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植物工廠的 CO2 與空調系統管理：從光合作用看獲利改善的突破口
當植物工廠的產量或品質遲遲拉不起來時，最常被拿來檢討的通常是光量和營養液。這兩者當然都重要，但如果把空氣設計丟在一旁，您就會錯過本來可以做出的改善。
CO2 是光合作用的原料，氣流則是把 CO2 送到葉面上的通道。只提高濃度，沒有風，葉片周圍的交換還是會停滯。只讓風在跑，如果和溫濕度、CO2 之間的平衡被打亂，效果同樣有限。
這篇文章會把 CO2 濃度、氣流、溫度、濕度放在一起看，整理出能連結到植物工廠獲利改善的空氣環境思路。
從植物的角度看空氣環境：光合作用與生長的機制
CO2 對植物來說是光合作用的原料，也是成長的核心。以目前大氣中的 CO2 濃度（約 400ppm）來看，植物其實無法把光合作用能力發揮到極限。根據研究，許多作物在 1000〜1200ppm 時，光合作用速度會達到最大值。也就是說，只要 CO2 管理做得對，產量就還有提升空間。
當植物缺乏 CO2 時，常會出現一些很典型的症狀，例如葉片變薄、顏色變淡、生長延遲。
如果沒有適當的氣流，植物也長不好。葉片表面有一層靜止空氣，叫做「葉面邊界層」。這層空氣如果太厚，就會妨礙氣體交換。當風速大約落在 0.3〜0.7m/s 時，可以把這層邊界層變薄，促進 CO2 吸收與水蒸氣釋放。
風還會促進蒸散作用，在高溫時幫植物降溫，並促進由蒸散作用驅動、負責將水分與養分從根部輸送到葉片的蒸散流。另外，風也能讓莖部更粗、更強，降低倒伏風險。完全沒有風的環境，植物容易徒長、變弱，所以適度氣流是培育強健植物不可少的條件。
如果您想先掌握光合作用與光環境的基本概念，也可以一起看下面這篇文章。
植物工廠的 LED 與 PPFD - 先掌握基礎，再把光環境整好
光合作用由「明反應」與「暗反應（卡爾文循環）」組成，會從空氣中吸收並固定 CO2。光合作用速度會受到最缺乏的要素限制，也就是光、CO2、溫度之中最不足的那一項。光越強，就越需要更多 CO2；而在最適溫度區間（20〜28°C）內，CO2 固定速度會達到最高。關鍵就在於各要素之間的最佳平衡。
CO2 管理的效果會因作物不同而有差異，但葉菜類（例如生菜、小松菜）有機會提高 30〜40% 的產量，果菜類（例如番茄、甜椒）則可期待 20〜30% 的增產。只要把光、CO2、溫度的平衡拉到最佳，就能把植物原本的潛力盡量釋放出來。
在植物工廠中打造最佳空氣環境
要做出合適的空氣環境，不能只是單純「把風送出去」。您需要根據植物的生理特性來設計風。
依作物調整氣流設計
不同植物種類，理想的風強和風向也不一樣。葉菜類（例如生菜、小松菜）一般適合 0.3〜0.5m/s 左右的風速，而番茄、草莓這類果菜通常更適合稍強一些的 0.5〜0.7m/s。風太弱，邊界層會變厚，CO2 交換受阻；風太強，則可能造成機械性壓力，或讓蒸散作用過度。
有方向性的風：垂直氣流 vs 水平氣流
垂直氣流（由上往下，或由下往上）很適合多層式栽培架，能讓層與層之間的溫差更平均。尤其在冬天，對防止結露很有效。水平氣流則更適合大面積單一平面的栽培床，較容易打造均一環境，也能讓 CO2 更有效率地擴散到整個栽培區。多數情況下，把這兩種方式搭配起來，才比較容易做出理想的空氣循環。
消除死角的送風機配置黃金法則
重點是不要讓風形成「死角」。一旦有死角，局部高濕區就會出現，病害風險也會跟著上升。利用對向配置，做出均勻的氣流路徑，角落位置更要特別注意。對於栽培架之間，或植物密集的區域，再加裝輔助型小風扇通常很有效。
