21.3 Типологии и тематические исследования коммерческих ферм

В рамках этого дальнейшего исследования основное внимание уделяется определению критериев классификации аквапоник на уровне корпуса в дополнение к существующим системным определениям. Обсуждаемые здесь типы корпусов работают с различными строительными системами, уровнями технологического контроля, стратегиями пассивного климатического контроля и источниками энергии для достижения надлежащего климата внутри помещений. Наилучшее применение типологии каждого корпуса зависит в первую очередь от масштабов эксплуатации, географического положения, местного климата, целевых видов рыб и сельскохозяйственных культур, требуемых параметров систем, в которых он находится, и бюджета. В этом исследовании определены пять различных типологий корпусов и определены характеристики внутренних пространств, в которых размещается инфраструктура аквакультуры.

21.3.1 Тепличные типологии

Эта классификация включает четыре категории теплиц — среднетехнологичные теплицы, пассивные солнечные теплицы, высокотехнологичные теплицы и теплицы на крыше, которые применимы к операциям аквапоники коммерческого уровня (таблица 21.2). Существующие теплицы могут не соответствовать одной типологии, но подпадают под диапазон от средних технологий до высокотехнологичных путем выборочного включения активных и пассивных методов контроля окружающей среды.

Среднетеплицы Tech Greenhouses Теплицы с промежуточным уровнем технологии для контроля внутреннего климата включают отдельно стоящий или подключенный к желоба Quonset (тип хижины Nissen), обруч (политуннель) и четные теплицы. Они обычно покрыты двойной полиэтиленовой пленкой (PE) или жесткими пластиковыми панелями, такими как акриловые панели (PMMA) и поликарбонатные панели (PC). Установка этих теплиц дешевле, хотя облицовка пленки должна часто заменяться из-за быстрого ухудшения, вызванного постоянным воздействием ультрафиолетового излучения (Proksch 2017). Эти теплицы защищают сельскохозяйственные культуры от экстремальных погодных явлений и в некоторой степени патогенов, но обеспечивают лишь ограниченный уровень активного контроля климата. Вместо этого они полагаются на солнечное излучение, простые системы затенения и естественную вентиляцию. Имея ограниченную способность изменять условия выращивания в определенном диапазоне, среднетехнологичные теплицы редко используются для размещения аквапонных ферм в холодном климате. Это связано с тем, что высокие первоначальные инвестиции в гидропонные и аквакультурные компоненты требуют стабильной окружающей среды и надежного круглогодичного производства, чтобы быть коммерчески жизнеспособным.

Операции Aquaponic в теплых климатических условиях успешно продемонстрировали использование средних теплиц, которые используют испарительное охлаждение и простые системы отопления. Например, Sustainable Harvesters в Хокли, штат Техас, США, использует простую теплицу Quonset (12 000 sf/1110 msup2/sup) для круглогодичного производства салата без использования обширного дополнительного нагрева или освещения. Фермы Ouroboros в Халф-Мун Бэй, штат Калифорния, США, используют существующую теплицу (20 000 sf/1860 msup2/sup) для производства салата, зелени и трав (рис. 21.4). Из-за мягкого климата ферма использует в основном статическое затенение и небольшое дополнительное отопление и охлаждение. Обе фермы, как и многие более мелкие средние технологические операции, размещают свои резервуары для рыбы в том же тепличном пространстве, что и гидропонная система выращивания сельскохозяйственных культур. В хозяйствах выращиваются виды рыб, которые выдерживают широкий температурный диапазон (тилапия) и затеняют резервуары для аквакультуры для предотвращения перегрева и роста водорослей.

