经营与盈利

植物工厂的运营成本:省下电费,人力成本就涨

LED多层栽培架上的生菜(电费是主要成本项)

月末,对着费目表思考:“好,从哪里开始削?“电费、人工费、物料费——扫视一列列数字,目光通常会停在最大的那项:电费。但这些费目并非各自独立运动的。削减顺序一旦出错,以为压下去的成本就会从别处膨胀起来。

先削最重的费目,反而越削越多

照明减半,当月电费确实会下降。然而,在产量受光照限制的正常运转区间,产量也会随之下滑。同样的出货量需要耗费更多人力,每公斤出货的人工成本反而上涨。电费是降了,但从每公斤总成本来看,并没有得到任何好处。分费目逐一削减这件事本身,从一开始就偏了方向。而且这种偏差在规模小、单一费目波动容易牵动全局的工厂里,表现得尤为明显。植物工厂的成本,是电费、人工费与产量用一根绳子串在一起的。照明减半,从电费这端施力,这股力经由产量传导,从人工费这端冒出来。对着费目表分列削减,这根绳子就看不见了,施加的力会从哪里跑出来,也就无从察觉。

「电费远比其他项目沉重」,这不只是感觉而已。一项对人工光型植物工厂进行生命周期分析的研究估算显示,照明与空调系统的电力消耗,在温室气体排放、酸化、富营养化等主要负荷中占比超过一半,而在资源与水资源枯竭方面,几乎全部(超过98%)都来源于电力(参考: 1)。这是以环境负荷视角得出的构成比,与以金额计算的费目构成并不直接对应,但能源集中于照明和空调系统这一点本身是明确的。正因如此,才会想「先削最重的电费」。然而那部分电费,正是通过产量这根绳子与分母相连的。越是重要的费目,越不能单独削减。

识别与产量挂钩的费目

因此,成本削减的顺序正好反过来。首先预判「动这里,力会经由产量弹回到哪里」——也就是施加的力经由产量传导,再从另一个费目返回来——确认好这个反弹方向之后,再从不会触发反弹的费目开始动手。照明和种植密度直接关联产量,属于绳子的主体,几乎必然会引发反弹。相比之下,空调系统的控制逻辑、搬运和包装的作业流程、待机电力与合同电力的签订方式、清洁和记录的操作流程——这些与产量之间没有绳子相连,可以单独削减。同样是「削减成本」,拉动绳子主体与剪断没有绳子连接的末端,意义截然不同。本文聚焦于联动最强的电费、人工费与产量三者之间的关系。物料、水费、销售费用也同样适用这种「绳子」的思维框架,但先从影响最大的地方讲起。

用于重新排列削减顺序的费目调度表

这里最容易混淆的是空调系统。照明减少后发热量降低,冷却负荷相应下降,空调系统的电费也随之联动。它到底是半附着在绳子主体上的中间费目,还是可以单独削减的末端?把空调系统理解为「从绳子中途分叉出来的费目」比较好。它通过发热挂在照明下面,所以照明减少,冷却负荷也联动下降。但这种联动并不经由产量。这正是区分方式的关键所在。从照明到发热再到冷却的联动,是由物理决定的,不涉及产量。因此空调系统本身可以视为「不会触发反弹」的末端。当照明作为主体被拉动时,空调系统属于反方向的反弹——也就是会自动跟着一起下降、带来附带收益的那一侧。与人工费那样朝反方向膨胀的末端,符号正好相反。

在实务中,动照明时,空调系统的联动部分从一开始就纳入抵消计算。在此基础上,空调系统的控制逻辑——设定温度的范围、除湿强度、送风流程——与照明和产量的绳子半脱钩,可以作为独立的末端来处理。不过,这并非完全独立。如果温度范围放得太宽、除湿削减得太多,就会越过某个临界点,通过病害或叶缘焦枯反弹到产量上。在我见过的范围内——人工光型种植叶菜的工厂——这里的下行风险比温度上行更令人担忧。高密度种植的叶菜,湿气一旦郁积就会迅速出现灰霉病;蒸腾作用不足则叶缘焦枯(干烧心)。一旦出现这类症状,可出货的植株数量骤降,削减的那点电费根本无法弥补。因此即便同样是空调系统,也要分成「通过发热联动带来的部分」和「靠控制可调整的部分」两块,后者要在观察产量的同时,比温度范围更加谨慎地推进。

实际上,从另一个角度看待前述电费的重量,照明和空调系统这两项决定了能耗的大半。一项国内生命周期分析(学会报告)显示,完全人工光型工厂的二氧化碳排放中,照明和空调系统合计约占90%;即便是兼用太阳光的混合型,也约占70%(参考: 2)。这是以二氧化碳视角得出的比率,与费目的金额构成是两回事,但空调系统通过发热挂在照明下面这种物理连接的量级,与现场的实际感受是吻合的。

