數位化環控農業

推薦序一
古在豐樹（日本千葉大學名譽教授）

個人感到非常榮幸與高興，有機會為這本優秀著作《數位化環控農業》撰寫序言。作者方煒博士是國際知名教授，在學術界和產業界一直是環控農業領域（包括溫室和人工光型植物工廠）的領導者。他淵博而精實的學識與經歷，以及積極且溫暖的思慮和熱情，是許多人敬佩他的地方。我認識他已經超過35年，自1986年以來見過他大概上百次，期間經由交談、口頭報告和論文等方式相互學習與交流，收穫豐富。

方博士是數學、建模、程式設計、模擬等方面的專家，擅長應用這些知識與技能進行環控農業工程系統的設計和管理。要開發數學模式，需要廣泛的科學和工程知識，包括物質和能量平衡、溼空氣熱力學、輻射光譜，以及上述這些變因對植物生理和形態、光合作用、呼吸作用、蒸散作用、蒸發作用、乾物質積累與葉面積增長等的影響。

本書其中一個獨特之處，是模式中使用的所有計算式均以MATLAB來呈現。MATLAB是全世界數以萬計的工程師、科學家和學生所使用的程式設計與數值計算平臺，使用者只需更改MATLAB模式中的參數值，即可以圖形或表格的形式一目瞭然地檢視模擬的結果。此功能有助於園藝工作者瞭解模式在各種條件下的適用情形，而無需完全理解模式中變量之間的數學關係以及背後的程式語言。另一方面，工程人員則可以不必花費很多時間來理解植物生理學、溼空氣熱力學等複雜機制，在編寫程式上可以輕鬆許多。

據我所知，方博士是世界上最適合撰寫這樣一本書的研究者，因為他長年撰寫了許多相關論文，並就這些主題發表了一系列的演講。讀者可以挑戰應用本書中介紹的MATLAB模式來解決環控農業的任何問題。這本書不僅對研究人員和學生有幫助，對教育工作者、決策者、商人和一般民眾瞭解環控農業的原理、方法和作用也很有價值。

推薦序二
艾群（國立嘉義大學生物機電工程學系終身特聘教授）

全球暖化與氣候變遷現象日益明顯。近幾年的資料顯示，臺灣正面臨年均溫逐年升高、降雨型態反常、海平面上升、極端氣候事件發生頻率及強度增加等環境問題，均對於農業生產與生物多樣性有負面的影響。傳統農作物的生產方式易受天候、地力及病蟲害等影響，因此產品品質容易良莠不一，使得市場供給經常出現波動。於是，屬於設施農業一環的現代化溫網室生產設施就應運而生了。設施農業是強調以「作物」、「環境控制技術與生產設備」、「溫室設施」（即溫室建築）三大核心環環相扣的作物生產體系。現代化溫網室即是利用資材或設施（備），改善作物生長條件（如光照、溫度、溼度、風速、水分、土壤及養分等），以提供作物最適宜的環境，達到經濟生產的目的。因此，結合植物生理的環境控制策略可說是設施農業中不可或缺的關鍵！

認識方教授已有30年餘了，方教授持續在生物環境控制工程、系統工程、能源工程與植物量產工程等專業領域深耕鑽研。本書即是方教授以多年在溫室環境控制之研究，將環境控制技術與植物生理結合，開發MATLAB數位化環境控制決策軟體，其內容包含溫室通風成本計算與氣象資料運用、蒸發降溫系統設計與模擬、溫室供暖──地面加熱系統之設計、植物蒸散模式與水逆境指標運用、蒸散速率與淨光合速率之模擬、全人工光型植物工廠內耗電設備最佳化及全人工光型植物工廠的質能平衡（二氧化碳、水分及能量等平衡）等溫室環境控制設計的專業知識與技能。

本書強調管理光合作用與呼吸作用的植物生理，並藉助環境控制技術進行作物生長控制策略之理念，可以應用在不同溫室用以依據外界的環境條件模擬設計各種層次的保護作用策略，以建構高整合度、高精密度的智慧型環控溫室，來提供溫室內部適合作物生長的環境。對於溫室農業工作者與研究者而言，本書相當具有參考價值。

