21.5 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
基于普罗克斯（2017 年）
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** 图 21.11** 包括构建和水下系统性能在内的集成 LCA 流程示例。 （根据桑耶-蒙古尔等人 2015 年）。
#21.5.1 具体影响：体现的能量和含碳
** 结构材料和建筑 ** 内含能量是指用于提取、精炼、加工、运输、生产和组装材料或产品的能量总和的计算。 含碳是指为生产相同材料或产品而释放的 COSub2/Sub 的数量。 与传统的露天农业作业相比，由于施工阶段的材料开采和制造增加，受控环境种植系统的体现影响更大 (Ceron-Palma 等人, 2012 年)。 例如，在 ICTA-ICP 屋顶温室中，由于建筑中使用的聚碳酸酯数量，封套的结构比土基多隧道温室结构产生的全球升温潜能值多 75%（Sanyé-Mengual 等人，2015 年）。 同样，位于波士顿的建筑物集成式温室模拟在施工阶段增加了环境影响，这是因为为制造结构钢而开采铁矿石（Goldstein 2017）。 可以通过智能材料使用来减轻与受控环境包络相关的具体影响 (鉴于建筑规范的调整是为了避免结构构件过大规模)，但仍将超过传统农业的影响。 与简单地在开阔的田地种植蔬菜相比，在构造的包络中种植食物始终会更加耗费资源，但同时也会大大增加在同一时间范围内每个区域可以生产的食物量。
为了避免与结构相关的环境影响，一些水上活动会利用现有建筑物，而不是建造新的包络。 位于美国明尼苏达州圣保罗的城市有机物翻新了两座啤酒厂建筑，作为其室内种植空间。 另一个适应性再利用的例子是位于美国伊利诺伊州芝加哥的 The Patch 在 1925 年的一座工厂大楼内运营其食品孵化器和城市农场集体，此前曾被 Peer Foods 用作肉类包装设施（图 21.12）。 对现有的绝缘和制冷设备进行了重新调整，以控制实验性水生设施的温度波动。
** Aquaponic 设备和底板 ** 当集成到建筑中时，水下水箱的材料选择成为一个重要的设计考虑因素，因为它可能会限制装配和运输到建筑物。 例如，聚乙烯零件可以在现场使用塑料焊接进行组装，但玻璃纤维零件无法实现（Alsanius 等人，2017 年）。 此外，水生系统设备的制造可能是整体环境影响的重要因素，例如，ICTAICP 屋顶温室的 100 msup3/SUP 水箱使用的玻璃纤维增强聚酯在制造过程中对环境造成的影响占 10-25%阶段 (图 21.13). 水生系统中的植物基材的选择对宿主建筑物的结构具有重量影响，但也有助于对环境的影响。 在最近进行的一项关于与生活墙相结合的水产生物的研究中，矿棉和椰子纤维表现相当，尽管其中一种是可堆肥的，另一种是一次性使用的（Khandaker 和 Kotzen 2018）。
** 图 21.12** 工厂（芝加哥，伊利诺伊州，美国）
** 结构和设备维护 ** 水生设备和包络部件的初始材料选择决定了水生养殖场的长期维护。 制造更耐用的材料，如玻璃或硬质塑料，需要比塑料薄膜更多的初始环境资源投资；然而，薄膜需要更换的频率更高 — 例如，预计玻璃将保持使用 30 多年，而传统的涂层聚乙烯薄膜只能持续 3-5 年才会变得太不透明（2017 年 Proksch）。 根据水生系统包络的预期使用寿命，选择寿命较短且制造影响较小的材料可能更有利。 在 Aquaponic 太阳能温室中使用的 ETFE 薄膜是长寿和可持续性之间的一个有希望的妥协，尽管还需要进一步的研究。 标准水下设备由水箱和管道组成。 水生系统的管道通常采用 PVC 制造，这对其制造过程产生了重大的环境影响，但长达 75 年不需要更换。 一些水上乐园供应商提供竹子作为有机替代品。
** 图 21.13** 哈基特斯建筑与屋顶温室的部分，ICTA-ICP 大楼（西班牙贝拉特拉）
21.5.2 操作影响
