Influence des plantes sur les charges d’un environnement contrôlé

Les interactions plantes-environnement : un impact énergétique négligé

 « Les systèmes de chauffage, ventilation et conditionnement d’air (CVCA) sont au cœur de la consommation énergétique des espaces d’agriculture en environnement contrôlé ». Toutefois, il n’existe pas de lignes directrices pour dimensionner ces systèmes pour ce type d’application. Pour effectuer le dimensionnement des systèmes CVCA, un calcul des charges de chauffage et de refroidissement doit être effectué. Ce calcul consiste à déterminer la demande maximum en chauffage sensible, en refroidissement sensible et en refroidissement latent, aussi appelé déshumidification d’un espace (Spitler, 2014). Des outils de modélisation peuvent être utilisés pour s’acquitter de cette étape. Or, lors de la modélisation d’espaces d’agriculture en environnement contrôlé (AEC), les interactions plantes-environnement sont souvent négligées (Sethi et al., 2013). Dans le cas d’un espace d’agriculture intégré au bâtiment (AIB), soit un type d’espace d’AEC, les interactions plantes-environnement ont une incidence importante (Talbot & Monfet, 2018) et elles doivent donc être incluses au calcul des charges.

Estimation de l’interaction plantes-environnement

Plusieurs interactions énergétiques entre les plantes et leur environnement (illustrées à la Figure 1) ont lieu pendant la photopériode (période où les plantes effectuent la photosynthèse, alors que l’éclairage est allumé) et la période obscure (période où les plantes effectuent la respiration, alors que l’éclairage est éteint). Lors de la photopériode, les interactions reposent sur l’aptitude particulière des plantes à effectuer la photosynthèse durant laquelle il y a une conversion d’un flux d’énergie émis par l’éclairage (énergie radiative) en un flux de chaleur latente vers l’environnement, i.e. la transpiration. De plus, selon les conditions intérieures, la température des plantes peut être jusqu’à 10°C inférieure ou supérieure à la température ambiante (Downs, 2012). En effet, lorsque la température des feuilles des plantes est sous la température ambiante, elles refroidissent l’environnement et, inversement, elles le réchauffent lorsque la température des feuilles est supérieure à celle de l’environnement. Lors de la période obscure, les plantes transpirent et refroidissent leur environnement.

Figure 1. Interactions énergétiques entre les plantes et l’environnement.

Les flux de chaleur induits par les plantes peuvent être déterminés par la résolution du bilan d’énergie entre les plantes et leur environnement présenté à la Figure 1. Plusieurs facteurs influent ces flux de chaleur : type de plantes, taille des feuilles, conditions intérieures (température, humidité, concentration en CO2, éclairage) et irrigation.  

Des charges de chauffage et de déshumidification sous-estimées

Une étude de cas utilisant un modèle d’espace d’AIB créé avec un outil de simulation évaluant la performance des bâtiments a été effectuée afin d’en estimer les charges de chauffage et de déshumidification. L’espace est situé à l’intérieur d’un bâtiment et peut contenir un ou plusieurs étages de lits de laitues hydroponiques superposés verticalement (Figure 2). Le nombre d’étages de lits de laitues définit la densité de culture : un étage correspond à une densité de culture de 60 % (puisqu’il couvre 60 % du plancher) et 10 étages correspondent à une densité de culture maximale de 600 %.

Figure 2. Configuration intérieure de l’espace d’AIB.

Pour le calcul des charges, des flux de chaleur induits par les plantes critiques ont été considérés selon un indice de la taille des feuilles (LAI). La valeur maximale de cet indice dépend de la méthode de gestion de la croissance des plantes; elle est établie à 2,1 lorsque les laitues croissent selon une méthode de gestion diversifiée de la croissance et à 10 lorsque les laitues croissent selon une méthode de gestion à un seul stade de croissance.

La figure 3 détaille les charges de chauffage et de déshumidification obtenues de différentes densités de culture pour le cas de référence, soit le cas qui n’inclut pas l’interaction plantes-environnement au calcul des charges, et deux autres cas (LAI de 2,1 et de 10) selon la méthode de gestion de culture. Les charges ont été obtenues pour diverses conditions intérieures : température (en °C), humidité relative (en %), qui influent sur le différentiel de pression de vapeur (en kPa), une variable qui agit sur le taux de transpiration des plantes.

Figure 3. À gauche : charges de chauffage de l’espace d’AIB pour le cas de référence (en bleu), indice de la taille des feuilles (LAI) de 2.1 (en rouge) et de 10 (en orange). À droite : charges de déshumidification (1) de l’espace d’AIB pour le cas de référence (en bleu), taille des feuilles des feuilles (LAI) de 2.1 (en mauve) et de 10 (en vert).
(1) Une valeur négative signifie que l’espace doit être humidifié pour maintenir les conditions intérieures.

Les résultats obtenus démontrent que le cas de référence sous-estime la charge de chauffage causée par l’effet de refroidissement des plantes. Ils démontrent aussi qu’un système de déshumidification est nécessaire lorsque la transpiration des plantes est considérée. D’ailleurs, cette dernière augmente avec la densité de culture et est l’une des charges des plus importantes de l’espace d’AIB. Si les charges sont mal estimées, les équipements CVCA ne seront pas nécessairement en mesure de maintenir les conditions intérieures en tout temps. Puisqu’il s’agit d’un type d’espace qui est humide, une capacité de chauffage ou de déshumidification des systèmes CVCA insuffisante pourrait mener à des problèmes de condensation sur les surfaces les plus froides de l’espace d’AIB.  L’approche développée dans le cadre de cette étude, qui tient compte des flux de chaleur induits par les plantes dans le calcul des charges, est un outil de base facilitant le dialogue entre les producteurs agricoles et les concepteurs de systèmes CVCA, et ce, dès la conception préliminaire d’un espace d’AEC.

L’étude souligne d’autres aspects importants au développement de ce domaine de recherche émergeant : 

• L’éclairage et les plantes constituent les éléments ayant le plus d’influence sur les charges de ce type d’espace, démontrant l’importance d’inclure les flux de chaleur induits par les plantes lors de la modélisation d’un espace d’AEC.
• Certaines décisions prises par les producteurs quant à l’opération (densité de cultures, méthode de gestion de la croissance des plantes, conditions intérieures) entraînent des conséquences importantes sur les charges.
• L’étude a contribué à l’élaboration de lignes directrices pour dimensionner les systèmes CVCA d’espaces d’AEC, en tenant compte des flux de chaleur induits par les plantes lors du calcul des charges.

Information supplémentaire

Pour plus d’informations, consulter l’article suivant :

Marie-Hélène Talbot & Danielle Monfet (2020) Estimating the impact of crops on peak loads of a Building-Integrated Agriculture space, Science and Technology for the Built Environment, 26:10, 1448-1460, DOI: 10.1080/23744731.2020.1806594