Comparaison de méthodes de refroidissement et de
déshumidification pour une production en serre de
tomates biologiques
Mémoire
Marise Vallières
Maîtrise en génie agroalimentaire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
© Marise Vallières, 2018
Comparaison de méthodes de refroidissement et de
déshumidification pour une production en serre de
tomates biologiques
Mémoire
Marise Vallières
Sous la direction de :
Damien de Halleux, directeur de recherche
Martine Dorais, co-directrice de recherche
iii
Résumé
Au Québec, les coûts de chauffage représentent jusqu’à 30 % des coûts de production d’une serre. De ces coûts de chauffage, de 13 à 18 % sont nécessaire pour refroidir et déshumidifier la serre (de Halleux et Gauthier, 1997). La méthode traditionnelle de refroidissement et de déshumidification (R/D) utilisée dans une serre est la ventilation-chauffage, qui consiste à remplacer une partie de l’air chaud et humide de la serre par de l’air froid et sec de l’extérieur. Cette méthode limite toutefois l’injection de dioxyde de carbone (CO2). L’objectif du projet est de maintenir les consignes optimales de température et d’humidité dans une serre de tomates biologiques cultivées en plein sol, afin de produire en serre semi-fermée et conserver un taux élevé en CO2 pour stimuler la photosynthèse. Pour ce faire, deux méthodes expérimentales de R/D ont été mises à l’essai. La première méthode étudiée est la R/D par condensation de la vapeur d’eau sur un échangeur de chaleur eau-air. La seconde méthode étudiée est la R/D par condensation de la vapeur d’eau sur un rideau d’eau. Les deux méthodes expérimentales de R/D ont permis de maintenir les températures désirées dans la serre tout en maintenant les volets de la serre en position semi-fermée, ce qui a permis de maintenir des concentrations en CO2 significativement différentes dans la serre comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle.
iv
Table des matières
Résumé ... iii
Table des matières ... iv
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Remerciements ... ix
Introduction ... 1
Culture en serre au Canada ... 1
Problématique ... 2
Chapitre 1. Revue de littérature ... 3
1.1. Refroidissement et déshumidification ... 3
1.2. Influence de la température sur la culture ... 4
1.2.1. La température moyenne sur 24 heures ... 5
1.2.2. Différentiel de température ... 5
1.3. Influence du déficit en pression de vapeur (DPV) sur les plantes ... 5
1.4. Influence du dioxyde de carbone (CO2) sur les plantes ... 6
1.5. Technologies existantes de refroidissement et de déshumidification ... 8
1.5.1. Rideaux thermiques ombrageants ... 8
1.5.2. Panneaux humides de refroidissement ... 9
1.5.3. Micro-brumisation ... 11
1.5.4. La méthode de ventilation par aération-chauffage... 11
1.5.5. Pompe à chaleur... 12
1.5.6. Échangeur de chaleur eau-air ... 13
1.5.7. Échangeur de chaleur par rideau d’eau ... 13
2. Chapitre 2. Hypothèses et objectifs ... 16
2.1. Hypothèses de travail ... 16
2.2. Objectif général et objectifs spécifiques ... 16
3. Chapitre 3. Dispositif expérimental ... 17
3.1. Introduction ... 17
3.2. Matériel et méthode ... 17
3.2.1. Serre expérimentale ... 17
3.2.2. Équipements utilisés ... 18
v
3.2.4. Algorithme de fonctionnement de la méthode de R/D ... 24
3.2.5. Performance des méthodes de R/D ... 26
3.2.6. Évaluation du coefficient de performance moyen en refroidissement ... 27
Chapitre 4. Résultats et discussion ... 29
4.1. Fonctionnement des méthodes de R/D ... 29
4.2. Rayonnement solaire ... 30
4.2.1. ANOVA sur le rayonnement solaire (W/m²) reçu par les méthodes de R/D ... 32
4.3. Température extérieure ... 32
4.3.1. ANOVA sur la température extérieure (°C) de la serre pour les méthodes de R/D ... 33
4.4. Température de l’air de la serre ... 34
4.4.1. Température maintenue par la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 35
4.4.2. Capacité de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air à maintenir la température de consigne, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 36
4.4.3. Capacité de la méthode de R/D par rideau d’eau à maintenir la température de consigne, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 36
4.4.4. Comparaison des trois méthodes de R/D ... 36
4.4.5. ANOVA sur la température maintenue par les méthodes de R/D ... 37
4.5. Humidité relative et déficit en pression de vapeur (DPV) ... 37
4.5.1. Humidité relative et DPV maintenus par la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 39
4.5.2. Capacité de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air à maintenir l’humidité relative et un DPV de consigne, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 39
4.5.3. Capacité de la méthode de R/D par rideau d’eau à maintenir l’humidité relative et un DPV de consigne, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 40
4.5.4. Comparaison des trois méthodes de R/D à maintenir l’humidité relative et le DPV ... 40
4.5.5. ANOVA sur l’humidité relative maintenue par les méthodes de R/D ... 41
4.6. Positionnement des volets ... 41
4.6.1. Position des volets de la serre utilisant la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 43
4.6.2. Positionnement des volets de la serre utilisant la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air, comparé au positionnement des volets de la serre utilisant la méthode de R/D par ventilation naturelle 43 4.6.3. Positionnement des volets de la serre utilisant la méthode de R/D par rideau d’eau, comparé au positionnement des volets de la serre utilisant la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 44
4.6.4. Comparaison du positionnement des volets des trois méthodes de R/D... 44
4.6.5. ANOVA sur le positionnement des volets maintenu par les méthodes de R/D ... 45
4.7. Concentration en dioxyde de carbone (CO2) ... 46
4.7.1. Concentration en CO2 maintenue dans la serre par la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 47
vi
4.7.2. Capacité de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air à maintenir une
concentration en CO2 dans une serre plus élevée que la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 47
4.7.3. Capacité de la méthode de R/D par rideau d’eau à maintenir une concentration en CO2 dans une serre plus élevée que la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 48
4.7.4. Comparaison des trois méthodes de R/D à maintenir une concentration en CO2. ... 48
4.7.5. ANOVA sur la concentration en CO2 maintenue dans la serre par les méthodes de R/D ... 49
4.8. Évaluation des performances ... 50
4.8.1. Puissance moyenne des méthodes de R/D ... 50
4.8.2. Coefficients de performance des méthodes de R/D ... 51
Discussion ... 53
Conclusion ... 55
Bibliographie ... 57
Annexe 1 ... 61
vii
Liste des tableaux
Tableau 1. Débit de fonctionnement de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par rideau
d’eau. ... 20
Tableau 2 Température de consigne (°C), humidité relative (%) et DPV (kPa). ... 23
Tableau 3. Rayonnement solaire reçu (W/m²) par la serre (moyenne (10h-16h), moyenne (24 heures), et maximal). ... 32
Tableau 4. Test de type 3 des effets fixes – rayonnement solaire reçu (W/m²) ... 32
Tableau 5 Température (°C) extérieure de la serre (moyenne (10h-16h), moyenne (24 heures), moyenne maximale et moyenne minimale). ... 33
Tableau 6. Test de type 3 des effets fixes – température extérieure (°C) ... 34
Tableau 7. Température maintenue dans la serre (°C) (moyenne (10h-16h), moyenne (24 heures), moyenne maximale et moyenne minimale). ... 35
Tableau 8. Test de type 3 des effets fixes pour la température (°C) ... 37
Tableau 9. Humidité relative maintenue dans la serre (%), moyenne (10h-16h), moyenne (24 heures), maximale et minimale. ... 38
Tableau 10. DPV maintenu dans la serre, (kPa), moyenne (10h-16h) et moyenne (24 heures). ... 39
Tableau 11. Test de type 3 des effets fixes pour l’humidité relative (%) ... 41
Tableau 12. Position des volets maintenue dans la serre (%) (moyenne (10 h - 16 h), moyenne (24 heures) et moyenne maximale et minimale). ... 42
Tableau 13. Test de type 3 des effets fixes pour le positionnement des volets (%) ... 45