** 能源 ** 2017 年，美国国内能源消耗总量的 39% 与建筑行业 (EIA) 相对应。 2014 年，农业部门约占美国一次能源消费总量的 1.74%，严重依赖化肥和杀虫剂的间接支出（Hitaj 和 Suttles 2016）。 能源效率是建筑环境和农业领域的一个公认研究领域，通常定义了产品、建筑物或农场在整个 LCA 中的运营影响（Mohareb 等人，2017 年）。 结合建筑和农业能源使用可以优化两者的性能（Sanjuandelmás 等人，2018 年）。
** 加热 ** 供暖生长空间的能源需求在北部气候特别引人注目，在这里，延长自然短暂的生长季节，使建筑物一体化的水生养殖场在市场上具有竞争优势（Benis 和 Ferrão 2018）。 然而，在较寒冷的气候中，主动供暖系统的能源消耗是对整体环境影响的重要因素 — 在对马萨诸塞州波士顿有条件生长空间的评估中，取暖成本抵消了城市食物链中食物里程的好处 (Benis 等人)。2017 年 b; 戈尔德斯坦 2017 年）。 在地中海气候条件有利于农业，几乎全年和传统的温室结构都可以依赖被动太阳能供热（Nadal 等人，2017 年；Rothwell 等人，2016 年）。
在寒冷和温暖的气候中，将受控环境种植系统集成到现有屋顶上可以为宿主建筑物提供绝缘 — 魁北克省蒙特利尔的一个农场报告说，现有主机结构可以捕获 50% 的温室供暖需求，从而降低加热负荷（Goldstein 2017）。 照明系统还可部分负责满足室内垂直增长应用的供暖需求，例如工厂工厂或船舶集装箱（Benis 等人，2017b）。
余热捕获是另一个有前途的设计策略，可以优化主机结构和不断增长的系统的性能。 对西班牙贝拉泰拉 ICTA-ICP 实验屋顶温室进行的入住后研究表明，与传统用石油加热的独立温室相比，该建筑与温室的整合可节省 113.8 千克/立方米/平方米/年的碳（Nadal 等人）。2017 年）。 在没有主动供暖、通风和空调 (HVAC) 系统的干预的情况下，主机实验室/办公室大楼的热量使温室温度在最寒冷的月份提高了 4.1C，使得番茄作物能够全年种植。
** 冷却 ** 在地中海和热带气候中，人工冷却往往是全年种植农产品的必要条件。 在屋顶温室模拟中，冷却负荷占新加坡农场总能源需求的 55% 以及巴黎较温带气候的 30%（Benis 等人，2017b）。 在干旱的气候下，冷却能源需求尤其高，降低易腐农产品的传统运输成本可使其受益最大（Graamans 等人，2018 年；Ishii 等人，2016 年）。 蒸发冷却、雾冷却和阴影是降低水生养殖场温度和提高农场产量性能的一些策略。
建筑集成的水生系统具有在鱼缸中储存热量以减轻冷却和加热负荷的优势。 在这种被动冷却模式不能满足冷却需求的情况下，最常使用蒸发冷却。 可持续收割机温室全年为美国得克萨斯州休斯顿地区生产生菜，使用风扇和垫冷却系统（蒸发冷却技术的一部分）。 来自信封外部的热空气首先通过湿纤维素介质，然后进入不断增长的空间。 其结果是，室内空气更冷，更潮湿。 蒸发冷却在干燥的气候下最有效，但需要较高的用水量，这可能是世界干旱地区农场的一个限制。
雾冷却是一种替代策略。 在雾冷的温室中，植物会定期被头顶的春天/雾虫中的水淹没，直到空间达到所需的栽培温度。 雾冷却使用的水比蒸发冷却更少，但会增加空间的相对湿度。 如果配合正确的通风策略，雾冷却可以成为一种节水技术，特别适用于干旱地区（Ishii 等人，2016 年）。 此外，雾冷却可降低植物的蒸散速率，这对于优化水生系统中植物新陈代谢至关重要（Goddek 2017）。 Super Fresh 农场的旗舰温室使用电脑化雾冷却系统，在炎热季节保持种植温度。
遮光装置也有助于降低温室温度。 传统上，温室的季节性石灰粉刷被用来在最热的月份降低太阳辐射水平（控制环境农业 _ 1973 年）。 但是，阴影可以与其他建筑功能集成。 一个充满希望的遮光策略是使用半透明光伏模块同时冷却空间并产生能源（Hassanien 和 Ming 2017）。 Aquaponic 太阳能温室将其光伏阵列与遮光功能相结合；它使用旋转铝板作为遮光装置，在安装的光伏电池的帮助下，作为太阳能集热器运行。 然后，集成的光伏系统将多余的太阳辐射转化为电能。
