Etude du microclimat d’une serre tunnel équipée d’un dispositif de stockage thermique dans l’eau

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Etude du microclimat d’une serre tunnel équipée d’un dispositif de stockage thermique dans l’eau

S. Bezari^1*, A. Bouhdjar² et N. Aït Messaoudène¹

1Institut de Mécanique, Faculté des Sciences de l’Ingénieur, Université Saad Dahlab, Route de Soumaa, Blida 2Centre de Développement des Energies Renouvelables,

B.P. 62, Route de l’Observatoire, Bouzaréah, Alger

Résumé - Notre travail est basé sur l’étude du bilan thermique d’une serre solaire, équipée d’un dispositif de stockage thermique dans l’eau. La fonction du système serre - dispositif de stockage est établi par un modèle mathématique simplifié en mode transitoire. La résolution de notre modèle mathématique par la méthode numérique de Runge Kutta à l’ordre 4, nous a permis de déterminer l’évolution de la température des différents éléments de la serre. Les résultats obtenus ont été comparés avec les mesures obtenues dans une serre d’expérimentation réalisée à la station de l’Institut National des Recherches Agronomiques.

1. INTRODUCTION

L’économie d’énergie constitue une des préoccupations des consommateurs, chercheurs, concepteurs. Dans la recherche actuelle dans le domaine de l’agriculture, beaucoup de travaux ont été orientés vers l’utilisation des sources énergétiques renouvelables, particulièrement l’énergie solaire pour le chauffage.

Parmi les sources d’énergies renouvelables, l’énergie solaire a attirée donc beaucoup d’attention de part le volume de travaux de recherche effectué. Le stockage de la chaleur constitue un moyen adéquat pour décaler cette utilisation de l’énergie solaire.

Ce phénomène se produit sous deux formes: - le stockage par chaleur sensible; - le stockage par chaleur latente.

Notre travail consiste à stocker de l’énergie solaire dans l’eau contenue dans des gaines en plastique, cette énergie provient essentiellement du rayonnement solaire pendant la journée. Cette énergie est utilisée pour le chauffage durant la nuit.

1.1 Dispositif de la serre étudiée

Le dispositif expérimental réalisé à l’Institut National des Recherches Agronomique à Baraki et dont nous exploitons les données, est une serre tunnel recouverte de polyéthylène basse densité (PEBD).

Fig. 1: Dispositif de stockage de la chaleur

* bezarisalah@yahoo.fr

La serre est équipée d’un système de stockage, qui est composé de 14 gaines plastiques de 20 cm de diamètre. Ces dernières sont entreposées à même le sol. La masse d’eau qui se trouve à l’intérieur des gaines est chauffée par le radiation solaire ayant traversé la couverture de la serre et l’atmosphère de la serre.

L’étude expérimentale entreprise consiste à mesurer systématiquement: les températures à l’intérieur à trois hauteurs de la serre, dans le sol à différentes profondeurs et dans le stockage, ainsi que les sollicitations extérieures.

1.2 Mode de transfert de chaleur dans la serre

La serre comme la plupart des systèmes solaires thermiques est le siége de tous les modes de transfert de chaleur (échange radiatifs, convectifs, par renouvellement d’air et par changement de phase…) qui s’effectuent d’une part entre les différents nœuds dans la serre et d’autre part entre les sous systèmes et le milieu extérieur (voûte céleste, air extérieur, sol extérieur environnant).

Les échanges thermiques qui feront l’objet de notre étude sont représentés sur la figure suivante.

1.3 Hypothèses simplificatrices

Pour établir un bilan énergétique d’une serre, un certain nombre d’hypothèses simplificatrices peuvent être considérés pour écrire des équations de la balance d’énergie, on a considéré les hypothèses suivantes:

- La capacité de la chaleur d’air à l’intérieur de la serre est négligée par rapport à la capacité de la chaleur de plante.

- Les échanges thermiques sont unidirectionnels.

- Les températures de l’air intérieur et dans le stock sont supposées uniformes.

- La végétation est assimilée à une masse d’eau.

- Les effets de bords sont négligés.

- Le rayon de courbure de la gaine est supposé être suffisamment grand devant l’épaisseur pour admettre la paroi de la gaine comme un plan.

- Assimiler la section de la serre à un demi cercle de diamètre D.

- La température du sol au delà de 1 mètre de profondeur est constante.

2. MODELISATION DE LA SERRE

• Bilan d’énergie au niveau de l’air intérieur

( )

ai c p r ai w v E S

p ai Q Q Q IGT Q Q Q Q

t d

T .d C .

m + + + = + + + + (1)

• Bilan d’énergie au niveau du couvert végétal

Le taux de flux solaire absorbé par la plante est égal à la somme du taux de flux thermique par la plante et le taux de convectif d'énergie thermique et a transpiré à un air.

