Détermination du coefficient global de transmission de chaleur à travers la paroi d'une serre

AGRICULTURAL AND FOREST METEOROLOGY ELSEVIER

Agricultural and Forest Meteorology 69 (1994) 205-221

D&ermination du coefficient global de transmission de chaleur fi travers la paroi d'une serre [Overall heat transfer coefficient of a greenhouse cover] C. Kittas University of Thessalia, School of Technological Sciences, Department of Agriculture Crop and Animal Production, 38334 Volos, Greece

(Received 22 June 1992; revision accepted 6 November 1993)

R6sum6

Des consid6rations th~oriques concernant le comportement 6nerg6tique nocturne de la serre, nous ont permis de proposer une m&hode de d6termination du coefficient global de transmission de chaleur ~ travers la paroi de serre en fonction des caract6ristiques climatiques facilement accessibles, des propri6t+s radiom&riques aux radiations thermiques des mat6riaux de couverture, de la technique culturale adopt+e et de la g~om&rie de construction. La m&hode, qui a 6t6 test6e exp6rimentalement, permet d'6valuer s6parement des d+perditions par convection et radiation et elle peut &re utilis+e pour la classification des mat6riaux de couverture du point de vue thermique, pour l'estimation des d6perditions 6nerg6tiques de la serre et pour l'appr6ciation de l'efficacit+ des diff6rents dispositifs d'6conomie d'+nergie. Abstract

Theoretical considerations concerning the greenhouse energy behaviour during the night, allow us to propose an evaluation method of the overall heat transfer coefficient through the greenhouse cover material as a function of easily accessible climatic parameters, the covering material's radiometric properties in thermal radiation, the adopted cultural technique and finally of the construction's geometry. The method which has been experimentally tested makes it possible to estimate separately the greenhouse heat transfer by radiation and convection and can be used: to classify covering materials from the point of view of thermal losses; to estimate the greenhouse energy losses; to appreciate the efficacy of the different energy saving equipment.

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1. Introduction Le flux de chaleur fi travers la paroi d'une serre determine l'efficacit6 du materiau de couverture comme barri6re aux d6perditions ~nerg&iques entre le 'systeme" serre et son environnement. Ce flux repr~sente 60 fi 80% des pertes thermiques totales (Horiguchi, 1978) et reprdsente une part significative des besoins de chauffage de l'enceinte. Par cons6quent, la d&ermination de la quantit6 de chaleur transmise fi travers la paroi constitue un probl~me important de la thermique des serres et son approche rationnelle repr6sente un outil precieux pour de nombreuses applications pratiques. En g~n6ral, le flux de chaleur fi travers la paroi, Qp, est exprim~ au moyen de ia relation Qp : K( T i - Te)

,i

(Pour la signification des symboles utilises, voir Tableau 1). Le coefficient K int+gre les 6changes superficiels par convection et par radiation de la paroi de serre vers l'ext6rieur et il ne peut pas fitre incorpor6 dans te coefficieni global de d6perditions thermiques de la serre U qui est en g6n6ral exprim6 en fonction de la vitesse du vent (Horiguchi, 1978: Schockert and Zabeltitz, 1980). Ceci est confirm6 par les fluctuations importantes de U autour d'une courbe moyenne lorsque U est calcul6 au moyen de formules empiriques, 6tablies fi partir des donndes exp~rimentales en fonction de la vitesse du vent (Kittas et al., 1987). Dans le but de proposer une m6thode simple d'estimation de K, aussi realiste que possible, nous pr6sentons dans cet article un mod+le d'estimation de K dont nous avons essay~ de tester exp6rimentalement la validit&

2. ModUle d'~stimation de K 2. l. Formulation de K

Pour acc+der fi la d6termination de K, nous sommes oblig6s de faire appel fi la m~thode du bilan d'6nergie. En n6gligeant le terme correspondant au transfert de chaleur latente, le bilan ~nerg6tique, par m 2 de paroi, s'6crit, en r6gime nocturne et permanent: fi la face int+rieure de la paroi h~i(Ti- T p i ) + hci(Ti -- T p i ) = Qp

12

fi travers la paroi

fi la face ext~rieure de la paroi kre(Tpe -- L ) + hce(Tpe --- 7c) = Qp

(4)

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Tableau 1 Liste des symboles Table 1 List of symbols Symboles

Unites

Signification Rar, r~,~rt

b e

m

f~,f~, fpsi ,fpse h i, h e

W m -2 K 1

hci, hce

Wm-2K

hri, hre

W m -2 K - !

