Déshumidification de l air

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1 Déshumidification de l air Gérard Chassériaux Institut National d Horticulture - Angers INH De la science du végétal à la culture du paysage Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

2 Plan de l exposé INTRODUCTION - position du problème ELEMENTS de PHYSIQUE de L AIR HUMIDE -Paramètres -Diagramme de l air humide -zone de risque sanitaire PROCÉDÉS DE DESHUMIDIFICATION - avec échanges sur l air extérieur -aération-chauffage -échangeur sur l air extrait - en recyclage sur l air de la serre - systèmes à absorption - systèmes à condensation: pompe à chaleur à déshumidification CONCLUSION Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

3 Introduction Avec : - l introduction de serres plus étanches et bien isolées, -le renchérissement du coût des énergies (conduites avec des températures de consigne plus basses), des niveaux d humidité très (trop) élevés sont souvent atteints en serre et assurer une bonne maîtrise du climat devient alors délicat. Ceci est vrai notamment la nuit et au lever du soleil. L une des causes est l étanchéité de la serre qui réduit les échanges avec l air extérieur ( sec ). Pour résoudre ce problème il est nécessaire de déshumidifier. Mais la surconsommation en énergie lors des périodes de déshumidification (aération-chauffage) est très importante, principalement en hiver. Il est important de faire un point et d envisager des solutions durables Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

4 Besoins exprimés en déshumidification par les horticulteurs pourcentage d'utilisation 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 36% Horticulture ornementale 29% 24% 22% 16% 12% 7% 6% 3% 1% 2% 3% Ouest Centre Est Méd Injection de CO2 Eclairage photosynthétique Déshumidification régions climatique (source: enquête ADEME 2006) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

5 Représentation des transferts de vapeur d eau dans la serre Échanges avec l extérieur Augmentation de l humidité relative Augmentation de la teneur en vapeur d eau Température des parois Condensation? Température d air Limitation de la croissance Problèmes sanitaires évaporation Transpiration des plantes Température du végétal Condensation? Action de déshumidification Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

6 Exemple de condensation sur les parois d une serre Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

7 Eléments de physique de l air humide L humidité relative: masse de vapeur d eau contenue dans l air HR = masse de vapeur d eau max qu il peut contenir à la même température La teneur en humidité: masse de vapeur d eau contenue dans l air (kg) r = masse d air sec (kgas) Plus la température de l air est élevée plus celui-ci peut contenir de vapeur d eau ; ainsi pour chaque augmentation de 10 C la capacité de l air à contenir de la vapeur d eau double et l humidité relative est diminuée de moitié Le point de rosée : indique la température à laquelle la vapeur d eau contenue dans l air va commencer à se condenser Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

8 Diagramme de l air humide (Représentation simplifiée) G.Chassériaux brouillard Vapeur d eau saturée 100% T = constante cristal ( Neige, ) Température humide Point de rosée HR= constante AIR HUMIDE r = constante Isenthalpique : H =constante Teneur en humidité (r ) 0 Température de rosée Tr Température Humide TH Température (T) Détermination des caractéristiques physiques de l air humide Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

9 Influence du déficit de pression de vapeur sur la transpiration Le déficit de pression de vapeur (DPV) est la différence entre la pression de vapeur saturante à la température du végétal et la pression de vapeur d eau de l air ambiant Air sec vapeur d eau DPV faible DPV élevé DPV significatif de la difficulté de l eau à pouvoir s évaporer Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

10 Pression de vapeur d eau (mb) Niveaux d humidité relative pour maintenir un DPV constant Déficit de pression de vapeur DPV (4,5mb) % 100% 30 80% 60% 90% 40% DEFICIT de PRESSION de VAPEUR 85 % Degré hygrométrique (%) 20% 10% 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 Teneur en humidité (kg/kgas) Température ( C) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

11 Pression de vapeur d eau (mb) Zone de risque sanitaire à DPV constant Déficit de pression de vapeur DPV (4,5mb) Zone de risque sanitaire % 100% 30 80% 85 % 60% 90% 40% Degré hygrométrique (%) 20% 10% 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 Teneur en humidité (kg/kgas) Température ( C) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

12 Procédés de déshumidification Avec échange avec l air extérieur - la deshumidification-chauffage consiste à aérer la serre tout en la chauffant, - échangeur sur l air extrait : une alternative? En recyclage sur l air de la serre -les systèmes à absorption, -la déshumidification par condensation ( pompe à chaleur à déshumidification). Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

13 Déshumidification par aération-chauffage Entrée de l air extérieur à faible teneur en humidité augmentation des déperditions thermiques Mélange des airs humides déshumidification Apport de chaleur Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

14 Déshumidification par aération-chauffage 12,8 ΔH = 8,8 kcal/kgas enthalpie kcal / kgas Humidité relative 100 % 90 % 80 % Teneur en humidité gramme d'eau / kg d'air sec 4 air à l'extérieur de la serre Air initial à l'intérieur de la serre Aération-mélange Chauffage Air final à l'intérieur de la serre 13g/ kgas Δr = 8,2g 4,8g/ kgas 5 20 Température ( C) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