Таблица 21.2 Сопоставление тематических исследований по типологиям приложений

стол тхед tr class=“заголовок» TCEA типа/th т Тематические исследования /th т Строительная система /th т Элементы управления /th т Выращивание сезонной супе/суп и широта /th т Зоны выносливости supb/sup /th /tr /thead tbody tr class=“нечетный» td rowspan=6 средних теплиц/td td rowspan=3 Фермы Уробороса, Халф-Мун Бэй, Калифорния, США (20 000 sf/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 Существующий желоба GH с двумя равномерными промежутками, одетый однопанельным стеклом, резервуары для рыбы в GH /td td rowspan=3 Статическое затенение, затенение штор /td td rowspan=2 319 дней/10,6 месяцев /td td 10а /td /tr tr class=“даже» td от 30 до 35 ˚F /td /tr tr class=“нечетный» td 37,5 N /td td от -1.1 до 1,7 ˚C /td /tr tr class=“даже» td rowspan=3 Устойчивые комбайны, Хокли, Техас, США (12 000 sf/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Квонсетная рама, многотоннельная (3) GH, одетая ПЭ- пленкой и жесткими пластиковыми панелями, аквариумы в GH /td td rowspan=3 Испарительное охлаждение, принудительная вентиляция /td td rowspan=2 272 дней/девять месяцев /td td 8b /td /tr tr class=“нечетный» td От 15 до 20 ˚F /td /tr tr class=“даже» td 30,0 ˚N /td td -9,4 до 6,7 ˚C /td /tr tr class=“нечетный» td rowspan=6пассивные солнечные теплицы/td td rowspan=3 Солнечная теплица Aquaponic, Нойенбург-на-Рейне, Германия (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 (китайский) солнечная теплица, с Adobe стены в качестве дополнительной тепловой массы, одетые с ETFE пленкой, рыба танки в GH /td td rowspan=3 Изготовленные на заказ фотоэлектрические модули для затенения и производства энергии /td td rowspan=2 202 месяцев/ 6,6 месяца /td td 8а /td /tr tr class=“даже» td 10—15 ˚F /td /tr tr class=“нечетный» td 47,8 ˚N /td td

• от 12,2 до -9,4 ˚C /td /tr tr class=“даже» td rowspan=3 Теплица эко-ковчега в Finn & Roots, Бейкерсфилд, VT, США (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Солнечная теплица, земля защищена, крутой угол южной облицовки крыши (около 60), толстая изоляция, специальные солнечные коллекционирующие остекления, рыба резервуары в северной, подземной стороне /td td rowspan=3 Древесина, излучающее тепло, энергетическая завеса, вентиляция со штабелированием, дополнительное светодиодное освещение /td td rowspan=2 108 дней/3,6 месяца /td td 4а /td /tr tr class=“нечетный» td от -30 до -25 ˚F /td /tr tr class=“даже» td 44.8˚ N /td td От -34,4 до -31,7 ˚C /td /tr tr class=“нечетный» td rowspan=6Высокотехнологичные теплицы/td td rowspan=3 Superior Fresh Farms, Хикстон, Висконт, США (123 000 sf/11 430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Венло, соединенный желоба, (20 41 бухты), покрытый стеклом, резервуары для рыбы в отдельном здании /td td rowspan=3 Компьютерная управляемая среда CEA, дополнительное светодиодное освещение, /td td rowspan=2 122 дней/4,1 месяца /td td 4b /td /tr tr class=“даже» td от -25 до -20 ˚F /td /tr tr class=“нечетный» td 44,4 Н /td td От -31,7 до -28,9 ˚C /td /tr tr class=“даже» td rowspan=3 Blue Smart Farms, Коббитти, Новый Южный Уэльс, Австралия (53 800 sf/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Венло в стиле, подключен желоба, (14 18 заливов), одетый стеклом, двухэтажная конструкция, аквариум на нижнем уровне /td td rowspan=3 Компьютерное управление окружающей средой CEA биологическая борьба с вредителями /td td rowspan=2 300 дней/ 10 месяцев /td td 9b /td /tr tr class=“нечетный» td от 25 до 30 ˚F /td /tr tr class=“даже» td 34.0˚S /td td -3,9 до -1,1 ˚C /td /tr tr class=“нечетный» td rowspan=6+теплицы на крышах/td td rowspan=3 Экко-Ягер Аквапоник Дахфарм, Бад-Рагац, Швейцария (12,900 sf/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Венло в стиле, желоба, (7 13 заливов), покрытые стеклом, резервуары для рыбы на нижнем уровне /td td rowspan=3 CEA среда, дополнительное светодиодное освещение, использование отработанного тепла от холодильной установки /td td rowspan=2 199 дней/6,6 месяца /td td 7b /td /tr tr class=“даже» td От 5 до 10 ˚F /td /tr tr class=“нечетный» td 47,0˚ N /td td от -15.0 до -12.2 ˚C /td /tr tr class=“даже» td rowspan=3 Бигх Ферме, Брюссель, Бельгия (21 600 sf/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Венло в стиле, желоба, (15 10 заливов), покрытые стеклом, резервуары для рыбы на нижнем уровне /td td rowspan=3 CEA среда, дополнительное светодиодное освещение /td td rowspan=2 224 дней/7,3 месяца /td td 8b /td /tr tr class=“нечетный» td От 15 до 20 ˚F /td /tr tr class=“даже» td 50.8˚ N /td td -9,46 до -6,7 ˚C /td /tr tr class=“нечетный» td RowSpan=6Комнатные растущие пространства/td td rowspan=3 Urban Organics, пивоварня Шмидта, Сент-Пол, Миннесота, США (87 000 sf/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Склад стальной каркас, с высокой изоляцией, уложенный выращивание, резервуары для рыбы в отдельном помещении /td td rowspan=3 Флуоресцентное УФ-освещение, компьютерное управляемое окружение CEA /td td rowspan=2 140 дней/4,7 месяца /td td 4b /td /tr tr class=“даже» td от -25 до -20 ˚F /td /tr tr class=“нечетный» td 45,0˚ N /td td от -31,7 до 28,9 ˚C /td /tr tr class=“даже» td rowspan=3 Нутрапоники, Шервуд Парк, Альберта, Канада (10 800 sf/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Склад стальной каркас, с высокой изоляцией, уложенный выращивание, резервуары для рыбы в отдельном помещении /td td rowspan=3 Светодиодное освещение, управляемая компьютером среда CEA /td td rowspan=2 121 дня/4 месяца /td td 4а /td /tr tr class=“нечетный» td от -30 до -25 ˚F /td /tr tr class=“даже» td 53.5˚ N /td td От -34,4 до -31,7 ˚C /td /tr /tbody /таблица

