Coefficients de performance des méthodes de R/D

4.8.2.1.COP moyen en refroidissement de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air

Tel que mentionné dans la section matériel et méthodes, la formule suivante a été utilisée pour évaluer le coefficient de performance moyen de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air.

COPmoy = ÉtraÉEA+ÉtrC− ÉGV

ÉP+ ÉV

Pour le calcul du COPmoy, ÉtraÉEA est fixée à 10,4 kWh, ÉtrC est fixée à 7,4 kWh, ÉGV est fixée à 8% de 2,2 kWh, ÉP est de 2,2 kWh et ÉV est de 2,2 kWh. Le COPmoy a été évalué sur chaque 15 minutes de fonctionnement de l’équipement. Lors des cinq journées types, le système a fonctionné 119 heures. Le COPmoy calculé est de 4,0.

4.8.2.2.COP moyen en refroidissement de la méthode de R/D par rideau d’eau

Tel que mentionné dans la section matériel et méthodes, la formule suivante est utilisée pour évaluer le coefficient de performance moyen de la méthode de R/D par rideau d’eau.

COPmoy = Éeau

ÉP

Pour le calcul du COPmoy, Meau est fixé à 6,3 kg/s, Cpeau est de 4,18 kJ/kg-°C, ΔT est de 1,6 °C et Ép est de 7,4 kWh. Le COPmoy est calculé pour les cinq journées types identifiées. Le COPmoy a été évalué sur chaque 15

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minutes de fonctionnement de l’équipement. Lors de ces cinq journées types, le système de R/D a fonctionné 53 heures et le COPmoy calculé est de 5,7.

Le COPmoy de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air est de 4,0. Le COPmoy de la méthode de R/D par rideau d’eau est de 5,7. Le COPmoy de la méthode de R/D par rideau d’eau est supérieur au COPmoy de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air puisqu’elle nécessite moins d’énergie pour son fonctionnement. Les deux méthodes de R/D offrent des coefficients de performance élevés.

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Discussion

La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air permet de condenser 22 litres d’eau à l’heure pour une serre de 225 m², avec de 61,4 Wh/m² de chaleur latente moyenne retirée de la serre. Cette méthode ayant un COPmoy de 4,0, la consommation moyenne est alors de 15,4 Wh/m², ce qui équivaut en moyenne à 0,16 kWh en énergie requise par litre d’eau condensée et à 0,098 litres d’eau condensée par m² à l’heure. Lors de ses recherches, Chassériaux, (1987) confirmait retirer 5 litres d’eau à l’heure d’une production de roses dans une serre de 3 000 m² de superficie avec une puissance de 2,5 kW, en utilisant une pompe à chaleur, ce qui équivaut à 0,5 kWh en énergie requise par litre d’eau condensé et à 0,0017 litres d’eau condensée par m² à l’heure. La méthode de R/D par échangeur de chaleur consomme 3,3 fois moins d’énergie que la pompe à chaleur utilisée par Chassériaux en 1987 et condense 58 fois plus d’eau par m² à l’heure. Cette comparaison permet d’obtenir un ordre de grandeur mais n’est pas totalement exhaustive puisque la plante produite dans la serre n’était pas la même. Par contre, en 2014, Chassériaux a estimé qu’une puissance de 9,56 kW était requise pour condenser 32,4 litres d’eau à l’heure pour une serre de production ornementale de 2350 m² située dans l’est de la France, ce qui équivaut à 0,29 kWh en énergie requise par litre d’eau condensée et à 0,0138 litres d’eau condensée par m² à l’heure. La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air consomme 1,8 fois moins d’énergie requise par litre d’eau condensé et condense 7 fois plus d’eau par m² à l’heure que la méthode développée par Chassériaux en 2014. GAO (2012) confirme qu’un déshumidificateur domestique consommait aux alentours de 0,69 kWh par litre d’eau condensée, que l’échangeur de chaleur utilisé dans son expérimentation consommait 0,92 kWh par litre d’eau condensée et que les tubes de condensation à ailettes consommaient 7,2 kWh par litre d’eau condensée. Cependant, GAO a effectué des bancs d’essai à petite échelle, ce qui peut expliquer cette consommation supérieure. La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air permet de retirer 40% de chaleur latente, par rapport à la chaleur totale, ce qui confirme ce que Speetjens (2001) a démontré en utilisant de petits échangeurs de chaleur dans les gouttières d’une serre et en concluant une possible récupération de la chaleur sensible de 60 à 70%. Les comparaisons concernant la chaleur latente peuvent uniquement être effectuées avec la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air puisque qu’il n’était pas possible de conclure sur l’eau condensée avec la méthode de R/D par rideau d’eau, car l’eau condensée est mélangée avec le flux de gouttelettes du rideau d’eau et n’est pas canalisé séparément.

