Modélisation des espaces d’agriculture en environnement contrôlé à haute densité

Larochelle Martin, Gilbert (2024). Modélisation des espaces d’agriculture en environnement contrôlé à haute densité. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’agriculture en environnement contrôlé (AEC), tel que les serres, et l’agriculture en environnement contrôlé à haute densité (AEC-HD), aussi connu sous les termes « plant factory » ou « vertical farm », visent à augmenter la productivité en découplant le microclimat de production des aléas de la météo, ce qui augmente considérablement la consommation d’énergie. De plus, l’uniformité du microclimat de production est essentielle pour obtenir un produit uniforme et mitiger l’apparition de maladies. Actuellement, les modèles énergétiques d’espaces d’AEC, souvent développés pour une application précise, ne sont pas assez flexibles pour un usage général et ne sont pas disponibles publiquement. Il n’existe pas actuellement d’outils de simulation énergétiques validés permettant de modéliser adéquatement les interactions énergétiques des espaces d’AEC, et par extension des espaces d’AEC-HD qui permettent de quantifier l’impact de différentes enceintes, systèmes énergétiques et contrôles.

Ainsi, l’objectif principal des travaux de recherche de cette thèse est de développer une méthode de modélisation énergétique des espaces d’AEC-HD basé sur l’utilisation d’outils de simulation de la performance énergétique du bâtiment (BPS) en tenant compte de l’uniformité du microclimat de production. La méthodologie utilisée est basée sur la modification d’outils existants de dynamique des fluides numériques (CFD) et de BPS, c.-à-d. ANSYS Fluent et EnergyPlus, afin d’y intégrer les phénomènes physiques associés aux plantes cultivées. Cette thèse par article aborde plusieurs facettes de la modélisation des espaces d’agriculture en environnement contrôlé à haute densité (AEC-HD) tel que le bilan d’énergie à la feuille, la photosynthèse, la résistance à l’écoulement et l’impact des coefficients de transfert de chaleur convectifs des surfaces internes sur les résultats de simulation.

Cette thèse apporte trois contributions originales soit : (1) une méthode d’optimisation de la distribution de l’air dans un espace d’AEC-HD tenant compte de l’uniformité du microclimat de production, (2) l’intégration de la résolution du bilan d’énergie à la feuille dans un outil de BPS à l’aide d’une interface graphique simplifiée et (3) l’évaluation des algorithmes de calcul des coefficients de transfert de chaleur convectifs (CHTCs) des surfaces internes à partir de valeurs de références issues d’un modèle CFD pour leur utilisation dans un outil BPS. Ces trois contributions viennent épauler les professionnels du domaine de la mécanique du bâtiment qui pourront améliorer leur processus de modélisation, de conception et d’opération des espaces d’AEC-HD et des systèmes énergétiques associés à ces espaces.

Titre traduit

High-density controlled environment agriculture spaces modelling

Résumé traduit

Controlled environment agriculture (CEA), such as greenhouses, and high-density controlled environment agriculture (CEA-HD), also known as « plant factory » or « vertical farm », aim to raise yield by decoupling the production microclimate from weather variations, which raises considerably the energy consumption. Furthermore, the production microclimate uniformity is essential to obtain a uniform product and mitigate diseases. Currently, CEA energy models are often developed for a specific application, are not flexible enough and are not available publicly. Currently, no validated energy modelling software is capable of accurately simulating the complex energy interactions within CEA production spaces and, consequently, CEA-HD facilities. This hinders quantifying energy consumption impacts associated with various wall constructions, energy systems, and control implementations.

Therefore, the main objective of this research thesis is to develop an energy modelling method for CEA-HD spaces based on the use of building performance simulation (BPS) tools while considering the production microclimate uniformity. The methodology used is based on modifying existing computational fluid dynamics (CFD) and BPS tools, i.e., ANSYS Fluent and EnergyPlus, and integrating the physical phenomena associated with the crops cultivated. This article-based thesis addresses several aspects of high-density controlled environment agriculture (CEA-HD) space modelling, such as leaf energy balance, photosynthesis, flow resistance, and the impact of internal surface convective heat transfer coefficients on simulation results.

This thesis makes three original contributions: (1) a method for optimizing air distribution in CEA-HD spaces while considering the production microclimate uniformity, (2) the integration of a leaf energy balance resolution algorithm into a BPS tool using a simplified graphical interface and (3) an internal surface convective heat transfer coefficients (CHTCs) algorithms evaluation based on reference values from a CFD model for their use in a BPS tool.

These three contributions will support building engineering professionals, enabling them to enhance their CEA-HD spaces and associated energy systems modelling, design, and operation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 121-142).
Mots-clés libres:	dynamique numérique des fluides (CFD), simulation énergétique du bâtiment (BPS), agriculture en environnement contrôlé à haute densité (AEC-HD), modèle de plante, optimisation, coefficients de transfert de chaleur convectifs (CHTCs)
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monfet, Danielle
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 nov. 2025 18:45
Dernière modification:	10 nov. 2025 18:45
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3730

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