вегетационный сезон без спроса, Национальная ассоциация садоводства, инструменты и приложения, https://garden.org/ apps/calendar/

SUPB/SUP основан на карте зон выносливости USDA, которая определяет среднегодовую минимальную зимнюю температуру (1976—2005), разделенную на зоны 10 F. Карты растений, https://www.plantmaps.com/ index.php

Пассивные солнечные теплицы Этот тип теплицы предназначен для нагрева исключительно солнечной энергией. Значительные тепломассовые элементы, такие как сплошная северная стена, хранят солнечную энергию в виде тепла, которое затем повторно излучается в холодные периоды ночью. Такой подход позволяет буферизировать колебания температуры воздуха и может уменьшить или устранить потребность в ископаемом топливе. Солнечные теплицы имеют прозрачную южную сторону и непрозрачную массивную, высокоизолированную северную сторону. Интеграция больших объемов воды в виде емкостей для рыбы является преимуществом для тепловых характеристик этого тепличного типа. Кроме того, резервуары могут располагаться в зонах теплицы, которые менее подходят для выращивания растений или частично погружаются в почву для дополнительной термической стабильности.

img src=» https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/9ab2af1a-4c94-4753-804b-11f0dac8a7eb.jpg “style=“зум: 75%;»/

Рис. 21.4 Уроборос Фармс (Халф Мун Бэй, Калифорния, США)

Солнечная теплица Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), разработанная и испытанная Францем Шрайером, зарекомендовала себя как подходящая среда для размещения небольшой аквапонной системы на юге Германии. Теплица собирает солнечную энергию через свою южную арочную крышу и стену, покрытую этилентетрафторэтиленовой пленкой (ETFE). Тепло хранится в частично погруженных аквариумах, полу и одетой в адобе северной стене, чтобы рассеиваться ночью. Встроенные на заказ фотоэлектрические панели теплицы превращают солнечное излучение в энергию. Расположенный в более холодном климате Вермонта, США, Eco-Ark Greenhouse на ферме Finn & Roots (6000 sf/560 msup2/sup) располагает аквапонической системой, которая работает с аналогичным пассивным солнечным подходом. Теплица имеет крутую (ок. 60˚) прозрачную крышу, выходящую на юг, со специальным солнечным остеклением (рис. 21.5). Его сильно изолированная, непрозрачная северная сторона погружена в склон холма и размещает резервуары для рыбы. В дополнение к этим пассивным элементам управления, Eco-Ark имеет сияющий подогрев пола, который дополняет отопление в самые холодные времена года.