La performance d’une pompe à chaleur utilisée dans une serre a été grandement améliorée au cours des dernières décennies et peut atteindre un COP de près de 6,0 (Tong et coll, 2012). La méthode de R/D par échangeur de chaleur et de la méthode de R/D par rideau d’eau ont obtenu un COPmoy de 4,0 et 5,7 respectivement. Le COPmoy de la méthode de R/D par échangeur de chaleur et le COPmoy de la méthode de

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R/D par rideau sont des COP moyens. Le COP instantané de ces deux méthodes est supérieur lors des périodes de fortes radiations solaires. De plus, la composition mécanique ainsi que l’opération des deux méthodes de R/D est plus simple qu’une pompe à chaleur, puisqu’ils sont composés uniquement de pompes et de systèmes de transport de l’eau et de l’air. Cela confirme que GAO (2012) a effectué une bonne recommandation en concluant que les échangeurs de chaleur étaient performants dans une serre pour déshumidifier et refroidir en régions froides. Effectivement, GAO (2012) recommandait d’utiliser des échangeurs de chaleur dans les serres pour leur simplicité d’installation et d’opération annuelle tout en permettant une injection de CO2. La méthode de R/D par échangeur de chaleur et la méthode de R/D par rideau d’eau ont utilisé de l’eau froide qui se situait à une température de 10,5°C et de 10,0°C respectivement. Le COPmoy de ces méthodes de R/D aurait été supérieur si la température de l’eau froide avait été moindre. Effectivement, la température de l’eau plus froide aurait nécessité moins de débit d’eau et donc moins de puissance pompage pour retirer la même chaleur totale de la serre.

La capacité totale de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air est en moyenne de 154 W/m² et la capacité totale de la méthode de R/D par rideau d’eau est en moyenne de 187 W/m². Les capacités totales sont des moyennes sur 24 heures pour les cinq journées types. Les capacités totales sont supérieures sous de fortes radiations solaires. Cependant, les capacités moyennes totales de la méthode de R/D par échangeur de chaleur et de la méthode de R/D par rideau d’eau sont similaires à celles avancées par les essais réalisés aux Pays Bas par Quian (2011). Effectivement, Quian (2011) a effectué un essai avec une production de tomates dans une serre qui avait 150 W/m² de capacité de refroidissement et dans une serre qui avait 350 W/m² de capacité de refroidissement. Cependant, Quian ne faisait pas mention du COP dans ses résultats.

La recherche réalisée avec les équipements de R/D par rideau d’eau et de R/D par échangeur de chaleur répondent à un besoin critique de la production sous serre en milieu nordique où la gestion de la température et de l’humidité est primordiale afin d’être en mesure d’avoir une culture vigoureuse et une gestion des maladies plus simple. Des recherches supplémentaires sont requises afin de valider des sources d’eau froide tel qu’un large bassin ou un aquifère profond et abondant et leur capacité à maintenir les consignes de refroidissement dans les serres. De plus, des recherches supplémentaires sont requises afin de d’identifier l’effets sur le positionnement du système de distribution de l’air dans les serres sans nuire à la croissance des cultures, quoique Chassériaux (2014) utilise le même principe de distribution de l’air dans la serre.

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Conclusion

La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et la méthode de R/D par rideau d’eau permettent de maintenir les températures désirées dans la serre, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle.

La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air ainsi que la méthode de R/D par rideau d’eau ont maintenu un DPV plus faible dans la serre, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle.

La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et la méthode de R/D par rideau d’eau ont la capacité de maintenir les volets de la serre en position semi-fermée. La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et la méthode de R/D par rideau ont la capacité de maintenir les volets de la serre en position significativement différente de la méthode de R/D par ventilation naturelle. Cependant, la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air démontre une plus grande capacité que la méthode de R/D par rideau d’eau à maintenir les volets de la serre en position semi-fermée.