推薦序三
陳保基（國立臺灣大學動物科學技術系名譽教授）

方煒教授要我為《數位化環控農業》寫序，但這本書我看不懂，怎麼寫序？方教授說服我的理由，是我曾經是「植物工廠」整合型計畫的總主持人，應該可以說說故事。以下我簡單回顧當年整合的過程，並對智慧農業的發展提出建議。

2007年，國立臺灣大學生物資源暨農學院（臺大生農學院）提出「精緻農業高效節能植物工廠」二年期計畫，經校方送交國外學者審查，獲得李嗣涔校長7000萬元的補助（邁向頂尖大學計畫──五年500億），開始了生農學院跨領域整合計畫，除了在校內將荒廢的頂樓溫室改為全人工光型植物工廠示範場域之外，共有十一個系所、45人次的教授參與；包含工程領域（生物產業機電工程系、生物環境系統工程系）、作物領域（園藝系、農藝系、食品科技研究所）、病蟲害及肥料領域（植物病理與微生物系、昆蟲系、農業化學系）、社會科學領域（農業經濟系、生物產業傳播暨發展系），是很完整的產業型計畫。

2009年開始，由各領域成立計畫向國科會、農委會爭取計畫，一直到2017年，計畫成果受到產業界的肯定，植物工廠成為各高科技公司（LED、自動控制系統、材料科學等）跨領域整合的標的之一。

2006年，方教授提出植物工廠計畫，生農學院組成二梯次教授訪問團到日本考察，當時鴻海集團也派員隨團，由古在豐樹教授接待介紹，讓有興趣參與計畫的教授很快地進入植物工廠領域。在生農學院計畫核定後，計畫總主持人每兩週週末，召集計畫參與者進行進度報告，各計畫主持人、研究助理及學生約70餘人，互相學習，約有半年之久。2009年，方教授和林達德教授在臺大推廣中心開設為期一年的植物工廠學分班，招收企業界人士，將植物工廠的研究成果落實到產業實作上，是很成功的頂尖大學計畫。之後，植物工廠學分班仍持續每年開設，直到2018年為止，累計培訓超過800位學員。

這種跨領域的生產模式，難免會遭遇瓶頸。自動控制系統再怎麼精細有效，都得讓作物能夠順利生長，各方面的條件和細節必須要各領域密切合作，不能各自為政。這點說來簡單，其實做起來並不容易，磨合期間要能拋棄本位主義，才能事半功倍。未來若結合大數據、5G等技術，其發展潛力值得期待。

《數位化環控農業》是方煒教授幾十年經驗累積所凝聚而成的結晶，理論與實務兼具，在本領域是很值得參考的工具書。

推薦序一
古在豐樹（日本千葉大學名譽教授）

個人感到非常榮幸與高興，有機會為這本優秀著作《數位化環控農業》撰寫序言。作者方煒博士是國際知名教授，在學術界和產業界一直是環控農業領域（包括溫室和人工光型植物工廠）的領導者。他淵博而精實的學識與經歷，以及積極且溫暖的思慮和熱情，是許多人敬佩他的地方。我認識他已經超過35年，自1986年以來見過他大概上百次，期間經由交談、口頭報告和論文等方式相互學習與交流，收穫豐富。

方博士是數學、建模、程式設計、模擬等方面的專家，擅長應用這些知識與技能進行環控農業工程系...

