Les serres et les échangeurs de chaleur

La serre est une structure qui permet la culture des plantes horticoles en dehors de leurs zones et de l’exigence climatique traditionnelle. C’est une exploitation où les plantes sont cultivées sous-verre, sous-plastique ou sous un élément protecteur du même type. Selon Statistique Canada (Canada, 2011), la superficie totale de culture en serre était en 2011 d’environ 23 millions de mètre carré.

La culture sous serre représente un enjeu de taille dans l’économie Canadienne puisqu’elle fournit un produit de qualité et réduit l’importation des autres pays. D’après le tableau précédent, la superficie des serres au Québec et au Canada augmente, contrairement à leur nombre qui diminue. Donc, les serres au Canada et au Québec sont de plus en plus grandes. Au Canada, la tomate est le produit le plus cultivé dans les serres, il représente 44,3% de la production totale des légumes puisqu’elle produit une grande quantité dans une surface restreinte, suivie par la production de poivron et des concombres. Les conditions nécessaires pour ce type de produits est la température des serres qui doit être autour de 20 °C et l’humidité qui doit être entre 50 et 85 % (Canada, 2011).

Au Canada, en raison du climat rigoureux, les exploitants ont misé sur les serres avec une haute technologie pour maintenir les conditions climatiques nécessaires aux plantes dans les grandes enceintes (Primary Industries Agriculture, 2013). Ces serres avec une haute technologie ont un contrôle environnemental automatisé qui leur permet d’assurer les conditions optimales de culture, ce qui améliore la santé des plantes. La température et l’humidité sont les éléments à contrôler, d’où la nécessité d’avoir un système de chauffage et un système de contrôle d’humidité.

Le chauffage des serres 

Le chauffage par combustion ou électricité 

• Chauffage au gaz naturel : le gaz naturel peut être avantageux s’il est disponible près des serres. Il est généralement utilisé pour les superficies des serres dépassant les 1500 m². Il permet une grande intensité de chauffage à faible coût. Cette intensité de chauffage peut être contrôlable en fonction de la température de l’air dans la serre. Il est l’un des combustibles le moins nuisible pour les plantes (SPSQ, 2007).

• Chauffage à l’huile (mazout léger) : pour les superficies restreintes (1000 m²), ce type de chauffage est le meilleur grâce à son faible coût, la simplicité de la mise en place d’un tel système et le bas coût de l’investissement initial. Le rendement de combustible (la transformation du combustible en chaleur) doit être supérieure à 80%, sinon il sera très couteux, polluant et très mauvais pour la santé des producteurs et des plantes (SPSQ, 2007). L’huile (mazout léger) peut être utilisée comme combustible d’appoint en cas d’interruption de distribution du gaz naturel (Spieser, 2008 ).

• Chauffage au gaz propane : il est similaire à celui du chauffage au gaz naturel mais implique l’installation d’un réservoir à gaz propane près de la serre. Il est généralement utilisé dans les endroits où le réseau de distribution du gaz n’est pas présent (SPSQ, 2007).

• Chauffage par combustion de biomasse : pour l’utilisation viable des granules ou des copeaux de bois, il faut une grande superficie (1 500 m²) et cultiver dans les mois froids. Ce type de chauffage possède une autonomie restreinte : il requiert entretien et surveillance. Il est intéressant de l’utiliser en le combinant avec le chauffage à l’huile (mazout léger) qui est le moins coûteux des autres systèmes de chauffage (Weill, 2009).

• Chauffage à l’électricité : il s’agit du système le plus compact et le plus facile à mettre en place. Il ne demande qu’une entrée électrique imposante, mais il faut prévoir un plan d’urgence en cas de coupure de l’électricité (SPSQ, 2007).

Le chauffage solaire

Il existe deux façons d’appliquer le chauffage solaire dans les serres :

• L’utilisation des capteurs plats placés de façon à optimiser la collecte des rayons solaires. La solution eau + antigel extrait la chaleur des collecteurs et la dirige vers un réservoir qui joue le rôle d’un évaporateur d’un fluide de travail où la solution eau+ antigel transfert sa chaleur au réfrigérant. Ce dernier s’évapore en absorbant la chaleur puis pénètre dans un compresseur hermétique. Le réfrigérant compressé se condense dans un échangeur capillaire tout en dégageant de la chaleur. Un ventilateur souffle sur ce condenseur afin de déplacer l’air chaud dans la serre. Esen et Yuskel (2013) ont décrit un tel système en utilisant le R22 comme réfrigérant. Attar et al.(2014) ont placé deux échangeurs capillaires, l’un enterré dans le sol à 18 cm, l’autre placé à une hauteur de 1 m. Ils ont démontré la possibilité de stocker et déstocker l’énergie dans un réservoir d’eau placé à l’intérieur de la serre pendant les périodes chaude et froide. Xu. et al.(2014) ont divisé le système de chauffage solaire en trois sous-systèmes, les panneaux solaires, le stockage de la chaleur et le chauffage. Dans les saisons non chauffées, l’énergie solaire captée est stockée dans le sol par circulation d’eau chaude à travers des échangeurs de chaleur intégrés dans le système de stockage. En hiver, la chaleur stockée est récupérée par le processus inverse pour répondre à la charge de chauffage. Selon Lazhaar. et al (2004), le sous-système de chauffage peut être décomposé en deux batteries d’échangeurs capillaires, l’une suspendue près du toit et l’autre enterrée sous la serre.

