Quelle est la régulation optimale pour les chambres de culture?
Réguler le climat dans un environnement fermé pour la culture des légumes est un véritable défi. Le Centre de connaissances (KCE) de Thomas More a donc cherché la meilleure méthode pour réguler la température, l'humidité et la concentration de CO2 dans ces chambres de culture. La régulation via une batterie de refroidissement avec contrôle de mélange donne de très bons résultats pour les petites box. Lors de l'élaboration de la stratégie de régulation, il est important de contrôler les bons paramètres.
LES EXIGENCES de l'agriculture en intérieur
Avec l'agriculture en intérieur (indoor farming), les plantes sont cultivées dans des cellules climatisées fermées où les conditions sont entièrement contrôlées. Cela signifie que l'humidité et la température de l'air doivent être régulées avec précision, ainsi que la concentration de CO2 pour stimuler la photosynthèse. En plus des paramètres climatiques, l'intensité et le spectre de la lumière sont contrôlés et les nutriments des plantes sont dosés avec précision.
Ces chambres climatiques doivent pouvoir chauffer (jusqu'à une température de cellule de +-25 °C), refroidir (température de cellule de 12 °C), humidifier au début du développement de la plante et déshumidifier lorsque la plante est presque entièrement développée (et donc évaporer une quantité considérable d'eau).
À LA RECHERCHE De la meilleure régulation pour les box de culture
Mise en place de tests
Le Centre de connaissances sur l'énergie (KCE) de Thomas More a construit deux cellules climatiques d'un très petit volume (+- 3 m3). Pour les deux cellules, il y a utilisé une installation de refroidissement indirect. Dès la conception, il a choisi de traiter l'air à l'extérieur de la cellule et de l'envoyer dans la cellule entièrement conditionné.
Ainsi, le flux d'air dans la cellule peut être maintenu constant, qu'il s'agisse de refroidissement ou de chauffage. En outre, cette façon de faire permet de modifier les différents éléments plus facilement si cela s'avère nécessaire. L'utilisation de systèmes de refroidissement indirects permet également de limiter la teneur en réfrigérant et de garantir une sécurité conforme à la réglementation européenne actuelle sur les réfrigérants.
- Le chauffage est assuré par une batterie de chauffe électrique avec une commande à impulsions pour la modulation.
- L'humidification est effectuée par une unité d'humidification construite par l'entreprise elle-même, avec trois humidificateurs à ultrasons pour une commande en trois étapes.
- Le refroidissement et la déshumidification sont effectués par une batterie de refroidissement dans le conduit de ventilation, combinée à un refroidisseur. Un refroidisseur offre la possibilité de réguler facilement la puissance de la batterie de refroidissement - avec la charge de refroidissement limitée.
Choisir la régulation appropriée
La puissance d'un appareil qui fournit de la chaleur ou du froid à un espace ou à un processus peut généralement être contrôlée de deux manières: soit on ajuste le débit (de glycol), ce qui réduit la puissance fournie à l'élément d'émission, soit on augmente/diminue température du glycol, ce qui modifie la température de l'élément d'émission.
greenbox 1 : régulation de débit
régulation de débit
On choisit souvent un système de contrôle du débit pour les systèmes de réfrigération. Le froid fourni par le refroidisseur est divisé au moyen d'une vanne à trois voies: une partie au-dessus de l'élément d'émission, l'autre directement dans la conduite de retour. En raison de la variation du débit de l'élément de transmission de chaleur, la puissance varie beaucoup, ce qui rend la température de la pièce moins facile à contrôler. L'avantage de cette installation est qu'aucune température n'est 'perdue' en mélangeant l'eau de retour, comme c'est le cas avec une régulation du mélange. Cela permet de générer le froid de manière plus efficace. Un avantage supplémentaire est que la température du refroidisseur reste plus constante pendant le refroidissement, ce qui signifie que le facteur de chaleur sensible du refroidisseur reste plus ou moins le même. Par conséquent, le refroidisseur peut être utilisé à la fois pour la réduction de la température et la déshumidification. Comme la batterie de refroidissement de la greenbox doit à la fois déshumidifier et abaisser la température, nous avons opté dans la première installation (greenbox I) pour un contrôle du débit au moyen d'un dispositif d'étranglement. La température d'entrée dans la cellule a donc beaucoup varié. En combinaison avec le petit volume de la cellule, nous ne pouvions pas contrôler la température à 1 °C près. La température d'entrée était également basse, ce qui signifie que l'air était très rapidement saturé. Il n'a donc pas été possible d'introduire une humidité suffisante pour obtenir l'humidité relative souhaitée dans la pièce.
