Analisi Termoenergetica e Modellazione Parametrica di Serre Verticali Adattive

According to United Nations forecasts, the world population is expected to reach 9.7 billion by 2050, with 70% residing in urban areas, while the availability of arable land continues to decline. Vertical Farming (VF) offers a promising path for sustainable urban food production by utilizing vertical space and controlled environments. Among emerging approaches, Adaptive Vertical Farming (AVF) introduces mobile shelving systems that adjust to plant growth stages, allowing for a higher number of cultivation layers within the same rack height. In this study, a computational model was developed to quantify and compare the energy consumption of AVF and conventional VF systems under industrial-scale conditions. The reference scenario considered 272 multi-level racks, featuring 8 shelves in the VF configuration and 15 shelves in the AVF, using Lactuca sativa as the test crop. Energy consumption for thermo-hygrometric control and lighting was estimated based on various seeding schedules, with crop growth dynamics simulated through programming algorithms. Plant thermal loads were calculated using the Penman-Monteith model, providing a reliable estimate of evapotranspiration and its impact on indoor climate control. Simulation results demonstrate that AVF achieves an average 22% reduction in specific energy consumption for climate control compared to VF, regardless of the seeding strategy. Furthermore, AVF nearly doubles the number of cultivation shelves within the same footprint, increasing the cultivable surface area by over 400% compared to traditional flat indoor systems. The second part of the study focuses on the White-Box parametric identification of numerical coefficients for the Leaf Area Index (LAI), a fundamental parameter for the agronomic and thermo-energetic modeling of greenhouse systems. Various curves were evaluated to approximate LAI trends. Following an introduction to the optimization problem, the approximation performance of different curves was analyzed. The best results were obtained using a sum of sines with 60 coefficients and radial basis functions with 40 coefficients, minimizing both the cost function and computational time. The subsequent phase of the study briefly analyzes the development of an AVF module as a Life Support System for cultivation in space stations. After a brief overview of the limitations present in hostile environments such as the International Space Station (ISS), thermo-energetic simulations were conducted using a simplified micro-climatization system. The study investigated the possibility of condensate recovery via a "cold plate" heat exchanger cooled by the station's cooling water loop. Notably, a single 25x25 cm AVF module allows for the recovery of 0.45L to 0.64L of water per cultivation cycle, depending on the photoperiod. Finally, a comparative study of the energy requirements of a traditional flat greenhouse and an adaptive flat greenhouse was performed. After analyzing the evapotranspiration calculation model and boundary conditions, thermo-energetic simulations were carried out to evaluate thermal loads and energy demands. This study highlights that the adaptive greenhouse is a valuable technology for controlled environment agriculture, enabling a reduction in primary energy requirements of 27% in December and 20% in January. This study provides the first quantitative assessment of the energy performance of adaptive greenhouses in both vertical and flat configurations. The results demonstrate how such systems optimize land use and energy intensity simultaneously, fostering the integration of vertical farming into the urban fabric and offering an effective strategy for retrofitting traditional greenhouses into high-efficiency adaptive systems.

Secondo le previsioni delle Nazioni Unite, entro il 2050 la popolazione mondiale dovrebbe raggiungere i 9,7 miliardi di persone, di cui il 70% risiederà in aree urbane, mentre la disponibilità di terreni coltivabili continuerà a diminuire. L'agricoltura verticale (VF) offre una strada promettente per la produzione alimentare urbana sostenibile, utilizzando lo spazio verticale e ambienti controllati. Tra gli approcci emergenti, l'agricoltura verticale adattiva (AVF) introduce sistemi di scaffalature mobili che si adattano alle fasi di crescita delle piante, consentendo di ospitare un numero maggiore di ripiani di coltivazione all'interno della stessa altezza di scaffale. In questo studio, abbiamo sviluppato un modello computazionale per quantificare e confrontare il consumo energetico dei sistemi AVF e VF convenzionali in condizioni su scala industriale. Lo scenario di riferimento ha preso in considerazione 272 rack multilivello, ciascuno con 8 ripiani nel VF e 15 ripiani nell'AVF, con Lactuca sativa come coltura di prova. Il consumo energetico per il controllo termoigrometrico e l'illuminazione è stato stimato in base a diversi programmi di semina, con le dinamiche di crescita delle colture simulate utilizzando algoritmi di programmazione. I carichi termici delle piante sono stati calcolati attraverso il modello Penman-Monteith, consentendo una stima affidabile dell'evapotraspirazione e del suo impatto sul controllo del clima interno. I risultati della simulazione mostrano che l'AVF raggiunge una riduzione media del 22% del consumo energetico specifico per il controllo del clima rispetto al VF, indipendentemente dalle strategie di semina. Inoltre, l'AVF raddoppia quasi il numero di ripiani di coltivazione a parità di ingombro, aumentando la superficie coltivabile di oltre il 400% rispetto ai tradizionali sistemi indoor piatti. La seconda parte dello studio è incentrata sull'identificazione parametrica White-Box dei coefficienti numerici del Leaf Area Index (LAI) un parametro fondamentale per la modellazione agronomica e termoenergetica di un sistema serra. Sono state valutate diverse curve per approssimare l'andamento del LAI. Dopo una presentazione al problema di ottimizzazione da risolvere si è analizzato il confronto delle performance di approssimazione delle diverse curve. I risultati migliori si ottengono con la somma si seni a 60 coefficienti e con le funzioni in base radiale a 40 coefficienti, con una minimizzazione della funzione costo e del tempo di calcolo. La fase successiva dello studio analizza brevemente lo sviluppo di un modulo AVF come sistema di supporto vitale per coltivazioni nelle stazioni spaziali. Dopo un breve excursus sulle possibili limitazioni presenti in ambienti ostili come la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) si sono svolte delle simulazioni termoenergetiche con un sistema di microclimatizzazione semplificato e si è indagata la possibilità del recupero del condensato attraverso uno scambiatore di calore "cold plate" raffreddato dal canale dell'acqua di raffreddamento della stazione. È interessante notare come un singolo modulo AVF di superficie 25x25cm consenta di recuperare da 0.45L a 0.64L d'acqua per singolo ciclo di coltivazione, in funzione del fotoperiodo in gioco. Infine, si è svolto uno studio comparativo dei fabbisogni energetici di una serra piana tradizionale e di una serra piana adattiva. Dopo un’analisi del modello di calcolo per l'evapotraspirazione e delle condizioni al contorno, si sono svolte simulazioni termoenergetiche per la valutazione dei carichi termici in gioco e dei fabbisogni energetici dei due sistemi. Questo studio ha evidenziato come la serra adattiva si dimostri una tecnologia utile per lo sviluppo di colture in ambiente controllato consentendo una diminuzione dei fabbisogni di energia primaria del 27% a dicembre e del 20% a gennaio. Il presente studio fornisce la prima valutazione quantitativa delle prestazioni energetiche di serre adattive in configurazione verticale e piana. I risultati dimostrano come tali sistemi permettano di ottimizzare contestualmente l'uso del suolo e l'intensità energetica, favorendo l'integrazione dell'agricoltura verticale nel tessuto urbano e offrendo una strategia efficace per la riconversione delle serre tradizionali in sistemi adattivi ad alta efficienza.