Modelling of the microclimate in a naturally-ventilated large multi-span glasshouse under the oceanic climate
Modélisation de l'aération naturelle et du microclimat des serres en verre de grande portée sous climat tempéré océanique
Résumé
The "climate" inside a greenhouse depends on its ventilation. The ventilation process is complex, it takes part in mass and heat transfers with the external environment, and its control makes it possible to manage the physical parameters such as the temperature, the moisture, and the gas concentration of CO2 for instance. This control is essential to maintain the plants under favourable metabolic conditions (breathing, photosynthesis, transpiration) and in a satisfactory health state.
Natural ventilation is the most economic system to control the internal microclimate of the greenhouse. Nevertheless, it only permits very limited control of the airflow inside the greenhouse and is difficult to manage.
This study aims at describing the microclimate which develops over the plants in a glasshouse equipped with shelves for ornamental horticultural crops. The investigation is based on the complementarity between experiment and mathematical modelling.
Two different types of measurements were conducted simultaneously in order to record input data for the model boundary conditions and to validate the simulations with respect to inside climate parameters. Thus, the climate parameters: outside wind velocity and direction, air temperature, walls surface temperature and the air exchange rate of the whole greenhouse were measured.
The CFD software solved the Navier-Stokes equations with the Boussinesq assumption and a closure. The virtual tracer gas technique was implemented to assess the ventilation rate. Solar and thermal (i.e. atmospheric) radiative fluxes were included in the model through the resolution of the radiative transfer equation.
The accuracy of this device was firstly validated against air exchange rate and temperature data collected in an experimental glasshouse. The model was then used to study the consequence of different opening configurations on the distributed climate. attention was paid to the analysis of the heat fluxes at roof level and also of the heterogeneity of the climatic parameters in the canopy vicinity.
Finally, the indicators of effectiveness of the natural ventilation of the greenhouse under summer conditions could be released for different opening configurations.
Natural ventilation is the most economic system to control the internal microclimate of the greenhouse. Nevertheless, it only permits very limited control of the airflow inside the greenhouse and is difficult to manage.
This study aims at describing the microclimate which develops over the plants in a glasshouse equipped with shelves for ornamental horticultural crops. The investigation is based on the complementarity between experiment and mathematical modelling.
Two different types of measurements were conducted simultaneously in order to record input data for the model boundary conditions and to validate the simulations with respect to inside climate parameters. Thus, the climate parameters: outside wind velocity and direction, air temperature, walls surface temperature and the air exchange rate of the whole greenhouse were measured.
The CFD software solved the Navier-Stokes equations with the Boussinesq assumption and a closure. The virtual tracer gas technique was implemented to assess the ventilation rate. Solar and thermal (i.e. atmospheric) radiative fluxes were included in the model through the resolution of the radiative transfer equation.
The accuracy of this device was firstly validated against air exchange rate and temperature data collected in an experimental glasshouse. The model was then used to study the consequence of different opening configurations on the distributed climate. attention was paid to the analysis of the heat fluxes at roof level and also of the heterogeneity of the climatic parameters in the canopy vicinity.
Finally, the indicators of effectiveness of the natural ventilation of the greenhouse under summer conditions could be released for different opening configurations.
Le "climat" à l'intérieur d'une serre dépend de son aération. Le processus d'aération est complexe, il participe à l'essentiel des échanges de chaleur et de masse avec l'extérieur, et sa maîtrise permet donc de contrôler les paramètres physiques tels que la température, l'humidité, ou les concentrations de gaz comme le CO2 par exemple. Ce contrôle est essentiel pour maintenir les plantes dans des conditions métaboliques favorables (respiration, photosynthèse, transpiration) et dans un état sanitaire satisfaisant.
La ventilation naturelle est le système le plus économique pour réguler le microclimat interne de la serre. Néanmoins, elle n'offre qu'un contrôle limité sur l'écoulement d'air dans la serre et reste difficile à maîtriser.
Cette étude contribue à l'analyse et à la modélisation des phénomènes mis en jeu dans l'aération naturelle des serres en verre, de grande portée, habituellement utilisées en culture ornementale (plantes en pots), sous climat tempéré, tel qu'en Anjou. Deux approches complémentaires incluant expérimentation in situ et modélisation mathématique du climat distribué sont mises en œuvre.
