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Développement d'une approche d'estimation de l'impact des plantes sur les charges d'un espace d'agriculture intégrée au bâtiment

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Talbot, Marie-Hélène (2019). Développement d'une approche d'estimation de l'impact des plantes sur les charges d'un espace d'agriculture intégrée au bâtiment. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’agriculture urbaine protégée est une alternative viable à l’agriculture intensive qui permet en climat froid, de maintenir une production maraichère locale pendant toute l’année. Cela consiste entre autres à installer un système d’agriculture de haute technologie au sein d’un espace d’agriculture intégrée au bâtiment (eAIB) tel qu’un système de culture hydroponique empilée verticalement sous éclairage artificiel. Ce type de système requiert un environnement entièrement contrôlé où des conditions environnementales intérieures (température, humidité, intensité d’éclairage, concentration en CO2), qui favorisent la productivité agricole, sont maintenues par l’utilisation de systèmes de chauffage, ventilation et conditionnement d’air (CVCA) et d’autre systèmes. Afin d’être en mesure de maintenir ces conditions en tout temps, les systèmes CVCA doivent être dimensionné adéquatement selon les charges maximales. Ces charges sont calculées selon les règles de l’art et les gains internes sont définis de façon subjective par le concepteur ainsi que selon des hypothèses et simplifications. Toutefois, l’intégration du flux de chaleur sensible et latente induits par les plantes au calcul des charges est très peu détaillé et l’impact thermique sensible et latent des plantes est généralement négligé.

L’objectif principal de ce mémoire consiste à développer une approche d’estimation de l’impact des plantes sur les charges d’un eAIB. Pour ce faire, l’impact des plantes sur les charges est évalué à l’aide d’une première étude paramétrique exploratoire. Par la suite, une deuxième étude paramétrique est complétée afin d’évaluer l’impact des plantes sur les charges maximales selon les paramètres de conception.

L’approche choisie consiste à effectuer les deux études de façon subséquente à l’aide du logiciel de simulation énergétique transitoire TRNSYS 18 afin de modéliser un eAIB au sein d’un bâtiment situé en climat froid. À partir de ce modèle, les charges qui n’incluent pas l’impact des plantes, soit le cas de référence, sont évaluées. Puis, en couplant un modèle thermique de plantes (tomates ou laitues) au modèle du bâtiment, les charges qui incluent l’impact des plantes sont évaluées.

La première étude montre que l’impact des plantes sur les charges est significatif pour un cas spécifique d’eAIB. Les résultats permettent d’identifier les flux de chaleur des plantes à considérer pour estimer des charges maximales pour les conditions de conception. La deuxième étude évalue l’impact des plantes sur les charges maximales d’un cas d’eAIB general pour différents paramètres généralement spécifiés par les producteurs. Les résultats montrent que l’impact des plantes sur les charges de chauffage sensible et en refroidissement latent maximales estimées est significatif. En effet, lorsque douze étagères de laitues sous éclairage artificiel sont empilées et cultivées selon une méthode de croissance à stades diversifiés, les charges estimées sont de 3,7 à 4,1 fois plus grandes en chauffage sensible et 1,7 à 6,5 fois plus grande en refroidissement latent que les valeurs de références, dépendamment des conditions d’air intérieur (température/humidité relative de 19°C/80% vs. 24°C /70%). Selon une method de croissance à un seul stade, les charges obtenues sont de 13,7 à 15,7 fois plus grandes pour la charge de chauffage sensible et de 9,4 à 19,5 fois plus grandes pour la charge de refroidissement latent que les valeurs de référence. Finalement, des flux de chaleur sensibles et latents pour les laitues sont proposés et pourraient être utilisés lors du calcul de charge.

Titre traduit

Development of an approach to estimate the impact of plants on the loads of a building-integrated agriculture space

Résumé traduit

Protected urban agriculture is a viable alternative to intensive agriculture, which, in cold climates, makes it possible to maintain local crop production throughout the year. This includes installing a high-tech agriculture system within a building-integrated agriculture space (BIAs) such as a vertically stacked hydroponic system under artificial lighting. This type of system requires a fully controlled environment where indoor environmental conditions (temperature, humidity, lighting intensity, CO2 concentration), that enhances agricultural productivity, are maintained with the use of heating, ventilation and air conditioning systems (HVAC) and other systems. In order to be able to maintain these conditions at all time, the HVAC systems must be properly sized based on the maximum loads. These loads are calculated according to the rules of the art for internal gains defined subjectively by the designer and according to hypotheses and simplifications. However, the integration of sensible and latent heat fluxes, induced by plants, into load calculations is sparsely detailed and the sensible and latent thermal impacts induced by plants are usually neglected.

The main objective of this thesis consists of developing an approach to estimate the impact of plants on the loads of a BIAs. To do so, the impact of plants on the loads is assessed first using an exploratory parametric study. Then, a second parametric study is completed to assess the impact of the plants on peak loads according to the design parameters.

The chosen approach is to complete both studies subsequently using TRNSYS 18, a transient energy simulation software, in which the BIAs, located within a building in cold climate, is modeled. Using this model, loads without considering the impact of plants, which is the reference case, can be assessed. Then, by coupling a plants (tomatoes or lettuces) thermal model to the building model, loads considering the impact of plants can be assessed.

The first study showed that the impact of plants on loads is significant for a specific case of BIAs. The results made it possible to identify the suitable plants heat fluxes to be considered to estimate peak loads for the design conditions. The second study assessed the impact of plants on the peak loads of a general case of BIAs for various parameters generally specified by the growers. The results showed that the estimated impact of plants on the sensible heating and latent cooling peak loads is significant. Indeed, when twelve shelves of lettuce under artificial lighting are stacked and grown according to a diversified stage’s growth method, the estimated sensible heating load is 3.7 to 4.1 times greater and the latent cooling are 1.7to 6.5 times greater than the reference values, depending on indoor air conditions (temperature/relative humidity of 19°C /80% vs. 24°C /70%). For a single-stage growth method, the loads obtained are 13.7 to 15.7 times greater for the sensible heating load and 9.4 to 19.5 times larger for the latent cooling load than the reference values. Finally, sensible and latent heat fluxes of lettuce are proposed which could be used in load calculations.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie, concentration énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 101-107).
Mots-clés libres: agriculture intégrée au bâtiment, modèle de plantes, échange thermique, charges du bâtiment, TRNSYS
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Monfet, Danielle
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 18 avr. 2019 20:56
Dernière modification: 18 avr. 2019 20:56
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2285

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