Contribution au chauffage et à la ventilation d une serre de culture en période hivernale.

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1 ACMA 2012 May 09-12, 2012 Fez, Morocco Conrbuon au chauffage e à la enlaon d une serre de culure en érode hernale ad Mahlouf*, Hafdha Maouel, *Laboraore de Mécanque, rucures e Energéque, Unersé Mouloud Mammer de z-ouzou 15000, Algére, Déaremen de Géne Mécanque, Faculé du Géne de la Consrucon, Unersé Mouloud Mammer de z-ouzou, Algére sadmahlouf@yahoocom hafdhamaouel@yahoocom Résumé Cee éude ore sur la smulaon du clma nerne d une serre agrcole, en érode hernale, sur la base d un modèle éabl à arr des blans d énerge e de aeur d eau dans la serre Les résulas obenus au cours de la smulaon du clma d une serre de culure aec un égéal e équée d un sysème de chauffage son comarés à ceu d une serre non chauffée L obecf sé es de déermner le au de renouellemen d ar, echnque ulsée our la déshumdfcaon de l ar, en foncon de la ussance de chauffage, qu réalse le melleur comroms énergéque e qu manen l humdé à l néreur de la serre, à un neau acceable Arès aor décr les hénomènes hysques, les équaons qu les gouernen e la méhode de résoluon de ces équaons, nous aons élaboré un rogramme de calcul de eméraure e humdé à l néreur de la serre e nous l aons aldé ar comarason aec les smulaons effecuées sous le code de calcul fluen Nous aons ulsé ce derner code our analyser le schéma de crculaon de l ar à l néreur e à l eéreur de la serre, le cham de eméraure e le cham d humdé dans les condons omales éables ar le modèle analyque 1 Inroducon La serre agrcole consue un sysème bologque e énergéque comlee dans lequel la luar des modes de ransfers hermques son ms en eu C es un mleu confné mean en eu de nombreu mécansmes hysques e bologques, qu ne euen êre décrs d une manère récse Le mcro clma qu s nsaure au sen de la serre es la résulane des condons clmaques eéreures, des roréés hermo-hydrques des élémens de la serre e de l nfluence des sysèmes arfcels de conrôle du clma (el le chauffage e la clmasaon Ans les échanges se fon ar conducon au raers du sol, conecon à la surface de la couerure, des lanes, du sol (e des échangeurs éenuellemen, éaoraon au neau du sol e des lanes, condensaon sur la couerure e le feullage Ces échanges son dus égalemen au renouellemen d ar, rooqué ar la erméablé de la serre ou ar enlaon mécanque forcée, e au aors solares à raers le maérau de couerure Il y a enfn les échanges radafs de grande longueur d onde enre les dfférens élémens La comleé du modèle n es as seulemen lée à la dersé des hénomènes hysques rs en come mas elle roen auss de la formulaon mahémaque comlquée de cerans rocessus naurels, our lesquels les équaons son souen non lnéares Or, l n ese as de méhode analyque générale our résoudre ces sysèmes Dans ces roblèmes, le recours au méhodes numérques s aère

