N. Bibi Triki, F. Benyarou, B. Benyoucef et M.A.R. El Sayed 1

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1 Rev. Energ. Ren. : Valorsaton (1999) 77-8 Blan Thermque et Méthode d Estmaton des Besons Energétques de la Serre Agrcole Tunnel à Double Paro Consttuée dans sa Face Nord d un Mur en Panneau Sandwch N. Bb Trk, F. Benyarou, B. Benyoucef et M.A.R. El Sayed 1 Laboratore d Energe Solare, Faculté des Scences, Unversté Abou Bekr Belkad, B.P. 119, Tlemcen, Algére 1 Faculty of Engneerng, Department of Industral Producton Engneerng, Mansourah Unversty, Egypt Résumé La foncton essentelle de la serre agrcole est de créer un mcroclmat favorable aux exgences de la plante à partr des condtons clmatques extéreures locales ou régonales. Elle est défne par son ossature (forme et structure), par son enveloppe (matérau des paros) et par ses moyens technques de chauffage, d humdfcaton et de ventlaton. La serre tunnel conventonnelle est largement utlsée dans le Maghreb malgré les nsuffsances qu elle présente tel que le refrodssement nocturne ntense. S nsprant de la concepton de la serre solare passve largement répondue en Europe, nous avons conçu la serre tunnel à double paro en polyéthylène, dont le long de la face nord de la serre est consttuée d un mur en panneau sandwch. Cette étude nous permet de mettre en évdence les facteurs qu contrbuent à la modfcaton du mcroclmat et d en apprécer le pods. La noton de rentablté de l agrculture est étrotement lée aux facteurs clmatologques, au développement et à la modélsaton des serres. Abstract - The essental functon of the agrcultural greenhouse s to create a mcroclmate favourable to the requrements of the plant startng from the local or regonal external condtons clmatc. It s defned by ts framework (form and structure), by ts envelope (materal of the walls) and by ts average technques of heatng, humdfcaton and ventlaton. The conventonal greenhouse tunnel s largely used n the Maghreb n spte of the nsuffcences whch t presents such as ntense nght coolng. Takng as a startng pont the desgn of the solar greenhouse passves largely answered n Europe, we desgned the greenhouse tunnel wth double polyethylene wall, of whch along the northern face of the greenhouse conssts of a wall n sandwch panel. Ths study enables us to hghlght the factors whch contrbute to the modfcaton of the mcroclmate and to apprecate the weght of them. The concept of proftablty of agrculture s closely related on the clmatologcal factors, the development and the modelsaton of the greenhouses. Mots clés: Serre tunnel - Mcroclmat - Echanges thermques - Apports énergétques. 1. INTRODUCTION L objet de notre étude, est d exprmer sous forme mathématque les échanges thermques qu se développent dans ce type de serres. Les modfcatons les plus mportantes sont apportées au blan des échanges radatfs dans le spectre solare et de l nfrarouge (effet de serre). Cette étude nous permet d en dédure la méthode d estmaton prévsonnelle des besons de chauffage de la serre en queston pour des températures de consgnes ntéreures. Le transfert de chaleur et de masse par conducton - convecton, l évaporaton suve de condensaton, par renouvellement d ar et par rayonnement thermque sont présents auss ben au nveau du sol qu à celu des paros. Ces dernères étant dotées de très peu d'nerte, le prncpe de conservaton de l énerge s y applque. Les équatons proposées par Gac et Bartol, confrmées par les expérmentatons pratquées par le CEMAGREF, consttuent la base de nos travaux. L améloraton de l effet de serre et la dmnuton des déperdtons par convecton - conducton rédusent l apport énergétque d une proporton apprécable.. PRESENTATION DE LA SERRE La serre que nous