另外，植物工廠的風環境設計，和一般工廠的通風設計目的不同。植物需要的最佳環境，和人工作業舒服的環境並不一樣，這一點必須分清楚。
植物工廠主要會透過以下 3 種設備來建立風環境：
- 送風機（循環扇）：
- 優點：安裝簡單、成本效率高
- 用法：主要用來做空氣循環，並依季節與時段調整風向
- 空調：
- 優點：可以同時做溫度控制與送風
- 用法：在需要調溫的時段搭配使用
- 除濕機：
- 優點：兼具濕度控制與送風功能
- 用法：用在高濕時段，或夜間防止結露
把這些設備組合得好，就能依照季節和時段做出最佳環境。尤其是大型植物工廠，更應該重視利用氣流模擬來優化風的流向。
排除結露風險的風環境設計
植物工廠中的結露風險，可以透過風的設計大幅降低。讓風定期吹到牆面與天花板附近，可以減少結露；在清晨這種溫度開始上升的時段，更要確保風循環足夠。夜間也應維持微弱氣流，避免空氣停滯；對於隔熱材的「熱橋」部位，則要特別加強送風。
單是把風的流向優化好，就能大幅減少因結露帶來的黴菌與病害風險。
實現最佳 CO2 濃度的供應系統
CO2 供應設備的種類與選定標準
| 鋼瓶 CO2 供應方式 | 液態 CO2 儲槽方式 | 燃燒式 CO2 發生設備 | |
|---|---|---|---|
| 適用規模 | 小〜中型（〜100m2） | 中〜大型（100〜1000m2） | 大型（1000m2〜） |
| 優點 | ·導入簡單·純度高·安裝位置自由度高 | ·不需要頻繁更換鋼瓶·長期運轉的成本效率較好·供應穩定 | ·可大量供應·長期運轉成本低·熱能也可利用 |
| 缺點 | ·需要更換鋼瓶·規模擴大時成本上升·需要保管空間與安全管理 | ·需要一定初期投資·要保留儲槽安裝空間·需要定期點檢 | ·需要熱管理·有不完全燃燒風險·導入與維護成本高 |
| 初期成本 | 低 | 中等 | 高 |
| 運轉成本 | 中〜高 | 中等 | 低 |
CO2 供應設備一定要依照規模與目的來選。無論選哪一種方式，如果沒有合適的風環境，CO2 就送不到植物那裡，供應效果也會被打折。
植物工廠的空氣環境因為看不見，所以很容易被輕忽，但它其實是左右獲利的重要因素。只要把適當的氣流設計、利用風達成的溫度均一化，以及有效率的 CO2 供應結合起來，就能優化植物的生長環境，進一步提升產量與品質。
把 CO2 效果拉到最大的環境「黃金平衡」
想把 CO2 的力量真正拉滿，光是供應 CO2 還不夠。效果最終取決於它和其他環境要素之間的平衡。
讓 CO2 發揮效果的光環境組合
植物的生長結果，不是只由 CO2 決定，而是光、溫度、風、濕度等多個因素一起作用的結果。這些要素不是各自獨立，而是組合起來時才會發揮最大效果。
光和 CO2 的關係，是植物栽培的基本。光合作用的明反應會產生 ATP 這種化學能，接著植物再利用這些能量，在暗反應中把 CO2 轉成糖。光越強，可用的能量就越多，能固定的 CO2 也越多。所以，CO2 供應時程應配合光比較強的時段，這是基本原則。
溫度與 CO2 的搭配關係
溫度也會大幅影響 CO2 的利用效率。對多數作物來說，在 20〜25°C 這個溫度區間內，CO2 固定效率最高。超出這個範圍，就算您拼命補 CO2，也不會被充分利用。同樣都是 1000ppm 的 CO2 濃度，在 17°C 時效果可能減少 30〜40%；超過 30°C 時，效果甚至可能下滑 50% 以上。
環境要素之間的「平衡表」
如果想理解各環境要素之間怎麼互相影響，可以先看下面這張簡化整理表：
