21.3 Tipologias de invólucro e estudos de caso de fazendas comerciais

Esta investigação mais aprofundada centra-se na definição de critérios de classificação aquánica a nível do recinto para complementar as definições existentes a nível do sistema. Os tipos de recinto discutidos aqui trabalham com diferentes sistemas de construção, níveis de controle tecnológico, estratégias de controle climático passivo e fontes de energia para alcançar um clima interno apropriado. A melhor aplicação de cada tipologia do recinto depende principalmente do tamanho da operação, da localização geográfica, do clima local, das espécies de peixes e culturas alvo, dos parâmetros exigidos dos sistemas que abriga e do orçamento. Este estudo identifica cinco tipologias de recinto diferentes e define as características dos espaços interiores que abrigam a infraestrutura aquícola.

21.3.1 Tipologias de Estufa

Esta classificação inclui quatro categorias de estufas — estufas de média tecnologia, estufas solares passivas, estufas de alta tecnologia e estufas de telhado — que são aplicáveis a operações aquapônicas a nível comercial (Tabela 21.2). As estufas existentes podem não se encaixar exatamente em uma única tipologia, mas estão dentro de um espectro de tecnologia média a alta tecnologia, incorporando seletivamente técnicas de controle ambiental ativas e passivas.

Estufas de Média Tecno As estufas com níveis intermediários de tecnologia para controlar o clima interno incluem Quonset independente ou conectado à calha (tipo cabana Nissen), casa de aro (polytunnel) e estufas de extensão uniforme. Eles geralmente são cobertos com filme de polietileno duplo (PE) ou painéis de plástico rígido, como painéis de acrílico (PMMA) e painéis de policarbonato (PC). Estas estufas são menos dispendiosas de instalar, embora o revestimento de filme precise ser substituído com frequência devido à rápida deterioração causada pela exposição constante à radiação UV (Proksch 2017). Estas estufas protegem as culturas de eventos climáticos extremos e, em certa medida, patógenos, mas oferecem apenas um nível limitado de controles climáticos ativos. Em vez disso, eles dependem de radiação solar, sistemas simples de sombreamento e ventilação natural. Com sua capacidade limitada de modificar as condições de crescimento dentro de um determinado intervalo, as estufas de tecnologia média raramente são usadas para abrigar fazendas aquapônicas em climas frios. Isso ocorre porque o alto investimento inicial nos componentes hidropônicos e aquacultura requer um ambiente estável e uma produção confiável durante todo o ano para ser comercialmente viável.

As operações aquapônicas em climas mais quentes demonstraram com sucesso o uso de estufas de tecnologia média que empregam resfriamento evaporativo e sistemas de aquecimento simples. Por exemplo, os Colhedores Sustentáveis em Hockley, Texas, EUA usam uma estufa Quonset simples (12.000 sf/1110 msup2/sup) para a produção de alface durante todo o ano sem depender de um amplo aquecimento ou iluminação suplementar. Ouroboros Farms em Half Moon Bay, Califórnia, EUA usa uma estufa existente (20.000 sf/1860 msup2/sup) para produzir alface, folhas verdes e ervas (Fig. 21,4). Devido ao clima ameno, a fazenda usa principalmente sombreamento estático e pouco aquecimento e resfriamento suplementares. Ambas as fazendas, assim como muitas operações menores de tecnologia média, colocam seus tanques de peixes no mesmo espaço de estufa que o sistema de cultivo hidropônico. As explorações cultivam espécies de peixes que toleram uma ampla faixa de temperatura (tilápia) e tanques de aquicultura de sombra para evitar o superaquecimento e o crescimento de algas.

