21.3 Tipologie di recinti e casi di studio di aziende agricole commerciali

Questa ulteriore indagine si concentra sulla definizione di criteri di classificazione acquaponica a livello di enclosure per integrare le definizioni esistenti a livello di sistema. I tipi di involucro discussi qui lavorano con diversi sistemi di costruzione, livelli di controllo tecnologico, strategie di controllo passivo del clima e fonti di energia per ottenere un clima interno adeguato. La migliore applicazione di ogni tipologia di recinzione dipende principalmente dalla dimensione del funzionamento, dalla posizione geografica, dal clima locale, dalle specie ittiche e vegetali mirate, dai parametri richiesti dei sistemi che ospita e dal budget. Questo studio individua cinque diverse tipologie di involucro e definisce le caratteristiche degli spazi interni che ospitano le infrastrutture dell’acquacoltura.

21.3.1 Tipologie di Serre

Questa classificazione comprende quattro categorie di serre — serre a media tecnologia, serre solari passive, serre ad alta tecnologia e serre a tetto — applicabili alle operazioni acquaponiche a livello commerciale (tabella 21.2). Le serre esistenti possono non adattarsi esattamente a una singola tipologia, ma rientrano in uno spettro che va dalla tecnologia media all’alta tecnologia incorporando selettivamente tecniche di controllo ambientale attive e passive.

Serre di media tecnica Serre con livelli intermedi di tecnologia per il controllo del clima interno includono Quonset indipendente o collegato alla grondaia (tipo Nissen Hut), hoop house (polytunnel) e serre a campata uniforme. Di solito sono rivestiti con doppio film di polietilene (PE) o pannelli di plastica rigida, come pannelli acrilici (PMMA) e pannelli in policarbonato (PC). Queste serre sono meno costose da installare, anche se il rivestimento in film deve essere sostituito frequentemente a causa del rapido deterioramento causato dalla costante esposizione ai raggi UV (Proksch 2017). Queste serre proteggono le colture da eventi meteorologici estremi e in una certa misura agenti patogeni, ma offrono solo un livello limitato di controlli climatici attivi. Invece, si basano sulla radiazione solare, sui semplici sistemi di ombreggiatura e sulla ventilazione naturale. Con la loro limitata capacità di modificare le condizioni di crescita entro un certo intervallo, le serre di media tecnologia sono raramente utilizzate per ospitare aziende acquaponiche in climi freddi. Questo perché l’elevato investimento iniziale nei componenti idroponici e acquacoltura richiede un ambiente stabile e una produzione affidabile tutto l’anno per essere redditizia commercialmente.

Le operazioni Aquaponic in climi più caldi hanno dimostrato con successo l’utilizzo di serre di media tecnologia che utilizzano sistemi di raffreddamento evaporativo e di riscaldamento semplici. Ad esempio, Sustainable Harvesters di Hockley, Texas, USA utilizza una semplice serra Quonset (12.000 sf/1110 msup2/sup) per la produzione di lattuga tutto l’anno senza fare affidamento su un ampio riscaldamento supplementare o illuminazione. Ouroboros Farms a Half Moon Bay, California, USA utilizza una serra esistente (20.000 sf/1860 msup2/sup) per produrre lattuga, verdure a foglia verde ed erbe aromatiche (Fig. 21.4). A causa del clima mite, l’azienda utilizza principalmente ombreggiature statiche e poco riscaldamento e raffreddamento supplementari. Entrambe le aziende, come molte operazioni medio-tecnologiche più piccole, collocano i loro acquari nello stesso spazio serra del sistema di coltivazione idroponica. Le aziende coltivano specie ittiche che tollerano un ampio intervallo di temperatura (tilapia) e ombreggiano le vasche di acquacoltura per prevenire il surriscaldamento e la crescita delle alghe.

