Development of a modelling approach for high-density controlled agriculture environment spaces for energy and yield analysis

Talbot, Marie-Hélène (2026). Development of a modelling approach for high-density controlled agriculture environment spaces for energy and yield analysis. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High-density controlled environment agriculture (CEA-HD), such as vertical farming, involves stacking crops in controlled indoor environments, enabling year-round food production across all climates and urban areas. Although CEA-HD spaces offer high productivity per unit of footprint, they are also energy-intensive due to precise regulation of temperature, humidity, carbon dioxide, and lighting. Many studies focus on optimizing growing conditions to improve yield, but the associated impact on energy consumption is often overlooked. One reason is the highly complex interplay between crops and their environment. For instance, energy demand varies daily between photoperiod and dark period and shifts throughout crop development. This necessitates robust cooling and dehumidification systems to maintain stable indoor air conditions, which is an ongoing challenge. Energy modelling is a valuable tool to address these types of issues. This thesis aims to develop an energy modelling approach to enable energy and yield analysis of CEA-HD spaces. The methodology involves modelling the thermal space, lighting system, and crops in a building performance simulation (BPS) tool. Given its dominance in CEA-HD spaces, lettuce was selected as the case crop. To achieve the objective, the following steps were undertaken: (1) the impact of discrepancies in energy modelling was examined; (2) a dynamic crop model, including an energy balance and growth model, was developed and calibrated with experimental data; and (3) the approach was applied to a case study analyzing the influence of temperature, vapour pressure deficit, photosynthetic photon flux density, and photoperiod. The results demonstrated the importance of accounting for light interception and crop growth in energy modelling. The developed model achieved a satisfactory level of accuracy, with maximum relative errors of 3.5% and 4.1% for the specific energy load and cultivation duration, respectively. The modelling approach enables simulations across a wide range of growing conditions and operational scenarios within a BPS tool, supporting the analysis of 180 scenarios and offering valuable insights into the influence of growing conditions on energy load and yield. This article-based thesis resulted in four peer-reviewed publications and the development of three crop models made available to the research community. The proposed modelling approach provides valuable support for enhancing CEA-HD design and operations by balancing energy consumption and crop yield. Overall, the work contributes a novel methodology to model CEA-HD spaces, facilitating energy, financial, and environmental assessments.

Titre traduit

Développement d'une approche de modélisation des espaces d'agriculture en environnement contrôlé à haute densité pour l'analyse énergétique et le rendement

Résumé traduit

L’agriculture en environnement contrôlé à haute densité (AEC-HD), ou « vertical farming », consiste à cultiver verticalement des plantes dans un environnement contrôlé, assurant une production continue dans tous les climats et en zones urbaines. Bien que très productifs par unité de plancher, ces espaces sont énergivores en raison du contrôle précis de la température, de l’humidité, du dioxyde de carbone et de l’éclairage. Si l’optimisation des conditions intérieures pour améliorer la production a été largement étudiée, l’impact sur la consommation d’énergie reste souvent négligé, en raison de la complexité des interactions entre les plantes et leur environnement. Par exemple, la demande énergétique varie quotidiennement entre la photopériode et l’obscurité, et évolue avec la croissance. Cela requiert des systèmes de refroidissement et de déshumidification robustes pour maintenir des conditions d’air stables, ce qui constitue un défi important. La modélisation énergétique constitue un outil pertinent pour aborder ces enjeux. Cette thèse vise à développer une approche de modélisation énergétique permettant l’analyse conjointe de l’énergie et du rendement des espaces AEC-HD. La méthodologie repose sur la modélisation de la zone thermique, du système d’éclairage et des plantes dans un outil de simulation des performances du bâtiment. La laitue, culture dominante dans ces espaces, a été retenue comme cas d’étude. Pour atteindre l’objectif, trois étapes ont été réalisées : (1) l’examen des divergences de modélisation énergétique; (2) le développement et l’étalonnage expérimental d’un modèle dynamique de plantes intégrant un bilan énergétique et un modèle de croissance; et (3) l’application à une étude de cas afin d’analyser l’influence de la température, du déficit de pression de vapeur, de la densité de flux de photons photosynthétiques et de la photopériode. Les résultats ont mis en évidence l’importance de prendre en compte l’interception de la lumière et la croissance des plantes dans la modélisation énergétique. Le modèle dynamique de plantes développé a atteint une précision satisfaisante, avec des erreurs relatives maximales de 3,5 % et 4,1 % pour la charge énergétique spécifique et la durée de culture, respectivement. L’approche permet de simuler une large gamme de conditions intérieures et de scénarios opérationnels dans un outil de simulation des performances du bâtiment, soutenant l’analyse de 180 scénarios et fournissant des informations précieuses sur l’influence des conditions intérieures sur la charge énergétique et le rendement. Cette thèse par articles a conduit à la publication de quatre articles évalués par les pairs et à la diffusion de trois modèles de plantes accessibles à la communauté scientifique. L’approche proposée constitue une contribution significative pour améliorer la conception et l’exploitation des espaces AEC-HD en conciliant consommation énergétique et rendement, facilitant ainsi les analyses énergétiques, financières et environnementales

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 149-159).
Mots-clés libres:	agriculture en environnement contrôlé (AEC), vertical farming, modèle de plantes, modélisation énergétique, charge énergétique, modèle de croissance
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monfet, Danielle
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 19:12
Dernière modification:	04 mars 2026 19:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3824

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