Améliorer la performance de l’agriculture en environnement contrôlé

L’agriculture urbaine suscite de plus en plus d’intérêt puisqu’elle offre une solution à plusieurs enjeux sociétaux actuels : la densification des villes, l’augmentation de la demande alimentaire, la promotion de l’économie locale, la réduction du transport… Lorsque effectué en environnement contrôlé, soit dans une serre, une ferme verticale, un conteneur maritime ou un espace d’agriculture intégré au bâtiment (AIB), ce type d’agriculture permet d’obtenir des rendements allant jusqu’à cent fois plus que la culture en champs, et ce, à longueur d’année. En contrepartie, l’agriculture en environnement contrôlé nécessite un apport d’énergie accru afin de maintenir les conditions intérieures optimales, entre autres la température, l’humidité, la concentration de dioxyde de carbone (CO₂) et l’éclairage.

Des membres de l’équipe de recherche du Laboratoire en thermique et science du bâtiment (LTSB) se sont fixés l’objectif d’améliorer la performance de ces espaces d’agriculture en environnement contrôlé afin d’en diminuer l’empreinte écologique. Au cœur de la consommation d’énergie : les systèmes de chauffage, ventilation et conditionnement de l’air (CVCA).

Systèmes CVCA : un dimensionnement complexe

Les systèmes CVCA doivent essentiellement maintenir les conditions intérieures en fournissant une quantité suffisante d’air sous des conditions permettant l’absorption de l’eau et de l’énergie produites par les plantes. Or, il existe à ce jour peu de données pour évaluer la charge CVCA d’un espace AIB. Cette charge varie selon l’heure de la journée (période de photosynthèse ou période obscure, sans lumière), l’évolution de la croissance des plantes et leur configuration dans l’espace (empilement vertical).

Figure 1 Système de ventilation d’une serre

À ces difficultés s’ajoute l’importance de maintenir une vitesse constante d’air autour des feuilles afin d’assurer l’absorption de CO₂ et ainsi éviter que les plantes ne poussent de façon non homogène à l’intérieur de l’espace AIB.

Les objectifs de la recherche

L’intérêt grandissant d’intégrer des espaces d’agriculture dans des bâtiments ayant aussi une autre vocation nécessite donc d’approfondir les connaissances quant aux exigences de conception et aux interactions possibles des différents espaces. Pour ce faire, les membres de l’équipe de recherche du LTSB poursuivront trois objectifs à court terme :

• La modélisation des plantes afin d’évaluer leur influence sur les conditions intérieures des espaces d’agriculture.
• L’élaboration de lignes directrices pour dimensionner les systèmes CVCA.
• L’évaluation de synergies possibles entre les espaces d’agriculture et les autres espaces d’un bâtiment et leur incidence sur la demande du système CVCA, entre autres.

Modélisation des plantes

Un modèle généralisé, tenant compte des échanges d’énergie et de CO₂ entre les plantes et leur environnement sera développé et validé par des mesures expérimentales obtenues avec le banc d’essai en environnement contrôlé (BE2C).

Figure 2 : Banc d’essai en environnement contrôlé

Dimensionnement des systèmes CVCA

Une approche numérique sera proposée pour évaluer l’effet des plantes sur les conditions intérieures et proposer des stratégies de répartition de l’air par analyse de la dynamique des fluides numérique afin de réduire la demande en énergie du système CVCA. Cette analyse tiendra compte de l’échange d’énergie, d’humidité et de CO₂ se produisant au feuillage des plantes.  Les simulations seront validées par les données expérimentales mesurées à l’intérieur du banc d’essai.

Synergies entre espaces de différentes vocations

Finalement, l’influence de la densité des cultures sur les conditions intérieures de différents types de bâtiments sera déterminée. La possibilité de récupérer la chaleur et le CO₂ dégagé par la culture de champignons pour faire croître des plantes sera aussi évaluée.

Un potentiel énorme

L’agriculture en environnement contrôlé présente de grands avantages pour un pays comme le Canada, où le climat est rigoureux et le coût de l’électricité peut être faible. Elle peut aider à satisfaire la demande pour des aliments cultivés localement, sans pesticides, et stimuler les économies locales.

Les membres de l’équipe de recherche du LTSB travaillent à en diminuer l’empreinte écologique tout en maximisant les rendements.