Tableau 14. Moyenne des moindres carrés pour le positionnement des volets (%) ... 45
Tableau 15. Concentration en CO2 maintenue dans la serre (μmol/mol) (moyenne (10h-16h), moyenne (24 heures), maximale et minimale). ... 47
Tableau 16. Test de type 3 des effets fixes pour la concentration en CO2 (μmol/mol) ... 49
Tableau 17. Moyenne des moindres carrés pour la concentration en CO2 (μmol/mol) ... 49
Tableau 18. Informations sur les composantes techniques de la serre ... 61
Tableau 19. Informations sur les composantes mécaniques de l’échangeur de chaleur eau-air ... 61
viii
Liste des figures
Figure 1. Tomates, troisième feuille, avec HR élevée (90 %) et faible (55 %) (Wacquant, 1995)... 6
Figure 2. Représentations de l'effet de l'intensité lumineuse et de différentes concentrations en CO2 sur la photosynthèse des plantes cultivées en serre. ... 7
Figure 3. Rideau thermique déployé à 50 % dans une serre. ... 8
Figure 4. Une installation de coussinets d’évaporation (Bucklin, 2010). ... 9
Figure 5. Schéma représentant le fonctionnement des panneaux humides de refroidissement. ... 10
Figure 6. Schéma de distribution de l’air en utilisant les coussinets de refroidissement. ... 10
Figure 7. Méthode de R/D par ventilation naturelle (aération-chauffage) au toit (Chassériau, 2008). ... 12
Figure 8. Échangeur de chaleur eau-air (adapté de Rathroe et Kapuno, 2010). ... 13
Figure 9. Représentation générale de la méthode de R/D par rideau d’eau (Novarbo, 2010). ... 14
Figure 10. Schéma de fonctionnement de la méthode de R/D par rideau d'eau (Novarbo, 2010). ... 15
Figure 11. Photographie de la serre expérimentale ... 18
Figure 12. Représentation schématique de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air. ... 19
Figure 13. Photographie de dessous du ventilateur, du serpentin et des conduits de vetilation. ... 19
Figure 14. Illustration de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par rideau d’eau. ... 20
Figure 15. Photographie de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par rideau d’eau en fonctionnement. ... 21
Figure 16. Réservoir de stockage de CO2 liquide. ... 21
Figure 17. Rayonnement solaire (W/m²), reçu par la serre (moyenne de cinq journées types par méthode). .. 31
Figure 18 Température (°C) extérieure de la serre (moyenne de cinq journées types par méthode). ... 33
Figure 19. Température (°C) maintenue dans la serre (moyenne de cinq journées types par méthode). ... 35
Figure 20. Humidité relative (%) maintenue dans la serre (moyenne de cinq journées types par méthode) .... 38
Figure 21. Position des volets (%) (moyenne de cinq journées types par méthode). ... 42
Figure 22. Concentration en CO2 (μmol/mol), maintenue dans la serre (moyenne de cinq journées types par méthode). ... 46
Figure 23. Température extérieure des 5 journées types de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air ... 63
Figure 24. Température extérieure des 5 journées types de la méthode de R/D par rideau d’eau ... 63
Figure 25. Température extérieure des 5 journées types de la méthode de R/D par ventilation naturelle ... 64
Figure 26. Radiation solaire des 5 journées types de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air .. 64
Figure 27. Radiation solaire des 5 journées types de la méthode de R/D par rideau d’eau ... 65
ix
Remerciements
Ce projet a eu lieu grâce à la participation de plusieurs intervenants, qui ont su partager leur savoir pour assurer le succès de la recherche.
Je tiens à remercier monsieur Damien de Halleux, qui est mon directeur de recherche. Damien est un excellent professeur, il est ouvert d’esprit et est passionné par le succès et la formation des étudiants.
Je désire aussi remercier Martine Dorais pour son optimisme et sa passion pour le domaine de la culture en serre biologique. Martine, est un exemple à suivre par son implication dans la recherche.
Mes remerciements s’appliquent aussi à Marie-Hélène Rondeau, Samia Bouzid, Michel Courte, François Bélanger et François Bouchard des Serres Jardins Nature, à Frédéric Jobin-Lawler de l’Abri Végétal, ainsi qu’à Jacques Thériault de Climax Conseils, qui par leur ouverture d’esprit et leur travail, on fait du projet de recherche une réalisation stimulante et passionnante.
Je désire aussi remercier Réjean Bacon et Claudine Ménard qui font un travail remarquable et qui ont toujours su m’aider avec un sourire et qui ont toujours été présents lorsque j’avais besoin d’un renseignement. Je remercie également Johane Méthot qui a évalué le potentiel de croissance et de rendement d’une culture de tomates biologiques utilisant un système de géothermie, l’année suivante de ce présent projet de recherche.
En terminant, je remercie Agriculture et Agroalimentaire Canada et la grappe scientifique sur les productions biologiques, l’Université Laval, Les Serres Jardins Nature et l’Abri Végétal pour leur soutien financier.
1
Introduction
Culture en serre au Canada
Le nombre total de fermes biologiques a cru de 105,6 % de 2001 à 2006, passant de 372 à 765. Pour les mêmes dates de référence, le nombre de fermes biologiques cultivant des fruits et légumes ou produits de serre biologiques a augmenté de 66,4 %, passant de 125 à 208 fermes (Statistiques Canada, 2011). La culture en serre au Canada en 2011 avait une superficie totale de 2 300 ha comparativement à 2 250 ha en 2010 alors que durant cette période les ventes des produits de serre ont augmenté de 2,3 % pour atteindre environ 2,5 milliards de dollars en 2011, selon Statistique Canada en 2011. Par rapport à 2010, les ventes de plantes et fleurs ont diminué de 0,1 %, alors que celles de légumes de serre ont crû de 5,5 % (Statistique Canada, 2011). La culture en serre au Canada est surtout concentrée dans trois provinces soit l’Ontario (1 268 ha), la Colombie-Britannique (514 ha) et le Québec (262 ha). En 2016, la superficie des serres sous régie biologique au Québec était de 40,3 ha (CARTV, 2016) alors que la superficie totale des serres en culture maraichères était de 90,3 ha (Statistiques Canada, 2015).
La culture en serre est considérée comme une culture où les conditions environnementales des plantes sont optimales étant donné que le climat peut être contrôlé. Dans une serre, les cultures sont protégées du vent, on y contrôle la température, l’humidité, l’irrigation, la quantité de nutriments, le dioxyde de carbone et l’intensité lumineuse. Il est aussi possible de contrôler la pollinisation, les maladies et les insectes ravageurs pour la production. La culture en serre a de nombreux bienfaits, mais requiert un investissement majeur de 1,5 à 3 M$ par hectare, (AAFRD, 2007). Une excellente maîtrise des techniques de culture pour une productivité élevée en fleurs, fruits et légumes à haute valeur marchande est donc indispensable. Le type de gestion climatique de la serre est dépendant de la situation géographique et doit être adapté en fonction de l’intensité lumineuse, de la température extérieure, du type de plantes qui sont cultivées dans la serre, de l’état des plantes et des paramètres agronomiques visés.
Plusieurs contrôles sont nécessaires pour arriver à une production de qualité. Une production en serre peut être effectuée 365 jours par année. Pour ce faire, un contrôle du climat dans la serre est nécessaire. Le climat du Québec est composé de 4 saisons très différentes les unes des autres, ce qui apporte un défi supplémentaire pour produire sous serre. Le climat connaît de larges variations de rayonnements solaires, de température et d’humidité relative au cours de l’année.
2
Les coûts de chauffage représentent jusqu’à 30 % des coûts de production d’une serre. De ces coûts de chauffage, de 13 à 18 % sont nécessaire pour refroidir et déshumidifier les serres au Québec (de Halleux et Gauthier, 1997). La méthode traditionnelle utilisée pour abaisser le taux d’humidité de l’air des serres est l’aération-chauffage, qui consiste à remplacer une partie de l’air chaud et humide de la serre par de l’air froid et sec de l’extérieur. Cette méthode est simple mais coûteuse en énergie.