avons conçu comporte d une part sur la face sud et les côtés latéraux, une couverture transparente composée de deux flms en polyéthylène (PE) dstants de 10 cm en moyenne, et d autre part sur la face nord d'un mur en panneau sandwch. Ce mur est consttué de tôles galvansées en TN0 d'épasseur de 7/10 fxées sur l ntéreur de la serre, pus d un espace vde et de plaques en polystyrènes de 3 cm d épasseur enveloppées de l extéreur par le flm en polyéthylène (PE). La hauteur maxmale de ce derner est chose de façon à ne pas porter ombrage aux cultures sous serre, l permet d une part l solaton thermque de la serre et d autre part d assurer la foncton d écran réflecteur de rayonnements. Les plantatons proches de la couverture transparente se développent généralement plus lentement que celles du centre de la serre. Ce développement tardf est dû partculèrement aux échanges radatfs ntenses de nut, aux déperdtons par conducton - convecton et à la fute d ar à travers la parte basse de la double paro. Pour 77

2 78 N. Bb-Trk et al. rédure ces déperdtons thermques, nous avons prévu l nstallaton de plaques en polystyrène d épasseur de 3 cm en soubassement entre les deux paros en polyéthylène et le long du pérmètre de la serre. La hauteur de ces plaques au dessus du sol peut attendre 0,5 m sans rsque de fare ombrage aux plantes. Les déperdtons par futes d ar assez mportantes de nut au nveau des portes ont été résolu en parte par l utlsaton de fermetures souples se jognant par curseurs. Il est possble de prévor des portes avec jonts en caoutchouc étanches plus coûteuses. Fg. 1: Serre à double paro consttuée dans sa face nord d un mur en panneaux sandwch.1 Caractérstques géométrques de la serre Hauteur du panneau sandwch B en m Superfce du panneau sandwch S ps = B.L en m Superfce de la couverture transparente S p = L. (1,57. l - B) en m Tableau 1: Caractérstques du panneau sandwch Matéraux Conductvté en /m.k Epasseur en m λ TN λ p0 Tôle galvansée en TN 0 Polystyrène expansé Polyéthylène (PE) λ p E TN E p0 E p Clmat ntéreur : Les températures ambantes ntéreures de consgne sont : T a = 85, 88, 91 et 93 K.. Hypothèses Les températures respectves des paros, ntéreure (T pl ) et extéreure (T p ) sont supposées unformes, partculèrement vérfées la nut. Les températures du sol extéreur (T e ) et du sol ntéreur (T ) sont supposées unformes. L unformté de (T ) dans les serres de dmensons peu mportantes est manfestement fausse. Dans ce cas, l est judceux de prendre la moyenne pondérée des températures. L unformté de la température de l ambance nterne (T a ) est condtonnée par une turbulence suffsante de l ar à l ntéreur de la serre. L atmosphère externe est dotée d une température (T ae ) qu dffère peu à des nveaux compatbles avec les hauteurs des serres. La voûte céleste, en tant que source et absorbante de radatons, est équvalente à un plan nor ndéfn de température absolue (T c ), calculée ou détermnée à l ade de dspostfs approprés. Les paros p l et p, le sol extéreur et le sol ntéreur sont consdérés comme corps grs dont les émssvtés respectves sont ε p1, ε p, ε e et ε. Les paros en polyéthylènes sont supposées d nerte thermque néglgeable au regard des vtesses de varaton de températures attentes par les mleux envronnants. Ans à chaque nstant le prncpe de conservaton de l énerge peut lu être applqué. 3. ECHANGES THERMIQUES AU NIVEAU DE LA PAROI DE NUIT La somme des pussances échangées par conducton - convecton (Q) et celles échangées par rayonnements (P) au nveau de la paro p l en polyéthylène est nulle (prncpe de la conservaton de l énerge). P = Q + 0 (1)

