Développement d’un modèle calibré pour la simulation énergétique de serres et analyse des résultats à l’aide d’indicateurs de performance

Lalonde, Timothé (2022). Développement d’un modèle calibré pour la simulation énergétique de serres et analyse des résultats à l’aide d’indicateurs de performance. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

En contexte québécois, la productivité des cultures en serre est limitée par l’ensoleillement et par les températures froides hivernales. La compétitivité des cultures québécoises par rapport aux importations provenant de pays où les conditions climatiques sont plus clémentes est une barrière à l’autonomie alimentaire de la société québécoise. La consommation énergétique associée au maintien des conditions de croissance optimales par les systèmes de chauffages et l’éclairage artificiel impacte particulièrement la compétitivité des cultures en serre au Québec. Le développement de modèles énergétiques de serres dans des outils de simulation thermique dynamique permet d’étudier le profil thermique des serres et d’évaluer les opportunités qui permettraient d’améliorer la performance énergétique de celles-ci.

L’objectif de ce mémoire est de développer une approche de modélisation et de calibration de serre en contexte québécois ainsi que de démontrer l’importance de l’utilisation d’indicateurs de performance appropriés pour l’analyse des résultats de ces simulations en fonction du contexte. Pour ce faire, un modèle représentant une serre en arche gothique existante a été développé sur l’outil de simulation thermique dynamique TRNSYS. Les résultats de la simulation de ce modèle de serre ont été calibrés en les comparant avec des données mesurées dans la serre pour la température et l’humidité de l’air ainsi que le rayonnement solaire. Des erreurs quadratiques moyennes de 1,83°C (R2 = 0,95), 7,78% (R2 = 0,76) et 60,63 μmol.s-1.m- 2 (R2 = 0,89) ont été obtenues pour la température et l’humidité de l’air intérieur, ainsi que le rayonnement photo actif à la canopée, respectivement. Ces résultats indiquent que le modèle présente une concordance adéquate entre les données mesurées et simulées. Cette conclusion est tirée en comparant ces résultats à des valeurs de références trouvées dans la littérature pour ces indicateurs statistiques dans le contexte d’une serre non-chauffée.

Cette approche de modélisation est ensuite utilisée afin de comparer les conditions de croissances dans une serre à arche gothique et dans une serre chinoise partiellement enterrée localisées à Lemieux (46,3°N 72,1°O). Les conditions de croissance sont évaluées en utilisant des indicateurs de performance appropriés au contexte d’une serre non chauffée. La durée de la saison de croissance thermique est 22 jours plus longue et les degrés-jours de croissances pour la laitue sont plus élevés dans la serre chinoise que dans la serre à arche gothique. L’éclairage naturel à la canopée est similaire dans les deux serres. En revanche, les deux serres modélisées ne disposent pas d’une capacité de ventilation suffisante pour contrer la surchauffe de la serre en été. Ceci se traduit par un indice de surchauffe élevé de 142 h et 244 h dans la serre à arche gothique et dans la serre chinoise, respectivement. La fréquence des évènements de surchauffe de la serre est plus élevée dans la serre chinoise, ce qui affecte à la baisse l’indice photo-thermique pour la laitue. Ceci indique que la productivité annuelle serait moindre dans cette serre malgré les températures plus chaudes qui y sont enregistrées.

Un modèle a ensuite été réalisé pour étudier la consommation énergétique et les émissions de gaz à effet de serre (GES) de deux systèmes différents pour chauffer une serre à arche gothique située à Baie-Comeau (49,2°N 68,2°O). Les deux systèmes de chauffage comparés sont : un aérotherme au propane conventionnel et un système plus innovant pour la récupération de la chaleur fatale d’un centre de données. Le système de récupération de la chaleur permet de réduire les émissions de GES de 91% en contexte énergétique québécois. De plus, celui-ci consomme 66% moins d’énergie que l’aérotherme au propane toute source d’énergie confondue. L’appel de puissance électrique maximal du système de récupération de la chaleur fatale du centre de données est de 36,8 kW. L’éclairage artificiel de la serre à l’aide de lampes à décharge de sodium haute pression est requis pour maintenir un éclairage journalier minimal pour la culture de la laitue. Celui-ci consommerait 23 000 kWh d’électricité annuellement, soit 21,7% de la consommation énergétique annuelle de la serre équipée du système de récupération de chaleur dans le contexte de Baie-Comeau et cause un appel de puissance électrique supplémentaire de 30,9 kW.