Tabella 21.2 Confronto dei casi di studio per tipologia di involucro

tavolo testata tr class = header» Tipo/th th Casi di studio /th th Sistema di costruzione /th th Controlli /th th Stagionsupa/sup e latitudine /th th Resistenza zonesupb/sup /th /tr /testata tbody tr class=“dispari» td rowspan=6 Serre medio-tecniche/td td rowspan=3 Ouroboros Farms, Half Moon Bay, CA, Stati Uniti d’America (20.000 sf/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 GH esistente, grondaia connessa con due campate pari, rivestito con vetro monostrato, acquari in GH /td td rowspan=3 Ombreggiatura statica, tende ombreggianti /td td rowspan=2 319 giorni/ 10,6 mesi /td td 10a /td /tr tr class=“even» td Da 30 a 35 ˚F /td /tr tr class=“dispari» td 37,5 ˚ N /td td Da -1,1 a 1,7 °C /td /tr tr class=“even» td rowspan=3 Mietitrici sostenibili, Hockley, TX, USA (12.000 sf/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Telaio di quonset, multi-tunnel (3) GH, rivestito con film in PE e pannelli in plastica rigida, acquari in GH /td td rowspan=3 Raffreddamento evaporativo, ventilazione forzata /td td rowspan=2 272 giorni/ nove mesi /td td 8b /td /tr tr class=“dispari» td Da 15 a 20 ˚F /td /tr tr class=“even» td 30,0 ˚N /td td Da -9,4 a 6,7 ˚C /td /tr tr class=“dispari» td Rowspan=6Serre solari passive/td td rowspan=3 Serra solare Aquaponic, Neuenburg am Rhein, Germania (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 (cinese) serra solare, con muro di adobe come massa termica aggiuntiva, rivestito con film ETFE, vasche di pesce in GH /td td rowspan=3 Moduli fotovoltaici su misura per ombreggiatura e produzione di energia /td td rowspan=2 202 mesi/ 6,6 mesi /td td 8a /td /tr tr class=“even» td 10—15 ˚F /td /tr tr class=“dispari» td 47,8 ˚N /td td

• da 12,2 a -9,4 ˚C /td /tr tr class=“even» td rowspan=3 Serra Eco-ARK a Finn & Roots, Bakersfield, VT, USA (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Serra solare, terra riparata, angolo ripido del tetto esposto a sud (ca. 60), isolamento di spessore, vetri speciali di raccolta solare, acquari in nord, lato sotterraneo /td td rowspan=3 Calore radiante alimentato a legna, cortina energetica, ventilazione con effetto impilatore, illuminazione supplementare a LED /td td rowspan=2 108 giorni/ 3,6 mesi /td td 4a /td /tr tr class=“dispari» td Da -30 a -25 ˚F /td /tr tr class=“even» td 44,8˚ N /td td Da -34,4 a -31,7 ˚C /td /tr tr class=“dispari» td Rowspan=6Serre ad alta tecnologia/td td rowspan=3 Fattorie fresche superiori, Hixton, WI, Stati Uniti d’America (123.000 sf/11.430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Stile venlo, grondaia, (20 41 baie), rivestito con vetro, acquari in edificio separato /td td rowspan=3 Ambiente CEA controllato da computer, illuminazione supplementare a LED, /td td rowspan=2 122 giorni/ 4,1 mesi /td td 4b /td /tr tr class=“even» td Da -25 a -20 ˚F /td /tr tr class=“dispari» td 44.4 N /td td Da -31,7 a -28,9 ˚C /td /tr tr class=“even» td rowspan=3 Blue Smart Farms, Cobbitty, NSW, Australia (53.800 sf/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 stile Venlo, grondaia, (14 18 baie), rivestito di vetro, costruzione a due piani, acquari al livello inferiore /td td rowspan=3 Controllo biologico dei parassiti dell’ambiente CEA controllato da computer /td td rowspan=2 300 giorni/ 10 mesi /td td 9b /td /tr tr class=“dispari» td Da 25 a 30 ˚F /td /tr tr class=“even» td 34,0˚S /td td Da -3,9 a -1,1 ˚C /td /tr tr class=“dispari» td rowspan=6Serre sul tetto/td td rowspan=3 ECCO-Jäger Aquaponik Dachfarm, Bad Ragaz, Svizzera (12.900 sf/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Stile venlo, grondaia, (7 13 baie), rivestito di vetro, acquari al livello inferiore /td td rowspan=3 Ambiente CEA, illuminazione supplementare a LED, uso del calore di scarico dall’impianto di raffreddamento /td td rowspan=2 199 giorni/ 6,6 mesi /td td 7b /td /tr tr class=“even» td Da 5 a 10 ˚F /td /tr tr class=“dispari» td 47,0˚ N /td td Da -15,0 a -12,2 ˚C /td /tr tr class=“even» td rowspan=3 Abat-toir Ferme di BIGH, Bruxelles, Belgio (21.600 sf/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Stile venlo, grondaia, (15 10 baie), rivestito di vetro, acquari al livello inferiore /td td rowspan=3 Ambiente CEA, illuminazione supplementare a LED /td td rowspan=2 224 giorni/ 7,3 mesi /td td 8b /td /tr tr class=“dispari» td Da 15 a 20 ˚F /td /tr tr class=“even» td 50,8˚ N /td td Da -9,46 a -6,7 ˚C /td /tr tr class=“dispari» td rowspan=6spazi di crescita al coperto/td td rowspan=3 Urban Organics, Schmidt’s Brewery, St. Paul, MN, USA (87.000 sf/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Magazzino con struttura in acciaio, altamente isolato, coltivazione impilata, acquari in spazio separato /td td rowspan=3 Illuminazione UV fluorescente, ambiente CEA controllato da computer /td td rowspan=2 140 giorni/ 4,7 mesi /td td 4b /td /tr tr class=“even» td Da -25 a -20 ˚F /td /tr tr class=“dispari» td 45,0˚ N /td td Da -31,7 a 28,9 ˚C /td /tr tr class=“even» td rowspan=3 Nutraponics, Sherwood Park, AB, Canada (10.800 sf/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Magazzino con struttura in acciaio, altamente isolato, coltivazione impilata, acquari in spazio separato /td td rowspan=3 Illuminazione a LED, ambiente CEA controllato da computer /td td rowspan=2 121 giorni/4 mesi /td td 4a /td /tr tr class=“dispari» td Da -30 a -25 ˚F /td /tr tr class=“even» td 53,5˚ N /td td Da -34,4 a -31,7 ˚C /td /tr /tbody /tavolo

