Modélisation énergétique de serres de petite taille : Amélioration, calibration et validation d’un modèle de simulation thermique dynamique développé avec TRNSYS

Beaulac, Arnaud (2024). Modélisation énergétique de serres de petite taille : Amélioration, calibration et validation d’un modèle de simulation thermique dynamique développé avec TRNSYS. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (5MB) | Prévisualisation

Résumé

Au Québec, les producteurs agricoles et les communautés ont recours aux serres de petite taille afin de prolonger la saison de culture. Le maintien des conditions optimales de croissance dans ce type d’espace devient rapidement énergivore, cette consommation d'énergie représentant un défi majeur pour une exploitation serricole rentable. La simulation thermique dynamique de serres est un outil pour y étudier les performances énergétiques. Cependant, il n'existe pas actuellement de modèle énergétique validé permettant de simuler avec confiance les performances énergétiques des serres de petite taille dans le climat québécois.

L’objectif principal est de développer un modèle énergétique de serre de petite taille en contexte québécois. Pour ce faire, l’outil de simulation thermique dynamique, TRNSYS, est utilisé. Un modèle existant est évalué et amélioré avec des composants de modélisation énergétique détaillés. Le modèle est adapté pour représenter une serre à Victoriaville, Québec.

Le modèle est calibré pour fixer les paramètres incertains. Une analyse de sensibilité est d’abord utilisée pour identifier les paramètres incertains sensibles, suivie d’une calibration automatisée en plusieurs étapes. La méthode de calibration automatisée utilise un algorithme génétique multi-objectif pour ajuster les paramètres incertains, en calibrant le modèle pour la température de l’air intérieur et l’humidité relative mesurées. Le modèle est considéré comme calibré pour les phases passive et de ventilation naturelle (56 jours) avec une erreur quadratique moyenne (RMSE) de 1,6°C pour la température intérieure et de 8,3% pour l’humidité relative.

Le modèle est ensuite validé avec deux ensembles de données additionnels, une serre froide et une serre minimalement chauffée. Dans les deux cas, la comparaison des résultats de la simulation avec les mesures de l’environnement intérieur a conduit à une RMSE sous 2°C pour la température et sous 10% pour l’humidité relative : ces valeurs se comparant favorablement à celles de la littérature. Le modèle a atteint une erreur relative moyenne de 3,7 % pour l’estimation de la consommation mensuelle d’énergie pour une serre minimalement chauffée.

Compte tenu de ces résultats, le modèle est considéré comme suffisamment précis et applicable pour les études futures de performances énergétiques. Le modèle TRNSYS, par sa polyvalence, offre la possibilité d'explorer différentes configurations de construction, de systèmes et de modes d’opération pour les serres. Cela ouvre des perspectives variées pour évaluer et améliorer les performances énergétiques des serres de petite taille au Québec.

Titre traduit

Energy modelling of small-scale greenhouses: Improvement, calibration, and validation of a building performance simulation model developed with TRNSYS

Résumé traduit

Due to the unfavourable climate for agriculture in Quebec, producers and communities often turn to small-scale greenhouses to extend their growing season. However, maintaining optimal growth conditions in a greenhouse quickly becomes energy-intensive, posing a major challenge for profitable greenhouse operations.Greenhouse energy modelling is a prevalent tool for studying greenhouse energy performance. However, there is currently no reliable energy model with extensive validation to confidently assess the energy performance of smallscale greenhouses in the Quebec climate.

This thesis aims to develop a validated greenhouse energy model for a typical small-scale greenhouse in a cold climate. The model is created using TRNSYS, a building performance simulation tool, with detailed energy modelling components and a user-defined crop model.

The model is calibrated to fix uncertain parameters. A sensitivity analysis is used first to identify sensible uncertain parameters, followed by a multi-stage automated calibration. The automated calibration method uses a multi-objective genetic algorithm to adjust the uncertain parameters, calibrating the model for the measured indoor air temperature and relative humidity. The model performed well during the free-floating and ventilated stages (56 days) with a combined root mean square error (RMSE) of 1.6°C for the indoor temperature and 8.3% for the relative humidity.

Then, the calibrated model is validated to assess its applicability using two additional datasets. For all the cases, comparing the simulation results with indoor environment measurements resulted in an RMSE of less than 2°C for air temperature and less than 10% for air relative humidity: these values compare favourably to the literature. The model achieved a 3.7% mean relative error in estimating monthly energy consumption for a minimally heated greenhouse.

Given these results, the model is deemed sufficiently accurate and applicable for future investigations. The TRNSYS model, with its versatility, provides the opportunity to explore various construction configurations, systems, and operating modes for greenhouses. This opens up diverse possibilities for assessing and enhancing the energy performance of smallscale greenhouses in Quebec.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de de la maîtrise avec mémoire en génie énergies renouvelables et efficacité énergétique". Comprend des références bibliographiques (pages 136-148).
Mots-clés libres:	serres, performance énergétique, simulation thermique dynamique, modélisation énergétique, calibration, validation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Haillot, Didier
Codirecteur:	Codirecteur Monfet, Danielle
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2024 14:42
Dernière modification:	24 juill. 2024 14:42
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3477

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt