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作为可持续强化粮食生产的一种手段，高科技温室（HiTechGH）系统已被提出。HiTechGH系统最初在荷兰开发，提供室内气候控制，以实现最佳温度、补充照明、热屏，以防止过度入射辐射、二氧化碳（CO₂）施肥和湿度控制。

尽管存在大量前期投资成本的障碍，但受控环境有几个优势：提高生产率，延长生长季节的能力，在天气和土壤条件不利的地区生产，提供一致质量和供应的物流能力，随着时间的推移适当与温室（GH）可持续性相关的其他好处包括能够重复使用数据服务器中心产生的多余热量和清除和再利用燃料发电厂废气排放的二氧化碳。

以美国西北太平洋（美国）华盛顿州的番茄生产为案例研究，我们采取模拟方法，评估直接（现场）和间接（场外）水、能源和温室气体足迹，以及HiTechGH和生产经济学方法来评估高科技温室中番茄的产量。

一、数据支撑

1、天气数据

使用来自华盛顿州立大学农业天气网络（AgWeatherNet，）数据库的每小时气象数据（表1）。收获发生在1034个生长度日（°C-天）的积累，基温为10°C。土壤数据来自为美国开发的州土壤地理数据库（STATSGO）。

2、温室番茄生产

用Modelica语言为荷兰HiTechGH开发的开源动态建模库用于模拟番茄作物产量（假设为可销售产量）、能源和水的使用。HiTechGH Modelica图书馆提供了一个建模框架，用于模拟受控室内气候、番茄生长和能源使用的能量流，以及HiTechGH系统中各种组件的耦合。

HiTechGH西红柿每年移植一次，种植9-10个月（UGA延期，）。我们评估了3月1日移植并种植到每年11月30日的西红柿，植物密度为3.5株m-2并继续自动修剪以保持2.7m-2的叶面积指数（LAI）。

灌溉总是可用的，水不会限制西红柿的生长。我们假设了一个滴灌系统，该系统也提供营养，水被根部吸收并通过植物气孔回收和再循环蒸发。我们还解释了通过打开屋顶通风来交换室外和室内水蒸气造成的水损失，这也有助于室内温度控制。我们假设了一个非反应性基质，如装满椰子纤维的板/袋，为根系提供支撑和空气。

二、温室系统设计

1、设计理念

模拟了Venlo型HiTechGH——一种温室，其设计优化了空间使用，是覆盖大面积的便捷设计。HiTechGH系统占地1公顷，包括屋顶通风、补充照明、热屏、加热电池和二氧化碳施肥。HiTechGH使用天然气和电网电力的联合热电（CHP）供电和加热。

一个313立方米的热罐用于储存热量。每个所需的能量和质量操作系统的设计元素基于Vanthoor等人和Altes-Buch等人。我们使用每小时控制设计进行照明、热屏、所需的室内温度和二氧化碳施肥，包括外部太阳辐照、空气温度、相对湿度和风速。

（1）照明控制：照明控制从早上5点到晚上10点处于活动状态。如果入射的太阳辐射低于40 W m-2，则灯会打开，当超过120 W m-2 时，灯会关闭。为了确保充足的灯泡寿命，每个周期至少确保2小时的连续照明时间。

（2）二氧化碳施肥控制：提高日间HiTechGH二氧化碳（CO₂）浓度会增加光合作用率，从而增加生物质生产，缩短生产时间；然而，保持较高的内部二氧化碳浓度（~1000 ppm）可能会增加。

鉴于我们的热电联产系统由天然气燃料提供动力，二氧化碳从废气中回收，并用于增强二氧化碳肥力，从而与从外部来源采购二氧化碳相比，降低了运营成本。由于二氧化碳的吸收只有在有光时才会发生，因此其浓度在白天设置为1200 ppm，在夜间降至500 ppm。我们没有考虑从其他气体中净化二氧化碳的成本。

