Chapitre 2. Les serres et leur fonctionnement écophysiologique 2.2 Mécanismes biophysiques affectant le climat des serres 2.2.3 Transferts thermiques Ces transferts peuvent s'effectuer selon trois modes différents : par conduction convection et rayonnement. 2.2.3.1 Échanges conductifs La conduction est un mode de transfert de chaleur sans déplacement de matière provoqué par la différence de température entre deux régions d'un milieu solide, liquide ou gazeux. L'effet macroscopique observable est une uniformisation des températures du système. Cependant si certaines zones sont maintenues à température constante par apport de chaleur (source de chaleur) ou évacuation de chaleur (puits de chaleur), il s'établit un transfert continu de la chaleur de la région chaude vers la région froide. Dans les serres, les échanges de chaleur par conduction concernent essentiellement les transferts thermiques dans le sol et à travers les parois. 2.2.3.2 Échanges convectifs La convection correspond au transport d'énergie thermique par un fluide en mouvement (i.e. par déplacement des molécules). Dans une serre, les échanges convectifs se produisent entre l'air et les parois, entre l'air et le couvert végétal, et entre l'air et le sol. Le coefficient d’échanges convectifs qui caractérise le transfert d’énergie dépend de ce différentiel de températures et/ou de la vitesse du fluide. Ainsi, trois modes de convection se distinguent selon le type de la serre, les conditions extérieures, et le mode de ventilation (Roy et al., 2002). La convection peut être libre (naturelle), forcée ou mixte; et les écoulements associés sont laminaires ou turbulents. Le régime d'un écoulement convectif peut être déterminé à partir des valeurs de nombres adimensionnels tels que le nombre de Reynolds (convection forcée), le nombre de Grashof (convection naturelle) ou encore le nombre de Richardson (convection mixte) (Monteith et Unsworth, 2013). Selon Bournet et Boulard (2010), pour des vitesses de l’air à l’intérieur de la serre inférieures à 0.5 m.s-1 la convection libre est généralement prépondérante ; pour des Chapitre 2. Les serres et leur fonctionnement écophysiologique 49 comprises entre 0.5 et 2 m.s-1 les deux types de convection co-existent (i.e. convection mixte). a. Convection libre La convection est dite libre (ou naturelle) lorsque les forces de flottabilité sont prépondérantes devant les forces d’inertie. C’est donc dans ce cas que le différentiel thermique est prépondérant devant la vitesse du fluide dans le calcul du coefficient d'échange. Les coefficients d'échanges sont alors déterminés à partir de corrélations basées sur le nombre de Grashof (Stanghellini, 1993; Roy et al., 2002). b. Convection forcée La convection forcée se produit lorsque le déplacement de l’air est principalement induit par les forces d’inertie : c’est le cas dans les serres ouvertes bien ventilées. La vitesse du fluide devient prépondérante devant la différence de température dans le calcul du coefficient d’échanges convectifs (Papadakis et al., 1992 ; Bartzanas et al., 2004). c. Convection mixte La convection mixte est un régime intermédiaire dans lequel les deux modes de convection précédemment cités coexistent et leur intensité est du même ordre de grandeur. La convection mixte est le mode de transfert convectif prépondérant entre les parois de la toiture de la serre et l’air extérieur (Papadakis et al., 1992). Le coefficient d'échange dans ce cas est fonction de la différence de température et de la vitesse du fluide (Stanghellini, 1993; Roy et al., 2002). 2.2.3.3 Échanges radiatifs Tous les corps ayant une température supérieure à -273 °C (0 absolu) émettent de l’énergie à leur surface. Ceci se traduit par des oscillations rapides du champ électromagnétique. Ces oscillations correspondent à des ondes électromagnétiques (Guyot, 1999). La gamme de longueurs d’onde (ou de fréquences) concernée est très vaste et correspond à ce que l’on appelle le spectre de rayonnement électromagnétique (Fig. 10). Chapitre 2. Les serres et leur fonctionnement écophysiologique 50 Figure 10: Spectre de rayonnement électromagnétique (source: http://www.astrosurf.com/trousnoirs/radiations.html). Lorsqu’un rayonnement atteint une surface donnée, une fraction du rayonnement incident est réfléchie, c’est-à-dire renvoyée sans avoir pénétré dans la paroi, une autre fraction est absorbée dans la masse du récepteur, constituant un apport énergétique pour ce dernier, et une troisième fraction peut être transmise (Fig. 11). Figure 11: Absorption, réflexion et transmission du rayonnement (source: Bouhoun Ali). Ces trois grandeurs sont liées par la relation : D̀ E F̀ E G̀ H 1ou D̀ désigne l’absorptivité, F̀ la réflectivité et G̀ la transmittance. Il convient de