Recherche agronomique (1998) ,2,9- 17
INRAA
Modélisation et analyse du bilan de vapeur d'eau d'une serre cultivée. Application à la gestion du micro-climat
Boulbina A.*, Baille M.**
* INRAA (Lab. de Bioclimatoiogie) 2, rue des Frères Ouaddak H. Badi B.P.200 El-Harrach Alger. ALGERIE
** Station de Bioclimatologie INRA Domaine St Paul, site Agroparc 84914 Avignon
cedex 9 FRANCE
Résumé- Des mesures de transpiration (TR) d'une culture de rosiers en hors-sol dans des conditions in-situ a permis d'analyser les relations entre la transpiration et les conditions cli mat ic/ues régnant dans la serre. Ces mesures ont servi de base à I étahlissemenl d 'un modèle d'estimation de la transpiration (TR) basé sur le bilan de chaleur latente établi dans l'air de la
serre.
L 'ensemble des résultats obtenus lors de cette expérimentation montre cfue le Jlux de vapeur d 'eau dissipé par les ouvertures de la serre peut être simulé à travers la connaissance des pa ramètres climaticfues faciles à mesurer (température de Tair. hygrométrie de l'air, vitesse du vent et ouverture des ouvrants de Ut serre).
Mots clés : Serre/transpiration/rosier/bilan de vapeur d^eau/modélisation/ aération.
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INTRODUCTION
Les recherches dans le do maine des cultures sous serre sont orientées ces dernières années vers les études des bilans couplés de chaleur latente et de chaleur sensi ble en vue d'une meilleure compré hension des mécanismes de transfert
thermique et de vapeur d'eau (Boulard et al, 1990). Ces études
doivent déboucher sur la modélisa tion et l'évaluation de ces phéno mènes à différentes échelles de
temps et d'espace. Cette orientation
vise, à la fois, à résoudre le problème de régulation des variables, température et humidité, en tenant compte, d'une part de leurs interac tions, d'autre part des exigences de la culture. Elle permettra également de mieux gérer les apports d'eau (besoins en eau de la culture estimés au préalable) (Baille et al, 1991) Pour ce dernier point, la connais sance des pertes par transpiration (TR) à une échelle de temps fine est nécessaire, notamment pour les cultures en hors-sol (Baille et al,
1990).
Le manque actuel des con
naissances sur les besoins en eau des cultures ornementales et leur
transpiration en relation avec les paramètres du microclimat de la
serre a conduit la Station de Bio
climatologie de riNRA de Monfa-
vet. en collaboration avec la station
du Midi du CNIH à mener des expérimentations destinées à mesurer la transpiration (ou l'évapo
transpiration) de la culture dans les
conditions « in situ ».
L'étude bibliographique sur
le bilan de chaleur latente au niveau de l'air de la serre et les transferts de vapeur d'eau à différentes échelles (feuilles, couvert et serre) a permis de constater l'existence d'un
certain nombre de modèles simpli
fiés permettant d'estimer les échan ges de chaleur sous ses deux formes (sensible et latente). Ce type de modèles considère la serre comme un
volume recevant de l'énergie solaire et échangeant avec l'extérieur des
flux de chaleur sensible et de cha
leur latente provenant de la trans formation de l'énergie solaire à
l'intérieur de la serre. Le meilleur
compromis est donc d'adapter ces
modèles simplifiés en prenant un nombre réduit des paramètres spé cifiques au système serre-culture et de déterminer leurs importances par une méthode d'identification.C'est dans ce cadre, l'étude
que nous proposons vise l'analyse
des relations entre la transpirationde la culture de rosiers et les condi
tions climatiques régnant dans la serre. Cette analyse aboutit à une modélisation de la transpiration basée sur le bilan de vapeur d'eau
et la détermination du taux de re nouvellement de l'air de la serre.
