第 21 章建筑环境中的水上乐器
二十七. 结论
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。
· Aquaponics Food Production Systems21.6 综合城市水上乐器
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]（https://en.wikipedia.org/wiki/Wisconsin）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）。 ！ ** 图 21.
· Aquaponics Food Production Systems21.5 作为设计框架的影响评估
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
· Aquaponics Food Production Systems21.4 评估外壳类型和可能的应用
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。 img src=” https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/4a30cd17-4777-4bb6-bbdf-2b9aad15b807.jpg “样式 =” 缩放：75%;”/ ** 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.
· Aquaponics Food Production Systems21.3 商业农场的外壳类型和案例研究
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.
· Aquaponics Food Production Systems21.2 控制环境水生物的分类
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://cdn.farmhub.ag/thumbnails/c7770dc3-ea11-4f37-94b9-64f54d9a1d1e.jpg “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
· Aquaponics Food Production Systems21.1 导言
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://cdn.farmhub.ag/thumbnails/d39342f2-9638-48a1-af4e-6de59ee6d298.jpg “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) img src=” https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/efa8c14d-8ec7-4149-8442-37cc30e2ae8f.jpg “样式 =” 缩放：75%;”/ ** 图 21.
· Aquaponics Food Production Systems