Stagione di crescita senza SUPA/SupFrost, Associazione Nazionale Giardinaggio, Strumenti e Apps, https://garden.org/ apps/calendar/

SUPB/SUP basato sulla USDA Hardiness Zone Map, che identificherà la temperatura media annua minima invernale (1976—2005), suddivisa in 10 zone F. Mappe degli impianti, https://www.plantmaps.com/ index.php

Serre solari passive Questo tipo di serra è progettato per essere riscaldato esclusivamente con energia solare. Elementi di massa termica sostanziali, come una solida parete rivolta a nord, immagazzinano l’energia solare sotto forma di calore che viene poi irradiato durante i periodi più freddi di notte. Questo approccio elimina le oscillazioni della temperatura dell’aria e può ridurre o eliminare la necessità di combustibili fossili. Le serre solari hanno un lato trasparente rivolto a sud e un lato opaco, massiccio e altamente isolato rivolto a nord. L’integrazione di grandi volumi di acqua sotto forma di acquari è un bene per le prestazioni termiche di questo tipo di serra. Inoltre, i serbatoi possono essere collocati in zone della serra meno adatte alla coltivazione delle piante o parzialmente immerse nel terreno per una maggiore stabilità termica.

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Fig. 21.4 Ouroboros Farms (Half Moon Bay, California, USA)

La serra solare Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), sviluppata e testata da Franz Schreier, si è dimostrata un ambiente adatto per ospitare un piccolo sistema acquaponico nel sud della Germania. La serra raccoglie l’energia solare attraverso il tetto ad arco rivolto a sud e le pareti rivestite con film di etilene tetrafluoroetilene (ETFE). Il calore viene immagazzinato in vasche di pesce parzialmente sommerse, pavimento e parete nord rivestita di adobe per essere dissipato durante la notte. I pannelli fotovoltaici (PV) della serra trasformano la radiazione solare in energia. Situata nel clima più freddo del Vermont, USA, la serra Eco-Ark presso la fattoria Finn & Roots (6000 sf/560 msup2/sup) ospita un sistema acquaponico che funziona con un simile approccio solare passivo. La serra ha un tetto trasparente ripido (circa 60˚) rivolto a sud con speciali vetri a raccolta solare (Fig. 21,5). Il suo lato settentrionale altamente isolato e opaco è immerso in una collina e ospita le vasche di pesce. Oltre a questi comandi passivi, l’Eco-Ark dispone di un riscaldamento a pavimento radiante che integra il riscaldamento durante le stagioni più fredde.

**Serre ad alta tecnologia in stile Venlo, le serre high-tech con un alto livello di tecnologia per il controllo del clima interno sono lo standard per la CEA idroponica su scala commerciale. Le serre ad alta tecnologia sono caratterizzate da controlli computerizzati e infrastrutture automatizzate, come tende termiche automatiche, array di illuminazione automatici e sistemi di ventilazione forzata. Queste tecnologie consentono un elevato livello di controllo ambientale, anche se sono a costo di un elevato consumo energetico.

