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MODULE DES SCIENCES APPLIQUÉES
Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
PROJET APPLIQUÉ DE FIN D’ÉTUDES EN INGÉNIERIE DANS LE CADRE DU
PROGRAMME DE BACCALAURÉAT EN GÉNIE ÉLECTROMÉCANIQUE
Présenté par : David Gingras et François Breton
Superviseur : M. François Godard, ing., Ph.D.
Représentant industriel : M. Réjean Dubé, ing. (Directeur général),
Les Serres Coopératives de Guyenne, Guyenne
24 avril 2009
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 II
REMERCIEMENTS
Ce rapport résume notre démarche d’optimisation du rendement énergétique des Serres
Coopératives de Guyenne, que nous avons réalisé au cours de la session hiver 2009. Sans l’aide
précieuse de plusieurs collaborateurs, ce travail aurait été impossible à accomplir et nous
désirons témoigner notre reconnaissance à toutes ces personnes.
Tout d’abord, on remercie Les Serres Coopératives de Guyenne pour nous avoir donné la
chance de relever un tel défi. Notre superviseur de projet M. Réjean Dubé ing, M. Martin
Rouleau, Mme Diane Lebreux et tout le monde qui a participé de près ou de loin à la réalisation
de ce rapport. Votre disponibilité et un support technique efficace furent grandement appréciés.
Merci à notre professeur superviseur, M. François Godard, ing.,Ph.D., qui a suivi avec intérêt et
dévouement la progression de notre projet. Son savoir et ses directives nous ont guidés tout au
long de notre cheminement. Un merci spécial à M. Yves Ruel, ing., pour ses conseils portant
sur l’analyse économique de nos propositions.
Nous avons eu la précieuse collaboration d’ingénieurs représentants des fournisseurs
d’équipement ; M. Sébastien Brasseur, M. Denis Boutin et M. Steeve Messier qui nous on
assisté lors de la sélection des appareils. Soulignons la participation de M. Bruno Gauthier qui
nous a prêté l’ensemble de ses catalogues.
Nous voulons aussi remercier nos familles, amis et tous nos partenaires des baccalauréats en
génie de l’Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue qui nous ont épaulés.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 III
RÉSUMÉ
L’énergie utilisée pour le chauffage des serres nordiques représente un fort pourcentage des
dépenses annuelles encourues pour maintenir ces activités. Malgré le climat plus froid, les
horticulteurs doivent user de créativité pour demeurer compétitifs.
C’est pourquoi la Coopérative des Serres de Guyenne nous a mandatés pour améliorer le bilan
énergétique de leurs opérations. Ce projet final de fin d’études en génie électromécanique
présente des pistes de solutions qui visent à rendre plus efficace les installations existantes.
Plusieurs avenues ont été étudiées, tel que le changement du recouvrement des serres en verres,
le dimensionnement d’un séchoir à écorce, l’implantation d’un système de récupération de
chaleur et la déshumidification de l’air. Pour chaque solution, vous trouverez des études
théoriques, pratiques et économiques qui permettront d’évaluer l’efficacité de chacune de
celles-ci. Les solutions retenues ont été choisies en misant sur un investissement raisonnable,
une haute efficacité et en respectant notre conscience écologique.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 IV
ABSTRACT
The energy consumed to heat greenhouses, especially in the northern regions, represents a
strong percentage of the annual spendings related to this activity. Even though the climate is
colder, the horticulturalists must be creative in order to stay competitive.
The objective of this final project in electromechanical engineering is to suggest solutions to
increase the overall efficiency of energy consumption from Les Serres Coopératives de
Guyenne. Many potential solutions have been studied; the upgrade of the covering from the
glass greenhouses, the implantation of an energy recovering system, the design of a rotary drier
and the dehumidification of the inside air. For each solution, you will find a detailed description
of our approach to evaluate the efficiency of each proposition. We have made our decision
considering a reasonable initial cost, a high efficiency and respecting our ecological awareness.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 V
TABLE DES MATIÈRES
REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... II
RÉSUMÉ .................................................................................................................................... III
ABSTRACT ............................................................................................................................... IV
TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................ V
LISTE DES TABLEAUX .......................................................................................................... IX
LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS ...................................................................... XI
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. XIII
1. INTRODUCTION ............................................................................................................. 1
2. ÉTUDE DES BESOINS ET MANDAT ............................................................................ 2
2.1 Présentation de l’entreprise ............................................................................................ 2
2.2 Description et caractérisation du procédé ...................................................................... 3
2.3 Inventaire des données opérationnelles et expérimentales recueillies ........................... 4
2.3.1 Ensoleillement ............................................................................................................ 4
2.3.2 Taux d’humidité et température à l’intérieur des serres ............................................. 5
2.3.3 Consommation d’huile ............................................................................................... 6
2.3.4 Température extérieure ............................................................................................... 6
2.3.5 Efficacité des types de recouvrement de serre ........................................................... 7
2.3.6 Séchage des écorces, courbe de séchage .................................................................... 7
2.3.7 Consommation d’écorce ............................................................................................. 8
2.3.8 Dimensions des serres ................................................................................................ 8
2.3.9 Consommation de gaz carbonique ............................................................................. 9
2.3.10 Efficacité des chaudières ............................................................................................ 9
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 VI
2.4 Revue de la documentation .......................................................................................... 10
2.4.1 Institut québécoise du développement de l’horticulture ornementale ...................... 10
2.4.2 Mass Transfert Operations, Treybal ......................................................................... 10
2.4.3 Heat Transfert, A Practical Approach, Yunus A. Çengel ........................................ 10
2.5 Objectifs, contraintes et restrictions ............................................................................. 11
2.5.1 Objectifs ................................................................................................................... 11
2.5.2 Contraintes ................................................................................................................ 11
2.5.3 Restrictions ............................................................................................................... 11
2.6 Formulation du mandat ................................................................................................ 11
3. CADRE THÉORIQUE ET ÉLABORATION DES HYPOTHÈSES ............................. 13
3.1 Coût du kilowattheure d’écorce et du kilowatt ............................................................ 13
3.2 Remplacement du recouvrement des serres. ................................................................ 15
3.2.1 Économie réalisée en changeant le recouvrement .................................................... 16
3.2.2 Économie d’énergie .................................................................................................. 16
3.2.2.1 Économie de puissance ............................................................................................ 18
3.2.2.2 Profit causé par un rendement supérieur des plants ................................................. 18
3.3 Système de récupération d’énergie dans les cheminées ............................................... 19
3.3.1 Estimation du temps de fonctionnement des chaudières à l’huile ............................ 20
3.3.2 Économie d’énergie .................................................................................................. 22
3.3.3 Économie de puissance ............................................................................................ 23
3.4 Système de récupération et de chauffage l’été ............................................................. 23
3.4.1 Puissance moyenne requise pour le chauffage de nuit ............................................. 24
3.4.2 Coût de l’électricité consommée par le système ...................................................... 24
3.4.3 Énergie dissipée par le système de récupération ...................................................... 25
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 VII
3.4.4 Valeur de l’économie d’huile ................................................................................... 26
3.4.5 Économie totale du système de récupération de chaleur .......................................... 26
3.5 Système de déshumidificateurs .................................................................................... 27
3.5.1 Perte de chaleur due à l’ouverture des panneaux ..................................................... 29
3.5.2 Perte de CO2 due à l’ouverture des panneaux .......................................................... 30
3.6 Dimensionnement du séchoir ....................................................................................... 30
3.6.1 Calcul de la masse volumique .................................................................................. 32
3.6.2 Détermination des variables de design du séchoir ................................................... 32
3.7 Installation d’un tuyau de déviation ............................................................................. 41
4. MISE EN ŒUVRE DU MANDAT ................................................................................. 42
4.1 Recherche de solutions & études de praticabilité ........................................................ 42
4.1.1 Changement du recouvrement de verre .................................................................... 42
4.1.2 Récupération de chaleur dans les cheminées ........................................................... 43
4.1.3 Déshumidificateurs ................................................................................................... 44
4.1.4 Installation d’un tuyau de déviation ............................................................................. 44
5 ÉTUDE DES COÛTS ...................................................................................................... 45
5.1 Changement du recouvrement de verre ....................................................................... 45
5.2 Récupération de chaleur dans les cheminées ............................................................... 46
5.3 Déshumidificateurs ...................................................................................................... 47
5.4 Tuyau de déviation de la chaudière à biomasse ........................................................... 48
6. SANTÉ ET SÉCURITÉ .................................................................................................. 50
6.1 Séchoir et système d’admission d’écorce .................................................................... 50
6.2 Système de récupération dans les cheminés ................................................................ 50
6.3 Limite d’exposition au CO2 ......................................................................................... 51
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 VIII
7. RECOMMANDATIONS ................................................................................................ 52
3. Emmagasiner l’écorce dans un abri, ............................................................................ 52
8. CONCLUSION ................................................................................................................ 53
9. BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................................... 54
ANNEXES .................................................................................................................................. 55
Ensoleillement ......................................................................................................................... 56
Taux d’humidité et température à l’intérieur des serres ......................................................... 62
Consommation annuelle d’huile ............................................................................................. 68
Température externe minimale, moyenne et maximale .......................................................... 70
Coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement de verre ....................................... 76
Coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement de polyéthylène .......................... 85
Spécifications du fournisseur Cannon Boiler Works .............................................................. 95
Brochure des économiseurs de chaleur ................................................................................... 98
Soumission des économiseurs ............................................................................................... 100
Script Matlab ......................................................................................................................... 101
Graphiques de l’étude du séchoir .......................................................................................... 103
Fiche technique des déshumidificateurs ............................................................................... 107
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 IX
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2-1 : Ensoleillement minimal, maximal et moyen .......................................................... 4
Tableau 2-2 : Température et humidité relative interne des serres ............................................... 5
Tableau 2-3 : Température externe minimales, moyennes et maximales ..................................... 6
Tableau 2-4 : Coefficient global d’échange de chaleur (U) pour différents recouvrement .......... 7
Tableau 2-5 : Efficacité et valeur calorifique de différentes sources d’énergie ........................... 9
Tableau 3-1 : Données sur le coût du kWh d’écorce et du coût du kW ..................................... 13
Tableau 3-2 : Propriété de l’eau dans la chaudière à biomasse .................................................. 14
Tableau 3-3 : Coût moyen du kWh ............................................................................................. 15
Tableau 3-4 : Données expérimentales requises pour les calculs de pertes thermiques ............. 16
Tableau 3-5 : Données des recouvrements ................................................................................. 17
Tableau 3-6 : Données pour le calcul des pertes de puissance ................................................... 17
Tableau 3-7 : Donnée sur la production de tomates supplémentaire .......................................... 19
Tableau 3-8 : Performance des échangeurs proposés ................................................................. 20
Tableau 3-9 : Données pour l’estimation du temps de fonctionnement des chaudières ............. 21
Tableau 3-10 : Données pour le calcul de faisabilité du système de récupération de chaleur.... 24
Tableau 3-11 : Variation du débit et de la longeur du séchoir .................................................... 39
Tableau 3-12 : Variation du débit et de la longeur du séchoir .................................................... 40
Tableau 3-13 : Énergie perdue par la chaudière à biomasse ...................................................... 41
Tableau 5-1 : Données sur l’analyse financière .......................................................................... 45
Tableau 5-2 : Coûts et économies du changement du recouvrement ......................................... 46
Tableau 5-3 : Résultats de l’analyse financière du changement du recouvrement ..................... 46
Tableau 5-4 :Coûts et économies de la récupération de chaleur dans les cheminées ................. 47
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 X
Tableau 5-5 : Résultats de l’analyse financière de la récupération de chaleur dans les cheminées
.................................................................................................................................................... 47
Tableau 5-6 :Coûts et économies de l’installation de déshumidificateurs ................................. 48
Tableau 5-7 : Résultats de l’analyse financière de l’installation de déshumidificateurs ............ 48
Tableau 5-8 :Coûts et économies de l’installation du tuyau de déviation .................................. 49
Tableau 5-9 : Résultats de l’analyse financière de l’installation du tuyau de déviation ............. 49
Tableau 10: Données pour le calcul du coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement
de verre ....................................................................................................................................... 77
Tableau 11: Donnée sur les propriétés de l’air intérieur à 249,10 K .......................................... 77
Tableau 12: Donnée sur les propriétés de l’air extérieur à 245,34 K ......................................... 80
Tableau 13: Données pour le calcul du coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement
de polyéthylène ........................................................................................................................... 86
Tableau 14: Donnée sur les propriétés de l’air intérieur à 286,41 K (Tfilm) ............................... 86
Tableau 15: Donnée sur les propriétés de l’air extérieur à 244,06 K (Tfilm) ............................... 90
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 XI
LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS
è é à è ° é à é è ° é °⁄
é / û é $/
é û é / û é $/ û $/
û é é $/ $ É é é é é $
û é é $/ $ é é é é $/ ,
/ $/ û $/
, é é û é / û é . .
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, é è û é é é é è / é
è é é $é û é é é $ , é é è $ $É, é $
⁄ [kg air sec]
∆ é à é à / é /
é ⁄ é é /
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 XII
é / é / é / ] é , ⁄ é ° ] é ° ]
⁄ ] ⁄
é , /
é é , é / é
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∆ , é ° ∆ é é °
/ ³ é
é
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 XIII
LISTE DES FIGURES
Figure 2-1 : Vue aérienne des serres de Guyenne ........................................................................ 2
Figure 2-2: Pépinière .................................................................................................................... 3
Figure 2-3: Plants de tomates ....................................................................................................... 3
Figure 2-4 : Modélisation 3D des serres ....................................................................................... 8
Figure 3-1 : diagramme des variables du séchoir ....................................................................... 31
Figure 3-2 : Schéma pour le calcul de la masse volumique ....................................................... 32
Figure 3-3 : évolution des températures dans le séchoir ............................................................. 33
Figure 4-1 : Recouvrement de polyéthylène à double paroi ....................................................... 42
Figure 4-2 : Recouvrement de panneaux de verre simple .......................................................... 42
Figure 4-3 :Échangeur de chaleur pour cheminée (constructeur : Cannon Boiler Works) ......... 43
Figure 4-4;Déshumidificateurs proposés .................................................................................... 44
Figure 5: Recouvrement de verre ............................................................................................... 76
Figure 6: Schéma du transfert de chaleur d’un panneau de verre ............................................... 76
Figure 7: Recouvrement de polyéthylène à double parois .......................................................... 85
Figure 8: Schéma du transfert de chaleur d'un recouvrement de polyéthylène double .............. 85
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 1
1. INTRODUCTION
De nos jours, la consommation d’énergie est un sujet d’actualité sur lequel les entreprises se
penchent afin de réduire leurs coûts d’exploitation. Par exemple, les horticulteurs dans les pays
nordiques doivent à tout prix optimiser leur consommation d’énergie afin d’assurer la
rentabilité de leurs activités. Ils doivent développer des avenues pour trouver des sources
d’énergie abordables et facilement exploitables, tout en restant écologiques. En Abitibi-
Témiscamingue, Les Serres Coopératives de Guyenne œuvrent depuis trois décennies à la
production de différentes variétés de tomates. Étant donné que ces serres se situent entre le
48ième et le 49ième parallèle, celles-ci demandent d’importantes quantités d’énergie afin de
maintenir une température permettant la croissance des végétaux. Pour ce faire, cette
coopérative utilise les résidus issus des activités de d’autres entreprises, soit des huiles usées et
des écorces. Les huiles offrent un rendement énergétique très élevé, mais les écorces doivent
être traitées pour en offrir un équivalent. En fait, elles doivent être sèches afin de permettre une
combustion efficace. Actuellement, la coopérative a mandaté une entreprise pour construire un
séchoir à contre courant, puisqu’elle n’était pas satisfaite du rendement offert par leur chaudière
à écorce. Jusqu’à maintenant, aucune étude technique n’a été effectuée sur cette construction.