La méthode de refroidissement et de déshumidification par ventilation-chauffage peut aussi se faire par ventilation forcée. Dans ce cas, un ventilateur déplace l’air chaud vers l’extérieur et un ouvrant mécanique permet à l’air froid et sec de l’extérieur d’entrer dans la serre. Le ventilateur est placé à l’extrémité de la serre qui est opposé à l’ouvrant mécanique. La ventilation forcée est précise car elle permet le contrôle de la vitesse de déplacement de l’air dans la serre (Jackson et Darby, 1990). La ventilation forcée est limitée à une longueur maximale de la serre, qui est de 45 mètres (Boudreault, 2004). L’utilisation de la ventilation forcée nécessite une dépense en électricité et un investissement supplémentaire comparativement à un système de ventilation naturelle.
Problématique
En climat nordique, l’utilisation de serres étanches et lumineuses limite le nombre de changements d’air dans la serre et l’évapotranspiration des plantes augmente le taux d’humidité dans la serre. Un haut taux d’humidité élevé dans une serre restreint la transpiration des plantes et peut provoquer de la condensation sur les surfaces froides de la serre ainsi que sur les feuilles favorisant ainsi les maladies foliaires. L’eau qui condense sur les surfaces froides de la serre peut également dégoutter sur la surface foliaire des plantes et générer une augmentation du développement de maladies fongiques (Roy, 2007). Pour diminuer le taux d’humidité, les producteurs doivent déshumidifier en ventilant, ce qui consomme de l’énergie (de Halleux et Gauthier, 1997). La culture en serre dans le climat québécois demande une bonne gestion et maîtrise du climat de la serre, plus spécifiquement de la température, de l’humidité et du dioxyde de carbone (CO2). En période hivernale, la déshumidification par la ventilation augmente les coûts de chauffage et limite la concentration de dioxyde de carbone qui peut être maintenue dans la serre. En période estivale et lors de forts rayonnements solaires, une forte ventilation est nécessaire pour abaisser les températures dans la serre, ce qui limite aussi la concentration en CO2 qui peut être maintenue dans la serre. C’est de cette problématique que le concept de serre semi-fermée est né. Afin de produire en serre semi-fermée et de limiter les échanges d’air avec l’extérieur, pour maintenir de fortes concentrations en CO2, il est nécessaire de refroidir et de déshumidifier la serre à l’aide d’équipements appropriés.
3
Chapitre 1. Revue de littérature
1.1. Refroidissement et déshumidification
Le contrôle des paramètres affectant l’évapotranspiration des cultures est crucial pour la production et les rendements dans les serres (Roy, 2007). De récents développements concernant la culture en serres fermées ont comme objectif d’atteindre un plus grand contrôle sur le micro climat de la serre. Des chercheurs néerlandais ont démontré les avantages significatifs de systèmes de serres semi-fermées en utilisant des méthodes de refroidissement non traditionnelles. Des études faites en Hollande ont démontré que des gains en productivité de 15 à 20 % sont possibles en production sous serre fermée ou semi-fermée et que ces gains sont attribuables aux concentrations élevées en CO2 qui sont maintenues dans la serre (Elings, 2005). Toujours en Hollande, il a été démontré que deux serres expérimentales ayant une capacité de refroidissement de 150 et 350 W/m² ont obtenu des gains en rendements de l’ordre de 6 et de 10 %, respectivement (Quian et coll., 2011).
Dans une serre, il est en général plus complexe de contrôler l’humidité relative que la température car celle-ci est influencée par l’infiltration, la ventilation, l’évaporation du milieu de culture et la transpiration des plantes. Une augmentation trop importante de l’humidité à une température donnée provoque une réduction du taux de transpiration chez la plante et par conséquent une diminution du transport de l’eau et des minéraux (Gosselin, 2012). La méthode traditionnellement utilisée pour abaisser la teneur en humidité de l’air et la température est la méthode de ventilation-chauffage. Cette méthode consiste à faire entrer de l’air froid et sec de l’extérieur pour remplacer l’air chaud et humide de l’intérieur de la serre. À l’automne, à l’hiver et au printemps, cette technique occasionne toutefois des coûts de chauffage élevés. La méthode de ventilation-chauffage nécessite des échanges d’air avec l’extérieur, ce qui rend difficile le maintien d’un taux de CO2 élevé dans la serre, en périodes de printemps, d’été et d’automne. Dans le cadre d’une production biologique, il peut s’avérer avantageux de diminuer les changements d’air avec l’extérieur de la serre pour conserver le CO2 injecté ou produit naturellement par le sol à l’intérieur de la serre. De plus, une meilleure maîtrise du climat (température et humidité relative) peut diminuer le risque de maladies et augmenter les rendements. Des recherches menées aux États-Unis, dans l’état du Ohio, ont démontré qu’une serre fermée permet d’obtenir des augmentations de rendement de 22 %, des économies d’énergie de 19 % ainsi que des réductions de la consommation de l’eau d’irrigation (Lee et coll., 2009). De plus, de Gelder (2004) a conclu, suite à l’utilisation du logiciel TOMSIM, des augmentations de rendements de 22 % en produisant des tomates dans une serre fermée et en appliquant des concentrations en CO2 de 1000 μmol/mol lorsque comparée à une serre utilisant une ventilation conventionnelle, maintenant des concentrations en CO2 maximales de 500 μmol/mol.
4
Dieleman, (2010) a démontré que les rendements agronomiques étaient supérieurs dans une serre semi-fermée que dans une serre conventionnelle. Lors de ses travaux sur la serre semi-fermée, Wee Fong (2010) conclut que la viabilité économique annuelle d’une serre fermée qui est exposée à de larges variations climatiques est possible si la serre utilise la ventilation naturelle au cours des périodes de pointe de chaleur. Pour leur part, les travaux de Dieleman et de Gelder (2012) ont démontré qu’une ventilation insuffisante d’une serre fermée a mené à l’apparition de Botrytis et suggèrent la production sous serre semi-fermée. Zhang et Zhao (2003) ont développé un système de déshumidification et de refroidissement utilisant du chlorure de calcium, cependant, Campen et Bot (2003) ont conclu que la déshumidification hygroscopique n’est pas favorable dans les serres en raison de sa complexité d’utilisation et du fait qu’il n’est pas préférable d’utiliser des produits chimiques dans une serre. Pour sa part, Chassériaux (1987) a réussi à déshumidifier une serre de 3000 m² ayant un recouvrement de polyéthylène double en utilisant une thermopompe et conclu qu’il a été en mesure de retirer 5 litres d’eau à l’heure avec une capacité de thermopompe de 2,5 kW. GAO (2012) recommande l’utilisation d’un échangeur de chaleur pour déshumidifier le climat d’une serre en climat froid, pour la simplicité d’installation et pour la possibilité d’injection du CO2 dans la serre. Cependant, GAO (2012) conclu aussi que les échangeurs de chaleur sont moins efficaces lorsque l’air ambiant est humide, soit en période de printemps, d’été et d’automne. Des recherches faites à l’université de Wageningen (Pays-Bas) ont démontré que l’utilisation d’un ventilateur et d’un échangeur de chaleur peut être économiquement viable en fonction de l’efficacité du système utilisé (Bakker et coll., 2003). Lors de ses travaux sur les échangeurs de chaleur et les serres semi-fermées, de Katsoulas et coll. (2012) ont démontré qu’environ 15 % de l’eau de la serre est perdue par son échange avec l’air extérieur au cours des périodes de ventilation nocturnes et que 85 % de l’eau d’irrigation est récupérée par les échangeurs de chaleur.
1.2. Influence de la température sur la culture
L’énergie qui provient du soleil lors d’une journée ensoleillée estivale représente environ 900 W/m² à midi tandis que l’énergie requise pour chauffer une serre au cours de nuits froides d’hiver au Québec est de 300 W/m². Durant les journées hivernales ensoleillées, il peut s’avérer nécessaire de ventiler pour refroidir une serre même si la température extérieure est faible. Ce besoin de ventiler est supérieur au cours des autres saisons de l’année, puisque l’air extérieur est plus chaud. En culture de tomates, le contrôle de la température a un effet sur la vigueur de la plante, sur la vitesse de croissance et joue sur l’équilibre de la plante, soit le rapport entre les parties végétatives et reproductives. (Turcotte et coll., 2008a). Une technique utilisée pour gérer la croissance des cultures est la température moyenne établie sur une période de production de 24 heures.