10
MATERIEL ET METHODES Symboles utilisés :
TR: Flux de la transpiration du
couvert végétalTR,e; Flux de la transpiration du couvert végétal estimé par le
modèle proposé
TR,m: Flux de la transpiration du couvert végétal mesuré Es: Flux de Févaporation du sol
ou du substrat
Efv: Flux de transfert de la va
peur d'eau à travers les fui
tes et la ventilation Ec: Flux de condensation
Ea: Flux de stockage ou dé stockage de la vapeur d "eau
dans l'air de la serre
ZE : Taux de renouvellement de
l'air de la serre
ZE, e : »Taux de renouvellement de l'air de la serre estimé par le modèle proposé
ZE,b: Taux de renouvellement de l'air de la serre calculé à
partir de l'équation du bilan
de la chaleur latente v: Vitesse du vent
r^v Pourcentage de l'ouverture
des ouvrants
Hm: hauteur moyenne de la serre (m) (vol/As = 3.75 m) X\ Chaleur latente de vaporisa
tion de l'eau
A. B: Coefficient de la régression
du modèle
a, b: Coefficient de la régression
du modèle cas d'ouvrants fermés
Dispositif expérimental :
L'expérimentation a été réalisée
dans une serre en ven*e à simple
paroi enclavée, orientée Nord-Sud et installée sur le site de la stationde Midi de la Barone (France) ap partenant au Centre National Inter professionnel en Horticulture.
La seiTe expérimentale comporte les équipements suivants :
- deux ouvrants en continu lon
geant la faîtière;
- un système de chauffage par thermosiphon. L'eau chaude circule
dans des tubes en aluminium à ailet tes, situés à une hauteur de 0,30 m du sol, le long des rangs de culture.
La température de consigne au ni veau de l'air est de 16 °C;
- un système de brumisation à haute pression de type «fog-system»
émettant des gouttelettes très fines grâce à des buses de diamètre ré
duit;
- un système de fertilisation.
L'ensemble de ces équipe ments est géré par un ordinateur de climatisation (Edenland) où les
points de consigne sont implantés et
modifiés selon les exigences de laculture.
La culture de rosiers greffés,
variété « Sonia », est conduite en
hors-sol (laine de roche). Les plants, âgés de quatre ans, sont disposés en rangs dans le sens de la longueur de la serre, avec une densité de planta tion de 5 plants/m" du sol de la serre(équivalent à 35 plants/ nr de laine de roche). La culture est con duite en cueillette continue.
Mesures :
Mesures des paramètres climati
ques :
Les paramètres climatiques néces
saires à révaluation des différents
termes du bilan hydrique ou thermi que ont été mesurés. 11 s'agit de la température et de l'humidité de l'air sous serre (psychromètre à 1,50 m) et à l'extérieur (psychromètre à 6.50 m), la température du sol à deux profondeurs ( substrat à
0.10 m et du sol à 1 m), la tempéra ture de la paroi, le rayonnementsolaire global à l'intérieur de la
serre à 1.50 m du sol et à l'extérieur 6.50 m. le rayonnement net à l'intérieur de la serre à 1,50 m du sol et la vitesse du vent à l'extérieur à 6.50 m.
Mesures au niveau du couvert vé géta! :
Au niveau du couvert végétal, trois
types de mesures ont été effectués à savoir, la température du couvert végétal par radiothermométrie infra rouge, la surface foliaire par un
areametre et la transpiration desrosiers par un lysimètre pesable.
Modélisation de la transpiration de
la culture :
L'approche de simulation de la transpiration du couvert végétal
sous serre, en lonction de 1 état hy
grométrique de I air et du taux de
renouvellement de 1 air delaseiie
repose sur l'équation du bilan de
vapeur d'eau de l'air de la serre
(Bakker. 1984; 1986).Ces auteurs considèrent que la variation de l'humidité de l'air de la serre (Ea) est la résultante des flux entrant (Sources) et flux sor
tant (puits) de la vapeur d'eau. La
formulation proposée est la suivante:
TR + Es-( Ec + EFv ) = Ea (1) Cette méthode exige l'évaluation du flux de vapeur d'eau à travers la ventilation statique
(EFv) ainsi que de la condensation (Ec) au niveau des parois (surtout
celles du toit) afin d'estimer l'eautranspirée par la plante (TR) et celle évaporée par le sol (Es).
Il faut mentionner que. dans nos conditions expérimentales, la laine de roche et les allées de la serre sont recouvertes d'un pailiage
plastique blanc, ce qui nous a per mis de considérer l'évaporation du
sol comme étant négligeable (Es = 0).L'équation du bilan de va peur d'eau dans la serre prendra
donc la forme:
TR = EFv + Le ± Ea (2)
D'après les formules expri
mant les différents termes de ee
bilan, on constate que cette démar che fait intervenir deux types de
variables:
- variables climatiques : les
températures humides et sèches de
l'air intérieur ( Thi. Fai ) ainsi que celles de l'air extérieur Crho. l ao):
- variables caractéristiques de la serre : température de la paroi
du toit (Tp). difficile à mesurer, et
qui a une représentativité non évi dente. et le taux de renouvellement de Tair de la serre (ZE) qui est dif ficile à évaluer. Sa mesure nécessite une technique utilisant des équipe ments spécifiques, tel que la techni
que du gaz traceur (Kabaj. 1988).