（3）热屏控制：HiTechGH用可伸缩的铝制热屏进行模拟。当人工照明被激活时，热屏被收回，当照明被停用时，热屏被延长。热屏的延长减少了番茄水果的入射太阳辐射，防止了因质量缺陷而造成的损失。热屏还有助于保持稳定的室内温度，方法是（a）作为较低夜间室外温度的隔热器，以及（b）在白天提供遮荫和反射入射辐射，以保护西红柿植物免受高强度太阳辐射的影响。

（4）室内温度控制：该系统具有室内温度通过Eq调节的屋顶通风和加热电池的控制孔径。

2、能源

热电联产（CHP）装置产生电力、热能和二氧化碳。CHP可以在满载时运行，不允许部分载荷运行。在典型的控制中，在产生电力和热量的白天进行二氧化碳施肥。热罐允许储存热量供以后使用，如有必要，可以从电网购买电力。

使用了两种能源：天然气（Gas CHP）和来自电网的三大城市（Elect.购买）。CHP单元产生的能量被分割成电力（Elect.CHP）、热（热CHP）和能量损失（CHP热损失）组件。电网的一部分电力用于热泵（HP）来加热热电联产装置（Elect.惠普）。惠普从热电联产中恢复部分热量，并将热量（热HP）再循环回热电联产单元。产生的总热能（总热）存储在热罐中，然后用于HiTechGH。热罐使用部分电力来维持水温。

当热电联产装置无法满足HiTechGH设备对电力的即时需求时，电网满足了能源赤字。在高入射辐射下，照明被关闭。因此，部分产生的能源被转为剩余能源（Elect.出售）。使用的电力（Elec。GH）和HiTechGH中使用的热量（热GH）被报告为能源GH。我们假设电网网络会吸收多余的能源。

三、温室和露天种植的性能比较

我们根据投入和每单位新鲜质量（水果中6%的干物质含量）和单位面积的产量评估了HiTechGH和OF番茄生产的性能。评估的变量类别描述如下。在适当的情况下，变量分为直接（现场）和间接（场外）组件。

1、新鲜番茄生产和水消耗

HiTechGH中每单位面积的模拟番茄产量是对照的6.4倍。但是产量和中央站点的更高变异性可以用频繁的温度波动强度上升来解释。与其他场地相比，强制屋顶通风无法完全散热，导致工厂的热应力更高。

HiTechGH新鲜番茄每单位质量的水消耗是对照的0.74倍，主要由与植物蒸腾有关的直接成分组成。我们的间接水消耗占总水消耗的7.4%-8.9%，这个低值的原因是使用了76%的水电能源（美国能源部，）没有消耗性用水。

2、温室气体排放

HiTechGH的温室气体足迹是OF系统的18倍。直接温室气体足迹占总温室气体足迹的很大一部分（75%-88%）。热电联产的很大一部分用于热能生产，这与之前将热需求确定为减少环境影响的关键的文献一致。

3、能源消耗

按单位质量提供消耗。HiTechGH的能源使用量是OF系统的231倍。在西部和东部站点观察到的能源使用量较高是由于这两个站点的加热器能源需求较高。然而，由于产量的变率较高，HiTechGH的所有站点的能源强度都大致相同，因为中心站点的变异性更大。

能源盈余最多的是东部站点，中心站点最低。在可变入射辐射下，照明被关闭和打开，导致剩余能量高于东西方站点。HiTechGH的能源消耗在夏季较低，在秋季增加，因为供暖要求更高。

在HiTechGH中，用于生产西红柿的所有业务的能源占总能源的89-95.8%。从电网购买的电力比从热电联产购买的电力要大得多，因为照明是最大的因素，而热电联产装置主要用于供暖。剩余能源为5.7-12.4%，热电联产装置损失的能源占总能源的1.8-4%。从电网购买的能源几乎完全用于照明系统，因为热电联产经常在夜间加热HiTechGH。东部站点的电力消耗与中央站点相似，但东部站点最冷的温度也促使加热器的使用比其他两个站点更密集。西部站点的照明用电量比所有其他站点都多，因为多云天气更频繁。