作者序（摘錄）

基於環境變遷、資源匱乏與人口暴增等不利傳統農業發展的主、客觀因素，環控農業成了顯學。在設施內進行農、漁、牧業成了趨勢：植物栽培由露天栽培進展到溫室，再發展成植物工廠；經濟動物的飼養由露天到設施內，甚至在大樓內飼養；養殖漁業也由箱網進展到室內；室內養蟲甚至成了動物性蛋白質來源的解方之一，也為太空農業提供了對策。

筆者從事環控農業的教學與研究多年，期能在退休前將溫室工程及植物工廠相關的教材與研究彙整成書，以提供後繼學者參考。本書書名訂為《數位化環控農業》，內容涵括太陽光利用型植物工廠（具環控能力、可供全年栽培的精密型溫室）與全人工光型植物工廠（PPFD）。早期教材使用DOS版軟體輔助教學，近20年來，較複雜的改以MATLAB語言撰寫軟體，較簡易的則直接以Excel做計算。所有軟體都是由筆者撰寫，讀者可以看原始碼學習，更可由引用的計算公式瞭解相關的工程原理。

考慮到全球人口暴增且人們遷移到都市的趨勢，都會農業勢在必行，無論是植物工廠、植物工場、垂直農業、垂直農場、室內農業、室內園藝，這類型的環控農業在全球的發展正方興未艾，尤其是在缺水、缺農地、不缺電、高收入的國家與地區，環控農業順勢成了顯學。

本書一共分為10章，簡介如下：

第1章以太陽能工程基礎的內容為主，這是研究溫室環控、作物栽培、太陽能板發電及太陽熱能運用等領域的入門知識。

第2章以溼空氣熱力性質的計算為主，這是所有環境調控領域所需要具備的基本知識。

第3章介紹四個主題。前兩個主題是自然通風與防蟲網對通風的影響：自然通風涉及溫度差造成的浮力差與室外風速，當風速高時，風速主導著自然通風，當風速低時，溫度差與室內的空氣入口與出口的高度差主導著自然通風；而透過瞭解防蟲網對通風的影響程度，可進而制訂對策來避免或減輕防蟲網的影響。第三個主題介紹最低通風量的計算，應用時機通常是冬季低溫的時候，為維持溫室內適當的溫度、溼度與二氧化碳含量，仍需要最低限度的通風量。最低通風量的計算包括溫度、溼度與二氧化碳濃度的控制，涉及穩態系統的能量與質量守恆原理。相同原理同樣適用於禽畜舍的冬季通風控制。第四個主題介紹整合通風量（V）、水分蒸發散量（E）、空氣溫度（T）、空氣溼度（H）四項環境參數的VETH圖。通風量較低時為自然通風，通風量較高時就屬強制通風的範疇。蒸發散evapotranspiration）涉及植物體的蒸散（transpiration）與室內灑水或噴霧系統帶來的水分之蒸發（evaporation），在室外溫度與相對溼度為已知的狀態下，通風量與水分蒸發散量影響最終的室內溫度與相對溼度。

第4章介紹兩個主題。其一為強制通風下風機全年操作電費的計算，風機的操作依據室內溫度與陽光入射的輻射量所計算的室外溫度。由當地氣象機率分布數值瞭解各溫度範圍的機率值，進而計算風機平均全年操作的工作比，藉此求出啟動強制通風的操作成本。其二為介紹臺灣各地的氣象機率分布軟體，筆者由過去十多年的氣象站資訊，整理出機率分布資訊，相關資訊用於前述通風成本的計算，也用於後續溫室配備風機與溼簾的24小時模擬，以及植物工廠內不同燈光控制策略涉及的電費計算。

第5章亦分兩個部分。首先介紹蒸發冷卻，特別是風機搭配溼簾降溫方法的系統設計，導入三個常用的設計原則，計算建立風機溼簾系統的各種規格，有三種溼簾與九種常用風機可以選擇，並計算所需溼簾高度、長度、水桶容水量、抽水馬達大小等。其次，介紹在強制通風溫室中導入溼簾與噴霧兩種蒸發冷卻降溫方法對溫室內溫度、溼度等影響的模擬，以臺灣幾個城市中過去十多年來最熱一天的溫、溼度數值作為室外溫、溼度，導入溼簾與噴霧的控制，模擬24小時內溫室內的溫、溼度與絕對溼度的變化。

