Evolution des serres de recherche : le génie climatique au service de l’étude du comportement éco physiologique des plantes
Une évolution de la demande pour étudier l’impact du changement climatique sur les plantes
Sur les 1950 hectares de serres froides et chauffées installés sur le territoire national, une centaine de site sont destinées à la recherche et l’analyse du comportement éco physiologique des plantes. Historiquement, la demande se limitait à maintenir des conditions climatiques acceptables et à favoriser l’utilisation de la lumière naturelle.
Jean Luc Rosso propose ainsi de revenir sur l’évolution de cette demande vers des conditions climatiques intérieures plus exigeantes et davantage de performance énergétique. La présentation complète est disponible sur la page WEB du comité technique de l’AICVF. A travers le retour d’expérience de l’étude menée par EGE Ingénierie sur les serres de recherche de l’INRA à Bordeaux, Jean Luc ROSSO décrit les contraintes techniques rencontrées sur les serres de recherches et les solutions techniques pour y répondre: procédés constructifs, éclairage, CVC …..
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L’isolation thermique : une préoccupation nouvelle pour les serres de recherches
Jusqu’aux années 2000, les systèmes constructifs des serres horticoles et de recherches étaient assez semblables et visaient uniquement à favoriser l’éclairage naturel.
Depuis, on constate une amélioration très sensible de l’isolation thermique des sites avec par exemple le passage du simple vitrage au double vitrage avec vide 14mm ou 16 mm avec argon, l’isolation thermique des soubassements sous vitrages, la mise en place de chevrons à rupture de pont thermique….
En 2014, la serre dite HPE de l’INRA de Bordeaux a réalisé un premier test de vitrage à basse émissivité.
Toutefois, la transmittance en fonction de la longueur d’onde doit être analysée afin de veiller à maintenir un bon niveau transmittance sur les plages de longueurs d’onde qui favorisent la photosynthèse de la plante.
L’exemple de deux serres sur site permet ainsi de constater que les consommations énergétiques passent de l’ordre de 1200 Wh/m2.jour (pour une serre construite en 2002) à 644 Wh/m2.jour pour une serre construite en 2015. Le traitement du bâti et l’évolution des équipements a permis ainsi de réduire de 50% la consommation d’énergie finale. La répartition par poste évolue très peu puisque la consommation d’énergie dédiée aux besoins de chauffage reste prépondérante (autour de 65%).
Une analyse comparative de l’évolution intérieure permet de constater l’effet des caractéristiques des vitrages sur les conditions climatiques. Sur la base d’une amplitude de la température extérieure de 12°C (19 à 7°C), la diminution de température intérieure atteint 6°C dans le cadre d’une chapelle avec double vitrage argon faible émissivité, 8°C pour un double vitrage argon et entre 11°C et 13°C dans le cadre d’un simple vitrage.
Le climat intérieur : des exigences plus fines nécessitant une évolution des systèmes de chauffage
Compte tenu de la baisse des puissances de chauffage et l’amélioration des températures superficielles des parois vitrées, on constate un baisse des régimes de température (départ passant de 90°C à 60°C) des systèmes de chauffage permettant la mise en place d’équipement de générateur fioul ou gaz à condensation ou de pompes à chaleur.
Les systèmes de rafraîchissement sont de type tout air neuf privilégiant le rafraichissement adiabatique grâce à système intégrés dans des caissons ou directement sur une paroi avec évacuation de l’air sur les murs opposés ou sur châssis de toiture. Le taux de ventilation est de 30 à 40 V/h
Dans le cadre d’installation avec climat tempéré, des groupes froids peuvent être utilisés mais en veillant à maintenir les régimes d’eau au-dessus du point de rosée.
Pour les climats tropicaux, taux d’hygrométrie et température élevé, les systèmes adiabatiques resteront les plus adaptés.