Programmation d'une régulation de débit
Comme la régulation de débit originale, qui était contrôlée par un contrôle PI standard, a causé les problèmes de contrôle mentionnés ci-dessus, il a été décidé dans une deuxième phase de travailler avec une commande maître/esclave sur la température. Par conséquent, la température de l'air d'admission ne peut jamais être inférieure de plus de 3 °C à la température souhaitée dans la cellule. Pour la déshumidification, on n'utilise pas de régulation maître/esclave car l'intention ici est de passer rapidement à une température de refroidissement basse, de sorte que l'excès d'humidité se condense dans la batterie de refroidissement. Grâce à cette stratégie de contrôle, nous pouvons maintenir la température et l'humidité dans cette cellule dans les limites prédéfinies. Il convient de noter qu'une commande maître/esclave est possible dans cette configuration car la batterie de refroidissement est située à l'extérieur de la cellule dans les conduits de ventilation. Nous pouvons implémenter une boucle de commande esclave car nous mesurons également la température de l'air. Si le refroidissseur était suspendu directement dans la pièce, il serait pratiquement impossible d'implémenter la boucle de contrôle esclave de cette manière. Une solution possible serait de contrôler la vitesse du ventilateur afin de réguler le rendement de l'émetteur.
GREENBOX 2: régulation de mélange
Contrôle de la température
Dans la deuxième greenbox, la puissance était contrôlée par une vanne mélangeause à trois voies pour réguler la température du glycol. Le contrôle de la température est souvent utilisé dans les systèmes de chauffage des bâtiments. En général, ce type de contrôle assure un niveau élevé de confort dans la pièce. Le débit constant à travers l'élément d'émission maintient la chaleur ou le froid à un niveau assez constant. Si une capacité supérieure ou inférieure est nécessaire, la température peut être ajustée. Lors de la régulation de la puissance de la batterie de refroidissement au moyen d'une régulation du mélange qui contrôle avec précision la température du glycol dans la batterie de refroidissement, le principal problème était que la déshumidification était trop lente et que l'humidité relative souhaitée était donc difficile à atteindre.
Programmation d'une régulation de mélange
Comme solution, un contrôle PI a été programmé avec une boucle de contrôle maître/esclave. Dans cette configuration, la commande esclave détermine la température du glycol dans la batterie de refroidissement. Avec une température de l'air mesurée inférieure ou égale à la température de l'air souhaitée, la commande principale donne un rendement de 0%, ce qui correspond à une température de glycol de 20 °C. Un rendement de 100 % correspond à une température de glycol souhaitée de 5 °C. La sortie de la commande esclave est alors déterminée sur la base de cette température de glycol cible et de la température de glycol réellement mesurée. Une sortie de 0% signifie 0V sur la vanne à trois voies, c'est-à-dire qu'aucun froid n'est fourni à la batterie de refroidissement. Une sortie de 100% correspond à un signal de commande de 10V sur la vanne. Le glycol froid du refroidisseur est donc envoyé directement dans la batterie de refroidissement sans y mélanger le glycol provenant du retour de la batterie de refroidissement. La déshumidification fonctionne également avec une commande maître/esclave, à la différence qu'une sortie à 0% de la commande maître ne correspond pas à la consigne de température de l'air, mais à la température du point de rosée qui est déterminée par la consigne d'humidité relative et de température. Le déshumidificateur réagit ainsi plus rapidement. La position finale de la vanne est déterminée en prenant la plus grande valeur de sortie de la commande asservie pour la déshumidification et le refroidissement. En utilisant ce contrôle, nous pouvons, dans cette situation, contrôler parfaitement l'humidité relative en plus de la température ambiante avec une régulation de mélange.
CONCLUSION
Le contrôle de la déshumidification via une batterie de refroidissement avec régulation de mélange donne de très bons résultats pour la petite greenbox en termes de stabilité. Cependant, il est très important de contrôler les bons paramètres lors de l'élaboration de la stratégie de contrôle. Pour la déshumidification, il est important de prendre en compte la température du point de rosée afin de réguler la température du glycol. La température du point de rosée doit être calculée par le contrôleur à partir de la température et de l'humidité relative souhaitées.
Le refroidissement (indirect) devient de plus en plus important dans les bâtiments résidentiels et commerciaux. C'est pourquoi le projet TETRA "Cooling 2.0" a été demandé à VLAIO. Avec ce projet de recherche, nous voulons soutenir les installateurs et les autres entreprises actives dans le domaine du CVC et de la climatisation en leur fournissant des informations et des outils sur le calcul des charges de refroidissement et sur la conception des systèmes.
Plus d'informations: bert.deschutter@thomasmore.be
