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壹、前言及背景
荷蘭溫室在能源、水與微氣候控制上使用創新技術而具有領先優勢，而對石化燃料倚賴性大量降低的新溫室也陸續出現，這些溫室成為轉換永續能源來源的替代方案。此外，一些地方開始使用溫室以提供綠色能量給郊區住宅。而荷蘭農業、自然與食物品質部所設立之Innovation Network機構即為溫室發展的強力觸媒角色。
荷蘭Zonneterp溫室村包括生態住宅區作為能量產製溫室的示範計畫，其下具有分散式水與廢水處理設施，並設計以溫室產生熱能提供社區。這種設計原理為夏天吸收過剩太陽輻射熱能，其熱能被儲存在地下儲水層中，並使用於夜裡或冬天以暖和溫室，像2公頃溫室可以加熱提供200戶房子使用。另外，溫室可提供自來水、處理廢水並產生電力，並在水與能源中自給自足，同時循環再利用營養與碳。所以，溫室村是符合生態永續性、環境友善性與經濟可行性的解決方案。
貳、都市與鄉村地區間之新互動
為了促進鄉村與都市的新互動，Innovation Network啟動溫室村工作，這個計劃顯示都市環境能與農業活動緊密連結。因強大的相互倚賴(interdependencies)與實體整合，居民瞭解及參與都市與鄉村的新互動，所以在永續基礎上，溫室村能提供能源、清潔水與農產品並把良好生態帶入社區。同時溫室在一年之中所收集的太陽熱能比雙層嵌板溫室多出7倍，加上太陽能提供大於全球經濟需求的能量，所以若溫室村能吸收儲存太陽能，未來除能解決大部份全球能量的問題，並可擴展至別處可用的自然肥料與淡水。另外，這個計劃亦顯示此種新互動可增加基本公共設施效率及降低費用。
參、溫室村之技術佈局
溫室村之技術設計包含4個子系統。
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圖1 溫室與住房區塊之微氣候控制系統(Andel et al., 2007)
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圖1顯示能量產製溫室微氣候控制所用熱能(並非電)系統。此概念為夏天吸收過剩熱能，且將其以溫水形式貯存在地下儲水層中，然後特殊專利權的熱交換器可將溫室氣溫保持在30℃下，並把溫度11℃的地下水加溫到25-27℃。此熱交換器移除溫室中過剩熱能(大約25℃)，而且以23至24℃的水加熱周圍居住房子，這種同時完成移除過剩熱能與低溫加熱的技術，便是依靠細線熱交換器(Fine Wired Heat Exchangers, FiWiHEx)。細線熱交換器特別適合小溫差下熱量的有效交換，由於與強制空氣循環結合，其冷卻與加熱空氣的效果比傳統板狀熱交換器有效值達22倍(COP值可達60)，能讓23至24℃的水加熱所居住的房子。
圖2為溫室中實際使用編織式細線熱交換器以移除過剩熱能的情形與其間流體熱交換示意圖，在每40m2溫室地板面積一個細線熱交換器的密度安裝於番茄植行間，最大冷卻功率為25kW，而從植栽葉冠正上方經由透明塑膠管煙囪吸入暖空氣，並於地板上與植物生長所在之介質槽間以水平方向吹出和暖之空氣流(大約1m/s)。 |
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圖2 溫室中實際使用編織式細線熱交換器以移除過剩熱之情形(左)與其間流體熱交換示意圖(右，Nederhoff, 2006)
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使用23至24℃的地下儲水層將溫室村居住房子加熱，成為最低能量需求的溫室加熱房子(greenhouse-heated houses)，主要透過輻射加熱(radiation heating)並輔以細線空氣加熱，藉由捲繞式空氣/空氣熱交換器結合呼吸窗(breathing windows)而達成(如圖3所示)。這項技術不僅解決超密閉防透風房子必須通風(耗費大約35%至45%之能量)之問題，而且較新分散式co2控制型立窗通風可讓空氣從住居內部至外界極低溫狀況下獲得95%的能量。 |
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圖3 捲繞式空氣/空氣熱交換器之最先概念(左)與置於建築物正面之呼吸窗雛型(右) (Kristinsson, 2006a)