Les équipements CVC sont également soumis à des contraintes de confinement afin de prévenir la dissémination des pollens et des micro-organismes voir des agents pathogènes. Les équipements peuvent constituer un vecteur de dissémination. Si une maitrise des micro-organismes est recherchée, une attention particulière sera portée sur les équipements de rafraîchissement pour lesquels seul le double flux adiabatique ou le conditionnement d’air pourra être envisagé. Dans le cas d’une exigence de confinement d’agents pathogènes, seul les systèmes de conditionnement d’air pourront être mis en œuvre avec des procédures de maintenance et de surveillance spécifiques.
Construction d’un site à Toulouse : retour de quelques simulations thermiques dynamiques.
Les simulations thermiques dynamiques réalisées sous Pleiades dans le cadre de la réalisation d’une installation sur un site à Toulouse ont permis d’analyser l’évolution des puissances appelées de chauffage et de refroidissement sur les mois extrêmes ainsi que l’incidence de la présence d’ombrières.
Pour ce qui concerne les besoins de froid, sur les journées les plus chaudes, on peut constater une différence extrême de l’ordre de 25% sur les puissances appelées des équipements de rafraichissement en fonction de la présence ou non d’ombriéres. Toutefois, la mise en place d’éclairage artificiel pendant une période de la journée afin de pallier à la présence d’ombriéres conduit à une augmentation notable de la consommation électrique. Globalement, l’amélioration de la performance énergétique est évaluée à 10%.
Les simulations réalisées avec la présence d’ombriéres sur 80% des toitures et 50% des murs permet de réduire considérablement – en mode passif – les températures intérieures pendant la période estivale permettant de limiter considérablement le recours aux équipements de rafraîchissement.
En matière de diffusion d’air, le choix technique s’est porté sur la diffusion à flux convectif par gaine textile. Les installations doivent répondre à une contrainte de vitesse d’air sur les plantes limitées à 0,5 m/s. La température de soufflage sera alors de 14°C pour une température intérieure de 22°C et un taux de brassage de 40 V/h.
Les installations mis en place sur cette serre de climat tempéré présentent ainsi une puissance relativement faible. Une PAC réversible de 55 kW couplée à deux systèmes thermodynamiques d’appoint (froid) et de secours permet de couvrir les besoins calorifiques et frigorifiques du site.
L’éclairage artificiel : concilier performance énergétique avec besoins qualitatifs et quantitatifs
La photosynthèse nécessite à la fois de disposer d’une qualité de lumière au plus proche du spectre solaire ainsi qu’une quantité journalière de lumière minimum.
Un complément de lumière doit être apporté lors des journées courtes, nuageuses ou en présence d’ombriéres. Les lampes à décharges iodure métallique ou sodium sont les plus répandues.
Les LED apportent des perspectives intéressantes compte tenu de leur efficacité lumineuse et de la possibilité de cibler les longueurs d’ondes nécessaires à la photosynthèse.
Pour une densité de flux photonique photosynthétique de 1600 µmol/m2/s d’éclairage naturel disponible, 800 peuvent être absorbés par la plantes situées dans la serre avec une structure en double vitrage. L’éclairage artificiel sera donc de l’ordre de 500 µmol/m2/s en climat topical et 180 en climat tempéré.
Pour la photosynthèse, les longueurs d’ondes rouge, orange et violet, bleu sont à privilégier.
Les LED présentent à la fois une bonne couverture des longueurs d’ondes ainsi qu’une bonne homogénéité du flux.
L’installation de LED permet de diviser par trois les consommations énergétiques par rapport à des lampes HPS.
L’installation de panneau photovoltaïque pour compléter le triptyque « Sobriété/ Efficacité énergétique/ EnR »
L’installation de 270 m2 de panneau photovoltaïques permettant de fournir une puissance de 41 kWc assure sur une ville comme bordeaux une production de 41.000 kWh/an principalement destinée à l’autoconsommation.
La serre de bordeaux permet ainsi de couvrir une bonne partie de ses besoins énergétiques (plus de 50%) grâce à aux PV.
Conclusion
Même si les serres de recherche sont rares en France, ces exemples illustrent la nécessité d’évolution de nos métiers pour répondre à des projets liants à la fois performance énergétique et exigences techniques de plus en plus fines.
