21.3 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/10.6 个月 /td td 10a /td /tr tr 类 = “偶数” td 三十至三十五 /td /tr tr 类 = “奇数” td 37.5 英尺 /td td -1.1 至 1.7 摄氏度 /td /tr tr 类 = “偶数” td 行跨度 =3 美国德克萨斯州霍克利的可持续收割机 (12,000 瑞士法郎 /1110 亿苏特/苏格兰/苏格兰) /td td 行跨度 =3 Quonset 框架，多隧道 (3) GH，包覆 PE-薄膜和刚性塑料板，GH 鱼缸 /td td 行跨度 =3 蒸发冷却，强制通风 /td td 行跨 = 2 272 天/九个月 /td td 8b /td /tr tr 类 = “奇数” td 十五至二十 F /td /tr tr 类 = “偶数” td 30.0 ˚N /td td -9.4 至 6 摄氏度 /td /tr tr 类 = “奇数” td 罗斯潘 =6 被动太阳能温室 /td td 行跨度 =3 水上乐园太阳能温室，德国莱茵河畔新堡（2000 英镑 /180 毫升/苏普） /td td 行跨度 =3 （中国）太阳能温室，用土坯墙作为额外的热质量，覆盖 ETFE 薄膜，鱼缸在 GH /td td 行跨度 =3 用于遮阳和能源生产的定制光伏模块 /td td 行跨 = 2 202 个月 /6.6 个月 /td td 8a /td /tr tr 类 = “偶数” td 10—15 F /td /tr tr 类 = “奇数” td 47.8 ˚N /td td -12.2 至-9.4 摄氏度 /td /tr tr 类 = “偶数” td 行跨度 =3 美国佛蒙特州贝克斯菲尔德的芬恩和根茨生态方舟温室（6000 平方英尺/560 平方米/苏普 2 个/苏普） /td td 行跨度 =3 太阳能温室，土壤遮蔽，南面屋顶陡角（约 60），厚绝缘，特殊太阳能集热玻璃，北部鱼缸，地下一侧 /td td 行跨度 =3 木燃辐射热、能量窗帘、堆叠通风、补充 LED 照明 /td td 行跨 = 2 108 天/3.6 个月 /td td 4a /td /tr tr 类 = “奇数” td -30 至 25 F /td /tr tr 类 = “偶数” td 44.8 英尺 /td td -34.4 至-31.7 /td /tr tr 类 = “奇数” TD 罗斯潘 =6 高科技温室 /td td 行跨度 =3 美国威斯康星州希克斯顿高级新鲜农场（123,000 瑞士法郎 /11,430 每秒/苏格兰） /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接，（20 41 个海湾），玻璃覆盖，鱼缸在独立建筑 /td td 行跨度 =3 计算机控制的 CEA 环境，补充 LED 照明， /td td 行跨 = 2 122 天/4.1 个月 /td td 4b /td /tr tr 类 = “偶数” td -25 至 20 摄氏度 /td /tr tr 类 = “奇数” td 44.4 N /td td -31.7 至-28.9 /td /tr tr 类 = “偶数” td 行跨度 =3 澳大利亚新南威尔士州科比蒂州蓝色智能农场 (53,800 英镑 /5000 立方米/苏格兰/苏格兰) /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接， （14 18 个海湾），覆盖玻璃，两层建筑，较低层鱼缸 /td td 行跨度 =3 计算机控制的 CEA 环境生物害虫防治 /td td 行跨 = 2 300 天/10 个月 /td td 9b /td /tr tr 类 = “奇数” td 二十五至三十 F /td /tr tr 类 = “偶数” td 34.0˚S /td td -3.9 至-1.1 摄氏度 /td /tr tr 类 = “奇数” TD 罗斯潘 =6 屋顶温室 /td td 行跨度 =3 瑞士巴特拉格斯，亚格尔阿夸波尼克腊肠农场（12,900 平方米 /1200 平方米/苏格） /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接，（7 13 个海湾），覆盖玻璃，较低层的鱼缸 /td td 行跨度 =3 CEA 环境，补充 LED 照明，冷却设备排气热的使用 /td td 行跨 = 2 199 天/6.6 个月 /td td 7b /td /tr tr 类 = “偶数” td 5 至 10 F /td /tr tr 类 = “奇数” td 47.0° /td td -15.0 至-12.2 摄氏度 /td /tr tr 类 = “偶数” td 行跨度 =3 比利时布鲁塞尔，比利时（21,600 英镑 /2000 亿美元/苏普） /td td 行跨度 =3 文洛风格，排水沟连接，（15 个 10 个海湾），覆盖玻璃，较低层的鱼缸 /td td 行跨度 =3 