La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et la méthode de R/D par rideau d’eau ont permis de maintenir des concentrations en CO2 significativement différentes dans la serre comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle. La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et la méthode de R/D par rideau d’eau démontrent une capacité à maintenir une concentration en CO2 plus élevée que la méthode de R/D par ventilation naturelle.

Le COPmoy de la méthode de R/D par rideau d’eau est supérieur au COPmoy de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air, par contre, la méthode de R/D par rideau d’eau nécessite une réorganisation du schéma de plantation de la serre. Pour utiliser la méthode de R/D par rideau d’eau, le producteur doit augmenter l’espace entre les rangs pour permettre l’installation du système, ce qui réduit le nombre total de plantes de tomate dans la serre. La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air, ne nécessite pas de modifications au schéma de plantation. De plus, les équipements de la méthode de R/D par rideau nécessitent beaucoup d’espace dans la serre ce qui ombrage les plantes. Les équipements de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air ombragent les plantes, cependant, l’ombrage créé par l’équipement est moins important que celui créé par les équipements de la méthode de R/D par rideau d’eau. Le système de la méthode de R/D par rideau d’eau nécessite une eau de refroidissement à faible contenu minéral pour éviter le

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colmatage des buses d’injection. Le système de R/D par échangeur de chaleur eau-air est simple d’utilisation et nécessite peu d’entretien.

La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air a été sélectionnée pour poursuivre la recherche, pour sa capacité à maintenir les volets de la serre semi-fermée; pour une utilisation dans la serre sans modification au schéma de plantation, pour son ombrage sur les plantes qui est acceptable, pour sa simplicité d’utilisation et pour sa fiabilité de fonctionnement.

L’utilisation de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air sur une période continue permettrait de conclure sur les bénéfices agronomiques d’une serre semi-fermée, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle. La suite logique de ce projet est l’évaluation du potentiel de croissance et de rendement d’une culture de tomates biologiques en utilisant la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et cette démarche a été effectuée par Méthot, (2016).

Bibliographie

Articles scientifiques et documents

Bailey, B.J. (2002). ‘’Optimal control of carbon dioxide enrichment in tomato greenhouses’’ Acta Horticulturae. (ISHS) 578:63-69

Bakker, J. (1984). "Effect of day and night humidity on yield and fruit quality of glasshouse cucumbers, tomatoes and sweet peppers." Horticultural science and biotechnology: 321-323.

Bakker, J, de Zwart, H.F., Campen, J.B. (2003). "Greenhouse Cooling and heat recovery using fine wire heat exchangers in a closed pot plant greenhouse: Design of an energy producing greenhouse" Acta Horticulturae: 719

Blom, T.J., Straver, W.A., Ingratta, F.J., Khosla, S., Brown, W. (2009) “Carbon Dioxide in Greenhouses”. Ontario Ministry of Agriculture and Rural Affairs, 2002. Révisé en 2009.

Boudreault, J.-M. (2004). "Séminaire ventilation et systèmes de refroidissement." agriréseau - légumes de serres: 31. Boulard, T. (2004). "Effect of greenhouse ventilation on humidity of inside air and in leaf boundary-layer." Agricultural and Forest Meterology(125 (2004)): 225-239.

Bucklin, R. A., Leary, J.D., McConnell, D.B., Wilkerson, E.G. (2010). Fan and Pad Greenhouse Evaporative Coolong Systems. I. E. University of Florida: 7.

Campen, J. B., Bot, G.P.A., de Zwart, H.F. (2003). "Dehumidification of Greenhouses at Northern Latitudes." Biosystems Engineering, SE-Structures and Environment, SE-Structure and Environment(84 (4)): 487-493.

Chassériaux, G. (2008). "Déshumidification de l'air." Serres horticoles et énergie, présentation ppt 30 et 31 janvier 2008: 29.

Chassériaux, G. (1987), "Heat pumps for reducing humidity in plastics greenhouses Plastic greenhouse." 73 :29-40. Cheroubino, L. (2000). "High vapour pressure deficit influences growth, transpiration and quality of tomato fruits." Scientia Horticulturae 84(2000): 285-296.

Chiasson, A. (2005), "Greenhouse heating with geothermal heat pump systems" Geo Hearth Center GHC Bulletin, March 2005.

