精神則在於強調系統的封閉與生質再生，系統與外界無任何質量傳遞，唯一的熱量傳遞將僅有太陽能，如下圖所示： 


6.9.3 在CELSS中選擇作物的條件
高產量，可食部份比例高，可食部份可完全消化，可自動化生產，體積小

6.9.4 在CELSS中作物選擇的結果
小麥/稻米，馬鈴薯/甘薯，大豆/花生，甜菜，萵苣

6.9.5 栽培系統需求 (CELSS)

降低風險:機械故障,病蟲害傳染。
 
量化資料容易建立。
 
允許同時栽培多種作物。
 
容易擴充與管理。
 



6.9.6 作物栽培方法 (CELSS)

質量與體積均小 
高產量 
可靠性高 
容易自動化 
無殘留物 

6.9.7 繁殖方式(CELSS)

以生物技術繁殖無菌,高品質,品質均一的單細胞或癒合組織 
希望在營養繁殖階段即可收穫


6.9.8 參考閱讀

Food in Space - Advancing the technology of greenhouse vegetable production/by Bruce Bugbee/21st Century Gardener Volume 4 Issue II p29-36.
Optimizing crop production environments for a Controlled Ecological Life Support System (CELSS) to be deployed in Space/by C.A. Mitchell/ fro HSA Proceedings 9th Annual Conference
Hydroponic culture of plants in space/by T.W. Tibbitts
Maximizing Productivity for CELSS using hydroponics/by S.L. Knight/from  HSA Proceedings 10th Annual Conference
Farming on the moon - reaching the potential of crop productivity/by F.L. Salisbury/from  HSA Proceedings 10th Annual Conference
Design of an experimental hydroponic system for space flight/by S.H. Schwartzkopf
Cultivating the high frontier/ by R. Fortson/from Agricultural Engineering/Nov. 1992



補充閱讀


生物圈二號人員重返俗世(剪報)
生物圈實驗失敗(剪報)
人造生物圈斷了氣(剪報)
在外太空維持人類生命－為太空人造園不再是幻想
太空人自產、自製食物(剪報)
綠金霸業(哈佛商業評論)
YouTube影片(TED)

科學家Janet Poynter在1991年時，與其他八人，獲選進入「生態圈二號」入住二年，

除了過著自食其力的生活，一切物質都自行循環回收，他們撐了過來，實驗算失敗但學到了教訓。

Janet Poynter 以自己在生態圈二號生活的例子，告訴大家，自己的一點小行為也會對地球造成嚴重的破壞。

（2009年演講） 中文譯者：Manlai You 影片來源：TED.COM








學生簡報
環控農業的相關應用實例-文獻探討
89年12月簡報 :

洪滉佑：Postharvest Browning of Litchi Fruit by Water Loss and its Prevention by C.A. Storage at High R.H.
張福祥：Sensor in CEA: Measuring Growth and Development
簡志樺：Providing Controlled Environments for Plant Growth in Space
江衍樹：溫度對於香蕉條紋病菌的影響
王俊凱：水庫湖泊優養化之控制及改善
林明正：熱處理對草莓植株生長之影響

91年9月簡報 :

蕭世傑：漫談太空農業



環控農業  七、植物工程系統

七、植物工程系統 (Phytomation)

如下圖所示，紫色虛線所包圍的四個領域為溫室工程所涵蓋的範圍，包括：結構、資材、作物栽培與環境控制。
隨著產業的成功，溫室規模與市場範圍均日趨龐大且產品日趨多樣化的情況下，
傳統的管理方式已不敷應用，所涉及的工程技術與知識尚需包括適切的生產管理、決策支援、作業研究與自動化等，使得生產工業化與經營企業化為控制環境下作物生產系統(Controlled Environment Plant Production System, CEPPS)的特色，如橙紅色虛線所示的區域，此範疇以植物工廠(Plant Factory)稱之亦頗為恰當。

至此階段，栽培植物之目的仍只是傳統的生產食物、纖維、香料、色素或作觀賞用途。
然而，近年來更由於在環保方面與太空農業方面的研究，
植物已成了工程設計中的元件。



「溫室工程」、「控制環境下作物生產系統」(CEPPS)或植物工廠
均已不足以描述此類以植物為對象的工程研究領域，遂有植物工程系統
(Phytomation) 新名詞的提出。
該名詞是由美國紐澤西州羅格斯大學生物資源工程系丁冠中(K.C. Ting)教授兼主任所首創，他並為該英文名詞取了一個文雅的中文直譯名稱：


1. CEPPS 為了生產而栽培植物，提高產能為栽培之目的。
2. 環保植物

消極作法: 使用指標植物判定污染程度，

積極作法: 使用植物來吸收空氣、水、土壤中的污染物質。

綠化植物對臭氧、氮氧化物及塵埃之淨化能力之探討。

種植甕菜等來吸收水中的重金屬，此手續稱為Phytoremediation。

種植向日葵(sunflowers)等來吸收土壤中的輻射核種(radionuclide)，此手續稱為rhizofiltration。

種植布袋蓮、萵苣等來吸收水中的氨氮以淨化水質，降低水產養殖系統生物濾床的負擔，此手續稱為 Nitrification。

植物成了工程元件

3. 太空農業

生產植物的任務在淨化空氣與水質並提供食物，基本上是綜合前二者功能。

範例：美國太空總署(NASA)(1991-1995)的控制生態下的維生系統(Controlled Ecological Life Support System, CELSS)與後五年(1996-)的可控制的可生質再生的維生系統(Controlled Bioregenerative Life Support System,CBLSS)兩大研究之群組計畫。

參考閱讀

栽培指標植物監視空氣污染/謝慶芳/台灣農業:27(1) 115-119./80年2月
指標植物監測空氣污染試驗/謝慶芳/台中區農改場特刊第11號
利用指標植物監測空氣污染/謝慶芳/台中區農改場、彰化縣政府
From Greenhouse to CEPPS to Phytomation/K.C. Ting/1996 Proceedings of International conference on agricultural and biological environment (ICABE)
由溫室到控制環境下的作物栽培到植物工程系統/方煒譯
Sunflowers root out radiation /摘自Resource 期刊