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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

The world increasing population has brought with it self urbanization. Urbanization has not only affected the food chain by causing extreme climate and yield reduction but also changed the cities to hotspots with higher temperature. Cities expansion made agricultural fields further from the consumers. The emission produced by the food transportation has intensified the concentration of GHG in the atmosphere. On the other hand providing more food for the increased population requires more water and land. Rooftop Urban Agriculture(RUA) is the cultivation over the rooftops which are the unused space. This method can eliminate the food chain transportation step and solve the urban land scarcity problem. This study consist of 4 chapters, the first chapter we studied the reasons behind the importance of this topic and then what is RUA and what are its advantages. The second chapter compromise of two phases, the first section we discussed the history of RUA and the current policies of the implementation this technique around the world. Stating that Singapore is the world leader in RUA by new technologies and they have clear policies regarding it. In the second phase, we explained thoroughly all the RUA soil based techniques (Intensive gardens, Containers, raised bed), and Soilless technologies ( Deep Water Culture, Float Hydroponics, Vertical Hydroponics, Nutrient Film Technique, Aquaponics and Aeroponics) and the greenhouse design for RUA. The third chapter is the result of a global case by case study and analysis of all the projects that the author could find which they are using RUA. In this analysis we defined and evaluated all the projects in terms of 9 criteria: the geographical location, methodology used, roof typology, the RUA function and the scale, the cultivated crop and finally the investment source. The results of this studies showed that the RUA techniques are more prevail throughout the North America and in greater industrial scales but still using the Soil based techniques. It has also been resulted that about half of the cases half multiple functionality with intensive gardens and hydroponics being the most favourite choice of RUA technology. Crop analysis showed that among vegetables tomato, eggplants, chilies are the most grown having a frequency of cultivation of 12%, 6%, 6%, respectively. Among herbs and fresh leaves, over 51% of the roofs one or more of kale, cabbage, various types of lettuce are being cultivated. Basil having a high demand is cultivated over 21% of the roofs. The investment analysis showed that 95% of the projects are being funded completely or in a partnership by the private sector. In the fourth chapter, having acquired all the necessary knowledge, and after investigating for a proper site for RUA installation among Politecnico di Milano university campuses as the main site, we selected building 13 (Trifoglio) in città studi campus as the case location for installing RUA and we checked the required controls of the roof to host the RUA . Having 3 sloped wings we considered installation of Nutrient Film Technique (NFT) tables and dedicating the central flat part of the roof to soil based containers. The roof layout was designed to cultivate tomato, eggplant, lettuce, chili pepper, black cabbage, spinach and carrot over the flat section of the roof in containers and plant lettuce in the NFT beds. Afterwards yield values has been calculated considering the required blue water and green water for growth periods. The results showed that there is the necessity to provide an irrigation system for the crops in order to avoid crops water stress. The irrigation system satisfying this need has been proposed for both techniques. Suggesting two pumps, each separately flowing water into the containers and the NFT beds. We need a pumping power of ¼ hp(horse power) for the containers and 40 W for NFT tables. The results of the crop yields showed that there is the possibility to have a yield value of 654 kg of tomato, 375 kg of eggplant, and 45 kg of lettuce, 187 kg of chili pepper, 23 kg of black cabbage, 55 kg of spinach, 137 kg of carrot all of these crops cultivated in containers, and 888 kg of lettuce cultivated in NFT. For the NFT system the daily harvest variation is considerable during summer and autumn growing periods. The harvest yield after one cultivation cycle from the designed roof is 3297 kg. In the final part we defined various scenarios to study the potential of the roof in order to provide enough food for the target populations. In the first scenario we performed a demographic study of the population of the university and we defined our target population as only the number of the professors and the staff and the administrative (n. 2834 people). Considering the target population gender and age range in order to have a healthy diet and based on the Italian government suggestion we arrived to the value of 209 gr per day. Comparing the amount of daily fresh vegetable needed to satisfy the need of the target population (592 kg/day), it shows that the roof has the potential to provide fresh vegetables for the target population for 6 days after one cycle cultivation. Then we defined a second scenario investigating the potential of the Milan urban area to satisfy the need of fresh vegetables for people. Based on the data Milan urban area has 13,144,413 m2 roof area suitable for installing rooftop greenery. After decreasing 10% of that area for the service space and considering the target group the population of Milan urban area (1,371,498 people), by implying the same technology and crop selection of this study it is possible to produce 40,841.5 ton crops after one cycle harvest. This value is enough to satisfy the need for 128 days. The third scenario was defined by considering high yield crops (tomato, eggplant and lettuce) and an improved design (80% containers and 20% NFT) while studying on the Milan urban area. Results showed that this improvement can lead to a yield of 9.48 kg/m2 and 124,606 ton fresh vegetables which can satisfy the target population demand for 391 days.