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適於熱貯存之地下儲水層由成層的隔離砂分隔(互層之砂質含水層)，而隔離砂可維持其中儲水溫度，大多數的荷蘭地區均有這類砂質地下儲水層。居住用的房子必須裝設由地板、牆壁與天花板之管線所組成的加熱與冷卻系統，溫室村終年提供空調，並根據需求傳遞熱能與進行冷卻。荷蘭法律規定地下儲水層整年能量平衡須保持中性，而且溫度不能超過25℃以避免土壤加熱或冷卻過慢，同時冷卻塔也得加到設計中以保持平衡。
二、碳循環
如圖4所示，洗手間的黑色水(糞便與尿)與有機之廚房廢棄物被真空收集系統運輸至溫室附近之厭氧消化器(anaerobic digester，發酵槽)。另外，溫室的殘餘植物材料與當地可得的有機廢棄物也可加至消化器，經混合後所產生的生物氣體(biogas, CO2+CH4)，再於燃氣渦輪機內燃燒，燃燒後的氣體在溫室中被用為co2肥料，可為農場主人帶來高產出。而燃燒能量用於電力產生(發電)與生水加熱，每立方米生物氣體大約有20至25 MJ (荷蘭標準甲烷氣體之60%)之熱值。此生物氣體通常由67%的CH4、33%之co2與其他微量氣體(例如H2、鈍性的N2與有臭味的H2S)組成。因為消化器可被放置在密閉溫室中，對環境的氣味排放影響至最低，另為除去H2S並防止機器腐蝕，會增加少量的氧氣至生物氣體中。
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圖4 溫室村之碳循環(Andel et al., 2007)
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在消化後，消化器排出物被除水系統(dewatering system)分離成液體與固體部分，液體被加至灰色水處理系統，最後成為溫室灌溉水；固體材料用於堆肥處理，成為溫室泥炭的替代物，而過程中若加入建築結構的材料(例如木片)，可產生最佳堆肥效果。
三、水系統
如圖5所示，居家產生的廢水會進入兩條單獨流線，來自淋浴與廚房的灰色水與洗手間的黑色水。
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圖5 溫室村中黑色水與灰色水各別收集與處理(Andel et al., 2007)
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如前所述，黑色水被送至消化器以產製生物氣體，為降低消化器之尺寸，會使用類似於飛機中的真空式馬桶(每次沖水1公升)。居家的灰色水在需氧生物反應器中(aerobic bioreactor)被淨化；在處理前，消化器中含有營養物的液體部分與灰色水混合，處理後的水用於溫室灌溉，而生物反應器中剩下的污泥被帶至消化器。在此生物反應器中處理目的為除去耗氧有機污染物、將銨(ammonium)轉換為硝酸鹽(nitrate)(硝化作用nitrification)及部分脫氮作用(denitrification)，就是將硝酸鹽轉變至氣態氮。透過部分脫氮作用，可調整灌溉水中硝酸鹽濃度至溫室植物的特定需求。
溫室植物會蒸發灌溉水，在溫室村中，透過蒸汽凝結與收集並經過活性碳過濾、增加CaCO3(白堊土)及品質監控可把這些水當成居家使用的自來水來源。而為保持介質溶液之鹽分濃度低水位，以避免影響作物產量，必須排放少量滲漏的灌溉水(大約15%)，因此，溫室村需要少量之外來水(例如使用雨水)。
四、營養系統
消化器中的液體部分富含營養物，最重要者是氮(nitrogen)、磷(phosphorous)與鉀(potassium)。這些礦物質對植物生長是必要的，並且也是植物組織的基本成分。因此，它們透過在生物反應器處理前添加消化器中液體至灰色水而被使用在溫室中。
圖6顯示溫室村的氮平衡。消化器液體中的氮主要以銨離子(NH4+)形式存在，透過硝化作用轉化為植物特別喜歡的硝酸鹽 (NO3-)。對於土耕栽培，銨可以直接施用，因為在土壤中會自然發生硝化作用。但若植物在非土介質上生長時，氮會先轉化成硝酸鹽再被提供。Kristinsson (2006b)指出200戶之溫室村仍嫌太小，生質量需要再多約50%，因此從旅館廚房來的垃圾則相當受歡迎。圖7顯示溫室村的總技術佈局。
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圖6 溫室村之氮平衡(Andel et al., 2007)
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圖7 溫室村之技術佈局(Andel et al., 2007)
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