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Fig. 21.5 Serra Eco-Ark presso Finn & Roots Farm (Bakersfield, Vermont, USA)

Alcune aziende agricole acquaponiche commerciali su larga scala utilizzano questa tipologia di serra per la loro produzione vegetale, come le fattorie Superior Fresh, situate a Hixton, Wisconsin, USA (123.000 sf/11.430 msup2/sup), con i sistemi di acquacoltura ospitati in un involucro opaco separato. L’illuminazione e il riscaldamento automatici a LED consentono alle aziende agricole Superior Fresh di coltivare verdi verdeggianti tutto l’anno nonostante la mancanza di luce diurna in inverno, dove la stagione di crescita naturale e priva di gelo dura solo 4 mesi. I sistemi automatizzati per il controllo del clima interno consentono di utilizzare serre ad alta tecnologia in qualsiasi parte del mondo. La serra Blue Smart Farms utilizza una serie di sensori per ottimizzare l’ombreggiatura durante le calde estati australiane.

Thanet Earth, il più grande complesso serra del Regno Unito, si trova nel sud-est dell’Inghilterra. Le sue cinque serre coprono più di 17 acri (7 ettari) ciascuno, coltivando pomodori, peperoni e cetrioli utilizzando idroponica (Fig. 21.6). Questa azienda è alimentata da un sistema combinato di riscaldamento e potenza (CHP) che fornisce energia, calore e COSub2/Sub per le serre. Il sistema CHP funziona in modo molto efficiente e incanala l’energia in eccesso al distretto locale alimentandolo nella rete di alimentazione locale. Inoltre, le tecnologie controllate dal computer come le barriere energetiche, l’illuminazione supplementare a scarica ad alta intensità e la ventilazione regolano le condizioni di crescita in ambienti interni.

Serre sul tetto Questo tipo più recente comprende serre costruite su edifici ospitanti, sia come retrofit di strutture esistenti che come parte di nuove costruzioni. A causa degli elevati costi di terra, il risparmio di spazio è sempre più importante per le aziende agricole acquaponiche in contesti urbani. Collegare una serra a un edificio esistente è una strategia per gli agricoltori urbani che cercano di rivitalizzare lo spazio sottoutilizzato e trovare una posizione centrale nella città. Le serre sul tetto sono già utilizzate dai coltivatori idroponici su scala commerciale, ma sono un tipo relativamente raro per le aziende acquaponiche a causa del peso aggiuntivo dell’acqua che può filtrare le strutture esistenti oltre la loro capacità di carico. Le poche aziende acquaponiche sul tetto attualmente esistenti danno la priorità ai sistemi di distribuzione dell’acqua leggera (tecnica a film nutriente o coltivazione basata su supporti piuttosto che coltura in acque profonde) e localizzano i loro acquari al livello inferiore allo spazio di coltivazione delle colture a causa della domanda relativamente ridotta di luce naturale.

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Fig. 21.6 Thanet Earth, serre all’avanguardia con alimentazione combinata di calore ed energia elettrica, (Isola di Thanet nel Kent, Inghilterra, Regno Unito)

Due fattorie sul tetto con sistemi acquaponici ad alta tecnologia sono state recentemente aperte in Europa. Entrambi hanno consultato i consulenti per sistemi agricoli Efficient City Farming (ECF) a Berlino. ECCO-Jäger Aquaponik Dachfarm a Bad Ragaz, Svizzera, si trova in cima a un centro di distribuzione di un’azienda di produzione a conduzione familiare. La serra sul tetto in stile Venlo (12.900 sf/1200 msup2/sup) si trova su un edificio a due piani; le vasche sono installate al piano sottostante la serra. Crescendo verdi verdi ed erbe aromatiche sul tetto, ECCO-jäger riduce la necessità di trasporto e può offrire prodotti subito dopo la raccolta. Inoltre, l’azienda si avvale del calore di scarto generato dalla sua cella frigorifera per riscaldare la serra. Il mattatoio Ferme di BIGH (21.600 sf/2000 msup2/sup) è una versione più grande di una simile serra sul tetto in stile Venlo (Fig. 21.7), che occupa il tetto del mercato Foodmet a Bruxelles, Belgio. Questi primi esempi indicano un ulteriore potenziale per ottimizzare sia le prestazioni acquaponiche che quelle degli involucri attraverso il collegamento di acqua, energia e flussi d’aria tra l’azienda agricola e l’edificio ospitante, noto come l’agricoltura integrata degli edifici (BIA). Attualmente, la ricerca è in corso sulla serra panoramica idroponica integrata di punta situata sull’edificio condiviso dall’Istituto di Scienza e Tecnologia Ambientale (ICTA) e l’Istituto Catalano di Paleontologia (ICP) presso l’Università Autonoma di Barcellona (UAB) per derminare i benefici della piena integrazione degli edifici, benché non esista un esempio di questo tipo nel campo dell’acquaponica per determinare i benefici della piena integrazione degli edifici, benché non esista un simile esempio nel campo dell’acquaponica.