Dayiogli, M.A. et Silleli, H.H. (2014). ‘’Performance analysis of a greenhouse fan-pad cooling system : gradients of horizontal temperature and relative humidity.’’ Journal of Agricultural Sciences 21(2015)133-143

de Gelder, A. (2004). Tomato yield in a closed greenhouse and comparison with simulated yields in closed and conventionnal greenhouses. Greensys2004, Conference on Sustainable Greenhouse Systems. I. A. H. 691. The Netherlands.

58

de Halleux, D. et Gauthier, L. (1997). "Energy Consumption Due to Dehumidification of Greenhouses under Northern Latitudes." Journal of Agricultural Engineering Research: 35-42.f

de Zwart, H. F. (2012). "Lessons Learned from Experiments with Semi-Closed Greenhouses." Acta Horticulturae 952. Dieleman, J. A. (2010). "Crop physiology in (semi-)closed greenhouses." Wageningen UR Greenhouse Horticulture. Dieleman, J.A. et de Gelder, A. (2012). "An overview of climate and crop yield in closed greenhouses." Journal of Horticultural Science & Biotechnology 87: 193-202.

Elings, A. (2005). "The photosynthetic response of tomato to air circulation." ISHS Acta Horticulturae 761(XXVII International Horticultural Congress - IHC2006: International Symposium on Advances in Environmental Control, Automation and Cultivation Systems for Sustainable, High-Quality Crop Production under Protected Cultivation). GAO, Z. (2012). "Dehumidification of greenhouses in cold regions." Thesis University of Saskatchewan.

Hao, X., Papadopoulos, P. (2004). "Effects of Calcium and Magnesium on Plant Growth, Biomass Partitioning, and Fruit Yield of Winter Greenhouse Tomato." HortiScience 393(3): 512-515.

Hao, X., Wang, Q., Khosla, S. (2008). ‘’Response of Greenhouse Yomatoes to Summer CO2 enrichment’’. Acta

Horticulturae (ISHS) 797:241-246

Hasan, O., Atilgan, A., Alagoz, T. (2009). "The efficiency of fan-pad cooling system in greenhouse and building up of internal greenhouse temperature map. " Academic Journals 8(20): 5436-5444.

Iraqi, D., Gauthier, L., Dorais, M., Gosselin, A. (1996). "Influence du déficit de pression de vapeur et de la photopériode sur la croissance, la productivité et la composition minérale de la tomate de serre." Canadian Journal of Plant Science(1997): 267-272.

Jackson, H.A., Darby, D.E. (1990). "Greenhouse Ventilation." Canada Plan Service M-6704: 8.

Katsoulas, N., Sapounas, A., de Zwart, F., Dieleman, J.A., Stanghellini, C. (2012). "Reducing ventilation requirements in semi-closed greenhouses increases water use efficiency" Agriculturel Water Mahagement 156(15) 90-98

MAPAQ (2002). "Effets des excès de chaleur et de la forte luminosité sur les légumes de serres." Bulletin d'information réseau d'avertissement phytosanitaires(no 14).

Méthot (2016). "Évaluation du potentiel de croissance et de rendement d’une culture de tomates biologiques cultivées dans une serre climatisée à l’aide d’un système géothermique." Mémoire Université Laval.

NGMA, (1996). ‘’Interior Curtain Systems’’. NGMA : 2

59

Prenger, J.J., et Ling, P.P. (2009). "Greenhouse Condensation Control " Fact Sheet Series Ohio State University AEX-800: 4.

Quian, T., Dieleman, J.A., Elings, A., de Gelder, A., Marcelis, L.F.M., Van Kooten, O. (2011). "Comparison of Climate and Production in Closed, Semi-Closed and Open Greenhouses." Acta Horticulturae 893(ISHS 2011): 807-814. Roy, J. C. (2007). "CFD based determination of temperature and humidity at leaf surface."Computers and Electronics in Agriculture" Volume 61, Issue 2, May 2008(2007): 201-212.

Speetjens, S.L. (2001) "Warmteterugwinning uit ventilatielucht (Heat recovery from ventilation" Report Nota V 2001- 86, IMAG, Wageningen, The Netherlands SPSS 19.0. 2010 spss Inc Chicago, USA.

Taillon, P.A. et Thériault, J. (2008a) ‘’Bulletin no 02’’ Tom Pousse : Bulletin 02, mars 2008.

