Energy use of Building Integrated Agricultural (BIA) space and its impact on the host building

Moradi, Arefeh (2024). Energy use of Building Integrated Agricultural (BIA) space and its impact on the host building. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The burgeoning interest in urban agriculture (UA) stems from urban densification, escalating food demand, and the imperative to enhance food accessibility. Controlled Environment Agriculture (CEA) can be considered a viable representative of UA, gaining popularity as it enables year-round food production in cold climates and urban areas. In regions like Quebec with challenging climates, agricultural year-round output is facilitated through controlled environments, ranging from traditional ground-based greenhouses to innovative buildingintegrated agricultural spaces (BIAs). CEA offers numerous advantages, including increased crop productivity, eliminating chemical pesticide uses, and controlling indoor conditions independently of outdoor climate. However, the potential impacts of these production methods still need to be better understood due to a lack of comprehensive data and analysis.

Utilizing sophisticated agriculture systems within building-integrated spaces, such as vertically stacked hydroponic setups under artificial lighting, enables precise control over environmental conditions. Accurate control of the indoor environment conditions, such as air temperature, humidity, carbon dioxide (CO2) concentration, and lighting parameters (including the type of lighting, intensity and duration of photo/dark periods), results in significantly higher yields than conventional agriculture. Nevertheless, these advantages are offset by the substantial energy consumption associated with CEA practices, particularly artificial lighting. The main objective of this thesis is to quantify the effects of these indoor conditions, which are essential to mitigating the environmental footprint and energy consumption associated with performing this type of food production, emphasizing the need for thorough assessment and evaluation.

The proposed study assesses the overall energy performance (i.e., annual energy consumption and peak electricity demand) of a Building Integrated Agriculture (BIA) space within its host building, a medium-sized 3-storey office building located in Montreal, modelled in EnergyPlus, for several operating scenarios featuring different indoor environment conditions. The categorized scenarios focus on Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD), lighting type, temperature and relative humidity setpoints. Regarding assessing the BIA solely in scenarios, energy consumption ranged between 2355 and 6920 MWh, representing a 65% variation. In analyzing the host building with integrated BIA, the variation in energy consumption was similar, 66%, ranging from 2994 to 9063 MWh. The obtained results can guide the implementation of BIA spaces.

Titre traduit

Consommation énergétique d’un espace d’Agriculture Intégrée au Bâtiment (AIB) et son impact sur le bâtiment hôte

Résumé traduit

L'intérêt croissant pour l'agriculture urbaine (AU) découle de divers facteurs tels que la densification urbaine, la demande croissante en alimentation et l'impératif d'améliorer l'accessibilité alimentaire. L'agriculture en environnement contrôlé (AEC) peut être considérée comme l'un des options viables de l'AU, et gagne en popularité car elle permet la production alimentaire toute l'année dans les climats froids et les zones urbaines. Dans des régions comme le Québec, aux climats difficiles, la production agricole toute l'année est facilitée par des environnements contrôlés, allant des serres traditionnelles au sol aux espaces d’agriculture intégrée au bâtiment (AIB). L’AEC offre de nombreux avantages, notamment une productivité accrue des cultures, l'élimination de l'utilisation de pesticides chimiques et la possibilité de contrôler les conditions intérieures indépendamment du climat extérieur. Cependant, les impacts potentiels de ces méthodes de production restent mal compris en raison d'un manque de données et d'analyses approfondies.

L'utilisation de systèmes agricoles sophistiqués dans des espaces intégrés aux bâtiments, tels que des installations hydroponiques empilées verticalement sous un éclairage artificiel, permet un contrôle précis des conditions environnementales. Le contrôle précis des conditions environnementales intérieures, telles que la température de l'air, l'humidité, la concentration de dioxyde de carbone (CO2) et les paramètres d'éclairage (y compris le type d'éclairage, l'intensité et la durée des périodes lumineuses/sombres), entraîne des rendements nettement plus élevés par rapport à l'agriculture conventionnelle. Néanmoins, ces avantages sont compensés par la consommation d'énergie substantielle associée aux pratiques de AEC, notamment l'utilisation de l'éclairage artificiel. L'objectif principal de cette thèse est de quantifier les effets de ces conditions intérieures qui sont essentielles pour atténuer l'empreinte environnementale et la consommation d'énergie associées à ce type de production alimentaire, en mettant l'accent sur la nécessité d'une évaluation approfondie.

L'étude proposée évalue la performance énergétique globale (c'est-à-dire la consommation annuelle d'énergie et la demande électrique maximale) d'un espace d'Agriculture Intégrée au Bâtiment (AIB) à l'intérieur de son bâtiment hôte, un immeuble de bureaux de taille moyenne de 3 étages situé à Montréal, modélisé dans EnergyPlus, pour plusieurs scénarios opérationnels présentant différentes conditions environnementales intérieures. Les scénarios catégorisés se concentrent sur la densité de flux de photons photosynthétiques, le type d'éclairage, la température et les points de consigne d'humidité relative. En ce qui concerne l'évaluation de l'AIB uniquement dans les scénarios, la consommation d'énergie variait entre 2355 et 6920 MWh, représentant une variation de 65%. En analysant le bâtiment hôte avec BIA intégré, la variation de la consommation d'énergie était similaire, soit 66%, variant de 2994 à 9063 MWh. Les résultats obtenus peuvent guider la mise en oeuvre des espaces AIB.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 81-91).
Mots-clés libres:	agriculture en environnement contrôlé (AEC), efficacité énergétique, agriculture intégrée au bâtiment (AIB), consommation d'énergie d'éclairage, conditions d'environnement intérieur
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monfet, Danielle
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	01 août 2024 16:13
Dernière modification:	01 août 2024 16:13
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3482

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