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Fig. 21.7 Macello di Ferme BIGH con la serra high-tech sullo sfondo (Bruxelles, Belgio)

21.3.2 Tipo di coltivazione indoor

Gli spazi di coltivazione indoor si basano esclusivamente sulla luce artificiale per la produzione di piante. Spesso, questi spazi in crescita sono altamente isolati e rivestiti in un materiale opaco, originariamente inteso come locali di stoccaggio o di produzione industriale. Gli spazi interni per la coltivazione hanno in genere un isolamento migliore rispetto alle serre a causa del materiale della busta, anche se non possono fare affidamento sull’illuminazione diurna o sul riscaldamento naturale. Il presupposto è che questa tipologia sia più adatta ai climi estremi, dove le oscillazioni di temperatura sono più preoccupanti dell’illuminazione (Graamans et al. 2018), anche se è necessaria una ricerca più conclusiva.

Urban Organics gestisce due fattorie acquaponiche di coltivazione indoor su scala commerciale all’interno di due fabbriche di birra ristrutturate nel nucleo industriale di St. Paul, Minnesota, USA. Le due fattorie coltivano verdi e erbe a foglia verde in letti accatastati illuminati da luci fluorescenti (Fig. 21.8). Il loro secondo sito consente a Urban Organics di attingere all’infrastruttura del birrificio attorno ad una falda acquifera esistente; l’acqua della falda acquifera necessita di un trattamento minimo e viene fornita a 10 °C alle vasche di salmerino artico e di trota iridea. L’utilizzo di strutture esistenti ha ridotto i costi di costruzione per Urban Organics e ha offerto l’opportunità di rivitalizzare un’area in difficoltà della città. In un clima ancora più freddo, Nutraponics cresce verdi frondosi in un magazzino su un pacco rurale a 40 km fuori Edmonton, Alberta, Canada. Poiché i prodotti locali dipendono fortemente dalle oscillazioni di temperatura stagionali, Nutraponics guadagna un vantaggio competitivo sul mercato utilizzando l’illuminazione a LED per accelerare la crescita delle colture tutto l’anno (Fig. 21.9).

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Fig. 21.8 Urban Organics (St. Paul, Minnesota, USA)

21.3.3 Contenitori per Acquacoltura

I recinti per la componente di acquacoltura delle operazioni acquaponiche non sono tecnicamente così esigenti come il design del recinto per i componenti idroponici, poiché i pesci non richiedono la luce solare per prosperare. Tuttavia, il controllo delle condizioni di coltivazione indoor consente agli agricoltori di ottimizzare la crescita, ridurre lo stress e definire orari precisi per la produzione ittica che conferisce al loro stock un vantaggio competitivo sul mercato (Bregnballe 2015). Per mantenere stabili le temperature dell’acqua, sono principalmente necessarie custodie per spazi di acquacoltura. Le vasche devono essere in grado di supportare intervalli di temperatura dell’acqua confortevoli per specifiche specie ittiche, pesci d’acqua calda 75-86˚F (24-30˚C) e pesci d’acqua fredda 54-74˚F (12-23˚C) (Alsanius et al. 2017). La temperatura dell’acqua e dell’ambiente può essere controllata in modo più efficiente se gli acquari sono ospitati in uno spazio ben isolato con poche finestre per ridurre al minimo i guadagni solari durante i mesi estivi e le perdite di temperatura quando la temperatura esterna scende (Pattillo 2017), come dimostrato nell’allestimento del recinto INAPRO. Il grande volume di acqua necessaria per la coltivazione del pesce deve essere considerato dal punto di vista architettonico, in quanto comporta conseguenze per i sistemi strutturali e di condizionamento all’interno di un edificio.

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Fig. 21.9 Nutraponics (Sherwood Park, Alberta, Canada)