第6章介紹溫室供暖，特別著重於地底加熱系統的設計，討論內容包括使用鍋爐以及熱泵兩種產熱方式的加熱設備。本章軟體原始版來自當年指導我這個主題的老師，也是當年的系主任William Roberts教授，他在2020年新冠肺炎疫情肆虐期間過世，懷念之餘重新更新軟體並動筆寫下本章應是對老師最好的致敬吧！

第7章為第3章中有關水分蒸發散量（E）的延伸。軟體中允許輸入溫室內噴霧系統的設計與操作條件，之後計算蒸發散量；其次討論不同的作物水分蒸散模式，並計算蒸散量。也探討文獻中提到的其他計算方式，例如建立蒸散量與空氣的蒸氣壓差（VPD）或是太陽輻射量之間的迴歸關係式。蒸散模式之所以重要，是因為這涉及作物所需的灌溉量與灌溉頻度。

第8章介紹溫室設施的蒸散速率與淨光合作用速率的模擬，以給定的逐時溫、溼度與太陽能輻射資訊為計算基礎，計算24小時內的蒸散量、蒸氣壓差、光呼吸與暗呼吸的二氧化碳產生量、光合作用速率與淨光合作用速率對二氧化碳的消耗量。同時介紹溫室內的二氧化碳施肥，這涉及溫室的換氣量（自然通風溫室以ACH計算，強制通風溫室以ACM計算）、室外與室內的二氧化碳濃度差、溫室內葉面積與作物對二氧化碳的吸收速率（同化速率或淨光合作用速率）。被植物利用的二氧化碳量除以補充的二氧化碳量，可得出二氧化碳的利用效率，由此效率值可得出溫室二氧化碳施肥時較合理的控制策略。

第9章介紹全人工光型植物工廠主要耗電設備啟用時間的最佳化分析，包括人工光源以及帶走室內（來自於燈光的）熱量的空調設備，要考慮室外溫度影響室內空調的性能係數（COP），還有當尖峰與離峰時間有不同電費時，燈光開啟時機也影響包含燈光與空調的電費支出。為能控制植物工廠的營運成本，何時才是適當的開燈與關燈時機是一個值得探討的問題。本章假設燈光分兩區做控制，每區的開燈時機都可能是由1點至24點整開啟，於是總共存在576個開燈的組合。軟體計算各開燈組合的耗電量與耗電支出，選擇耗電支出最少者提供用戶參考。室外溫度使用臺灣十個地點的氣象測站的數據。

第10章介紹全人工光型植物工廠涉及的二氧化碳平衡、水分平衡與能量平衡，以第8章介紹的單位葉面積蒸散與淨光合作用速率的量化為基礎，計算整廠作物的蒸散速率與光合作用速率，並探討其對廠內溼度與二氧化碳濃度的影響，也探討廠房氣密性對二氧化碳、水分與能量平衡的影響，最後計算整廠的人工光源配置與耗電、空調需求與耗電、二氧化碳施肥與供給量，進而計算此三項涉及的每日、月、年操作成本與單株及單位地板面積的每日操作成本。

本書第7章與第8章涉及植物生理，第9章與第10章雖以全人工光型植物工廠為主，但其內容與其他各章同樣適合溫室工程與禽畜舍工程的教學，因為人工光源與空調的使用，在精密溫室中也不少見。希望讀者的所學能超越本書的內容，對環控農業的學習與研究多所用心，並對臺灣農業、農民、農村的發展做出貢獻，也對今後地球的環境、糧食與資源問題的紓解盡一分心力。

作者序（摘錄）

基於環境變遷、資源匱乏與人口暴增等不利傳統農業發展的主、客觀因素，環控農業成了顯學。在設施內進行農、漁、牧業成了趨勢：植物栽培由露天栽培進展到溫室，再發展成植物工廠；經濟動物的飼養由露天到設施內，甚至在大樓內飼養；養殖漁業也由箱網進展到室內；室內養蟲甚至成了動物性蛋白質來源的解方之一，也為太空農業提供了對策。

筆者從事環控農業的教學與研究多年，期能在退休前將溫室工程及植物工廠相關的教材與研究彙整成書，以提供後繼學者參考。本書書名訂為《數位化環控農業》，內容涵括太陽光利用型植物...