I

K K~ Kf n Qp RA Sp, S~

W m -2 K -I W m - 2 K -l W m 2K-1 h w m -2 Wm 2 Wm 2 m2

TA

K

Ti, Te Thi, The

K K

T~

K

Tpi , Tpe Tsi, T~e U u V

K K W m - 2 K -I ms 1 m3

A cr rm

W m IK-1 W m -2 K -4

surface du sol de serre

• ~.~v . ~urf-~~e ~ r e " Epaisseur du mat6riau de couverture. Facteur de forme paroi-atmosph6re, paroi-paroi, Facteur de forme paroi-sol intbrieur, paroi-sol ext6rieur. Coefficient d'6changes superficiels au niveau de la paroi interne, de la paroi externe. Coefficient d'~changes convectifs paroi - - air int~rieur, paroi-air ext6rieur. Coefficient d'bchanges radiatifs au niveau de la paroi interne, de la paroi externe. Fraction d'insolation ( ~ nombre ffheures d'insolation~ duree du jour ]'

Qr,Qc

Coefficient global de transmision de chaleur fi travers la paroi de serre. Coefficient global de pertes convertives de la serre. Coefficient des pertes de chaleur par fuites. Taux horaire de renouvellement de Fair de la serre. Flux de chaleur fi travers la paroi de serre. Dbperditions radiatives, convectives de la serre. Rayonnement du ciel (= ~T 4) Surface de la paroi de serre, du sol de serre. Temp6rature radiative du ciel. Temperature s6che de l'air int6rieur de la serre, de Fair ext6rieur. Tempbrature humide de l'air int6rieur, de Fair ext6rieur. Temperature moyenne de paroi. Temperature de la face interne de la paroi, de la face externe de la paroi. Temperature de la surface du sol intbrieur, du sol ext6rieur. Coefficient global de d6perditions thermiques de la serre. Vitesse du vent. Volume de la serre. Facteur d'6mission du mat+riau de couverture. Conductivit~ thermique du mat6riau de couverture. Constante de Stefan-Boltzmann. Facteur de transmission du mat+riau de couverture pour les radiations thermiques.

P a r a i l l e u r s , s c i o n E q . (1), o n Q~P-- (Ti - Te) K q u i p e u t se t r a n f o r m e r Q_p_p=

/(

Compte

en

Ti - Te + Tp~ - Tp~ + Tpe -- Tp. = (Ti - T~i) + (Tve - r e ) + (Tp~ - Toe)

t e n u d e s r e l a t i o n s (2), (3) e t (4), o n o b t i e n t

Qp _ Qp + Q~P + Qp K hri + hci hre + hce A/e

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208 et en p o s a n t

hri + hci = hi

(5)

hr~ +hce = h~,

{6 i

on a en d~finitive

1_1

~÷

_.

1

La conductivit6 thermique et l'6paisseur des mat6riaux les plus c o u r a m m e n t utilises en couverture de serre prennent des valeurs de 0.17 W m - l K i (PVC) fi 0.76 W m K-1 (verre) p o u r A, et de 0.I m m (PE, PVC) fi 4 m m (verre) p o u r e. En a d m e t t a n t une valeur typique p o u r K de l'ordre de 7 W m -2 p o u r une serre en verre (Nisjkens et al., 1984), l'omission du terme de Eq. (7) c o r r e s p o n d a n t a la conduction ne repr6sente q u ' u n e erreur d ' e n v i r o n 3% sur K. La contribution du terme relatif fi la conduction est encore plus insignifiante p o u r les mat~riaux plastiques. On peut, par cons6quent, nbgliger ce terme, ce qui donne

1

1

1

K - h i + he soit K -

hihe hi + he

( ,~ i

Par ailleurs, p o u r une diff+rence entre Ti et Te de l'ordre de 10°C, Eq. (2) donne Qp=7×

10=70Win

2

et, fi partir de la relation (3), on deduit 70 Tpi - Tp¢ - 0.76/0.004 - 0.37K Cette diff~rence-qui devient plus thible dans le cas des mat6riaux plastiques nous p e r m e t d ' a d o p t e r l'hypoth~se, du moins p o u r les calculs pratiques, d'une 6galit6 des temp6ratures sur les deux faces du mat6riau de couverture. N o u s d~signerons cette temp6rature par Tp. 2,2, E x p r e s s i o n des coefficients h i e l he

P o u r obtenir K fi partir de la relation (8), il faut expliciter h i = hci + hri et he = h c e + hre. P o u r hci et hce, on peut retenir les expressions propos+es par Kittas (1986), selon lesquelles hci = 4,3(Ti - Tp) 0"25 hce = 1 . 2 2 ( T ~ - T e ) + 3.12u °s