L'aumento della popolazione mondiale ha portato con sé l'autourbanizzazione. L'urbanizzazione non solo ha influito sulla catena alimentare causando un clima estremo e una riduzione della resa, ma ha anche cambiato le città in punti caldi con temperature più elevate. L'espansione delle città ha allontanato i campi agricoli dai consumatori. L'emissione prodotta dal trasporto alimentare ha intensificato la concentrazione di GHG nell'atmosfera. D'altra parte, fornire più cibo per l'aumento della popolazione richiede più acqua e terra. Rooftop Urban Agriculture (RUA) è la coltivazione sui tetti che sono lo spazio inutilizzato. Questo metodo può eliminare la fase di trasporto della catena alimentare e risolvere il problema della scarsità di terra urbana. Questo studio è composto da 4 capitoli, il primo capitolo abbiamo studiato le ragioni alla base dell'importanza di questo argomento e poi cos'è il RUA e quali sono i suoi vantaggi. Il secondo capitolo compromesso di due fasi, la prima sezione abbiamo discusso la storia di RUA e le attuali politiche di attuazione di questa tecnica nel mondo. Affermando che Singapore è il leader mondiale in RUA per le nuove tecnologie e hanno politiche chiare al riguardo. Nella seconda fase, abbiamo spiegato in modo approfondito tutte le tecniche RUA basate sul suolo (giardini intensivi, contenitori, letto rialzato) e tecnologie fuori suolo ( Deep Water Culture, Float Hydroponics, Vertical Hydroponics, Nutrient Film Technique, Aquaponics e Aeroponics) e la progettazione delle serre per RU. Il terzo capitolo è il risultato di uno studio globale caso per caso e dell'analisi di tutti i progetti che l'autore potrebbe trovare che stanno utilizzando RUA. In questa analisi abbiamo definito e valutato tutti i progetti in base a 9 criteri: la posizione geografica, la metodologia utilizzata, la tipologia del tetto, la funzione e la scala della RUA, la coltura coltivata e infine la fonte di investimento. I risultati di questi studi hanno mostrato che le tecniche RUA sono maggiormente prevalenti in tutto il Nord America e su scale industriali maggiori ma utilizzano ancora le tecniche basate sul suolo. È stato anche riscontrato che circa la metà dei casi ha funzionalità multiple a metà con giardini intensivi e coltura idroponica che sono la scelta preferita della tecnologia RUA. L'analisi colturale ha mostrato che tra gli ortaggi pomodoro, melanzana, peperoncino sono i più coltivati con una frequenza di coltivazione rispettivamente del 12%, 6%, 6%. Tra erbe aromatiche e foglie fresche, oltre il 51% dei tetti vengono coltivati uno o più di cavolo cappuccio, cavolo cappuccio, vari tipi di lattuga. Il basilico avendo una forte domanda viene coltivato oltre il 21% dei tetti. L'analisi degli investimenti ha mostrato che il 95% dei progetti è finanziato completamente o in partenariato dal settore privato. Nel quarto capitolo, dopo aver acquisito tutte le conoscenze necessarie, e dopo aver ricercato un sito adeguato per l'installazione di RUA tra i campus universitari del Politecnico di Milano come sede principale, abbiamo selezionato l'edificio 13 (Trifoglio) in città studi campus come sede del caso per l'installazione RUA e abbiamo verificato i controlli richiesti sul tetto per ospitare la RUA. Avendo 3 ali inclinate abbiamo preso in considerazione l'installazione di tavoli Nutrient Film