Aqu @teach: Типология коммерческих крытых городских ферм

Строительно-интегрированное сельское хозяйство (BIA) в основном использует методы безпочвенного земледелия, такие как гидропоника, аквапоника или аэропоника. Преимущества BIA включают круглогодичное производство, повышение урожайности, усиление контроля за безопасностью пищевых продуктов и биозащищенностью, а также существенное сокращение вводимых ресурсов в отношении водоснабжения, пестицидов, гербицидов и удобрений, а также повышение энергоэффективности здания за счет создания симбиотических отношений между фермой и ее хозяйственным зданием. Системы BIA могут быть применены либо на оболочке здания — на крыше или фасадах, чтобы воспользоваться наличием естественного света — либо в помещении с искусственным освещением, либо в отдельно стоящем здании (рис. 2), и все параметры роста контролируются. Это известно как контролируемое экологическое сельское хозяйство, или CEA, которое сочетает в себе садоводческие и инженерные навыки для оптимизации растениеводства, качества растениеводства и эффективности производства.

Теплицы на крыше

Среди нескольких существующих форм BIA, тепличное хозяйство на крыше является одной из самых популярных, так как крыши представляют собой значительную неиспользуемую городскую территорию, а легкие гидропонные теплицы не требуют значительного структурного усиления здания принимающей стороны (Benis & Ферран 2018). Крыша является идеальным ландшафтом для выращивания растений в плотных городах, так как она обычно имеет большее воздействие солнечной энергии, чем земля ниже. В то время как урожайность гидропонных теплиц выше, чем у крышных ферм под открытым небом, ассортимент овощей, которые можно выращивать, меньше и, как правило, ограничивается лиственной зеленью, микрозеленью, травами, помидорами, огурцами, баклажанами, перцем и клубникой (Buehler & Junge 2016). Гидропонные теплицы часто оснащаются системами климат-контроля, такими как вентиляторы, обогреватели, испарительное охлаждение, тепловые экраны и рабочие окна, чтобы обеспечить воздух в помещении и достичь оптимальной температуры, относительной влажности и уровня углекислого газа, независимо от внешних условий. Они нагреваются природным газом или электричеством, с возможностью резервного копирования через фотоэлектрические (PV) панели. Современные установки улавливают отходящее тепло от системы ОВКВ здания и могут быть построены с помощью солнечного стекла, которое собирает определенные длины волн солнечного света для выработки электроэнергии, передавая и рассеивая другие длины волн в теплицу (рис. 3).

Несколько североамериканских компаний уже доказали, что значительные объемы продовольствия можно производить круглогодично для городских жителей на неиспользуемых крышах в плотных городских условиях, где доступная и доступная земля является редким товаром. Lufa Farms построила первую в мире коммерческую теплицу на крыше в промышленном здании в Монреале, Канада, в 2011 году. Теплица^{площадью 2880 м 2} используется для выращивания различных овощей. С тех пор они построили еще два, один предназначен для максимизации производства томатов (3995 м²), а другой предназначен для выращивания листовой зелени (5853 м²). Каждая из их теплиц, в которых размещены гидропонные системы NFT, была спроектирована так, чтобы быть не только большими, но и более легкими, дешевыми и эффективными. В США Gotham Greens эксплуатирует 16 000 квадратных метров городских теплиц на крыше на 4 объектах в Нью-Йорке и Чикаго, также используя гидропонику NFT. Их флагманская теплица, построенная в Нью-Йорке в 2011 году, стала первой в мире теплицей коммерческого масштаба, построенной в Соединенных Штатах. На заводе 1394 м² производится более 45 000 кг листовой зелени в год. Разработанные и построенные с учетом устойчивости на переднем крае, электрические потребности объекта компенсируются солнечными фотопанелями мощностью 60 кВт, а высокоэффективные конструктивные функции, включая светодиодное освещение, современное остекление, пассивную вентиляцию и тепловые завесы, помогают снизить потребность в электричестве и отоплении. Интеграция на крыше еще больше снижает энергопотребление, а также служит для изоляции здания ниже. Вторая теплица Готэма Гринса, построенная в 2013 году, является первой теплицей коммерческого масштаба, построенной на вершине супермаркета. ^{Он ежегодно производит более 90 000 кг листовой зелени, трав и помидоров.} Их третья и самая большая теплица в Нью-Йорке занимает 5574^м2 и ежегодно выращивает более 5 миллионов голов зелени. Это карликовая теплица Чикаго, которая на высоте более 6968 м² представляет собой крупнейшую в мире и наиболее производительную ферму на крыше, вырастающую до 10 миллионов голов листовой зелени и и трав.