(9) (10)

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Pour hri et hre, en n6gligeant la r6flexion dans I'I.R. (Chiapale, 1984), on obtient

hri : [-efpsi~YT; -- f pA f psi T-iR~ T 4 -+-f psia rs? ] / ( T i -- Tp) et

hre = [~o- T ; q- fppTiR £O"T ; ~-JpsiYlRO'Tsi " 4 -fpAcrT 4 -fpsecrTse4 2 4 "~ fpseT2RO'r4e]/( rp -- re) q-fpAfppTIRO'TA avec fpA = ~

1+

= 1/2(1 + b )

fpse = 1 --fpA

(par d6finition)

(Kittas, 1980)

f si =

(par la loi de r6ciprocit6 (Kreith, 1967) on a prendfpsi = Ss/Sp) et fpp = 1 -fpsi

Ssfiip = Spfpsi et puisque fsip

= 1, on

(par d~finition)

En tenant compte que ~ -- 1 - r m, on peut encore 6crire hri = [ - ( 1 -

nR)fpsio'T;--fpAfpsi'riRCrT4

+fpsioTs4/](Ti- Tp)

et

hre = [(1 - 7"IR)O'T; +fppT"lR(1 -- TIR)O'T; ff-fpsiTlR~T 4 --fpAO'T 4 -fpsecrTs4e +fpAfppT-?RO'Ts4e + fps~r2RaT4]/(Tp- G) On peut admettre, en premiere approximation, qu'en r6gime nocturne la temp&ature du sol ext&ieur est assez voisine de la temp6rature de l'air ext6rieur (Kimball, 1973), soit

T s e ~ Te et que la temperature du sol int&ieur est, pendant la nuit, assez voisine de la temp6rature de l'air int&ieur, soit

Tsi ~ T~ On peut, n~anmoins, consid6rer qu'en conditions nocturnes et par ciel clair la temp6rature du sol ext6rieur peut 6tre inf~rieure/~ la temp+rature de l'air ext6rieur de 4 fi 5°C. En supposant, par cons6quent, que Tse ~ Te on effectue donc une surestimation du rayonnement thermique du sol ext&ieur de l'ordre de 25 W m 2. Si on tient compte du facteur de forme paroi-sol ext~rieur qui pour b = 0.6 (valeur qui correspond /l la g6ometrie d'un tunnel classique en r6gion m+dit&an6enne) prend une

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valeur de 0.2, ce rayonnement thermique entraine au niveau de la paroi un flux radiatif vers l'int6rieur du systdme de l'ordre de 5 W m 2. D'autre part, il est commun6ment admis q u'en r+gime nocturne sous serre chauffee par ventiloconvection avec distribution d'air chaud par gaines souples adriennes, par thermosiphon en position basse et par systt}me de chauffage fi basse temp&ature (Yantau, 1974; Baille and Eisner, 1988), la difference entre Tsi et Ti tie d6passc presque jamais 2K. En admettant, alors, que l~i = Ti on aboutit fi une surestimation de la temp6rature du sol int6rieur qui, si on tient compte du facteur de forme paroi-sol int+rieur dont la valeur est 0.6 pour h = 0.6, se traduit au niveau de la paroi par m~ flux radiatif vers l'extdrieur du systeme de l'ordre de 6 W m -~. On s'apercoit, par cons6quent, que les ddrivations par rapport fi l'hypothdse d'6galit6 des temperatures sol ext6rieur (air ext~rieur et sol int6rieur) air int6rieur entrainent des flux radiatifs au niveau de la paroi de serre qui sont faibles, du m6me ordre de grandeur et de sens oppos6. Ceci a comme r6sultat un flux radiatif net ndgligeable, fait qui nous donne lc droit de consid6rer notre hypoth6se d'6galit~ entre Ts~ et To et entre T~i et 7~, commc tout fi fait raisonnable pour les besoins de notre ~tude. Apr6s ces consid6rations, les 6quations pr6c6dentes donnent: hri =

[--(l -

" ~4 4 Jpsio-Ti . 4 Gi/(7i ,., .[pAtpsiTIR~TA - Tp)

TI R)t;si C~Tp4

(lli

et

~/pseO'T~e + JpA/pprl-RCr Tsc +.[pseTl'-Rcr T 4 ] / ( Tp - 7~.) •

4

.

.