5
1.2.1. La température moyenne sur 24 heures
La température moyenne sur 24 heures est utilisée pour gérer le développement biologique et la vitesse de croissance de la plante (Taillon et Thériault, 2008). Plus la température moyenne sur 24 heures est élevée, plus la croissance de la plante est activée (photosynthèse, transpiration, respiration), si celle-ci a tous les éléments nécessaires à sa croissance (lumière, CO2, eau et nutriments). Une croissance rapide de la plante peut avoir un effet négatif sur le calibre des fruits. De plus, si la température moyenne sur 24 heures est trop élevée et que les éléments nécessaires à la croissance de la plante ne sont pas réunis, il y aura une perte de vigueur de la culture.
1.2.2. Différentiel de température
Le différentiel de température représente l’écart entre la température moyenne de jour et la température moyenne de nuit. « Une différence positive (température moyenne de jour plus grande que la température moyenne de nuit) fait augmenter la longueur des entrenœuds, alors qu’une différence négative donne une plante plus compacte. En général, il n’y a pas d’avantage à maintenir la température de la serre trop élevée pendant la nuit, car plus la température de nuit est haute, plus le taux de respiration est élevé. Par contre, ça peut devenir utile d’augmenter la température de nuit lorsque les plantes ont un excès de vigueur (trop végétatif) ». (Turcotte, 2016).
1.3. Influence du déficit en pression de vapeur (DPV) sur les
plantes
Les faibles déficits de pression de vapeur (DPV) et la disponibilité de la lumière constituent des facteurs limitant de la productivité des cultures abritées, car l’absorption des éléments nutritifs du milieu de culture est directement reliée au flux d’eau dans la plante. Le flux d’eau dans la plante est régi par la transpiration, qui est une des deux phases de l’évapotranspiration (continuum sol-plante-atmosphère) (Iraqi, 1996). Une humidité élevée et la condensation sur les plantes favorisent le développement du botrytis et le mildiou (Prenger et Ling, 2009). Une réduction de la surface foliaire des plantes de tomate soumis à de faibles DPV (0,1, 0,2 et 0,4 kPa) est liée à une diminution de la concentration en calcium des feuilles (Hao et Papadopoulos, 2004). Il est aussi possible de constater une réduction de la croissance des plantes, un flétrissement des feuilles et dans certains cas la mort de la partie apicale de la plante, lorsque celle-ci est soumise à de faibles DPV (Iraqi, 1996). Selon Iraqi (1996), six mois après la transplantation, une augmentation de la masse fraîche et sèche totale de la partie aérienne des plantes de tomate a été notée sous un plus haut DPV (0,97 kPa sur 24 heures), comparativement à des DPV plus faibles (0,4 kPa de jour et 0,4 kPa de nuit), ainsi qu’un DPV de 0,97
6
kPa de jour et 0,4 kPa de nuit. De plus Iraqi (1996) conclut qu’après 28 semaines de récolte, les rendements en fruits totaux et vendables ont été inférieurs de 32 % et 41 % respectivement, chez les plantes soumises à un faible DPV (0,4 kPa sur 24 heures) par rapport à un DPV élevé (0,97 kPa sur 24 heures). D’autre part, un DPV plus élevé que 2,0 kPa peut occasionner une diminution de la teneur en eau des fruits et du poids des fruits (Cheroubino, 2000). Il s’avère alors pertinent de maintenir un DPV ni trop faible ni trop élevé afin d’uniformiser la production des fruits dans la serre. Ainsi, Zolnier (2001) a démontré que le DPV varie en fonction du rayonnement solaire. Pour un DPV de l’air de 1,5 kPa, le DPV de la canopée végétale est plus faible que le DPV de l’air pour des rayonnements solaires en dessous de 150 W/m². Par contre, sous des rayonnements solaires de plus de 150 W/m², le DPV de la canopée végétale croit de manière constante en fonction de l’intensité lumineuse (Zolnier, 2001). La Figure 1 représente le contour de la troisième feuille d’une plante de tomate cultivée à une humidité relative de 90 % (DPV de 0,23 kPa) en A et de 55 % (DPV de 1,05 kPa) en B à une température de 20°C, soit le DPV optimal (DPV qui se situe entre 0,3 kPa et 1 kPa (Wacquant, 1995).
Figure 1. Tomates, troisième feuille, avec HR élevée (90 %) et faible (55 %) (Wacquant, 1995).
1.4. Influence du dioxyde de carbone (CO2) sur les plantes
L’air ambiant contient naturellement 400 μmol/mol de CO2 qui est un élément indispensable à la photosynthèse. Le taux d’assimilation du CO2 d’une plante de tomate est maximum à des concentrations ambiantes de 1000 μmol/mol. Le CO2 peut être injecté dans une serre puisque celle-ci est relativement étanche aux échanges d’air avec l’extérieur. Les concentrations de CO2 peuvent être maintenues entre 400 et 1000 μmol/mol, dans une serre, située dans le sud de l’Ontario, et dépendent des saisons et de la lumière.
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(Blom et coll., 2009). Pour la culture en serres, la rentabilité de l’utilisation de CO2 dépend de la source et du coût du CO2. Plusieurs sources de CO2 peuvent enrichir une serre, soit :
- le CO2 liquide qui provient habituellement d’un procédé industriel;
- le CO2 issu de la combustion directe de propane ou du gaz naturel dans la serre, à l’aide de bruleurs; - le CO2 provenant des gaz condensés d’une bouilloire au propane ou d’une bouilloire au gaz naturel.
Les concentrations en CO2 très élevées peuvent provoquer des nécroses sur le feuillage des plantes de tomate (Bailey, 2002) et une diminution de la surface foliaire. Pour cette raison, une gestion de la quantité et de la qualité de CO2 injectée est nécessaire. L’enrichissement carboné est plus efficace sous de forts rayonnements solaires. Les gains des photo-assimilas sous de fortes concentrations en CO2 sont supérieurs sous de fortes intensités lumineuses, comparativement à de faibles intensités lumineuses (Hao et coll., 2008).
Pour compléter la photosynthèse, un plant a besoin, en quantité suffisante de lumière, en eau et en CO2. Lors du processus de photosynthèse, le CO2 est décomposé en carbone et en oxygène. Le carbone mène à la formation de glucides, ce qui représente la masse sèche de la plante. De plus, l’utilisation de l’éclairage, combiné à l’injection de CO2 dans les serres aura un effet combiné sur l’augmentation des rendements. La Figure 2 démontre que l’enrichissement en CO2 permet de mieux tirer profit de la lumière en augmentant la photosynthèse. Les chefs de culture en serre doivent adapter les besoins en CO2 et l’éclairage artificiel. (Notes de cours Culture en serres, 2012).
Figure 2. Représentations de l'effet de l'intensité lumineuse et de différentes concentrations en CO2 sur la
photosynthèse des plantes cultivées en serre.
Concentration élevée en CO2
Intensité lumineuse
Concentration moyenne en CO2
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1.5. Technologies
existantes
de
refroidissement
et
de
déshumidification
Il existe quelques méthodes pour refroidir et déshumidifier une serre. Certaines sont utilisées pour refroidir prioritairement et d’autres sont utilisées pour à la fois refroidir et déshumidifier. Les méthodes utilisées pour le refroidissement sont : 1) le rideau thermique ombrageant; 2) le panneau de refroidissement humide et 3) la micro brumisation. Les méthodes utilisées pour le refroidissement et la déshumidification sont : 4) la méthode de ventilation par aération chauffage 5) la pompe à chaleur; 6) l’échangeur de chaleur eau-air et 7) le rideau d’eau. Ces méthodes sont détaillées dans les paragraphes qui suivent.