Les deux batteries sont alimentées en eau chaude. Les auteurs ont présenté un module qui choisit suivant la température extérieure, soit de coupler les deux batteries, soit de faire fonctionner chaque batterie seule.

• L’utilisation d’un collecteur d’air. Les rayons du soleil chauffent l’air présent dans les tubes placés au-dessous du collecteur. Ses tubes sont enterrés à quelques centimètres du sol. L’air chauffé pénètre la serre directement, il chauffe à la fois l’air ambiant et le sol de la serre (Jain et Tiwari, 2003). Le problème de ce type de chauffage, est qu’il est non fonctionnel lorsque le collecteur ne reçoit pas de lumière.

Table des matières

INTRODUCTION 
CHAPITRE 1 LES SERRES ET LES ÉCHANGEURS DE CHALEUR AU CANADA 
1.1 Importance de la serriculture au Québec et au Canada
1.2 Le chauffage des serres
1.2.1 Le chauffage par combustion ou électricité
1.2.2 Le chauffage solaire
1.2.3 Le chauffage par récupération des rejets industriels
1.2.4 Chauffage par géothermie
1.2.5 Conclusion sur le chauffage des serres
1.3 Le contrôle de l’humidité dans les serres
1.3.1 La déshumidification par ventilation
1.3.2 La déshumidification hygroscopique
1.3.3 La déshumidification utilisant des surfaces froides
1.3.4 La déshumidification utilisant une pompe à chaleur
1.3.5 La déshumidification utilisant des échangeurs de chaleur
1.3.6 Conclusion sur le contrôle de l’humidité
1.4 Les échangeurs de chaleur
1.4.1 Présentation des échangeurs de chaleur
1.4.2 Classification selon le procédé de transfert
1.4.2.1 Fluide en contact indirect
1.4.2.2 Fluide en contact direct
1.4.3 Classification selon la géométrie
1.4.3.1 Échangeur de chaleur tubulaire
1.4.3.2 Échangeur de chaleur à plaque
1.4.3.3 Échangeur de chaleur à surface étendue
1.4.4 Classification selon la disposition des flux
1.5 Les échangeurs air-air destinés au milieu serricole
1.5.1 Les prototypes des échangeurs dans la littérature
1.5.2 Les générations des échangeurs air-air
1.5.2.1 Première génération
1.5.2.2 Deuxième et troisième générations
CHAPITRE 2 MODÈLE MATHÉMATIQUE ET SIMULATION NUMÉRIQUE 
2.1 Calcul théorique de l’efficacité de l’échangeur
2.2 Corrélation pour la détermination de Nusselt
2.2.1 Les corrélations sans l’utilisation du facteur de friction
2.2.1.1 Corrélation de Dittus-Boelter
2.2.1.2 Corrélation de Colburn
2.2.2 Les corrélations avec l’utilisation du facteur de friction fe
2.2.2.1 Corrélation de Gnielinski
2.2.2.2 Corrélation de Petukhov-Popov
2.2.2.3 Facteur de friction
2.3 Modélisation avec MATLAB
2.4 Modélisation avec FLUENT :
2.4.1 Le solveur
2.4.1.1 Les équations gouvernantes
2.4.1.2 Modèle physique
2.4.1.3 Méthodes de résolution des équations
2.4.1.4 Paramètres du solveur
2.4.2 Changement de phase
2.4.2.1 Modèle de changement de phase
2.4.2.2 Paramétrage Fluent
2.4.3 Le préprocesseur
2.4.3.1 Choix de la géométrie à concevoir
2.4.3.2 Création de la géométrie
2.4.3.3 Génération de maillage
CHAPITRE 3 SIMULATION NUMÉRIQUE DE L’ÉCHANGEUR 
3.1 Validation de la simulation numérique et choix du concept
3.1.1 Validation de l’échangeur 1
3.1.1.1 Validation de l’efficacité de l’échangeur par rapport aux corrélations de NTU
3.1.1.2 Validation de l’efficacité de l’échangeur par rapport aux corrélations du Nombre de Nusselt
3.1.2 Validation de l’échangeur 2
3.1.3 Choix du concept
3.2 Influence des différents paramètres sur l’efficacité de l’échangeur
3.2.1 Les paramètres externes
3.2.1.1 Influence du débit d’air chaud
3.2.1.2 Influence du débit d’air froid
3.2.1.3 Influence des températures de l’air aux entrées de l’échangeur
3.2.2 Les paramètres internes
3.2.2.1 Influence de la surface de contact entre les fluides
3.2.2.2 Influence de la distance entre les plaques
3.2.2.3 Influence de l’épaisseur des plaques
3.2.2.4 Influence de la division des conduites en plusieurs petites conduites
3.3 Mise en situation et dimensionnement de l’échangeur
3.3.1 Mise en situation
3.3.2 Résultats de simulation
3.3.3 Amélioration de l’efficacité et dimensionnement final de l’échangeur
3.3.3.1 Amélioration de l’efficacité de l’échangeur
3.3.3.2 Perte de pression totale du fluide froid en amont de l’échangeur
3.3.3.3 Choix du ventilateur pour le fluide froid, dimensionnement et conception finale de l’échangeur
3.4 Simulation numérique lors de la condensation
3.4.1 Contribution de la chaleur latente
3.4.2 Quantité d’eau condensée
3.4.3 Efficacité de l’échangeur
3.4.4 Conclusion sur la condensation
CONCLUSION 

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