Quadro 21.2 Comparação de estudos de caso por tipologias de recinto

tabela cabeça tr class=“cabeçalho” TCEA tipo/th th Estudos de caso /th th Sistema de construção /th th Controles /th th Crescimento seasonsupa/sup e latitude /th th Hardiness zonesupb/sup /th /tr /cabeça tbody tr class=“ímpar” td rowspan=6 estufas de média-tecnologia/td td rowspan=3 Fazendas Ouroboros, Half Moon Bay, CA, EUA (20.000 sf/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 GH existente, calha conectada com dois vãos pares, revestida com vidro único, tanques de peixes em GH /td td rowspan=3 Sombreamento estático, cortinas de sombreamento /td td rowspan=2 319 dias/ 10, 6 meses /td td 10a /td /tr tr class=“mesmo” td 30 a 35° F /td /tr tr class=“ímpar” td 37,5˚ N /td td -1,1 a 1,7° C /td /tr tr class=“mesmo” td rowspan=3 Colheitadeiras Sustentáveis, Hockley, TX, EUA (12.000 sf/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Quonset quadro, multi-túnel (3) GH, folheado com filme PE e painéis de plástico rígidos, tanques de peixes em GH /td td rowspan=3 Refrigeração por evaporação, ventilação forçada /td td rowspan=2 272 dias/ nove meses /td td 8b /td /tr tr class=“ímpar” td 15 a 20° F /td /tr tr class=“mesmo” td 30,0 ˚N /td td -9,4 a 6 ,7° C /td /tr tr class=“ímpar” td RowSpan=6estufas solares passivas/td td rowspan=3 Estufa solar aquapônica, Neuenburg am Rhein, Alemanha (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 (Chinês) estufa solar, com parede adobe como massa térmica adicional, revestida com filme ETFE, tanques de peixes em GH /td td rowspan=3 Módulos fotovoltaicos personalizados para sombreamento e produção de energia /td td rowspan=2 202 meses/ 6, 6 meses /td td 8a /td /tr tr class=“mesmo” td 10—15° F /td /tr tr class=“ímpar” td 47,8° N /td td

• 12,2 a -9,4° C /td /tr tr class=“mesmo” td rowspan=3 Estufa Eco-ARK em Finn & Roots, Bakersfield, VT, EUA (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estufa solar, terra abrigada, ângulo íngreme do telhado virado a sul (cerca de 60), isolamento de espessura, vidros especiais de coleta solar, tanques de peixes no norte, lado subterrâneo /td td rowspan=3 Calor radiante alimentado a madeira, cortina de energia, ventilação com efeito de empilhamento, iluminação LED suplementar /td td rowspan=2 108 dias/ 3, 6 meses /td td 4a /td /tr tr class=“ímpar” td -30 a -25° F /td /tr tr class=“mesmo” td 44,8˚ N /td td -34,4 a -31,7° C /td /tr tr class=“ímpar” td RowSpan=6Estufas de alta tecnologia/td td rowspan=3 Superior Fresh Farms, Hixton, WI, EUA (123.000 sf/11.430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, calha conectada, (20 41 baías), revestida com vidro, tanques de peixes em edifício separado /td td rowspan=3 Ambiente CEA controlado por computador, iluminação LED suplementar, /td td rowspan=2 122 dias/ 4. 1 meses /td td 4b /td /tr tr class=“mesmo” td -25 a -20° F /td /tr tr class=“ímpar” td 44,4 N /td td -31,7 a -28,9° C /td /tr tr class=“mesmo” td rowspan=3 Blue Smart Farms, Cobbitty, NSW, Austrália (53.800 sf/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, calha conectada, (14 18 baías), revestido com vidro, construção de dois andares, tanques de peixes no nível inferior /td td rowspan=3 Controle biológico de pragas do ambiente CEA controlado por computador /td td rowspan=2 300 dias/ 10 meses /td td 9b /td /tr tr class=“ímpar” td 25 a 30° F /td /tr tr class=“mesmo” td 34,0˚S /td td -3,9 a -1,1° C /td /tr tr class=“ímpar” td RowSpan=6Greenhouses/td td rowspan=3 Ecco-jäger Aquaponik Dachfarm, Bad Ragaz, Suíça (12.900 sf/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, calha conectada, (7 13 baías), revestida com vidro, tanques de peixes no nível inferior /td td rowspan=3 Ambiente CEA, iluminação LED suplementar, utilização de calor de exaustão da instalação de arrefecimento /td td rowspan=2 199 dias/ 6, 6 meses /td td 7b /td /tr tr class=“mesmo” td 5 a 10° F /td /tr tr class=“ímpar” td 47,0˚ N /td td -15,0 a -12,2° C /td /tr tr class=“mesmo” td rowspan=3 BIGH’s Ferme matadouro, Bruxelas, Bélgica (21.600 sf/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Estilo Venlo, calha conectada, (15 10 baías), revestida com vidro, tanques de peixes no nível inferior /td td rowspan=3 Ambiente CEA, iluminação LED suplementar /td td rowspan=2 224 dias/ 7, 3 meses /td td 8b /td /tr tr class=“ímpar” td 15 a 20° F /td /tr tr class=“mesmo” td 50,8˚ N /td td -9,46 a -6,7° C /td /tr tr class=“ímpar” td RowSpan=6Espaços de crescimento interno/td td rowspan=3 Urban Organics, Cervejaria Schmidt, São Paulo, MN, EUA (87.000 sf/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Armazém de estrutura de aço, altamente isolado, crescimento empilhado, tanques de peixes em espaço separado /td td rowspan=3 Iluminação UV fluorescente, ambiente CEA controlado por computador /td td rowspan=2 140 dias/ 4, 7 meses /td td 4b /td /tr tr class=“mesmo” td -25 a -20° F /td /tr tr class=“ímpar” td 45,0˚ N /td td -31,7 a 28,9° C /td /tr tr class=“mesmo” td rowspan=3 Nutraponics, Sherwood Park, AB, Canadá (10.800 sf/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Armazém de estrutura de aço, altamente isolado, crescimento empilhado, tanques de peixes em espaço separado /td td rowspan=3 Iluminação LED, ambiente CEA controlado por computador /td td rowspan=2 121 dias/4 meses /td td 4a /td /tr tr class=“ímpar” td -30 a -25° F /td /tr tr class=“mesmo” td 53,5˚ N /td td -34,4 a -31,7° C /td /tr /tbody /tabela