~

•

4

112

On s'apercoit que, dans Eqs. (9), (10), (11) et (12) qui d6finissent K, il n'y a qu'une inconnue, la temp6rature de paroi Tp, dans la mesure off: T~ et u sont des donnees du climat ext6rieur; 7"1 est un param6tre du climat ext6rieur. Dans le cas de notre experimentation, ir;x a 6t6 d6termin6 fi partir des mesures du rayonnement atmospherique R a (= crT4). Cette mesure, n6anmoins, n'est pas une mesure m6t6orologique classique c'est pourquoi pour les applications pratiques, T A est d6termin+ fi partir des formules utilisant des parametres m6t6orologiques facilement accessibtes (Jolliet, 1988); Ti, est une donn6e, car elle repr6sente la temp+rature de consigne imposee par la technique culturale: TIR est une donnee caract6risant le mat~riau de couverture; les facteurs de forme sont impos6s par les caract~ristiques geometriques de ki serre et comme nous l'avons mentionn6 pr6cddemment, ils peuvent 6tre exprimes en fonction du rapport b. 2.3. Determination de K

Les relations (1) et (4) donnent (hre + hce)(Tp - Te) = K(7] -- To) En tenant compte de (6), on obtient Tp = T~+

K ( ~ - T~) h.,

(i3)

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21l

Les 6quations (8) et (13) peuvent 6tre utilis6es pour la d6termination de K, par it6rations successives: on part d'une valeur initiale de la temp+rature de paroi (prise 6gale fi L__~), qui permet de calculer les coefficients hi et he/t partir des 6quations du paragraphe pr6c+dent. On obtient, alors, une estimation de K fi partir de Eq. (8). Cette valeur de K peut 6tre utilis~e pour calculer la temp6rature de paroi suivant la relation (13). Si cette valeur est voisine (h ± 0.1K pr+s) de la valeur initiale de la temp6rature de paroi, on consid6rera que l'estimation de K est correcte. Sinon, on continue cette procedure it&ative avec la valeur de la temperature de paroi calcul~e /t partir de (13) comme valeur initiale, jusqu'/t ce que l'on arrive / t u n e convergence pour la temp+rature de paroi entre valeur initiale et valeur estim~e.

3. V6rification exp~rimentale du mod61e Afin de pouvoir tester le module propos6 prec6demment pour la d6termination du coefficient K, nous nous sommes efforc+s de comparer, fi partir d'un dispositif experimental permettant d'acc6der/t tousles param~tres n+c6ssaires pour l'application de la m6thode, les pr6visions de la tempdrature de paroi issues de la mdthode aux mesures exp6rimentales de la temp6rature de paroi.

3.1. Disposit(f expdrimen tal La serre exp6rimentale est un tunnel classique constitu6 d'une couverture souple de PVC arm~ (rm = 0.2, selon Nisen, 1978), support6e par une armature de tubes m6talliques. Elle est 6quip+e d'un syst+me de chauffage par ventiloconvection avec distribution d'air chaud par gaines souples longitudinales. La figure 1 montre les caract+ristiques g~om~triques de notre dispositif, ainsi que l'emplacement des capteurs de mesure, qui ont 6t6 choisis pour les besoins de notre 6tude. (1) Les temperatures s&che et humide de Fair int6rieur et de Fair ext~rieur ont ~t~ mesur~es au moyen de deux psychrom6tres d'Assmann, places Fun fi l'int6rieur et l'autre fi l'ext6rieur de la serre. Ces psychrom6tres 6taient chacun 6quip6 d'un ventilateur, actionnb par un moteur qui assurait une ventilation de 4 m s 1. Les capteurs thermom&riques des psychrom+tres 6taient des sondes fi r~sistance de platine. (2) Les temp6ratures de paroi ont 6t6 mesur~es au moyen de quatre thermocouples cuivre-constantan tr~s fins (diam+tre du fil 0.1 mm), individuellement calibr6s, qui ont 6t6 plac6s autour de la paroi A l'ext+rieur (Tpl) et fi l'int~rieur (Tp2 , Tp3, Tp4) du film (volt Fig. 1). (3) Le rayonnement atmosph6rique a ~t6 mesur~ avec un pyrgeom6tre (Eppley). (4) La vitesse du vent a 6t6 appr+ci6e avec un an6mom6tre fi coupelles dont le seuil de d~marrage ~tait de 0.2 m s I. Toutes les mesures physiques ont 6t+ centralis6es sur un syst6me &acquisition de donnees control6 par ordinateur, et entregistr6es sur bande magn6tique avec une fr6quence de scrutation de 2 min. Les mesures des temperatures s6che et humide de Fair ainsi que des temperatures de