Des campagnes de mesures ont été menées à l'intérieur d'une serre de production et dans son environnement immédiat sous conditions réelles de culture ornementale. Des données météorologiques : température de l'air, vitesse et direction du vent, rayonnement solaire et atmosphérique, ont été collectées. L'ensemble de ces mesures constitue un jeu de données conséquent destiné à fournir les entrées du modèle numérique. Parallèlement à ces mesures, nous avons systématiquement procédé à des mesures du taux de renouvellement d'air qui ont été utilisées pour valider le modèle.
Un modèle numérique a été mis en œuvre. Il s'appuie sur un code de mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics). Ce code permet de prédire les champs de vitesses et de températures à l'intérieur de la serre après résolution numérique des équations de base qui régissent les mouvements d'air (équations de Navier-Stokes couplées à l'équation de l'énergie) dans le domaine de calcul considéré. La turbulence, dont l'effet est loin d'être négligeable sous serre, a été modélisée à l'aide d'une fermeture de type k-e. Le taux d'aération a pu être déduit ensuite par résolution d'une équation de transport d'un gaz traceur virtuel. Un module radiatif a été ajouté dans le modèle numérique afin de prendre en compte le rayonnement d'origine solaire et atmosphérique. Ce module résout l'équation des Transferts Radiatifs qui est couplée à l'équation de l'énergie.
Ce modèle « complet » a pu être vérifié et validé pour différentes conditions climatiques. Il a été ensuite utilisé pour analyser l'impact de la configuration des ouvrants sur le climat et sur les flux de chaleur au niveau de la toiture de la serre. Cette analyse a porté non seulement sur la ventilation mais aussi sur l'homogénéité de la distribution des vitesses et des températures dans la serre et notamment au niveau des cultures.
Enfin, des indicateurs d'efficacité de l'aération de la serre sous climat estival ont pu être dégagés pour différentes configurations d'aération (ouverture) et différentes conditions climatiques.
La ventilation naturelle est le système le plus économique pour réguler le microclimat interne de la serre. Néanmoins, elle n'offre qu'un contrôle limité sur l'écoulement d'air dans la serre et reste difficile à maîtriser.
Cette étude contribue à l'analyse et à la modélisation des phénomènes mis en jeu dans l'aération naturelle des serres en verre, de grande portée, habituellement utilisées en culture ornementale (plantes en pots), sous climat tempéré, tel qu'en Anjou. Deux approches complémentaires incluant expérimentation in situ et modélisation mathématique du climat distribué sont mises en œuvre.
Des campagnes de mesures ont été menées à l'intérieur d'une serre de production et dans son environnement immédiat sous conditions réelles de culture ornementale. Des données météorologiques : température de l'air, vitesse et direction du vent, rayonnement solaire et atmosphérique, ont été collectées. L'ensemble de ces mesures constitue un jeu de données conséquent destiné à fournir les entrées du modèle numérique. Parallèlement à ces mesures, nous avons systématiquement procédé à des mesures du taux de renouvellement d'air qui ont été utilisées pour valider le modèle.
Un modèle numérique a été mis en œuvre. Il s'appuie sur un code de mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics). Ce code permet de prédire les champs de vitesses et de températures à l'intérieur de la serre après résolution numérique des équations de base qui régissent les mouvements d'air (équations de Navier-Stokes couplées à l'équation de l'énergie) dans le domaine de calcul considéré. La turbulence, dont l'effet est loin d'être négligeable sous serre, a été modélisée à l'aide d'une fermeture de type k-e. Le taux d'aération a pu être déduit ensuite par résolution d'une équation de transport d'un gaz traceur virtuel. Un module radiatif a été ajouté dans le modèle numérique afin de prendre en compte le rayonnement d'origine solaire et atmosphérique. Ce module résout l'équation des Transferts Radiatifs qui est couplée à l'équation de l'énergie.
Ce modèle « complet » a pu être vérifié et validé pour différentes conditions climatiques. Il a été ensuite utilisé pour analyser l'impact de la configuration des ouvrants sur le climat et sur les flux de chaleur au niveau de la toiture de la serre. Cette analyse a porté non seulement sur la ventilation mais aussi sur l'homogénéité de la distribution des vitesses et des températures dans la serre et notamment au niveau des cultures.
Enfin, des indicateurs d'efficacité de l'aération de la serre sous climat estival ont pu être dégagés pour différentes configurations d'aération (ouverture) et différentes conditions climatiques.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)