SUPA/Supfrost-Free estação de crescimento, Associação Nacional de Jardinagem, Ferramentas e Aplicativos, https://garden.org/ apps/calendário/

SUB/SUP baseado no mapa da zona de resistência do USDA, que identifica a temperatura média anual mínima de inverno (1976—2005), dividida em 10 zonas F. Mapas de plantas, https://www.plantmaps.com/ index.php

Estufas solares passivas Este tipo de estufa foi projetado para ser exclusivamente aquecido por energia solar. Elementos de massa térmica substanciais, como uma parede sólida voltada para o norte, armazenam a energia solar sob a forma de calor que é então reradiada durante períodos mais frios à noite. Esta abordagem amortece oscilações de temperatura do ar e pode reduzir ou eliminar a necessidade de combustíveis fósseis. As estufas solares têm um lado transparente virado a sul e um lado opaco, maciço e altamente isolado virado a norte. A integração de grandes volumes de água em forma de tanques de peixes é uma mais-valia para o desempenho térmico deste tipo de estufa. Além disso, os tanques podem ser localizados em áreas da estufa menos adequadas para o cultivo de plantas ou parcialmente submersas no solo para maior estabilidade térmica.

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Fig. 21.4 Ouroboros Farms (Half Moon Bay, Califórnia, EUA)

A estufa solar Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), desenvolvida e testada por Franz Schreier, provou ser um ambiente adequado para abrigar um pequeno sistema aquapônico no sul da Alemanha. A estufa recolhe energia solar através do seu telhado arqueado virado a sul e revestido de parede com película de etileno tetrafluoroetileno (ETFE). O calor é armazenado em tanques de peixes parcialmente submersos, chão e parede norte revestida de adobe para ser dissipado à noite. Os painéis fotovoltaicos (PV) personalizados da estufa transformam a radiação solar em energia. Localizada no clima mais frio de Vermont, EUA, a Eco-Ark Greenhouse na fazenda Finn & Roots (6000 sf/560 msup2/sup) abriga um sistema aquapônico que funciona com uma abordagem solar passiva semelhante. A estufa tem um telhado transparente virado a sul íngreme (aprox. 60˚) com vidros especiais coletores solares (Fig. 21.5). Seu lado norte altamente isolado e opaco está submerso em uma encosta e abriga os tanques de peixes. Além desses controles passivos, o Eco-Ark possui um aquecimento de piso radiante que complementa o aquecimento durante as estações mais frias.