2 ndsensable, auan que l emlo des calculaeurs Le raemen numérque des équaons ar ordnaeur confère au modèle clmaque son qualfcaf de numérque Ces dernères années luseurs éudes sur le clma e l écoulemen d ar sous serre on éé réalsées e on donné des résulas sgnfcafs [1-3] Cee éude s nscr en comlémen de ces raau [4-6] L aéraon des serres ar l nermédare d ourans es un des moyens de conrôle des aramères clmaques de la serre [7-8] e erme: - de réguler la eméraure dans la serre, - de lmer l humdé de l ar afn de rédure ou d élmner le déeloemen de ahologes fongques, el que le borys, - d assurer l almenaon des lanes en doyde de carbone ar le renouellemen d ar Nous aons d abord commencé ar smuler numérquemen le mouemen de l ar dans une serre mlanée mas non chauffée, à dfférenes ouerures Ensue nous aons consdéré le cas d une serre chauffée Nous aons u déermner les boucles de conecon à l néreur de la serre, les rofls de eméraures e de esses our ces dfférenes confguraons, en renan en consdéraon le double effe de la égéaon (comme à la fos source de aeur e us de chaleur Le bu essenel de cee éude es édemmen le conrôle de l hygromére ar le chauffage combné au renouellemen d ar, c es donc la recherche d un comroms enre le chauffage e la enlaon qu es sé c 2 Modélsaon du roblème 21 Equaons générales La modélsaon des écoulemens de fludes consse à déermner en ou on e à chaque nsan les arables rerésenaes de l écoulemen, à saor: - La resson P, la masse olumque ρ, le eceur esse e ses ros comosanes, la eméraure e la concenraon des dfférens gaz (aeur d eau e CO 2 Afn de smlfer le roblème, on adoe les hyohèses suanes: - Le flude es newonen, - L aromaon de Boussnesq es reenue, - Les forces de olume ne son dues quà laccéléraon de la esaneur, - Le flude es comlèemen ransaren (coeffcen d absoron nul our le rayonnemen abs = 0 Pour éablr les équaons régssan ces écoulemens, nous ulsons les rnces de conseraon de la mécanque e de la hermodynamque Ans, on écr les équaons de conseraon de: la masse, la quané de mouemen (équaon ecorelle équalene à ros équaons scalares e de l énerge À ce sysème d équaons s aoue l équaon de ransfer de masse (relae à la aeur d eau On oben au fnal, le sysème suan:

3 D c q a c q c, * ² ( ² ² ( ² 1 ( 0 (1 22 Modélsaon de la urbulence Même s l s aère que les équaons résenées récédemmen resen rerésenaes des mouemens nsananés en régme urbulen, les moyens de calcul acuels ans que les modes de résenaon des résulas ne ermeen as encore une smulaon drece de la urbulence Le mode de résoluon dscre ulsé ose auss un roblème maeur Il es en effe mossble de smuler des ourbllons don la alle es nféreure à quelques malles Pour oues ces rasons, nous sommes donc amenés à emruner une aroche sasque de la urbulence qu es celle de Reynolds Pour rendre en come les effes de la urbulence, nous aons oé our le modèle -ε sandard, qu es le lus aroré our ce ye de roblèmes à couche lme large Des nconnues sulémenares aarassen alors ar raor au régme ermanen dans le sysème d équaons (2 c-dessous où les cnq consanes emrques de ce modèle rennen les aleurs résenées dans le ableau1: (2 ( ( ( ² 1 0,, 2 1, P D C C C c q a F u Ces équaons son assocées au relaons de Boussnesq suanes:,, 3 2 ( 3 2 ( (3 1 C C 192 C ableau 1 Les consanes usuelles du modèle sandard

4 a Pr Dw c (5 (4 23 Prse en come de la égéaon sous serre Nous ouons modélser les eres de charge à la raersée du égéal à l ade de l équaon de Forchhemer [10, 11], qu calcule les eres de charges dans les mleu oreu à arr de l équaon suane: C f (6 es la erméablé nrnsèque du mleu e C f, le coeffcen de ere de charge non lnéare [12] 24 Équaon du blan dénerge our la égéaon Fg 1 Rerésenaon du blan d énerge our le égéal Le blan d énerge en régme ermanen éabl our la égéaon es: dr( z LAI L E 2LAI C 0 dz (7 où dr( z dz es le flu radaf ncden, LAI L E, le flu de chaleur laen e 2 LAI C, le flu de chaleur sensble [13,14]: 3 mulaons 31 Descron du roblème éudé La serre ulsée es de ye mono chaelle, de dmensons suanes: 20 m de longueur, 646 m de largeur e 535 m de haueur (or fgure 2; elle ossède deu ourans en chenau modulables La smulaon a éé fae sur ce ye de serre our le clma de la régon de z- Ouzou ( de laude Nord e de longude Es Le chauffage es assuré ar la