212

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Est

Tpa

Tp~

Ouest

RA

O-

I

I

Ld

S~d

~

I I i~ I

Noeq

,, 22

Sm

...... I

Fig. 1. Section transversale et longitudinate de ta serre experimentale. Cross and longitudinal section of the experimental greenhouse.

paroi (en p~riode nocturne), ont 6t~ effectuees avec une resolution de 0.02K et une pr6cision globale, y compris Ferreur de la chaine d'acquisition, de 0.1K. Afin d'61iminer les p6riodes de condensation, nous comparions toutes les 2 rain les temp6ratures de paroi aux temp6ratures de point de fosse de Fair int~rieur ct de Fair ext6rieur. Quand un de ces ecarts &ait de 0. IK (ou inf~rieur) nous consid6rions qu'il y a eu condensation. Alors, cette mesure ainsi que les mesures ulterieures correspondan~ cette nuit 6taient r6jet6es. Apr6s la selection des mesures, le d+pouillement a 6t6 r6alis6 sur des valeurs moyennees sur 30 rain. La moyenne des quatre temp6ratures de paroi repr6sentail la temperature de paroi Tp du traitement ult6rieur.

3.2.ROsultats Sur un jeu de donn6es constitu6 de 230 s6ries d'observations recueillies en Deriode

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213

~i'p - Te(K) 112

oe ° o- o~" eo eo •

8

e. ~°

0

m

S 4

~,

~'

Tp -Te(K ) 'fm >

Fig. 2. Comparaison entre les +carts Tp - Te et Tp - Te. Comparison between the difference Tp - Te and

r p - to.

nocturne ~i partir de notre dispositif, p e n d a n t diff~rentes p~riodes de l'ann6e et p o u r lesquelles la g a m m e de variation des p a r a m & r e s 6tait 0.5 ~< Tp - Te <~9.45,2.1 ~< T~ - Tp ~< 8.4, - 1 4 . 1 ~< TA ~<4.9,0~
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4. Applications de ia m~thode L'application de la m e t h o d e proposee necessite les donnees ci apres: Ti, T~,, FA, u ct b. Sachant, n~anmoins, que TA n'est pas une donn6e m~t6orologique c o m m u n 6 m e n t disponible nous avons utilis6 p o u r sa d~termination la relation suivante (Chiapale et al., 1981) TA :

i(T~, -

15) + (1 - i ) ( T e - 4)

; f4

Bien que la precision de cette relation n'est pas meilleure que 2K, nous consid~rons son utilisation justifi+e p o u r des applications pratiques dans la mesure oti une erreur de 2K sur T A, entraine seulement une erreur de l'ordre de 2 % sur l'estimation de K. La p r o g r a m m a t i o n , alors, de ta m 6 t h o d e propos6e nous a permis de proc6der aux estimations de K, de Tp, de Qp, et du r a p p o r t Q r / Q p p o u r les situations suivantes: i=0et 1, T i = 1 0 e t 2 0 , T o = - 1 0 e t 0 , u = 0 e t 10, b = 0 . 4 e t 0 . 8 , r1~ = 0 e t I~ Les r6sultats de nos calculs sont pr6sent~s dans le Tableau 2.

5. Discussion Plusieurs auteurs ont essay6 d'~valuer les d6perditions 6nerg6tiques fi travers ta paroi de serre. Certains d'entre eux ont fait appel fi un coefficient global des pertes convectives au niveau de la paroi, d+fini par la relation hci •hce Kc - hci + hce dont l'utilisation suppose la conservativit6 des flux convectifs fi l'int6rieur et fi l'exterieur de la paroi, hypoth~se qui est tout ~i fait critiquable. Ceci est +vident fi partir des r6sultats du T a b l e a u 2. En effet, si on pr6sente p o u r quelques valeurs de K. les coefficients d'6change radiatifs et convectifs intfirieurs et ext6rieurs (voir Tableau 3), sachant q u e : f l u x t o t a l = hi(Ti - Tp) = he(Tp - Te) et en calculant les r a p p o r t s flux convectif interieur _ hci(Ti - Tp) _ hci flux total hi(Ti -- T p ) hi et flux convectif exterieur _ hce(Tp - Te) flux total

h e ( Tp - Te )

hoe he

on s'apercoit, p a r l'interm~diaire des r a p p o r t s hci/h i e t hoe/he, que les flux convectiiS ne se conservent pas, ce qui m o n t r e que l ' a d o p t i o n d ' u n tel coefficient Kc est d & o n seill~e. Ceci explique le raisonnement en coefficient K (coefficient de transmission thermique) utilis~ en thermique du bRtiment qui int~gre les 6changes par convection et r a y o n n e m e n t . Certains auteurs ils se sont limit,s fi une tentative d ' e s t i m a t i o n du flux a travers la paroi, soit en ne consid~rant que des mat~riaux opaques aux radiations I.R. (De Villele, 1972; Chiapale et al., 1981), soit en n~gligeant la g~om~trie de la serre

