Aqu @teach：商业室内城市农场的可持续发展

2020年9月3日 · Aqu@teach

向城市人口提供当地种植的粮食被广泛认为是使用城市周边或偏远农村地区种植的粮食的传统供应链的一种更具资源效率的替代办法。城市地区的室内无土种植被描述为一种特别可持续的解决办法，其方法是减少粮食里程、尽量减少土地使用和水消耗，以及提高产量。然而，为了确保作物的最佳生长条件，控制环境的农场都依靠人工控制光、温度、湿度和水循环，因此，根据当地的气候条件和宿主大楼的具体特点，可以是高度的能源密集型。因此，应仔细权衡城市农场的碳排放量，与可能减少的排放量，例如从农村和城市周边农场运送粮食所产生的排放量。城市农场在基础设施和运营成本方面的经济成本增加，在开展这种活动之前，也需要认真评估。

#环境可持续性

高产城市农业位于城市内部，因此更接近消费者，通常声称通过缩短交通距离（“食物里程”），比农村粮食生产更少的碳足迹。然而，根据当地的气候条件和城市农场类型，受控环境中的作物生产也可能是高度能源密集的，这可能会大大加剧对环境的影响。净碳足迹取决于农场经营能源使用造成的排放量，还取决于与现有供应链有关的避免排放量，包括供应农产品的农场的运营能源以及运输该产品所使用的能源。欧洲非常不同的气候带的两个例子可以说明这一点。当全球升温潜能值（GWP）涉及葡萄牙三个高科技城市农业方案的水、交通和运营能源时，这三个高科技城市农业场景是聚碳酸酯屋顶温室，一个建筑物顶层设有窗户和天窗的垂直农场，以及一个完全不透明的垂直农场自然光渗透到一栋建筑物底层 — 与目前西红柿供应链的全球升温潜能值进行比较，而假设的低科技无条件屋顶城市农场，顶层垂直农场和屋顶温室的整体环境表现最佳，与现有西红柿供应链相比，温室气体排放量减少了一半和三分之一 (贝尼斯 * 等人 * 2017)。这些调查结果证实了巴塞罗那屋顶温室生命周期评估的结果（桑耶-门格尔 * 等人 * 2013；桑耶-蒙古尔 * 等人 * 2015a)。相比之下，Theurl * 等人 * 2013 发现，与从西班牙和意大利进口的西红柿供应链相比，奥地利加热温室生产的西红柿产生的温室气体排放量是两倍。因此，必须铭记，虽然城市农业被称为可持续地缩短交通距离，但这种能源密集型设施可能并不适合每个地点，因为前者并不能一贯抵消后者。

然而，建筑综合农业的环境性能可以通过将农业做法（热、水、_二氧化碳）的流动与宿主建筑物的流动相结合以及通过实施被动调节来优化系统的效率，从而有可能提高建筑综合农业的环境性能。方法，例如保温、自然通风、蒸发冷却以及使用高能效技术，如 LED 照明。

#经济可持续性

在评估城市环境下商业农场的经济可行性时，必须考虑到与传统农村农场相比较高的资本支出较高，而这些支出与其城市位置有着内在联系。在迅速城市化的背景下，城市空间稀少而且非常令人垂涎，城市一般寻求满足的主要需求是住房，而不是粮食生产，而粮食生产则被推进更远离城市中心。虽然屋顶一体化耕作系统必须与其他屋顶综合技术竞争，如太阳能光伏发电或太阳能热能，但室内系统与通常比农业更具经济吸引力的城市用途竞争，如住宅或商业功能。如此激烈的城市地块和建筑竞争使房地产更加昂贵（贝尼斯 & 费朗 2018）。

在世界各地，城市地区的土地价格一般很高。除了租金提高之外，高科技商业城市农业是一种资本密集型产业，因为它涉及根据当地市政条例和建筑法规对宿主建筑进行改造以供种植。这一城市制约因素被认为是大规模实施《国际安全法》的主要障碍之一 (塞龙-帕尔马 *等人 * 2012)。城市农场的成本效益将取决于其类型。与温室相比，植物工厂只需要 10% 的土地面积，以获得相同的生产力/平方米，并且可以很容易地建造在任何废弃的建筑物。虽然资本成本高 ¹ — 大约比温室成本高 15% — 年生菜生产率约为 3000 平方米/年，这是温室的 15 倍（约 200 个生菜头/平方米/年）。因此，工厂每单位生产能力的初始成本或多或少与温室成本相同，尽管这一估计是粗略的，并且因多种因素而异（Kozai *等人 * 2016）。

除了涉及高投资成本之外，高科技商业农业系统由于能源需求增加，往往会导致大量的运营成本（[Thomaier et al. 2015]（https://www.cambridge.org/core/journals/renewable-agriculture-and-food-systems/article/farming-in-and-on-urban-buildings-present-practice-and-specific-novelties-of-zeroacreage-farming-zfarming/B1B85E6F51C51DBF134879F8C7565461))。此外，农村农场通常受益于农业用水和能源补贴，而位于城市地区的农场必须按照区域规划支付城市供水和能源费用。如果农场位于住宅区，则成本将高于位于商业区（Benis & Ferrão 2018）。