5 crculaon d eau chaude dans des ubes arallèles au rangées de égéaon, se rouan à 30 cm au-dessus du sol e lacés au erémés de ces rangées Fg 2 éudée chéma descrf de la serre Les rangées on 2,1 m de haueur, 07 m de large e son séarées ar des allées de 07 m de largeur L ndce folare LAI (m 2 de feulles/m 2 de sol es rs égal à 3 (en général 1<LAI<4 La égéaon es consdérée comme source ou us de chaleur e de aeur deau (caure du rayonnemen e ransraon 32 Condons au lmes - Le rofl de esse de l ar eéreur, son humdé e sa eméraure son connues Pour les condons clmaques consdérées, nous aons rs e = 14 C, w a =74g /g as - A la fronère suéreure nous aons mosé une dfférence de resson nulle - Aors de chaleur : Le flu de chaleur dû au rayonnemen solare reçu au neau de la couerure e resué à l ar ar conecon sur la face nerne, es esmé à une ussance de W ar m 3 de couerure, our un rayonnemen global eéreur Rg=171 w/m 2, en suosan que Ф con = 6% R ge [9]: Le flu conecf resué ar le sol à l ar es esmé ar la relaon suane [9]: R sol R (1 a R ge K c LAI (1 a e( 2 (8 Où R s rerésene le flu solare aegnan le sol Il es calculé en suosan que l ensemble de la surface de la serre es mlanée mas aec une haueur de égéal égale à la moé de sa aleur réelle Pour un albédo a=023, le flu échangé aec l ar es de 27 w/m 2 4 Résulas e nerréaons 41 Cas d une serre lanée non chauffée Les smulaons effecuées our les dfférenes ouerures à l enrée e à la sore de la serre, nous on erms d obenr les chams dynamque e hermque suans : Chams de esses (m/s :

6 Fg 3: Cham de esse ouerure10cm/10 Cm Fg 4 : Cham de esse ouerure20cm/20 Cm Au neau des ourans, en amon e en aal de la serre, les esses son lus éleées qu à l néreur de la égéaon ur oues les fgures, nous obserons une recrculaon de l ar créan ans des ore, qu changen de oson e de damère d une ouerure à une aure Les esses à l néreur de la serre son d auan lus moranes que l ouerure es grande La esse mamale es aene au somme du o de la serre Chams de eméraure (K : Fg5:Chams de eméraure, ouerure10/10(cm Fg6:Chams de eméraure ouerure 20/20(cm Ces llusraons ermeen de rendre come de l héérogénéé des eméraures à l néreur de la serre La eméraure es lus éleée dans les recons de la serre à l abr du en En effe, ce son des zones qu son les mons enlées, comme le cas de la oron de sol se rouan enre les rangées de égéaon Cee zone es d alleurs la lus chaude car elle reço en lus le flu solare dans son négralé Pluseurs cas d ouerure on éé smulés à arr des mêmes condons our l ar eéreur ( e =14 C Nous aons racé, dans la fgure c-dessous, la courbe de la eméraure moyenne de l ar à l néreur de la serre en foncon du au de renouellemen: Fg7: araon de la eméraure moyenne de la serre en foncon du au de renouellemen

7 el que le au de renouellemen τ [9, 15, 16], ermé ar l eresson suane: Gm (Kgs -1 : flu massque d ar à raers les ourans (aec l hyohèse de conseraon de la masse ; ol, olume de la serre 560 m 3 La eméraure moyenne néreure remone à 15,5 C lorsque le au de renouellemen es rès fable, en rason de l effe de serre Pour des ouerures lus moranes, corresondan au au de renouellemen éleés, les eméraures moyennes néreures éoluen rogressemen ers la aleur de la eméraure eéreure L allure de la courbe rese la même que celle obenue dans la référence [16] 42 Cas d une serre lanée e chauffée Nous nous sommes lacés dans les mêmes condons clmaques que dans le cas récéden e nous aons smulé our des ouerures de 10, 20, 30, 40, 50 e 60 cm, le cham de eméraure dans une serre chauffée aec des ussances de chauffage de 75, 87, 100, 113 e 125 W/m 2 (le flu es ramené c au m 2 de surface du sol Nous aons obenu les résulas suans: Chams de eméraures (K : Fg8: Ouerure 10cm-10cm ; Pch=75 W/m 2 Fg9 : Ouerure 20cm-20cm ; Pch=125 W/m 2 Concernan les chams de eméraure, on remarque un graden moran au neau du sol, comme dans le cas de la serre non chauffée e cec ouours au neau de la zone suée enre les rangées de égéaon Pour les fables ouerures, le chauffage rese effcace our le neau général des eméraures dans la serre Dans le cas des grandes ouerures, même lorsque la ussance de chauffage es morane, son effe rese fable e les eméraures dans la serre son assez osnes des eméraures eéreures Des smulaons on éé faes aec d aures condons eéreures où nous aons noammen consdéré le cas erême où la eméraure eéreure aen son neau moyen le lus fable (moyenne des eméraures mnmales sur 10 ans L éoluon des eméraures e humdé dans la serre en foncon des ussances de chauffage erme alors de déermner la ussance mnmale à nsaller dans la serre, celle qu erme de réalser les condons déales our une culure donnée Le cas raé c corresond à des condons eéreures, e =58 C e R ge =1375 W/m 2 Dans cee suaon, le calcul ar le modèle analyque donne un rayonnemen au sol R sol =21W/m 2 e la ussance olumque au neau de la couerure esmée à W/m 3 Aec des ussances de chauffage de 1256, 1382, 1507 e 1884 W/m 2, on oben les courbes suanes:

