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第 21 章建筑环境中的水上乐器

** 贡杜拉普罗克斯、亚历克斯·依琴科和奔驰·科岑 **

** 摘要 ** Aquaponics 在城市粮食生产转型方面的潜力已被记录在学术研究和公众对该领域的兴趣迅速增加。 为了将这种宣传转化为现实世界的影响, 必须进一步审查商业农场的建立及其与城市环境的关系. 通过考虑水生养殖场的建设形式，这项研究必须弥合现有文献关于不断增长的系统性能与城市代谢流动之间的差距。 为了评估水生动物城市一体化的潜力，现有案例研究按建筑物围墙的类型分类，其中两个主要类别是温室和室内环境。 这种分类允许对农场在其上下文中的性能作出一些假设，但需要进行更深入的生命周期评估 (LCA) 来评估不同的配置。 本文提出了长期合作协议方法，以便在城市建筑环境下对水生系统的环境影响产生影响的设计标准和相应战略进行清点。

** 关键词 ** 水生分类·城市水生动物·外壳类型·温室·室内种植·控制环境农业·生命周期评估

内容

-21.1 导言 -21.2 控制环境水生动物分类 -21.3 商业农场的附件类型和案例研究 -21.4 评估附件类型和可能的应用 -21.5 作为设计框架的影响评估 -21.6 综合城市水上乐器 -21.7 结论 -参考资料

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G. 普罗克斯 · 艾琴科

美国华盛顿大学建筑环境学院建筑系

B. 科岑

英国伦敦格林威治大学设计学院

© 作者（S）2019 523

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  1. 21.1 导言

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    Aquaponics 已被公认为是 “可以改变我们生活的十大技术” 之一，因为它具有彻底改变我们养活不断增长的城市人口的方式的潜力（Van Woensel 等人，2015 年）。 这种无土循环生长系统在过去几年里激发了学术研究的不断增加，并激发了公众的兴趣，2016 年谷歌与 Google Scholar 的搜索结果比例很高（Junge 等人，2017 年）。 很长一段时间以来，水上乐器一直主要实践作为后院爱好。 由于消费者对有机、可持续耕作方法的强烈兴趣，现在越来越多地用于商业上。 华盛顿大学 CITYFOOD 团队于 2018 年 7 月进行的一项调查显示，在过去 6 年中，商业水上乐器运营的数量迅速增加。 这次对水上乐器运营的重点搜索发现，北美有 142 个活跃的营利性水上乐园业务。 根据在线信息，94% 的农场自 2012 年以来已经开始商业规模运营；只有 9 个商业水上养殖场运营超过 6 年（图 21.1）。

    大多数接受调查的水上活动都位于农村地区, 往往与现有农场相连, 以利用低土地价格,

    模拟效果 =” https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "样式 =" 缩放：48%;”/

    ** 图 21.1** 北美现有水上乐园从业人员, 142 家商业公司 (红色) 和

    17 个研究中心 (蓝色), (城市食品, 2018 年 7 月)

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    ** 图 21.2** 欧洲各地的水上乐器：50 个研究中心（蓝色）和 45 个商业公司（红色）。 （2017 年欧盟水上乐器中心）

    基础设施和有利于农业结构的建筑法规. 无论如何，越来越多的水上活动也位于城市。 由于其物理占地面积相对较小，生产率高，非常适合在城市环境中进行操作（Junge 等人，2017 年）。 2017 年在欧盟（EU）Aquaponics 中心主持下进行的调查发现，在欧盟运营的 50 个研究中心和 45 家商业公司（图 21.2）。 这些公司的规模从小到中等规模不等。

    21.1.1 城市环境中的水上乐器

    空间在城市中是一种宝贵的商品。 城市农场必须有足智多谋，才能找到可用的地点，例如空地、现有屋顶以及农业企业负担得起的未充分利用的仓库 (de Graaf 2012；De La Salle 和荷兰，2010 年)。 城市水上养殖场需要平衡较高的生产成本和城市地区提供的有竞争力的营销和分销优势。 在城市定位水上乐园运营的最大好处在于消费市场不断增长，对新鲜、高质量和当地种植的农产品感兴趣。 当遵守当地有机农产品法规时，城市农场可以为其水果种植的绿叶蔬菜、草药和西红柿实现优惠价格（Quagrainie 等人，2018 年）。 与水培学不同，水生动物也具有生产鱼类的能力，从而进一步提高了城市环境中的经济生存能力，这种环境往往具有不同的饮食需求（König 等人，2016 年）。 城市水上养殖场还可以通过缩短与消费者的交通距离并减少农作物储存需求来节省一些运营成本（dos Santos 2016）。

    城市环境条件也对水生养殖场有利。 城市的平均气温高于农村环境 (斯图尔特和奥克 2010)。 尤其是在寒冷地区，农场可以受益于城市气候温暖，这有助于降低供暖需求和运营成本（Proksch 2017）。 与宿主建筑物的建筑系统相结合的水上养殖场可以进一步利用城市资源，例如废热和废气中的 COSuB2/Sub，从而有利于植物的生长，作为传统 COSub2/Sub 施肥的替代品。 城市农场还可以帮助减轻夏季城市热岛效应的负面影响。 增加的植被，即使在温室生长，也有助于通过增加蒸散量降低环境温度 (Pearson 等人, 2010 年)。 在水生动物中，利用循环水基础设施减少了生产鱼类和生菜的总体用水量，因此可以对城市水循环产生积极影响。 水产种植的农产品致力于结束营养周期，从而避免农业径流的生产。 通过主要环境系统内的智能资源管理，水产养殖有助于减少工业农业通常造成的过度耗水和富营养化。

    21.1.2 水生动物作为可控环境农业（CEA）

    传统的农业技术将自然作物种植季节的范围从最小的环境改变（例如在土壤田地上使用的临时圈屋）到永久性设施的全面环境控制，无论当地气候如何，都能实现全年生产（控制环境农业, 1973 年). 后一项战略也称为控制环境农业 (CEA)，包括温室和室内种植设施。 除了控制室内气候外，CEA 还显著降低了作物损失的风险，以及对除草剂和杀虫剂的需求（Benke 和 Tomkins 2017）。 大多数水生动作业被认为是 CEA，因为它们结合了两个复杂的生长系统（水产养殖和水耕），这两个系统都需要有控制的生长条件来保证最佳的生产效率。 此外，CEA 使全年生产能够摊销对水生基础设施的高投资，并在自然生长季节以外的市场上实现优质作物价格。 水生养殖场的性能在很大程度上取决于当地气候和季节性波动（Graamans 等人，2018 年）。

    由于水产养殖是一个相对较年轻的学科，现有的大部分研究都集中在系统层面，例如，评估水产养殖与不同配置水培技术结合的研究（Fang 等人，2017 年；Lastiri 等人，2018 年；Monsees 等人，2017 年）。 尽管各个水声系统组件及其相互作用仍然可以进一步优化，以提高生产率，但它们在受控环境范围内的性能尚未得到全面解决。 近期在 CEA 的研究已经开始评估水培系统性能与建筑环境性能一起进行评估，尽管迄今为止只有一项研究可控包络中的水培系统性能（Benis 等人. 2017a；Körner 等人. 2017；Molin 和 Martin 2018a；Sanjuandelmás 等人。2018 年）。

    21.1.3 水上生物学研究合作

    目前对水上乐器的兴趣扩大导致建立了若干由欧洲联盟（欧盟）资助的跨学科水上乐器相关研究合作项目。 COST FA1305 项目创建了欧盟 Aquaponics 中心（2014—2018 年），将水生研究和商业生产商聚集在一起，以更好地了解水上乐器的最新状况，并在欧盟和世界各地开展协调一致的研究和教育工作。 创新的专业应用水上乐器（INAPRO）（2014—2017 年），由 17 个国际合作伙伴组成，旨在通过开发模型和建造原型温室来推进农村和城市水上乐学的现有方法。 由欧盟、贝尔蒙特论坛和各自的科学基金会共同资助的可持续城市增长倡议 (SUGI) 项目 CITYFOOD (2018—2021 年) 研究了水生动物在城市环境中的融合及其对全球粮食-水-能源关系挑战的潜在影响。