Pour exprimer la transpira tion en unités énergétiques (wm'"), il faut multiplier les termes expri mant les tlux massiques par la cha leur latente de vaporisation. C'est sous cette lorme que 1 expression du bilan de vapeur d'eau a été utili
sée.
RESULTATS ET DISCUSSIONS Estimation du taux de renouveiie-
ment :
Pour l'estimation du taux de renou vellement ZE (en 1/2 h"') de la serre, deux cas se présentent :
- cas où les ouvrants sont ouverts;
- cas où les ouvrants sont fermés.
** Estimation du taux de venouvel-
lement avec ouvrants ouverts : Le laux de renouvellement est un paramètre difficile à estimer. Les formules existantes dans la littérature sont établies pour un type de
serres déterminé (ex: Bot, 1983.pour serres type VENLO). Dans notre cas. le taux de renouvellement
est calculé, dans un premier temps, à partir de l'équation du bilan
simplifié de chaleur latente de la serre en utilisant les mesures du climat et de la transpiration.
L application de cette équa tion sur une série de données enre
gistrées pendant la compagne expé
rimentale a permis d'obtenir un ensemble de valeurs de ZE repré
sentant deux journées avec des conditions de vent contrastées et un niveau d'ouverture des ouvrants variable (journées du 10 et 1 1 Avril 1991). Ces valeurs ont servi pour caler la relation proposée pour esti mer le taux de renouvellement qui caractérise notre serre expérimen
tale.
Ce modèle proposé pour éva luer ZE en fonction de la vitesse du vent (v) et du pourcentage d'ouverture des ouvrants (rvv) est
exprimé par la relation suivante :
ZE = (3600/Hm)A.v.i\v.Exp(-B-nv) (3)
Avec :
A = 1.493x10'^
B= 102.649x10"*
Les coefficients A et B sont identifiés à partir des données ex périmentales en utilisant une procé dure classique de régression non linéaire multiple (Algorithme de
Marquard).
Cette équation représente l'effet de f interaction des paramè tres vitesse du vent-pourcentage d'ouverture des ouvrants sur le taux de renouvellement (ZE) de l'air de
la serre.
Une comparaison des va-
leurs calculées par l'équation du
bilan de chaleur latente (ZH.b) et
des valeurs estimées par l'équation
empirique proposée (ZE,e) est illus trée par la figure 1. Le nombre ré duit des journées avec des données exploitables ne nous a pas permis
de tester la stabilité des coefficients
A et B sur des périodes différentes
z —
et contrastées. Il est à signaler la limitation de ce type de modèle
(régressif), qui dépend des condi
tions particulières de l'expérimen
tation.
X/<9 « BU. X
Fig. 1: Comparaison des valeurs calculées par l'équation du bilan de chaleur latente (ZE,b) et des valeurs estimées par l'équation empirique proposée (ZE,e) La comparaison de l'évolution des
valeurs de ZE calculées à partir du bilan de chaleur latente (ZE,b) et à
partir du modèle empirique (ZE,e), période du 12 au 14 Avril 1991, indique une similitude dans
l'évolution des valeurs de ZE obte
nues par les deux méthodes, à l'exception de quelques écarts ob-
sei-vés durant la journée du 14 Avril. Cette dernière est caractériséepar des vitesses du vent relative
ment élevées dépassant 4 m/s. Cesécarts peuvent être expliqués, en partie, par le fait que nous n'avons pas pris en compte dans la formule empirique la direction du vent et
l'écart de températures entre
l'intérieur et l'extérieur de la serre.
- Estimation du ZE dans le cas où
les ouvrants sont fermés :
Les ouvrants sont considérés fermés
lorsque leur pourcentage d'ouver ture (rw) devient inférieur ou égal à trois (3%). Les échanges de vapeur
d'eau à travers les défauts d'étanchéité de la serre sont toujours présents, avec un niveau de
ZE très réduit. Certains auteurs
(Kittas. 1980) cité par (Baille et Boulard. 1989). utilisent des formu les analytiques linéaires de type (4) pour calculer ZE en fonction de la
vitesse du vent (m/s).