Estufas de alta tecnologia estilo Venlo, estufas de alta tecnologia que apresentam um alto nível de tecnologia para controlar o clima interno são o padrão para CEA hidropônica em escala comercial. Estufas de alta tecnologia são caracterizadas por controles computadorizados e infraestrutura automatizada, como cortinas térmicas automáticas, matrizes de iluminação automática e sistemas de ventilação de ar forçado. Essas tecnologias permitem um alto nível de controle ambiental, embora venham ao custo do alto consumo de energia.

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Fig. 21.5 Estufa Eco-Ark em Finn & Roots Farm (Bakersfield, Vermont, EUA)

Algumas fazendas aquapônicas comerciais de grande escala usam essa tipologia de estufa para sua produção vegetal, como as fazendas Superior Fresh, localizadas em Hixton, Wisconsin, EUA (123.000 sf/11.430 msup2/sup), com os sistemas de aquicultura alojados em um recinto separado opaco. A iluminação e o aquecimento de LED suplementares automatizados permitem que as fazendas Superior Fresh cultivem folhas verdes durante todo o ano, apesar da falta de luz do dia no inverno, onde a estação de crescimento natural e livre de geadas dura apenas 4 meses. Sistemas automatizados para controle climático interno permitem que estufas de alta tecnologia sejam operadas em qualquer lugar do mundo — a estufa Blue Smart Farms usa uma série de sensores para otimizar o sombreamento durante os verões quentes australianos.

Thanet Earth, o maior complexo de estufa do Reino Unido, está localizado no sudeste da Inglaterra. Suas cinco estufas cobrem mais de 17 hectares (7 hectares) cada, cultivando tomates, pimentas e pepinos usando hidroponia (Fig. 21.6). Esta empresa é alimentada por um sistema combinado de calor e energia (CHP) que fornece energia, calor e CoSub2/sub para as estufas. O sistema CHP opera de forma muito eficiente e canaliza o excesso de energia para o distrito local, alimentando-o na rede de fornecimento de energia local. Além disso, tecnologias controladas por computador, como cortinas de energia, iluminação suplementar de descarga de alta intensidade e ventilação regulam as condições de crescimento interno.

Este tipo mais recente inclui estufas construídas em cima de edifícios anfitriões, seja como retrofit de estruturas existentes ou como parte de novas construções. Devido aos altos custos da terra, economizar espaço é cada vez mais importante para fazendas aquapônicas em contextos urbanos. Ligar uma estufa a um edifício existente é uma estratégia para os agricultores urbanos que procuram revitalizar o espaço subutilizado e encontrar uma localização central na cidade. As estufas de cobertura já são usadas por produtores hidropônicos em escala comercial, mas são um tipo de compartimento relativamente raro para fazendas aquapônicas devido ao peso adicional de água que pode esticar as estruturas existentes para além da sua capacidade de carga. As poucas fazendas aquapônicas do telhado que atualmente existem priorizam sistemas de distribuição de água leve (técnica de filme nutriente ou crescimento baseado em mídia em vez de cultura de águas profundas) e localizam seus tanques de peixes no nível abaixo do espaço de cultivo devido à diminuição da demanda por luz natural.

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Fig. 21.6 Thanet Earth, estufas de última geração com fornecimento combinado de calor e energia, (Ilha de Thanet em Kent, Inglaterra, Reino Unido)

Duas quintas de cobertura com sistemas aquánicos de alta tecnologia foram recentemente abertas na Europa. Ambas consultaram com consultores de sistemas agrícolas Efficient City Farming (ECF) em Berlim. Ecco-Jäger Aquaponik Dachfarm, em Bad Ragaz, Suíça, fica no topo de um centro de distribuição de uma empresa familiar de produtos. A estufa no telhado estilo Venlo (12.900 sf/1200 msup2/sup) está localizada em um prédio de dois andares; os tanques de peixes estão instalados no piso abaixo da estufa. Ao cultivar verduras e ervas aromáticas na cobertura, a Ecco-jäger reduz a necessidade de transporte e pode oferecer produtos imediatamente após a colheita. Além disso, a fazenda aproveita o calor residual gerado por seu armazenamento frio para aquecer a estufa. O BIGH Ferme Abattoir (21.600 sf/2000 msup2/sup) é uma versão maior de uma estufa semelhante ao estilo Venlo (Fig. 21.7), que ocupa o telhado do mercado Foodmet em Bruxelas, Bélgica. Esses exemplos iniciais apontam para um maior potencial para otimizar o desempenho aquapônico e do envelope através da conexão de fluxos de água, energia e ar entre a fazenda e o edifício hospedeiro, conhecido como agricultura integrada de edifícios (BIA). Atualmente, estão sendo feitas pesquisas sobre a principal estufa hidropônica integrada no telhado localizado no edifício compartilhado pelo Instituto de Ciência e Tecnologia Ambiental (ICTA) e pelo Instituto Catalão de Paleontologia (ICP) da Universidade Autônoma de Barcelona (UAB) para derminar os benefícios da plena integração de edifícios, embora não exista tal exemplo no campo da aquapônica para determinar os benefícios da integração total dos edifícios, embora não exista tal exemplo no domínio da aquapônica.