La coopérative nous demande donc d’évaluer théoriquement le rendement de ce séchoir et
d’apporter les correctifs, si cela est nécessaire.
Il existe plusieurs types de serres, faites avec différents matériaux et de formes distinctes. Aux
Serres de Guyenne, on trouve des recouvrements de verre et des serres en polyéthylène à
double paroi. Après avoir observé les deux types de recouvrement pendant plusieurs années, M.
Réjean Dubé (Directeur général) a mentionné que les recouvrements de polyéthylène double
offrent une isolation supérieure à celle du verre simple. Il se demande s’il est économiquement
avantageux de faire ce changement. L’investissement pour changer le recouvrement de toutes
les serres est important, plus de 500 000 dollars. C’est pourquoi la coopérative aimerait
connaître la quantité d’énergie économisée grâce à cette amélioration et le retour sur
l’investissement
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 2
2. ÉTUDE DES BESOINS ET MANDAT
2.1 Présentation de l’entreprise
Les Serres Coopératives de Guyenne œuvrent dans la région depuis 1980. Elles sont situées à
Guyenne entre La Sarre et Amos en Abitibi-Ouest (figure 2-1). Cette coopérative a été créée
par un groupe de citoyens afin de relancer l’activité économique de leur village. Aujourd’hui,
cette entreprise produit plusieurs variétés de tomates, de fleurs, d’arbres et de plantes diverses.
Elle possède 90 membres travaillant en majorité sur le site. Pendant la saison estivale, plus de
300 employés y travaillent. La production de haute qualité qui en résulte fait la fierté de la
communauté. Ils cultivent au delà 3,9 millions de livres de tomates annuellement. La
production atteint donc entre 11 364 et 23 636 kilogrammes (25 et 52 mille livres) de tomates
par jour de récolte, trois fois par semaine. De plus, la coopérative possède la plus grosse
pépinière d’épinettes noires au Québec et la troisième au Canada. Lors de notre visite, nous
avons été impressionnés par l’ampleur des installations (figure 2-2). Dans cette immense serre,
on y dénombre plus d’un million d’arbres. Nous avons aussi visité les serres qui sont utilisées à
la culture des tomates. Nous avons observé, avec étonnement, que les pieds de tomates
atteignent en moyenne 50 pieds de longueur (figure 2-3). Les producteurs couchent au sol les
plants pour les exploiter au maximum. Il est intéressant de constater que notre climat nordique
ne représente pas un obstacle insurmontable à la production de tomates. Il est possible pour une
entreprise de tirer son épingle du jeu dans un marché très compétitif lorsque les gens se
regroupent autour d’un objectif commun.
Figure 2-1 : Vue aérienne des serres de Guyenne
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 3
Figure 2-2: Pépinière
Figure 2-3: Plants de tomates
2.2 Description et caractérisation du procédé
La production de tomates et d’arbres nécessite une logistique complexe et la situation
géographique nordique des serres rend cette tâche encore plus ardue. Cette coopérative utilise
cinq chaudières pour chauffer ses immenses serres. Elle utilise des huiles usées et de la
biomasse forestière (des écorces et des sciures de bois) comme source d’énergie. L’huile usée
est récoltée à l’aide d’un camion citerne qui s’approvisionne en Abitibi-Témiscamingue et dans
le Nord du Québec (territoire de la Baie James). La coopérative récolte différents types d’huile,
comme de l’huile à moteur, à transmission et hydraulique. Cette huile est brûlée par trois
chaudières, soit une de 500 hp (4,89 MW) et deux de 200 hp (1,96 MW). Une chaudière de
réserve de 400 hp (3,92 MW) s’ajoute aux trois autres. Les chaudières de 200 hp sont situées
au même endroit et elles utilisent la même cheminée pour expulser les gaz de combustion.
L’eau chauffée circule dans des tuyaux entre chaque rangée de plants de tomates et elle est
ensuite réacheminée aux chaudières. Cette canalisation de distribution de chaleur sert
également de rails pour le déplacement des employés, qui assurent l’entretien des plants.
Afin de laisser pénétrer la lumière, les serres sont munies de plafonds en verre ou en
polyéthylène. À la suite de plusieurs observations, les travailleurs ont remarqué que l’utilisation
du verre comporte des inconvénients, tel que la faible isolation, l’effet de loupe en été (il y fait
trop chaud), etc. Alors, dans ce projet, il sera question d’évaluer s’il est possible de rentabiliser
le remplacement des vitres des serres par une toiture de polyéthylène à double épaisseur.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 4
La principale problématique quant à l’utilisation de la biomasse est le taux d’humidité contenue
dans celle-ci. Par exemple, lorsque les arbres sont récoltés peu de temps après une tempête,
l’écorce est couverte de neige. Il est donc impossible pour la chaudière de fournir son plein
rendement puisque la quantité d’eau contenue dans l’écorce est trop grande. Afin de remédier à
ce problème, la coopérative a demandé à une entreprise de fabriquer un séchoir à écorce. Ce
séchoir utilise l’énergie des gaz d’échappement à l’aide d’un échangeur de chaleur pour sécher
l’écorce. Alors, la coopérative nous a demandé d’optimiser le rendement du séchoir actuel en
apportant les modifications nécessaires.
2.3 Inventaire des données opérationnelles et expérimentales recueillies
2.3.1 Ensoleillement
Le soleil fourni un apport énorme en énergie dans les serres. Il est primordial de connaître
l’ensoleillement afin de bien estimer les charges de chauffage et de climatisation. Les Serres
Coopératives de Guyenne utilisent un système qui permet d’enregistrer l’ensoleillement à tous
les deux heures. Il fût possible d’obtenir ces données sous forme de graphiques sur une période
d’un an. Chaque graphique contient des données sur l’ensoleillement minimum, maximum et
moyen durant le mois indiqué. Il est possible de consulter ces données en annexe à la page 56.
Tableau 2-1 : Ensoleillement minimal, maximal et moyen
Période (année 2008 à 2009) Minimum[W/m2]
Moyen [W/m2]
Maximum[W/m2]
1 mars 2008 au 31 mars 7 167 529 31 mars au 29 avril 14 190 644 30 avril au 29 mai 9 197 720 31 mai au 30 juin 19 209 737 30 juin au 29 juillet 14 217 704 31 juillet au 30 août 13 202 615 31 août au 30 septembre 11 163 554 30 septembre au 29 octobre 17 97 403 31 octobre au 30 novembre 5 66 256 30 novembre au 29 décembre 0 35 165 31 décembre au 30 janvier 2009 0 55 253 31 janvier au 2 mars 0 90 418
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 5
Dans le tableau 2-1 on aperçoit les valeurs d’ensoleillement minimales, maximales et moyennes
pour chaque période inscrite.
2.3.2 Taux d’humidité et température à l’intérieur des serres
L’humidité est un facteur très important lorsqu’il est question d’horticulture. Les plantes
respirent et elles produisent beaucoup d’humidité. Les horticulteurs contrôlent constamment
l’humidité dans leurs serres afin de réduire la condensation et l’accumulation d’eau au sol. Les
bactéries et moisissures se développent très rapidement dans les milieux humides, c’est
pourquoi il faut éviter les flaques d’eau sur le plancher. Sinon, des maladies pourraient se
développer et compromettre les activités des serres. L’humidité relative est une valeur
nécessaire pour dimensionner les différents équipements de conditionnement d’air. Nous avons
obtenu ces données sous forme de graphique sur une période d’un an. On trouve sur ces
graphiques, l’humidité relative et la température interne des serres sur une base mensuelle. Il est
possible de consulter ces graphiques en annexe à la page 62.
Tableau 2-2 : Température et humidité relative interne des serres
Température interne Humidité relative Période (année 2008 à 2009)
Minimale[°C]
Moyenne[°C]
Maximale[°C]
Minimale [%]
Moyenne[%]
Maximale[%]
1 mars 2008 au 31 mars 16 18 24 75 89 99 1avril au 30 avril 15 19 24 63 88 99 1 mai au 31 mai 14 18 24 54 84 99 1 juin au 30 juin 14 19 27 52 86 100 1 juillet au 31 juillet 14 19 28 61 87 100 1 août au 31 août 14 19 27 61 85 100 1 septembre au 30 septembre
15 19 27 69 86 99
1 octobre au 31 octobre 16 17 22 74 86 99 1 novembre au 30 novembre
16 18 22 70 83 96
1décembre au 31 décembre
8 14 18 34 59 89
1 janvier au 31 janvier 2009 13 19 24 42 62 84 1 février au 28 février 17 19 25 57 80 95
Dans le tableau 2-2 on trouve les valeurs minimales, maximales et moyennes des températures
et des taux d’humidité relatives interne des serres pour chaque période inscrite.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 6
2.3.3 Consommation d’huile
Pour déterminer les besoins en énergie, nous avons récolté les données de consommation
d’huile sur une base annuelle. En utilisant la capacité calorifique de l’huile usée, il est possible
d’avoir une bonne approximation des besoins d’énergie pour le chauffage durant les différentes
saisons. Les données sur la consommation d’huiles ont été prises sur des intervalles de temps
variables, alors nous avons seulement des consommations journalières moyennes d’huile. La
consommation d’huile usée annuelle est d’environ 478 612 gallons U.S. [1,81x106 litres]. On
trouve la consommation d’huile détaillée en annexe à la page 68.
2.3.4 Température extérieure
La température extérieure est parmi les valeurs les plus importantes pour calculer la charge de
chauffage et de climatisation. Nous avons également recueillis la température extérieure sur une
base annuelle. En annexe, on trouve des valeurs de températures minimales, moyennes et
maximales pour chaque journée pendant l’année 2008.
Tableau 2-3 : Température externe minimales, moyennes et maximales
Température externe [°C]
Période (année 2008 à 2009) Moyenne minimale
Moyenne Moyenne maximale
1 janvier 2008 au 31 Janvier ‐29,75 ‐12,62 2,31 1février au 29 février ‐22,85 ‐14,57 ‐5,41 1 mars au 31 mars ‐17,04 ‐10,65 0,61 1 avril au 30 avril ‐7,79 3,09 13,69 1 mai au 31 mai ‐0,02 5,88 12,19 1 juin au 30 juin 7,9 13,94 21,15 1 juillet au 31 juillet 10,46 15,30 20,7 1 août au 31 août 9,66 14,69 21,62 1 septembre au 30 septembre 2,21 9,84 21,11 1octobre au 31 octobre ‐4,55 2,73 13,775 1 novembre au 31 novembre 2008 ‐12,59 ‐2,67 12,03 1 décembre au 31 décembre ‐28,875 ‐15,19 ‐0,09
Dans le tableau 2-3 on trouve la température moyenne de la période inscrite. Également, sont
présentées les températures moyennes journalières, minimales et maximales connues dans la
même période.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 7
2.3.5 Efficacité des types de recouvrement de serre
Sur le marché, il existe plusieurs types de serre. Par exemple, on trouve des serres ayant des
recouvrements de verre, de polyéthylène et de polycarbonate. Pour chaque type de
recouvrement, il peut y avoir différentes configurations tel que des parois simples et doubles.
Tableau 2-4 : Coefficient global d’échange de chaleur (U) pour différents recouvrement
Matériaux de recouvrement Facteur de transmission de chaleur
Coefficient U [W/m2‐°C] [Btu‐h/pi2‐°F]
Verre simple (3 mm) 6,3 1,1 Verre double (6mm) 4,0 0,70 Polyéthylène simple 6,3 1,10 Polyéthylène double 4,0 0,70 Polycarbonate simple <6,7 <1,14 Polycarbonate double 3,4 0,6
Le tableau 2-4 indique le coefficient global d’échange de chaleur des principaux matériaux de
recouvrement de serres. Ils ont été normalisés par la Society of Automotive Engineers (SAE).
Ces données ont été prises dans le document intitulé « Clinique sur La gestion de l’énergie en
serre » produit par l’Institut québécois du développement de l’horticulture ornementale. Il n’est
pas mentionné dans celui-ci les hypothèses posées (température, vitesse de l’air, etc.) pour le
calcul de ces coefficients. Ceux-ci sont à titre indicatif, cependant ils seront utile afin de les
comparer avec nos propres résultats. En comparant ceux-ci, on remarque que le verre simple, le
polyéthylène simple et le polycarbonate simple possède un coefficient U relativement similaire.
L’ajout d’une deuxième paroi permet de diminuer considérablement le coefficient de 36% à
47%. Fait plus intéressant, les recouvrements de polyéthylène double paroi sont
approximativement 57,5 % plus efficaces que ceux en verre simple.
2.3.6 Séchage des écorces, courbe de séchage
Un grand pourcentage d’humidité dans le combustible a une incidence négative sur le
rendement de la chaudière à biomasse. La cause de cette baisse de rendement est qu’une grande
proportion de l’énergie générée par la combustion est dépensée pour évaporer l’eau contenue
dans l’écorce. Nous avons recueillie un échantillon dans le monticule situé juste à côté du
bâtiment qui abrite la chaudière et le séchoir. Cet échantillon, d’environ 1kg, a été pris au cœur
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 8
du monticule alors que l’opérateur venait tout juste de manipuler la matière avec une chargeuse
sur roue. La représentativité d’un échantillon prélevé au centre est meilleure que si nous
l’avions pris sur la couche externe qui risque d’être altérée par contact avec le milieu extérieur.
Afin de déterminer le pourcentage d’humidité de cet échantillon, nous avons effectué un test de
séchage dans les fours du local D012 à l’université du Québec à Rouyn-Noranda. Deux bacs en
aluminium ont servis de support. Le four étant réglé à 105°C, la masse des deux bacs a été
relevée à toutes les 30 minutes durant six heures, et une dernière mesure a été prise après
24heures pour connaître la masse anhydre. Suite aux calculs présentés en annexe, ce test a
révélé un pourcentage d’humidité moyen de 68,94% (kg d’eau/ kg de solide humide).
2.3.7 Consommation d’écorce
La chaudière à biomasse a été ajoutée aux installations car les chaudières à l’huile ne
subvenaient plus aux besoins de chauffage des serres qui ont connues une expansion
considérable au fil des ans. En période hivernale, ils consomment 50 tonnes d’écorce par jour.
En 2008, le coût annuel de cette consommation s’élève à environ 150 000 dollars.
2.3.8 Dimensions des serres
Les serres de Guyenne sont subdivisées en blocs qui sont répartis sur différents niveaux.
Chaque bloc contient plusieurs unités de serres. Avec la participation de M. Réjean Dubé, nous
avons mesuré la hauteur des murs de chaque bloc. Deux formes de recouvrement sont présents ;
à double pignons triangulaires et à pignon simple avec extrémité arquée. Chaque bloc fût
modélisé à l’aide du logiciel Inventor (figure 2-4), pour ensuite en tirer le volume total à
chauffer, 181 227m³. Ce résultat du logiciel est validé par une approximation préliminaire qui
négligeait la courbure du recouvrement. Également à l’aide de ce modèle, nous obtenons la
superficie des serres, 37 215 m² ce qui a permis de calculer la quantité d’énergie injectée dans
les serres par le soleil.
Figure 2-4 : Modélisation 3D des serres
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 9
2.3.9 Consommation de gaz carbonique
Afin de maximiser la croissance et le rendement des plants de tomates, l’air ambiant des serres
est enrichi en dioxyde de carbone. Pour y parvenir, la coopérative achète du CO2 liquide qui est
injecté dans les serres au besoin. 26 remplissages du réservoir par année sont nécessaires, à
5000 dollars par remplissage, cette dépense de 130 000 dollars est considérable. Nous croyons
que ce montant pourrait être diminué si l’ouverture des fenêtres était moins fréquente,
particulièrement en période estivale lorsqu’il est nécessaire de ventiler les serres pour abaisser
la température.
