Méthodologies
Méthodologies pour les thématiques sociales (pp.9 à 31)
Les résultats sur ces diverses thématiques sociales sont issues de 14 entrevues semi-dirigées menées auprès de porteur.se.s de projets de serres communautaires urbaines à Montréal, de quatre groupes de discussion conduits dans Centre-Sud et Saint-Michel, complétés d'une revue de presse et d'une recherche documentaire dans la littérature grise. Les résultats sont issus d'une analyse thématique.
Méthodologie pour la section « Efficacité énergétique des serres : une histoire d'enveloppe » (pp.32-33)
L’utilisation de modèles numériques, développés à l’aide d’un outil de simulation thermique dynamique (STD) du bâtiment, permet de simuler le climat intérieur d’une serre ainsi que la consommation énergétique à partir des conditions climatiques extérieures. L’outil de simulation thermique dynamique du bâtiment TRNSYS est utilisé puisqu’il permet l’intégration simplifiée d’équipements ou de composantes de systèmes de chauffage, de ventilation et de conditionnement de l’air (CVCA) et d’énergies renouvelables. L’approche proposée consiste à modéliser et à calibrer un modèle de serre existant afin de s’assurer de la capacité du modèle à représenter la réalité. Ensuite, le modèle est modifié pour comparer l’impact de différents choix technologiques (comme l’enveloppe, l’éclairage, le chauffage) et de stratégies de contrôle de l’espace de production végétale (comme la température).
Modélisation et calibration
Un modèle a été développé pour une serre froide de 250m2 située à Victoriaville. La serre est de forme tunnel à arche gothique mesurant 10,7m x 23,2m et 4,8m de hauteur au faîte. La couverture de la serre est du polyéthylène double soufflé, sauf sur les extrémités (polycarbonate double). La serre a deux évents de chaque côté s’ouvrant lorsque la température intérieure atteint 18°C et 20°C pour permettre une ventilation naturelle ainsi qu’assistée de deux ventilateurs d’extraction à pression positive démarrant à 22°C et 24°C. La circulation interne de l’air est assurée par quatre ventilateurs au niveau des poutres. Lors de la modélisation, les conditions intérieures de la serre sont considérées homogènes. À partir de cette hypothèse, les bilans énergétiques et massiques sont posés aux surfaces de la serre. Les caractéristiques et paramètres du modèle sont déterminés à partir des plans de construction et des campagnes de mesurages (rayonnement, infiltrométrie). Cinq paramètres sont jugés incertains et ont été calibrés à l’aide d’un algorithme génétique. Le modèle a ensuite été validé avec les données mesurées de septembre 2021 à avril 2022. Le modèle a finalement été modifié afin de compléter une étude paramétrique sur l’impact de l’enveloppe, de l’éclairage et du chauffage.
Étude paramétrique
L'étude paramétrique est effectuée avec une serre de la même forme et de mêmes dimensions que la serre utilisée pour la calibration du modèle. Les extrémités du tunnel sont orientées Nord-Sud. Les scénarios ont été simulés sur une période d’un an à Montréal pour une année typique. Les différents recouvrements sont modélisés à partir des propriétés disponibles dans la littérature. Les besoins en chauffage sont considérés idéaux (efficacité = 1). La consommation électrique des appareils de ventilation est négligée dans l’étude. Les scénarios d’éclairage artificiel modélisés sont communs pour les serres, soit des lampes à vapeur de sodium haute pression (SHP) et des diodes électroluminescentes (DEL) (Tableau 1). La saison de croissance thermique est déterminée par les jours consécutifs où la température journalière moyenne est supérieure au minimum biologique selon la variété de plante désirée (Tableau 2). La laitue et la tomate sont les variétés sélectionnées pour l’étude, étant communément produites en serres au Québec et présentant des caractéristiques biologiques contrastantes.