Tong, Y., Kozai, K., Nishioka, N. et Ohyama, K.,(2012) "Reduction in energy consumption and CO2 emissions for greenhouses heated with heat pump". Applied Engineering in Agriculture 28 (3) : 401-406.

Turcotte, G. Longtin, D., Painchaud, J., Carrier, A., Bergeron, K., Gouin, F. (2008b) ‘’Bulletin no17’’ Tom’Pousse : Buttelin 17, août 2008.

Turcotte, G. Longtin, D., Lambert, L., Painchaud, J., Carrier, Brisson, D., Marcoux, J., Drolet, F. (2005) ‘’Bulletin no29’’ Tom’Pousse : Buttelin 29, octobre 2005.

Turcotte, G. (2016) ‘’Production de la tomate de serre au Québec ’’ Agrisys Consultants, 2016 (Guide de production) Wacquant, C., Zuang, H., Baille, A., Dumoulin, J., Trapateau, M. (1995). Maîtrise de la conduite climatique, tomates sous abris. France, Ctifl.

We Fong Lee, B.S. (2009). ‘’Cooling Capacity Assessment of Semi-closed Greenhouses’’. OARDC. T. O. S. University. Ohio Agricultural Research and Development Center.

We Fong Lee, B.S. (2010). Cooling Capacity Assessment of Semi-Closed Greenhouses. Food Agricultural and Biological Engineering. Ohio, Ohio State University. Master of Science: 133.

Yanadori, M. (1994). "Study on the heat-flow controllable heat exchanger (2nd report): Dehumidificationin the greenhouse by the ventilation type dehumidifier with heat-flow controllable heat exchanger." Solar Energy Volume 53, Issue 1, July 1994 53(1): 117-123.

Zhang. J. et Zhao. C. (2003) "Preliminary study on greenhouse dehumidification and cooling system design" International Journal of Agriculture and Biological Engineering. Beijing, China : 202-204.

Zolnier, S., Gates, S., Geneve, R.L., Buxton, J.W. (2001). Surface diffusive resistances of rooted poinsettia cuttings under controlled-environment conditions. États Unis, ASAE.

Notes de cours

AZprocede (2008). "Séchage, Résumé de cours." Opérations unitaires.

Gosselin (2012). "Équipement de chauffage et de ventilation." Manuel de formation: 25. Livres

ASABE (2011). "ASABE Standards, American Society of Agricultural Engineers: 2011." 1250 p. ASHRAE Handbook (2013). ‘’Fundamentals’’. ASHRAE Publications, 1000 p.

Rathroe et Kapuno (2010). "Engineering Heat Transfer Second Edition." Jones&Bartlett Learning: 1096p. Sites internet

AAFRD (2007). "Starting a Commercial Greenhouse Business In Alberta."

http://www1.agric.gov.ab.ca/$department/deptdocs.nsf/all/opp11207/$file/starting_commercial_greenhouse_2007.pdf ?OpenElement.

aquaportail (2013). "Définition de photosynthèse." http://www.aquaportail.com/definition-1251-photosynthese.html. azprocede (2008). ‘’diagramme psychrométrique’’

http://www.azprocede.fr/ex_sechage.html#diagramme_psychrometrique

CARTV (2016). "Cahier des charges pour l’appellation biologique au Québec"

http://www.cartv.gouv.qc.ca/cahier-charges-pour-lappellation-biologique-au-quebec

Colorado State University (2012). "Unit 3 - Greenhouse Cooling part 1."

http://campus.extension.org/pluginfile.php/45752/mod_resource/content/0/Lecture_Notes/Lecture%2008%20- %20Greenhouse%20Cooling.pdf.

Statistiques Canada (2011). "Produits certifiés biologiques (recensement de l'agriculture de 2001, 2006)." S. Canada.

www.statcan.gc.ca\tables-tableaux/sum-som/I02/cst01/agr04f-fra.htm. 2013.

Statistiques Canada (2015). "Industries des cultures de serre, des gazonnières et des pépinières, 2016." S. Canada.

http://www.statcan.gc.ca/daily-quotidien/170427/dq170427f-fra.htm

Netafim (2013). "Agriculture Mist Emitters." http://www.netafim.fr/product-category/agriculture-mist-emitters. Swenson (2016). "Swenson cimate screens."http://www.svenssonglobal.com/products/screens.

61