CEA 环境，补充 LED 照明 /td td 行跨 = 2 224 天/7.3 个月 /td td 8b /td /tr tr 类 = “奇数” td 十五至二十 F /td /tr tr 类 = “偶数” td 50.8 毫升 /td td -9.46 至-6.7 摄氏度 /td /tr tr 类 = “奇数” td 罗斯文 =6 室内生长空间 /td td 行跨度 =3 城市有机植物，施密特啤酒厂，明尼苏达州圣保罗，美国 (87,000 英镑 /8080 每秒/苏格兰) /td td 行跨度 =3 钢框仓库，高度绝缘，堆叠生长，鱼缸在独立空间 /td td 行跨度 =3 荧光紫外线照明，电脑控制的 CEA 环境 /td td 行跨 = 2 140 天/4.7 个月 /td td 4b /td /tr tr 类 = “偶数” td -25 至 20 摄氏度 /td /tr tr 类 = “奇数” td 45.0° /td td -31.7 至 28.9 摄氏度 /td /tr tr 类 = “偶数” td 行跨度 =3 加拿大，舍伍德帕克，加拿大（10,800 英镑 /1000 立方米/苏特/苏格兰） /td td 行跨度 =3 钢框仓库，高度绝缘，堆叠生长，鱼缸在独立空间 /td td 行跨度 =3 LED 照明，电脑控制的 CEA 环境 /td td 行跨 = 2 121 天/4 个月 /td td 4a /td /tr tr 类 = “奇数” td -30 至 25 F /td /tr tr 类 = “偶数” td 53.5 英尺 /td td -34.4 至-31.7 /td /tr /tbody /表格
SUP/ 无冰种植季节，国家园艺协会，工具和应用程序，https://garden.org/ 应用程序/日历/
SUB/ SUB 基于美国农业部硬度区图，其中确定了年平均最低冬季气温 (1976-2005 年)，划分为 10 F 区。 植物图, https://www.plantmaps.com/ index.php
** 被动式太阳能温室 ** 这种温室类型是专为太阳能加热而设计的。 相当大的热质量元素，例如坚实的朝北墙，以热的形式储存太阳能，然后在夜间较寒冷的时候再次辐射。 这种方法可缓冲空气温度波动，并可减少或消除对化石燃料的需求。 太阳能温室有一个透明的朝南侧和一个不透明的、巨大的、高度绝缘的朝北侧。 以鱼缸形式集成大量水是这种温室类型的热性能的资产。 此外，这些储罐可以位于不太适合植物种植的温室区域，或者部分浸入地面以增加热稳定性。
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** 图 21.4** 奥罗伯罗斯农场（半月湾，美国加利福尼亚州）
由弗朗茨施赖尔开发和测试的 Aquaponic 太阳能温室（2000 sf/180 msup2/sup）已被证明是在德国南部安装一个小型水生系统的合适环境。 温室通过朝南的拱形屋顶和墙壁覆盖着乙烯四氟乙烯 (ETFE) 薄膜，收集太阳能。 热量储存在部分浸没的鱼缸、地板和覆盖物的北壁，以便在夜间消散。 温室的定制光伏（PV）板将太阳辐射转化为电力。 位于美国佛蒙特州较寒冷的气候，芬兰和罗茨农场的生态方舟温室（6000 sf/560 msup2/sup）拥有一个水生系统，可与类似的被动太阳能方法一起工作。 温室有一个陡峭的（约 60℃）朝南的透明屋顶，配有特殊的太阳能收集玻璃（图 21.5）。 其高度绝缘，不透明的北侧被淹没在山坡上，并容纳鱼缸。 除了这些被动控制装置外，Eco-Ark 还有辐射式地板采暖，可在最寒冷的季节补充供暖。
** 高科技温室 ** 温洛风格的高科技温室，采用高水平的科技控制室内气候，是商业规模水耕 CEA 的标准。 高科技温室的特点是计算机控制和自动化基础设施，如自动热窗帘、自动照明阵列和强制空气通风系统。 这些技术能够实现高水平的环境控制，尽管它们是以高能耗为代价的。
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** 图 21.5** 芬兰根农场的生态方舟温室（美国佛蒙特州贝克斯菲尔德）
一些大型商业水生养殖场使用这种温室类型来进行植物生产，如位于美国威斯康星州希克斯顿的 Superier Fresh 农场（123,000 英镑 /11,430 msup2/sup），水产养殖系统安装在一个单独的不透明外壳中。 自动补充 LED 照明和加热功能使 Super Fresh 农场能够全年种植绿叶，尽管冬季缺乏日光，自然无霜的生长季节仅持续 4 个月。 用于内部气候控制的自动化系统使得高科技温室能够在世界任何地方运行 — Blue Smart Farm 温室使用一系列传感器来优化澳大利亚炎热夏季的阴影。
Thanet Earth，英国最大的温室综合体，位于英国东南部。 它的五个温室每个占地超过 17 英亩（7 公顷），使用水培法种植西红柿、辣椒和黄瓜（图 21.6）。 这家企业由一个组合的热电系统（CHP）供电，为温室提供电力、热能和 COSub2/Sub。 热电联产系统的运作效率非常高，通过将多余的能源输送到本地供电网中。 此外，能量窗帘、高强度放电补充照明和通风等计算机控制技术可以调节室内生长条件。