ZE = av + b (4) avec : a = 0.0011
b = 0.6
Les valeurs de ZE calculées
par cette formule concernent suitout la période de nuit (lig 1 )• Les va-
14
leurs de a et b utilisées dans notre
étude sont proches de celles propo sées par le CEMAGREF (in INRA et cultures protégées, 1983) pour des serres de type ABRAM.
La figure 2 met en évidence
rinfluence de la vitesse du vent et
le pourcentage d'ouverture des ou
vrants sur le taux de renouvellement
(ZE) pour la journées du 26 Mai 1991. Nous observons que, pour un vent assez fort, ZE suit la même évolution que le niveau d'ouverture (en % ). Lorsque la serre est fermée (la nuit). ZE est fonction unique
ment de la vitesse du vent.
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Fig 2: Evolution du taux de renouvellement de Pair de la journée du 26 Mai 91
Estimation de la transpiration du
rosier :
Dès lors que le taux de renouvelle ment peut être estimé à partir des formules empiriques proposées (3) ou (4). la mesure de la température de la paroi ainsi que la mesure de l'humidité spécifique au niveau de
l'air de la serre et de l'air extérieur
suffisent pour déterminer le flux de transpiration du modèle en se basant sur l'équation du bilan de vapeur d'eau sous serre (1). En effet, l'utilisation de ce modèle a permis d'évaluer la transpiration à l'échelle demi-horaire. La comparaison des valeurs estimées avec les valeurs ob
tenues par la mesure lysimétrique est
présentée sur les figure 3.Les courbes d'évolution de TR estimée et de TR mesurée mon
trent que les valeurs prédites par le
modèle surestiment les valeurs mesu
rées. Ceci est dû, en partie, aux sim plifications adoptées pour la formula
tion de ZE. Par contre, si on considère l'estimation de TR à l'échelle de la
journée une nette amélioration de la
concordance de ces valeurs est cons tatée. Cette constatation devient en
core plus évidente sur la figure 3 où est représentée l'évolution de la transpiration moyenne journalière obtenue par les deux méthodes (mesurée et calculée), l'accord est
bon. exception faite pour la journée
du 15 Avril 1991 où une surestima tion est observée due, sans doute, à la
surestimation de ZE indiquée plus
haut.
1.^
Fig 3: Comparaison des valeurs moyennes journalières de la TR,m et de la TR,e pour la période du 12 au 22 Avril 1991
Un exemple d'évolution journalière
des différents flux du bilan de va
peur d'eau est présenté sur la figure 4. On constate que l'évolution de la transpiration (TR) et celle du flux de vapeur d'eau échangé à travers les fuites et la ventilation (EFv) sont similaires, à l'exception des inter valles où la condensation (Ec) se manifeste (\a nuit). En ce qui con cerne le stockage (ou déstockage) (Ea) de vapeur d'eau dans l'air de la
sen*e, le niveau atteint, à l'échelle demi-horaire, est pratiquement né gligeable comparé aux autres flux.
Donc, on peut conclure qu'en
l'absence de condensation, la transpiration peut être simulée par le flux de vapeur d'eau dissipé à travers la ventilation statique on retrouve la même conclusion que Baille et al.(l 990), pour des rosiers
en pot.
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Fi" 4. Evolution des différents flux du bilan de vapeur d'eau dans Pair de la serre
16
CONCLUSION
Malgré la simplicité de la représen tation de certains paramètres, la
modélisation proposée permet de simuler l'évolution de la transpira tion du couvert végétal pour la cul ture de rosiers sous serre à partir de
paramètres climatiques simples à
mesurer (humidité spécifique et vitesse du vent) et du degré
d'ouverture des ouvrants.
L'estimation de la transpira tion à partir du bilan de vapeur
d'eau nécessite la détermination préalable du taux de renouvellement de l'air de la serre par ventilation statique. Cette démarche devrait
faire appel à la technique du « gaz
traceur », qui est, à l'heure actuelle, la plus précise pour caractériser ce paramètre pour un type donné de serre. Ces mesures permettraient alors, de valider la modélisation du ZE par les valeurs mesurées et ensuite de l'utiliser pour quantifier les
transferts de vapeur d'eau par la
ventilation statique.Ce modèle nécessite d'être affiné en vue d'intégrer les trans ferts de vapeur d'eau dans des al
gorithmes de contrôle de tempéra
ture, de l'humidité et de CO2 dans une serre par le biais de la ventila tion statique.REFERENCES
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