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2015年5月14日 作者:xwz2367609 [返回]
垂直农场从概念到实践需要解决的问题

    垂直农场的提出是对未来城市化及人口增加后解决土地问题的挑战,未来70%的人居于城市,而且估计2050年地球总人口将近达90-100亿,如果以现在的生产力水平计算,得增加30%的耕地方可解决食物供给问题。而耕地在不断减少,城镇化又使产品运输距离变长,鲜活农产品的供给与运输都将是未来面对的课题。

    英美等国科学家率先提出垂直农场的概念,如何利用空间,打造摩天大楼式的建筑,再于建筑内设计层次众多的耕作层,用于瓜果蔬菜等农作物的栽培生产。这看似完美可持的想法,但细究与实践,还有很遥远的路要走,还有很多问题得面对。所以至今世界也还没有摩天大楼式的垂直农场得以实证与建设。是不是只是一个概念的突破,还是一项近期可实现的技术创新,有待人们不断的探索与实践创新,解决当前存在的主要问题。

    首先建设垂直农场,得融合现代建筑技术,一座座耸天而立的摩天大楼其造价不是一般的大,用于生产农产品,其回报与效益如何,能不能在生产上实用,这是首先面临的问题。其次是垂直结构及分层种植无限制提高后,太阳光的利用成为主要问题,目前一些小型的拟垂直农场实践中,遇到的问题就是建筑物临窗的一面植物光照充足,而内部空间远离透明窗外墙的就出现光照不足或者弱至无法生长。如果全部用补光来解决,其耗电的成本能否支持商业的回报。当然也有一些小型垂直农场装置设计成可上下移动调换角度及位置的栽培床,但这种装置虽然实现了每局部作物相对受光的均匀,可总吸收有效辐射光量却大大减少,难以实现作物单株光合最优化。还是得采用补光技术来补充或者长期供给,这样就融合了植物工厂的相关技术,在能源消耗上就失去了优势。

摩天楼式垂直农场(造价高)


    针对上述这些问题,如何有效解决,拟采用的方案或实践可行的,有以下设想与探索,先从小型垂直农场入手,降低建筑高度,从摩天大楼的数百米设计先减至几十米的可行设计,建筑越高成本造价及技术要求就越高,当然理论来说,数百米的摩天楼层可提高数百上千倍的耕作效率,但实现与运用的难度极大。我们于浙江、新疆、福建等地进行了垂直农场的试验及运用研究,设计出以鸟巢温室垂直农场外防护的低成本农业生态建筑,于温室中心最为高旷处建设螺旋梯田式柱形垂直农场,高达18-24米,梯田宽为6米,作螺旋式而非分层式的空间结构设计,让上下层之间的挡光减至最少,同时也提高层间高度,作4-6米的分层设计,使太阳光得到最充分的利用。这种小型的垂直农场虽然没有摩天大楼式的高效,但它可以在不需补光的情况下,让作物正常生长,同时也是投资省可实现的方案(见图)。该温室型的垂直农场,利用鸟巢的抗风建筑,解决传统垂直农场的高造价问题,有了外围球体保护,位于中心的柱式垂直农场就无需考虑抗风问题,设施建设成本就大大降低,与建设普通温室的造价相当,可在生产上实用。

可移动转换的水培装置(单株总光量减少)


    栽培作物都需要载体与基质,不管是土壤、基质还是水培,其承重性又成为另一技术问题,得让建筑物有强大的承重性,要求高,对建筑材料要求也相应提高,影响造价与实施。而采用气雾栽培技术的结合,又使垂直农场的承重问题得以解决,垂直农场楼层或者螺旋梯田需承载的只是栽培装置的重要,无需基质与水,负荷大大减少。而且气雾培又可以用最低的成本实现每楼层的耕作分层,如塔架或柱式栽培,又可以使每楼层提高四倍利用率,以总高24米梯面宽6米的螺旋梯田计,作4层旋转,每层高6米,实现了4X4=16倍效率的提高,再加上气雾培生长速度的加快,单位土地面积上的产能至少可提高至20倍以上。这种朴素的初级版垂直农场虽然没有摩天大楼式农场的高大上,但从投入与产出来说,甚至比普通温室型耕作还要低,是可实现可操作的模式。如果这种模式降低层高或增宽螺旋梯的宽度,也需适当结合人工补光就可以解决光照不足问题,又可以提高数倍垂直利用率

    摩天大楼式的垂直农场虽然设计上尽善尽美,但当前生产力水平及能源瓶颈还是难以实现,而初级版的垂直农场实用形已可见一斑,并在生产上已得以验证与运用。估计相当长的时间内,垂直农场的发展还是以初级可行版为主,以螺旋梯田为主体结构,以雾培为主要模式的技术集成。

外围以鸟巢温室为防护的中心螺旋梯柱式垂直农场(18倍耕作面积提高设计)

最低承重的塔架式雾培设计

已扣板栽培的垂直农场

 

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