  2. 21.2 控制环境水生物的分类

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    Aquaponics 一词用于描述各种不同的系统和操作，在尺寸、技术水平、外壳类型、主要用途和地理环境方面有很大差异（Junge 等人，2017 年）。 水生养殖场分类标准的第一个版本包括利益相关者目标、储罐体积以及描述水产养殖和水培系统组成部分的参数（Mauerii

    模拟效果 =” https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "样式 =" 缩放：48%;”/

    图 21.3 识别水生养殖场类型的分类标准

    及其他人，2018 年)。 一大批研究人员进行了额外的工作，以进一步界定水生动物学，并提出基于国际共识的术语（Palm 等人，2018 年）。 这导致对系统类型和尺度进行了全面讨论，最重要的是对水生生物的定义：“维持最佳植物生长的大多数营养物质（\ > 50%）必须来自喂养水生生物的废物。不考虑运作的商业水产养殖场的其他基本方面. 随着水生运营成为当地经济的一部分，通过建筑、经济学和社会学等领域的跨学科研究确定的分类标准也将变得必不可少。

    本分类提案侧重于通过建筑环境的视角，商业水上乐器运营的新兴领域。 描述水生动作的主要特征分为四种不同的类别：生长系统、外壳、操作和环境（图 21.3）。 分类标准的这些类别在不同尺度上相互影响，在这种情况下，不断增长的系统配置可能会影响农场作为企业的情境性能，或者当地市场需求可以决定水生系统中种植的作物类型。 一些农场分类标准与所有规模相关，例如以油罐体量、种植面积、雇员人数和年收入衡量的 “大小”（表 21.1）。

    -生长系统 _ 分类标准描述了相互关联的水产养殖和水培系统的配置。 其中包括实现水和养分再循环的物理组件（例如水箱、过滤器、泵和管道）、在不同阶段转变现有营养素的生物体（包括鱼类、植物和微生物种），以及描述物理系统的性能，例如温度、pH 值、氧/碳含量和导电率（Alsanius 等人，2017 年）。

    ** 表 21.1** 水生养殖场类型的可能分类标准

    表 海神 tr 类 = "标题” 生长系统/th 日 附文 /th 日 操作 /th 日 上下文 /th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” TDA 养殖系统类型 /td td 附件类型 /td td 宗旨 /td td 地理位置 /td /tr tr 类 = "偶数” TD鱼种类/td td 结构系统 /td td 利益攸关 /td td 物理上下文 /td /tr tr 类 = "奇数” TD水温度/td td 信封组件盖材料 /td td 业务模式 /td td 环境影响 /td /tr tr 类 = "偶数” TD过滤系统/td td 加热/冷却系统 /td td 劳动力 分布 /td td 社会经济背景 /td /tr tr 类 = "奇数” TD馈送类型 /td td 光源 /td td 资金类型 /td td 行跨度 =4 社会影响 /td /tr tr 类 = "偶数” TD水系统类型/td td 通风系统 /td td 市场推广计划 /td /tr tr 类 = "奇数” TD作物种类/td TD 行跨度 =2 主机建筑集成 /td TD 行跨度 =2 分布模型 /td /tr tr 类 = "偶数” TD水分配系统/td /tr /tbody /表格

    -外壳分类标准定义了在下一个规模下容纳不断增长的系统的建筑物的特征。 大多数水生养殖场使用 CEA 外壳，这些外壳因识别类型（如温室或仓库）、结构系统、供暖和冷却系统、照明、通风和湿度控制系统而异（Benke 和 Tomkins 2017）。 -经营分类标准描述了每个水生农场如何作为一个企业和农场运作，其中包括种植和销售农产品所必需的人类专业知识和劳动力投入。 本部分的标准包括资金类型、业务结构和管理、劳动力要求和部门、营销计划、生产分销模式以及水产设施的总体目标。 -最大规模的背景分类标准描述水生养殖场的地理位置、物理环境、城市一体化和整体社会影响。 背景标准描述了水生养殖场如何成为城市食物链和建筑环境的一部分，能够在全城范围内影响经济增长、社会参与和大规模环境影响（dos Santos 2016）。

  3. 21.3 商业农场的外壳类型和案例研究

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    此次进一步调查侧重于定义封装级别的水生分类标准，以补充现有的系统级定义。 此处讨论的外壳类型与不同的建筑系统、技术控制水平、被动气候控制策略和能源结合使用，以实现适当的室内气候。 每种围栏类型的最佳应用主要取决于作业规模、地理位置、当地气候、目标鱼类和作物种、它所容纳系统的所需参数以及预算。 本研究确定了五种不同的外壳类型，并定义了水产养殖基础设施的室内空间的特征。

    21.3.1 温室类型

    该分类包括适用于商业级水上乐园运营的四类温室 — — 中型科技温室、被动太阳能温室、高科技温室和屋顶温室 (表 21.2)。 现有的温室可能不完全符合单一类型，但由于有选择地采用了主动和被动的环境控制技术，属于从中等技术到高科技的范围。

    ** 中高科技温室 ** 温室拥有中等水平的室内气候控制技术，包括独立式或与排水沟相连的 Quonset（日森小屋型）、环屋（多隧道）和不同的温室。 它们通常覆盖着双聚乙烯薄膜 (PE) 或硬质塑料板，例如丙烯酸板 (PMMA) 和聚碳酸酯板 (PC)。 这些温室的安装费用较低，但由于不断接触紫外线辐射导致的快速退化，需要频繁更换薄膜（Proksch 2017）。 这些温室保护作物免受极端天气事件的影响，并在一定程度上保护病原体的影响，但它们只能提供有限的积极气候控制。 相反，它们依靠太阳辐射、简单的遮光系统和自然通风。 中型科技温室在一定范围内改变生长条件的能力有限，因此很少用于在寒冷气候下为水生养殖场提供住房。 这是因为对水培和水产养殖部分的初始投资很高，需要一个稳定的环境和可靠的全年生产才能具有商业可行性。

    在温暖的气候下，Aquaponic 运营成功地展示了中型科技温室的使用，这些温室采用了蒸发式冷却和简单的加热系统。 例如，位于美国得克萨斯州霍克利的可持续收割机使用一个简单的昆塞特温室（12,000 英镑 /1110 msup2/sup）进行全年生菜生产，而无需依赖大量的补充供暖或照明。 位于美国加利福尼亚州半月湾的奥罗伯罗斯农场使用现有的温室（20,000 英镑 /1860 平方米/苏普）生产生菜、绿叶蔬菜和草药（图 21.4）。 由于气候温和，农场主要使用静态阴影，很少补充供暖和冷却。 这两个养殖场与许多较小的中型技术作业一样，把它们的鱼缸放在与水培作物种植系统相同的温室空间。 养殖场种植的鱼类可以耐受宽温度范围（罗非鱼）和遮阳水产养殖罐，以防止过热和藻类生长。

