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

Résumé

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

Date	11 janv. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Danielle Monfet (Directeur(-trice))