**Высокотехнологичные теплицы в стиле Венло, высокотехнологичные теплицы, которые оснащены высоким уровнем технологий для контроля внутреннего климата, являются стандартом для коммерческого гидропонного CEA. Высокотехнологичные теплицы характеризуются компьютеризированным управлением и автоматизированной инфраструктурой, такой как автоматические тепловые завесы, автоматические световые решетки и системы принудительной вентиляции воздуха. Эти технологии позволяют обеспечить высокий уровень экологического контроля, хотя они достигаются ценой высокого потребления энергии.

img src=» https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/32392581-63cb-423e-b8b6-baf400d07aed.jpg “style=“зум: 75%;»/

Рис. 21.5 Теплица эко-ковчега на ферме Finn & Roots (Бейкерсфилд, Вермонт, США)

Некоторые крупные коммерческие аквапонные фермы используют эту типологию для производства растений, такие как Superior Fresh фермы, расположенные в Хикстоне, штат Висконсин, США (123 000 sf/11 430 msup2/sup), а системы аквакультуры размещены в отдельном непрозрачном корпусе. Автоматизированное дополнительное светодиодное освещение и отопление позволяют фермам Superior Fresh выращивать зелень круглый год, несмотря на отсутствие дневного света зимой, где естественный, безморозный вегетационный сезон длится всего 4 месяца. Автоматизированные системы внутреннего контроля климата позволяют эксплуатировать высокотехнологичные теплицы в любой точке мира. В теплице Blue Smart Farms используется множество датчиков для оптимизации затенения во время жаркого австралийского лета.

Thanet Earth, крупнейший тепличный комплекс в Великобритании, расположен на юго-востоке Англии. Пять теплиц занимают более 17 акров (7 га) каждая, выращивая томаты, перец и огурцы с помощью гидропоники (рис. 21.6). Это предприятие питается от комбинированной теплоэнергетической системы (ТЭЦ), которая обеспечивает электроэнергию, тепло и COSub2/Sub для теплиц. Система ТЭЦ работает очень эффективно и направляет избыточную энергию в местный район, подавая ее в местную электросеть. Кроме того, управляемые компьютером технологии, такие как энергетические завесы, дополнительное освещение высокой интенсивности разряда и вентиляция, регулируют условия выращивания в помещениях.

Originhouses Этот последний тип включает в себя теплицы, построенные поверх принимающих зданий, либо в качестве переоборудования существующих сооружений, либо в рамках нового строительства. В связи с высокой стоимостью земли экономия пространства приобретает все большее значение для аквапонных ферм в городских условиях. Подключение теплицы к существующему зданию является одной из стратегий для городских фермеров, которые хотят оживить недоиспользуемое пространство и найти центральное место в городе. Теплицы на крыше уже используются коммерческими производителями гидропоники, но являются относительно редким типом ограждений для аквапонных ферм из-за дополнительного веса воды, которая может напрягать существующие сооружения, превышающие их грузоподъемность. Немногочисленные аквапонные фермы на крыше, которые в настоящее время существуют, уделяют приоритетное внимание облегченным системам распределения воды (технология питательной пленки или выращивания на основе сред, а не глубоководной культуры) и размещают свои резервуары для рыбы на уровне ниже площади выращивания сельскохозяйственных культур из-за относительно снижения спроса на естественное освещение.

img src=» https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/d3c2c5a9-cd6e-4ed4-86c1-49691ee052ff.jpg “style=“зум: 75%;»/

Рис. 21.6 Thanet Earth, современные теплицы с комбинированным энергоснабжением, (остров Танет в Кенте, Англия, Великобритания)

Недавно в Европе открылись две фермы на крыше с высокотехнологичными аквапоническими системами. Оба они консультировались с консультантами по сельскохозяйственным системам в Берлине. ECC-Jäger Aquaponik Dachfarm в Бад-Рагаце, Швейцария, находится на вершине дистрибьюторского центра семейной производственной компании. Теплица на крыше в стиле Венло (12 900 sf/1200 msup2/sup) расположена в двухэтажном здании депо; на полу под теплицей установлены емкости для рыбы. Выращивая зелень и травы на крыше, ECC-Jäger уменьшает потребность в транспортировке и может предложить продукцию сразу после сбора урожая. Кроме того, ферма использует отработанное тепло, генерируемое его холодильным хранением, чтобы нагреть теплицу. Компания BIGH Ferme Abattoir (21 600 sf/2000 msup2/sup) — более крупная версия аналогичной теплицы на крыше Венло (рис. 21.7), которая занимает крышу рынка Foodmet в Брюсселе, Бельгия. Эти первые примеры указывают на дальнейший потенциал оптимизации как аквапоники, так и огибающей производительности за счет подключения потоков воды, энергии и воздуха между фермерским хозяйством и хозяйственным зданием, известным как строительство интегрированного сельского хозяйства (BIA). В настоящее время ведутся исследования на флагманской гидропонной интегрированной теплице на крыше, расположенной в здании, совместно используемом Институтом экологических наук и технологий (ICTA) и Каталонским институтом палеонтологии (ICP) при Автономном университете Барселоны (UAB), чтобы использовать преимущества полного хотя такого примера в области аквапоники не существует, чтобы определить преимущества полной интеграции зданий, хотя такого примера нет в области аквапоники.