Рис. 3: Потенциальный обмен потоками воды, энергии и газа между теплицей на крыше и принимающим зданием (после Céron-Palma et al. 2012)

В Нью-Йорке расположены три других гидропонных теплицы на крыше. Небесные овощи выращивает травы и зелень, в то время как Завод уксуса выращивает помидоры, клубнику, травы и зелень. Недавно на Arbor House, блоке доступного жилья в Нью-Йорке, была построена теплица на крыше. Расположенная в районе с непропорционально большим числом людей с низким уровнем дохода, страдающих ожирением, диабетом и сердечными заболеваниями, гидропонная ферма площадью 929 м² будет функционировать в качестве механизма поддержки сельского хозяйства (CSA), в рамках которого жители могут приобретать продукцию через еженедельную схема подписки на овощную коробку. Около 40% продукции будет предоставляться местным общинам посредством охвата близлежащих школ, больниц и рынков. Edenworks — аквапоническая теплица на крыше, также в Нью-Йорке, где выращивается микрозелень.

В Европе швейцарские стартапы UrbanFarmers разместили свою экспериментальную коммерческую аквапоническую ферму, UF001 LokDepot, в теплице на крыше в Базеле. Производственная мощность 260 м² составляла 5000 кг овощей в год, в то время как система аквакультуры — 800 кг рыбы.

Берлинский стартап ECF Farmsystems построил две аквапонические теплицы на крыше. Eco Jäger,, открывшейся в 2016 году в Бад-Рагазе, Швейцария, выращивает салат, травы и форель для ресторанов, гостиниц и предприятий общественного питания. BIGH открылся в Брюсселе в 2018 году и производит салат, травы и гибридный полосатый бас для ресторанов, продуктового розничного рынка и прямых фермерских продаж. Первая городская теплица на крыше во Франции откроется в 2019 году. Toit Tout Vert находится в жилой части Парижа, а продукция с площади 1400 м² будет продаваться в местных магазинах.

Отдельностоящая теплица

Свободные городские участки также предоставляют возможности для автономных теплиц. Metropolitan Farms находится на бывшей автостоянке в Чикаго. Аквапоническая теплица производит салат, базилик и тилапию, которые продаются через фермерские рынки, местные продовольственные кооперативы и специализированные продуктовые магазины. В Европе ECF Farmsystems эксплуатирует аквапоническую теплицу в самом центре Берлина. ECF Farm Berlin,, которая открылась в 2015 году, имеет площадь 1800 м² и используется для выращивания базилика и окуня, предназначенных для розничного рынка продуктов питания.

Вертикальные фермы и фабрики

Концепция «вертикального земледелия» была представлена в 2010 году Диксоном Деспоммье в своей книге «Вертикальная ферма: кормление мира в^XXI веке*». Вертикальные фермы могут располагаться в теплице или внутри здания и использовать различные технологии для выращивания растений на вертикальной плоскости, чтобы максимизировать урожайность по отношению к площади поверхности производственной единицы (см. Глава 14 для получения подробной информации об этих технологиях вертикального выращивания). Теоретически вертикальные фермы также могут быть размещены на фасаде здания в виде Вертикально-интегрированной теплицы (ВИГ), которая состоит из двойных фасадов зданий в сочетании с гидропонными системами. Однако, хотя ВИГ были разработаны как концепция и запатентованы, ни одна из них еще не построена. Вертикальные фермы также могут быть в виде специально построенных небоскребов (иногда называемых «skyfarms»). Опять же, такие утопические видения еще не оправдались. Это во многом объясняется тем, что такие проекты не являются экономически осуществимыми.

