Développement et évaluation d’un modèle de serre nordique communautaire couplée à un système de stockage thermique

Maheux, Timothée (2023). Développement et évaluation d’un modèle de serre nordique communautaire couplée à un système de stockage thermique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (17MB) | Prévisualisation

Résumé

Plusieurs projets visent à développer la serriculture dans le Nord-du-Québec, dans le but de défendre une alimentation de meilleure qualité, moins chère et plus diversifiée. Dans ce cadre, le développement de systèmes de stockage liés à ces serres est en cours dans des villages de cette région. En effet, le climat local engendre une saison de culture courte et des températures nocturnes froides même en période estivale, ce qui rend la culture en serre difficile. Un système de stockage de l’énergie thermique vise alors à emmagasiner l’énergie thermique disponible en journée pour la réinjecter dans la serre la nuit.

Plusieurs raisons justifient le développement d’un modèle numérique de l’ensemble formé par la serre et le système de stockage : amélioration du contrôle, optimisation des dimensions des futurs systèmes, étude de faisabilité de couplage de systèmes énergétiques additionnels. Un sous-modèle de serre ainsi qu’un sous-modèle de stockage ont été développés précédemment. L’objectif de ce travail de recherche est de les coupler pour en faire un modèle unique puis d’étudier la validité des simulations.

Afin de répondre à cet objectif, le modèle de l’ensemble serre-lit de roches obtenu est analysé une première fois afin de définir les ajustements à y apporter pour obtenir des simulations proches de la réalité. Cette analyse montre une cohérence physique, mais une précision des simulations à améliorer : les températures simulées sont sous-estimées en début et en fin de saison de culture et surestimées en milieu de saison. Il est alors envisagé de réaliser un processus de calibration afin de redéfinir la valeur des paramètres du modèle incertains.

Le processus de calibration consiste en une étude de sensibilité suivie d’une calibration à l’aide d’un algorithme d’évolution différentielle et d’une analyse des performances obtenues. Ce processus est réalisé dans un premier lieu sur la serre puis sur la serre liée au système de stockage. La calibration n’ayant pas abouti à des résultats concluants, il est alors nécessaire d’affiner la modélisation du système, notamment sur les conditions aux limites du système de stockage.

L’étude des simulations du modèle numérique de stockage a permis de mettre en lumière la présence d’une dynamique de stockage thermique saisonnier. L’intégration de ce comportement dans le modèle numérique a permis de gagner en précision sur les simulations d’énergies échangées entre la serre et le système de stockage ainsi que sur la température intérieure de la serre simulée avec une erreur quadratique moyenne de 1,9°C.

Désormais, l’optimisation des caractéristiques des futurs dispositifs de stockage est rendue possible, ainsi que l’étude de faisabilité de l’ajout de systèmes énergétiques additionnels comme un système solaire thermique.

Titre traduit

Creation and study of a community Nordic greenhouse coupled with a thermal storage system

Résumé traduit

Several projects aim to develop greenhouse farming in the Northern Québec region, with the aim to promote better-quality, more affordable, and diversified food. In this context, the development of storage systems linked to these greenhouses is underway in villages throughout the region. The local climate results in a short growing season, and night-time temperatures are cold even in summer, making it difficult to grow crops in greenhouses. The aim of a thermal energy storage system is to store the thermal energy available during the day and re-inject it into the greenhouse at night.

There are several reasons for developing a combined numerical model of the greenhouse and storage system: improved control, optimization of future systems dimensions, feasibility study of coupling additional energy systems. Both a greenhouse sub-model and a storage sub-model have already been developed. The aim of this research is to integrate them into a coupled model and then assess the viability of the simulations.

To achieve this goal, the resulting coupled model is analyzed for the first time, in order to determine the necessary adjustments for simulations to closely match reality. This analysis revealed that the model was physically coherent, but that the accuracy of the simulations needed enhancement: simulated temperatures were underestimated at the beginning and end of the growing season and overestimated in the middle. Consequently, a calibration process is planned to redefine the values of uncertain model parameters.

The calibration process consists of a sensitivity study, followed by calibration using a differential evolution algorithm, and an analysis of the performance obtained. This process is initially applied to the greenhouse and subsequently to the greenhouse linked to the storage system. Since the calibration did not yield conclusive results, it became necessary to refine the system modeling, particularly concerning the boundary conditions of the storage system.

An examination of the digital storage model simulations uncovered seasonal thermal storage dynamics. Integrating this behavior into the numerical model has improved the accuracy of simulations of energy exchange between the greenhouse and the storage system, as well as the internal temperature of the simulated greenhouse, resulting to a root-mean-square error of 1.9°C.

This advancement now allows for the optimization of future storage device characteristics and the exploration of the feasibility of integrating additional energy systems, such as a solar thermal system.

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 mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 135-141).
Mots-clés libres:	stockage de l’énergie thermique, lit de roches, modélisation numérique, modelica, calibration, efficacité énergétique, serres
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Haillot, Didier
Codirecteur:	Codirecteur Monfet, Danielle Gibout, Stéphane
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	20 févr. 2024 20:21
Dernière modification:	20 févr. 2024 20:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3413

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt