一种简化的能源-水资源建模方法，用于受控环境农业

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A simplified approach to energy-water modeling for controlled environment agriculture

　　

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  简化版的CEA设施模型能够提供能源和水资源使用的数量级估计。
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  该模型解决了CEA中资源消耗问题，提供了易于使用且灵活的模型。
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  高科技温室的能源强度与室外温度呈反比关系；而植物工厂的能源强度则与室外温度直接相关。
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  在炎热干燥的气候条件下，高科技温室的用水量通常比植物工厂更多。

引言

控制环境农业（CEA）是指在具有不同技术支持水平的结构内种植作物的做法，它是农业领域中快速发展的一个分支。2009年至2019年间，美国的CEA设施数量增长了一倍多，食品产量增长了56% [1]。CEA设施的范围从简单的塑料覆盖的拱形棚屋（也称为高隧道）到高度自动化的植物工厂（也称为垂直农场）不等。这些设施能在一定程度上保护作物免受威胁传统露天农场生产力的环境因素（如极端温度、干旱、洪水、病虫害、土壤退化）的影响，同时也保障了在那里工作的员工的健康 [2]、[3]。然而，由于需要照明和气候控制的能源，加上高昂的前期投资和其他运营成本，可持续且具有成本效益地运营CEA设施一直颇具挑战性 [4]。尽管高性能的CEA设施相比传统农场节省了大量水资源（高达90%） [5]，但在干旱和半干旱地区，高耗水需求（特别是蒸发冷却系统的用水量）仍然对种植者构成挑战 [6]。

估算这些设施的能源和水资源需求对于促进该行业的可持续发展以及帮助小型种植者在竞争激烈的市场中立足至关重要。这一点对于像美国这样的新兴市场尤为重要，因为近年来该国私营和公共投资都在不断增加 [1]。然而，传统的建模方法（如计算流体力学（CFD）或EnergyPlus等详细建筑能源模拟软件）往往需要设计数据和专业知识，而这些在早期可行性研究阶段并不总是容易获得的。此外，许多先前研究中开发的能源-水资源建模方法 [7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25] 只适用于少数类型的设施，无法应用于实际存在的各种结构类型、技术实现水平和气候区域。关于现有CEA设施资源消耗估算模型和软件的全面回顾可以在补充信息（SI）的第1部分找到。

本研究旨在通过开发一个简化的开源模型来填补这一空白，该模型能够提供合理的能源和水资源消耗估算，以及能源使用所产生的温室气体（GHG）排放量估算，同时保持其在非建模社区中的可用性。这个模型简称为CEAEstA（CEA估算算法），它结合了用于估算照明、供暖和冷却负荷的第一性原理方法与已建立的蒸散作用（ET；蒸发和蒸腾作用共同造成的水分损失）模型，并通过其他研究中的实际数据和模拟数据进行了验证。通过提供特定于设施位置、类型、作物和技术先进程度的数量级估算，这一工具可以被各种利益相关者用来评估单个场所的能源和水资源消耗情况，并在投资更详细的估算之前进行比较，从而推动更加数据驱动和可持续的发展。

章节摘要

模型结构

CEAEstA可以估算多种CEA场景下的能源和水资源需求，因此需要用户提供一些输入参数（图1）。该模型已发布在项目的公开GitHub仓库中 仓库，用户可以模拟美国各地73个地点（见表S1、图S1），这些地点代表了该国不同的气候区域。如果有每小时气象数据，用户也可以模拟其他地点。

模型验证

尽管有许多研究对CEA设施的资源消耗进行了建模，但实际运营中的大量实证数据并不容易获得，因此我们整合了来自同行评审研究 [13]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47] 的建模能源和水资源消耗数据，以及通过与资源创新研究所（RII）合作使用其专有PowerScore工具 [49] 收集的实证数据，以评估CEAEstA的准确性。

模型局限性

作为一款开源且灵活的能源和水资源使用模型，CEAEstA允许用户模拟各种场景，无论用户具备何种建模专业知识或对该行业的了解程度。虽然我们将该模型应用于美国各地的多个地点，但它也可以轻松适应其他地点和作物。然而，这种简便性仅是通过根据有限的用户输入来推断建筑物规格和气候控制设定点实现的。

结论

作为农业领域中快速发展的部分，CEA有望在耕地减少、天气变化加剧和水资源短缺的情况下增强食品安全，这些因素正在逐渐威胁某些地区的露天农业可行性。当技术先进的设施（如温室和植物工厂）得到正确运营时，可以优化资源利用并促进本地食品生产。然而，理解和最小化能源和水的足迹仍然是一个重要的挑战。

CRediT作者贡献声明

Abigayle Rose Hodson： 方法论、软件开发、验证、数据分析、初稿撰写、审稿与编辑、可视化。Arian Aghajanzadeh： 写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、数据分析。Robert Eddy： 写作 - 审稿与编辑、方法论。Tyler Tarr Huntington： 写作 - 审稿与编辑、方法论。Robinson Negron-Juarez： 写作 - 审稿与编辑、方法论。Jennifer Stokes-Draut： 写作 - 审稿与

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用ChatGPT来识别相关文献并总结其他研究文章的关键点（主要用于补充信息中的文献综述），并生成词汇表的定义。使用该工具/服务后，作者根据需要进行内容审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们想要感谢RII的合作者们，特别是Derek Smith、Carmen Azzaretti、Bryce Carleton和Elyse Greenberg，他们提供了我们用于模型验证的数据，并在模型开发过程中提供了CEA相关的专业知识。此外，我们也感谢许多CEA领域的利益相关者自愿贡献他们的时间和知识来指导这项工作，包括但不限于Joyce Jong、Charles Smith、Brad Berg、Bob Gunn、Catherine Wilsbach、Dick Kramp等。

术语表

二氧化碳（CO₂）富集系统

一种增加温室或室内种植空间中CO₂含量的系统，以促进植物生长和产量。

控制环境农业（CEA）

一种在室内或提供受控环境的结构中种植植物的方法，其中温度、湿度、光照和养分供应等因素被精确管理，以优化植物生长和产量。

计算流体力学（CFD）

流体力学的一个分支，使用数值方法来模拟流体行为

Abigayle Rose Hodson|Arian Aghajanzadeh|Robert Eddy|Tyler Tarr Huntington|Robinson Negron-Juarez|Jennifer Stokes-Draut