Technique (NFT) e dedicando la parte piatta centrale del tetto a contenitori a terra. La disposizione del tetto è stata progettata per coltivare pomodori, melanzane, lattuga, peperoncino, cavolo nero, spinaci e carote sulla sezione piana del tetto in contenitori e piantare lattuga nei letti NFT. Successivamente i valori di resa sono stati calcolati considerando l'acqua blu e l'acqua verde necessarie per i periodi di crescita. I risultati hanno mostrato che vi è la necessità di fornire un sistema di irrigazione per le colture al fine di evitare lo stress idrico delle colture. Per entrambe le tecniche è stato proposto il sistema di irrigazione che soddisfi questa esigenza. Suggerendo due pompe, ciascuna che scorre separatamente l'acqua nei contenitori e nei letti NFT. Abbiamo bisogno di una potenza di pompaggio di ¼ hp (cavallo di potenza) per i container e 40 W per i tavoli NFT. I risultati delle rese delle colture hanno mostrato che esiste la possibilità di avere un valore di resa di 654 kg di pomodoro, 375 kg di melanzane e 45 kg di lattuga, 187 kg di peperoncino, 23 kg di cavolo nero, 55 kg di spinaci , 137 kg di carote tutte queste colture coltivate in contenitori e 888 kg di lattuga coltivate in NFT. Per il sistema NFT la variazione giornaliera del raccolto è notevole durante i periodi di crescita estivi e autunnali. La resa del raccolto dopo un ciclo di coltivazione dal tetto progettato è di 3297 kg. Nella parte finale abbiamo definito vari scenari per studiare il potenziale del tetto al fine di fornire cibo sufficiente per le popolazioni target. Nel primo scenario abbiamo effettuato uno studio demografico della popolazione dell'ateneo e abbiamo definito la nostra popolazione target solo come numero dei docenti e del personale e degli amministrativi (n. 2834 persone). Considerando il sesso e la fascia di età della popolazione target per avere una sana alimentazione e sulla base del suggerimento del governo italiano siamo arrivati al valore di 209 gr al giorno. Confrontando la quantità di verdura fresca giornaliera necessaria per soddisfare il fabbisogno della popolazione target (592 kg/giorno), mostra che il tetto ha il potenziale per fornire verdure fresche alla popolazione target per 6 giorni dopo un ciclo di coltivazione. Abbiamo quindi definito un secondo scenario indagando le potenzialità dell'area urbana milanese di soddisfare il fabbisogno di verdura fresca per le persone. Sulla base dei dati, l'area urbana di Milano ha un'area del tetto di 13.144.413 m2 adatta per l'installazione di vegetazione sul tetto. Dopo aver ridotto del 10% quell'area per lo spazio di servizio e considerando il gruppo target la popolazione dell'area urbana di Milano (1.371.498 persone), implicando la stessa tecnologia e selezione delle colture di questo studio è possibile produrre 40.841,5 tonnellate di colture dopo un ciclo di raccolta . Questo valore è sufficiente per soddisfare la necessità per 128 giorni. Il terzo scenario è stato definito considerando colture ad alto rendimento (pomodoro, melanzane e lattuga) e un design migliorato (80% contenitori e 20% NFT) durante lo studio dell'area urbana di Milano. I risultati hanno mostrato che questo miglioramento può portare a una resa di 9,48 kg/m2 e 124.606 tonnellate di verdure fresche in grado di soddisfare la domanda della popolazione target per 391 giorni.