不按重量排序,而按不会反弹的顺序排序

电费远比其他项目沉重,这是事实,目光自然会聚焦于此。但若以「重所以先削」的思路切入,手通常会伸向主体——照明和种植密度。最重的费目,同时也是反弹最大的绳子主体。因此,先做的不是「按重量排序」,而是「按不会反弹的顺序重新排列」——从空调系统控制、搬运流程、合同电力签订方式等地方切入。应当清醒地认识到,重量排名与可安全削减的排名,是两件不同的事。

袋装待出货的生菜——以每公斤出货量作为总成本的分母

作为区分标准:只需调整设定或重组流程的范围——温度幅度、送风与除湿逻辑、作业流程、合同种类的重审——属于运营层面可以操作的。另一方面,在不减少照明的前提下保住产量并降低耗电、减少绝对用工量——这类反弹大的削减,运营层面够不着,属于设备投资的范畴。

但要注意,自动化并不是让人工成本归零的魔法。削减的人工成本只是转移到了该设备的折旧费和维护费这两个费目上,并没有连同绳子一起消失。因此,看待设备投资时,与其说「人工成本会消失」,不如理解为「把反弹的方向,转移到自己更容易掌控的费目上」,判断才不会出错。

如果要在不动照明本身的前提下降低电力消耗,光靠修改设置是办不到的,必须从设备层面着手。例如,有一份关于单个试验栽培架的报告指出,通过反光材料和进排气设计改良的节能型栽培架,在保持架内环境分布均匀的同时,将电力消耗控制在传统水平的约一半(参考: 3)。这类设备的出发点是:架内环境分布越均匀,生长差异越小——但无论如何,这是对栽培架本身的改造,完全属于设备投资层面的举措,与今天能靠调整设置来操作的事,层次明显不同。

本月可立即推进的三个费目

真正要从今天、这个月开始行动,首先请重新审视合同电力与需量的签订方式。调出最近的电表账单或30分钟需量记录,查看一周内高峰时段的分布。有时照明启动和空调系统开机时间重叠,推高了用电高峰——只需将照明和空调等设备的启动时间错开几分钟到十几分钟,就有可能在不影响产量的情况下压低高峰。这是零设备投资、今天就能尝试的举措。不过,合同电力重新签订一次,效果就会持续,但它不是那种每月重复就能不断累积节约的手段。

第二项是空调系统设定温度的范围。常见的情况是把温度设定在极窄的范围内,让空调系统持续运转。这往往出于对室温偏离设定值的担忧,但只需将上下限各放宽1°C,在这个范围内让空调系统自然停机一段时间,就能在不影响产量的前提下减少运转。除湿也改为非连续运转,只在出现结露或湿度偏高的时段集中开启。但这与前面讲到的病害和叶缘焦枯风险是一体两面,因此要比温度范围更加谨慎。高密度种植叶菜的工厂,湿度过低或过高都会影响产量,所以要一边查看湿度日志,一边先小幅调整观察动态,仅此而已。在昼夜温差较大的季节,也一并确认是否存在单靠送风就能维持的时段。不要一次性大幅调整,先一步一步来,这才安全。

第三项是待机电力与作业流程。这项工作看起来平淡,本质是把那些「停着的时候也在花钱」的费目一一揪出来。关掉空置区域的辅助设备、夜间停用的搬运和包装线的待机电源。将与栽培无直接关系的通道灯和办公区照明改为人感传感器或定时器控制。重新审视采收和袋装的作业流程,将同类工序集中处理,从根本上减少设备启停次数。这些举措都不容易反弹到产量上。

但空调系统的设定若调得过头,就会反弹到产量上。因此,确认方式至关重要。在动手之前,务必先取一周的基准数据。记录每日总用电量、30分钟需量峰值、室温与湿度日志,以及产量和良品率。每次只调整一个费目,电力数据的变化通过峰值和用电量观察约两周。但对产量的影响,需要追踪更长的时间。调整设定后种植的批次采收之前——对于人工光型叶菜而言,生菜的生育周期约为一个月,要等一个周期走完——确认产量没有下降之后,再下结论。不要只看电力数字就急于判断。若同时调整多个费目,就无从判断究竟是哪个起了效果。顺序是:从确信不会反弹的费目开始,逐一推进。

在「不触及产量的前提下提升效率」这个方向上,也有实验和模拟研究表明:通过调整照明的物理布置——光源与植株的距离、灯具排列的均匀性——可以在相同耗电量下减少光照的不均匀性。有案例显示,通过重新审视灯具排列,在模拟中将光照不均匀度降低了约15%(参考: 4)。这并非纯粹靠调整设置就能实现,属于运营与设备之间的举措,但「不增加电力就能提升效果」的方向确实存在,从此类研究中也可以看出来。

以每公斤出货量为基准衡量临界点

以为某个费目不会反弹而削减过头,整体反而可能变得更差。每个费目单独看都在改善,合计却比之前更糟。要衡量临界点,关键是把分母从「投入的用电量或人时」换成「实际能出货的每公斤总成本」。良品率一旦下降,生产那一公斤所消耗的电力和人力,就要除以实际能出货的数量重新摊算。因此,只要后续工序的人工增加一点,即便用电量本身下降了,每公斤的数字也会上升。个别费目中看不见的逆转,只有把分母统一到采收量上,才第一次变得可见。