| 調整的要素 | 對 CO2 的影響 | 對溫度的影響 | 對濕度的影響 | 對氣流的影響 |
|---|---|---|---|---|
| CO2 濃度上升 | - | 微幅下降 | 微幅下降 | 無影響 |
| 溫度上升 | 有下降傾向 | - | 下降 | 對流增加 |
| 濕度上升 | 無影響 | 微幅上升 | - | 無影響 |
| 風速上升 | 更均一 | 更均一 | 下降 | - |
調整優先順序上，首先要把溫度維持在適當範圍內，因為這是光合作用的基礎條件。接著再把 CO2 濃度調到最佳，這是為光合作用提供原料。再來利用氣流打造均一環境，促進氣體交換。最後才是把濕度維持在適當範圍內，讓蒸散作用保持最佳狀態。
風會左右 CO2 效果
不管您補了多少 CO2，如果送不到植物葉片表面，效果都會很有限。葉片周圍有一層薄薄的空氣層，叫做「邊界層」。這層空氣如果太厚，CO2 的移動就會受阻。適當的風能把邊界層變薄，進而促進 CO2 吸收。
最佳風速會因作物而異，但葉菜類大約在 0.3〜0.5m/s，果菜類大約在 0.5〜0.7m/s。達到這個範圍時，CO2 的利用效率有時能提高 20〜30%。設置循環扇時，不要把風直接對著葉片吹，而是要讓風從植物上方或側邊流過。若長時間直接吹葉片，反而可能傷到葉子。
CO2 投資的損益分界點
供應 CO2 當然有成本。CO2 濃度與產量之間並不是線性關係，到了某個點之後，效果就會開始趨緩。從外氣濃度（約 400ppm）提升到 800ppm 之間，產量大多會近乎線性增加，是最有效的區段；到了 800〜1200ppm，效果會逐漸減弱；超過 1200ppm 之後，成本效益通常就明顯變差。
對多數植物工廠來說，800〜1000ppm 是費用對效果比較好的目標濃度。超過 1000ppm 的濃度，除非是某些特殊的高附加價值作物，不然往往很難算得過來。
判斷最佳環境時，植物本身會給您的觀察重點
不能只看理論，也不能只看數據，還要讀懂植物自己發出的訊號。葉片如果濃綠而且有厚度，通常表示 CO2 環境良好；如果葉片偏薄、略帶黃感，就可能是 CO2 不足。新芽展開速度快、節間緊密，代表整體環境平衡不錯；如果節間被拉長、植物有徒長傾向，通常就是相對於光量來說，CO2 不夠。
養成解讀植物訊號的習慣，您就能發現那些光靠數據還看不出來的環境平衡問題。
總結：空調系統與 CO2 管理決定植物工廠的獲利
空調系統與 CO2 管理之所以會成為獲利改善的關鍵，核心原因就在於，這些都屬於「看不見的環境」。光量和營養液容易被數值化，看得見，也比較容易持續改善。相對地，CO2 濃度、氣流、溫度、濕度之間的交互作用是肉眼看不見的，所以即使出了問題，往往也很晚才找得到真正原因。
在 CO2 與氣流設計上，最重要的就是「組合」這個視角。就算您把 CO2 維持在 1000ppm，如果氣流不均，葉面實際感受到的效果可能只有 400ppm 左右。反過來說，只要氣流設計得對，就算把 CO2 濃度控制得相對保守，仍可能帶來超過成本的增產效果。要把投資報酬率做到最大，與其把單一要素一直往上堆，不如先做好考慮各要素交互作用的平衡設計。
800〜1000ppm 這個目標濃度，對很多作物與設施規模來說，就是成本效益開始趨緩的區間。在考慮再往上追加濃度投資之前，更應該先把氣流死角、溫度不均、設備配置這些「正在阻礙效果的因素」逐一清掉。這樣帶來的獲利衝擊，通常更大。
把理論與現場觀察結合起來，持續轉動改善循環之後，植物工廠的空氣環境就一定能直接反映在獲利上。