生产成本（劳动力、电力、折旧等）在世界各地各不相同。例如，在日本，工厂工厂的组成成本平均为劳动力 25-30%、电力 25-30%、折旧 25-35%、其他生产成本 20% (土地租金、种子、水、灯具更换、办公用品、包装材料、交货成本等)。劳动力成本如此之高，因为大多数工厂都是规模较小的，因此搬运作业必须手工进行。据估计，占地面积为 1 公顷的 15 层工厂需要 300 多名全职员工。相比之下，面积为 10 公顷或以上的温室综合体内的大多数处理操作都是自动化的，因此每公顷只需要几名员工（Kozai *等人 * 2016）。

^{2014 年，约 4 万美元/平方米（科西 * 等人 * 2016 年）}

表 1 显示了节能工厂培养室内的能源转换过程。电能固定为化学能在工厂的可售部分为 1-2%。剩余的电能被转化为培养室的热能，因此隔热良好的工厂的加热成本为零。在工厂生产成本管理中，工厂食用或可用部分的重量百分比占工厂总重量的百分比是提高成本性能的重要指标。由于消耗电能来产生根系，如果根部不可销售，则必须在不影响植物空中部分的生长的情况下，最大限度地减少根部的质量。

灯具

源学能源

消耗的能量	100%
发出的光能	25-35%
叶片吸收的光能	15-25%
植物固定化学能	1.5-2%
植物可销售部分所含化	1-2%

表 1：工厂工厂的能量转换（来自 [湖西 * 等人 * 2016 年）]（https://www.elsevier.com/books/plant-factory/kozai/978-0-12-801775-3）

电力成本可以通过以下方式降低：(1) 使用先进的 LED 提高电能转换系数；(2) 利用精心设计的反射镜改善照明系统，提高灯具发出的光能与植物叶片吸收的比率；(3) 提高光质量提高植物的生长和质量；(4) 优化控制温度、CO ₂ 浓度、营养液、湿度等因素；(5) 通过改进培养方法和品种选择，提高植物可售部分的百分比（[Kozai et al. 2016]（https://www.elsevier.com/books/plant-factory/kozai/978-0-12-801775-3))。

电力成本也可以通过使用太阳能电池板来降低。独立建筑物中的城市厂房，例如以前的仓库和工厂，比位于密集城市矩阵的建筑物中的厂房更有可能自行发电。为独立设备工厂供电所需的能源量取决于建筑物的尺寸。当建筑占据较大面积时，照明和用水需求也会增加，但通过屋顶上的太阳能电池板和可能的门面提供的能量也会增加。电力量，可以产生的太阳能电池板显然取决于工厂的地理位置。

植物工厂灌溉用水的净消耗量约为温室的 2%，因为大约 95% 的植物叶子流出的水蒸汽在空调机的冷却面板（蒸发器）凝结为液态水，然后收集并返回养分杀菌后溶液罐。消毒后，从培养床排出的营养液也会返回到营养溶液罐中。因此，需要添加到水箱中的水量等于收获的植物保存的水量，以及通过空隙作为水蒸汽逃出的水量。同样，添加的养分量等于收获的植物吸收的营养物质的数量。因此，水和营养物的使用效率分别超过 0.95 和 0.90 (湖西 * 等人 * 2016)。

城市农业与循环经济

循环经济目前是环境经济科学家讨论最多的术语之一，也是欧洲联盟 2020 年地平线战略的一个重点。它的核心定义元素是资源的 “恢复性利用”：原材料不是被废弃的废弃物，而是回收和再利用（[Geisendorf & Pieetrulla 2018]（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/tie.21924））。城市农业为采用这种方法提供了各种可能性，最好的例子是植物。 2010 年，社会企业 Bubbly Dynamics LLC 收购了芝加哥的一家前肉类包装厂，并制定了一项计划，将该建筑用作培育食品和农业企业的空间，从而将急需的工作带回到一个没有投资的社区 “食品”沙漠 ‘缺乏健康的食物选择。面积达 8686 平方 ^米，目前拥有十几家小型企业，包括室内和室外农场、康普茶和啤酒酿酒厂、一家面包店、一家奶酪分销商、一家咖啡烘焙店以及其他食品生产商和分销商。截至 2018 年初，该设施约有 85 个全职等效员工职位。该工厂仍在建设中，约 70% 出租；预计 2019 年将全部投入使用。

The Plant 建立在关闭废物、资源和能源循环的模型之上，致力于展示真正可持续的城市食品生产的样子。计划中的厌氧消化器是一个关键特征，因为它旨在通过重复利用传统上被认为是 “废弃物” 的内容来解决几个关键问题，从而产生若干有价值的产出。来自建筑物的废物将占消化器处理废物数量的一小部分，但消化器将证明，即使是通常浪费和能源密集型的食品生产企业，也可以通过关闭废物循环来实现可持续的运作。图 8 是工厂全面投入使用时预计的各种流程的概念图。

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图 8：芝加哥工厂废弃物（绿色）和能源/气体（橙色）循环

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