3 JNVER : Blan Thermque et Méthode d Estmaton des Besons Energétques Expresson de la pussance d échanges par rayonnements IR de nut au nveau de la paro p 1 P p1 Y + 1 Y + 1 Y σ. T p1 (1 τ). T p1. τ.tc. τ.te.t. Sp1 Y Y Y Y = () Les quanttés F p1, F ep1, F ep1 et F plp désgnent les facteurs d angles respectfs et sont tels que : F p1.s p1 = F p1.s = S et F p1 = 1/Y ; F cp1 = (Y+1)/Y ; F ep1 = (Y-1)/Y ; F plp.s p = F ppl.s pl = S p1 car F ppl = 1 Sachant que les émssvtés ε pl, ε e et ε sont proches de l unté, nous pouvons donc alléger les calculs en supposant que ε p1 = ε e = ε = 1. Modfcaton des pussances d échanges par rayonnements IR au nveau de la paro p1. a. S la paro p est totalement transparente aux rayonnements nfrarouges, sot τ = 1. Dans ce cas, l équaton () exprme la pussance d échanges au nveau de l enveloppe d une serre à smple paro. b. S la paro p est totalement opaque aux rayonnements nfrarouges, sot τ = 0. L équaton () est rédute aux échanges par rayonnement IR entre la paro p l et la paro p d une part, et la paro p l et le sol ntéreur à la serre d autre part. Dans ce cas, l effet de serre est maxmum. 3. Expresson de l'équaton des échanges par conducton - convecton au nveau de la paro p 1 Paro 1. Ambance nterne Qp1/ a = ha. Sp1 (Tp1 Ta ) Paro 1. Ambance nter-paros Qp1/ p = hp. Sp1 (Tp1 Tp ) L équaton des échanges par conducton - convecton au nveau de la paro p l aura pour expresson : Q = S [(h + h ). T h. T h. T ] (3) cc p1 a p p1 a a 3.3 Le blan thermque de nut au nveau de la paro p l aura pour expresson Y + 1 Y Y = + + σ τ + τ + 1 σ.. T p1 (h a h p ).T p1 h a. T a h p.t p (1 ). T p..tc. τ.te. T () Y Y Y Y. ECHANGES THERMIQUES AU NIVEAU DE LA PAROI DE JOUR La voûte céleste est supposée assmlable à une double source de radatons dans les domanes, de l nfrarouge précédemment présenté, et du vsble dont l émsson obét à la lo de Lambert. La paro p l absorbe dans le vsble : ' P p1 Y 1 + r k1 (1 k ) E 1 + re + (1 k1 ). Sp1 Y p p = (5) où k 1 et k respectvement les coeffcents d absorpton des paros 1 et. L équaton générale d équlbre sur la paro 1 devent : Y + 1 Y Y 1 σ.. T p1 + (h a + h p ).T p1 = h a. T a + h p.t p + σ (1 τ). T p +. τ.tc +. τ.t Y Y Y Y 1 + r k (1 k ). E 1 + r + (1 k ) 1 e 1 Y e 1.T Y 5. METHODE D ESTIMATION DES BESOINS DU CHAUFFAGE DE LA SERRE TUNNEL A DOUBLE PAROI AYANT AU NORD UN MUR EN PANNEAU SANDWICH Il est recommandé d estmer les besons de chauffage d une serre à l échelle régonale et sur une base de temps adéquate. Ces estmatons permettent de meux gérer les calendrers culturaux et d orenter les besons énergétques. Le terme d évapotranspraton ou de condensaton, ans que le terme d échanges de chaleur avec le sol ont été néglgés, ce qu est partculèrement concevable la nut [1]. Le chauffage est jugé ndspensable généralement pendant la nut où la température moyenne de l ar ntéreur est nféreure à la température de consgne (T a ). Le blan de chauffage mensuel de la serre tunnel à double paro ayant au nord un mur en panneau sandwch : 3 Ech = dn. dm ( Qrs + Qccs + Qfs ).10 kwh / mos / m sol (7) (6)

4 80 N. Bb-Trk et al. 5.1 Estmaton du refrodssement nocturne par rayonnements nfrarouge Consdérons l équaton () qu exprme la pussance d échanges par rayonnement IR par cel clar. Il convent d estmer la proporton d heures de nut à cel clar à partr de la fracton d nsolaton apprécée de jour. nombre d' heures d'nsolaton f = Durée du jour Il est adms que la température de la paro (T p ) est assez vosne de la température de l ar extéreure (T ae ) et que : ( T ae - T c ) = ( T p - T c ) = 7 K par cel couvert. Les déperdtons nocturnes par rayonnements IR pour la serre tunnel à double paro ayant le mur en panneau sandwch ont pour expresson : 8 Sp1 Qr =,7510. [ Tp 1,19(1 τ). T p τ(1 f )(Tp 7) S (8) τ.f. Tc 0,19. τ. Te 0,81. T ] en W/m sol 5. Estmaton des déperdtons par convecton - conducton au nveau de la paro p l Le mur en panneau sandwch exstant le long de la face nord de notre serre lmte en parte les pertes thermques : ( T T ) en W / m de panneau Φ ps = Ks a ae avec Ks : coeffcent de transmsson, dt utle du panneau e = + + λ + Ra en W / m. K Ks ha hae L INRA de Montfavet propose les expressons suvantes pour les coeffcents de transfert de chaleur par convecton : 0,5 ha =,8( Ta Tp1 ) en W / m.k 0,5 1,6 hae = 1,53( Tp Tae ) + 9,38 U en W / m.k Les déperdtons par convecton - conducton ont pour expresson : K (u). Sp1 + Ks.Sps Qccs = (Ta Tae ) en W / m.k (9) S où K (u) est le coeffcent global d échanges ep = + + λ + ' Ra en W / m. K K (u) ha hae p Remarque : Les servces de la météorologe natonale mesurent la vtesse du vent (U 10 ) à 10 m de hauteur. Il est possble d estmer la vtesse du vent à la hauteur des serres en utlsant les expressons suvantes [1] : U = m = 0,77. U10 et U3,5m 0,85. U Estmaton des déperdtons par futes q fs Q fs = R (u). V S. K p. R 0. (H nt H p ) en W / m avec R(u), le taux horare de renouvellement d ar estmé à l ade des valeurs de Gac par : R (u) = 0,6 + (0,0U + 0,008). U et K p, le facteur proportonnel d solaton B Où : K p = 1 1,57. l 6. COMPARAISON AVEC UNE SERRE TUNNEL CONVENTIONNELLE Dans notre régon, l effet de serre du à l apport solare est suffsant durant le jour la plus grande parte de l année. Le refrodssement est essentellement nocturne. L échantllon d enregstrement de températures des ambances ntéreures et extéreures résultant de pluseurs réalsatons expérmentales et représenté par la fgure permet de mettre en valeur les modfcatons thermques suvantes : Le début du refrodssement nocturne de l'ambance nterne est retardé de 50 à 90 mn envron selon les condtons clmatques de la journée (cel clar ou couvert). Elévaton de la température mnmale de l'ambance ntéreure de à 7 'C. h 1.K

5 JNVER : Blan Thermque et Méthode d Estmaton des Besons Energétques 81 Refrodssement plus lent par rapport aux chutes aguës de températures enregstrées dans la serre conventonnelle Fg. : Courbes des températures enregstrées du 1 er au 9 Mars Température de l atmosphère externe Température ambante nterne de la serre conventonnelle xxxxxx Température ambante ntéreure de la serre à double paros solée par le mur en panneau sandwch La fgure 3 représente les besons énergétques mensuels allant de novembre 1997 au mos de ma 1998 pour le chauffage des deux serres classque, et à double paro solée par le mur en panneau sandwch. Les partes en grs consttuent la quantté d énerge à économser mensuellement dans notre modèle de serre. Fg. 3: Comparatf des apports énergétques de chauffage des deux serres, classques et à double paros solée par le P.S et économe en énerge à réalser sur notre modèle (parte en grs), année hvernale Le tableau représente les quanttés d énerge à dépenser par mètre carré (m ) de sol courant de l année hvernale pour le chauffage des deux serres en queston suv des pourcentages d économe d énerge à réalser par température de consgne. Tableau : Apport énergétque par serre durant l année hvernale 1997/1998 Apport énergétque d chauffage Année kwh/m sol Econome d énerge Température ntéreure Serre Tunnel Serre à double de consgne Ta (K) conventonnelle Paro solée P.S kwh/m sol % 85 71,7 Pas nécessare de chauffer ,7 17,5 11, 3, , 00,8 130,6 39, ,1 55,8 1,3 3,7