照明也有同样的道理,还隐藏着另一种机会。照明存在饱和点:光照强度在某个水平以内,增加越多产量越高;超过那个点,即便继续加强,产量也会触顶,只是白白消耗电力。有报告显示,在密闭型设施中种植生菜和罗勒,光照强度提升到某个水平后产量就会触顶,继续加强也不再增加(参考: 5)。每单位投入电力的产量(电力效率)最高时对应的光照强度因作物而异,有时接近产量触顶的那个点,有时则略偏向光照较弱的一侧。无论如何,都存在一个上限:增加到饱和点后效率不再提升,产量也触顶(参考: 5)。这正是运营层面可以发挥作用的地方。如果当前的运转已经处于这个饱和区间,就存在在不降低产量的前提下降低照明输出的空间——调光不只是「设备层面的事」,也可以是把已经饱和的那部分电力「要回来」的运营手段。但是,自己的工厂是否真的处于饱和区间,不能靠突然降低来验证。推进方向是确定的:在产量尚未下降的范围内降低每公斤出货总成本,在产量开始崩溃的前一步停住。每次只动一个费目,确认产量没有下降之后——这套流程正是为了在还能回退的情况下,摸索这个安全边界。判断轴心不是用电量是否下降,而是每公斤成本是否下降。

在此,我也要补充一个现实的天花板。即便像刚才那样通过调光或错峰把浪费要回来,运营层面可以撬动的部分,放到总成本中看也只是极小一块。真正决定盈利量级的,是规模、销路、作物选择这些另一把尺子上的问题,那是本文之外的范畴。当前的亏损究竟能靠削减费目来解决,还是更上游的成本结构本身的问题,最好先分开想清楚。运营层面的举措不能改变那个结构——它们是在结构内部减少浪费、稍微拓宽判断余地的手段。设定值可以调回去,但在此期间下滑的产量和损坏的品质是回不来的——「在还能回退的时候」,说的就是这个意思。

最后,我想写下一条分界线。以上所有内容,都是限定在「运营层面可操作的范围」内的举措——合同电力的签订方式、空调系统控制、作业流程、待机电力,以及在不破坏产量的范围内进行调光和均匀化。这些都可以从本月开始,无需设备投资,且可以回退。另一方面,更换照明在保住产量的同时降低耗电、减少绝对用工量——这类反弹大的削减,不是在运营层面能止步的,而是会转移到折旧费和维护费上的设备投资决策。那是一个要结合回收年数、用另一把尺子来衡量的领域,而非单年电费所能覆盖。因此,结论是朴素的:运营成本不是按费目从最重的开始逐一削减的问题,而是一个以每公斤出货为共同分母相互联动的系统——从不会反弹的末端入手,在可以回退的范围内逐一推进——从这样的视角重新出发,才是起点。

如果想用自己的费目表认真做一次这样的梳理,我准备了一个模板,可以按费目逐一填写盈利状况和运营计划(点击这里)。把今天的电表账单和产量日志放在旁边,从区分哪些费目会反弹、哪些不会开始,削减的顺序自然就会浮现出来。

Shohei Imamura

Shohei Imamura

在植物工厂行业深耕10年以上,亲身站在10多个现场。

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提升植物工厂盈利能力的172条实用技巧

336页、19章、172个主题。这是一套基于10年以上的现场经验整理而成的实战经验集,汇总了其他地方很难获得的植物工厂“现场级知识”。

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参考文献

  1. Michael Martin, Till Weidner, Charlie Gullström (2022) Estimating the Potential of Building Integration and Regional Synergies to Improve the Environmental Performance of Urban Vertical Farming. Frontiers in Sustainable Food Systems. https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.849304
  2. 椎名 武夫, 細川 大貴, 中村 宣貴, ロイ ポリトシュ, 折笠 貴寛, タンマウォン マナスィカン (2010) 植物工場生産野菜のライフサイクルインベントリー分析. 日本LCA学会研究発表会講演要旨集. https://doi.org/10.11539/ilcaj.2010.0.131.0
  3. 有波 裕貴, 赤林 伸一, 坂口 淳, 高野 康夫 (2014) 完全人工光型植物工場を対象とした省エネ型植物栽培設備の開発研究 その1 省エネ型栽培設備内の気流及び濃度分布の解析と植物栽培実験結果及び電力消費量の比較. 空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集. https://doi.org/10.18948/shasetaikai.2014.3.0_173
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  1. Hwa-Soo Lee, Sook-Youn Kwon, Jae-Hyun Lim (2014) Improvement of light uniformity by lighting arrangement for standardized crop production. Journal of Central South University. https://doi.org/10.1007/s11771-014-2430-5
  2. Giuseppina Pennisi, Alessandro Pistillo, Francesco Orsini, Antonio Cellini, Francesco Spinelli, Silvana Nicola, J.A. Fernández, Andrea Crepaldi, Giorgio Gianquinto, L.F.M. Marcelis (2020) Optimal light intensity for sustainable water and energy use in indoor cultivation of lettuce and basil under red and blue LEDs. Scientia Horticulturae. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2020.109508