Основанная в Стокгольме Plantagon запатентовала ряд проектов для Skyfarms. Строительство здания World Food Building (рис. 4), 60-метровой офисной башни, которая удваивается как вертикальная ферма, началось в 2012 году в шведском городе Линчёпинг и должно было быть завершено в 2020 году. Здание стоимостью 40 миллионов долларов было призвано продемонстрировать подход компании к городской архитектуре, который она называет «агритехтурой» — слово портманто, сочетающее в себе термины сельское хозяйство, технологии и архитектура. В северной стороне здания будет 17 этажей офисных помещений, в то время как наклонный стеклянный фасад будет покрывать южную сторону, чтобы максимальное количество солнца попало в сельскохозяйственные районы. Близлежащий к нему завод по сжиганию отходов и биогазу обеспечивал бы здание отоплением, а также топливом для производства продуктов питания, в то время как отходы из теплицы затем отправлялись на биогазовую установку для компостирования, создавая тем самым круговое движение энергии. Однако компания обанкротилась в 2019 году, в связи с чем возникают вопросы о том, будет ли строительство World Food Building когда-либо завершено.

Скорее всего, Skyfarms впервые материализуются в мегаполисах Азии, таких как Сингапур и Шанхай. Будучи небольшим островом площадью всего 750 км² и населением более пяти миллионов человек, Сингапур сталкивается с потенциальными проблемами продовольственной безопасности. С земельными участками с премией, только 0,9% острова посвящено сельскому хозяйству, которое производит только 7% потребляемой им пищи. Оставшаяся потребность обеспечивается за счет импорта продовольствия со всего мира. Однако транспортные расходы на продовольствие становятся все более запретительными, и по этим причинам Сингапур серьезно относится к вертикальному земледелию. Первая в городе ферма Sky Greens начала производство в 2012 году, а количество вертикальных ферм выросло с шести в 2016 году до 26 в 2018 году (Wei 2018).

Рис. 4: Создание Всемирного продовольственного здания в Линчёпинге, Швеция www.plantagon.com

Шанхай — еще один идеальный город для вертикального земледелия. С учетом того, что около 24 миллионов жителей вынуждены прокормить, а также снижения доступности и качества сельскохозяйственных земель, высокие цены на землю делают строительство более экономически жизнеспособным, чем строительство за рубежом. Градостроители Sasaki Associates разработали мастер-план для [городского сельскохозяйственного округа Суньцяо]. (http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/) Район площадью 100 га, расположенный между главным международным аэропортом и центром города, будет включать 66 611 м² жилья, 12 820 м² коммерческих площадей, 69 956 м² вертикальных ферм и 79 525 м² общественного пространства. В первую очередь реагируя на растущий спрос на сельское хозяйство в регионе, концепция Сасаки идет дальше, используя городское сельское хозяйство как динамичную живую лабораторию для инноваций, взаимодействия и образования, и внедряет ряд удобных для городов методов ведения сельского хозяйства, таких как водоросли, плавучие теплицы, вертикальные семенных библиотек, гидропонных и аквапонных вертикальных ферм, которые будут использоваться для удовлетворения спроса на листовую зелень в типичном шанхайском рационе питания (рис. 5 и 6). Масштаб утвержденной схемы Сасаки указывает на увеличение стоимости сельскохозяйственного сектора Китая. Китай является крупнейшим потребителем и экспортером сельскохозяйственной продукции в мире, где промышленность обеспечивает 22% занятости страны и 13% ее валового внутреннего продукта. Поэтому китайское правительство стремится сохранить, модернизировать и продемонстрировать отрасль, которая помогла значительно снизить уровень бедности. Строительство района началось в 2018 году и должно завершиться в 2038 году.

Рисунок 5: Построение городского сельскохозяйственного района Суньцяо в Шанхае < http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ >

Рисунок 6: Построение городского сельскохозяйственного района Суньцяо в Шанхае < http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ >

В то время как Skyfarms остается видением будущего, коммерческие фабрики завода работают как в сельских, так и в городских районах Северной Америки, Европы, Восточной Азии и Ближнего Востока. Заводы — это тип закрытой системы производства растений, в которой вентиляция поддерживается на минимальном уровне, а искусственный свет используется в качестве единственного источника света для роста растений. Окружающая среда может контролироваться так точно, как хотелось бы, независимо от погоды. В дополнение к рециркулирующему питательному раствору в гидропонной системе вода, получаемая растениями, может быть конденсирована и собрана на охлаждающей панели кондиционеров, а затем перерабатывается для орошения. Как правило, заводские заводы состоят из 6 основных компонентов: термоизолированная и почти герметичная складская непрозрачная структура; от 4 до 20 ярусов вертикально уложенных гидропонных колодцев, оснащенных либо флуоресцентными, либо светодиодными лампами; кондиционеры (тепловые насосы), используемые для охлаждения и осушение для устранения тепла, генерируемого лампами и водяным паром, поступающим на растения, и вентиляторы для циркулирующего воздуха для улучшения фотосинтеза и транспирации, а также для достижения равномерного пространственного распределения воздуха; блок питания CO₂ для поддержания концентрации CO₂ на уровне около 1000 Ммоль/л во время фотопериода для усиления фотосинтеза; блок подачи питательных растворов с водяными насосами; и блок контроля окружающей среды, включающий контроллеры электропроводности (EC) и pH для питательного раствора. В то время как люминесцентные лампы в основном используются из-за их компактных размеров, светодиоды все чаще используются из-за низкой температуры поверхности лампы, высокой эффективности использования света и широкого спектра света. Последние заводские заводы используют передовые роботизированные технологии, включая дистанционное зондирование, обработку изображений, интеллектуальные роботы, облачные вычисления, анализ больших данных и трехмерное моделирование (Kozai 2013).

Растения, выращенные на заводах, должны быть короче, чем около 30 см в высоту, так как расстояние между вертикальными ярусами обычно составляет около 40 см, что является оптимальной высотой для максимального использования пространства. Растения, пригодные для коммерческого производства с использованием заводов, являются те, которые хорошо растут при относительно низкой интенсивности света, процветают при высокой плотности посадки, быстро растут (уборочные 10-30 дней после пересадки), и для которых большинство деталей (85% в свежем весе) съедобны и продаются по высокой цене. Поэтому в Японии и других азиатских странах фабрики используются для коммерческого производства листовой зелени, трав, лекарственных растений и трансплантаций. Небольшие заводские фабрики площадью всего 15-100 м² также широко используются для коммерческого производства саженцев в Японии, так как саженцы могут быть произведены в короткие сроки при высокой плотности посадки. На этих небольших заводах производят на коммерческой основе привитые и непривитые саженцы томатов, огурцов, баклажанов, саженцев шпината и салата для гидропонной культуры, а также саженцы и черенки высокоценных декоративных растений (Kozai 2013; Козай et al. 2016).

В Северной Америке Plenty, Посажены, Oasis Biotech, FreshBox Farms и Мы корней эксплуатируют городские заводские фабрики на бывших складах, в то время как [AerofArms](https://freshboxfarms.com/ https://www.wetheroots.com/ https://aerofarms.com/) находится в бывшем сталелитейном заводе. Fresh Impact Фермы находится внутри пригородного торгового центра, а Farm.One находится в подвале ресторана. В Европе PlantLab в Хертогенбосе, Нидерланды, является производственным заводом площадью 20 000 м² и научно-исследовательским центром в свободной фабрике и складских помещениях. Ферма использует передовую светодиодную технологию, которая калибрует состав и интенсивность света в соответствии с конкретными потребностями и использует автоматизированную систему, которая контролирует и контролирует более 80 различных переменных, включая влажность, CO₂, интенсивность света, цвет света, скорость воздуха, ирригацию, питательную ценность и температура воздуха, чтобы повысить урожайность и качество растений. GrowX в Амстердаме выращивает микрозелень, травы и листья салата на складе, который собирают на заказ для элитных ресторанов. В Лондоне GrowUp Urban Farms эксплуатировала коммерческую аквапоническую ферму на складе, и Growing Underground выращивает микрозелень в бомбоубежище Второй мировой войны на 33 метра ниже уровня улицы. La Caverne — подземная ферма в автостоянке под Парижем, которая выращивает грибы, эндайв и микрозелень.

Вертикальные фермы могут также эксплуатироваться в теплицах, с тем чтобы использовать естественное освещение; поэтому окружающая среда является лишь полуконтролируемой. В качестве примеров можно привести Вертикальный урожай в США и Sky Greens в Сингапуре. Открытие в 2019 году Tour Maraichère в парижском пригороде Роменвиль представляет собой специально построенную теплицу, состоящую из двух блоков, самый высокий из которых — 24 метра (Рисунок 7). В 2060 м² площади выращивания будут производить 12 тонн фруктов, овощей, грибов и съедобных цветов в год, а теплица будет использоваться для демонстрации короткой цепи производства продуктов питания, обеспечения местных жителей свежими продуктами питания с низким экологическим воздействием, сокращения использования автомобильного транспорта и для создания заданий.