1.5.1. Rideaux thermiques ombrageants
Les rideaux thermiques peuvent être utilisés pour ombrager la serre et limiter l’augmentation de la température à l’intérieur de celle-ci. Les rideaux thermiques peuvent réduire la température jusqu’à 6°C lorsque comparés à une serre qui n’utilise pas de rideaux thermiques (NGMA, 1996). Par contre, l’utilisation de cette technique réduit la luminosité qui est nécessaire à la photosynthèse. En climat canadien, le rideau thermique est plutôt utilisé pour réduire la consommation énergétique dans les serres au cours de l’hiver. Le rideau thermique peut être utilisé pour ombrager la serre en temps chaud et ensoleillé ou pour réduire la consommation énergétique d’une serre durant la nuit. La Figure 3 représente un rideau thermique déployé à 50 % dans une serre, au cours d’une journée ensoleillée. La configuration optimale d’un rideau thermique dans une serre dépend du besoin du producteur.
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1.5.2. Panneaux humides de refroidissement
Cette méthode de refroidissement consiste à faire circuler de l’eau froide dans un panneau de cellulose à base de plastique ou à base de cellulose ayant reçu un traitement spécifique, combinée à des ventilateurs d’extraction d’air mécanique. Les panneaux de refroidissement sont installés dans une section de murs, idéalement, celle qui est exposée aux vents dominants. La Figure 4 représente une installation de panneaux de refroidissement du côté extérieur du mur de la serre.
Figure 4. Une installation de coussinets d’évaporation (Bucklin, 2010).
Ces panneaux de refroidissement sont utiles lorsque le climat extérieur est chaud et sec. Ils permettent le refroidissement adiabatique de l’air de la serre, en utilisant l’air chaud à faible teneur en eau de l’extérieur. En évaporant l'eau du panneau de refroidissement humide, l'air chaud de l’extérieur devient froid et à haute teneur en eau, contribuant à abaisser la température ambiante de la serre. La Figure 5 représente le fonctionnement des coussinets de refroidissement.
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Figure 5. Schéma représentant le fonctionnement des panneaux humides de refroidissement.
Le panneau de refroidissement permet d’abaisser la température de la serre mais a démontré un manque d’uniformité dans la distribution du froid et de l’humidité dans la serre (Hasan, 2009). Cette information a aussi été constatée par Dayioglu et Silleli en 2014. Le panneau de refroidissement humide engendre un gradient de température dans la serre. La zone la plus froide est située près du panneau de refroidissement humide et la zone la plus chaude est située près des ventilateurs de sortie de l’air. La Figure 6 représente la distribution de l’air dans la serre, lorsque les coussinets humides de refroidissement sont utilisés.
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Des essais effectués à l’Université de Floride ont fait face à une perte d’efficacité de ces systèmes en raison de problèmes de colmatage liés à les impuretés de l’eau (Bucklin, 2010). Il est donc fortement recommandé d’utiliser cette technologie avec un système de filtration de l’eau. De plus, il est nécessaire d’avoir une serre équipée de système de ventilation mécanique pour utiliser cette technique de refroidissement. La ventilation mécanique assure que la pression est négative dans la serre, ce qui permet à l’air de l’extérieur de circuler adéquatement au travers du coussinet de refroidissement, ainsi que dans la serre.
1.5.3. Micro-brumisation
La micro-brumisation utilise le concept de refroidissement adiabatique, qui consiste à vaporiser de fines gouttelettes d’eau dans l’air pour refroidir celui-ci. Cette technique transforme la chaleur sensible en chaleur latente, l’enthalpie de l’air reste constante. L’énergie qui est contenue dans l’air est transmise à la vapeur d’eau, ce qui augmente l’humidité relative de l’air et diminue la température de l’air (Colorado State University, 2012). Les gouttelettes sont généralement plus petites que dix micromètres, pour rester en suspension dans l’air. Cette technique est utile pour les serres qui ont besoin de refroidir et d’humidifier l’air pour leurs cultures (Netafim, 2013).
1.5.4. La méthode de ventilation par aération-chauffage
La méthode qui est traditionnellement utilisée pour abaisser le taux d’humidité de l’air des serres est l’aération-chauffage. Cette méthode diffère selon les saisons. En hiver, cette technique consiste à remplacer une partie de l’air chaud et humide de la serre par de l’air froid et sec de l’extérieur de la serre. En été, cette méthode consiste à remplacer une grande proportion d’air chaud et humide par de l’air tempéré et moins humide de l’extérieur. Cette technique a le désavantage de limiter l’injection en CO2 et de consommer de 12,6 à 18,4 % des coûts totaux de chauffage annuel d’une serre (de Halleux et Gauthier, 1997). Considérant que les coûts d’énergie d’une culture sous serre peuvent représenter jusqu’à 30 % des coûts de production, tout gain énergétique représente un gain financier important pour le producteur.
1.5.4.1.La méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par ventilation naturelle
La Figure 7 représente la méthode de déshumidification par aération-chauffage avec ventilation naturelle. Cette méthode consiste à remplacer une partie de l’air chaud et humide de la serre par de l’air froid et sec de l’extérieur. La densité de l’air chaud, à haute teneur en eau, est plus faible que la densité de l’air froid, à faible teneur en eau. Le mélange de l’air chaud et de l’air froid se fait alors naturellement. Aucune limite de longueur
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de serre ne s’applique à l’utilisation de la ventilation naturelle (Boudreault, 2004). La ventilation naturelle peut se faire par le toit pour les serres jumelées ou par le côté pour les serres individuelles.
Figure 7. Méthode de R/D par ventilation naturelle (aération-chauffage) au toit (Chassériau, 2008).
1.5.5. Pompe à chaleur
Il est possible de procéder à une déshumidification et un refroidissement en utilisant des pompes à chaleur. Les pompes à chaleur sont composées d’un compresseur, d’un évaporateur, d’un condenseur et d’une valve d’expansion. Pour être efficace en refroidissement, la pompe à chaleur a avantage à être couplée à un procédé de chauffage afin de récupérer le surplus de chaleur produite. Le compresseur représente la consommation d’énergie principale pour le fonctionnement de la pompe chaleur. Des recherches menées au Japon utilisant un échangeur de chaleur composé d’un évaporateur, d’un condenseur, d’une ligne de retour en U et une ligne de passage de la vapeur, ont démontré qu’il est possible de déshumidifier une serre efficacement sans l’utilisation d’un compresseur (Yanadori, 1994). La rentabilité de l’utilisation de la pompe à chaleur dans une serre est dépendante des coûts de l’électricité, du coût de l’investissement élevé, de la durée d’opération et de la valeur de la production. En 2005, Chiasson conclu que la rentabilité d’une pompe à chaleur dépend des coûts d’installation des boucles d’échange de chaleur à l’extérieur de la serre. La rentabilité et les coûts d’installation de la thermopompe dépendent du type de sol autour de la serre, qui sera déterminant de l’efficacité de la boucle de captation de l’énergie et du type de puits de captation qui pourra être installé.
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1.5.6. Échangeur de chaleur eau-air
Cette technique utilise de l’eau comme source de refroidissement qui passe par un échangeur de chaleur. L’air chaud et humide est aspiré de la serre à l’aide du ventilateur pour ensuite être poussé au travers de l’échangeur de chaleur froid. La température de surface de l’échangeur de chaleur est en dessous de la température du point de rosée de l’air, ce qui a pour effet que la vapeur d’eau qui est contenue dans l’air chaud et humide condense sur l’échangeur de chaleur. L’eau condensée est enlevée du système et l’air froid et sec est réintroduit dans la serre, à l’aide de tubes de polyéthylène. Ce système est doté d’un filtre, qui protège le serpentin des particules présentes dans l’air et filtre continuellement l’air de la serre. La Figure 8 illustre le concept du serpentin, utilisé, en combinaison avec un filtre et un ventilateur.
Figure 8. Échangeur de chaleur eau-air (adapté de Rathroe et Kapuno, 2010).
Des recherches ont démontré que l’augmentation de la vitesse de l’air dans une serre fait réduire l’humidité autour de la feuille (Boulard, 2004). Puisque l’échangeur de chaleur eau-air utilise un ventilateur pour faire circuler l’air de la serre au travers de l’échangeur de chaleur et que le ventilateur est aussi utilisé pour distribuer l’air dans la serre, il se peut que celui-ci favorise à réduire l’humidité autour de la feuille.