    ** 表 21.2** 按附件类型分列的案例研究比较

    表 海神 tr 类 = "标题” THCEA 类型/th 日 案例研究 /th 日 施工系统 /th 日 控制 /th 日 生长季节性/sup 和 纬度 /th 日 硬度带/sup /th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” TD 罗马 =6 个中型科技温室 美国加利福尼亚州半月湾奥罗伯罗斯农场 3 号（20,000 英镑 /1860 秒/苏格兰） /td td 行跨度 =3 现有的、排水沟连接的 GH，有两个均匀跨度，覆盖单板玻璃，鱼缸采用 GH /td td 行跨度 =3 静态阴影、遮光窗帘 /td td 行跨 = 2 319 天/10.6 个月 /td td 10a /td /tr tr 类 = "偶数” td 三十至三十五 /td /tr tr 类 = "奇数” td 37.5 英尺 /td td -1.1 至 1.7 摄氏度 /td /tr tr 类 = "偶数” td 行跨度 =3 美国德克萨斯州霍克利的可持续收割机 (12,000 瑞士法郎 /1110 亿苏特/苏格兰/苏格兰) /td td 行跨度 =3 Quonset 框架，多隧道 (3) GH，包覆 PE-薄膜和刚性塑料板，GH 鱼缸 /td td 行跨度 =3 蒸发冷却，强制通风 /td td 行跨 = 2 272 天/九个月 /td td 8b /td /tr tr 类 = "奇数” td 十五至二十 F /td /tr tr 类 = "偶数” td 30.0 ˚N /td td -9.4 至 6 摄氏度 /td /tr tr 类 = "奇数” td 罗斯潘 =6 被动太阳能温室 /td td 行跨度 =3 水上乐园太阳能温室，德国莱茵河畔新堡（2000 英镑 /180 毫升/苏普） /td td 行跨度 =3 （中国）太阳能温室，用土坯墙作为额外的热质量，覆盖 ETFE 薄膜，鱼缸在 GH /td td 行跨度 =3 用于遮阳和能源生产的定制光伏模块 /td td 行跨 = 2 202 个月 /6.6 个月 /td td 8a /td /tr tr 类 = "偶数” td 10—15 F /td /tr tr 类 = "奇数” td 47.8 ˚N /td td -12.2 至-9.4 摄氏度 /td /tr tr 类 = "偶数” td 行跨度 =3 美国佛蒙特州贝克斯菲尔德的芬恩和根茨生态方舟温室（6000 平方英尺/560 平方米/苏普 2 个/苏普） /td td 行跨度 =3 太阳能温室，土壤遮蔽，南面屋顶陡角（约 60），厚绝缘，特殊太阳能集热玻璃，北部鱼缸，地下一侧 /td td 行跨度 =3 木燃辐射热、能量窗帘、堆叠通风、补充 LED 照明 /td td 行跨 = 2 108 天/3.6 个月 /td td 4a /td /tr tr 类 = "奇数” td -30 至 25 F /td /tr tr 类 = "偶数” td 44.8 英尺 /td td -34.4 至-31.7 /td /tr tr 类 = "奇数” TD 罗斯潘 =6 高科技温室 /td td 行跨度 =3 美国威斯康星州希克斯顿高级新鲜农场（123,000 瑞士法郎 /11,430 每秒/苏格兰） /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接，（20 41 个海湾），玻璃覆盖，鱼缸在独立建筑 /td td 行跨度 =3 计算机控制的 CEA 环境，补充 LED 照明， /td td 行跨 = 2 122 天/4.1 个月 /td td 4b /td /tr tr 类 = "偶数” td -25 至 20 摄氏度 /td /tr tr 类 = "奇数” td 44.4 N /td td -31.7 至-28.9 /td /tr tr 类 = "偶数” td 行跨度 =3 澳大利亚新南威尔士州科比蒂州蓝色智能农场 (53,800 英镑 /5000 立方米/苏格兰/苏格兰) /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接， （14 18 个海湾），覆盖玻璃，两层建筑，较低层鱼缸 /td td 行跨度 =3 计算机控制的 CEA 环境生物害虫防治 /td td 行跨 = 2 300 天/10 个月 /td td 9b /td /tr tr 类 = "奇数” td 二十五至三十 F /td /tr tr 类 = "偶数” td 34.0˚S /td td -3.9 至-1.1 摄氏度 /td /tr tr 类 = "奇数” TD 罗斯潘 =6 屋顶温室 /td td 行跨度 =3 瑞士巴特拉格斯，亚格尔阿夸波尼克腊肠农场（12,900 平方米 /1200 平方米/苏格） /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接，（7 13 个海湾），覆盖玻璃，较低层的鱼缸 /td td 行跨度 =3 CEA 环境，补充 LED 照明，冷却设备排气热的使用 /td td 行跨 = 2 199 天/6.6 个月 /td td 7b /td /tr tr 类 = "偶数” td 5 至 10 F /td /tr tr 类 = "奇数” td 47.0° /td td -15.0 至-12.2 摄氏度 /td /tr tr 类 = "偶数” td 行跨度 =3 比利时布鲁塞尔，比利时（21,600 英镑 /2000 亿美元/苏普） /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接，（15 个 10 个海湾），覆盖玻璃，较低层的鱼缸 /td td 行跨度 =3 CEA 环境，补充 LED 照明 /td td 行跨 = 2 224 天/7.3 个月 /td td 8b /td /tr tr 类 = "奇数” td 十五至二十 F /td /tr tr 类 = "偶数” td 50.8 毫升 /td td -9.46 至-6.7 摄氏度 /td /tr tr 类 = "奇数” td 罗斯文 =6 室内生长空间 /td td 行跨度 =3 城市有机植物，施密特啤酒厂，明尼苏达州圣保罗，美国 (87,000 英镑 /8080 每秒/苏格兰) /td td 行跨度 =3 钢框仓库，高度绝缘，堆叠生长，鱼缸在独立空间 /td td 行跨度 =3 荧光紫外线照明，电脑控制的 CEA 环境 /td td 行跨 = 2 140 天/4.7 个月 /td td 4b /td /tr tr 类 = "偶数” td -25 至 20 摄氏度 /td /tr tr 类 = "奇数” td 45.0° /td td -31.7 至 28.9 摄氏度 /td /tr tr 类 = "偶数” td 行跨度 =3 加拿大，舍伍德帕克，加拿大（10,800 英镑 /1000 立方米/苏特/苏格兰） /td td 行跨度 =3 钢框仓库，高度绝缘，堆叠生长，鱼缸在独立空间 /td td 行跨度 =3 LED 照明，电脑控制的 CEA 环境 /td td 行跨 = 2 121 天/4 个月 /td td 4a /td /tr tr 类 = "奇数” td -30 至 25 F /td /tr tr 类 = "偶数” td 53.5 英尺 /td td -34.4 至-31.7 /td /tr /tbody /表格

    SUP/ 无冰种植季节，国家园艺协会，工具和应用程序，https://garden.org/ 应用程序/日历/

    SUB/ SUB 基于美国农业部硬度区图，其中确定了年平均最低冬季气温 (1976-2005 年)，划分为 10 F 区。 植物图, https://www.plantmaps.com/ index.php

    ** 被动式太阳能温室 ** 这种温室类型是专为太阳能加热而设计的。 相当大的热质量元素，例如坚实的朝北墙，以热的形式储存太阳能，然后在夜间较寒冷的时候再次辐射。 这种方法可缓冲空气温度波动，并可减少或消除对化石燃料的需求。 太阳能温室有一个透明的朝南侧和一个不透明的、巨大的、高度绝缘的朝北侧。 以鱼缸形式集成大量水是这种温室类型的热性能的资产。 此外，这些储罐可以位于不太适合植物种植的温室区域，或者部分浸入地面以增加热稳定性。

    img src=” https://www.fao.org/3/i4626e/i4626e.pdf "样式 =" 缩放：75%;”/

    ** 图 21.4** 奥罗伯罗斯农场（半月湾，美国加利福尼亚州）

    由弗朗茨施赖尔开发和测试的 Aquaponic 太阳能温室（2000 sf/180 msup2/sup）已被证明是在德国南部安装一个小型水生系统的合适环境。 温室通过朝南的拱形屋顶和墙壁覆盖着乙烯四氟乙烯 (ETFE) 薄膜，收集太阳能。 热量储存在部分浸没的鱼缸、地板和覆盖物的北壁，以便在夜间消散。 温室的定制光伏（PV）板将太阳辐射转化为电力。 位于美国佛蒙特州较寒冷的气候，芬兰和罗茨农场的生态方舟温室（6000 sf/560 msup2/sup）拥有一个水生系统，可与类似的被动太阳能方法一起工作。 温室有一个陡峭的（约 60℃）朝南的透明屋顶，配有特殊的太阳能收集玻璃（图 21.5）。 其高度绝缘，不透明的北侧被淹没在山坡上，并容纳鱼缸。 除了这些被动控制装置外，Eco-Ark 还有辐射式地板采暖，可在最寒冷的季节补充供暖。

    ** 高科技温室 ** 温洛风格的高科技温室，采用高水平的科技控制室内气候，是商业规模水耕 CEA 的标准。 高科技温室的特点是计算机控制和自动化基础设施，如自动热窗帘、自动照明阵列和强制空气通风系统。 这些技术能够实现高水平的环境控制，尽管它们是以高能耗为代价的。

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    ** 图 21.5** 芬兰根农场的生态方舟温室（美国佛蒙特州贝克斯菲尔德）

    一些大型商业水生养殖场使用这种温室类型来进行植物生产，如位于美国威斯康星州希克斯顿的 Superier Fresh 农场（123,000 英镑 /11,430 msup2/sup），水产养殖系统安装在一个单独的不透明外壳中。 自动补充 LED 照明和加热功能使 Super Fresh 农场能够全年种植绿叶，尽管冬季缺乏日光，自然无霜的生长季节仅持续 4 个月。 用于内部气候控制的自动化系统使得高科技温室能够在世界任何地方运行 — Blue Smart Farm 温室使用一系列传感器来优化澳大利亚炎热夏季的阴影。

    Thanet Earth，英国最大的温室综合体，位于英国东南部。 它的五个温室每个占地超过 17 英亩（7 公顷），使用水培法种植西红柿、辣椒和黄瓜（图 21.6）。 这家企业由一个组合的热电系统（CHP）供电，为温室提供电力、热能和 COSub2/Sub。 热电联产系统的运作效率非常高，通过将多余的能源输送到本地供电网中。 此外，能量窗帘、高强度放电补充照明和通风等计算机控制技术可以调节室内生长条件。

    ** 屋顶温室 ** 这种最近的类型包括在宿主建筑物顶部建造的温室，可作为现有结构的改造或作为新建筑的一部分。 由于土地成本高，节省空间对于城市环境中的水上养殖场来说越来越重要。 将温室连接到现有建筑是城市农民的一个策略，希望恢复未充分利用的空间并在城市找到中心位置。 屋顶温室已被商业规模的水耕种者使用，但由于额外的水重可能会使现有结构超出其承载能力，因此对于水生养殖场而言是一种相对罕见的围墙类型。 目前存在的少数屋顶水上养殖场优先考虑轻量化水分配系统（营养膜技术或基于介质的种植而不是深水养殖），由于对自然光的需求相对减少，它们的鱼槽位于作物种植面积以下。

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    ** 图 21.6** Thanet Earth，最先进的温室，结合了热和电力供应，（塔内岛位于英国肯特，英国）

    两个屋顶农场配有高科技水生系统，最近在欧洲开设。 两人都咨询了柏林的高效城市农业（ECF）农场系统顾问。 位于瑞士巴特拉格斯的 Eco-Jäger Aquaponik Dachfarm 坐落在一家家族农产品公司的分销中心之上。 文洛风格的屋顶温室（12,900 平方米 /1200 平方米/苏普）位于一栋两层楼的仓库建筑内，鱼缸安装在温室下方的地板上。 通过在屋顶种植绿叶蔬菜和草药，ECCO-Jäger 减少了交通需求，并可以在收获后立即提供农产品。 此外，农场利用其冷藏产生的废热来加热温室。 BIGH 的 Ferme Abattoir（21,600 英镑 /2000 msup2/sup）是类似文洛风格的屋顶温室（图 21.7）的较大版本，占据比利时布鲁塞尔 Foodmet 市场大厅的屋顶。 这些早期的例子表明，通过将水、能源和空气流连接到农场和宿主建筑之间（称为建筑综合农业（BIA）），可以进一步优化水生和包络性能。 目前，正在对巴塞罗那自治大学（UAB）环境科学和技术研究所（ICTA）和加泰罗尼亚古生物学研究所（ICP）共享的建筑内的旗舰水培综合屋顶温室进行研究，以挖掘全面的好处尽管在水生学领域没有这样的例子来确定完全一体化建筑的好处, 但在水生学领域没有这样的例子.

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    ** 图 21.7** 大菲尔梅阿巴托瓦与高科技温室的背景（比利时布鲁塞尔）

    21.3.2 室内生长类型

    室内生长空间完全依赖人工光源进行植物生产。 通常，这些不断增长的空间都是高度绝缘的，包裹在不透明的材料中，最初用作储藏室或工业制造室。 由于采用了包络材料，室内种植空间通常比温室具有更好的隔热性，但不能依靠日光照明或天然采暖。 假设这种类型学更适合于极端气候，因为温度波动比照明更为关注（Graamans 等人，2018 年），尽管还需要进行更有结论性的研究。

    Urban Organics 在美国明尼苏达州圣保罗工业核心的两家经过翻新的啤酒厂内运营着两个商业规模的室内种植水上乐园。 两个农场在由荧光生长灯照亮的堆叠生长床上种植绿叶和草药（图 21.8）。 它们的第二个地点使 Urban Organics 能够利用现有含水层周围的啤酒厂基础设施；含水层水只需处理极少，供应 10 摄氏度的北极炭和虹鳟鱼罐。 使用现有的结构降低了城市有机物的建设成本，并提供了机会振兴这个城市的艰难地区。 在更寒冷的气候下，Nutraponics 在加拿大艾伯塔省埃德蒙顿市郊 40 公里处的一个仓库里种植绿叶蔬菜。 由于当地农产品高度依赖季节性温度波动，Nutraponics 通过采用 LED 照明加速农作物全年生长，获得了市场上的竞争优势（图 21.9）。

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    ** 图 21.8** 城市有机物（美国明尼苏达州圣保罗）

    21.3.3 水产养殖的外壳

    由于鱼类不需要阳光生长，因此水产养殖作业中水产养殖部件的外壳在技术上不如水培组件的外壳设计那么苛刻。 然而，对室内生长条件的控制使农民能够优化生长，减少压力，并制定精确的鱼类生产时间表，从而使他们的鱼种在市场上具有竞争优势（Bregnballe 2015）。 水产养殖空间外壳主要是为了保持水温稳定。 鱼缸应该能够支持特定鱼种、温水鱼 75-86˚F（24-30℃）和冷水鱼 54-74 F（12-23℃）的舒适水温范围（Alsanius 等人，2017 年）。 如果鱼缸安装在绝缘良好的空间内，只有很少的窗户，从而最大限度地减少夏季的太阳能收益和外部温度下降时的温度损失（Pattillo 2017），就可以最有效地控制水和室温。 需要从建筑角度考虑鱼类养殖所需的大量水，因为这会对建筑物内的结构和调节系统造成影响。

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    ** 图 21.9** 保特拉邦尼克斯（舍伍德帕克，加拿大艾伯塔省）

  4. 21.4 评估外壳类型和可能的应用

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    水生养殖场的实际表现取决于许多具体情况因素。 通过比较少的案例研究，可以得出关于封装类型的优势、挑战和可能的应用的一些初步结论。 需要对更多现有案例研究进行实证研究，以确定外壳类型、地理位置和商业成功之间的相关性。

    由于环境控制能力有限，中型高科技温室 _ 仅在温和冬季和适度夏季的温带气候中提供了一种商业上可行的选择。 在不需要太多加热和冷却的地方，使用这种温室类型的农场可以以节约资源的方式运行，同时降低其外壳的前期投资。 这些养殖场通常以较低的预算运作，并且在同一温室内设有鱼缸，这将它们的鱼类种类限制在具有较高温度耐受性的鱼类，并将其商业重点放在生菜、绿叶蔬菜和草药的生产上。

    _ 被动式太阳能温室 _ 依靠被动系统，特别是使用热质量来控制室内气候。 在水生系统中使用这种类型是有利的，因为鱼缸中的大量水提供了额外的热量。 由于它们的能源效率，它们常常用于北纬地区，那里的传统温室需要高水平的补充供暖。 然而，由于冬季光线低和白天短，这些地区的任何温室的运作都依赖于使用补充照明。 虽然欧洲和北美的被动太阳能温室目前正在小规模的实验范围内使用，但在中国 183 万英亩（74 万公顷）的农田上，这些单斜坡、节能温室在较普遍的应用表明，这种类型可以成功实施了大规模（高等人，2010 年）。

    _ 高科技温室 _，尤其是大型 Venlo-式、排水沟连接系统，是商业水培生产的行业标准。 最大的资金充足的商业水产养殖场将这种类型用于水培生长系统，并为其水产养殖基础设施提供一个独立的外壳。 这种设置保证了最高水平的环境控制以及作物和鱼类的生产率。 从技术上讲，这种类型的温室可以在任何地方运作，只要产生的收入支付在极端气候下的高能源和运营成本。 然而，由于大量需要取暖和补充照明，在北纬某些地区，这种作业可能不会对环境敏感。 高科技温室的确切环境足迹只能根据每个项目进行评估，主要取决于用于补充热和光的能源的质量。

    大多数屋顶温室是文洛风格的高科技温室，建在屋顶上。 虽然存在类似的好处和挑战，但屋顶温室的建造甚至比普通高科技温室更昂贵，这主要是由于建筑规范和建筑要求。 屋顶温室的结构系统往往超出面积，以符合商业办公楼的建筑规范，这些规范比农业结构的建筑法规要求更为严格。 此外，屋顶上的水上运营需要额外的基础设施才能进入屋顶，并遵守防火和出口法规，这在最近的一个例子中产生了喷水灭火设备温室（Proksch 2017）。 屋顶温室最有希望的应用是在城市中心的主机建筑顶部。 城市屋顶通常提供充足的阳光照射，温室需要有效运作 — 这种资源通常缺乏，或者至少由于阴影而不一致，在密集的城市地区（Ackerman，2012 年）。 如果有目的设计，宿主建筑物可以提供其他资源，例如排气热和 COSub2/Sub，使屋顶水上养殖场的运作更加可行。 这种与东道建筑的整合可以产生能源和环境协同增效作用，从而改善温室建筑和宿主建筑的性能。

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    ** 图 21.10** INAPRO 水上乐器外壳有两个部分，不透明的鱼类和植物温室（西班牙穆尔西亚）

    _ 室内生长空间 _ 完全依赖人工照明和主动控制系统进行加热、冷却和通风，从而导致高能耗、环境足迹和运营成本。 这种类型学最适用于冬天寒冷和生长季节短的地区，在这些地区，自然暴露于阳光和热量增加很少，需要大量补充物来运营一个商业水生温室。 使用不透明的外壳可实现高级别的绝缘，从而减少冬季的热损失，并提供免受外部温度波动的影响。 除了依赖电气照明外，室内生长超过了温室的生产率，如水、COSub2/Sub 和土地面积（Graamans 等人，2018 年）。 此外，通过使用堆叠式种植系统，土地面积单位产量可能会高得多。 关于城市水上乐园的城市一体化，室内种植空间允许工业建筑物和仓库的适应性再利用，从而降低建造围墙的前期成本，并支持服务不足的社区的水生养殖场整合。

    面向专业应用的创新型 Aquaponics（INAPRO，2018）项目设置包括在德国、比利时和西班牙的多个地点比较最先进的水生系统和温室技术。 位于中国的水生系统被安置在一个被动的太阳能温室。 国家航空研究所在欧洲的水生设施使用玻璃包覆的温室型进行植物生产，并使用工业类型的棚部件用于鱼缸和过滤装置（图 21.10）。 国家气候研究所项目表明, 温室技术需要加以调整和选择, 以适应当地的气候条件. 西班牙 INAPRO 团队发现，选定的外壳非常适合于较冷的北欧地区，但不适用于南欧较温暖的地中海地区。 这一观察强调了对温室类型学性能进行更多研究的重要性，以推动商业水产养殖业务领域的发展。

    虽然对不同类型的比较显示了类型、位置和投资之间的某些性能模式（表 21.3），但为了全面了解农场绩效和环境影响，需要有一个更强大的系统来分析和设计农场外壳。

  5. 21.5 作为设计框架的影响评估

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    水生动物的发展以及普遍认为水生动物比其他形式的粮食生产更具可持续性的说法，激发了人们对这些系统实际上如何可持续性的讨论和研究。 生命周期评估 (LCA) 是一种关键的量化方法，可用于通过评估产品整个生命周期对环境的影响来分析农业和建筑环境的可持续性。 对于建筑物而言，LCA 可以分为两种类型的影响 — _实施/影响，包括材料的提取、制造、建造、拆除和处置/再利用，以及涉及建筑系统维护的操作影响（Simonen 2014 年）。 同样，对农产品进行评估也可以分为建筑物封套和系统基础设施的结构影响、与连续耕作有关的生产影响以及包装、储存和分销的收获后影响（Payen 等人，2015 年）。 对水生养殖场进行长期合作需要同时了解建筑和农业的影响，因为在包络的 _ 运营阶段与作物的 _ 生产阶段存在重叠。 建筑物的供暖、冷却和照明系统的运作方式直接影响作物的种植；反之，不同类型的作物需要不同的环境条件。 目前有许多研究比较不同环境下不同建筑类型的生命周期分析结果（Zabalza Bribián 等人，2009 年）。 同样，农业部门也使用长效合同来比较不同作物和种植系统的效率（He 等人，2016 年；Payen 等人，2015 年）。 评估受控环境农业，特别是水产养殖的绩效，需要将这两种方法巧妙地融入一项评估（Sanyé-Mengual，2015 年）。

    拟议的水生养殖场 LCA 框架（图 21.11）具有广泛意义，可捕获在该领域发现的各种农场类型。 为了将 LCA 的结果应用于现有农场，必须包括气候和经济数据等因素来验证环境评估（Goldstein 等人，2016 年；Rothwell 等人，2016 年）

    以下部分讨论了一系列基于水生养殖场 LCA 清单的水生养殖场场外壳设计策略，该清单将现有文献与案例研究综合起来，并为未来工作提出建议。 特别令人感兴趣的是，水上乐园和建筑物相关影响的独特结合。

    ** 表 21.3** 受控环境农业类型的比较

    表格 沙特 tr 类 = "标题” THCEA 类型/th 日 好处 /th 日 挑战 /th 日 成本和收入pa/收入 /th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” TD 行车 =2 中型高科技温室 /td td 几乎完全依赖太阳能，低额外能量需求 /td td 环境控制选择有限，易受环境波动影响 /td td 行跨 = 2 更低的前期/施工成本（约 30—100 美元/秒/秒/苏普） /td /tr tr 类 = "偶数” td 减少对不可再生材料和能源的依赖 /td td 只适用于具有较大温度耐受性的鱼种（如果罐在温室内） /td /tr tr 类 = "奇数” td 行程 = 2 被动太阳能温室 /td td 依靠被动系统，使用热质量（包括鱼缸）缓冲温度波动 /td td 无源系统的控制需要更多的经验和周密的设计 /td td 行跨 = 2 更低的前期/施工成本（约 30—100 美元/秒/秒/苏普） /td /tr tr 类 = "偶数” td 低能耗，可能无需任何化石燃料 /td td 如果位于北纬地区，则需要补充照明，因为光线水平低 /td /tr tr 类 = "奇数” TD 行车 =2 高科技温室 /td td 最高级别的控制 /td td 依靠主动系统进行热、冷却、通风和补充照明 /td td 行跨 = 2 高昂的前期/施工成本，（约 100—200 美元/每秒 2 个/单位以上） /td /tr tr 类 = "偶数” td 高生产力，扩大潜力 /td td 高能耗和运营成本 /td /tr tr 类 = "奇数” TD 行车 =5 屋顶温室 /td td 最高级别的控制 /td td 行跨 = 2 依靠主动系统进行热、冷却、通风和补充照明 /td TD 行跨度 =5 非常高的前期/施工成本（约 300—500 美元/秒/秒/苏普） /td /tr tr 类 = "偶数” td 高生产率 /td /tr tr 类 = "奇数” td 行跨度 =3 如果与主机建筑相结合，则能够发挥能量和环境协同作用的潜力 /td td 高能耗和运营成本 /td /tr tr 类 = "偶数” td 要求商业办公楼级别符合法规 /td /tr tr 类 = "奇数” td 将物资运送到屋顶是一项基础设施挑战 /td /tr tr 类 = "偶数” td 行程 =4 室内生长空间 /td td 工业楼宇的适应性再利用 /td td 完全依赖于电气照明和主动控制系统进行加热、冷却和通风 /td td 如果可以使用现有建筑物的前期/建筑成本可以降低 /td /tr tr 类 = "奇数” td 通过堆叠不断增长的系统，每单位占地面积的高生产率 /td td 行跨度 =3 高能耗和运营成本 /td td 行跨度 =3 成本也取决于不断增长的系统，堆叠多个级别 /td /tr tr 类 = "偶数” td 可实现高级别的绝缘 /td /tr tr 类 = "奇数” td 减少冬季热损失 /td /tr /tbody /表格

    基于普罗克斯（2017 年）

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    ** 图 21.11** 包括构建和水下系统性能在内的集成 LCA 流程示例。 （根据桑耶-蒙古尔等人 2015 年）。