Producing high value food through Rooftop Urban Agriculture

Koularzadeh, Najmeh
2021/2022

Abstract

The world increasing population has brought with it self urbanization. Urbanization has not only affected the food chain by causing extreme climate and yield reduction but also changed the cities to hotspots with higher temperature. Cities expansion made agricultural fields further from the consumers. The emission produced by the food transportation has intensified the concentration of GHG in the atmosphere. On the other hand providing more food for the increased population requires more water and land. Rooftop Urban Agriculture(RUA) is the cultivation over the rooftops which are the unused space. This method can eliminate the food chain transportation step and solve the urban land scarcity problem. This study consist of 4 chapters, the first chapter we studied the reasons behind the importance of this topic and then what is RUA and what are its advantages. The second chapter compromise of two phases, the first section we discussed the history of RUA and the current policies of the implementation this technique around the world. Stating that Singapore is the world leader in RUA by new technologies and they have clear policies regarding it. In the second phase, we explained thoroughly all the RUA soil based techniques (Intensive gardens, Containers, raised bed), and Soilless technologies ( Deep Water Culture, Float Hydroponics, Vertical Hydroponics, Nutrient Film Technique, Aquaponics and Aeroponics) and the greenhouse design for RUA. The third chapter is the result of a global case by case study and analysis of all the projects that the author could find which they are using RUA. In this analysis we defined and evaluated all the projects in terms of 9 criteria: the geographical location, methodology used, roof typology, the RUA function and the scale, the cultivated crop and finally the investment source. The results of this studies showed that the RUA techniques are more prevail throughout the North America and in greater industrial scales but still using the Soil based techniques. It has also been resulted that about half of the cases half multiple functionality with intensive gardens and hydroponics being the most favourite choice of RUA technology. Crop analysis showed that among vegetables tomato, eggplants, chilies are the most grown having a frequency of cultivation of 12%, 6%, 6%, respectively. Among herbs and fresh leaves, over 51% of the roofs one or more of kale, cabbage, various types of lettuce are being cultivated. Basil having a high demand is cultivated over 21% of the roofs. The investment analysis showed that 95% of the projects are being funded completely or in a partnership by the private sector. In the fourth chapter, having acquired all the necessary knowledge, and after investigating for a proper site for RUA installation among Politecnico di Milano university campuses as the main site, we selected building 13 (Trifoglio) in città studi campus as the case location for installing RUA and we checked the required controls of the roof to host the RUA . Having 3 sloped wings we considered installation of Nutrient Film Technique (NFT) tables and dedicating the central flat part of the roof to soil based containers. The roof layout was designed to cultivate tomato, eggplant, lettuce, chili pepper, black cabbage, spinach and carrot over the flat section of the roof in containers and plant lettuce in the NFT beds. Afterwards yield values has been calculated considering the required blue water and green water for growth periods. The results showed that there is the necessity to provide an irrigation system for the crops in order to avoid crops water stress. The irrigation system satisfying this need has been proposed for both techniques. Suggesting two pumps, each separately flowing water into the containers and the NFT beds. We need a pumping power of ¼ hp(horse power) for the containers and 40 W for NFT tables. The results of the crop yields showed that there is the possibility to have a yield value of 654 kg of tomato, 375 kg of eggplant, and 45 kg of lettuce, 187 kg of chili pepper, 23 kg of black cabbage, 55 kg of spinach, 137 kg of carrot all of these crops cultivated in containers, and 888 kg of lettuce cultivated in NFT. For the NFT system the daily harvest variation is considerable during summer and autumn growing periods. The harvest yield after one cultivation cycle from the designed roof is 3297 kg. In the final part we defined various scenarios to study the potential of the roof in order to provide enough food for the target populations. In the first scenario we performed a demographic study of the population of the university and we defined our target population as only the number of the professors and the staff and the administrative (n. 2834 people). Considering the target population gender and age range in order to have a healthy diet and based on the Italian government suggestion we arrived to the value of 209 gr per day. Comparing the amount of daily fresh vegetable needed to satisfy the need of the target population (592 kg/day), it shows that the roof has the potential to provide fresh vegetables for the target population for 6 days after one cycle cultivation. Then we defined a second scenario investigating the potential of the Milan urban area to satisfy the need of fresh vegetables for people. Based on the data Milan urban area has 13,144,413 m2 roof area suitable for installing rooftop greenery. After decreasing 10% of that area for the service space and considering the target group the population of Milan urban area (1,371,498 people), by implying the same technology and crop selection of this study it is possible to produce 40,841.5 ton crops after one cycle harvest. This value is enough to satisfy the need for 128 days. The third scenario was defined by considering high yield crops (tomato, eggplant and lettuce) and an improved design (80% containers and 20% NFT) while studying on the Milan urban area. Results showed that this improvement can lead to a yield of 9.48 kg/m2 and 124,606 ton fresh vegetables which can satisfy the target population demand for 391 days.