1.5.7.
Échangeur de chaleur par rideau d’eau
Cette technique utilise un rideau d’eau pour refroidir et déshumidifier l’air de la serre. De l’eau est pompée dans un tuyau qui est fixé sur la structure de la serre, au-dessus des plantes. Des buses distribuent l’eau sous forme de rideau d’eau dans la serre. La vapeur d’eau contenue dans l’air chaud condense sur le rideau d’eau
14
qui se maintient à une température en dessous du point de rosée. L’eau du rideau d’eau et la vapeur d’eau condensée est récupérée dans une gouttière qui est fixée à 3,1 mètres sous les buses de distribution d’eau. Une pente dans la gouttière assure que l’eau retourne dans un réservoir d’eau. La Figure 9 et la Figure 10 ci-dessous représentent le fonctionnement du rideau d’eau. Le système de rideau d’eau, a été développé par la compagnie Novarbo, en Finlande. Cette technologie est nouvelle et n’a pas encore été mise à l’essai sous le climat canadien.
Figure 9. Représentation générale de la méthode de R/D par rideau d’eau (Novarbo, 2010).
L’air chaud et humide a une plus faible densité que l’air froid et sec. L’air chaud et humide est situé dans le haut de la serre et entre en contact avec le rideau d’eau qui est à une température en dessous du point de rosée de l’air. La vapeur d’eau contenue dans l’air chaud et humide condense sur le rideau d’eau. L’air est alors refroidi et déshumidifié. La Figure 10 représente le mouvement convectif de l’air chaud et humide ainsi que de l’air froid et sec dans la serre, qui se met naturellement en place lors du fonctionnement du rideau d’eau.
15
16
2.
Chapitre 2. Hypothèses et objectifs
2.1. Hypothèses de travail
Les hypothèses du projet sont les suivantes :La méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par échangeur de chaleur eau-air (1a) ou par rideau d’eau (1b) permet de refroidir le climat d’une serre.
La méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par échangeur de chaleur eau-air (2a) ou par rideau d’eau (2b) permet de déshumidifier le climat d’une serre.
La méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par échangeur de chaleur eau-air (3a) ou par rideau d’eau (3b) permet de maintenir une concentration en CO2 plus élevée que la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par ventilation naturelle.
2.2. Objectif général et objectifs spécifiques
L’objectif général est de valider le potentiel de refroidissement et de déshumidification de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et de la méthode de R/D par rideau d’eau, comparativement à la méthode de R/D par ventilation naturelle, dans un environnement de culture de tomates biologiques. Cet objectif comprend les objectifs spécifiques énumérés ci-dessous :
1) Évaluer les capacités de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par échangeur de chaleur eau-air ou par rideau d’eau à maintenir les consignes de température et de DPV, comparativement à la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par ventilation naturelle.
2) Évaluer les capacités de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par échangeur de chaleur eau-air et par rideau d’eau à maintenir les concentrations en CO2 plus élevées que la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par ventilation naturelle.
17
3.
Chapitre 3. Dispositif expérimental
3.1. Introduction
Un producteur de tomates biologiques en plein sol, situé à New-Richmond, Québec, Canada, a accès à de l’eau froide en provenance de la haute nappe phréatique. Cette alimentation en eau représente une source de froid disponible et abondante pour refroidir et déshumidifier la serre. Par souci de productivité et de réduction des coûts, le producteur désirait comparer deux technologies non traditionnelles de refroidissement et de déshumidification (R/D) de l’air. L’objectif est d’augmenter les rendements agronomiques en produisant en serres semi-fermées. La production en serres semi-fermées permet de réduire le nombre de changements d’air avec l’extérieur de la serre afin de maintenir une concentration en CO2 élevée dans la serre, dans le but d’augmenter la photosynthèse de la canopée végétale. Afin de valider les capacités des technologies de R/D non traditionnelles, celles-ci seront comparées à la méthode de R/D par ventilation naturelle. Cette comparaison sera faite sous de forts rayonnements solaires où, le positionnement des volets, la concentration en CO2, la température et l’humidité relative maintenues dans la serre seront comparées afin de déterminer les bénéfices de ces méthodes de R/D non traditionnelles. Le fonctionnement des équipements sera comparé selon une approche descriptive par journées types. Les résultats seront comparés en utilisant un test de type 3 à effets fixe de l’analyse de la variance afin de conclure sur les différences significatives entre les équipements.
3.2. Matériel et méthode
3.2.1. Serre expérimentale
La serre expérimentale a une superficie de production de 225 m² (7,6 m par 29,6 m), est de type Nordique, et provient de la compagnie Harnois. La hauteur sous la gouttière est de 5,5 m. Cette serre fait partie d’un complexe de serres jumelées. L’orientation de la serre est est-ouest. Les murs de la serre ne sont pas exposés vers l’extérieur. Uniquement le mur de la serre orienté vers l’est est exposé à l’extérieur. Le recouvrement de la serre est en polyéthylène de faible densité de type LDPE, provenant de la compagnie Klerks. La ventilation est de type naturelle, avec l’ouverture des volets à la gouttière. L’injection de CO2 est de source liquide et celui-ci est distribué uniformément sous les plantes. Pour assurer le chauffage, de l’eau chaude circule dans les tuyaux d’acier localisés au sol et dans les tuyaux d’acier localisés dans la canopée végétale. Le contrôle du climat est assuré par un système de contrôle de la compagnie Argus. Pour de plus amples renseignements, consulter le Tableau 18 en annexe.
18
La méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air, la méthode de R/D par rideau d’eau et la méthode de R/D par ventilation naturelle étaient toutes installées dans la même serre expérimentale. La Figure 11 représente la serre expérimentale.
Figure 11. Photographie de la serre expérimentale
3.2.2. Équipements utilisés
3.2.2.1.Échangeur de chaleur eau-air
L’échangeur de chaleur eau-air comprend un ventilateur centrifuge de 2,2 kW, un échangeur de chaleur de 0,9 m² de surface visible, comprend 3 passes de tuyaux de cuivre, comprenant des ailettes d’aluminium. Une pompe centrifuge de 2,2 kW est utilisée pour alimenter le serpentin en eau froide. Des filtres sont utilisés dans un caisson de filtration pour assurer la filtration de l’air avant son passage dans l’échangeur de chaleur. L’air refroidi et déshumidifié est distribué dans la serre à l’aide de tubes de polyéthylène de 45,7 cm de diamètre et ces tubes sont situés à une hauteur de 4,8 m. L’eau condensée est récupérée dans un réservoir de condensat. Pour les détails techniques concernant les composantes mécaniques utilisées, consulter le Tableau 19 en annexe.
La Figure 12 schématise la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air et la Figure 13 est une photo du ventilateur, du serpentin ainsi que des conduits de ventilation.
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Figure 12. Représentation schématique de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air.
Figure 13. Photographie de dessous du ventilateur, du serpentin et des conduits de vetilation.
3.2.2.2.Échangeur de chaleur par rideau d’eau
Le rideau d’eau provient de la compagnie Novarbo, qui est localisée en Finlande. Le rideau comprend deux tuyaux, un de 5,1 cm de diamètre et l’autre de 7,6 cm de diamètre. Les deux tuyaux ont 28,3 m de long et supportent des buses d’injection de l’eau en gouttelettes. La hauteur du rideau d’eau est de 3,1 m. Une pompe de 2,2 kW assure l’alimentation en eau dans le tuyau et une valve de type 3 voies est utilisée pour varier le débit d’alimentation d’eau. Pour les détails techniques concernant les composantes mécaniques utilisées, consulter le Tableau 20 en annexe.
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Tableau 1 présente les débits d’eau minimal et maximal qui sont utiles pour le fonctionnement de la méthode de R/D par rideau d’eau. Le système est construit avec deux tuyaux d’alimentation pour permettre plus de flexibilité en termes de puissance de fonctionnement, pour répondre aux besoins variables de la serre.