** 屋顶温室 ** 这种最近的类型包括在宿主建筑物顶部建造的温室，可作为现有结构的改造或作为新建筑的一部分。 由于土地成本高，节省空间对于城市环境中的水上养殖场来说越来越重要。 将温室连接到现有建筑是城市农民的一个策略，希望恢复未充分利用的空间并在城市找到中心位置。 屋顶温室已被商业规模的水耕种者使用，但由于额外的水重可能会使现有结构超出其承载能力，因此对于水生养殖场而言是一种相对罕见的围墙类型。 目前存在的少数屋顶水上养殖场优先考虑轻量化水分配系统（营养膜技术或基于介质的种植而不是深水养殖），由于对自然光的需求相对减少，它们的鱼槽位于作物种植面积以下。
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** 图 21.6** Thanet Earth，最先进的温室，结合了热和电力供应，（塔内岛位于英国肯特，英国）
两个屋顶农场配有高科技水生系统，最近在欧洲开设。 两人都咨询了柏林的高效城市农业（ECF）农场系统顾问。 位于瑞士巴特拉格斯的 Eco-Jäger Aquaponik Dachfarm 坐落在一家家族农产品公司的分销中心之上。 文洛风格的屋顶温室（12,900 平方米 /1200 平方米/苏普）位于一栋两层楼的仓库建筑内，鱼缸安装在温室下方的地板上。 通过在屋顶种植绿叶蔬菜和草药，ECCO-Jäger 减少了交通需求，并可以在收获后立即提供农产品。 此外，农场利用其冷藏产生的废热来加热温室。 BIGH 的 Ferme Abattoir（21,600 英镑 /2000 msup2/sup）是类似文洛风格的屋顶温室（图 21.7）的较大版本，占据比利时布鲁塞尔 Foodmet 市场大厅的屋顶。 这些早期的例子表明，通过将水、能源和空气流连接到农场和宿主建筑之间（称为建筑综合农业（BIA）），可以进一步优化水生和包络性能。 目前，正在对巴塞罗那自治大学（UAB）环境科学和技术研究所（ICTA）和加泰罗尼亚古生物学研究所（ICP）共享的建筑内的旗舰水培综合屋顶温室进行研究，以挖掘全面的好处尽管在水生学领域没有这样的例子来确定完全一体化建筑的好处, 但在水生学领域没有这样的例子.
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** 图 21.7** 大菲尔梅阿巴托瓦与高科技温室的背景（比利时布鲁塞尔）
#21.3.2 室内生长类型
室内生长空间完全依赖人工光源进行植物生产。 通常，这些不断增长的空间都是高度绝缘的，包裹在不透明的材料中，最初用作储藏室或工业制造室。 由于采用了包络材料，室内种植空间通常比温室具有更好的隔热性，但不能依靠日光照明或天然采暖。 假设这种类型学更适合于极端气候，因为温度波动比照明更为关注（Graamans 等人，2018 年），尽管还需要进行更有结论性的研究。
Urban Organics 在美国明尼苏达州圣保罗工业核心的两家经过翻新的啤酒厂内运营着两个商业规模的室内种植水上乐园。 两个农场在由荧光生长灯照亮的堆叠生长床上种植绿叶和草药（图 21.8）。 它们的第二个地点使 Urban Organics 能够利用现有含水层周围的啤酒厂基础设施；含水层水只需处理极少，供应 10 摄氏度的北极炭和虹鳟鱼罐。 使用现有的结构降低了城市有机物的建设成本，并提供了机会振兴这个城市的艰难地区。 在更寒冷的气候下，Nutraponics 在加拿大艾伯塔省埃德蒙顿市郊 40 公里处的一个仓库里种植绿叶蔬菜。 由于当地农产品高度依赖季节性温度波动，Nutraponics 通过采用 LED 照明加速农作物全年生长，获得了市场上的竞争优势（图 21.9）。
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** 图 21.8** 城市有机物（美国明尼苏达州圣保罗）
21.3.3 水产养殖的外壳
由于鱼类不需要阳光生长，因此水产养殖作业中水产养殖部件的外壳在技术上不如水培组件的外壳设计那么苛刻。 然而，对室内生长条件的控制使农民能够优化生长，减少压力，并制定精确的鱼类生产时间表，从而使他们的鱼种在市场上具有竞争优势（Bregnballe 2015）。 水产养殖空间外壳主要是为了保持水温稳定。 鱼缸应该能够支持特定鱼种、温水鱼 75-86˚F（24-30℃）和冷水鱼 54-74 F（12-23℃）的舒适水温范围（Alsanius 等人，2017 年）。 如果鱼缸安装在绝缘良好的空间内，只有很少的窗户，从而最大限度地减少夏季的太阳能收益和外部温度下降时的温度损失（Pattillo 2017），就可以最有效地控制水和室温。 需要从建筑角度考虑鱼类养殖所需的大量水，因为这会对建筑物内的结构和调节系统造成影响。
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** 图 21.9** 保特拉邦尼克斯（舍伍德帕克，加拿大艾伯塔省）