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
20-dic-2022
2021/2022
L'aumento della popolazione mondiale ha portato con sé l'autourbanizzazione. L'urbanizzazione non solo ha influito sulla catena alimentare causando un clima estremo e una riduzione della resa, ma ha anche cambiato le città in punti caldi con temperature più elevate. L'espansione delle città ha allontanato i campi agricoli dai consumatori. L'emissione prodotta dal trasporto alimentare ha intensificato la concentrazione di GHG nell'atmosfera. D'altra parte, fornire più cibo per l'aumento della popolazione richiede più acqua e terra. Rooftop Urban Agriculture (RUA) è la coltivazione sui tetti che sono lo spazio inutilizzato. Questo metodo può eliminare la fase di trasporto della catena alimentare e risolvere il problema della scarsità di terra urbana. Questo studio è composto da 4 capitoli, il primo capitolo abbiamo studiato le ragioni alla base dell'importanza di questo argomento e poi cos'è il RUA e quali sono i suoi vantaggi. Il secondo capitolo compromesso di due fasi, la prima sezione abbiamo discusso la storia di RUA e le attuali politiche di attuazione di questa tecnica nel mondo. Affermando che Singapore è il leader mondiale in RUA per le nuove tecnologie e hanno politiche chiare al riguardo. Nella seconda fase, abbiamo spiegato in modo approfondito tutte le tecniche RUA basate sul suolo (giardini intensivi, contenitori, letto rialzato) e tecnologie fuori suolo ( Deep Water Culture, Float Hydroponics, Vertical Hydroponics, Nutrient Film Technique, Aquaponics e Aeroponics) e la progettazione delle serre per RU. Il terzo capitolo è il risultato di uno studio globale caso per caso e dell'analisi di tutti i progetti che l'autore potrebbe trovare che stanno utilizzando RUA. In questa analisi abbiamo definito e valutato tutti i progetti in base a 9 criteri: la posizione geografica, la metodologia utilizzata, la tipologia del tetto, la funzione e la scala della RUA, la coltura coltivata e infine la fonte di investimento. I risultati di questi studi hanno mostrato che le tecniche RUA sono maggiormente prevalenti in tutto il Nord America e su scale industriali maggiori ma utilizzano ancora le tecniche basate sul suolo. È stato anche riscontrato che circa la metà dei casi ha funzionalità multiple a metà con giardini intensivi e coltura idroponica che sono la scelta preferita della tecnologia RUA. L'analisi colturale ha mostrato che tra gli ortaggi pomodoro, melanzana, peperoncino sono i più coltivati con una frequenza di coltivazione rispettivamente del 12%, 6%, 6%. Tra erbe aromatiche e foglie fresche, oltre il 51% dei tetti vengono coltivati uno o più di cavolo cappuccio, cavolo cappuccio, vari tipi di lattuga. Il basilico avendo una forte domanda viene coltivato oltre il 21% dei tetti. L'analisi degli investimenti ha mostrato che il 95% dei progetti è finanziato completamente o in partenariato dal settore privato. Nel quarto capitolo, dopo aver acquisito tutte le conoscenze necessarie, e dopo aver ricercato un sito adeguato per l'installazione di RUA tra i campus universitari del Politecnico di Milano come sede principale, abbiamo selezionato l'edificio 13 (Trifoglio) in città studi campus come sede del caso per l'installazione RUA e abbiamo verificato i controlli richiesti sul tetto per ospitare la RUA. Avendo 3 ali inclinate abbiamo preso in considerazione l'installazione di tavoli Nutrient Film