2.3.10 Efficacité des chaudières
Selon la clinique sur la gestion de l’énergie en serres, référence [1], les fournaises à l’huile
offrent un rendement de 70%. Cette performance est avantageuse en comparaison avec la
biomasse qui donne un rendement de 60%. À noter que plus la biomasse est sèche plus sa
valeur calorifique augmente pour des raisons précédemment expliquées. À masse égale, l’huile
donne 240% plus d’énergie lors de sa combustion que l’écorce sèche.
Tableau 2-5 : Efficacité et valeur calorifique de différentes sources d’énergie
Combustibles Unité de volume
Équivalence brute (kWh/unité)
Efficacité Équivalence nette (kWh/unité)
Huile #2 l 11,07 70% 7,75 Huile #6 l 11,86 70% 8,30 Gaz naturel m³ 10,33 75% 7,51 Propane l 7,03 75% 5,27 Bois humide kg 2,20 60% 1,32 Bois sec kg 5,50 60% 3,30 Électricité kWh 1,00 99% 0,99
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David Gingras François Breton Hiver 2009 10
2.4 Revue de la documentation
Plusieurs documents nous ont informés des travaux et des accomplissements réalisés dans le
passé pour nous guider dans notre recherche de solutions. Cette section présente brièvement les
quelques uns des ouvrages qui nous ont été grandement utiles tout au long du projet.
2.4.1 Institut québécoise du développement de l’horticulture ornementale
Afin d’en apprendre plus sur la production horticole, M. Dubé nous a fournie un document
portant sur la gestion d’énergie en serre. Ce document a été produit par l’Institut québécois du
développement de l’horticulture ornementale. Plus précisément, ce document traite des sujets
suivant ; les pertes de chaleur, le chauffage de la serre, méthode directe d’économie d’énergie,
méthode indirecte d’économie d’énergie, etc.
2.4.2 Mass Transfert Operations, Treybal
Pour bien comprendre le processus de séchage dans un séchoir rotatif, cet ouvrage nous a été
proposé par notre professeur superviseur. On y explique les principes de conservation de masse
et d’enthalpie associés aux opérations de séchage. Les données requises pour appliquer ces
équations sont exhaustives, des hypothèses devront inévitablement être posées pour élaborer
nos calculs. Des équations de design y sont présentées pour fournir des lignes directrices sur le
dimensionnement des équipements.
2.4.3 Heat Transfert, A Practical Approach, Yunus A. Çengel
Ce livre de transfert de chaleur nous a fourni de l’information concernant le contrôle de la
qualité de l’air des bâtiments. Spécialement pour la portion du gain solaire à travers les
recouvrements des serres. On y expose la théorie des échangeurs de chaleur, information très
pertinente à notre projet.
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David Gingras François Breton Hiver 2009 11
2.5 Objectifs, contraintes et restrictions
Afin de bien diriger notre projet, nous avons défini avec le représentant industriel et notre
professeur superviseur des objectifs, contraintes et restrictions.
2.5.1 Objectifs
- Définir s’il est économiquement rentable de modifier le matériau de recouvrement, soit
remplacer le verre simple par un revêtement de polyéthylène à double paroi.
- Évaluer le rendement du système de séchage d’écorce.
- Améliorer le rendement de celui-ci si nécessaire.
- Récupérer le maximum d’énergie des gaz de combustion.
- Réduire le temps d’ouverture des volets de ventilation.
2.5.2 Contraintes
- La longueur et le diamètre du séchoir sont fixés
- Le débit massique d’écorce doit être d’une à deux tonnes par heure au séchoir.
- La consommation d’huile ne doit pas être réduite sur une base annuelle, car la collecte
de cette dernière est subventionnée et très rentable.
2.5.3 Restrictions
- Le coût du projet doit être amorti sur une période de 10 ans au maximum.
- Le volume d’huile usée ne doit pas dépasser 500 000 gallons U.S.
2.6 Formulation du mandat
Le client, les Serres Coopératives de Guyenne, désire améliorer son bilan énergétique, soit
réduire son coût de chauffage. Pour y parvenir, la coopérative désire optimiser le rendement de
sa chaudière à biomasse. Celle-ci est alimentée par des résidus de sciage provenant de la Scierie
Blanchet localisée à Amos. Trois autres chaudières sont en opération sur le site, celles-ci
fonctionnent avec de l’huile usée provenant de machinerie. Puisque la coopérative reçoit un
crédit gouvernemental pour la collecte de ces huiles, les efforts seront ciblés sur la
consommation d’écorce. Cette écorce, qui est entreposée à l’extérieur, possède un pourcentage
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 12
d’humidité de 68,75 % sur une base humide en hiver. Alors, on dépense beaucoup trop
d’énergie pour évaporer cette eau dans le processus de combustion. C’est la raison pour laquelle
un séchoir rotatif à contre-courant a été construit. L’énergie thermique provient des gaz
d’échappements de la chaudière, par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur installé dans la
cheminée.
Également, la coopérative est allée de l’avant avec le remplacement du revêtement supérieur de
la majorité de sa superficie. Le nouveau revêtement en polyéthylène à double paroi offre une
meilleure isolation que le verre à paroi simple. L’investissement requis pour changer le verre
des dernières serres est de 500 000 dollars. La coopérative aimerait connaître les économies
reliées à cette dépense et connaître la période de retour sur l’investissement avec un taux
d’actualisation de 7% par année.
Tout au long du rapport, des solutions seront élaborées en passant, entre autres, par les étapes
suivantes :
• Vérifier la performance du séchoir actuel, en particulier le débit massique des écorces,
le débit et la température de l’air dans le séchoir et le taux d’humidité des écorces à la
sortie.
• Élaborer des calculs de séchage afin de proposer des modifications à la conception
actuel pour optimiser son rendement en atteignant un taux d’humidité acceptable.
• Obtenir des données météorologiques pour la région de Guyenne.
• Établir le coût de kWh de chauffage d’écorce ainsi que le nombre total de kWh de
chauffage consommé par année.
• Calculez les économies d’énergie réalisées par la modification du revêtement, les
associées à un coût de chauffage et faire les calculs économiques pertinents.
• Proposer d’autres améliorations simples pour réduire les coûts de chauffage.
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David Gingras François Breton Hiver 2009 13
3. CADRE THÉORIQUE ET ÉLABORATION DES HYPOTHÈSES
Dans cette section, des études sur les différentes solutions permettant d’améliorer le bilan
énergétique de la coopérative seront présentées. Dans l’ordre ; remplacer le recouvrement des
serres, dimensionner un séchoir à écorce, implanter un système de récupération de chaleur et
déshumidifier l’air des serres. Cependant, en premier lieu, nous allons calculer le coût du
kilowattheure d’écorce et le coût de la puissance installée. Les études suivantes ont été faites
selon un cadre théorique et en élaborant des hypothèses qui sont présentées au fur et à mesure.
3.1 Coût du kilowattheure d’écorce et du kilowatt
Afin de bien évaluer l’économie réaliser pour chacune des solutions étudiées, nous allons
estimer le coût de revient de chaque kilowattheure de chauffage produit pas la chaudière à
biomasse. Nous avons recueillis toutes les données nécessaires grâce au système informatique
de la coopérative. Notre étude porte sur les trois premiers mois de l’an où la consommation
d’écorce est maximale, soit 50 tonnes par jour. Étant donné que les solutions étudiées
permettront de réduire la puissance de chauffage requise, nous évaluerons aussi le coût
d’installation d’un kilowatt de chauffage. En réduisant la puissance nécessaire de chauffage,
celle-ci sera disponible pour un besoin de chauffage supplémentaire pour le projet
d’agrandissement des serres. Alors, cette puissance économisée a une valeur et elle sera
calculée en considérant la puissance et le coût total de la chaudière à biomasse.
Tableau 3-1 : Données sur le coût du kWh d’écorce et du coût du kW
Coût Écorce 15 $/tonne (métrique) Main d’œuvre (Entretien, plein d’écorce, etc) 60 $/jour Électricité (Ventilateur, pompe, système électronique, etc) 280 $/jour Amortissement de la chaudière 85 $/jour
Dans le tableau 3-1 on trouve les données nécessaires au calcul du coût du kilowattheure. Elles
ont été fournies par M. Dubé.
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Tableau 3-2 : Propriété de l’eau dans la chaudière à biomasse
Température moyenne Débit [kg/s]
Chaleur spécifique [kJ/°C kg] Entrée [°C] Sortie [°C]
Janvier 2008 64,29 70,97 113,56 4,188 Février 2008 65,34 72,56 113,56 4,189 Mars 2008 68,57 75,60 113,56 4,191 Janvier 2009 71,59 80,26 113,56 4,195
Les données du tableau 3-2 permettent de calculer la puissance moyenne produite par la
chaudière à biomasse. À l’aide des données de température et de débit fournis par le système
informatique de la chaudière, il a été possible de calculer des moyennes de température des
mois où le fonctionnement de celle-ci est maximal.
Calcul pour connaître la puissance moyenne de la chaudière à écorce.
(3.1)
où :
è é à è ° é à é è ° é °⁄
é /
70,97° 64,29° 4,188 °⁄ 113,56 ⁄ 3 176,94
Calcul du nombre de kilowattheure moyen produit par jour.
, 24 (3.2)
où :
, /
, 3 176,94 24 76 246,56 /
Calcul du coût moyen du kilowattheure
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 15
,
(3.3)
où :
û é $/ é û é /
û é $/ û $/
û é é $/
50 ⁄ 15$/ 60 280 85 $/76 246,56 /
0,0154 $/
Tableau 3-3 : Coût moyen du kWh
Mois Puissance moyenne [kW]
Nombre de kWh produit [kWh/jour]
Coût moyen du kilowattheure [$/kWh]
Janvier 2008 3 176,94 76 246,56 0,0154 Février 2008 3 434,57 82 429,68 0,0143 Mars 2008 3 345,79 80 298,96 0,0146 Janvier 2009 4 130,25 99 126 0,0119 Moyenne 3 521,8875 84 525,3 0,0139
Nous estimons un coût moyen du kilowattheure d’écorce de 0,014 $. Ce coût comporte les
principaux frais reliés aux activités de la chaudière, soit le coût d’écorce, la main d’œuvre et
l’électricité. Dans le tableau 3-3 on trouve les résultats pour chaque mois inscrit. Si nous
comparons ce coût du kilowattheure à celui du coût d’électricité, nous pouvons en conclure que
l’écorce est une source d’énergie peu dispendieuse.
En moyenne, la chaudière fournie une puissance de chauffage de 3 522 kW pour un coût total
de 300 000 dollars. Alors, il est possible d’estimer un coût de puissance installée de 85,18
$/kW.
3.2 Remplacement du recouvrement des serres.
Comme mentionné précédemment, les serres de la coopérative sont constituées de deux types
de recouvrement, soit en verre ou en polyéthylène. Afin de vérifier l’efficacité des deux types
de parois, des calculs de transfert de chaleur seront élaborés dans cette section. Selon les
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 16
principes de la transmission de chaleur, il existe quatre types de transferts, soit la conduction, la
radiation, la convection forcée ou naturelle. Dans le cas des serres, nous retrouvons les quatre
types de transferts. Afin de baser nos calculs sur la réalité, nous avons utilisé des données
environnementales du site de la coopérative. Suite à ces calculs économiques et d’efficacités, il
sera possible de tirer des conclusions et d’évaluer s’il est économiquement rentable de changer
les panneaux de verre par des doubles pellicules de polyéthylène.
Tableau 3-4 : Données expérimentales requises pour les calculs de pertes thermiques
Vitesse de l’air Température Humidité relative [%] Extérieur 11 [m/s] -20 °C 75 Intérieur 1 [m/s] 23 °C 90
Dans le tableau 3-4, ou trouve les données utilisées pour les calculs de pertes thermiques.
3.2.1 Économie réalisée en changeant le recouvrement
Le changement d’un recouvrement de panneaux de verres simple pour celui en polyéthylène
double permet d’obtenir un meilleur rendement des serres. Étant donnée que le recouvrement
de polyéthylène double couche est plus isolant, il est possible de réaliser des économies
d’énergie liées au chauffage. Il permet aussi de réduire la puissance de chauffage requise pour
maintenir une température interne cible. En été, il permet aussi de réduire l’effet de loupe que
produit le recouvrement de verre, la température interne est ainsi plus adéquate. De plus, il nous
a été confié par M. Dubé que les serres de polyéthylène double augmentent considérablement la
productivité annuelle des plants de tomates. Par contre, le revêtement de polyéthylène a une
durée de vie inférieure à celle de verre, qui se limite à quatre ans. Dans les sections suivantes,
nous allons évaluer l’économie potentielle du changement des serres de verres par celle de
polyéthylène double.
3.2.2 Économie d’énergie
Maintenant que les performances des recouvrements sont connues, on peu déduire l’économie
réalisée en remplaçant le recouvrement de panneau de vitre par celui de polyéthylène double.
Pour se faire, les températures moyennes internes et externes des serres ont été utilisées pour
connaître la différence de température. Ensuite, nous avons évalué les pertes pour chacun des
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 17
types de recouvrement. Finalement, la moyenne des différences de pertes sera calculée afin de
la rapporter en argent en se basant sur le coût du kWh d’écorce.
Tableau 3-5 : Données des recouvrements
Verre simple Polyéthylène double Superficie du recouvrement [m2] 9 759 11 117 Coefficient U [W/m2 K] 3,48 1,44
Les valeurs des coefficients globaux d’échange de chaleur du tableau 3-5 ne tiennent pas
compte du transfert de chaleur produit par le cadrage qui supporte les panneaux de verre et les
toiles. Ceci pourrait expliquer la différence entre ceux proposés par l’Institut québécois du
développement de l’horticulture ornementale (tableau 2-4). Afin de calculer les économies liées
au changement du recouvrement, nous considérons que les pertes de chaleur au niveau des
cadrages sont les mêmes pour les deux types de recouvrement. Toujours dans le tableau 3-5, on
remarque que les superficies sont différentes pour chaque type de recouvrement. Ceci est dû à
la forme ovale du recouvrement de polyéthylène qui offre une surface supérieure à celui en
verre. Les calculs qui ont permit d’établir les coefficients U sont présentés en annexe aux pages
76 à 94.
Tableau 3-6 : Données pour le calcul des pertes de puissance
Température moyenne Taux de pertes Période interne
[°C] externe
[°C] Delta [°C]
Vitre [kW]
Polyéthylène [kW]
Différence [kW]
1 mars 2008 au 31 mars 18 -10,65 28,65 967,44 455,48 511,96 1avril au 30 avril 19 3,09 15,91 537,24 252,94 284,30 1 mai au 31 mai 18 5,88 12,12 409,26 192,68 216,58 1 juin au 30 juin 19 13,94 5,06 170,86 80,44 90,42 1 juillet au 31 juillet 19 15,3 3,7 124,94 58,82 66,12 1 août au 31 août 19 14,69 4,31 145,54 68,52 77,02 1 septembre au 30 septembre 19 9,84 9,16 309,31 145,63 163,68 1 octobre au 31 octobre 17 2,73 14,27 481,86 226,86 255,00 1 novembre au 30 novembre 18 -2,67 20,67 697,97 328,61 369,36 1décembre au 31 décembre 14 -15,19 29,19 985,67 464,06 521,61 1 janvier au 31 janvier 2009 19 -12,62 31,62 1067,72 502,69 565,03 1 février au 28 février 19 -14,57 33,57 1133,57 533,69 599,88 Moyenne 18,17 0,81 17,35 585,95 275,87 310,08
Les résultats du tableau 3-6 ont été obtenus à l’aide d’une feuille de calcul Excel. On trouve ce
fichier intitulé Économie recouvrement sur le disque compact en annexe.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 18
Voici le calcul qui permet d’évaluer l’économie réalisée au temps présent comme si le
changement du recouvrement de verre par celui de polyéthylène était déjà effectué.
