Environmental assessment of water supply: cities and vertical farming buildings

Abstract

S'espera que la sostenibilitat de les xarxes de subministrament d'aigua sigui un tema important en un futur pròxim a causa de la falta d'accés a l'aigua en àrees específiques, al creixement de les ciutats i a la renovació de xarxes velles. En aquest sentit, analitzar a nivell ambiental aquest sistema és clau per planificar futures xarxes, la qual cosa pot prevenir impactes ambientals significatius. A més, l'eficiència en l'ús de l'aigua a les ciutats és una altra qüestió important i cal analitzar els nous usos urbans de l'aigua, com l'agricultura. Aquest és el cas de l'agricultura vertical, que consisteix en la integració de sistemes agrícoles en edificis. Tot i que aquests sistemes de producció d'aliments urbans poden augmentar la demanda d'aigua a les ciutats, representen una oportunitat per reduir el consum i el transport d'aigua relacionats amb l'agricultura a nivell regional. Investigacions prèvies sobre xarxes d'abastament d'aigua es centren en analitzar estudis de casos específics a nivell municipal o regional, mostrant resultats molt diferents. Per tant, es requereix una avaluació integral del sistema des d'una perspectiva general per entendre quins són els factors clau que afecten els impactes ambientals de les xarxes. A escala edifici, la millora de l'eficiència en l'ús de l'aigua pot prevenir impactes ambientals significatius al llarg del cicle urbà de l'aigua, especialment per a nous usos de l'aigua com l'agricultura vertical. En aquest context, estudis anteriors han discutit el potencial d'aquests sistemes o implementat anàlisis basades en dades teòriques. No obstant això, encara falta manca avaluar cultius realitzats en un casos d’estudi reals. Aquesta tesi té com a objectiu aprofundir en aquestes àrees de coneixement analitzant el sistema urbà des de l'escala ciutat a alternatives locals específiques i busca respondre a les següents preguntes: (i) Quins són els principals factors que afecten els impactes ambientals de les xarxes d'abastament d'aigua a les ciutats i quines millores s'han d'implementar? - Escala ciutat (ii) Com d'eficaces són les tecnologies per a l'estalvi de l'aigua utilitzades a nivell d'edifici en les zones urbanes? - Escala edifici (iii) Els hivernacles integrats en coberta són una alternativa eficient i sostenible per a la producció d'aliments a les ciutats? - Alternativa específica Aquesta tesi contribueix a un major enteniment dels principals factors que influeixen en els impactes de les xarxes d'abastament d'aigua i aporta eines útils per a l'anàlisi ambiental d'aquests sistemes. Els planificadors urbans i els gestors de xarxes poden utilitzar els resultats per planificar xarxes sostenibles. A més, la investigació experimental realitzada en edificis innovadors amb tecnologies d'estalvi d'aigua i agricultura vertical demostra la viabilitat d'aquests sistemes avançats i destaca la importància d'optimitzar l'ús dels recursos. Investigacions futures en aquestes àrees de coneixement podrien centrar-se en els següents temes: • Avaluar l'ecoeficiència de la construcció de xarxes d'abastament d'aigua. • Implementació d'estudis estadístics addicionals sobre el funcionament de les xarxes d'abastament d'aigua. • Desenvolupar nous sistemes urbans que implementin el nexe aigua-energia-aliments per integrar la producció d'aliments i els problemes d'eficiència en l'ús de l'aigua. • Explorar tot el potencial dels i-RTGs i analitzar el sistema que conrea diferents cultius.