15 Déshumidification par aération-chauffage La déshumidification par aération-chauffage est le procédé qui est principalement utilisé en serres de production Mais il est: - difficilement supportable au niveau économique et ce sont les serres les plus performantes énergétiquement qui sont relativement les plus pénalisées (écran thermique); la part prise par les pertes par renouvellement d air dans les déperditions thermiques devenant nettement plus importante - peu acceptable au plan environnemental ( chauffer en ouvrant les fenêtres?) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

16 Echangeur sur l air extrait Air extrait refroidi et saturé Air entrant réchauffé et sec Air extérieur froid et à faible teneur en humidité Air intérieur chaud et forte teneur en humidité Rendement = fonction ( efficacité de l échange, puissance du ventilateur) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

17 Déshumidification (recyclage) Air de la serre DESHUMIDIFICATEUR Air sec et plus chaud Eau soutirée Mélange des airs humides DPV -> évapotranspiration État d équilibre final Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

18 Déshumidification par absorption, parcours de l air humide Enthalpie (kcal/kgas) 100% 80% 60% Teneur en humidité 40% ISENTHALPIQUE INJECTION de vapeur d eau 0 Air initial 1 2 ABSORPTION de vapeur d eau 20% Air final 10% Degré hygrométrique (%) Eau soutirée refroidissement réchauffement Température ( C) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

19 Déshumidification par absorption Température du dessicant 140 C Pression de vapeur du dessicant refroidissement 3 1 désorption absorption C 85 C 50 C 25 C Teneur en humidité du dessicant Cycle du produit dessicant Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

20 Déshumidification par absorption Air déshumidifié Ventilateur CO 2 Echangeur solution-air Chauffe-eau EVAPORATEUR CONDENSEUR Air humide Sortie de l'eau de condensation Solution déshydratante Déshumidificateur - système Ormat Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

21 Déshumidification par absorption Nid d abeilles contenant le dessicant Secteur de REGENERATION Réchauffeur pour régénération Air humide entrant Sortie de l air déshumidifié Secteur d ABSORPTION Roue à déshumidification à nid d abeilles Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

22 Déshumidification par absorption SERRE Air extrait Roue à déshumidification Chambre de culture Sortie d air déshumidifié Entrée de l air Rejet d air chaud et humide issu de la régénération du dessicant Exemple d utilisation : expérimentation sur hortensia (INH Angers) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

23 Déshumidification par condensation sur un évaporateur Circuit du fluide frigorigène compresseur CONDENSEUR Air humide détendeur Réservoir tampon de fluide frigorigène Air déshumidifié ventilateur EVAPORATEUR eau de condensation Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier G.Ghassériaux

24 Déshumidification par condensation sur un évaporateur électricité 1 kwh évaporateur fluide frigorigène Air humide compresseur Air chaud et sec Air froid saturé ventilateur -4 kwh 5 kwh détendeur condenseur Eau condensée Déshumidification-Réchauffage : pompe à chaleur à déshumidification Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

25 Déshumidification par pompe à chaleur (Parcours de l air humide) Enthalpie (kcal/kgas) 100% 80% 60% Teneur en humidité 40% Point de rosée Air initial Condensation de la vapeur d eau 2 1 Chauffage 4 3 Air final 20% 10% Air chaud et sec Degré hygrométrique (%) Eau condensée 6 C 14 C 22 C Température ( C) Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

26 Déshumidification par pompe à chaleur Culture de rosiers, serre à double parois gonflables Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

27 Conclusion Etre préventif : pratiques culturales - sol bien drainé, - conduite de l irrigation ( éviter les irrigations tardives, pas de surfaces mouillées (sol, substrat) à la tombée de la nuit), -importance du brassage (augmente les échanges convectifs), - disposition des plantes, -chauffage localisé (augmente la température de feuille pour prévenir la condensation sur le végétal ). Technologie de couverture adaptée - Favoriser l évacuation du film de condensation pour éviter le gouttage Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

28 Conclusion Mise en œuvre de techniques de déshumidification Les puissances nécessaires (PAC) sont relativement faibles s il s agit de déshumidifier en période nocturne mais elle peuvent devenir beaucoup plus élevées en période diurne car il faut alors compenser l évapotranspiration. Il semble opportun de développer des études dans les conditions techniques et économiques actuelles en recherchant des solutions acceptables aux niveaux économique et environnemental. Pour ce faire, il est important d utiliser des approches transversales intégrant aussi bien les bénéfices obtenus grâce au système de déshumidification (possibilité de cultiver à plus basse température, aspects sanitaires, ) que sa consommation et coût d investissement. Des solutions innovantes concernant l étude et la mise en place de dispositifs techniques plus flexibles sont proposées. Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier

29 Merci de votre attention Serres horticoles et énergie, quel avenir? 30 et 31 janvier