$ (3.4)
où :
É $ É $/an
W û é $/
$ 310,08 8 760 0,014 $⁄ 38 028 $/
Il y aurait une économie moyenne de 38 028 $ annuellement si le recouvrement serait remplacé
par celui en polyéthylène double paroi.
3.2.2.1 Économie de puissance
Les serres de polyéthylène à double paroi nécessitent une puissance de chauffage inférieure à
celles de verre à simple paroi. Il est donc possible d’affirmer qu’il y aurait une puissance qui
serait disponible pour le chauffage de serres additionnelles pour des projets d’agrandissement
futur.
$ (3.5)
où :
$ É é é é é $ û é é $/
$ 310,08 85,18 $⁄ 26 412,61 $
L’économie de puissance libérée aurait une valeur approximative de 26 412,61 $
3.2.2.2 Profit causé par un rendement supérieur des plants
Le changement du recouvrement a une influence directe sur la production de tomates. M. Dubé
nous a mentionné que les plants de tomates produisent environ cinq kilogrammes de tomates
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 19
par mètre carré de plus annuellement lorsque les recouvrements sont en polyéthylène double.
Cette donnée provient de l’évaluation du rendement de production des deux types de
recouvrement.
Tableau 3-7 : Donnée sur la production de tomates supplémentaire
Superficie des serres en verres 8 486,6 m2
Masse additionnelle de tomates 5 kg/m2
Prix de vente des tomates 2,2 $/kg Coût de production 1,1$/kg
Les données du tableau 3-7 ont été fournies par M. Dubé.
$ , (3.6)
où :
$ é é é é $/ ,
/ $/ û $/
$ 8 486 5 2,2 $⁄ 1,1 $⁄⁄ 46 676 $/
Le rendement supérieur des plants de tomates, causé par le changement du recouvrement, aurait
le potentiel de générer un profit supplémentaire de 46 676 dollars par année.
3.3 Système de récupération d’énergie dans les cheminées
L’horticulture dans les pays nordiques demande énormément d’énergie pour assurer le
chauffage des serres. Étant donné qu’il y a une transformation d’énergie, il y a des pertes dû au
rendement non optimal des équipements. La combustion de l’huile usée génère des gaz à très
haute température, soit 287,78°C (550 F). Ceux-ci comportent donc une certaine quantité
d’énergie directement expulsée dans l’atmosphère. En général, des chaudières comme celles
utilisées par la coopérative ont une efficacité énergétique d’environ 70 %. Alors, il y a 30% de
l’énergie qui est perdue dans l’environnement. Il existe sur le marché des échangeurs qui ont la
capacité de récupérer une partie de l’énergie de ces gaz en réduisant leur température. Il n’est
pas possible de récupérer la totalité de l’énergie, car il y aurait de la condensation. Ceci
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 20
produirait de l’acide dû à la teneur en souffre de l’huile usée ce qui abimerait l’équipement par
corrosion. De plus, si le gaz de combustion est trop refroidi, il aurait de la difficulté à bien
s’évacuer de la cheminée ce qui est dû à la poussée d’Archimède. Dans la section qui suit, on
trouve des études qui permettent d’évaluer la quantité d’énergie qui aurait le potentiel d’être
récupérée.
Le constructeur des échangeurs de chaleur estime une récupération d’énergie d’environ cinq
pourcent de la puissance totale des chaudières à l’huile. Nous avons fait parvenir les paramètres
de fonctionnement des chaudières au constructeur Canon Boiler Works et ils nous ont proposé
deux échangeurs. Leurs propositions étaient accompagnées de fiches techniques dans lesquelles
on trouve des données concernant les paramètres de fonctionnement et d’efficacité des
chaudières munies de leur échangeur. Il est possible de consulter ces rapports en annexe à la
page 97. Dans les sections suivantes, les calculs qui permettent d’établir le potentiel énergétique
récupérable seront présentés. Ceux-ci ont été effectués en considèrent que les chaudières
fonctionnent à plein régime, car leur puissance actuelle n’est pas modulée. C’est-à-dire que dès
leur mise en marche, elles fonctionnent à leur capacité maximale.
Tableau 3-8 : Performance des échangeurs proposés
Model Puissance récupérée [Btu/h]
Puissance récupérée
[kW] Échangeur 500 hp E2 1H 4-12-9.5 801 443 234,82 Échangeur 2x200 hp E2 1H 4-14-6 641 155 187,86 Total - 1 443 598 422,68
Les données du tableau 3-8 ont été prises dans les fiches techniques produites par l’entreprise
Cannon Boiler Works (page 95).
3.3.1 Estimation du temps de fonctionnement des chaudières à l’huile
Pour estimer la quantité d’énergie récupérée sur une base annuelle, il faut évaluer le temps de
fonctionnement annuel des chaudières. La consommation annuelle d’huile est d’environ
478 612 gallons U.S. Donc, à partir de ce volume de combustible, nous serons en mesure de
calculer la quantité d’énergie consommée annuellement par les chaudières à l’huile usée.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 21
Tableau 3-9 : Données pour l’estimation du temps de fonctionnement des chaudières
Volume d’huile annuelle brulé 478 612 gallons U.S. Puissance total des chaudières à l’huile 900 Hp Rendement des chaudières 0,7 Capacité calorifique de l’huile usée 44 000 kJ/kg Densité de l’huile 880 kg/m3
Huile [m3 /gallons U.S.] 0,0037854 Hp de chaudière [kW/Hp]] 9,7886
L’équation suivante permet de quantifier la quantité d’énergie brûlée annuellement.
, . , (3.7)
où :
, é é û é / û é . .
. à / . . /
, é é /
,478 612 . 0,0037854 880 44 000
. . 70 150 490 /
Cette équation permet de calculer l’énergie consommée pendant un an pour un fonctionnement
continu.
,. ,
.
(3.8)
où :
, é é é è / . è , /
/ . è
,900 9,8093 ⁄ 31 536 000 /
0,7397 732 586,1 /
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 22
En effectuant une proportion entre les quantités d’énergie, il est possible de connaître le nombre
d’heures de fonctionnement moyen par jour.
.,
, (3.9)
où :
, à é / é /
.70 150 490 / 24 /
397 732 586,1 /4,24 /
L’estimation donne un fonctionnement moyen de 4,24 heures par jour sur une base annuelle.
3.3.2 Économie d’énergie
Il est maintenant possible de calculer l’économie qu’offrent les récupérateurs d’énergie dans les
cheminées.
é . (3.10)
où :
é é é é é / é é é
/
é 422,6812 4,24 ⁄ 365 ⁄ 654 141,43 /
Voici le calcul pour connaître les économies réalisées rapportées sur le coût du kWh d’écorce.
$ é W (3.11)
où :
$ É é é $/ W û é $/
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 23
$ 654 141,43 ⁄ 0,014 $⁄ 9 158$
Ce calcul n’inclut pas la consommation d’électricité de ce système.
3.3.3 Économie de puissance
L’installation d’un système permet d’avoir une puissance additionnelle de chauffage. Cette
puissance pourrait, par exemple, chauffer des serres additionnelles.
$ (3,12)
où :
é é é û é é $/
$ 422,6812 85,18 $⁄ 36 004 $
La puissance additionnelle disponible pour ce système aurait une valeur approximée de 36 000 dollars.
3.4 Système de récupération et de chauffage l’été
Ce système de récupération d’énergie est basé sur le principe de climatiser les serres lorsque la
température est à la hausse, et ce pour emmagasiner cette énergie dans un réservoir d’eau. La
climatisation aura principalement lieu lors de la saison estivale pendant un fort ensoleillement
et sera assurée par un système principalement conçu de thermopompes. De cette façon, il sera
possible de réduire la ventilation des serres et ainsi diminuer les pertes de gaz carbonique. Il
sera aussi possible de réduire l’humidité relative de l’air puisque la climatisation permet de
faire condenser la vapeur d’eau. Lorsqu’il y aura une demande de chauffage, il suffira de
renverser le système afin de puiser l’énergie emmagasinée dans le réservoir d’eau et de la
redistribuer dans les serres durant la nuit. Ainsi, on réduit la consommation d’huile, la
conservant pour les périodes plus froides.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 24
Tableau 3-10 : Données pour le calcul de faisabilité du système de récupération de chaleur
Volume d’huile brûlée durant la nuit 3 785,4 [litre] Capacité calorifique de l’huile 37,843 [MJ/litre] Rendement des chaudières à l’huile 0,7 Coefficient de performance du système de récupération de chaleur 2 Coût du kWh d’électricité 0,07$/kWh
3.4.1 Puissance moyenne requise pour le chauffage de nuit
Nous posons l’hypothèse que le chauffage s’effectue pendant une période de huit heures
pendant la nuit. Par l’équation suivante, nous calculons la puissance nécessaire que le système
doit délivrer pour compenser le volume d’huile qui aurait été brûlée pour la même charge de
chauffage.
,
(3.13)
où :
é è û é é é é / è à
,
3 785,4 143,26 / 0,78 3600
3,48
Le système de thermopompes doit avoir une puissance de 3,48 mégawatts pour être équivalent
à 1 000 gallons d’huile brûlée pendant une période de huit heures.
3.4.2 Coût de l’électricité consommée par le système
La source d’énergie pour le fonctionnement des thermopompes est l’électricité. Nous allons
estimer la consommation électrique du système de récupération afin de déterminer son coût de
fonctionnement. La consommation électrique de ce système est principalement due aux
pompes, thermopompes et ventilateurs. Il faut manipuler l’énergie deux fois, pour
l’emmagasiner dans un réservoir d’eau pendant le jour (pendant huit heures) pour ensuite la
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 25
diffuser dans les serres durant la nuit (pendant huit heures). Nous posons donc l’hypothèse que
le système fonctionne pendant 16 heures par journée.
(3.14)
où :
é è / é è é é
3,48 16 2
27,84 /
Selon notre estimé, le système consommerait 27,84 mégawattheures par jour.
Voici le calcul du coût d’électricité :
$é ,é (3.15)
où :
$é û é é é $/
$é 27,84 ⁄ 0,07 $⁄ 1948,8 $/
Le fonctionnement de ce système coûterait 1 948,8 dollars par jour si le coût du kilowattheure
d’électricité est de 0,07$.
3.4.3 Énergie dissipée par le système de récupération
Lors du fonctionnement du système pendant la nuit, celui-ci libère une puissance de chauffage
additionnelle créée par les pertes thermiques des moteurs. Celle-ci est égale à celle consommée
en électricité. Cette puissance fournie une énergie et sa valeur sera déterminée dans les calculs
suivants.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 26
$ ,,
(3.16)
où :
$ , é é è $
$ ,3,48 8 0,014$/
2 194,88 $
L’énergie dissipée par le système de récupération aurait une valeur de 194,88 dollars par
rapport au coût du kilowattheure d’écorce.
3.4.4 Valeur de l’économie d’huile
Étant donné le but de ce système est d’économiser de l’huile, nous allons déterminer la valeur
de l’huile économisée par rapport coût du kilowattheure d’écorce.
$É, , (3.17)
où :
$É, é $
$É, 3,48 8 0,014$/ 389,79$
L’économie d’huile à une valeur de 389,79 dollars selon le coût du kilowattheure d’écorce.
3.4.5 Économie totale du système de récupération de chaleur
En soustrayant les économies par le coût d’électricité, nous réalisons que ce système ne permet
pas de faire des économies. Selon les paramètres de départ, nous obtenons un déficit de
1 364,13 dollars. Ceci nous indique que le coût du kilowattheure d’électricité, quoique très
abordable au Québec, est encore trop cher par rapport au coût du kilowattheure d’écorce produit
par la chaudière à biomasse. Cette solution pourrait être envisageable dans le futur s’il y a un
plus petit écart entre le coût du kilowattheure d’électricité et d’écorce.
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 27
3.5 Système de déshumidificateurs
Les plants de tomates ont un rendement optimal dans un milieu où l’humidité relative est
élevée. Rappelons que l’humidité relative, donnée sous forme de pourcentage, est le ratio entre
la quantité d’eau présente dans l’air et le maximum d’eau que l’air peut contenir, le point de
saturation, à une température donnée. La cible d’humidité relative des serres est d’environ 80%.
Afin de conserver un environnement qui avoisine ces conditions, le seul moyen dont dispose la
coopérative est d’ouvrir les panneaux des serres. À l’aide de ventilateurs de petites puissances
(générant une circulation de 1m/s) suspendus au plafond et des vents à l’extérieur, l’échange
entre l’air plus sec de dehors vers l’intérieur survient. Quand l’humidité atteint une valeur
acceptable, on referme les ouvertures. Cette pratique comporte deux inconvénients majeurs.
L’hiver, quoi que très sec, l’air qui entre est froid, ce qui augmente considérablement la charge
de chauffage des installations. De plus, pour toutes les saisons, cet échange avec l’extérieur
entraîne des pertes de CO2 qui sont dispendieuses.
Alors, au lieu de ventiler pour contrôler l’humidité, on considère l’implantation d’un système
de déshumidification. Ce système sera conçu pour déshumidifier la portion des serres réservée à
la culture des tomates, puisque les données que nous possédons concernent cette section. Afin
de bien dimensionner l’équipement, on évalue la quantité d’eau à retirer quand l’humidité
relative croit rapidement de 80% jusqu’à 100%. Avec un abaque psychométrique, on détermine
le contenu en eau de l’air à 19°C, 80%HR, puis à 24°C, 100%HR.
0,011
0,019
Également à l’aide de l’abaque psychométrique, on trouve le volume massique moyen;
0,842 0,8682
³
Ensuite, on détermine la masse d’air sec dans les serres;
105 204 ³0,855 ³⁄
123 045,6 (3.18)
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 28
Ainsi, on détermine la quantité d’eau à retirer;
∆ 123 045,6 0,019 0,011 984,4 (3.19)
À partir des graphiques qui présentent l’évolution du taux d’humidité des serres, on évalue que
l’humidité relative passe de 80-100% en sept heures.
∆7
140,6 (3.20)
Puisqu’un kg d’eau occupe un volume d’un litre, notre système devra être suffisamment
efficace pour retirer 140,6 l/h de l’air ambiant. Nous allons dimensionner l’équipement pour
être apte à puiser cette masse d’eau dans un environnement à 20°C, 80% HR. Pour la gamme de
température plus haute, le transfert de chaleur avec le serpentin de refroidissement sera
accentué par le gradient de température supérieur. Afin de limiter le débit de sortie des
déshumidificateurs, 10 unités seront réparties dans les serres, chacune retirant 14,06 l d’eau par
heure.
14,06
Évaluons la température de sortie et le débit d’air requis pour y parvenir. Le point de
condensation étant à 16,5°C, on refroidi jusqu’à 13°C pour extraire l’eau de l’air,
référence [5]p.683;
(3.21)
où;
: é , / : à é , @ 20° , 80% 0,012 ⁄ : à , @ 13° , 100% 0,009 ⁄
Alors le débit d’air requis est donné par;
4686,7
Sous forme de débit volumétrique, utilisant @ 20°C, 80%HR;
4686,7 4686,7 0,845³
3960³ 2330
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 29
L’énergie retirée de l’environnement est donnée par;
(3.22)
où;
: é à , : @20° , 80% 50 ⁄ : @13° , 100% 37 ⁄ : @ 13° 54,6 /
Ainsi;
4686,7 50 37 14,06 54,6 60 159,4
3.5.1 Perte de chaleur due à l’ouverture des panneaux
C’est le taux de changement d’air des serres qui dirige les pertes d’énergie découlant de
l’échange avec le milieu extérieur. Selon la référence [1] page 8, on suppose qu’avec un
recouvrement de polyéthylène double, le volume d’air des serres est renouvelé une fois au deux
heures. Puisque ce taux peut atteindre quatre fois/h pour les vieilles installations de verre, on
suppose qu’une fois les panneaux ouverts, le taux de renouvellement sera de six fois/ h. Les
pertes seront directement proportionnelles au débit d’air.