1.0

0.0

1.0

0.0

i

20

10

20

10

20

10

20

10

Ti

4.2 4.4 4.4 4.5

5.1 6.3 5.0 5.4

10 0 -10 0

10 0 -10 0

5.3 7.0 5.1 5.8

6.1 8.7 5.7 6.6

10 0 10 0

-10 0 -10 0

"FiR = 0.8

K

Te

122 87 171 132

2.8 5.9 9.7 12.7

102 63 150 108

-0.5 3.0 5.7 9.1

106 70 153 116

84 44 132 90

1.0 4.8 7.2 10.8

3.5 6.7 10.2 13.4

Qp

Tp

Q~

0.76 0.87 0.70 0.78

0.7 0.81 0.66 0.73

0.80 0.92 0.74 0.82

0.71 0.80 0.68 0.73

9.9 11.9 9.7 10.4

9.3 10.6 9.4 9.7

8.0 8.1 8.3 8.2

7.5 7.1 8.0 7.7

K

Tp

ep

Q~p

4.6 2.3 --1.3 5.3

-4.4 2.6 -1.1 5.6

5.3 1.4 -2.0 4.6

4.6 2.3 -1.3 5.4

198 119 291 208

186 106 282 194

160 81 249 164

150 71 240 154

0.41 0.59 0.35 0.44

0.35 0.48 0.31 0.38

0.37 0.64 0.30 0.40

0.23 0.33 0.21 0.25

6.6 8.3 6.5 7.2

5.8 7.6 5.6 6.2

4.6 5.0 4.8 5.0

8.1 11.6 7.6 8.9

g

u = 0.0

u = 0.0

u = 10.0

b=0.8

b = 0.4

"FiR= 0.0

Tableau 2 Estimation de K, Qp(= Qc + Q~), Table 2 Estimation of K, Qp( Qc + Qr), Q,/Qp

3.2 6.0 10.2 13.1

3.8 6.8 10.8 13.8

-0.1 3.0 6.6 9.6

1.7 5.2 8.2 I 1.5

Tp

162 116 228 178

132 83 195 144

116 76 168 124

92 50 144 100

ep

10.8 12.0 11.0 11.4 12.1 14.9 11.9 12.8

0.81 0.90 0.77 0.83

9.1 9.6 9.4 9.5

0.81 0.93 0.76 0.84

0.75 0.84 0.72 0.78

8.5 8.2 9.0 8.8

K

0.71 0.81 0.68 0.74

~Qp

u = 10.0

-4.5 2.3 -1.1 5.5

4.2 2.6 -0.9 5.8

4.9 1.5 - 1.2 5.0

-4 2.6 0.3 6.1

Tp

242 149 357 256

216 120 330 228

182 96 282 190

170 82 270 176

Qp

0.51 0.67 0.45 0.54

0.42 0.54 0.39 0.45

0.40 0.67 0.32 0.43

0.24 0.54 0.21 0.26

~Qp

t~

~, ~-

o~

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216

Tableau 3 Coefficients d'~change convectifs et radiatifs de la paroi de serre Table 3 Heat transfer coefficient by convection and radiation of the greenhouse cover fIR = 0.0

b

i

T~

I-,.

0.0

20

0

1.0

20

0

0.0

20

0

1.0

20

0

0.8

u

h,,.

Ik,~

h¢

0 10 0 10

6.3 7.5 10.8 16.1

~~ -21.6 2.1 21.5

8.5 29.1 12.9 37,6

0 10 0 10

8.2 17.8 113 25.1

2.3 21.6 2.3 21.6

10.5 39.4 13.6 46.6

h,i

h~i

hi

4.4 4.2 4.3 4,2

7.3 8.3 7.7 8,5

11.7 12.5 12.0 12.7

16.4 7.6 18.6 9.3

6.8 8.4 7.1) 8.4

23.2 16.0 25.6 17.7

K

/G.;/z~.

h :i ,L'~

5.0 8.8 6.2 9.5

0.2ti 0,74 016 0.57

0,02 0.66 (I.(,4 () (~~

7.2 11.4 8.9 12.8

o.22 0,55 0!7 0.46

029 054 0.27 0.48

FIR = 0.8

0.8

(Nijskens et al., 1984). A partir des r~sultats du Tableau 2 et de la big. 3, qm repr&ente l'6volution de K e n fonction de la vitesse du vent, on constate que: (1) Les serres rev&ues de mat6riaux transparents aux radiations thermiques sont plus 'transparents' fi la chaleur. C'est ainsi que pour une vitesse de 5 m s I e t par ciel clair (i = 1.0), on a une augmentation de l'ordre de 27% pour b = 0.4 et de 38% pour b = 0.8, quand on passe d'une serre 'opaque' (TER = 0) fi une serre transparente ('fiR = 0 . 8 ) .