** 照明 ** 温室相对于室内生长空间的主要优势在于它们能够利用日光来促进光合作用。 然而，在极端气候条件下的农场可能会发现，满足透明包络的供暖或冷却负荷在财政上是不可行的；在这种情况下，农民可以选择在室内种植空间里种植作物，并带有绝缘封套（Graamans 等人，2018 年）。 在室内种植空间内运营的 Aquaponic 农场依靠高效的电气照明来生产农作物。
当代农场照明领域的许多进步源于日本工厂，用于通过使用工程光波长取代阳光来优化密集水培系统中的植物产量（Kozai 等人，2015 年）。 目前，LED 照明是电子园艺照明系统中最受欢迎的选择。 它们的效率比高强度放电灯高 80%，效率比荧光灯高 30%（Proksch 2017）。 继续研究 LED 照明，以优化能源效率和作物产量（Zhang 等人，2017 年）。 像美国威斯康星州的 Superer Fresh 这样的大型温室依靠计算机化的补充照明系统来延长其作物在北纬地区的光合作用期。
** 能源产生 ** 与所有 CEA 一样，水生养殖场的能源管理取决于外部气候、作物选择、生产系统和结构设计（Graamans 等人，2018 年）。 如果管理得不到妥善，通过水产品种植产品本质上就不可持续 — 上述所有因素都会影响到能源效率的好坏（比勒和 Junge 2016）。 在许多情况下，CEA 的能源密集程度高于传统的开田农业；然而，如果我们的能源采购方式转向可再生能源，并在农场的设计中纳入了有效的供暖、冷却和照明策略，则可能有理由提高能源支出。
光伏（PV）发电可以在抵消受控环境中的运行影响方面发挥重要作用，从而减少环境压力。 在澳大利亚一个高科技温室的例子中，使用光伏阵列的能源使生命周期温室气体排放量比传统电网方案减少了 50%（Rothwell 等人，2016 年）。 在空间允许的情况下，可再生能源的发电可以与水生养殖场相结合 —— 例如，在北卡罗来纳州一个农村农场的 Lucky Clays Fresh 水生温室使用风力涡轮机和光伏板产生的能源运行，这些能源位于所有者的土地上的其他位置。
** 水 ** 水利用效率经常被认为是中东环境保护局和水培系统的主要好处 (Desopommier 2013；Specht 等人，2014 年)。 水生养殖系统更适合提高用水效率 —— 在传统水产养殖系统生产的 1 公斤鱼需要 2500 升至 375,000 升之间，在水生养殖系统中饲养的相同数量的鱼需要少于 100 升（Goddek 等人，2015 年）。 雨水捕获和灰水再利用已被提出作为两项战略，以抵消进一步经营水耕或水生养殖场所造成的流域影响。 在现有的 ICTA-ICP 温室中，在综合水培系统中生产西红柿的 80-90% 的水需求在运行一年内通过雨水捕获得得到满足（Sanjuan-Delmás 等人，2018 年）。 然而，雨水收集满足作物需求的能力取决于气候背景。 在评估全球八个城市现有零售园区屋顶温室生产可行性的研究中，有七个城市通过雨水捕获实现了作物自给自足，只有柏林没有达到（Sanyé-Mengual 等人，2018 年）。
一些现有的 CEA 设施已经重复使用灰水来提高效率（本克和汤姆金斯 2017 年）。 然而，由于缺乏监管支持和目前缺乏对农业中使用灰水的健康风险的研究，城市环境下的灰水再利用目前有限。 作为灰水再利用的试点项目，蒙特利尔的 Maison Reduction 从家庭用途中收集灰水，以补充雨水收集，用于灌溉花园和共有粮食生产温室，共有 9 个住宅单位（Thomaier 等人，2015 年）。 随着灰水处理政策的进一步发展，建筑物一体化的水生设备可以利用现有的水循环，而不是依赖市政水源。
从建筑的角度来看，水生系统中的水分配可能会带来结构性挑战。 水生鱼缸的重量超过水培养生长床，可能会限制哪些类型的结构对于改造水生养殖场是可行的。 不断增长的培养基也需要考虑 — 深水培养 (DWC) 系统需要大量的水，而营养膜技术 (NFT) 系统重量轻，但制造成本昂贵（Goddek 等人，2015 年）。