105 204 ³0,845 ³⁄
124 501,8
124 501,8 sec6
747 010,8
é 124 501,8 sec0,5
62 250,9
L’enthalpie de l’air extérieur en hiver est négligeable, alors les pertes de chaleur entraînées par
la ventilation sont donnés par;
∆ (3.23)
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 30
où;
∆ é : @20° , 80% 50 ⁄
Donc;
747 010,8 62 250,9 50 34 237 995
3.5.2 Perte de CO2 due à l’ouverture des panneaux
Comme mentionné précédemment, en plus des pertes de chaleur, la ventilation apporte
l’inconvénient de la diminution du pourcentage de CO2 dans l’air ambiant des serres. En
utilisant le taux de renouvellement de l’air des serres, on fait la comparaison du contenu en gaz
carbonique de l’air quand les ouvertures sont closes et en mode de ventilation.
100
(3.24)
où;
: é 0,058% 580 : é é 114,7 /
Lorsque les panneaux sont fermés;
é 100
é0,24%
Puis en mode de ventilation;
100
0,07%
On remarque que la concentration de dioxyde de carbone dans les serres diminue d’un facteur
supérieur à trois quand il y a ventilation.
3.6 Dimensionnement du séchoir
La coopérative a fait l’investissement d’un séchoir rotatif, dans le but d’augmenter la puissance
et le rendement de leur chaudière à biomasse. Ce séchoir est alimenté en chaleur par un
échangeur positionné à l’échappement de la chaudière. La température des gaz d’échappement
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 31
varie entre 350-400°F lorsque la chaudière fonctionne à plein régime. C’est cette source de
chaleur qui alimente le séchoir, l’air sec et frais de l’air ambiant transite dans l’échangeur ou la
température s’élève. Ce ne sont pas les gaz d’échappement qui sont envoyés directement dans
le séchoir. Cela pour des raisons de qualité de l’air ambiant dans le bâtiment qui abrite le
séchoir. De plus, il y a beaucoup de vapeur d’eau à l’échappement, ce qui nuit au séchage. En
s’appuyant sur la démarche présentée dans la référence [2], nous allons faire l’analyse du
séchoir actuel et faire les recommandations qui découleront de nos calculs.
Figure 3-1 : diagramme des variables du séchoir
Les principes de conservation de masse et d’énergie s’appliquent bien aux procédés de séchage.
La loi est simple, rien ne se perd et rien ne se crée. Alors ce qui entre d’un côté doit forcément
sortir de l’autre, c’est le transfert d’énergie entre le gaz et le solide qui active le séchage. La
figure 3-1 illustre les variables qui seront utilisées pour déterminer le débit requis, où;
où :
: é , / : é , / : é , / : é , / : é , , ⁄ : é , ° : é , ° : , ⁄ : , ⁄
: ,
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 32
Dans notre étude, nous allons supposer que l’opération est adiabatique, Q=0.
3.6.1 Calcul de la masse volumique
À partir de l’échantillon de nos tests de séchage;
Figure 3-2 : Schéma pour le calcul de la masse volumique
0,13 0,18 0,045 0,001053 ³
0,15
142,45 ³
Cet échantillon, légèrement compacté, pèse 150g de solide sec. Ainsi, on trouve la masse
volumique de l’écorce en vrac, sèche. Le rapport moyen de la masse anhydre/ masse initiale est
de 0,3105. Ainsi, on trouve la masse volumique humide ;
142,45 ³
0,3105 458,78³
3.6.2 Détermination des variables de design du séchoir
Selon notre superviseur en entreprise, la consommation journalière atteint 50 tonnes, ce qui
correspond à un débit massique, (kg/s);
501000
24 3600 0,5787
Le débit de solide sec à la sortie du séchoir est donné par, référence [2] p.705;
1 (3.25)
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 33
Les tests effectués sur le séchoir alors qu’il était en opération ont révélé une baisse du
pourcentage d’humidité de deux à trois %. Nous présenterons les calculs pour une humidité de
66% à la sortie et de 69% à l’entrée.
0,5787
1 0,66
0,1968
Puis on détermine la quantité d’eau à retirer;
1 2 (3.26)
où;
1 1100 1 2 2 100 2
0,1968 2,2258 1,9412 0,0560
La figure 3-3 illustre les variations de température du gaz et du solide lors du passage dans le
séchoir.
Figure 3-3 : évolution des températures dans le séchoir
Nous connaissons la température d’entrée de l’air, 60°C (140°F) qui nous est donnée par un
thermomètre installé à cet endroit. On estime la température du solide à l’entrée à 0°C, en
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 34
raison de la présence de cristaux de glace dans l’écorce. Pour effectuer les calculs subséquents,
on pose les hypothèses suivantes :
0° 20° 30° 60° 25°
Avec un abaque psychométrique, on constate qu’avec une baisse de la température, l’air perd
son aptitude à contenir de l’humidité. Comme la chaudière à biomasse fonctionne
principalement l’hiver, nous utiliserons la teneur en eau de l’air saturé à 0°C.
2 0,004
Pour calculer l’enthalpie du solide, nous devons connaître la capacité calorifique. Nous prenons
des formulations issues de la référence [6] p.17, en supposant que l’écorce à un comportement
semblable au bois. Cette propriété est variable à la teneur en humidité. On débute par
déterminer la capacité du bois sec à la température étudiée (T);
0,1031 0,003867 ⁄ °
(3.27)
Puis, on y ajoute la correction qui tient compte de la teneur en eau selon la formule;
0,011 0,01
⁄ ° (3.28)
où;
; 4,187
Avec;
0,06191; 2,36 10 ; 1,33 10
Donc;
3,2895
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 35
2,3559
Ainsi, nous pouvons maintenant calculer l’enthalpie du solide à l’entrée et à la sortie en
fonction de notre cible de séchage, référence [2] p.700;
(3.29)
0
314,5069
Puis, pour le gaz , référence[2] p.700;
2502,3 (3.30)
2502,3 Où ;
1,005 1,884
1,005 1,884
Alors;
70,7614
Nous ne connaissons pas encore la teneur en humidité du gaz à la sortie du séchoir, , c’est
pour cette variable que nous allons résoudre dans les étapes qui suivent, en posant les équations
de bilan de masse et d’enthalpie;
Bilan de masse, référence [2] p.700;
(3.31)
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 36
Bilan d’enthalpie, référence [2] p.700;
(3.32)
En remplaçant Gs par son expression (3.31), puis en multipliant par des deux côtés;
En introduisant l’expression de 3.30 , puis en isolant pour , on trouve;
1,0051,884 2502,3
(3.33)
0,0137
Cette valeur de teneur en eau du gaz à la sortie du séchoir nous fournie également, en ramenant
dans l’équation (3.31), le débit d’air sec requis pour l’opération.
5,7749
Comme les dimensions du séchoir sont connues : diamètre de 2,08m et 15,24m de long, on
obtient le débit par unité de surface en divisant par l’aire de section.
4
1,6985 ²
Nous ne connaissons pas le pourcentage d’humidité critique de l’écorce. Toutefois, nous savons
que cette valeur ne sera jamais atteinte puisque le pourcentage d’humidité à la sortie demeure
relativement élevé ( 45%, ⁄ ). Alors, on suppose que le séchage se
passe exclusivement dans la zone II, où le taux de séchage est constant.
En se référant à la figure 3-3, on calcul l’enthalpie du solide au début et à la fin de la zone II, où
TSint = TSA,
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 37
252,18 ⁄
209,67 ⁄
Débutons par l’étude de la zone III, référence [2] p.704,
∆∆
(3.34)
à partir d’une balance d’enthalpie;
56,47°
∆ 3,53°
On utilise la moyenne logarithmique pour déterminer l’écart moyen entre le gaz et le solide;
∆ln
33,13°
∆∆
0,1065
Maintenant pour la zone I, bilan d’enthalpie;
33,34°
∆ 8,34°
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David Gingras François Breton Hiver 2009 38
∆ln
18,56°
∆∆
0,4491
Puis, pour la zone II;
∆ 23,14°
∆ln
22,99°
∆∆
1,0061
Ainsi, on détermine le nombre total d’unité de transfert de chaleur;
1,5617
Puisque l’aire de contact entre le solide et le gaz peut difficilement être évaluée, le taux de
transfert de chaleur Ua sera considéré comme une variable. Étant donné le manque
d’informations spécifiques, on utilise la relation, référence [2] p.704;
237 ,
(3.35)
Avec;
12
; 2,08
163,4534³
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La longueur d’une unité de transfert de chaleur est donnée par, référence [2] p.704;
(3.36)
Avec
10,6166
Enfin, on évalue la longueur requise du séchoir, référence [2] p.704;
_ 16,58 (3.37)
Regardons, pour les conditions actuelles, la variation du débit d’air et de la longueur, en
fonction de la variation du taux d’humidité à la sortie du séchoir;
Tableau 3-11 : Variation du débit et de la longeur du séchoir
humidité % débit longueur humidité % débit longueur(kg eau/kg solide humide) [kg air/s] [ m ] [kg air/s] [m]
68 3,11 12,08 61 12,42 23,6767 4,44 14,54 60 13,75 24,7366 5,77 16,58 59 15,08 25,7265 7,11 18,33 58 16,41 26,6564 8,44 19,88 57 17,74 27,5363 9,77 21,26 56 19,07 28,3662 11,10 22,51 55 20,40 29,15
La corrélation entre la théorie et les conditions réelles est excellente. Dans le tableau3-11, la
zone de 66-67% d’humidité concorde avec la longueur du séchoir. Afin d’augmenter la
performance du séchoir, peu d’options s’offrent à nous. On écarte les possibilités de modifier
les dimensions du séchoir, celui-ci étant déjà sur place. Alors, les deux paramètres sur lesquels
nous avons la possibilité d’intervenir sont le débit et la température d’entrée du gaz. Selon les
équations, il est clair qu’il faut augmenter la température d’entrée pour atteindre un pourcentage
d’humidité intéressant, avoisinant 50%, à la sortie du séchoir. Une méthode d’essais-erreur,
tentant de faire corréler les courbes avec la longueur du séchoir en place, nous a menée aux
hypothèses suivantes;
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 40
0° 60° 70° 200° 95°
Observons les résultats dans le tableau3-12;
Tableau 3-12 : Variation du débit et de la longeur du séchoir
humidité % débit longueur humidité % débit longueur(kg eau/kg solide humide) (kg air/s) ( m ) (kg eau/kg solide humide) (kg air/s) ( m )
68 1,78 7,01 56 7,30 13,7167 2,24 7,92 55 7,76 14,0666 2,70 8,71 54 8,22 14,4065 3,16 9,41 53 8,68 14,7264 3,62 10,05 52 9,14 15,0363 4,08 10,62 51 9,60 15,3362 4,54 11,16 50 10,06 15,6261 5,00 11,65 49 10,52 15,9060 5,46 12,11 48 10,98 16,1759 5,92 12,54 47 11,44 16,4358 6,38 12,95 46 11,90 16,6857 6,84 13,34 45 12,36 16,93
On remarque qu’avec ces nouvelles hypothèses, la cible d’humidité à la sortie est atteignable,
voyons si le débit d’air requis est réaliste;
Un débit de 11kg air sec/ s, exprimé sous forme de vitesse donne;
@ 368 0,9157³
3,28 11,8
Ce résultat est réaliste et réalisable. Maintenant, pour élever la température d’entrée jusqu’à
200°C, nous allons dimensionner un échangeur, installé directement dans le foyer de la
chaudière à biomasse.
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Rapidement, on se rend compte que le débit requis dans le séchoir est trop important pour le
faire passer dans un échangeur, compte tenu de l’espace disponible dans le foyer. De plus,
l’énergie requise pour élever la température de l’air à 200°C est importante;
é ∆
é 11 1,016 ° 200 20 ° 2458,7 2,5
Ce qui correspond à une trop grande fraction de la puissance de la chaudière. Nous avons
observé une pointe de 4,1MW délivré par la chaudière en janvier 2008. Alors plus la moitié de
l’énergie dégagée par chaudière serait utilisé pour chauffer l’air, affectant gravement le
rendement de celle-ci puisque cette énergie ne serait plus disponible pour chauffer l’eau. C’est
pourquoi cette option est rejetée. Des courbes, décrivant la variation des variables en jeux,
tracées à l’aide de Matlab sont présentés en annexe p.104.
3.7 Installation d’un tuyau de déviation
Suite à l’étude des données provenant du système informatique de la chaudière à biomasse,
nous avons fait l’observation d’une perte considérable de puissance. Nous avons remarqué que
la chaudière à biomasse demande une charge de chauffage lorsqu’elle est hors fonction. Vous
pouvez consulter ces données dans le fichier Excel, intitulé : Données serres de guyenne, que
l’on trouve dans le disque compact en annexe.
Tableau 3-13 : Énergie perdue par la chaudière à biomasse
Énergie Valeur Économie 875,136 MWh/an 12 252 $
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4. MISE EN ŒUVRE DU MANDAT
4.1 Recherche de solutions & études de praticabilité
Plusieurs avenues sont envisageables quand on parle d’amélioration du rendement énergétique.
Suite à l’étude théorique de la section précédente, nous allons présenter ici les solutions qui
sont réalisables.
4.1.1 Changement du recouvrement de verre
Les recouvrements en polyéthylène à double paroi affichent de nombreux avantages sur ceux en
verre à paroi simple. Notamment au niveau de l’isolation. La qualité supérieure de la finition et
d’assemblage fait en sorte que le taux de renouvellement de l’air diminue entre 0,2 et une fois
par heure, en comparaison avec une à deux pour les anciennes constructions en verre, référence
[1] p.8. Cela fait en sorte que les coûts de chauffage sont réduits, qu’il y a moins de problèmes
de condensation et que l’effet de loupe est très atténué. La combinaison de tous ces facteurs se
fait sentir sur la productivité des plants de tomates. En fait, les plants produisent 5kg/m² de
plus, lorsqu’ils poussent dans une serre en polyéthylène double en comparaison avec les serres
de verre.
Puisque le reste des installations des serres sont en polyéthylène à double paroi, tout est en
place à la coopérative de Guyenne pour compléter le changement des recouvrements. Le seul
inconvénient est l’entretient plus exigeant, les pellicules devant être remplacées à tous les
quatre ans. C’est un moindre mal par rapport aux avantages qui rapportent de l’argent.
Figure 4-1 : Recouvrement de polyéthylène à double paroi
Figure 4-2 : Recouvrement de panneaux de verre simple
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4.1.2 Récupération de chaleur dans les cheminées
Dans notre recherche de nouvelles sources d’énergie, nous avons identifié que les cheminées
des chaudières à l’huile en représentent une intéressante. Tous les gaz de combustion sont
rejetés à l’extérieur. Ces gaz, dont la température avoisine les 290°C (550°F), représentent une
source d’énergie thermique importante qui ne devrait pas être négligée ainsi. Afin d’en profiter,
des serpentins d’échange devraient être implantés dans le passage des cheminés pour récupérer
une partie de cette énergie. L’échangeur que nous avons sélectionné est air-eau. Afin de
distribuer la chaleur emmagasinée dans l’eau, celle-ci circulera dans les serres, avec des
serpentins, sur lesquels on souffle un débit d’air pour en extraire la chaleur. En fonction de
l’efficacité du système, ce gain thermique permettra de réduire la consommation de biomasse.
L’espace libre à côté des chaudières est suffisante pour installer les échangeurs. Cette solution
est envisageable, en prenant les précautions qui s’imposent pour éviter la condensation, ce qui
perturberait l’écoulement des gaz.
Figure 4-3 :Échangeur de chaleur pour cheminée (constructeur : Cannon Boiler Works)
La figure 3-1 nous donne un aperçu d’un échangeur proposé par l’entreprise.