    21.5.1 具体影响：体现的能量和含碳

    ** 结构材料和建筑 ** 内含能量是指用于提取、精炼、加工、运输、生产和组装材料或产品的能量总和的计算。 含碳是指为生产相同材料或产品而释放的 COSub2/Sub 的数量。 与传统的露天农业作业相比，由于施工阶段的材料开采和制造增加，受控环境种植系统的体现影响更大 (Ceron-Palma 等人, 2012 年)。 例如，在 ICTA-ICP 屋顶温室中，由于建筑中使用的聚碳酸酯数量，封套的结构比土基多隧道温室结构产生的全球升温潜能值多 75%（Sanyé-Mengual 等人，2015 年）。 同样，位于波士顿的建筑物集成式温室模拟在施工阶段增加了环境影响，这是因为为制造结构钢而开采铁矿石（Goldstein 2017）。 可以通过智能材料使用来减轻与受控环境包络相关的具体影响 (鉴于建筑规范的调整是为了避免结构构件过大规模)，但仍将超过传统农业的影响。 与简单地在开阔的田地种植蔬菜相比，在构造的包络中种植食物始终会更加耗费资源，但同时也会大大增加在同一时间范围内每个区域可以生产的食物量。

    为了避免与结构相关的环境影响，一些水上活动会利用现有建筑物，而不是建造新的包络。 位于美国明尼苏达州圣保罗的城市有机物翻新了两座啤酒厂建筑，作为其室内种植空间。 另一个适应性再利用的例子是位于美国伊利诺伊州芝加哥的 The Patch 在 1925 年的一座工厂大楼内运营其食品孵化器和城市农场集体，此前曾被 Peer Foods 用作肉类包装设施（图 21.12）。 对现有的绝缘和制冷设备进行了重新调整，以控制实验性水生设施的温度波动。

    ** Aquaponic 设备和底板 ** 当集成到建筑中时，水下水箱的材料选择成为一个重要的设计考虑因素，因为它可能会限制装配和运输到建筑物。 例如，聚乙烯零件可以在现场使用塑料焊接进行组装，但玻璃纤维零件无法实现（Alsanius 等人，2017 年）。 此外，水生系统设备的制造可能是整体环境影响的重要因素，例如，ICTAICP 屋顶温室的 100 msup3/SUP 水箱使用的玻璃纤维增强聚酯在制造过程中对环境造成的影响占 10-25%阶段 (图 21.13). 水生系统中的植物基材的选择对宿主建筑物的结构具有重量影响，但也有助于对环境的影响。 在最近进行的一项关于与生活墙相结合的水产生物的研究中，矿棉和椰子纤维表现相当，尽管其中一种是可堆肥的，另一种是一次性使用的（Khandaker 和 Kotzen 2018）。

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    ** 图 21.12** 工厂（芝加哥，伊利诺伊州，美国）

    ** 结构和设备维护 ** 水生设备和包络部件的初始材料选择决定了水生养殖场的长期维护。 制造更耐用的材料，如玻璃或硬质塑料，需要比塑料薄膜更多的初始环境资源投资；然而，薄膜需要更换的频率更高 — 例如，预计玻璃将保持使用 30 多年，而传统的涂层聚乙烯薄膜只能持续 3-5 年才会变得太不透明（2017 年 Proksch）。 根据水生系统包络的预期使用寿命，选择寿命较短且制造影响较小的材料可能更有利。 在 Aquaponic 太阳能温室中使用的 ETFE 薄膜是长寿和可持续性之间的一个有希望的妥协，尽管还需要进一步的研究。 标准水下设备由水箱和管道组成。 水生系统的管道通常采用 PVC 制造，这对其制造过程产生了重大的环境影响，但长达 75 年不需要更换。 一些水上乐园供应商提供竹子作为有机替代品。

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    ** 图 21.13** 哈基特斯建筑与屋顶温室的部分，ICTA-ICP 大楼（西班牙贝拉特拉）

    21.5.2 操作影响

    ** 能源 ** 2017 年，美国国内能源消耗总量的 39% 与建筑行业 (EIA) 相对应。 2014 年，农业部门约占美国一次能源消费总量的 1.74%，严重依赖化肥和杀虫剂的间接支出（Hitaj 和 Suttles 2016）。 能源效率是建筑环境和农业领域的一个公认研究领域，通常定义了产品、建筑物或农场在整个 LCA 中的运营影响（Mohareb 等人，2017 年）。 结合建筑和农业能源使用可以优化两者的性能（Sanjuandelmás 等人，2018 年）。

    ** 加热 ** 供暖生长空间的能源需求在北部气候特别引人注目，在这里，延长自然短暂的生长季节，使建筑物一体化的水生养殖场在市场上具有竞争优势（Benis 和 Ferrão 2018）。 然而，在较寒冷的气候中，主动供暖系统的能源消耗是对整体环境影响的重要因素 — 在对马萨诸塞州波士顿有条件生长空间的评估中，取暖成本抵消了城市食物链中食物里程的好处 (Benis 等人)。2017 年 b; 戈尔德斯坦 2017 年）。 在地中海气候条件有利于农业，几乎全年和传统的温室结构都可以依赖被动太阳能供热（Nadal 等人，2017 年；Rothwell 等人，2016 年）。

    在寒冷和温暖的气候中，将受控环境种植系统集成到现有屋顶上可以为宿主建筑物提供绝缘 — 魁北克省蒙特利尔的一个农场报告说，现有主机结构可以捕获 50% 的温室供暖需求，从而降低加热负荷（Goldstein 2017）。 照明系统还可部分负责满足室内垂直增长应用的供暖需求，例如工厂工厂或船舶集装箱（Benis 等人，2017b）。

    余热捕获是另一个有前途的设计策略，可以优化主机结构和不断增长的系统的性能。 对西班牙贝拉泰拉 ICTA-ICP 实验屋顶温室进行的入住后研究表明，与传统用石油加热的独立温室相比，该建筑与温室的整合可节省 113.8 千克/立方米/平方米/年的碳（Nadal 等人）。2017 年）。 在没有主动供暖、通风和空调 (HVAC) 系统的干预的情况下，主机实验室/办公室大楼的热量使温室温度在最寒冷的月份提高了 4.1C，使得番茄作物能够全年种植。

    ** 冷却 ** 在地中海和热带气候中，人工冷却往往是全年种植农产品的必要条件。 在屋顶温室模拟中，冷却负荷占新加坡农场总能源需求的 55% 以及巴黎较温带气候的 30%（Benis 等人，2017b）。 在干旱的气候下，冷却能源需求尤其高，降低易腐农产品的传统运输成本可使其受益最大（Graamans 等人，2018 年；Ishii 等人，2016 年）。 蒸发冷却、雾冷却和阴影是降低水生养殖场温度和提高农场产量性能的一些策略。

    建筑集成的水生系统具有在鱼缸中储存热量以减轻冷却和加热负荷的优势。 在这种被动冷却模式不能满足冷却需求的情况下，最常使用蒸发冷却。 可持续收割机温室全年为美国得克萨斯州休斯顿地区生产生菜，使用风扇和垫冷却系统（蒸发冷却技术的一部分）。 来自信封外部的热空气首先通过湿纤维素介质，然后进入不断增长的空间。 其结果是，室内空气更冷，更潮湿。 蒸发冷却在干燥的气候下最有效，但需要较高的用水量，这可能是世界干旱地区农场的一个限制。

    雾冷却是一种替代策略。 在雾冷的温室中，植物会定期被头顶的春天/雾虫中的水淹没，直到空间达到所需的栽培温度。 雾冷却使用的水比蒸发冷却更少，但会增加空间的相对湿度。 如果配合正确的通风策略，雾冷却可以成为一种节水技术，特别适用于干旱地区（Ishii 等人，2016 年）。 此外，雾冷却可降低植物的蒸散速率，这对于优化水生系统中植物新陈代谢至关重要（Goddek 2017）。 Super Fresh 农场的旗舰温室使用电脑化雾冷却系统，在炎热季节保持种植温度。