Tableau 1. Débit de fonctionnement de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par rideau d’eau. Diamètre tuyau (cm) Débit minimal (L/s) Débit maximal (L/s) 5,1 1,0 3,50 7,6 3,00 10,00
Total des 2 tuyaux 4,00 13,50
La Figure 14 est une illustration qui représente la méthode de R/D par rideau d’eau. La Figure 15 représente la méthode de R/D par rideau d’eau en fonctionnement.
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Figure 15. Photographie de la méthode de refroidissement et de déshumidification (R/D) par rideau d’eau en fonctionnement.
3.2.2.3.Système d’injection de CO2
L’injection de CO2 dans les serres se fait à partir d’un réservoir de stockage de CO2 liquide. Le CO2 est entreposé sous forme liquide dans le réservoir situé à l’extérieur de la serre. Un système de dépressurisation est intégré au réservoir, ce qui permet d’injecter le CO2 dans la serre sous forme gazeuse. L’injection se fait sous les plantes, à l’aide de tubes placés au niveau du sol. La Figure 16 représente un réservoir de stockage de CO2 liquide.
22
La cible de CO2 a été la même pour toutes les méthodes de R/D comparées. La régie d’injection du CO2 dans la serre est une linéarisation en fonction du rayonnement solaire. Pour un rayonnement solaire inférieur à 300 W/m², la cible de CO2 est de 450 μmol/mol. Pour un rayonnement solaire de 800 W/m² et plus, la cible de CO2 est de 1000 μmol/mol. Lorsque le rayonnement solaire est compris entre 300 W/m² et 800 W/m², la formule suivante est utilisée pour déterminer la cible de CO2 désirée dans la serre.
CO2 = 450 + 1,1 x (P – 300) où
CO2 : cible de CO2 désirée, μmol/mol P : lecture du pyranomètre, W/m²
3.2.3. Régie de contrôle du climat
La gestion du climat se fait par le chef de culture qui décide des conditions climatiques désirées dans la serre. Puisque les données lues par le système de contrôle étaient uniquement basées sur les températures et l’humidité relative, pour prendre ses décisions le chef de culture s’assurait que les DPV étaient continuellement maintenus entre 0,3 kPa et 1,0 kPa. La consigne de ventilation maximale était de 30°C et la consigne de température minimale était de 16°C. Le Tableau 2 est le guide sur lequel le chef de culture se basait pour prendre ses décisions de gestion de la température et de l’humidité. Cet outil de travail a été développé par l’équipe de recherche. Les valeurs en rouge étaient à éviter tandis que les valeurs en noir étaient jugées acceptables.
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Tableau 2 Température de consigne (°C), humidité relative (%) et DPV (kPa).
Le DPV est calculé en fonction de la différence entre la pression de vapeur saturante et la pression de vapeur contenue dans l’air
DPV = pvsat - pvair où
DPV : Déficit de pression de vapeur, kPa pvsat : Pression de vapeur à saturation, kPa pvair : Pression de vapeur de l’air, kPa dans laquelle : pvair = pvsat x HR /100 pvsat = e (C1 ⁄ T + C2 + C3T + C4T2 + C5T3+ C6lnT)/1000 où HR : Humidité relative, % et C1 = -5,80E+03, C2 = 1,39E+00, C3 = -4,86E-02, C4 = 4,18E-05, C5 = -1,45E-08, C6 = 6,55E+00, T : la température, K. T consigne (°C) 30 30 30 30 30 30 30 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,22 0,43 0,65 0,87 1,08 1,30 1,52 T consigne (°C) 28 28 28 28 28 28 28 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,19 0,39 0,58 0,77 0,97 1,16 1,35 T consigne (°C) 26 26 26 26 26 26 26 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,17 0,34 0,52 0,69 0,86 1,03 1,20 T consigne (°C) 24 24 24 24 24 24 24 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,15 0,30 0,46 0,61 0,76 0,91 1,07 T consigne (°C) 22 22 22 22 22 22 22 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,14 0,27 0,41 0,54 0,68 0,81 0,95 T consigne (°C) 20 20 20 20 20 20 20 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,12 0,24 0,36 0,48 0,60 0,72 0,84 T consigne (°C) 18 18 18 18 18 18 18 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,11 0,21 0,32 0,42 0,53 0,63 0,74 T consigne (°C) 16 16 16 16 16 16 16 HR (%) 95 90 85 80 75 70 65 DPV (kPa) 0,09 0,19 0,28 0,37 0,46 0,56 0,65
24
Le fonctionnement de la méthode de R/D est basé sur une sonde de température et d’humidité qui est située dans la canopée végétale, au centre de la serre expérimentale. Pour maintenir les volets de la serre fermés lors de forts rayonnements solaires et pour assurer une sécurité pour la culture, la méthode de R/D doit conserver une température dans la serre à un maximum de 2°C au-dessus de la consigne de ventilation. Au-delà de 2°C au-dessus de la consigne de ventilation, le système de contrôle autorise l’ouverture des volets pour refroidir et déshumidifier la serre en utilisant la méthode de R/D par ventilation naturelle. Lorsque la serre nécessite du refroidissement et de la déshumidification, la méthode de R/D sélectionnée est mise en fonction de manière automatisée en fonction des paramètres programmés dans le système de contrôle.
Le système d’acquisition de données est centralisé. Toutes les sondes sont reliées au système de contrôle, qui enregistre les temps de fonctionnement de la méthode de R/D. Chaque donnée est une moyenne d’un intervalle de 15 minutes. Les sondes sont disposées à l’intérieur et à l’extérieur de la serre.
3.2.3.1.Mesures effectuées à l’intérieur de la serre
- Température dans la serre bulbe sec - Température dans la serre bulbe humide
- Humidité relative dans la serre (calcul dépendant de la lecture de la température du bulbe sec et la température du bulbe humide)
- Température de l’eau d’entrée des systèmes - Température de l’eau de sortie du serpentin - Température de l’eau de sortie du rideau d’eau
- Temps de fonctionnement des moteurs et des ventilateurs (enregistrement du temps d’activation d’un relais)
- Position de la valve 3 voies (enregistrement du positionnement de la valve)
- Débit d’eau (Débitmètre portatif ultrasonique de marque Hoskin Scientifique, modèle DMTFH) - Position des volets ouvrants pour la ventilation naturelle (enregistrement du positionnement du toit) - Dioxyde de carbone (Sonde de marque Greystone, modèle CDD4-Series)
3.2.3.2.Mesures effectuées à l’extérieur de la serre
- Rayonnement solaire incident (Pyranomètre de marque Apogee modèle SP-212) - Température (thermocouple de type K)
3.2.4. Algorithme de fonctionnement de la méthode de R/D
Le fonctionnement des équipements de R/D tient compte d’un bilan thermique (BT) de la serre qui comprend les gains et pertes de chaleur suivantes :
- Des gains de chaleur en fonction du rayonnement solaire (QS)
25 - Des pertes de chaleur par ventilation de la serre (QV)
Pour déterminer la capacité de refroidissement les équations spécifiques sont intégrées dans le système de contrôle. La résultante du bilan thermique détermine le besoin de refroidissement de la serre. Si le bilan thermique est positif, le système de refroidissement est activé. Si le bilan thermique (BT) est négatif, le système de refroidissement ne fonctionne pas.
BT = QS + QC + QV où
BT : bilan thermique, W
3.2.4.1.Gain de chaleur en fonction du rayonnement solaire (QS)
Ce gain est évalué en fonction de la lecture du pyranomètre, multipliée par la surface au sol de la serre.
QS = P x S où
QS : gain de chaleur par le rayonnement solaire, W P : lecture du pyranomètre, W/m²
S : surface au sol de la serre, m²
3.2.4.2.Équation de la perte de chaleur par conduction et par convection (QC) :
Les paramètres qui interviennent dans la perte de chaleur par conduction sont le coefficient de transfert de chaleur, la surface de la serre exposée à l’extérieur et la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur de la serre. (ASABE, 2011).