distinguer le rayonnement de courte longueur d’onde (entre 0 µm et 3 µm) et de grande longueur d’onde (entre 3 µm et 100 µm), le verre étant opaque aux grandes longueurs d’onde. Les propriétés optiques du verre sont les suivantes (Tab.1) (Bournet et al., 2007): D̀ G̀ F̀ Chapitre 2. Les serres et leur fonctionnement écophysiologique 51 Tableau 1: Caractéristiques optiques du verre. Bande de longueur d’onde (µm) Absorption J̀ Réflexion K̀ Transmission L̀ [0,3] 0,15 0,1 0,75 ]3,100] 0,9 0,1 0 a. Échanges radiatifs de courtes longueurs d’onde Le rayonnement solaire couvre le domaine des courtes longueurs d’onde [0-3 µm]. Au niveau du sol (surface de la Terre), le rayonnement solaire a deux composantes : • Le rayonnement solaire direct, a une direction de propagation privilégiée et il est défini par le flux énergétique transmis dans un angle solide limité au disque solaire. • Le rayonnement solaire diffus pour lequel l’approximation d’une distribution uniforme sur la voûte céleste est réaliste. Il est donc traité comme un rayonnement provenant du ciel. Le rayonnement global est le flux correspondant à la somme de ces deux composantes parvenant sur une surface horizontale. Une grande partie du rayonnement solaire est transmise à travers les parois de la serre, et plus particulièrement dans la gamme des longueurs d’onde comprises entre 0,4 et 0,7 µm, qui intervient dans le processus de photosynthèse (Rayonnement photosynthétiquement actif) (Kempkes et al., 2008). La fraction de rayonnement transmise dépend des conditions d’éclairement, du type de serre considéré, de son orientation, du matériau de couverture, et des écrans thermiques ou d’ombrage (Castilla, 2013; Wilfried et al., 2013). Pour une serre de type Venlo (verre) la fraction transmise est de l’ordre de 70 à 80% (Ould Khaoua, 2006). Le reste de rayonnement est absorbé (environ D̀ H0,15 pour un simple vitrage et 0,25 pour un double vitrage) et/ou réfléchi (F̀ varie entre 0,1 et 0,25 en moyenne) par la paroi et les différents éléments structuraux (Baille, 1999). De plus, une partie du rayonnement absorbé est restituée à l’air extérieur et à l’air intérieur de la serre sous forme de chaleur sensible ou réémise sous forme d’infrarouge c’est-à-dire dans les grandes longueurs d’onde (Mistriotis et al., 1997a; Baille, 1999). Le couvert végétal absorbe l’énergie solaire transmise par la couverture de la serre ainsi que celle réfléchie par la surface du sol (Wang, 1998). La fraction de rayonnement photosynthétiquement actif est de l’ordre Chapitre 2. Les serres et leur fonctionnement écophysiologique 52 de 50% du rayonnement solaire incident (Monteith, 1972). Il convient de choisir un matériau de couverture le plus transparent possible dans le spectre du visible afin de favoriser la photosynthèse. Le sol absorbe une bonne partie de l’énergie solaire qui lui parvient et l’énergie absorbée est soit restituée sous forme de chaleur sensible et/ou latente, soit stockée dans les couches profondes par conduction. b. Échanges radiatifs de grandes longueurs d’onde Les échanges radiatifs de grandes longueurs d’onde ont lieu entre l’atmosphère, le sol, les plantes, les parois et le milieu extérieur dans la bande de longueurs d’onde de 3 µm à 100 µm ; ils interviennent dans l’effet de serre. Le rayonnement atmosphérique grandes longueurs d’onde qui parvient sur la serre dépend des conditions climatiques extérieures : température, humidité et nébulosité (Choi et al., 2008). Un ciel couvert conserve mieux la chaleur qu’un ciel clair. L’effet de serre résulte quant à lui de la différence de comportement du verre vis-à-vis du rayonnement grandes longueurs d’onde et du rayonnement courtes longueurs d’onde (Tab. 1). Le verre transmet le rayonnement solaire mais arrête (absorbe) le rayonnement grandes longueurs d’onde émis par les éléments présents dans la serre. Il s’échauffe et rayonne comme un corps noir vers l’intérieur de la serre, entraînant une hausse de température dans la serre. Les propriétés optiques des matériaux de couverture pouvant varier de manière importante, il est crucial de choisir un matériau le plus transparent possible aux courtes longueurs d’onde et le plus opaque possible aux grandes longueurs d’onde, si une température élevée est souhaitée (cas des périodes hivernales en région de climat continental). Au contraire, si une élévation de la température de la serre n’est pas désirable (cas des périodes estivales en région de climat méditerranéen), un matériau de couverture plus transparent au rayonnement grandes longueurs d’onde est préférable (Kempkes et al., 2008). Dans le document Mesure et modélisation des bilans d'énergie et de masse (eau) sur des plantes cultivées sous serre : impact d'une restriction hydrique (Page 50-54)