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4.1.3 Déshumidificateurs
Il est évident que de ventiler directement avec l’air extérieur n’est pas le moyen le plus efficient
pour contrôler l’humidité des serres. Les pertes de chaleur et de gaz carbonique qui en
découlent sont importantes. Il est possible de réchauffer l’air à la sortie des déshumidificateurs,
quoique, l’air à 13°C renvoyé dans les serres constitue un gain notable par rapport à l’air
extérieur qui atteint fréquemment -20°C. Si nos hypothèses concernant le renouvellement d’air
sont valables, les économies réalisées rentabiliseront le projet en peu de temps. On prévoit
placer les déshumidificateurs le long des murs, de façon à ne pas nuire au déplacement des
employés qui entretiennent les plantes.
Figure 4-4;Déshumidificateurs proposés
4.1.4 Installation d’un tuyau de déviation
L’installation d’un tuyau de déviation permet d’éliminer la perte de chaleur causée par la
chaudière à biomasse en isolant celle-ci du circuit de chauffage. Pour effectuer cette déviation,
nous proposons d’utiliser un tuyau doté de deux valves. Celles-ci permettront de diriger l’eau
soit dans la chaudière ou dans le tuyau de déviation. Non estimons que cette installation peut
s’effectuer dans moins d’une journée.
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5 ÉTUDE DES COÛTS
Maintenant que nous avons fait l’étude sur la faisabilité de plusieurs solutions, nous allons faire
une analyse financière pour chacune d’elle. Cette analyse permettra de déceler les solutions les
plus avantageuses du point de vue financier. Les études seront faites selon les données du
tableau 5-1.
Tableau 5-1 : Données sur l’analyse financière
Taux d’actualisation annuel 7 % Taux d’intérêt annuel sur emprunt 4,5 % Subvention gouvernementale visée 30 % Nombre d’année d’amortissement 10 ans Nombre de paiements annuels 12 Taux d’inflation du coût du kWh d’écorce pour les 5 premières années 7,5 % Taux d’inflation 2 du coût du kWh d’écorce après 5 ans 2,2 % Taux d’imposition marginal 20%
Le taux d’actualisation est celui utilisé par la coopérative lors de leurs études financières.
Habituellement, elle réussit à obtenir 30 % des coûts des projets en subvention provenant des
gouvernements. Elle souhaite que l’amortissement s’effectue sur une période de 10 ans. Deux
taux d’inflation ont été prévus afin de tenir compte des éventuelles hausses du coût d’écorce. Le
taux d’inflation pour les cinq premières années a été établi en considérant que le coût de la
tonne d’écorce doublera durant les cinq premières années. Le coût de la tonne d’écorce devra
doubler d’ici cinq ans selon les prédictions de la coopérative. Le second taux d’inflation est
prévu par rapport à celui du Québec, soit environ 2,2 %.
5.1 Changement du recouvrement de verre
La coopérative nous a mentionné que le coût pour le changement du recouvrement de verre par
celui de polyéthylène double est de 500 000 dollars. Selon nos estimés, il sera possible
d’économiser 2,729 MWh et les plants de tomates devraient produire l’équivalent de 46 676
dollars supplémentaires en tomates.
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Tableau 5-2 : Coûts et économies du changement du recouvrement
Coût Investissement Entretien Électricité Économies
Serres (18x27 778$)
Changement des recouvrements (au 4 ans)
-
Énergie économisée 2 716 MWh
Production de tomate supplémentaire
46 676,3/an
Puissance économisée 2 654$/an
Total= 500 000 $ 2 250 $/an - 99 164 $/an
Tableau 5-3 : Résultats de l’analyse financière du changement du recouvrement
Scénario 1 Scénario 2 Scénario 3 Coût total du projet 500 000 $ 500 000 $ 500 000 $ Capital investit (CI) 350 000 $ 175 000 $ 0 $ Subvention gouvernementale 150 000 $ 150 000 $ 150 000 $ Emprunt 0 $ 175 000 $ 350 000 $ Nombre de mois sur le retour de l’investissement
68 53 -
Paiement mensuel 0 $ 1 806,07 $ 3 612,14 $ Valeur actuelle nette (VAN) 215 637,62 206 924,65 $ 198 211,68 $
Selon l’analyse financière, nous pouvons conclure que cette solution est envisageable. Dans les
trois scénarios, la valeur actuelle nette est supérieure au capital investit. Cette solution sera
retenue et conseillée au client.
5.2 Récupération de chaleur dans les cheminées
Selon la soumission reçue par le fournisseur MASTER (annexe page 102), le coût des deux
échangeurs est de 150 000 dollars. À cette somme, il faut prévoir environ 20 000 dollars pour
l’installation, la tuyauterie, les contrôles, le démarrage et les accessoires (pompe échangeurs à
plaques).
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Tableau 5-4 :Coûts et économies de la récupération de chaleur dans les cheminées
Coût Investissement Entretien Électricité Économies
- Pompes (2x1 800$) - Économiseurs (150 000$) - Tuyauteries (2 000) - Contrôles (1 500) - Échangeur à plaques (2 000$) - Installation (3 000$)
1 h/semaine 15$/heure
2,23 kW pendant
4,24 h/jour 0,07$/kWh
Énergie économisée 422,68 kW
pendant 4,24 h/jour
0,014$/kWh
Total= 162 100 $ 780 $/an 243 $/ans 15 582 $/ans
Tableau 5-5 : Résultats de l’analyse financière de la récupération de chaleur dans les cheminées
Scénario 1 Scénario 2 Scénario 3 Coût total du projet 162 100 $ 162 100 $ 162 100 $ Capital investit (CI) 113 470 $ 56 735 $ 0 $ Subvention gouvernementale 48 630 $ 48 630 $ 48 630 $ Emprunt 0 $ 56 735 $ 113 470 $ Nombre de mois sur le retour de l’investissement
Retour non atteint
Retour non atteint
Retour non atteint
Paiement mensuel 0 $ 585,53 $ 1 171,06 $ Valeur actuelle nette (VAN) -24 957,41 $ -27 782,16 $ -30 606,91 $
Cette analyse financière a été effectuée et en considérant un temps de fonctionnement des
chaudières à l’huile de 4,24 heures par jour pendant un an. L’analyse permet de conclure que
celle-ci n’est pas économiquement viable. Cette solution pourrait être envisageable dans le futur
si le temps moyen de fonctionnement des chaudières augmente considérablement. De ce fait, il
y aurait une plus grande quantité d’énergie récupérée, cependant le volume d’huile brûlée
devrait aussi augmenter. Une hausse significative du kilowattheure d’écorce permettrait aussi
de rentabiliser cette solution.
5.3 Déshumidificateurs
L’ajout de déshumidificateurs permet de diminuer les renouvellements d’air pour contrôler
l’humidité. Cette analyse est basée sur l’hypothèse que l’implantation de déshumidificateurs
réduit la ventilation. Celle-ci est équivalente à deux renouvellements complets d’air par jour des
serres où il y a une production de tomate, et ce pendant 120 jours par année (jours d’hiver).
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Tableau 5-6 :Coûts et économies de l’installation de déshumidificateurs
Coût Investissement Entretien Électricité Économies
- Pompe (5 000$) - Déshumidificateur (10x3 000$) - Tuyauteries (10 000$) - Contrôles (1 500) - Installation (8 000$)
1 hr/semaine
15$/heure
15,09 kW
pendant
7 h/jour 0,07$/kWh
Énergie économisée
2 283,5 MWh
Total= 54 500 $ 780 $/an 887 $/ans 31 969,46 $/ans
Tableau 5-7 : Résultats de l’analyse financière de l’installation de déshumidificateurs
Scénario 1 Scénario 2 Scénario 3 Coût total du projet 54 500 $ 54 500 $ 54 500 $ Capital investit (CI) 38 150 $ 15 750 $ 0 $ Subvention gouvernementale 16 350 $ 16 350 $ 16 350 $ Emprunt 0 $ 15 750 $ 31 500 $ Nombre de mois sur le retour de l’investissement 20 12 -
Paiement mensuel 0 $ 196,86 $ 393,72 $ Valeur actuelle nette (VAN) 185 915,26 $ 184 965,55 $ 184 015 $
L’analyse démontre que cette solution est très rentable. Le retour sur l’investissement est rapide
et l’investissement de départ est relativement faible. De plus, en réduisant le renouvellement de
l’air, il serait aussi possible de réduire les pertes de gaz carbonique et ainsi réaliser une
économie additionnelle. Cette solution est retenue.
5.4 Tuyau de déviation de la chaudière à biomasse
En détournant l’eau de la chaudière à biomasse lorsqu’elle ne fonctionne pas, nos calculs
démontrent qu’il est possible d’économiser de l’énergie. Étant donné que cette solution
demande un faible investissement, il y aura seulement 1 scénario.
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Tableau 5-8 :Coûts et économies de l’installation du tuyau de déviation
Coût Investissement Entretien Électricité Économies
- Tuyauteries (300 $) - Valve (2x100 $) - Installation (150 $)
- -
Énergie économisé
875 MWh
Total= 650 $ - - 12 251,9 $/an
Tableau 5-9 : Résultats de l’analyse financière de l’installation du tuyau de déviation
Scénario 1 Coût total du projet 650 $ Capital investit (CI) 650 $ Subvention gouvernemental - Emprunt - Nombre de mois sur le retour de l’investissement 1
Paiement mensuel - Valeur actuelle net (VAN) 89 209,46 $
Nous pouvons conclure que cette solution est très rentable et que le retour sur l’investissement
est quasiment instantané.
Nous avons trois solutions à proposer qui, selon nos études, semblent très rentable. Sur le
disque compact en annexe vous trouverez le fichier Excel, intitulé analyse_économique, qui a
permis de faire l’analyse financière de ces solutions.
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6. SANTÉ ET SÉCURITÉ
Les accidents en milieu de travail sont de tristes évènements trop souvent causés par la
négligence. Que ce soit de la part du travailleur ou de l’employeur, chacun doit faire preuve de
vigilance. Avec le temps, on apprend des erreurs du passé et des mesures sont mises de l’avant
pour réduire le nombre d’accidents. Les ingénieurs jouent un rôle de premier plan dans la
prévention. Lorsque cette considération est prise en compte lors des premières étapes de la
conception des équipements, cela facilite la mise en œuvre des règles de sécurité. Dans cette
section, nous allons présenter nos recommandations à l’égard de la santé et sécurité des
travailleurs œuvrant aux serres de Guyenne.
6.1 Séchoir et système d’admission d’écorce
L’ensemble des équipements reliés à l’opération de la chaudière à biomasse possède des pièces
mobiles qui requièrent une attention particulière. Notamment les entraînements à chaîne. Ceux-
ci devraient être recouverts d’un garde-chaîne pour éliminer les risques de coincement.
La grande vis sans fin qui longe le mur de l’entrepôt à écorce représente un risque important.
Le passage pour l’opérateur est étroit (environ 1,2m) et il est possible, suite à un faux pas, de
trébucher directement dans le canal de circulation. Puisque l’ouverture au dessus du canal ne
peut pas être recouverte, car c’est l’admission d’écorce, on suggère l’installation d’une
passerelle au dessus de celle-ci. Il arrive que des agglomérats d’écorce gelée restent coincés
dans le canal. Présentement, l’opérateur les déloge en les fragmentant avec une hache. La même
méthode pourrait encore être utilisée, sauf en utilisant un pic à glace, du haut de la passerelle.
6.2 Système de récupération dans les cheminés
L’eau qui circule à l’intérieur des échangeurs est à très haute température, 135°C. Celle-ci fait
en sorte que l’eau doit être pressurisée pour demeurer à l’état liquide. En suivant les
recommandations du fabricant, des précautions particulières devront être prises lors de
l’entretien des échangeurs si jamais cette solution est exécutée.
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6.3 Limite d’exposition au CO2
Selon le CCHST (Centre Canadien d’Hygiène et de Sécurité au Travail), la limite d’exposition
moyenne pondérée en fonction du temps (TLV-TWA) est de 5000ppmv. Pour l’instant, nos
calculs révèlent une concentration inférieure à cette valeur, 1580ppmv. Alors, un taux de
renouvellement de l’air de 0,5 fois par heure est suffisant pour garder la concentration sous la
limite suggérée, en supposant que le CO2 est distribué de façon constante. Rappelons que pour
passer de ppmv à ppmm, on doit multiplier par le ratio de la masse molaire du dioxyde de
carbone sur la masse molaire de l’air (44/28,95).
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7. RECOMMANDATIONS
Cette section présente les idées qui restent à développer, l’efficacité énergétique étant un sujet
vaste, il reste pratiquement toujours de la place pour des améliorations.
1. Munir les cheminés de catalyseurs afin de réduire les émissions polluantes.
2. Vérifier le rendement de la configuration du circuit d’eau chaude.
3. Emmagasiner l’écorce dans un abri, suite à une conversation avec le fournisseur
d’écorce (M. David Dubé, Matériaux Blanchette), celui-ci affirme que l’écorce qu’il
vend contient entre 50-55% d’humidité (kg eau/kg solide humide).
4. Élaborer les plans de détails du circuit de pompage des déshumidificateurs.
5. Augmenter l’isolation des serres en diminuant le taux de renouvellement d’air. Cela en
calfeutrant toutes les fuites qui donnent sur l’extérieur, notamment autour des passages
de la tuyauterie.
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8. CONCLUSION
Suite à plusieurs centaines d’heures de travail, nous sommes très fiers et heureux d’avoir réussi
à apporter des solutions permettant d’améliorer le bilan énergétique des Serres Coopératives de
Guyenne. Nous avons proposé des solutions en respectant les objectifs, contraintes et
restrictions fixés au début du projet. Selon nos études, nous avons évalué la faisabilité et la
rentabilité des solutions proposées. Certaines d’entres elles ne sont pas économiquement
rentables, car l’écart entre le coût du kilowattheure d’électricité et celui d’écorce est trop grand.
Nous avons tout de même trois solutions réalisables, soit le changement du recouvrement de
verre, l’installation de déshumidificateurs et l’installation d’un tuyau de déviation. Nous
sommes confiants que nos solutions soient réalisables, mais elles devront être étudiées
d’avantage afin d’effectuer des études de rentabilité plus rigoureuses. De plus, les plans de
détails devront être élaborés avant de procéder à l’installation des équipements.
Puisque c’était notre première expérience dans l’efficacité énergétique en milieu horticole, nous
avons été confrontés à l’inconnu. Nous avons appris beaucoup de notions qui n’étaient pas
couvertes dans notre formation. Par exemple, nous avons dû nous familiariser avec les unités
autres que celles du système international. Cette expérience nous ouvre la voie vers le marché
du travail, nous sommes motivés à l’idée de débuter notre carrière professionnelle.
Le projet nous a permis d’appliquer les connaissances acquises lors de notre formation en génie
électromécanique. Nous avons utilisé la théorie portant sur la thermodynamique, le transfert de
chaleur, la mécanique du bâtiment et la chimie entre autres domaines. Nous avons aussi appris
une panoplie de nouvelles applications : les technologies de chauffage et de climatisation
disponible sur le marché, les procédées de production hydroponique de tomates en serres, les
processus de récolte de biomasse, etc. Cette expérience enrichissante nous suivra toute notre
vie, c’est sans l’ombre d’un doute que cet apprentissage nous servira dans un projet d’ingénierie
futur.
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9. BIBLIOGRAPHIE
Livres :
1. Bilodeau, Gilbert, Clinique sur La gestion de l’énergie en serre, Institut québécois du
développement de l’horticulture ornementale, 1ière édition, 2002.
2. Treybal, Robert E., Mass-transfert operations, McGraw-Hill book company, 3rd edition,
1980.
3. Çengel, Yunus A., Heat Transfert: A practical approach, McGraw-Hill book company,
1st edition, 1998.
4. Incropera / DeWitt / Bergman / Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John
Wiley & Sons, 6th edition 2007.
5. Çengel/ Boles, Thermodynamics, An engineering approach, McGraw-Hill book
company 4th edition 2002.