QC = U x A x ΔT où
QC : perte de chaleur par conduction et par convection, W
U : coefficient global d’échange de chaleur pour la surface de serre, W/(m²-K) A : surface de serre exposée à l’extérieur, m²
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3.2.4.3.Équation de la perte de chaleur par la ventilation de la serre et par infiltration (QV) :
Les paramètres qui interviennent dans la perte de chaleur par la ventilation et par infiltration sont le débit volumique de l’air qui s’infiltre, le volume spécifique de l’air, la chaleur spécifique de l’air, le ratio d’humidité de l’air ambiant, le ratio d’humidité de l’air extérieur et l’enthalpie pour convertir la vapeur en eau. Les formules suivantes sont tirées de l’ASHRAE (ASHRAE Handbook, 2013).
QV = qs + ql
où
QV : perte de chaleur par ventilation de la serre et par infiltration, W et
qs = 60 x (V/v) x Cpair x ΔT où
qs : chaleur sensible, W
V : le débit volumique de l’air qui s’infiltre, m³/s v : le volume spécifique de l’air qui s’infiltre, m³/kg Cpair : capacité calorifique de l’air, J/(kg-°C)
ΔT : écart de température entre l’intérieur et l’extérieur de la serre, °C et
ql = (V/v) x (Wi – We) x ΔHvapeur eau où
ql : chaleur latente, W
V : le débit volumique de l’air qui s’infiltre, m³/s v : le volume spécifique de l’air qui s’infiltre, m³/kg Wi : le ratio d’humidité de l’air ambiant, kgeau/kgair We : le ratio d’humidité de l’air extérieur, kgeau/kgair ΔHvapeur eau : chaleur de vaporisation de l’eau, kJ/kg.
3.2.5. Performance des méthodes de R/D
3.2.5.1.Puissance moyenne de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air
Les paramètres qui interviennent dans le calcul de la puissance moyenne de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air est estimée par la formule suivante.
Qtotal = Qsensible + Qlatent où
Qtotal : chaleur totale moyenne extraite par l’échangeur de chaleur eau-air, W/m² Qsensible : chaleur sensible moyenne extraite par l’échangeur de chaleur eau-air, W/m² où
Qsensible = Mair x Cpair x ΔT / S où
Mair : débit d’air, m³/s
Cpair : capacité calorifique de l’air, J/(kg-°C)
ΔT : écart moyen de température entre l’air d’entrée et l’air de sortie de l’échangeur de chaleur eau-air, °C
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Qlatent : Chaleur moyenne extraite par l’eau condensée sur l’échangeur de chaleur eau-air, W/m² Qlatent = Veau x ΔHvapeur eau / S
où
Veau : Débit d’eau condensée, kg/s
ΔHvapeur eau : chaleur de vaporisation de l’eau, kJ/kg.
3.2.5.2.Puissance moyenne de la méthode de R/D par rideau d’eau
Les paramètres qui interviennent dans le calcul de la puissance moyenne de la méthode de R/D par rideau d’eau est estimée par la formule suivante, puisque la chaleur latente issue de la vapeur d’eau condensée est incluse dans le volume d’eau de sortie du rideau d’eau.
Qtotal = Meau x Cpeau x ΔT / S où
Qtotal : chaleur moyenne extraite par le rideau d’eau, W/m² Meau : débit d’eau, kg/s
Cpeau : capacité calorifique de l’eau, 4180 J/(kg-°C)
ΔT : écart moyen de température entre l’eau d’entrée et l’eau de sortie de l’échangeur de chaleur eau-air, °C
S : surface au sol de serre, m².
3.2.6. Évaluation du coefficient de performance moyen en refroidissement
3.2.6.1.Équation pour le calcul du COP moyen en refroidissement de la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air
Le COP moyen, coefficient de performance représente la performance énergétique d’un système. Dans le cas d’un système de R/D, il correspond au rapport entre l'énergie utile (pour le refroidissement et la déshumidification) et l'énergie consommée pour faire fonctionner la technologie de R/D.
La formule suivante sera utilisée pour évaluer le COP moyen de l’échangeur de chaleur eau-air.
COPmoy = ÉtraÉEA+ÉtrC− ÉGV
ÉP+ ÉV
où
COPmoy = coefficient de performance moyen et
ÉtraÉEA : énergie moyenne transmise à l’air par l’échangeur de chaleur eau-air, kWh ÉtrC : énergie moyenne transmise pour la condensation de l’eau contenue dans l’air, kWh ÉGV : chaleur générée par le moteur du ventilateur, kWh
ÉP : énergie nécessaire pour le fonctionnement de la pompe, kWh ÉV : énergie nécessaire pour le fonctionnement du ventilateur, kWh
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3.2.6.2.Équation pour le calcul du COP moyen en refroidissement de la méthode de R/D par rideau d’eau
La formule suivante est utilisée pour évaluer le COPmoy du rideau d’eau.
COPmoy = Éeau
ÉP
où
COPmoy = coefficient de performance moyen et
Éeau : énergie moyenne gagnée par l’eau qui passe dans la serre, kWh où
Meau : débit d’eau, kg/s
Cpeau : capacité calorifique de l’eau, kJ/(kg-°C)
ΔT : écart moyen de température entre l’eau d’entrée et l’eau de sortie du rideau d’eau, °C et
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Chapitre 4. Résultats et discussion
4.1. Fonctionnement des méthodes de R/D
Pour cette expérience, les données ont été compilées sur une année complète de production, de janvier 2011 à décembre 2011. Les résultats sont analysés selon une approche descriptive par journées types. Cette analyse statistique est utilisée pour comparer le rayonnement solaire, la température de la serre, l’humidité relative et le DPV, le positionnement des volets et la concentration de CO2 des 3 méthodes de R/D. Les résultats sont aussi comparés par un test d’ANOVA à 3 effets fixes (test de type 3). Le test de type 3 à effet fixe de l’analyse de la variance permet de conclure sur les différences significatives entre les 3 méthodes de R/D pour chaque paramètre mesuré. Le résultat de ce test fournit une valeur F, et une valeur Pr > F (seuil observé). Pr signifie probabilité et F signifie la valeur de la statistique du test d’analyse de la variance basé sur la loi de Fisher. Ce test permet d’accepter ou de rejeter l'hypothèse nulle. L'hypothèse nulle signifie qu'il n'y a pas de différences entre les 3 méthodes de R/D utilisées. Si le seuil observé est supérieur à 0,05, cela signifie que l'hypothèse nulle semble vraie et confirme qu'il n'y aurait pas de différences significatives entre les 3 méthodes de R/D comparées. Si le seuil observé est inférieur à 0,05, cela signifie que l'hypothèse nulle est écartée et qu'il y aurait une différence significative entre les méthodes de R/D. L’objectif est d’identifier la méthode de R/D la plus performante dans le maintien des conditions climatiques désirées afin de poursuivre la recherche et quantifier les rendements agronomiques (Méthot, 2016). Les méthodes de R/D par échangeur de chaleur eau-air, par rideau d’eau et par ventilation naturelle ont été utilisées en alternance. Chaque méthode fonctionnait sur un intervalle d’une semaine complète. Sur une période de fonctionnement de 10 mois, la méthode de R/D par échangeur de chaleur eau-air, la méthode de R/D par rideau d’eau et la méthode de R/D par ventilation naturelle, ont fonctionné 29 %, 10% et 61 % du temps respectivement. La méthode de R/D par ventilation naturelle est celle qui a été la plus sollicitée puisqu’elle était en fonctionnement lorsque les autres méthodes de R/D ne suffisaient pas à refroidir et déshumidifier la serre. Le nombre limité de journées de fonctionnement de la méthode de R/D par rideau d’eau est due au fait que celle-ci avait des défaillances techniques. Les défaillances techniques de la méthode de R/D par rideau d’eau ont été causées majoritairement par les orifices des buses d’injection d’eau qui étaient obstrués. Cette situation occasionnait des déviations de certains jets d’eau sur les feuilles des plantes de tomate.
L’analyse par journées types est réalisée en superposant les courbes de fonctionnement des trois technologies de R/D. Les journées types sélectionnées sont des journées de forts rayonnements solaires, puisque ces journées nécessitent un refroidissement continuel de la serre. Si le système de R/D est en mesure de refroidir et de déshumidifier la serre lors de journées chaudes et ensoleillées, il sera en mesure de maintenir les consignes de température désirées en tout temps en conservant les volets de la serre fermés,