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Fig. 21.7 Matadouro BIGH Ferme com a estufa de alta tecnologia em segundo plano (Bruxelas, Bélgica)

21.3.2 Tipo de crescimento interno

Os espaços de cultivo interiores dependem exclusivamente da luz artificial para a produção de plantas. Muitas vezes, esses espaços em crescimento são altamente isolados e revestidos em um material opaco, originalmente destinado a salas de armazenamento ou fabricação industrial. Os espaços interiores geralmente têm melhor isolamento do que as estufas devido ao material envolvente, embora não possam depender de iluminação diurna ou aquecimento natural. A suposição é que esta tipologia é mais adequada para climas extremos, onde oscilações de temperatura são mais preocupantes do que a iluminação (Graamans et al. 2018), embora seja necessária uma investigação mais conclusiva.

A Urban Organics opera duas fazendas aquapônicas internas em escala comercial dentro de duas cervejarias remodeladas no núcleo industrial de St. Paul, Minnesota, EUA. As duas fazendas cultivam folhas verdes e ervas aromáticas em camas de crescimento empilhadas iluminadas por luzes fluorescentes (Fig. 21.8). Seu segundo local permite que a Urban Organics aproveite a infraestrutura da cervejaria em torno de um aquífero existente; a água do aquífero precisa de tratamento mínimo e é fornecida a 10° C para tanques de char ártico e truta arco-íris. O uso de estruturas existentes reduziu os custos de construção para Urban Organics e ofereceu a oportunidade de revitalizar uma área em dificuldades da cidade. Em um clima ainda mais frio, Nutraponics cresce folhas verdes em um armazém em uma parcela rural 40 km fora de Edmonton, Alberta, Canadá. Como a produção local é altamente dependente de variações de temperatura sazonais, a Nutraponics ganha uma vantagem competitiva no mercado empregando iluminação LED para acelerar o crescimento das culturas durante todo o ano (Fig. 21.9).

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

21.3.3 Caixas para Aquicultura

Os compartimentos para a componente aquícola das operações aquánicas não são tecnicamente tão exigentes quanto o projeto do recinto para os componentes hidropônicos, uma vez que os peixes não exigem luz solar para prosperar. No entanto, o controle sobre as condições de cultivo interno permite que os agricultores otimizem o crescimento, reduzam o estresse e elaborem calendários precisos para a produção de peixe, o que confere às suas unidades populacionais uma vantagem competitiva no mercado (Bregnballe 2015). Os compartimentos de espaço de aquicultura são principalmente necessários para manter as temperaturas da água estáveis. Os tanques de peixes devem ser capazes de suportar gamas de temperatura da água confortáveis para espécies específicas de peixes, peixes de água quente 75-86° F (24-30° C) e peixes de água fria 54-74° F (12-23° C) (Alsanius et al. 2017). A água e a temperatura ambiente podem ser controladas de forma mais eficiente se os tanques de peixes estiverem alojados em espaços bem isolados com poucas janelas para minimizar os ganhos solares durante os meses de verão e as perdas de temperatura quando a temperatura externa cair (Pattillo 2017), como demonstrado na configuração do gabinete INAPRO. O grande volume de água necessário para o cultivo de peixes precisa ser considerado de uma perspectiva arquitetônica, pois traz consequências para os sistemas estruturais e de condicionamento dentro de um edifício.

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