6 8 N. Bb-Trk et al. 7. CONCLUSION L élaboraton de ce blan thermque a perms de dédure la méthode d estmaton des besons énergétques de chauffage de ce type de serres. L ntérêt de cette méthode résde dans la smplcté de son applcaton. Elle permet de régonalser l estmaton prévsonnelle de l énerge à partr des données clmatologques fournes par la météorologe natonale. Les équatons de ce blan confrment la dépendance entre le mleu ambant ntéreur et le clmat envronnant. Le mur en panneau sandwch est consdéré dans notre étude smplement en tant qu solant thermque, alors que nous avons néglgé par manque de moyens de mesures son rôle d écran réflecteur de rayonnements nfrarouge. Celu-c nflue postvement sur l effet de serre et sa résoluton permet de précser davantage l estmaton prévsonnelle des besons de chauffage. La couverture en double paro assure une évoluton plus lente et meux régulée des températures à l ntéreur de la serre. Elle nflue sur les échanges par conducton - convecton, grâce à l mmoblsaton relatve ou peu turbulente de la couche d ar nter - paros. Par contre elle rédut sensblement l rradaton ncdente essentellement due à la réflexon de la lumère de l ordre de 10 à 1 % et par absorpton des UV de l ordre de 3 à 6 %. Ces pertes de lumère relatvement fables nfluent peu sur l étalement et la crossance de la culture sous serre dans notre régon. L amortssement de la structure du panneau sandwch et de l enveloppe à double paro est relatvement rapde comparatvement à l économe d énerge à réalser. NOMENCLATURE T : température (K) F xy : Facteur d angle de x vs-à-vs de y S : surface (m ) ε : facteur d érnssvté V : Volume (m 3 ) σ : Constante de Stéphan (σ = 5, W/m K ) U : vtesse de l ar (m/s) E : émttance dans le vsble de la voûte céleste (W/m ) Ra : résstance de la lame d ar P xy : Pussance échangée par rayonnement entre les faces x et y en W R 0 : masse volumque (R 0 = 1,5 K) h a, h p : coeffcent d échanges superfcels entre la paro 1 et l ar ntéreur à la serre et la paro 1 et l ar nter-paros (W/m K) Dn : durée moyenne de la nut mensuelle H nt, H p : Enthalpe de l ar ntéreur et de nter-paros (Wh/kg) Dm : nombre de nuts par mos τ : coeffcent moyen de transmsson de la paro en nfrarouge K : coeffcent d absorpton de la paro r : albédo Indces p : paros en polyéthylène, p s : panneau sandwch : sol ntéreur, e : sol extéreur, a : ar ntéreur ae : ar extéreur, p : ar nter-paros, c : voûte céleste REFERENCES [1] G Tardy, Les Economes d Energe dans les Serres, Essas, Promoclm, Tome 13E-N, Avrl 198. [] J. Damagnez and J.P Chapale, Recent Developments n Research on the Mcroclmate of Greenhouses : Applcatons to Plastc Greenhouses, INRA, Enc to T58. [3] R. Dognaux, Traté de l Eclarage Naturel des Serres pour Végétaux, Edton [] J. Damagnez, Influence du Clmat Régonal sur la Défnton du Clmat des Serres - Stuaton Partculère des Régons Médterranéennes, Symp, Avgnon, 30 Avrl - Ma [5] J.P. Chapale, A. Moreno et J. Damagnez, Influence du Clmat Extéreur sur le Mcroclmat des Serres au Nveau de la Surface d Echange, Coll. ISHS. [6] F.M. Antono, A.M. Slva and R. Rosa, Solar Irradaton Insde a Sngle Span Greenhouse wth Shadng Screens, J. Agrc. Engng. Res., 199. [7] B. Nelsen and H. Madsent, Identfcaton of Transfer Functon for Control of Greenhouse Ar Temperature, J. Agrc. Engng. Res., [8] O. Jollet and Horttrans, A Model for Predctng and Optmzng Humdty and Transpraton n Greenhouses, J. Agrc. Engng. Res., 199. [9] N. Bb-Trk, F. Benyarou et M. Horan, Blan Thermque et Méthode d Estmaton des Besons Energétques de la Serre Agrcole à Double Paro, Internatonal Meetng on Heat Transfert, JITH, Monastr, Tunse, [10] N. Bb-Trk, F. Benyarou et B. Benyoucef, Blan Energétque et Méthode d Estmaton des Besons Thermques de la Serre Agrcole Tunnel ayant un Mur en Panneau Sandwch, Internatonal Meetng on Energetc Physcs, SIPE, Béchar, [11] M. Bollnger, Intérêt et Développement des Cultures Protégées sous Abrs Plastques en Algére pour la Producton Maraîchère, Expert FAO.