(2) L'influence du vent a un effet similaire pour tousles cas. Une augmentation de la vitesse du vent de 0 fi 5 m s i induit une +levation de K important, mats tin accroissement ult6rieur de u n'a plus d'effet majeur sur K. (3) La couverture nuageuse a un effet isolant pour la serre et ceci est explique par la diminution des pertes radiatives due fi l'augmentation de TA. (4) Le coefficient K augmente avec l'augmentation de b e t ceci est dfi au fait que les serres de grande surface ne 'voient' pas le sol ext6rieur qui joue un r61e protectifcontre le refroidissement de la serre. Par cons6quent, l'augmentation de b provoque un 'effet de serre n~gatif' qui accentue l'effet de la transparence des mat6riaux et l'efl'et du "ciel clair'. Par ailleurs, on s'apercoit q u e s i on utilise un coefficient K d&ermine ~i partir d'une serre multichapelle pour d+duire les d6perditions d'une serre unichapelle, on surestime les pertes 6nerg&iques de cette dermi6re. La m&hode p r o p o s & dans cet article, bas6e sur le bilan 6nerg&ique du systeme, sans aucune hypoth&e restrictive sur la conservativit6 des flux, permet de proc6der fi une estimation des flux fi travers la paroi en tenant compte des caract+ristiques du climat local commun~ment disponibles fi partir du r6seau des services m6t6o, de la technique culturale (traduite par Ti), du comportement des mat6riaux de couverture aux radiations thermiques et de ta g6om&rie de la serre. Elle permet aussi de s~parer les diff~rents modes de d~perditions et d'6valuer leur importance. L'estimation de la r~partition des pertes relatives par convection et par

,

+

,

2

~

=

I =0

,

i=l i=O

uim.s -~) 8 1'o +

i=1 i=O

2

4-

6-

o

8-

10-

/

+

/

~

K(w.m-.2K-1)

~

=

b

+

=

+

u(m

~i=l

0.8

1'o

.s -1)

=0

i=O

i=l

Fig. 3. Variation de K en fonction de la vitesse du vent (pour T i = 20°C et T~ = 0"C). Variation o f K with wind velocity (for T, = 20°C and T e = 0~C).

4-

O-

12-

12-

0.4 14 ¸

b =

14-

K(W.m-. 2 K- ~ )

J

I',.a

~D

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/

~K(w.m-~. K-' )

10-

Ki.ttas~ i : @

4-

2-

o

~

;

~,

~

5'

u(m.s-,t ,~

Fig. 4. Variation de K en fonctionde la vitesse du vent pour une serre en verre. Variation of K in relation to the wind velocityfor a glasshouse. radiation en fonction du mat&iau de couverture et du lieu d'implantation permet de pr6coniser aux exploitants les dispositifs les plus efficaces pour limiter tes d6perditions d'6nergie: doublage des paroi, 6crans mobiles, verres ~ faible 6missivit& brise-vent. Elle peut &re encore utilis6e pour une premi6re estimation des pertes globales nocturnes des serres en se contentant du calcul de Qp et en l'augmentant d'environ 20% (Takakura and Okada, 1971), afin de tenir compte des pertes dues aux fuites. Une telle estimation constitue une premi6re indication sur les pertes de la serre, mais elle est g6n6ralement suffisante pour les &udes habituelles de thermique de serre off des erreurs de 20% sont admissibles. Par alleurs, afin de pouvoir confronter nos r6sultats ~i la litt~rature, nous avons comparb notre m&hode (1) Avec les r~sultats de Baitle et al. (1983). Ces auteurs ont 6tudi6 exp6rimentalement la variation du coefficient global de d6perditions thermiques U d'une serre en verre en fonction de la vitesse du vent. A partir de leur &ude nous avons d~duit la variation de K e n fonction de u, en consid6rant que U=K+Kr

avec Kf = 0.62n V / S o (Jolliet, 1988) et en adoptant comme valeurs de n e n fonction de