6. Simpson/TenWolde, Wood handbook, Wood as an engineering material, Forest
Products Laboratory. 1999.
Sites web :
1. TRANE, http ://www.trane.com/Default.asp, Consulté le 2008-01-31
2. TRANSFAB ÉNERGIE, http ://www.transfab.com/, Consulté le 2008-02-18
3. MASTER, http ://www.master.ca/fr/consommateurs/, Consulté le 2008-02-18
4. ENERTRACK, http ://www.enertrak.com/, Consulté le 2008-02-28
5. CANNON BOILER WORKS’ INC, http ://www.cannonboilerworks.com/, Consulté le
2008-02-28
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ANNEXES
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Ensoleillement
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Taux d’humidité et température à l’intérieur des serres
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Consommation annuelle d’huile
Semaine Inventaire du début [Galon U.S.]
Inventaire de la fin [Galon U.S.]
Nombre de jours dans la période
Consommation dans la période [Galon U.S.]
Consommation journalière moyenne [Galon U.S.]
Date inventaire
Huile livrée
2 202745 188319 11 16333 1 485 11 janvier,
2008 1 907
3 188319 184882 7 12894 1 842 18 janvier,
2008 9 457
4 184882 178545 5 9772 1 954 23 janvier,
2008 3 435
5 178545 168639 9 14745 1 638 1 février, 2008
4 839
6 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
7 168634 165151 10 15540 1 554 11 février,
2008 12 057
8 165151 156887 10 17123 1 712 21 février,
2008 8 859
9 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
10 156887 150597 11 13951 1 268 3 mars, 2008 7 661
11 150597 141290 11 16860 1 533 14 mars, 2008
7 553
12 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
13 141290 132362 12 16860 1 405 26 mars, 2008
7 932
14 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
15 132362 143597 15 17386 1 159 10 avril, 2008
28 621
16 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
17 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
18 143597 160032 21 14745 702 1 mai, 2008 31 180
19 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
20 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
21 160032 171045 21 19463 927 22 mai, 2008 30 476
22 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
23 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
24 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
25 171045 201667 28 16860 602 19 juin, 2008 47 482
26 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
27 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
28 201667 197480 18 17386 966 7 juillet, 2008
13 199
29 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
30 197480 203797 17 13422 790 24 juillet, 2008
19 739
31 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
32 203797 230997 15 10543 703 8 août, 2008 37 743
33 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
34 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
35 230997 233356 18 18170 1 009 26 août, 2008
20 529
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 69
36 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
37 233356 244449 16 16860 1 054 11
septembre, 2008
27 953
38 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
39 244449 247203 12 18180 1 515 23
septembre, 2008
20 934
40 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
41 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
42 247203 255509 22 18170 826 15 octobre,
2008 26 476
43 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐
44 255509 238527 12 25110 2 093 27 octobre,
2008 8 128
45 238527 245052 10 18690 1 869 6 novembre,
2008 25 215
46 245052 237441 8 16333 2 042 14
novembre, 2008
8 722
47 237441 224240 6 15010 2 502 20
novembre, 2008
1 809
48 224240 219404 8 20288 2 536 28
novembre, 2008
15 452
49 219404 212111 7 15275 2 182 5 décembre,
2008 7 982
50 212111 204669 5 11582 2 316 10
décembre, 2008
4 140
51 204669 195993 9 21133 2 348 19
décembre, 2008
12 457
52 195993 192438 5 6820 1 364 24
décembre, 2008
3 265
1 192438 181105 7 13108 1 873 1 775
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 70
Température externe minimale, moyenne et maximale
Janvier 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 -20,14 17 -5,02 2 -23,63 18 -9,01 3 -22,93 19 -24,93 4 -5,46 20 -29,75 5 -4,47 21 -24,45 6 0,13 22 -17,84 7 2,32 23 -22,42 8 1,13 24 -25,48 9 -1,39 25 -14,58 10 -9,28 26 -12,80 11 -9,21 27 -10,13 12 -12,90 28 -4,88 13 -17,38 29 -1,89 14 -11,83 30 -6,74 15 -14,41 31 -20,93 16 -19,29
Février 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 -15,43 17 -6,69 2 -10,39 18 -8,25 3 -7,25 19 -19,58 4 -6,88 20 -21,66 5 -6,14 21 -17,62 6 -19,41 22 -11,75 7 -19,63 23 -11,92 8 -12,26 24 -5,41 9 -9,33 25 -5,93 10 -9,73 26 -18,89 11 -19,88 27 -22,85 12 -21,14 28 -22,83 13 -14,38 29 -18,92 14 -18,87 15 -21,79 16 -17,65
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 71
Mars 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 -10,41 17 -11,38 2 -11,72 18 -2,07 3 -3,77 19 -0,93 4 -16,40 20 -8,39 5 -15,99 21 -14,47 6 -8,68 22 -12,74 7 -11,66 23 -16,78 8 -16,91 24 -17,04 9 -15,89 25 -6,42 10 -15,00 26 -6,62 11 -5,23 27 -8,83 12 -16,19 28 -11,43 13 -15,29 29 -11,68 14 -6,92 30 -7,70 15 -2,83 31 0,62 16 -10,18
Avril 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 -4,61 17 8,88 2 -7,79 18 1,21 3 0,19 19 4,38 4 4,21 20 7,58 5 4,00 21 10,50 6 7,51 22 13,69 7 4,16 23 9,41 8 2,56 24 5,85 9 1,81 25 8,89 10 -3,98 26 10,23 11 -3,35 27 5,91 12 -1,75 28 -1,62 13 -1,30 29 -1,73 14 -0,78 30 -2,33 15 2,76 16 8,23
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 72
Mai 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 1,13 17 3,78 2 5,05 18 5,43 3 6,33 19 -0,02 4 5,18 20 1,78 5 5,09 21 3,77 6 4,63 22 5,39 7 3,03 23 7,68 8 3,41 24 9,00 9 5,43 25 12,19 10 8,13 26 2,49 11 9,25 27 1,02 12 12,12 28 7,66 13 8,68 29 9,57 14 9,14 30 8,79 15 5,64 31 8,96 16 5,65
Juin 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 9,26 17 9,81 2 10,12 18 7,90 3 10,46 19 10,89 4 10,94 20 13,98 5 14,48 21 15,39 6 17,15 22 13,20 7 21,15 23 11,38 8 20,80 24 14,79 9 11,38 25 17,07 10 12,96 26 16,38 11 8,98 27 17,78 12 9,69 28 15,79 13 16,10 29 17,48 14 19,06 30 13,88 15 17,28 16 12,82
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 73
Juillet 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 13,70 17 10,46 2 14,44 18 13,93 3 12,34 19 16,36 4 14,73 20 15,96 5 18,17 21 16,86 6 20,70 22 17,68 7 16,97 23 16,85 8 14,98 24 14,72 9 16,86 25 16,71 10 10,98 26 17,23 11 12,81 27 13,73 12 14,41 28 14,48 13 16,48 29 16,23 14 14,16 30 14,70 15 12,20 31 15,90 16 19,23
Août 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 16,74 17 13,47 2 13,38 18 13,17 3 14,53 19 9,66 4 17,99 20 13,50 5 18,30 21 18,10 6 16,54 22 19,29 7 14,28 23 21,62 8 13,87 24 13,58 9 11,99 25 11,07 10 14,53 26 11,47 11 12,78 27 14,86 12 11,97 28 16,13 13 11,66 29 14,76 14 14,28 30 14,72 15 16,47 31 14,78 16 15,90
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David Gingras François Breton Hiver 2009 74
Septembre 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 18,71 17 7,45 2 21,11 18 3,27 3 18,34 19 9,44 4 10,70 20 8,64 5 8,30 21 2,48 6 8,53 22 7,58 7 8,03 23 13,63 8 10,04 24 16,28 9 8,16 25 12,58 10 8,38 26 11,77 11 10,18 27 14,16 12 10,88 28 5,98 13 11,93 29 4,83 14 9,18 30 2,21 15 6,02 16 6,40
Octobre 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 3,74 17 0,62 2 0,41 18 1,89 3 0,47 19 4,71 4 2,16 20 3,72 5 2,10 21 -1,68 6 1,71 22 -2,43 7 3,19 23 -2,11 8 3,63 24 0,78 9 7,13 25 4,93 10 7,38 26 4,68 11 5,06 27 1,60 12 6,53 28 -3,11 13 13,78 29 -4,55 14 10,48 30 -3,29 15 4,40 31 3,61 16 4,23
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 75
Novembre 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 -2,28 17 -6,37 2 -2,98 18 -7,53 3 1,68 19 -9,88 4 6,96 20 -10,08 5 12,03 21 -11,99 6 9,98 22 -11,92 7 7,06 23 -12,59 8 6,28 24 -5,19 9 -0,87 25 -4,19 10 -3,48 26 -3,40 11 -4,10 27 -3,09 12 -5,20 28 -6,12 13 -1,99 29 -5,90 14 4,48 30 -4,74 15 -0,56 16 -4,18
Décembre 2008 Jour Température
moyenne journalière [°C]
Jour Température moyenne journalière [°C]
1 -5,60 17 -11,64 2 -8,01 18 -18,82 3 -2,98 19 -28,88 4 -12,13 20 -27,43 5 -14,59 21 -25,75 6 -9,17 22 -24,51 7 -22,53 23 -17,28 8 -21,63 24 -7,27 9 -12,65 25 -19,60 10 -22,63 26 -14,94 11 -18,20 27 -3,48 12 -18,12 28 -0,09 13 -20,99 29 -9,19 14 -7,16 30 -18,44 15 -5,46 31 -23,18 16 -18,68
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 76
Coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement de verre
Ce recouvrement est fait de panneaux de verre et ils sont fixés à un cadrage d’aluminium. Il y
seulement un panneau qui sépare l’intérieur des serres de l’environnement extérieur. La figure 5
est une photographie prise du recouvrement de panneaux de verre de l’une des serres de la
coopérative.
Figure 5: Recouvrement de verre
Le transfert thermique du recouvrement est dû à une conduction, une radiation et de deux
convections forcées.
Figure 6: Schéma du transfert de chaleur d’un panneau de verre
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 77
La figure 6 schématise le transfert de chaleur à travers d’une paroi de verre. Elle comprend
aussi le schéma équivalent sous la forme d’un circuit électrique.
Tableau 10: Données pour le calcul du coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement de verre
Surface [m2]
Épaisseur [m]
Coefficient
Température [K]
Panneaux de verre (2x1) 2 0,006 0,7 [w/m K] - Température de surface (T1) - - - 247,53 Température de surface (T2) - - - 249,10 Température infinie extérieure (Text) - - - 243,15 Température infinie intérieure (Tserre) - - - 296,15 Convection forcée extérieure (hf1) - - 38,74 [W/m2 K] - Convection forcée intérieure (hf2) - - 3,90 [W/m2 K] - Radiation extérieur (hr) - - 3,18 [W/m2 K] -
Les températures de surface (T1, T2) ont été calculées suite à plusieurs itérations. Sur le disque
compact en annexe, on trouve le fichier Excel, Étude du recouvrement de verre, qui a permis
d’obtenir ces températures. Afin d’obtenir les différents coefficients pour le calcul de la
résistance équivalente du système (le panneau de verre et son environnement), nous avons
utilisées des températures de surface prise au pyromètre infrarouge lors d’une de nos visite
comme estimés initiaux. Ensuite, nous avons modifiée celles-ci afin de faire converger le flux
thermique à travers de chacune des résistances thermiques (calcul itératif).
2.1.1.1 Coefficient thermique de convection forcée intérieure
Le début du transfert de chaleur est initié par la convection forcée produite par les ventilateurs
de circulation d’air à l’intérieur des serres. La résistivité de cette convection sera calculée selon
les paramètres du tableau 1.
Tableau 11: Donnée sur les propriétés de l’air intérieur à 249,10 K
ν2 k2 Pr2
13,45x10-6 [m2/s] 24,11x10-3 [W/m K] 0,7141
Les données du tableau 2 ont été obtenues en interpolant celles de la table A.4 page 941 du livre
Fundamentals of Heat and Mass transfer [4].
Voici le calcul du nombre de Reynolds (table 6.2, page 337, référence [4])
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 78
(a.1)
où:
à é / é é é /
L1 / 1
13,45 10 /74 349,44
Le nombre de Reynolds est inférieur à 500 000, alors l’écoulement est laminaire.
La corrélation utilisée pour le calcul du nombre de Nusselt provient de la table 7,9 page 455
référence [4].
0,664 / / (a.2)
où:
0,664 73 046 , 0,71 / 162
Voici l’équation permettant de calculer le coefficient de convection forcée (équation 7.23, page
408 référence [4]).
(a.3)
où:
é é / Conductivité thermique de l air W m⁄ K
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 79
162 24,10 10 / 1
3,90 /
Voici l’équation permettant de calculer les pertes de chaleur [kW] (équation 6,12, page 353
référence [4]).
(a.4)
où:
é
é é
3,90 2 296,15 249,10 366,99
Nous obtenons un taux de pertes de chaleur de 369,283 W pour un panneau de vitre de deux
mètres carrés. Nous allons utiliser ce taux pour le reste de l’étude afin de calculer les
températures de surface. La température de surface T2 a été trouvée au préalable en effectuant
des itérations.
2.1.1.2 Calcul de la température de surface T2
Le panneau de verre est constitué d’un milieu plein, alors on y retrouve un taux de transfert de
chaleur par conduction au travers celui-ci. Nous connaissons la valeur de la température sur la
paroi interne, maintenant nous allons calculer celle extérieur. L’équation a.5 nous permet
d’isoler la variable recherchée, T2
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 80
(a.5)
où:
C / é é
É
366,99 0,006 0,7 / 2
249,10 247,53
La température de surface extérieure est de 247,53 K.
2.1.1.3 Coefficient thermique de convection forcée extérieure
Le transfert thermique se termine par une convection forcée en parallèle avec une radiation.
Nous allons tout d’abord calculer le coefficient de convection forcée du transfert de chaleur de
la surface extérieur du panneau de verre.
Tableau 12: Donnée sur les propriétés de l’air extérieur à 245,34 K
ν1 k1 Pr1
7,23x10-6 [m2/s] 17,70x10-3 [W/m K] 0,7386
Les données du tableau 3 ont été obtenues en interpolant celles de la table A.4 page 941 du livre
Fundamentals of Heat and Mass transfer [4].
Voici le calcul du nombre de Reynolds (table 6.2, page 337, référence [4])
(a.6)
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 81
où:
à é / é é é /
11,11 / 1 7,23 10 /
1 536 652,84
Le nombre de Reynolds calculé nous indique que l’écoulement de l’air est turbulent, car il est
supérieur à 5x105 (page 362, référence [4]).
La corrélation utilisée pour le calcul du nombre de Nusselt est prise dans la table 7,9 page 455
référence [4]. Cette corrélation moyenne considère que l’écoulement est turbulent.
0,037 / 871 / (a.7)
où:
moyen é
0,037 1 536 652,84 ⁄ 871 0,7386 ⁄ 2 188,44
Voici l’équation permettant de calculer le coefficient de convection forcée (équation 7.23, page
408 référence [4]).
(a.8)
où:
é é / Conductivité thermique de l air extérieur W/m K
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 82
2 188,44 17,70 10 / 1
38,74 /
2.1.1.4 Coefficient thermique de radiation
Une surface chaude rayonne toujours dans un environnement moins chaud. Nous allons calculer
le coefficient thermique de radiation afin de calculer le coefficient global d’échange de chaleur.
L’équation ci-dessous permet de calculer le coefficient de radiation.
(a.9)
où:
é é, 0,95 5,76 /
é é é é
/
0,95 5,67 10 W/m K 247,53 243,15 247,53 243,15 3,18 W/m K
2.1.1.5 Résistance équivalente du recouvrement de verre
Maintenant que toutes les valeurs des coefficients de transmission de chaleur sont connues,
il est possible de calculer la résistance équivalente du recouvrement de verre.