    遮光装置也有助于降低温室温度。 传统上，温室的季节性石灰粉刷被用来在最热的月份降低太阳辐射水平（控制环境农业 _ 1973 年）。 但是，阴影可以与其他建筑功能集成。 一个充满希望的遮光策略是使用半透明光伏模块同时冷却空间并产生能源（Hassanien 和 Ming 2017）。 Aquaponic 太阳能温室将其光伏阵列与遮光功能相结合；它使用旋转铝板作为遮光装置，在安装的光伏电池的帮助下，作为太阳能集热器运行。 然后，集成的光伏系统将多余的太阳辐射转化为电能。

    ** 照明 ** 温室相对于室内生长空间的主要优势在于它们能够利用日光来促进光合作用。 然而，在极端气候条件下的农场可能会发现，满足透明包络的供暖或冷却负荷在财政上是不可行的；在这种情况下，农民可以选择在室内种植空间里种植作物，并带有绝缘封套（Graamans 等人，2018 年）。 在室内种植空间内运营的 Aquaponic 农场依靠高效的电气照明来生产农作物。

    当代农场照明领域的许多进步源于日本工厂，用于通过使用工程光波长取代阳光来优化密集水培系统中的植物产量（Kozai 等人，2015 年）。 目前，LED 照明是电子园艺照明系统中最受欢迎的选择。 它们的效率比高强度放电灯高 80%，效率比荧光灯高 30%（Proksch 2017）。 继续研究 LED 照明，以优化能源效率和作物产量（Zhang 等人，2017 年）。 像美国威斯康星州的 Superer Fresh 这样的大型温室依靠计算机化的补充照明系统来延长其作物在北纬地区的光合作用期。

    ** 能源产生 ** 与所有 CEA 一样，水生养殖场的能源管理取决于外部气候、作物选择、生产系统和结构设计（Graamans 等人，2018 年）。 如果管理得不到妥善，通过水产品种植产品本质上就不可持续 — 上述所有因素都会影响到能源效率的好坏（比勒和 Junge 2016）。 在许多情况下，CEA 的能源密集程度高于传统的开田农业；然而，如果我们的能源采购方式转向可再生能源，并在农场的设计中纳入了有效的供暖、冷却和照明策略，则可能有理由提高能源支出。

    光伏（PV）发电可以在抵消受控环境中的运行影响方面发挥重要作用，从而减少环境压力。 在澳大利亚一个高科技温室的例子中，使用光伏阵列的能源使生命周期温室气体排放量比传统电网方案减少了 50%（Rothwell 等人，2016 年）。 在空间允许的情况下，可再生能源的发电可以与水生养殖场相结合 —— 例如，在北卡罗来纳州一个农村农场的 Lucky Clays Fresh 水生温室使用风力涡轮机和光伏板产生的能源运行，这些能源位于所有者的土地上的其他位置。

    ** 水 ** 水利用效率经常被认为是中东环境保护局和水培系统的主要好处 (Desopommier 2013；Specht 等人，2014 年)。 水生养殖系统更适合提高用水效率 —— 在传统水产养殖系统生产的 1 公斤鱼需要 2500 升至 375,000 升之间，在水生养殖系统中饲养的相同数量的鱼需要少于 100 升（Goddek 等人，2015 年）。 雨水捕获和灰水再利用已被提出作为两项战略，以抵消进一步经营水耕或水生养殖场所造成的流域影响。 在现有的 ICTA-ICP 温室中，在综合水培系统中生产西红柿的 80-90% 的水需求在运行一年内通过雨水捕获得得到满足（Sanjuan-Delmás 等人，2018 年）。 然而，雨水收集满足作物需求的能力取决于气候背景。 在评估全球八个城市现有零售园区屋顶温室生产可行性的研究中，有七个城市通过雨水捕获实现了作物自给自足，只有柏林没有达到（Sanyé-Mengual 等人，2018 年）。

    一些现有的 CEA 设施已经重复使用灰水来提高效率（本克和汤姆金斯 2017 年）。 然而，由于缺乏监管支持和目前缺乏对农业中使用灰水的健康风险的研究，城市环境下的灰水再利用目前有限。 作为灰水再利用的试点项目，蒙特利尔的 Maison Reduction 从家庭用途中收集灰水，以补充雨水收集，用于灌溉花园和共有粮食生产温室，共有 9 个住宅单位（Thomaier 等人，2015 年）。 随着灰水处理政策的进一步发展，建筑物一体化的水生设备可以利用现有的水循环，而不是依赖市政水源。

    从建筑的角度来看，水生系统中的水分配可能会带来结构性挑战。 水生鱼缸的重量超过水培养生长床，可能会限制哪些类型的结构对于改造水生养殖场是可行的。 不断增长的培养基也需要考虑 — 深水培养 (DWC) 系统需要大量的水，而营养膜技术 (NFT) 系统重量轻，但制造成本昂贵（Goddek 等人，2015 年）。

    ** 营养素 ** 与传统的露天耕作相比，CEA 减少了对化肥和杀虫剂的需求，因为农民可以将农作物从恶劣的外部条件下分离出来（Benke 和 Tomkins 2017）。 然而，由于水生系统的密度，如果病原体渗透空间，植物或鱼类疾病可以迅速传播。 预防性选择，如使用捕食动物昆虫或采取严格的环境控制措施，例如 "缓冲" 入口处 "，可以避免这种风险（Goddek 等人，2015 年）。

    不同的鱼类和作物养分需求的整合是单循环水生系统中的一个挑战（Alsanius 等人，2017 年）。 一般来说，植物需要的氮浓度高于鱼类所能承受的浓度，仔细的作物和鱼类选择可以满足养分要求，从而优化产量，但仍然难以实现。 已提出分离系统 (DRAPS) 将水产养殖水循环与水培循环分离，以达到所需的营养素浓度，但尚未普遍应用于商业农场（Suhl 等人，2016 年）。 总部位于美国明尼苏达州圣保罗的城市有机组织选择为其第二个农场开发 DRAPS 系统，以优化作物和鱼类产量，并避免鱼缸内营养不平衡的情况下作物损失。 位于德国柏林的 ECF 农场和位于美国威斯康星州的高级生鲜农场也运营分离系统，以优化鱼类和植物的生长。

    或者，通过引入厌氧反应器，可以优化水生养分循环，将固体鱼类废物转化为植物可消化的磷（Goddek 等人，2016 年）。 目前，位于美国芝加哥的 The Patch 正在计划运营一种厌氧消化器，这可能在优化作物生长的营养周期方面发挥作用。 DRAPS 和厌氧消化的机械系统要求将影响水生养殖场的性能和空间布局。

    21.5.3 寿命终止影响

    ** 材料废物管理 ** CEA 在开田耕作方面的一个理论优势是能够控制材料废物径流，防止浸出（Desommier 2013；古尔德和凯普洛 2012 年）。 紧密的包络可以在高效管理材料废物方面发挥作用。 回收有机废物以提高建筑性能的途径之一是使用植物秸秆生产绝缘生物炭，尽管这项研究还处于早期阶段（Lolach-Massana 等人，2017 年）。 此外，考虑在早期阶段将过滤床、厌氧消化器或热回收通风机等废物管理组件纳入外壳设计中，可以关闭农场的能源、养分和水循环。

    ** 分销链 ** 包装一直是各种农场 LCA 评估生产影响的热点。 它承担了意大利博洛尼亚番茄总影响的 45%，也是瑞典斯德哥尔摩室内水培系统对环境影响的最大贡献者（莫林和马丁 2018b；Orsini 等人，2017 年；Rothwell 等人，2016 年）。 如果当地零售商和分销商与农民合作，靠近消费者的水生养殖场可以减少对包装、储存和运输的需求，如同其他形式的城市农业一样（Specht 等人，2014 年）。 遗憾的是，由于消费者的认可，大多数大型零售商目前都要求将水生产品的标准塑料包装与传统品牌一起销售，因此，选择靠近消费者市场的地方，用于控制环境的水上乐器并不能保证显著变化在农场的整体性能。