Titre traduit

Development of a calibrated greenhouse model for building energy performance simulations and results analysis using performance indicators

Résumé traduit

In Quebec, agricultural greenhouse productivity is limited by several factors such as daylight availability and cold temperatures. Competitivity of the local production of vegetables compared to importations from warmer countries is a barrier to food autonomy in this context. Energy consumption, required to maintain optimal growth conditions of greenhouse crops through heating systems or artificial lighting have a great impact on Quebec’s greenhouse sector competitivity. Development of models using building energy performance simulation tools allows to study the thermal profile inside greenhouses and evaluate opportunities to enhance their energy efficiency.

The objective of this thesis is to present an approach for developing and calibrating a greenhouse model in Quebec and to demonstrate the importance of using adequate performance indicators to analyse the simulation results according to the context. To fulfil this objective, an existing gothic arch greenhouse was modelled in the building energy performance simulation tool TRNSYS. Simulation results of this model were calibrated by comparing them to data measured in the actual greenhouse for indoor air temperature and humidity as well as available photoactive radiation at the canopy level. The root mean square errors obtained were 1,83° C (R2 = 0,95), 7,78% (R2 = 0,76) and 60,63 μmol.s-1.m-2 (R2 = 0,89), respectively, which shows a good fit between the simulation results and the measured data in the context of unheated greenhouse model simulation. This calibration was confirmed by comparing these results to baseline values reported in the literature.

This modelling approach was then used to compare the growth conditions maintained in an unheated gothic arch greenhouse and a comparable partially buried Chinese greenhouse located in Lemieux (46,3°N 72,1°O). The growth conditions were evaluated using adequate performance indicators for an unheated greenhouse context. The thermal growing season was 22 days longer and the growing degree-days for lettuce cultivation were higher inside the Chinese greenhouse than in the gothic arch greenhouse. Daylight availability at the canopy was similar in both modelled greenhouses. However, the available ventilation in both the Chinese greenhouse and gothic arch greenhouse was insufficient to prevent overheating of the greenhouses. This was illustrated by the overheating index values of 244 h in the Chinese greenhouse and 142 h in the gothic arch greenhouse, respectively. The higher occurrence of overheating in the Chinese greenhouse resulted in a lower photothermal index for lettuce which indicates potentially reduced yield for lettuce cultivation despites the generally higher indoor air temperatures observed in this greenhouse.

A model was then developed to evaluate the energy consumption and greenhouse gas (GHG) emissions from two heating systems used to regulate air temperature inside a gothic arch greenhouse located in Baie-Comeau (49,2°N 68,2°O). The investigated heating systems were a conventional propane gas unit heater and a datacenter waste heat recovery system. The use of the waste heat recovery system resulted in a 91% reduction in GHG emissions compared to the propane unit heater in Quebec. The waste heat recovery system also consumed 66% less energy (from both electricity and propane sources) for heating of the greenhouse. The maximum electrical power demand of the waste heat recovery system was 36,8 kW. Artificial lighting of the greenhouse using high pressure sodium lamps was required to maintain minimum daylight levels for lettuce cultivation throughout the season. This would consume an additional 23 000 kWh of electricity annually which represented 21,7% of the total energy consumption of the greenhouse equipped with the waste heat recovery system in Baie-Comeau. The artificial lighting of the greenhouse also led to an additional electrical power demand of 30,9 kW.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 153-165).
Mots-clés libres:	agriculture en environnement contrôlé, serres, simulation thermique dynamique, modélisation énergétique, calibration, TRNSYS
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Monfet, Danielle
Codirecteur:	Codirecteur Haillot, Didier
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	14 avr. 2022 17:10
Dernière modification:	14 avr. 2022 17:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2963

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