( )

+Q +Q = IGR.

(

1−γ

)

.α .τ.χ

t d

T .d C .

m ^v _{v E v}

p v (2)

• Bilan d’énergie au niveau de la masse d’eau

Le bilan d’énergie au niveau du stockage est donné par le rayonnement solaire incident, la chaleur accumulée, la chaleur perdue vers l’air intérieur, les pertes thermiques de l’eau vers le sol.

( )

w wz w

p w

g Q Q

t d

T C d . m T G

I = + + (3)

• Bilan thermique au niveau de la surface du sol

L’énergie solaire incidente absorbée par la surface du sol est égale à la somme à l’énergie transmise au sol par conduction et l’énergie transmise par convection vers l’air de la serre.

( ) ( ) ( )

( )

s ss s s s

ai ss s s v s

ai

Z T A T

K

T T A h 1

B 1

R G I T G I

× −

× +

−

×

×

= α

× χ

−

×

× α

× γ

−

× τ

×

=

(4)

En considérant les capacités caloriques de l’eau et des plantes, on constate que la capacité calorifique de l’air de la serre est négligeable par comparaison, donc on peut poser [1]:

(

^m×^Cp

)

_ai = ⁰

( )

2

v E v v w g g ae , ai ai eff

ai U

T h h A T A h U T

T a + × + × × + − ×

= (5)

En effectuant certains regroupements, on obtient:

( )

v

v IGR 1

T G

I = × −γ ×τ×χ×α

( ) (

v

)

s

s IGR 1 B 1

T G

I = × −γ ×τ× × −χ×α ×α

( ) ( ) (

v

)

g

g IGR 1 1 B 1

T G

I = × −γ ×τ× − × −χ×α ×α

( ) (

s

) [ (

s

) ( ) (

g

) ]

ai IGR 1 1 B 1 1 B 1

T G

I = × −γ ×τ× −χ×α × × −α + − × −α

( ) ∑

=

= ⁵

0 i

Ri

G I t

R G I

( )

p p p

5

1 i

i h A D V C

A t

h

U = ×

∑

+ × + ×ρ× ×

=

z z s ss ai

eff IGT U IGT U T

a = + × + ×

(

v E

)

v s s g g

1 U h h A h A h A

U = + + × + × + ×

s s

s 2 s 1

2 k Z h

A U h

U +

− ×

= ;

s s

s

ss k Z h

U h

= + ;

(

s s

)

s

s A k Z h

U = × + ; _s

s s

s s

z A

h Z k

Z k

U h ×

+

= ×

On remplace (5) dans (2) et (3), après réarrangement, on obtient le système d’équations suivant:

( )

⎪

( )

⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

= +

+

= +

+

t b T . a T . t a d

T d

t b T . a T . t a d

T d

2 v 22 w 21 v

1 v 12 w 11 w

(6)

Les constantes a₁₁, a₁₂, a₂₁ et a₂₂ dépendent des paramètres géométriques et des divers coefficients de transfert de chaleur. Les constantes ^b1

( )

^t et ^b2

( )

^t dépendent des paramètres climatiques. Ces constantes sont données par les expressions suivantes:

( )

pw w

2 2 g s g

g g

11 m .C

U A . h Z h k . A a

+ +

=

( )

pw w

g g v E v

12 m .C

A . h . A . h

a h +

−

=

( ) ( )

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ − +

= +

2 v E v p

v

v E v

21 U

A . h 1 h

C . . m

A . h a h

(

v

)

⎥⎦

⎢ ⎤

⎣ + ⎡

−

=

2 p

v

g g v E v

22 U

. 1 C

. m

A . h . A . h a h

v

( ) [ ]

pw w

ae eff

2 g s g

z g g

1 m .C

T . U a U .

A . h Z .k T . A T G I t b

+ +

+

=

( ) ( ) [ ]

pv v

2 ae v eff

E v v

2 m .C

U T . U . a

A . h h T G I t b

+ + +

=

3. RESULTATS ET DISCUSSIONS

La figure 2 montre le rayonnement global calculé, en considérant la relation de Holland pour un ciel clair et le rayonnement global mesuré sur site par l’intermédiaire d’un pyranomètre Kipp et Zonen de classe 5. Les deux courbes présentent la même allure, mais avec un écart important.

Cette différence est probablement due à un ciel relativement couvert durant les journées considérées dans la partie expérimentale.

Fig. 2: Rayonnements globaux théorique et expérimental (25/02/03)

La figure 3 présente l’évolution de la température de l’air mesurée à l’intérieur de la serre et celle générée par la résolution des équations du bilan thermique. Dans ce dernier cas, le rayonnement global calculé a été exploité.

A partir de ce tracé, nous constatons que les températures obtenues par résolution numérique du modèle ont presque la même allure de celles mesurées sur site.

Ces écarts sont probablement dus, d’une part aux procédures d’essai (l’ouverture des portes) et d’autre part à la précision des coefficients utilisés dans le modèle théorique et aussi aux différents paramètres physiques.

L’augmentation de la température de l’air dans la serre est due principalement au rayonnement solaire qui est très important.

Fig. 3: Evolution de la température de l’air intérieur de la serre (mesurée, calculée) (25/02/03) La figure 4 montre les températures des surfaces présentes (sol, gaine, plante) et la températures de l’air intérieur calculées en exploitant le rayonnement mesuré. Ces calculs ont été effectués en considérant certaines hypothèses sur les états de surface (absorptivité, réflexivité, émissivité) .Il est à noter que les températures du stockage et du végétale sont proches.

Fig. 4: Evolution des différentes températures dans la serre calculées par le rayonnement mesuré (25/02/03)

La figure 5 montre l’évolution de la température du stock (masse d’eau) calculée en fonction du temps avec des différents volumes, et une comparaison avec la température dans le stock. En considérant un volume expérimental donné, on remarque l’évolution de la température calculée

du stock est presque constante. En diminuant ce volume jusqu’à 0,05 m³ et en considérant différents volumes (2; 0,2; 0,1; 0,05 m³), on atteint la température du stock mesurée. On constate que la température calculée avec la dernière valeur de la masse d’eau est la plus proche de la température mesurée.

Fig. 5: Evolution de la température du stock en fonction de temps avec différents volumes d'eau (25/02/03)

4. CONCLUSION

L’étude de l’impact du stockage thermique sur le microclimat de la serre, a montré que la température du stockage reste presque constante, quand on utilise la quantité d’eau géométriquement déterminée. La quantité d’énergie de stockage peut être augmenté en déterminant le volume de stockage nécessaire répondant à tous les besoins de la végétation.

La quantité de chaleur échangée dépend de plusieurs paramètres:

• du coefficient d’échange convectif naturel qui a une influence limitée ;

• de la surface d’échange, facteur constant dépendant du fonctionnement de la serre dont la fonction principale est la production agricole ;

• de la différence de la température qui est conditionnée par le fonctionnement de la serre.

NOMENCLATURE

A: Surface (m²) m : Masse (kg)

( )

t

b_i : Fonctions dépendant du temps Q_i: Flux de chaleur échangé (W) C : Chaleur spécifique (J/kg.K) p U : Coefficient de perte de chaleur global

(W/m².°C) h: Coefficient de transfert de chaleur

(W/m².K)

α: Coefficient d’absorption γ: Réflectivité

T G

I : Fraction d’énergie solaire absorbée χ: Fraction de surface R

G

I : Rayonnement solaire global sur la terre (W/m²)

τ: Transmissivité du film g: Gaine

v: Plante c: Couverture

w: Stockage ai : Air intérieur

s: Surface du sol p: Montants latéraux

r : Renouvellement d’air z : Profondeur du sol à 1 m.

REFERENCES

[1] M. Din, G.N. Tiwari, M.K. Ghosal, ‘Effect of Thermal Storage on the Performance of Greenhouse’, International Journal of Energy Research, Vol. 27, pp. 79 – 92, 2003.

[2] J. Duffie and W.A. Becckman, ‘Solar Engineering of Thermal Processes’, Wiley Interscience Publication, New York,(Second Edition); 1991

[3] Kittas, ‘Contribution Théorique et Expérimentale à l’Etude du Bilan d’Energie des Serres’, Thèse Docteur-Ingénieur, Université de Perpignan, 1980.

[4] A.K Lau and L.M. Staley, ‘A Design Procedure for air Type Solar Heating System for Greenhouse’, Energy in Agriculture, Vol. 6, pp. 95 – 119, 1987.

[5] R. Bernard, G. Menguy et M. Schwartz, ‘Le Rayonnement Solaire, Conversion Thermique et Applications’, 2^ème Edition, Technique et Documentation, Lavoisier, 1980.

[6] M. Grozdanov and M. DAGUENT, ‘Distribution Spatiales et Temporelles des Températures de l’Enceinte d’une serre et dans le sous-sol’, Journée Internationale de Thermique, pp 391 – 396, 1987.