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Serre écologique, suite du projet

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Image 1- Vue générale de la serre

Le projet de serre écologique (bioclimatique) avance (Image 1). On peut voir sur l’image ci-contre que des plantations on été réalisées (pomme de terre, tomates, dont 2 pieds sont en fleur, aubergines, poivrons, salades, bananier nain, ananas, piper lolot, citronnelle …). La paillasse sur les fûts est occupée par 230 pieds de tomates de 20 variétés différentes

Voir l‘article sur la création de la serre bioclimatique et l’approche bioclimatique qui a été retenue.

Compte tenu des conditions climatiques printanières en cours, la question n’est plus le chauffage, mais la ventilation et la maîtrise des hautes températures,

En même temps que sont réalisées les premières plantations, une réflexion a donc été engagée sur ce sujet avec toujours les même souci de maîtrise de la production de gaz à effet de serre et de limitation des interventions humaines.

C’est dans ce contexte qu’un système de gestion automatisée de l’ouverture et de la fermeture des portes en fonction de la température a été imaginé.

Serre écologique : automatisation de l’ouverture et de la fermeture des portes en fonction de la température

Autant il faut maîtriser la baisse des températures en hiver, autant il est nécessaire de contrôler les hautes températures en été. Pour ce qui est de l’hiver, rappelons que le système d’inertie thermique mis en place dans la serre écologique est uniquement destiné à éviter le gel. La structure de la serre (serre tunnel ) et la faible isolation (2 couches de plastique à bulles de 100mm) ne permettent pas d’envisager de maintenir la température à un niveau élevé en hiver. De plus l’inertie thermique est limitée : lorsque qu’elle est est apporté par l’eau, il faudrait environ 200l d’eau par m2 de serre (1) alors que cette quantité est seulement de 90l pour cette serre,  de 100l/m2 grâce au complément d’inertie apporté par le tunnel de gravier.

Tout aménagement dans la serre a d’ailleurs pour préoccupation d’accroître cette inertie. Ainsi le passage le long des fûts que l’on voit sur l’image 1 est-il réalisé en dalles de béton gravillonnées (300kg de masse supplémentaire).

Image 2- Principe de fonctionnement, à gauche portes ouvertes, à droite portes fermées
Image 3- Schéma de principe du dispositif

Dans les serres en verre de jardiniers amateurs, la ventilation est en général assurée par l’ouverture de lucarnes grâce à un vérin thermostatique qui s’allonge sous l’effet de la chaleur grâce à un fluide, en général de l’huile, qui se dilate en fonction de l’augmentation de la température,. La fermeture de la lucarne quand la température baisse est assurée par la rétraction du fluide, mais surtout par le poids de la lucarne.

Ce dispositif est difficile à utiliser pour des portes battantes : la fermeture de la porte ne peut être assuré par son propre poids et le débattement autorisé (30 à 45cm via un système de levier qui amplifie la course du vérin) est insuffisant pour assurer une bonne ventilation (le débattement obtenu par le dispositif décrit ci-après est de  près de 1m). De toute façon, une recherche sur internet tendrait à confirmer qu’un tel système à base de vérin thermostatique ne serait pas disponible pour les portes battantes.

Une réflexion a donc été menée pour imaginer un dispositif remplissant la fonction recherchée : ouverture et fermeture  de 2 portes battantes de grande dimension (1,2 x 2m) en fonction de la température sans intervention humaine.

Une première approche, théorique, a été menée sur l’utilisation d’un fluide qui se dilate sous l’effet de la chaleur via un système de vases communicants qui déplace le liquide en excès d’un récipient à un autre sous l’effet de la chaleur. Des calculs ont montré qu’un volume de 5 kg d’huile se dilate d’environ 0,6% par 10°C d’augmentation de la température.Si on maintien l’huile dans un récipient plein, cette dilatation provoque un déplacement de masse de 30g. Un essai sur un prototype a montré que cette différence de masse était très insuffisante pour vaincre les frottements causés par le déplacement de 2 portes sur charnières via un jeu de poulies et de câbles. Le mouvement des portes n’a pu être acquis qu’avec un déplacement de masse de minimum 3 kg avec des poulies ordinaires du commerce, poids ramené à 1 kg environ avec des poulies à roulement à billes.

Il a donc fallu trouver une solution pour obtenir un tel déplacement de masse par un autre moyen.

Conception du dispositif

Image 4- Poulies utilisées et mode de fixation

La première difficulté a été de rechercher des poulies sur roulement à billes. Impossible de trouver ces poulies sur internet. Seuls des roulements de portes de placards ont été trouvés et il a fallu les monter sur un support permettant de les utiliser en tant que poulies. Finalement l’étrier de poulies simples du commerce a été utilisé (remplacement de l’axe et du réa simple par le réa à roulement à bille – image 4). Huit poulies sont nécessaires pour manœuvrer deux portes battantes dans les deux sens.

