芝加哥都市垂直农场模式

图plantchicago.com

（中国农业科技导报，作者为中国农村技术开发中心王敬华、贾敬敦）在垂直农场中，通过以多层建筑空间为载体，以资源化技术处理城市有机废弃物与废水作为农业肥水的重要资源，并利用可再生的清洁能源技术获取能量，进行蔬菜、水果、粮食和可食用菌类和藻类的周年连续生产。

由于垂直农场贴近城市消费人群，可大大减少运送食物的能源成本，减轻二氧化碳排放所造成的全球变暖现象。都市垂直农场不只是简单的食物生产方式，还是一个与城市垃圾、回收水系统、能源系统相关联的帮助城市实现可持续发展的有效方式。

芝加哥都市垂直农场是对这一理念的具体探索和实践，是由芝加哥的一位企业家利用一个废弃的肉类加工厂及其生产设施改造出的美国第一座都市垂直农场。

都市垂直农场循环系统工作原理如下：①红茶菌饮料酿制吸收植物释放的氧气，输出二氧化碳供应植物，产出红茶菌（饮料）；②涡轮发电机将电能转化为光能，供给植物照明；涡轮发电机工作产生的二氧化碳，也输送给植物；涡轮发电机产生的８５０℃的蒸汽，可用于楼房的温度调节；③植物净化的水供给鱼池；鱼产生的氮再供给植物；植物废渣被送到厌氧消化池做进一步处理，植物本身被用来做食物；④厌氧消化池处理植物、鱼、商务厨房、啤酒厂产生的废物和残食，产生出沼气，沼气又可供涡轮发电机使用。同时，沼气发酵产生的沼液沼渣又可成为鱼的饲料；⑤商务厨房服务于刚刚启动的企业，产生的食物残渣输入到厌氧处理池中；⑥啤酒厂在生产啤酒过程中，酒糟可用于厌氧处理池，并吸收涡轮机产生的高温来进行工作，酒糟还用于蘑菇的种殖。

农场进行试验生产，若干个方形塑料鱼缸通过ＰＶＣ 管道依次连接，鱼缸里饲养罗非鱼。鱼缸中的水最终流进铺有塑料过滤网的过滤箱，这层网可确保“营养丰富的”物质留在过滤箱的底部。农场的生物分解设备建成后，固体鱼粪将被用于生产甲烷，甲烷燃烧后又变成热能和电能。

水箱中有一层蜂窝状黑色塑料板，上面生长的细菌可以将鱼粪中的氨变成亚硝酸盐和硝酸盐，两者都是绝佳的植物肥料。泡沫格栅上种植植物苗，泡沫格栅上的每个小洞里装有椰壳纤维基质，用于固定植物的根。植物吸收水中氮的同时也对水起到了净化作用，被植物净化后的水流回鱼缸，完成循环。整个系统上一个环节的废料都被下一个环节利用起来， 不会产生任何垃圾。植物生产只需要红光和蓝光，ＬＥＤ 发出的单色光组合后可以满足植物生长的需要，而且ＬＥＤ 比传统白炽灯更省电，比其他常见的人工光源效率更高。

能源问题：在寒冷气候下，对于一座高效率的垂直农场，热量是非常宝贵的。厚厚的砖墙和稀少的窗户正是这座农场的主要优势，高能效玻璃将阻隔那些植物生长所需要的光线。而透明度高的玻璃允许光谱中的大部分光线射入，也允许更多的热量交换。由于必须要使用人工光源，所以老旧的玻璃砖窗户全部被替换，增加一些安装高能效玻璃的窗户。类似的隔热效果良好的砖结构建筑非常有利于在冬季将热量保留在建筑内。

垂直农场洞穴式旧建筑的最大优势在于可以控制白天和夜晚，这使得植物能够在夜晚生长，在用电低谷、电费较低的时候开启人工光源；同时，在白天电价最高的时候人为地创造夜晚环境。这种利用“峰”、“谷”的用电模式，可以节约一半的能源开支。另一个优势是可以在室内农场中创造不同的“时区”，让用电需求保持平稳，不会出现需求高峰。通过按照“时区”轮流用电，创造更平稳的消费模式，从而节约电费。

埃德尔擅长改造旧工厂，就地取材，以较小的代价赋予它新的用途，这种能力正适于解决垂直农场面临的高成本问题。充分利用原来建筑的结构和设备，大幅节省成本。植物生长不需要讲究的装修和高成本的设备，对于垂直农场，现有建筑是经济且理想的。

农场在很多方面都考虑到了效率问题，从租借空间到废物再利用。芝加哥酿酒公司已经和农场签约，将成为农场的主要租客，农场本身也有酿酒车间。酿酒不仅产生大量余热，还可以将大量的生产废渣用于制作有机肥料，供花园和温室使用。农场还购买了一台旧的战斗机引擎，并与生物分解设备结合用于发电。

垂直农场涉及到许多高科技因素，如环保治污、能源再生和生物遗传等，其建设与运行依靠现代科技的高度集成与综合运用。除了室内种植作物常用的滴灌、气雾培与水耕栽培等成熟技术外，现代农业技术也将广泛应用。如“垂直农场”对农作物的生长进行智能化管控，大楼主控室可以调节其环境，使其３６５ ｄ 不间断地种植、收割庄稼。农场工作人员使用电子眼监控水果和蔬菜生长情况，通过红外辐射检验农作物是否成熟。

从设计层面来看，垂直农场是一个集多种高科技的复合系统，农场内部温度和湿度对建筑材料的影响、规模经济和污水回收净化等问题，不是一个学科领域所能解答的，而需要工程师、建筑师、农学家以及经济学家共同完成。大量的生态农业技术、物质能量循环利用和可持续技术将得到综合利用。如雨水将被处理用于灌溉，与水回收系统结合起来，利用气雾培和水耕栽培收集未使用的水。从管理层面来说，在垂直农场这样一座能量高度密集的建筑中，如何保证各能源循环系统正常、安全地运转以及协调好农业生产和采收过程都将是摆在管理者面前的难题。每种作物的环境条件将受到严格控制，使作物得到最大限度地生长，同时尽量减少水分和养分的使用。来自作物的废物或制成堆肥，或者与动物废料合并，作为建筑物内的燃料。能源将来自太阳能和风能等可再生资源，而节能建筑技术的应用也可减少能源需求。

问题：在目前条件下，动物疫病防控、人畜共患病防治以及动物生产的粪便及垃圾处理是最大的难题。

与发达国家相比，中国垂直农场相关技术研究还相对薄弱，差距明显，而且垂直农场本身还面临着高投入、低回报的尴尬境地。为此，一定要发挥政策引导作用，加大资金投入和扶持力度，加快相关技术的研发与综合集成。特别是要重点加强植物工厂、无土栽培、资源循环高效利用以及清洁能源利用等相关技术的研究与开发，提高人工环境下光能转换与利用效率。