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12-a I

2

8-

--2' J

f 1 2

4-

Polyethylene Verre

selon

Kittas

i' P o l y e t h y l e n e 2' V e r r e

selon

Nisjkens et al

u(m.s-') 0

I

2

I

4

I

6

8

I

10

Fig. 5. V a r i a t i o n de K e n f o n c t i o n de la vitesse d u vent p o u r une p a r o i p l a n e ( p o u r T i = 20°C, Te = - 10°C, TA = - 2 8 ° C , b = 1.0). V a r i a t i o n of K in r e l a t i o n to the wind velocity for a p l a n e wall (for 7"1 ~ 20°C, Te = - 1 0 ° C , T A = - 2 8 ° C , b = 1.0).

u celles propos6es par Whittle and Lawrence (1960) (cit6s par Von Zabeltitz, 1988). La Figure 4 monte une concordance satisfasante entre les r+sultats de notre mod61e et ceux obtenus par Baille et al. (1983). (2) Avec le mod+le de Nisjkens et al. (1984), qui ont propos+ une m&hode d'estimation de K pour diff~rents mat+riaux de couverture en n6gligeant la g+ometrie de la serre. La Figure 5 montre la variation de K e n fonction de la vitesse du vent suivant les deux m6thodes. On constate des diff6rences entre les deux m&hodes de l'ordre de 15 fi 25%. Nous POUVOnSconsid6rer que ces diff6rences sont dues, tr+s vraisemblablement, la diff+rence des coefficients d'+change convectifs utilis~s dans les deux m+thodes. En effet, le but de Nisjkens et al. (1984) ~tant d'6tudier le coefficient K d'une paroi verticale, les coefficients d'6change convectifs ont 6t6 choisis dans cet esprit. Par contre, le but de notre ~tude &ant d'&udier le coefficient K d'une serre, les coefficients d'+change convectifs que nous avons choisi ont 6t~ d&ermin+s fi partir des mesures effectu+es sur une serre r+elle. Pour tester la validit~ de cette explication, nous avons appliqu~ notre m6thode en utilisant les coefficients d'~change convectifs utilis6s par Nisjkens et al (1984). La Figure 6 montre que, sous ces conditions, les r6sultats de deux m&hodes se confondent pratiquement. Des am61iorations restent fi apporter, surtout dans la mani6re d'incorporer le rayonnement solaire dans le mod61e afin de pouvoir tenir compte des pertes diurnes

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C. Kitt~

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K ( W . m £ K-')

10 ~

1

2

l'

6-~

2

' 1 2

4-

o

~

~

~

Polyethylene Verre

selon

Kzttas

i' P o l y e t h y l e n e 2' V e r r e

selon

N±s j k e n s et ai

u(m.s-')

Fig. 6. Comparaison entre le present modele et celui de Nisjkens et al. (1984) avec des coefficients d'echanges convectifs communs. Comparison between the present model and that of Nisjkens et al. (1984) for common convective heat transfer coefficients.

fi travers la paroi. Mais d'ores et d6ja, la m~thode et les r6sultats de notre +tude constituent la base pour un outil pratique pour l'estimation des pertes 6nerg6tiques d'une serre.

6. Conclusion

Une analyse th+orique nous a permis de proposer une m6thode d'estimation du coefficient global de pertes +nerg~tiques a travers la paroi d'une serre, en r6gime nocturne, en fonction de caract6ristiques climatiques facilement accessibles, de la temperature de l'air de la serre impos~e par le serriste, des propri&~s optiques des mat6riaux de couverture et de la g~om+trie de la serre. Cette m6thode, valid6e exp+rimentalement, conduit ~ un affinement de l'estimation des d~perditions 6nerg6tiques du syst~me et peut ~tre utilis6e afin: de classifier les diff6rents materiaux du point de vue 'd6perditions bnerg6tiques' selon le climat, la culture, et le type de serre et juger ainsi de leur aptitude comme mat6riaux de

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221

couverture; d'adopter les moyens, les plus efficaces d'6conomiser l'energie; de proc+der fi un dimensionnement plus rationnel des dispositifs de chauffage; d'avoir une id6e de la variabilit6 des besoins de chauffage selon leur implantation g6ographique, avec donc la possibilit6 d'avoir des donn6es pour juger de l'int+r6t (i) de d6velopper les cultures abrit6es dans une r6gion donn6e; (ii) de modifier les calendriers culturaux ou les rotations. L'application de la m~thode pour diff6rentes situations climatiques, pour diff+rents mat6riaux de couverture et diffbrents types de serre donne des r6sultats qui confirment que la m6thode propos6e peut servir de base pour des calculs de thermique de serre et pour l'~laboration des logiciels d'analyse thermique appliqu6e fi l'ingbni6rie des serres.

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