Voici l’équation qui permet de calculer la résistance équivalente (équation 3.19, page 101,
référence [4]).
é1 1 1
/ (a.10)
où:
é é é /
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 83
é
3,90 2 0,006 0,7 2
38,74 2
3,18 2
é 0,1444 ⁄
2.1.1.6 Flux thermique surfacique total du recouvrement de verre
Maintenant que tous les paramètres du transfert de chaleur sont connus, il est possible de
calculer une approximation du flux thermique d’un recouvrement de panneaux de verre.
L’équation a.11 (équation 3.19, page 101, référence [4]) permet de calculer le coefficient
thermique global de transmission de chaleur.
é1
(a.11)
où:
é /
1é 0,1444 2
3,46 ⁄
Nous obtenons un coefficient global d’échange de chaleur de 3,46 [W/m2K]. Ce coefficient
étant connu, il est possible de calculer le flux thermique du recouvrement de verre.
Voici l’équation permettant de calculer le flux thermique.
(a.12)
3,46
296,15 243,15 183,38 ⁄
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 84
Les calculs indiquent que le flux thermique au travers de la paroi de verre est de 183,38
[W/m2].
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 85
Coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement de polyéthylène
Le recouvrement de polyéthylène à double parois permet de mieux isoler les serres. C’est grâce
à sa couche d’air d’un centimètre entre ses deux parois qui permet une meilleure isolation. Dans
l’étude qui suit, nous allons calculer le coefficient de transfert de chaleur global de ce
recouvrement. La figure 3 est une photographie prise du recouvrement de polyéthylène double
parois.
Figure 7: Recouvrement de polyéthylène à double parois
Le transfert thermique du recouvrement est dû à une radiation, trois conductions et deux
convections forcées.
Figure 8: Schéma du transfert de chaleur d'un recouvrement de polyéthylène double
PAFE : Amélioration du bilan énergétique des serres de Guyenne
David Gingras François Breton Hiver 2009 86
La figure 3 schématise le transfert de chaleur au travers d’un recouvrement de polyéthylène à
double parois. Elle comprend aussi le schéma équivalent sous la forme d’un circuit électrique.
Tableau 13: Données pour le calcul du coefficient global d’échange de chaleur du recouvrement de polyéthylène
Surface [m2]
Épaisseur [m]
Coefficient Température [K]
Pellicule de polyéthylène (2x1) 2 1,52E-4 0,48 [w/m°K] - Température de surface (T1) - - - 244,95 Température de surface (T2) - - - 244,97 Température de surface (T3) - - - 276,64 Température de surface (T4) - - - 276,66 Température infinie extérieure (Text) - - - 243,150 Température infinie intérieure (Tserre) - - - 296,150 Convection forcée extérieure (hf1) - - 39,10 [w/m2 K] - Convection forcée intérieure (hf2) - - 3,90 [w/m2 K] - Radiation extérieurs (hr) - - 2,80 [w/m2 K] - Conduction dans l’air - - 0,024 [w/m K] -
Les températures de surface (T1, T2, T3 et T4) ont été calculées de la même manière que celles du
recouvrement de verre, soit par itérations. On trouve aussi le fichier Excel, Étude recouvrement
polyéthylène, qui a permis d’obtenir ses températures sur le disque compact en annexe.
2.1.1.7 Coefficient thermique de convection forcée intérieure
Tout comme le recouvrement de verre le début du transfert de chaleur est initié par la
convection forcée produite par les ventilateurs de circulation d’air à l’intérieur des serres. La
résistance de cette convection sera calculée selon les paramètres du tableau 4.
Tableau 14: Donnée sur les propriétés de l’air intérieur à 286,41 K (Tfilm)
ν2 k2 Pr2
14,68x10-6 [m2/s] 25,21x10-3 [W/m K] 0,7105
Les données du tableau 5 ont été obtenues en interpolant celles de la table A.4 page 941 du livre
Fundamentals of Heat and Mass transfer [4].
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David Gingras François Breton Hiver 2009 87
Voici le calcul du nombre de Reynolds (table 6.2, page 337, référence [4])
(a.13)
où:
à é / é è é é é /
1 / 1 14,68 10 /
68 119,89
Le nombre de Reynolds est inférieur à 500 000, alors l’écoulement est laminaire.
La corrélation utilisée pour le calcul du nombre de Nusselt moyen a été trouve dans la table 7,9
page 455 référence [4].
0,664 / / (a.14)
où:
0,664 68 119,89 , 0,71 / 154,64
Voici l’équation permettant de calculer le coefficient de convection forcée (équation 7.23, page
408 référence [4]).
(a.15)
où:
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David Gingras François Breton Hiver 2009 88
é é / Conductivité thermique de l air intérieur W/m K
[m]
154,64 25,21 10 / 1
3,90 /
Voici l’équation permettant de calculer le flux d’énergie.
(a.16)
où:
é
é é
3,90 2 296,15 276,66 152,02
Nous obtenons un taux de 152,02 W pour une surface de deux mètres carrés. Ce flux va nous
permettre de calculer les autres températures de paroi. Il est important de préciser que la valeur
de température T4 a été obtenue suite à un processus itératif.
2.1.1.8 Calcul de la température de surface T3
Le recouvrement de polyéthylène est constitué de deux pellicules, alors on y retrouve un taux
de transfert de chaleur par conduction au travers la première. L’équation a.17 nous permet
d’isoler la variable qui représente la température de surface T3.
(a.17)
É
où:
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é è / é é
É É é è
152,02 0,000154 0,48 / 2
276,66 276,64
La température de surface T3 est de 276,64 K. Celle-ci nous permettra de calculer la
température de surface T2 dans le calcul suivant.
2.1.1.9 Calcul de la température de surface T2
Entre les deux couches de polyéthylène, on trouve une couche d’air de 1 centimètre
d’épaisseur. Cette couche d’air offre une isolation. Selon des études expérimentale, il a été
démontré que le mode de transmission au travers d’une couche d’air inférieure à 13 centimètre
est par conduction (référence [3],page 744).
(a.18)
où:
/ é é °
É
152,02 0,010,024 / 2
276,64 244,97
La température de surface T2 est de 244,97 K. Celle-ci nous permettra de calculer la
température de surface T1 dans le calcule suivant.
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2.1.1.10 Calcul de la température de surface T1
Étant donné que la deuxième paroi est identique à la première, sa résistance thermique est la
même que celle trouvé précédemment.
É
où:
é é
152,02 0,000154 0,48 / 2
244,97 244,95
La température de surface T1 est de 244,95 K. Celle-ci nous permettra de calculer le coefficient
thermique de convection forcée extérieure.
2.1.1.1 Coefficient thermique de convection forcée extérieure
L’une des étapes finale du transfert de chaleur est faite par la convection forcée produite par la
vitesse de l’air à l’extérieur des serres. Cependant, elle n’agit pas seule, elle est en parallèle
avec le flux thermique de radiation. Les calculs suivant déterminent le coefficient de convection
forcée extérieure.
Tableau 15: Donnée sur les propriétés de l’air extérieur à 244,06 K (Tfilm)
ν1 k1 Pr1
7,13x10-6 [m2/s] 17,60x10-3 [W/m K] 0,7390
Les données du tableau 15 ont été obtenues en interpolant celles de la table A.4 page 941 du
livre Fundamentals of Heat and Mass transfer [4].
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Voici le calcul du nombre de Reynolds (table 6.2, page 337, référence [4])
(a.19)
où:
à é / é è é é é /
11,11 / 1 7,13 10 /
1 558 204,77
Le nombre de Reynolds calculé nous indique que l’écoulement de l’air est turbulent, car il est
supérieur à 5x105.
La corrélation utilisée pour le calcul du nombre de Nusselt moyen a été trouve dans la table 7,9
page 455 référence [4]. Cette corrélation considère que l’écoulement est turbulent.
0,037 / 871 / (a.20)
où:
é
0,037 1 558 204,77 ⁄ 871 0,7390 ⁄ 2 222,18
(a.21)
où:
é é /
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2 222,18 17,60 10 / 1
39,1 /
2.1.1.2 Coefficient thermique de radiation
En parallèle avec la convection forcée extérieure, le flux thermique de radiation est produit par
le rayonnement d’une surface chaude dans un environnement moins chaud.
L’équation ci-dessous permet de calculer le coefficient de radiation.
(a.22)
où:
é é è é, 0,85 5,76 /
é é é é
0,85 5,67 10 / 244,95 243,15 244,95 243,15
2,8 /
2.1.1.3 Résistance équivalente du recouvrement de polyéthylène
Maintenant que toutes les valeurs des coefficients de transmission de chaleur sont connues, il
est possible de calculer la résistance équivalente du recouvrement de polyéthylène à double
paroi à l’étude.
é1 2 É 1 1
/ (a.23)
où:
é é é é è /
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é
3,90 2 2 0,000152
0,48 2 0,01 0,024 2
39,1 2
2,80 2
é0,3487
2.1.1.4 Flux thermique surfacique total du recouvrement de polyéthylène
Maintenant que tous les paramètres du transfert de chaleur sont connus, il est possible de
calculer une approximation de flux thermique surfacique d’un recouvrement de polyéthylène à
double parois. En utilisant l’équation a.24 (équation 3.19, page 101, référence [4]), on calcul le
coefficient thermique global de transmission de chaleur.
é1
(a.24)
1é 0,3487 2
1,43 ⁄
Alors nous obtenons un coefficient global d’échange de chaleur de 1,43 [W/m2K]. En utilisant
ce coefficient, il est possible de calculer le flux thermique du recouvrement.
Voici l’équation permettant de calculer le flux thermique.
(a.25)
1,4372 ⁄ 296,15 243,15 76,17 W/m
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Les calculs indiquent que le flux thermique au travers d’un recouvrement de polyéthylène à
double paroi est de 76,17 W/m2. Soit une réduction des pertes de 58,7% par rapport à une paroi
de verre simple.
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Spécifications du fournisseur Cannon Boiler Works
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Brochure des économiseurs de chaleur
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Soumission des économiseurs
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Script Matlab
%dimensionnement du séchoir à écorce------------------------------- %auteur: François Breton clc; clear all; hum_in=69; hum_out=[68:-1:45] %(kg eau/kg de solide) X1= hum_in/(100-hum_in) X2= hum_out./(100-hum_out) %(kg eau/kg solide sec) Y2=0.004; %(kg eau/kg air sec)-> abaque psychométrique air@ 0°C m = 0.5787; %(kg/s) converti à partir de 2tonnes/heure Ss= m.*(1-hum_out/100) %(kg de solide sec/s) eau_out= Ss.*(X1-X2) %(kg eau/s) TG2=60; TG2K=TG2+273; %(°C, kelvin) TG1=25; TG1K=TG1+273; TS1=0; TS1K=TS1+273; TS2=30; TS2K=TS2+273; TS_int=20; Cp_wood_out=((0.1031+0.003867*TS2K)+0.01.*hum_out.*4.187)./((1+0.01.*hum_out)+hum_out.*(-0.06191+0.000236*TS2K-0.000133.*hum_out)) Cp_wood_in= ((0.1031+0.003867*TS1K)+0.01*hum_in*4.187)/((1+0.01*hum_in)+hum_in*(-0.06191+0.000236*TS1K-0.000133*hum_in)) %(kJ/kg*K) HG2= (1.005+1.884*Y2)*TG2+2502.3*Y2 %HG1= (1.005+1.884*Y1)*TG1+2502.3*Y1 HS1= Cp_wood_in*TS1+X1*4.187*TS1 HS2= Cp_wood_out*TS2+X2*4.187*TS2 %(kJ/kg K) %balance de masse----------------------------------- %Gs= Ss*(X1-X2)/(Y1-Y2) %balance enthalpie---------------------------------- Y1= [(X1-X2)*HG2+ HS2.*Y2-(X1-X2)*1.005*TG1-HS1*Y2]./[HS2+(X1-X2)*(1.884*TG1+2502.3)-HS1] %(kg eau/kg air sec) Gs= Ss.*(X1-X2)./(Y1-Y2) %(kg air sec/s) Gs2=Gs./3.4 %(kg air sec/ m²*s) HG1= (1.005+1.884.*Y1)*TG1+2502.3.*Y1 %(kJ/kg K) %hypothèse de séchage seulement dans la zone II HSA= Cp_wood_in*TS_int+ X1*4.187*TS_int
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HSB= Cp_wood_out*TS_int+ X2*4.187*TS_int%(kJ/kg K) %calculs pour zoneIII-------------------------------- TGD = -((Ss.*(HS2-HSB))./(Gs*(1.005+1.884*Y2))-TG2) delta_tg3= (Ss.*(HS2-HSB))./(Gs*(1.005+1.884*Y2)) delta_tm3= ((TG2-TS2)-(TGD-TS_int))./log((TG2-TS2)./(TGD-TS_int)) Ntog3 = delta_tg3./delta_tm3 %calculs pour zoneI-------------------------------- TGC = (Ss*(HSA-HS1)./(Gs.*(1.005+1.884.*Y1)))+TG1 delta_tg1= (Ss.*(HSA-HS1)./(Gs.*(1.005+1.884.*Y1))) delta_tm1= ((TG1-TS1)-(TGC-TS_int))./log((TG1-TS1)./(TGC-TS_int)) Ntog1 = delta_tg1./delta_tm1 %calculs pour zoneII-------------------------------- Csmoy = ((1.005+1.884.*Y1)+(1.005+1.884*Y2))/2 delta_tg2 = TGD-TGC delta_tm2= ((TGD-TS_int)-(TGC-TS_int))./log((TGD-TS_int)./(TGC-TS_int)) Ntog2 = delta_tg2./delta_tm2 NtOG = Ntog1+Ntog2+Ntog3 Gmoy = Gs2.*(1+(Y1+Y2)./2) Ua = (237.*Gmoy.^0.67)./2.08 %W/m³K HtOG= Gs2.*(Csmoy.*1000)./Ua Z= NtOG.*HtOG %(m) %tracer les graphiques du débit et de la longueur requise---------- figure (1) plot(hum_out,Z); grid on title('Variation de la longueur du séchoir') xlabel('pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)') ylabel('longueur (m)') hold on figure (2) plot(hum_out,Gs2); grid on title('Variation du débit de gaz') xlabel('pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)') ylabel('débit de gaz sec (kg/m²*s)') hold on figure (3) plot(hum_out,Y1); grid on title('Variation de la teneur en humidité du gaz à la sortie') xlabel('pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)') ylabel('humidité (kg eau/ kg air sec)')
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Graphiques de l’étude du séchoir
Pour les conditions évaluées en fonctionnement;
0° 20° 30° 60° 25°
45 50 55 60 65 700.009
0.01
0.011
0.012
0.013
0.014
0.015
0.016
0.017
0.018Variation de la teneur en humidité du gaz à la sortie
pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)
hum
idité
(kg
eau/
kg
air s
ec)
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Puis pour les températures souhaitées;
0° 60° 70° 200° 95°
45 50 55 60 65 700
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10Variation du débit de gaz
pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)
débi
t de
gaz
sec
(kg/
m²*
s)
45 50 55 60 65 7010
15
20
25
30
35
40Variation de la longueur du séchoir
pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)
long
ueur
(m)
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David Gingras François Breton Hiver 2009 105
45 50 55 60 65 700.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045Variation de la teneur en humidité du gaz à la sortie
pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)
hum
idité
(kg
eau/
kg
air s
ec)
45 50 55 60 65 700.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4Variation du débit de gaz
pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)
débi
t de
gaz
sec
(kg/
m²*
s)
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45 50 55 60 65 707
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17Variation de la longueur du séchoir
pourcentage humidité (kg eau/kg de solide humide)
long
ueur
(m)
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Fiche technique des déshumidificateurs
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