Рисунок 7: Прорисовка тура Maraichèchere, Париж < http://ilimelgo.com/fr/projets/tour-maraichere.html >

Контейнерные фермы

Еще одной формирующейся тенденцией в области городского земледелия являются контейнерные фермы, в которых также используются технологии вертикального земледелия. Контейнерные фермы, оснащенные новейшей технологией климат-контроля и гидропонными башнями для выращивания или уложенными каналами NFT, позволяют производить круглогодичное производство и могут устанавливаться на свободных участках или на крышах. Преимущества грузовых контейнеров включают их компактность и модульность, большую доступность и, при использовании перепрофилированных, их низкую стоимость. Поскольку они модульные, их можно легко укладывать, поэтому теоретически можно создать ферму с очень высокой плотностью и высокой урожайностью, хотя эта возможность еще не реализована. Система CropBox представляет собой перепрофилированный транспортный контейнер, занимающий площадь 30 м² и использующий массив горизонтальных каналов NFT; он может выращивать 5445 кг салата, 3175 кг клубники или 84 тонны микрозелени в год. Система Tiger Corner Farms также использует перепрофилированный грузовой контейнер, но дифференцируется за счет использования вертикальной аэропонной технологии для выращивания 3800 - 7600 культур за цикл выращивания. Грузовые фермы первоначально использовали перепрофилированные контейнеры (Leafy Green Machine), но в настоящее время продает специально изготовленные контейнеры (Greenery) с улучшенной изоляцией и более эффективной системой климат-контроля. Обе системы используют вертикальные растущие башни и могут вмещать до 4500 зрелых растений. Листовая зеленая машина была принята рядом городских ферм в Северной Америке для выращивания зелени и трав, в том числе Квадратные корни, Угловая ферма стебля, Acre in a Box, Very Local Greens, Яркая зелень и Просвещенные культуры. Третья американская компания GreenTech Agro продает контейнер Growtainer, изготовленный по индивидуальному заказу, который поставляется в четырех размерах — 6, 12, 13,7 и 16 метров — и использует запатентованную легкую алюминиевую степку из растущих кроватей. Одна такая система была установлена на Центральном рынке в Далласе, где она используется для выращивания листовой зелени и трав, которые затем продаются в супермаркете. Контейнеры производятся в США и Роттердаме.

В Европе Agricool использует транспортные контейнеры для выращивания клубники в Париже. IKEA, крупнейший в мире розничный магазин мебели, начал выращивать салат в контейнерах за пределами своих магазинов в Швеции, которые затем подаются в ресторанах в магазинах (Thomasson 2019), и Шведский супермаркет ICA Maxi начал продавать зелень и травы, выращенные в контейнерах за пределами своего магазина в Хальмстаде (Jachec 2019 ). Бельгийская компания «Urban Crop Solutions» разработала две системы контейнерных ферм: FarmFlex и FarmPro. FarmFlex — это контейнерная ферма, которая требует ручного труда, в то время как FarmPro полностью роботизирована и больше похожа на завод внутри грузового контейнера.

UrbanFarmers разработала городскую систему аквапоники, состоящую из контейнера с теплицей сверху, которая называется [UF Box]. (https://www.flickr.com/photos/127263992%40N08/15300924381/in/photostream/) Эта система была подражена британским стартапом GrowUp Urban Farms: GrowUp Box может производить 435 кг зелени и 150 кг рыбы каждый год. Компания Gembloux Agro-Bio Tech в Университете Льежа в Бельгии испытала аналогичную систему PAFF Box (ящик для выращивания растений и рыбы) (Delaide et al. 2017). В Канаде Ripple Farms производит тилапию, зелень и микрозелень, используя транспортный контейнер и теплицу на крыше в Торонто.

*Авторское право © Партнеры проекта Aqu @teach. Aqu @teach является стратегическим партнерством Erasmus+ в области высшего образования (2017-2020), возглавляемым Университетом Гринвича, в сотрудничестве с Цюрихским университетом прикладных наук (Швейцария), Техническим университетом Мадрида (Испания), Люблянским университетом и Биотехническим центром Naklo (Словения) . *