Technique (NFT) e dedicando la parte piatta centrale del tetto a contenitori a terra. La disposizione del tetto è stata progettata per coltivare pomodori, melanzane, lattuga, peperoncino, cavolo nero, spinaci e carote sulla sezione piana del tetto in contenitori e piantare lattuga nei letti NFT. Successivamente i valori di resa sono stati calcolati considerando l'acqua blu e l'acqua verde necessarie per i periodi di crescita. I risultati hanno mostrato che vi è la necessità di fornire un sistema di irrigazione per le colture al fine di evitare lo stress idrico delle colture. Per entrambe le tecniche è stato proposto il sistema di irrigazione che soddisfi questa esigenza. Suggerendo due pompe, ciascuna che scorre separatamente l'acqua nei contenitori e nei letti NFT. Abbiamo bisogno di una potenza di pompaggio di ¼ hp (cavallo di potenza) per i container e 40 W per i tavoli NFT. I risultati delle rese delle colture hanno mostrato che esiste la possibilità di avere un valore di resa di 654 kg di pomodoro, 375 kg di melanzane e 45 kg di lattuga, 187 kg di peperoncino, 23 kg di cavolo nero, 55 kg di spinaci , 137 kg di carote tutte queste colture coltivate in contenitori e 888 kg di lattuga coltivate in NFT. Per il sistema NFT la variazione giornaliera del raccolto è notevole durante i periodi di crescita estivi e autunnali. La resa del raccolto dopo un ciclo di coltivazione dal tetto progettato è di 3297 kg. Nella parte finale abbiamo definito vari scenari per studiare il potenziale del tetto al fine di fornire cibo sufficiente per le popolazioni target. Nel primo scenario abbiamo effettuato uno studio demografico della popolazione dell'ateneo e abbiamo definito la nostra popolazione target solo come numero dei docenti e del personale e degli amministrativi (n. 2834 persone). Considerando il sesso e la fascia di età della popolazione target per avere una sana alimentazione e sulla base del suggerimento del governo italiano siamo arrivati al valore di 209 gr al giorno. Confrontando la quantità di verdura fresca giornaliera necessaria per soddisfare il fabbisogno della popolazione target (592 kg/giorno), mostra che il tetto ha il potenziale per fornire verdure fresche alla popolazione target per 6 giorni dopo un ciclo di coltivazione. Abbiamo quindi definito un secondo scenario indagando le potenzialità dell'area urbana milanese di soddisfare il fabbisogno di verdura fresca per le persone. Sulla base dei dati, l'area urbana di Milano ha un'area del tetto di 13.144.413 m2 adatta per l'installazione di vegetazione sul tetto. Dopo aver ridotto del 10% quell'area per lo spazio di servizio e considerando il gruppo target la popolazione dell'area urbana di Milano (1.371.498 persone), implicando la stessa tecnologia e selezione delle colture di questo studio è possibile produrre 40.841,5 tonnellate di colture dopo un ciclo di raccolta . Questo valore è sufficiente per soddisfare la necessità per 128 giorni. Il terzo scenario è stato definito considerando colture ad alto rendimento (pomodoro, melanzane e lattuga) e un design migliorato (80% contenitori e 20% NFT) durante lo studio dell'area urbana di Milano. I risultati hanno mostrato che questo miglioramento può portare a una resa di 9,48 kg/m2 e 124.606 tonnellate di verdure fresche in grado di soddisfare la domanda della popolazione target per 391 giorni.
Tesi di laurea Magistrale
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