    文献中经常提到减少交通，即减少食物里程，被称为城市农业的主要优势（本克和汤姆金斯 2017；德斯波米尔 2013；三胡安-德尔马斯等人 2018）。 然而，必须指出，缩短运输链的相对贡献因具体情况而异。 在新加坡，几乎所有粮食都必须从邻国进口，切断运输链在财政上和对环境的影响方面都是有意义的（Aste 和 Kishnani，2010 年）。 西班牙的情况不是这样，西班牙从农场到城市的传统西红柿供应链已经很短（Sanjuandelmás 等人，2018 年）。 供应链最长的城市可以从本地化的粮食生产中受益，但必须权衡削减运输的好处与运营和具体影响。 在波士顿的情况下，减少交通的好处完全被取暖和在城市内运营温室的影响所抵消（Goldstein 2017）。 尽管传统食品供应链长期存在，但在斯德哥尔摩 CEA 业绩的大局中，运输影响同样微不足道（Molin 和 Martin 2018a）。

    ** 消费和饮食 ** 城市的 Aquaponic 农场可以改变城市饮食，这在食品消费对环境的影响中起着重要作用（Benis 和 Ferrão 2017）。 通过传统链进行的肉类消费产生了当前环境足迹的最大份额，寻求蛋白质替代品的潜力比普遍实施城市农业产生更大的影响（Goldstein 2017）。 由于水生鱼类和蔬菜生产鱼类，因此在对环境绩效进行更广泛的评估时，不应忽视这种大规模改变蛋白质饮食的可能性。

  6. 21.6 综合城市水上乐器

    Original publication · 首次发布于 FarmHub Learn · Aquaponics Food Production Systems

    如果考虑到环境影响，水生养殖场可以成为资源节约型城市食品系统的一部分。 没有一个水生养殖场是孤立运营的，因为当作物收获并到达农场大门时，它们会进入一个更大的社会经济食品网络，因为鱼类和农产品分配给顾客。 在这个阶段，水生养殖场的表现不再局限于不断增长的系统和包络 — 经济、市场营销、教育和社会宣传也涉及到。 城市水上养殖场需要作为具有竞争力的企业和好邻居来运作，才能成功地融入城市生活。

    21.6.1 经济可行性

    水生养殖场的经济生存能力取决于许多背景因素，在这些因素中，当地的传统鱼类生产链和开放式耕作必须相匹配（Stadler 等人，2017 年）。 虽然水产养殖需要相对昂贵的初始投资，但在生产和分配阶段，它可能优于传统耕作，在这个阶段，循环水系统的设计降低了水成本，并大大减少了对肥料的需求，肥料通常占 5% 至 10%农场总成本（霍赫姆斯和汉隆 2010 年）。 然而，由于影响业绩的各种动态因素，包括当地劳动力价格和能源价格就是两个例子，估计水生养殖场的经济可行性尤其具有挑战性（Goddek 等人，2015 年）。 在对美国中西部水生养殖场的经济分析中, 尽管假定只支付最低工资, 但劳动力占所有运营成本的 49%. 实际上，在城市农场情况下，运行水生系统所需的广泛专业知识很可能需要更高的工资（Quagrainie 等人，2018 年）。

    场地选择和包络设计与水生养殖场的盈利能力有着直接的关系，因为它影响了运营效率和潜在市场的广度。 位于城市环境中的 Aquaponic 农场可以进入农业生产以外的多个市场，许多水上养殖场提供参观、研讨会、设计咨询服务，并为业余爱好者提供后院水上乐器系统。 在城市环境中将农业与其他类型的空间结合起来可以促进水产养殖场的财务健康。 ECF 水上乐园位于德国柏林 Malzfabrik 工业标志性建筑的工作场所，该建筑拥有一个文化中心，并为艺术家和设计师提供工作空间。

    21.6.2 无障碍和粮食安全

    城市农业常常被列为为粮食沙漠中得不到充分服务的社区提供新鲜食物的战略，但很少有商业城市农场针对这一人口群体，证明商业规模的城市农业可以与传统供应链一样排斥 (Gould 和 Caplow 2012)；门格尔等人，2018 年；托迈尔等人，2015 年）。 使用高科技基础设施的 Aquaponic 农场试图通过在城市市场实现优惠价格来赎回他们的高投资，尽管水上乐园也可能来自基层和业余爱好者的应用。 水生动物也可能增加城市居民的粮食安全。 这一点证明了增长力量的持久遗产，这是一个非营利组织，直到最近，在 威斯康星州美国威尔·艾伦于 1993 年创办的密尔沃基市一个城市农场。 许多现在的水生农民参加了 Grompic Power 的研讨会，在研讨会上，Allen 倡导了一种水生模式，通过社区支持的农业箱和课程来回馈周围社区。 由 Grop Power 的教育项目发起，其他水上乐园非营利组织已经采取了火炬，例如在美国堪萨斯城与尼罗河谷水上乐园合作的 Dre Taylor。 这个农场的目标是在一个屡获殊荣的新校园内向周围社区提供 10 万磅（45,400 公斤）的当地农产品，供扩大农场使用（图 21.14）。

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    ** 图 21.14** 拟议尼罗河谷水上乐园校园（堪萨斯城，美国）由霍克建筑事务所

    21.6.3 教育和职业培训

    Aquaponics 可用作一种教育工具，促进系统思维和环境正念（Junge 等人，2014 年；Specht 等人，2014 年）。 在城市应用中，水生系统可用于提高对生态周期的认识，就像现有的土壤农场一样 (Kulak 等人, 2013 年)。 纽约市的温室项目将其转化为公立学校科学教育的新方法。 温室计划旨在在公立学校兴建 100 个屋顶温室作为科学教室。 这些温室根据成长和学习的双重使命而定制，都包括一个水生系统。 然而，为了在这一新的多学科学术领域取得进展，水生系统也需要现有学科之间更大的协作（Goddek 等人，2015 年）。 水产养殖和园艺专家、工程师、商业战略家和建筑环境专业人员等其他许多人的合作对于将水产养殖业转化为可持续城市发展的重要贡献者是必要的。

  7. 二十七. 结论

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    有一系列的标准，有助于每个农场的性能和他们的数量随着学科参与这个跨学科领域的水上乐园学的数量而增加. 值得注意的是早期的一项研究，该研究根据大小和系统提供了水生鱼类的定义，并对水生类型进行了分类（Palm 等人，2018 年）。 本研究中确定的外壳类型分析的许多标准来自于当前农场背景：当地气候、建筑环境的质量、能源采购做法、成本、市场和当地监管框架。 在农村环境下，水生温室的表现不同于城市的温室，正如干旱气候的农场与寒冷地区的农场不具有同样的要求。 一般而言，被归类为中等技术和被动太阳能的温室提供了一种成本较低、环境可持续的封闭选择，目前只有较小的水上活动才能使用。 然而，由于技术环境控制水平有意有限，它们只在特定气候区域表现良好。 相比之下，高科技和屋顶温室在技术上可以在任何地方实施，但在极端气候条件下，它们会产生高昂的运营成本和更大的环境影响。 最近的案例研究表明，室内种植设施在财政上是可行的，但由于它们完全依赖电气照明，其资源使用效率和环境足迹令人关切。 需要进一步研究，以确定具体的水生养殖场及其外壳与现有资源网络之间的关系。 这项工作有助于将水生学与城市新陈代谢研究结合起来。

    决定农场类型和绩效的其他标准是内部标准。 其中包括环境控制水平、作物和鱼类选择、水生系统的类型和尺度以及封闭类型和尺度。 采用综合的长期合作协定办法，必须在农场整个生命周期（从摇篮到坟墓）评估所有因素之间的关系。 对水生养殖场的生命周期评估必须包括建筑影响和日益增长的系统影响，因为农场运营阶段存在重叠。 在加热、冷却、照明和材料设计方面采取一系列有前途的策略，可以在整个农场生命周期内提高整体农场效率。 除了考虑环境影响之外，LCA 还可以成为园艺专家、水产养殖专家、建筑师和投资者的设计框架。

    继续调查现有的商业水上养殖场对于验证 LCA 模型、确定策略以及编目更大规模的水上乐园运营至关重要。 将建模与控制环境水生学案例研究相结合，有可能将水生学与更广泛的城市可持续发展领域联系起来。

    ** 感谢 ** 本研究报告的作者感谢国家科学基金会 (NSF) 在可持续城市化全球倡议 (SUGI) 的保护下提供的财政支持，并感谢所有 CITYFOOD 项目合作伙伴为提供想法和灵感提供的支持。