** 营养素 ** 与传统的露天耕作相比，CEA 减少了对化肥和杀虫剂的需求，因为农民可以将农作物从恶劣的外部条件下分离出来（Benke 和 Tomkins 2017）。 然而，由于水生系统的密度，如果病原体渗透空间，植物或鱼类疾病可以迅速传播。 预防性选择，如使用捕食动物昆虫或采取严格的环境控制措施，例如 “缓冲” 入口处 “，可以避免这种风险（Goddek 等人，2015 年）。
不同的鱼类和作物养分需求的整合是单循环水生系统中的一个挑战（Alsanius 等人，2017 年）。 一般来说，植物需要的氮浓度高于鱼类所能承受的浓度，仔细的作物和鱼类选择可以满足养分要求，从而优化产量，但仍然难以实现。 已提出分离系统 (DRAPS) 将水产养殖水循环与水培循环分离，以达到所需的营养素浓度，但尚未普遍应用于商业农场（Suhl 等人，2016 年）。 总部位于美国明尼苏达州圣保罗的城市有机组织选择为其第二个农场开发 DRAPS 系统，以优化作物和鱼类产量，并避免鱼缸内营养不平衡的情况下作物损失。 位于德国柏林的 ECF 农场和位于美国威斯康星州的高级生鲜农场也运营分离系统，以优化鱼类和植物的生长。
或者，通过引入厌氧反应器，可以优化水生养分循环，将固体鱼类废物转化为植物可消化的磷（Goddek 等人，2016 年）。 目前，位于美国芝加哥的 The Patch 正在计划运营一种厌氧消化器，这可能在优化作物生长的营养周期方面发挥作用。 DRAPS 和厌氧消化的机械系统要求将影响水生养殖场的性能和空间布局。
21.5.3 寿命终止影响
** 材料废物管理 ** CEA 在开田耕作方面的一个理论优势是能够控制材料废物径流，防止浸出（Desommier 2013；古尔德和凯普洛 2012 年）。 紧密的包络可以在高效管理材料废物方面发挥作用。 回收有机废物以提高建筑性能的途径之一是使用植物秸秆生产绝缘生物炭，尽管这项研究还处于早期阶段（Lolach-Massana 等人，2017 年）。 此外，考虑在早期阶段将过滤床、厌氧消化器或热回收通风机等废物管理组件纳入外壳设计中，可以关闭农场的能源、养分和水循环。
** 分销链 ** 包装一直是各种农场 LCA 评估生产影响的热点。 它承担了意大利博洛尼亚番茄总影响的 45%，也是瑞典斯德哥尔摩室内水培系统对环境影响的最大贡献者（莫林和马丁 2018b；Orsini 等人，2017 年；Rothwell 等人，2016 年）。 如果当地零售商和分销商与农民合作，靠近消费者的水生养殖场可以减少对包装、储存和运输的需求，如同其他形式的城市农业一样（Specht 等人，2014 年）。 遗憾的是，由于消费者的认可，大多数大型零售商目前都要求将水生产品的标准塑料包装与传统品牌一起销售，因此，选择靠近消费者市场的地方，用于控制环境的水上乐器并不能保证显著变化在农场的整体性能。
文献中经常提到减少交通，即减少食物里程，被称为城市农业的主要优势（本克和汤姆金斯 2017；德斯波米尔 2013；三胡安-德尔马斯等人 2018）。 然而，必须指出，缩短运输链的相对贡献因具体情况而异。 在新加坡，几乎所有粮食都必须从邻国进口，切断运输链在财政上和对环境的影响方面都是有意义的（Aste 和 Kishnani，2010 年）。 西班牙的情况不是这样，西班牙从农场到城市的传统西红柿供应链已经很短（Sanjuandelmás 等人，2018 年）。 供应链最长的城市可以从本地化的粮食生产中受益，但必须权衡削减运输的好处与运营和具体影响。 在波士顿的情况下，减少交通的好处完全被取暖和在城市内运营温室的影响所抵消（Goldstein 2017）。 尽管传统食品供应链长期存在，但在斯德哥尔摩 CEA 业绩的大局中，运输影响同样微不足道（Molin 和 Martin 2018a）。
** 消费和饮食 ** 城市的 Aquaponic 农场可以改变城市饮食，这在食品消费对环境的影响中起着重要作用（Benis 和 Ferrão 2017）。 通过传统链进行的肉类消费产生了当前环境足迹的最大份额，寻求蛋白质替代品的潜力比普遍实施城市农业产生更大的影响（Goldstein 2017）。 由于水生鱼类和蔬菜生产鱼类，因此在对环境绩效进行更广泛的评估时，不应忽视这种大规模改变蛋白质饮食的可能性。