img src=» https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/fb4fdcd2-2461-4190-9d42-287f24c50e25.jpg “style=“зум: 75%;»/

Рис. 21.7 BIGH Ferme Abattoir с высокотехнологичной теплицей на заднем плане (Брюссель, Бельгия)

21.3.2 Внутренний тип выращивания

Внутренние растительные пространства полагаются исключительно на искусственный свет для растениеводства. Зачастую эти растущие пространства сильно изолированы и покрыты непрозрачным материалом, изначально предназначенным для хранения или промышленного производства. Внутренние растущие пространства, как правило, имеют лучшую изоляцию, чем теплицы из-за материала огибающей, хотя они не могут полагаться на освещение или естественное отопление. Предполагается, что эта типология лучше подходит для экстремальных климатических условий, где температурные колебания вызывают большую озабоченность, чем освещение (Graamans et al. 2018), хотя необходимы более убедительные исследования.

Urban Organics управляет двумя коммерческими фермами для выращивания аквапоник в помещениях в двух отремонтированных пивоварнях в промышленном центре города Сент-Пол, штат Миннесота, США. На двух фермах выращивают зелень и травы в сложенных растущих клубах, освещаемых флуоресцентными огнями (рис. 21.8). Их второй участок позволяет Urban Organics подключаться к инфраструктуре пивоваренного завода вокруг существующего водоносного горизонта; вода водоносного горизонта нуждается в минимальной очистке и снабжается при температуре 10 ˚C в арктические резервуары и радужной форели. Использование существующих структур снизило расходы на строительство Urban Organics и дало возможность оживить борющийся район города. В еще более холодном климате Nutraponics выращивает зелень на складе в сельской местности в 40 км от Эдмонтона, Альберта, Канада. Поскольку местная продукция сильно зависит от сезонных колебаний температуры, Nutraponics получает конкурентное преимущество на рынке, используя светодиодное освещение для ускорения роста урожая круглый год (Рис. 21.9).

img src=» https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/0aa00759-4d60-4e68-aa79-f2a6428b3e77.jpg “style=“зум: 75%;»/

Рис. 21.8 Urban Organics (Сент-Пол, Миннесота, США)

21.3.3 Корпуса для аквакультуры

Корпуса для компонента аквакультуры аквапонных операций технически не столь требовательны, как конструкция корпуса для гидропонных компонентов, поскольку для процветания рыб не требуется солнечного света. Тем не менее контроль за условиями выращивания в помещениях позволяет фермерам оптимизировать рост, снизить стресс и составить точные графики производства рыбы, что дает их запасам конкурентное преимущество на рынке (Bregnballe 2015). Корпуса аквакультуры в основном необходимы для поддержания стабильности температуры воды. Рыбные емкости должны поддерживать комфортные температурные диапазоны для конкретных видов рыб, тепловодных рыб 75-86˚F (24-30˚C) и холодноводных рыб 54-74˚F (12-23˚C) (Alsanius et al. 2017). Температура воды и комнатной температуры можно контролировать наиболее эффективно, если резервуары для рыбы размещены в хорошо изолированном помещении с небольшим количеством окон, чтобы свести к минимуму солнечный прирост в летние месяцы и потери температуры при падении наружной температуры (Pattillo 2017), как показано в установке корпуса INAPRO. Большой объем воды, необходимой для выращивания рыбы, необходимо рассматривать с архитектурной точки зрения, поскольку это влечет за собой последствия для структурных систем и систем кондиционирования внутри здания.

img src=» https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/ddba0cf1-5af4-4d05-83bc-e825fa988640.jpg “style=“зум: 75%;»/

Рис. 21.9 Нутрапоники (Шервуд Парк, Альберта, Канада)