Se espera que la sostenibilidad de las redes de suministro de agua sea un tema importante en un futuro próximo debido a la falta de acceso al agua en áreas específicas, al crecimiento de las ciudades y a la renovación de viejas redes. En este sentido, analizar a nivel ambiental este sistema es clave para planificar futuras redes, lo cual puede prevenir impactos ambientales significativos. Además, la eficiencia en el uso del agua en las ciudades es otra cuestión importante y es necesario analizar los nuevos usos urbanos del agua, como la agricultura. Este es el caso de la agricultura vertical, que consiste en la integración de sistemas agrícolas en edificios. Aunque estos sistemas de producción de alimentos urbanos pueden aumentar la demanda de agua en las ciudades, representan una oportunidad para reducir el consumo y el transporte de agua relacionados con la agricultura a nivel regional. Investigaciones previas sobre redes de abastecimiento de agua se centran en analizar estudios de casos específicos a nivel municipal o regional, mostrando resultados muy diferentes. Por lo tanto, se requiere una evaluación integral del sistema desde una perspectiva general para entender cuáles son los factores clave que afectan a los impactos ambientales de las redes. A escala edificio, la mejora de la eficiencia en el uso del agua puede prevenir impactos ambientales significativos a lo largo del ciclo urbano del agua, especialmente para nuevos usos del agua como la agricultura vertical. En este contexto, estudios anteriores han discutido el potencial de estos sistemas o implementado análisis basados en datos teóricos. Sin embargo, todavía falta una evaluación de cultivos realizados en un caso de estudio real. Esta tesis tiene como objetivo profundizar en estas áreas de conocimiento analizando el sistema urbano desde la escala ciudad a alternativas locales específicas y busca responder a las siguientes preguntas: (i) ¿Cuáles son los principales factores que afectan a los impactos ambientales de las redes de abastecimiento de agua en las ciudades y qué mejoras deben implementarse? - Escala ciudad (ii) ¿Cómo de eficaces son las tecnologías para el ahorro del agua utilizadas a nivel de edificios en las zonas urbanas? - Escala edificio (iii) ¿Los invernaderos integrados en cubierta son una alternativa eficiente y sostenible para la producción de alimentos en las ciudades? – Alternativa específica Esta tesis contribuye a un major entendimiento de los principales factores que influyen en los impactos de las redes de abastecimiento de agua y aporta herramientas útiles para el análisis ambiental de estos sistemas. Los planificadores urbanos y los administradores de redes pueden utilizar los resultados para planificar redes sostenibles. Además, la investigación experimental realizada en edificios innovadores con tecnologías de ahorro de agua y agricultura vertical demuestra la viabilidad de estos sistemas avanzados y destaca la importancia de optimizar el uso de los recursos. Investigaciones futuras en estas áreas de conocimiento podrían centrarse en los siguientes temas: • Evaluar la ecoeficiencia de la construcción de redes de abastecimiento de agua. • Implementación de estudios estadísticos adicionales sobre el funcionamiento de las redes de abastecimiento de agua. • Desarrollar nuevos sistemas urbanos que implementen el nexo agua-energía-alimento para integrar la producción de alimentos y los problemas de eficiencia en el uso del agua. Explorar todo el potencial de los i-RTGs y analizar el sistema que cultiva diferentes cultivos.

The sustainability of water supply networks is expected to be a major issue in the near future due to the lack of access to water in specific areas, the growth of cities and the refurbishment of old networks. In this sense, analysing the environmental performance of this system is key to planning future networks—this can prevent significant environmental impacts. Moreover, water use efficiency in cities is another important issue and new urban uses for water, such as agriculture, need to be analysed. This is the case for vertical farming, which consists of the integration of agricultural systems in buildings. Although these urban food production systems can increase the demand for water in cities, they represent an opportunity to reduce the water consumption and transport related to agriculture at the regional level. Previous research on water supply networks focus on analysing specific case studies at municipal or regional level, showing very different results. Thus, a comprehensive assessment of the system from a general perspective is required to understand which are the key factors affecting its environmental impacts. At the building scale, improving water efficiency can prevent significant environmental impacts along the urban water cycle, especially for new water uses such as vertical farming. In this context, previous studies have discussed the potential of these systems or implemented analysis based on theoretical data. However, the assessment of crops conducted in a real case study is still lacking. This dissertation aims at contributing to understand more deeply these research fields, analysing urban areas from the city level to specific alternatives at the building level, and seeks to answer the following questions: (i) What are the main factors affecting the environmental impacts of water supply networks in cities and which improvements should be implemented? – city scale (ii) How effective are water-saving technologies used at the building level in urban areas? – building scale (iii) Are integrated rooftop greenhouses an efficient and sustainable alternative for food production in cities? – Specific alternative This dissertation contributes to understand the main factors influencing the impacts of water supply networks and provides useful tools for the environmental analysis of these systems. The results can be used by urban planners and network managers to planning sustainable networks. Moreover, the experimental research conducted in innovative buildings with water-saving technologies and vertical farming proves the feasibility of these advanced systems and highlights the importance of optimising the use of resources. Future research on the fields assessed might focus on the following areas: • Evaluating the ecoefficiency of the construction of water supply networks. • Implementing further statistical studies of the operation of water supply networks. • To implement the water-energy-food nexus to develop new urban systems that integrate food production and water use efficiency issues. • Exploring the full potential of i-RTGs and analyse the system growing different crops.