4、生产成本和净收入

OF生产成本的很大一部分来自使用的材料，而对于HiTechGH来说，它是营销，其次是劳动力和电力成本。包括HiTechGH（91.87 m-2）的设备和土地在内的投资成本是OF（51.47 m-2）的1.8倍。

WA为高达100千瓦的项目实施了净计量，公用事业公司以相同的电力供应价格为剩余能源提供信贷。然而，净计量只限于可再生能源。鉴于我们在热电联产部门使用了天然气（这被排除在净计量收益之外），我们在分析中排除了能源盈余的任何收入。

许多因素使产量比较变得困难。其中一些因素包括加热Venlo系统之间的GH技术差异、GH安装（结构质量、计算机控制、加热和照明）、管理（CO₂浓度水平、温度控制、生长光强度和开/关周期、灌溉和施肥、虫害和疾病控制）、天气条件（辐照度、多云、温度制度）、作物生长（植物密度、垂直排列、季节长度。

我们的模拟产量不包括水果损失，并基于最佳管理和环境控制，但与我们研究区邻近地区的加拿大GH系统获得的产量相比，并不罕见。例如，加拿大艾伯塔省报告了更高的可销售产量值（顶级生产商为60 kg m-2研究生产商为70 kg m-2），但考虑的GH技术类型不包括在内。根据损失进行调整，这些报告的收益率可能会高于我们研究中的估计。Edwards等人还报告说，加利福尼亚州不列颠哥伦比亚省的商业温室的产量超过70公斤——就在我们在美国华盛顿州的研究地区边境以北——这归因于高二氧化碳水平的暴露，我们的研究也是如此。

5、经济可行性

我们的OF生产成本为0.6 m-2美元-平均HiTechGH成本的1%（63.9 ± 4.1m-2 ）。Laate报告称，加拿大艾伯塔省的类似生产成本为67.8m-2美元（加拿大平均汇率为0.77美元；PSL，）。

尽管HiTechGH的生产成本较高，但西澳大利亚州的两种番茄生产系统似乎在经济上是可行的。鉴于其较低和可变的收益率，与两个更好的站点相比，Central HiTechGH站点的净收入最低。

此外，鉴于相对较高的灌溉用水安全和有利的天气条件，西澳大利亚州中部是生产可能变得重要的地方。这是增加番茄供应的重要结果，并部分补偿了CA生产的潜在限制，但潜在的环境影响不容忽视。

四、结论

我们模拟了室内高科技温室（HiTechGH）和露天（OF）条件下新鲜西红柿的生产。我们的发现表明，在我们的研究区域，这两个系统在经济上都可行。

我们发现，平均而言，HiTechGH提供更高的面积产量（6.4倍），能量明显增加（231倍），温室气体增加（18倍），水足迹略低（0.74倍）。

因此，可以通过具有更高水足迹的更大的OF区域或具有更高能源和温室气体足迹的更小的HiTechGH区域来扩大番茄产量。

HiTechGH具有减少土壤侵蚀和将化学品浸入地表水和地下水的潜在环境效益。为了支持粮食生产的可持续集约化，HiTechGH系统必须优先减少环境足迹。减少能源足迹，重点是清洁能源，将有双重好处，不仅减少能源强度，而且减少温室气体和水足迹，并提高HiTechGH食品生产的整体可持续性。

参考文献：

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2、 The Washington Agriculture Weather Network. Washington State University Prosser, WA.

AgWeatherNet, .

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4 、Compatibility between crops and solar panels: an overview from shading systems. Sustainability 10 (3). Aroca-Delgado, R., P ́erez-Alonso, J., Callejo ́n-Ferre, A ́.J., Vel ́azquez-Martí, B., .

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