The rise and fall of an experiment in sustainable building – integrated indoor vertical farming

Michael Graham Parkes

Key information

Authors:

Michael Graham Parkes (Michael Graham Parkes)

Supervisors:

Ricardo Filipe De Melo Teixeira (Ricardo Filipe de Melo Teixeira); Tiago Morais Delgado Domingos (Tiago Morais Delgado Domingos)

Published in

May 22, 2024

Abstract

Esta tese mediu e analisou os benefícios e limitações de uma experiência em Agricultura Urbana (UA) em Lisboa, Portugal. A experiência foi realizada num sistema integrado de agricultura vertical interior (IVF) implementado num campus universitário, concebido para explorar a humidade, calor e CO2 da ventilação, e cultivar alimentos. Paralelamente ao doutoramento, foi criada uma empresa para operar a IVF. A tese inclui quatro trabalhos de investigação. O Capítulo 2 é uma revisão das "narrativas e benefícios" da integração da agricultura em ambiente controlado em edifícios. A revisão mostrou escassez de dados sobre custos ou desempenho ambiental das empresas. Colmatando esta lacuna, o Capítulo 3 relata um estudo de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) da produção de micro-vegetais para saladas na IVF instalada. Esta unidade produz 7,5 kg diários com um potencial de aquecimento global (PAG) de 18,6 kg de CO2e/kg para fornecer no campus, ou 22,2 kg de CO2e/kg para fora do campus. Para além da electricidade, a produção de sementes foi a maior contribuinte para as emissões. O Capítulo 4 explorou um espaço de opções operacionais para o cultivo de micro-vegetais. O inventário dinâmico da LCA combinou um modelo processual de crescimento de plantas e um modelo de balanço de massa para trocas de ar e calor. Os resultados mostraram que o PAG específico variou entre 3,3 e 63,3 kg de CO2e/kg produzido. O PAG mínimo foi de 290,5 kg/semana de peso fresco a 20°C, concentração máxima de CO2 e fotoperíodo de 24 horas. Assim, a gestão do IVF a plena capacidade melhorou o desempenho ambiental e maximizou o rendimento. O capítulo 5 examinou a gestão do projecto, que foi encerrado em 2022. Os resultados mostraram que um plano de negócios credível, desempenho ambiental positivo e co-benefícios sociais, são condições insuficientes para assegurar um negócio sustentável. Houve uma falha em transmitir um sentido de propriedade da cultura do projecto criada com as partes interessadas. Esta tese forneceu assim dados científicos e conhecimentos necessários para investigadores e urbanistas. This thesis set out to measure and analyse the real benefits and limitations of an Urban Agriculture (UA) experiment in Lisbon, Portugal. The experiment was conducted on a building-integrated indoor vertical farming (IVF) system implemented in a university campus, designed to exploit humidity, heat and CO2 of air ventilation, and grow food. Alongside the PhD research, a business was set up to operate the IVF. The thesis includes four research papers. Chapter 2 is a review of the ‘narratives and benefits’ of integrating buildings and controlled environment agriculture. It shows that few data are reported on costs or environmental performance of IVF businesses. Addressing this gap, Chapter 3 reports a Life Cycle Assessment (LCA) study of microgreens production for salads on the IVF installed. This unit was capable of producing 7.5 kg daily with a global warming potential (GWP) of 18.6 kg CO2e/kg to supply on campus, or 22.2 kg CO2e/kg to off campus. Besides electricity, seed production was the highest contributor to emissions. Chapter 4 explored an option space of combinations of operational conditions for cultivating microgreens (temperature inside the IVF, CO2 concentration, and photoperiod). The dynamic LCA inventory combined a process-based plant growth model and a mass balance model for air and heat exchanges. Results showed specific GWP varied between 3.3 and 63.3 kg CO2e/kg produced. Minimum GWP was at maximum production of 290.5 kg/week fresh weight at 20°C, maximum CO2 concentration and 24-hour photoperiod. Management of the IVF at full capacity improved environmental performance and maximised yield. Chapter 5 examined the governance of the project, which was closed in 2022. Results showed that a credible business plan, positive environmental performance and social co-benefits, are insufficient conditions to ensure a sustainable business. There was a failure to convey a sense of ownership of the project culture created with stakeholders. This thesis thus provides scientific data and insights needed for researchers and urban planners.