8 Fg 10: Rerésenaon des eméraures moyennes néreures en foncon du au de renouellemen e des ussances de chauffage Cee courbe es néressane car elle erme de régler la ussance de chauffage en ue d assurer à l néreur de la serre une eméraure de confor, éan donné le au de renouellemen mosé ar les besons en CO 2 de la lanaon Cee éude nous a erms de or, d une manère assez récse, e our dfférenes condons eéreures, l héérogénéé des arables clmaques e la dsrbuon de la ransraon d un couer égéal de omaes Ceendan, elle ne rensegne en aucun cas e d une manère drece, sur le hénomène de chauffage-enlaon C es arès un grand nombre de smulaons qu on eu abour au cas omau (ussance de chauffage e au de renouellemen Pour cerner le roblème e comléer cee éude, on a recours à un rogramme analyque écr en langage PACAL Il s ag d abord d omser le hénomène de chauffage-enlaon, en d aures ermes, la recherche du comroms ussance de chauffage- au de renouellemen, our déférenes condons eéreures (rayonnemen global, eméraure, humdé relae La sraége adoée es la recherche de la eméraure e de l humdé de consgne de l ar amban our assurer un melleur déeloemen des lanes Le rogramme comore : un ceran nombre de consanes, quelques foncons usuelles e un ceran nombre de données à necer, elles que : - La eméraure de l ar eéreur, la eméraure de consgne de l ar amban, Le rayonnemen global eéreur, l humdé relae eéreure, l humdé relae de consgne Pour une humdé relae Hre de l ar eéreur fée à 50%, 60%, 70% us à 80%, on fa arer la eméraure de l ar eéreur de 5 C à 15 C comme condons d enrée du rogramme On manen la eméraure néreure à 16 C e on raroche auan que ossble l humdé relae néreure Hra de 80% Pour chaque cas de fgure, on cherche la ussance de chauffage nécessare e le au de renouellemen à alquer our réalser ces condons de consgne du clma néreur (16 C, 80 C On eu égalemen lre sur ces ableau les aleurs de la resson de aeur 5 Résulas e nerréaons: On consae à raers les résulas obenus que, la ussance de chauffage déend rès fablemen ou as de l humdé relae eéreure mas ar conre, elle déend foremen de la eméraure eéreure e du rayonnemen global eéreur Le au de renouellemen raqué ne déend que du rayonnemen eéreur

