Energy and material circularity in building-integrated agriculture : an environmental approach

Abstract

(English) Cities are great resource consumers and largely contribute to anthropogenic environmental impacts, urgently requiring a decarbonization plan. Urban agriculture lies on industrial ecology principles; waste resources from cities are used as feedstock for crop production and vice versa through building-integrated agriculture (BIA) infrastructures. This thesis aimed to analyze environmental, material, and energy flows in BIA from an industrial ecology perspective, ensuring circular economy strategies align with improved environmental performance. We based our assessments on an integrated rooftop greenhouse (iRTG) case study, and we separately analyzed the environmental benefits of BIA resulting from (i) improving structural material resource-use; (ii) quantifying the energy co-benefits and (iii) realizing BIA multifunctionality that can further cut-off environmental impacts among all BIA co-products.

A material assessment revealed the iRTG structure is responsible for 67.3% of environmental impacts. Three key design factors were identified as main causes of steel structural needs compared to conventional greenhouses: rooftop height, urban environment, and ventilation design. When optimized, impacts were reduced by 24.1%, demonstrating urban greenhouses do not imply greater amounts of structural materials per se compared to soil-based greenhouses. Rather, iRTGs can benefit from the urban environment, and compensate additional steel amounts with optimized designs. Up to 45.9% of environmental impacts were caused by the iRTG covering material; decaying optical properties and building shadows reduced between 36.2-50.2% the incoming solar radiation. By assessing the effects of a 4mm-antireflective glass, average lifetime solar gains increased up to 20.5% and tomato yields up to 46.6%, which reduced environmental impacts by 33.9%. An ETFE film produced less tomato yields (19.2±2.3 kg/m2) but reduced impacts by 41.1%. Overall, we demonstrate the importance of employing integrated and life-cycle perspectives to considering all side-effects of BIA.

Energy circularity in an iRTG operating with active or passive ventilation strategies was modelled to quantify energy savings. Passive heat from the building to the greenhouse resulted in 342 kWh/m2·year of harvested building waste heat (84% occurring during nighttime). Moreover, the iRTG insulation effect provided 120 kWh/m2y of thermal savings to the building. When considering the operating energy costs, 444 kWh/m2y of net thermal gains were obtained. Excess solar energy was harvested by means of active ventilation strategies and resulted in 205 kWh/m2y of thermal heat (1.59 ac/h). Similarly, 198 kWh/m2y of low-grade thermal energy from building exhaust air were harvested in the iRTG. Overall, active ventilation strategies resulted in 404 kWh/m2y of energy savings, which doubles the amount of energy saved with a passive iRTG configuration. We then compared energy gains with material energy costs of passive and active iRTG configurations. In line with other energy saving strategies, energy payback times of both configurations were 3.52 (passive) and 2.20 (active) years. Thus, despite active strategies require additional energy and operating costs, greater benefits can be obtained.

By aggregating all environmental improvements at the functional level (kg of tomato), we found a 43.2% reduction in environmental impacts compared to the current ICTA-iRTG infrastructure. Environmental impacts were then allocated to all coproducts using their economic value, further reducing these impacts by 60.7%, while environmental costs per kWh were equivalent to those from other renewable energy systems. With this dissertation, we therefore demonstrate that by designing iRTG infrastructures that enhance and optimize the exchange of resources with the built environment, it is possible to avoid wasting resources and retain their value to pave the way towards an effective and sustainable circular economy.

(Español) Las ciudades son grandes consumidoras de recursos, contribuyen a los impactos ambientales antropogénicos y requieren un plan de descarbonización urgente. La agricultura urbana se basa en los principios de la ecología industrial; los residuos de las ciudades se utilizan como materia prima para la producción de cultivos y viceversa a través de las infraestructuras de la Agricultura Integrada en los Edificios (BIA). Esta tesis analiza el flujo ambiental, material y energético en la BIA para que las estrategias de economía circular reviertan en una mejora ambiental. Se ha evaluado un invernadero integrado en una azotea (iRTG) y se han analizado por separado los beneficios medioambientales de la BIA resultantes de (i) la mejora del uso de recursos materiales de las estructuras; (ii) la cuantificación de cobeneficios energéticos; (iii) la multifuncionalidad de la BIA que permite dividir el impacto medioambiental en todos sus coproductos.

La evaluación material (parte 2) revela que la estructura de la iRTG estudiada es responsable del 67,3% del impacto ambiental. Se han identificado tres factores clave de diseño como causas de la necesidad de acero estructural en comparación con los invernaderos convencionales: la altura de la cubierta, el entorno urbano y el diseño de la ventilación. Al optimizarlos se reduce el impacto hasta un 24,1%, hecho que demuestra que un invernadero urbano no implica mayor cantidad de material que uno de suelo. Contrariamente, los iRTG pueden beneficiarse del entorno urbano y compensar la cantidad adicional de acero con diseños optimizados. Hasta el 45,9% del impacto ambiental es causado por el material de cobertura de la iRTG. El deterioro de las propiedades ópticas y las sombras del propio edificio reducen la radiación solar entre un 36,2 y un 50,2%. La ganancia solar mediana de un vidrio antireflectante aumenta hasta un 20,5% y la productividad de tomate hasta un 46,6%. Todo ello reduce el impacto ambiental en un 33,9%. Una película de ETFE baja la productividad (19,2±2,3 kg/m²) pero reduce el impacto en un 41,1%. Se demuestra la importancia de emplear perspectivas integradas y de ciclo de vida para considerar los efectos secundarios de las infraestructuras BIA.

Para cuantificar el ahorro de energía (parte 3) se ha modelizado la circularidad energética en la iRTG estudiada que funciona con estrategia de ventilación activa o pasiva. El calor pasivo del edificio al invernadero da un calor residual dev342 kWh/m2año, el 84% del cual se produce durante la noche. El efecto de aislamiento del iRTG proporciona 120 kWh/m2a de ahorro térmico. Teniendo en cuenta el coste energético de funcionamiento, se obtienen 444 kWh/m2a de ganancia térmica pasiva. La estrategia de ventilación activa permite aprovechar el exceso de energía solar y aporta 205 kWh/m2a de calor (1,59 ac/h). En el iRTG se han recogido 198 kWh/ m2a de energía térmica procedente del aire de salida del edificio. Asimismo, la ventilación activa supone un ahorro de energía de 404 kWh/m2a, el doble que una configuración iRTG pasiva. El tiempo de recuperación de la energía de ambas configuraciones es de 3,52 años (pasiva) y 2,20 años (activa). Así la estrategia activa aporta mayor beneficio a pesar de que requiere costes energéticos y operativos adicionales.

Al agregar todas las mejoras medioambientales a nivel de productividad (kg de tomate), el impacto se reduce a un 43,2% respecto de la infraestructura actual de la ICTA-iRTG (parte 4). Los impactos ambientales se han asignado según el valor económico de los coproductos y se han reducido hasta un 60,7% por kg de tomate. Además, el coste ambiental por kWh es equivalente al de los otros sistemas de energía renovable. Con esta tesis demostramos que el diseño de infraestructuras iRTG que optimizan el intercambio de recursos con el entorno construido permite evitar el derroche de recursos y conservar su valor para reutilizarlos y así allanar el camino hacia una economía circular eficaz y sostenible.