推薦序一／古在豐樹
推薦序二／艾群
推薦序三／陳保基
作者序

第1章　太陽能工程
1.1 Solar0軟體安裝
1.2 Solar0軟體介面與使用說明
1.3 Solar0軟體與氣象站資訊的結合
參考文獻
圖輯

第2章　溼空氣的熱力性質
2.1 背景說明：溼空氣熱力學
2.2 Psymenu軟體安裝
2.3 Psymenu軟體介面與使用說明
2.4 應用例
參考文獻
圖輯
附錄：熱力學參數的計算式與程式

第3章　溫室通風
3.1 背景說明：自然通風與強制通風
3.2 VENT系統軟體安裝與首頁說明
3.3 NV軟體（自然通風）
3.4 Screen軟體（防蟲網）
3.5 VETH軟體
3.6 MINVENT軟體（最低通風量）
參考文獻
圖輯
附錄：Screen軟體相關圖表

第4章　溫室通風成本與氣象資料運用
4.1 VENTCOST軟體安裝
4.2 VENTCOST軟體介面與使用說明
4.3 TAIWEATHER軟體介面與使用說明
4.4 氣象資料的運用
參考文獻
圖輯

第5章　蒸發降溫系統設計與模擬
5.1 PFD與PFFSIM軟體安裝
5.2 PFD設計軟體
5.3 PFFSIM模擬軟體
參考文獻
圖輯

第6章　溫室供暖
6.1 背景說明：溫室供暖的方式
6.2 GHheating軟體安裝
6.3 GHheating軟體介面與使用說明
6.4 熱泵
6.5 溫室加熱需求計算
6.6 緣起與致敬
參考文獻
圖輯
附錄：混合模式的熱傳遞計算

第7章　植物蒸散模式與水逆境指標
7.1 背景說明：模式在水分管理的應用
7.2 蒸發散模式概述
7.3 水氣從植物體內往外傳輸的阻力
7.4 植物需水量的量測
7.5 葉冠面溫度
7.6 作物水逆境指標
7.7 Penman-Monteith蒸散模式
7.8 Penman-Monteith-Fang蒸散模式
7.9 CWSI計算模式
7.10 蒸散量計算軟體
參考文獻
圖輯

第8章　蒸散速率與淨光合作用速率之模擬
8.1 模擬計算軟體工具簡介
8.2 水氣蒸散面臨的擴散阻力之計算
8.3 蒸散速率之計算
8.4 光合作用速率之計算
8.5 暗呼吸與光呼吸速率之計算
8.6 淨光合作用速率之計算
參考文獻
圖輯

第9章　全人工光型植物工廠內耗電設備最佳化
9.1 ElecfeePFAL軟體介面與使用說明
9.2 討論：電費結合作物能源產能的營運評估
圖輯

第10章　全人工光型植物工廠的質能平衡
10.1 全人工光型植物工廠簡介
10.2 PFAL simulator程式介面與使用說明
10.3 情境模擬

參考文獻
圖輯
索引

推薦序一／古在豐樹
推薦序二／艾群
推薦序三／陳保基
作者序

第1章　太陽能工程
1.1 Solar0軟體安裝
1.2 Solar0軟體介面與使用說明
1.3 Solar0軟體與氣象站資訊的結合
參考文獻
圖輯

第2章　溼空氣的熱力性質
2.1 背景說明：溼空氣熱力學
2.2 Psymenu軟體安裝
2.3 Psymenu軟體介面與使用說明
2.4 應用例
參考文獻
圖輯
附錄：熱力學參數的計算式與程式

第3章　溫室通風
3.1 背景說明：自然通風與強制通風
3.2 VENT系統軟體安裝與首頁說明
3.3 NV軟體（自然通風）
3.4 Screen軟體（防蟲網）
3.5 VETH軟體
3...