9 De lus, la eméraure du égéal ne déend as de l humdé de l ar eéreur, sa aleur augmene aec le rayonnemen, cela s elque ar le rayonnemen ne nerceé ar les lanes On eu égalemen noer que : La ussance de chauffage es drecemen lée à la eméraure eéreure, our déférenes aleurs du rayonnemen eéreur Fg 11 araon de la ussance de chauffage en foncon de la eméraure eéreure our déférenes aleurs du rayonnemen Ces abaques ermeen de lre, our chaque aleur du rayonnemen e de eméraure eéreure, la ussance de chauffage nécessare our aendre la consgne de l ar amban Arès omsaon des cas récédens e en resecan les mêmes condons, on comlèe l éude ar la smulaon ar la méhode numérque des olumes fns sous fluen Pour une eméraure eéreure fée à 5 C e un rayonnemen eéreur arable, on fe comme sraége une eméraure moyenne ambane de 16 c e on aroche l hygromére relae de 80% e on cherche le au de renouellemen e la ussance de chauffage ous fluen, ces cas omau on éé smulés e les résulas son affchés sur les fgures c-dessous : Pour : Rg=140w/m 2,e=5 C, =223(ol/h ; Pch=190w/m % Chams de eméraure chams d humdé La smulaon aec fluen monre ben que les aleurs moyennes obenues our la eméraure e l humdé relae son semblables à celles obenues ar le modèle analyque Concluson Cee éude, assocée au dagramme de l ar humde, nous erme de fare une lecure comlèe des caracérsques de l ar à l néreur de la serre Le résula le lus néressan qu ourra êre

10 eloé ar le serrse es la déermnaon, our une eméraure e humdé relae de consgne données, de la ussance de chauffage nécessare ans que son emlacemen our assurer les melleures condons au déeloemen des culures, aec un au de renouellemen corresondan our cee ussance de chauffage On eu ans rédre des cas erêmes en érode hernale e réor la sraége de chauffage en cas de rsque de frod Cee éude demande néanmons à êre comléée ar une camagne de mesures n su aec des ussances de chauffes e des au d ouerure dfférens Bblograhe [1] Boulard, C Kas, J C Roy, Wang Reew aer Conece and enlaon ransfers n greenhouses, ar 2: deermnaon of he greenhouse dsrbued clmae (2002 Bosysems Engneerng, n ress 83,1-20 [2] R Haare, Caracérsaon e modélsaon des écoulemens d ar dans une serre, hèse de docora(1999, Unersé de Nce oha Anols [3] Boulard, Wang, e R Haare Mean and urbulen ar flow and mcro clmac aerns n an emy greenhouse unnel Agrculural and fores meeorology (2000, 100: [4] Roy e al Characerzaon of he naural conecon n a heaed greenhouse 9 h Inernaonal ymosum on Flow sualzaon 2000b aer 254 [5] Kemes e an Den Braa Heang sysem oson and ercal mcroclmae dsrbuon n chrysanhemum greenhouse, Agrculural and Fores Meeorology(2000, 104, [6] Boulard, Wang, e R Haare Mean and urbulen ar flow and mcroclmac aerns n an emy greenhouse unnel, Agrculural and fores Meeorology (2000, 100: [7] Roy e al, wo-dmensonal numercal smulaon of naural enlaon n mul-san greenhouse ransacons of he AAE, Bosysems Engneerng (2002, 83,1-20 [8] Lee e al, Conece and enlaon ransfers n greenhouse,, (2000, 43(3, [9] Charles Chemel Modélsaon e smulaon des écoulemens d ar dans les serres, hèse (marse de mécanque (2001, INRA, Agnon [10] M Bruse Deelomen of a numercal model for he smulaon of echange rocesses beween small scale enronmenal desgn and mcroclmae n urban areas (1998 Unersy of Bochum [11] DA Nedl, A Bean Conecon n orous meda rnger-erlag, (1991 [12] Boulard, A Balle, Mermer, F Me lee Mesure e modélsaon de la réssance somaque folare e de la ransraon d un couer de omae de serre Agronome, (1991, 11: [13] M Balle, A Ballee D Delmon, Mcroclmae and ransraon of greenhouse rased cros Agrculural and fores Meeorology,(1994, 71: [14] Msros e al, Comuaonal analyss of enlaon n greenhouse a zero-and lowwnd-seed Agrculural and fores meeorology (1997a, 88, [15] Boulard e A BalleModelng of ar echange rae n greenhouse equed wh connuous roof ens Journal of Agrculural Engneerng Research, (1995, 61:37-48 [16] Boulard, A Balle Caracérsaon de la enlaon sous serre, coulage aec la ransraon Uné de Boclmaologe, INRA, e Agroarc Agnon Cede 9, France