Le principe est de fonctionnement est relativement simple (image 2 et 3). Le transfert de masse (de l’eau) est effectué entre deux récipients par des pompes d’aquarium (2,5 watts sous 5 volts). Les récipients sont des seaux ayant contenu des boules de graisse pour oiseaux utilisées en hiver. Un des seaux commande l’ouverture et l’autre la fermeture via des câbles reposant sur les poulies. Le déclenchement des pompes est assuré par un thermostat disposant de 2 relais actionnés en fonction d’une température de consigne. Si la température est inférieure à la valeur de consigne, le 1er relai est activé (mode «Chauffe») , et le 2ème dans le cas contraire (mode «Refroidissement»).

Le thermostat utilisé est le même que celui qui active le ventilateur qui pulse l’air chaud dans le gravier (voir article précédent). La température de consigne est de 25°C et une temporisation de 5 mn est appliquée pour éviter que les portes  s’ouvrent et se ferment en permanence quand la température oscille autour de 25°C (il s’écoule donc au moins 10mn entre chaque ouverture/fermeture).

 

 

Mode de fonctionnement du dispositif

Image 5- Dispositifs destinés à éviter la sortie du câble de la gorge de la poulie en cas d’ouverture manuelle

Quand la température dépasse 25°C, la pompe du seau 1 situé en position basse est mise en route par le 2ème relai (Refroidissement) et transfère l’eau dans le seau 2 qui est en haut. Quand le poids du seau 2 dépasse celui du seau 1 (d’environ 1 kg pour vaincre les frottements), il descend et ouvre les portes. Le processus inverse se produit quand la température descend au-dessous de 25°C.
Les pompes n’étant pas prévues pour fonctionner à vide, il faut couper leur alimentation électrique quand le transfert de l’eau est terminé. Ce résultat est obtenu grâce à l’utilisation d’un flotteur de niveau récupéré sur des pompes vide-cave hors service.
Les seaux étant peu profonds, et de faible dimension, les flotteurs ne peuvent pas y fonctionner normalement. Il a donc fallu trouver une autre solution: le flotteur qui commande la pompe du seau 1 est entraîné par le seau 2. Quand le seau 2 arrive à son point le plus bas, le flotteur coupe l’alimentation de la pompe 1, et le flotteur qui commande la pompe du seau 2 est lui remis en position de marche (mais la pompe 2 ne se mettra en route que quand le relai la commandera).

Après quelques petits ajustements de mise au point, le dispositif s’est révélé parfaitement fonctionnel (voir la vidéo). La principale difficulté à résoudre a été la sortie du câble de la gorge de la poulie qui commande l’ouverture d’une porte en cas d’ouverture manuelle. En effet cette poulie fonctionne à l’horizontale et le câble peut se dégager de la gorge du réa s’il n’est pas suffisamment tendu.
Le problème a été réglé par 3 dispositifs complémentaires (image 5) : un ressort qui maintient la tension sur le câble, un câble plus gros sur ces poulies pour limiter le risque de sortie de la gorge et un dispositif destiné à éviter la sortie de la gorge (fil de fer enroulé sur l’étrier à proximité du réa).

 

 

Efficacité du dispositif sur le contrôle de la température

 

Le graphique ci-contre donne les températures enregistrées dans la serre écologique toutes les 5mn à deux endroits différents :

  •  «thermostat» : mesure en haut de la serre à l’endroit où est positionnée la sonde du thermostat
  •  «serre» : sonde positionnée à peu près au milieu de la serre à 1 m du sol.

Le ciel a été ensoleillé pendant presque toute la période d’enregistrement sauf le 16 et le 17, journées pour lesquelles le temps a été couvert et pluvieux, et la température maximale pour les journées ensoleillées a été de 22 à 23°C.

Le enregistrements montrent que pour un thermostat calibré à 25°C, la température tant du thermostat que de la serre oscille entre 25 et 30°C. Le fait que le temps de réaction de l’ouverture des portes soit de 10mn explique vraisemblablement le décalage entre les températures relevées et la température de consigne lorsque l’ensoleillement est important.

On peut noter également sur le graphique que l’inertie de la serre atténue les grandes variations de température (19/03 et 20/03).

Les enregistrements prouvent que le dispositif fonctionne de manière satisfaisante. cependant, pour maintenir une température moyenne plus proche de 25°C en journée, la température de consigne a été ramenée à 22°C et le délai de latence des relais a été ramené à 2mn. De nouveaux enregistrements vont être effectués pour contrôler le résultat obtenu.

Remarque : on voit sur les graphiques que la température nocturne est plus élevée au droit du capteur «thermostat» qu’à celui du centre de la serre. Cette différence peut s’expliquer par le fait que le 1er capteur est situé dans une zone  juste au-dessus des fûts qui bénéficie davantage, la nuit, de la chaleur restituée par l’eau que le centre de la serre.

Conclusion : il est possible de réguler assez précisément la température maximale d’une serre écologique de type tunnel en automatisant, par un dispositif simple et peu coûteux en énergie, l’ouverture et la fermeture des portes battantes.

 

 

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