Modélisation et calibration
Un modèle a été développé pour une serre froide de 250m2 située à Victoriaville. La serre est de forme tunnel à arche gothique mesurant 10,7m x 23,2m et 4,8m de hauteur au faîte. La couverture de la serre est du polyéthylène double soufflé, sauf sur les extrémités (polycarbonate double). La serre a deux évents de chaque côté s’ouvrant lorsque la température intérieure atteint 18°C et 20°C pour permettre une ventilation naturelle ainsi qu’assistée de deux ventilateurs d’extraction à pression positive démarrant à 22°C et 24°C. La circulation interne de l’air est assurée par quatre ventilateurs au niveau des poutres. Lors de la modélisation, les conditions intérieures de la serre sont considérées homogènes. À partir de cette hypothèse, les bilans énergétiques et massiques sont posés aux surfaces de la serre. Les caractéristiques et paramètres du modèle sont déterminés à partir des plans de construction et des campagnes de mesurages (rayonnement, infiltrométrie). Cinq paramètres sont jugés incertains et ont été calibrés à l’aide d’un algorithme génétique. Le modèle a ensuite été validé avec les données mesurées de septembre 2021 à avril 2022. Le modèle a finalement été modifié afin de compléter une étude paramétrique sur l’impact de l’enveloppe, de l’éclairage et du chauffage.
Étude paramétrique
L'étude paramétrique est effectuée avec une serre de la même forme et de mêmes dimensions que la serre utilisée pour la calibration du modèle. Les extrémités du tunnel sont orientées Nord-Sud. Les scénarios ont été simulés sur une période d’un an à Montréal pour une année typique. Les différents recouvrements sont modélisés à partir des propriétés disponibles dans la littérature. Les besoins en chauffage sont considérés idéaux (efficacité = 1). La consommation électrique des appareils de ventilation est négligée dans l’étude. Les scénarios d’éclairage artificiel modélisés sont communs pour les serres, soit des lampes à vapeur de sodium haute pression (SHP) et des diodes électroluminescentes (DEL) (Tableau 1). La saison de croissance thermique est déterminée par les jours consécutifs où la température journalière moyenne est supérieure au minimum biologique selon la variété de plante désirée (Tableau 2). La laitue et la tomate sont les variétés sélectionnées pour l’étude, étant communément produites en serres au Québec et présentant des caractéristiques biologiques contrastantes.
Étude économique
Les coûts en chauffage sont calculés pour un système de chauffage électrique (efficacité = 1). Le tarif domestique puissant (DP) d’Hydro-Québec, pour les clients résidentiels et agricoles consommant plus de 50 kilowatts par mois, en vigueur en mars 2023, est utilisé (Tableau 3). Le coût associé à la demande en puissance n’a pas été pris en compte.
Les coûts en chauffage sont calculés pour un système de chauffage électrique (efficacité = 1). Le tarif domestique puissant (DP) d’Hydro-Québec, pour les clients résidentiels et agricoles consommant plus de 50 kilowatts par mois, en vigueur en mars 2023, est utilisé (Tableau 3). Le coût associé à la demande en puissance n’a pas été pris en compte.
Méthodologie pour la section « Le potentiel de la géothermie pour chauffer les serres » (pp.34-35)
La serre étudiée est située sur l’île de Montréal et possède une largeur de 7,6m, une longueur de 15,3m et une hauteur maximale de 4,0m. Les scénarios suivants, permettant de réduire les besoins en chauffage de la serre, ont été étudiés :
- Remplacer une fraction des parois transparentes par des murs en béton avec ou sans isolation thermique additionnelle (scénario #B, D, E) ;
- Enterrer partiellement la serre, en utilisant des murs en béton, avec ou sans isolation thermique additionnelle (scénarios #C, F) ;
- Diminuer de moitié la température de la serre (serre froide de 10°C, scénario #10°C) ;
- Assurer une partie des besoins en chauffage d’une serre froide de 10°C avec un puits canadien placé sous la serre, à 1,5 de profondeur (#G). L’air intérieur circule dans la serre et dans les échangeurs en circuit fermé, le sol jouant le rôle de batterie thermique ;
- Assurer une partie des besoins en chauffage avec une pompe à chaleur et des échangeurs géothermiques horizontaux placés sous la serre, à 1,5m de profondeur (#H).
Les scénarios de serre enterrée, de puits canadien et de pompe à chaleur géothermique ont été simulés numériquement avec le logiciel TRNSYS afin d’obtenir :
Afin de réaliser les calculs de dimensionnement avec GHLEPro des échangeurs géothermiques pour le système de PAC-géo (déterminer la longueur de tuyaux et l’espace nécessaire pour installer le système), les propriétés thermiques du sol doivent être évaluées sur le site d'étude. Pour ce faire, un échantillonnage du sol a été effectué sur le site de la serre du Grand Potager au cours du mois de juin 2021. Une tarière manuelle a été utilisée pour prélever des échantillons de sol non perturbés à une profondeur de 1,0m. Au total, quatre échantillons ont été prélevés et analysés à l'aide d'un appareil K2DPro - Decagon en conditions saturées et in situ. L'appareil mesure la conductivité thermique, la diffusivité thermique et la capacité thermique volumétrique. Les calculs de dimensionnement ont été réalisés avec le logiciel GLHEPro V5.0, en utilisant la configuration horizontale en serpentin. Concernant les paramètres d’entrée pour l’ÉCGH, il n’y a pas d’espace entre les tranchées, le diamètre des anneaux est de 0,8m, l’espacement horizontal entre chaque boucle est de 1,0m, le diamètre intérieur du tube est de 44,2mm et le diamètre extérieur du tube est de 50mm. En mode chauffage et climatisation, la température du sol à une profondeur de 1,5m est maintenue à 2,1°C et 12,8°C, la température d’entrée du fluide est de –8,9°C et 29,8°C et la température moyenne du fluide est de –10°C et 31°C, respectivement.
Un modèle numérique incluant des ÉCGHs en serpentin couvrant une superficie de 132m2 à une profondeur de 1,5m sous une serre ayant les mêmes dimensions a été développé pour réaliser les simulations numériques avec le logiciel FEFLOW. Les propriétés thermiques du sol dans le modèle ont été définies à l’aide d’un test de réponse thermique réalisé en 2022 par la firme Géotherma Solutions sur le site d’une serre en conception chez Biopterre à La Pocatière. Un profil de consommation et une étude d’analyse énergétique ont été fournis par la compagnie Enerprox pour cette même serre. La température à la surface a été déterminée à l’aide de données historiques d’Environnement Canada et d’une analyse énergétique réalisée préalablement. Le sol a été considéré comme non saturé. La température du fluide est fixée à l’entrée de l’ÉCGH pour pouvoir calculer la température du fluide à la sortie et ainsi calculer l’énergie transférée par le système.
- Les profils de charges de chauffage dans les scénarios de serre froide, de serre enterrée et de serre isolée thermiquement (#B-F, #10°C) ;
- La quantité totale de chaleur pouvant être extraite du sol et fournie à la serre au cours d’une année, avec les scénarios de puits canadiens et de pompe à chaleur géothermique (#G, H) ;
- L’énergie électrique requise pour faire fonctionner un puits canadien et une pompe à chaleur ;
- Les effets du refroidissement du sol provoqué par l’extraction de chaleur, sur les charges de chauffage, dans les scénarios d’ÉCAS et de PAC-géo.
Afin de réaliser les calculs de dimensionnement avec GHLEPro des échangeurs géothermiques pour le système de PAC-géo (déterminer la longueur de tuyaux et l’espace nécessaire pour installer le système), les propriétés thermiques du sol doivent être évaluées sur le site d'étude. Pour ce faire, un échantillonnage du sol a été effectué sur le site de la serre du Grand Potager au cours du mois de juin 2021. Une tarière manuelle a été utilisée pour prélever des échantillons de sol non perturbés à une profondeur de 1,0m. Au total, quatre échantillons ont été prélevés et analysés à l'aide d'un appareil K2DPro - Decagon en conditions saturées et in situ. L'appareil mesure la conductivité thermique, la diffusivité thermique et la capacité thermique volumétrique. Les calculs de dimensionnement ont été réalisés avec le logiciel GLHEPro V5.0, en utilisant la configuration horizontale en serpentin. Concernant les paramètres d’entrée pour l’ÉCGH, il n’y a pas d’espace entre les tranchées, le diamètre des anneaux est de 0,8m, l’espacement horizontal entre chaque boucle est de 1,0m, le diamètre intérieur du tube est de 44,2mm et le diamètre extérieur du tube est de 50mm. En mode chauffage et climatisation, la température du sol à une profondeur de 1,5m est maintenue à 2,1°C et 12,8°C, la température d’entrée du fluide est de –8,9°C et 29,8°C et la température moyenne du fluide est de –10°C et 31°C, respectivement.
Un modèle numérique incluant des ÉCGHs en serpentin couvrant une superficie de 132m2 à une profondeur de 1,5m sous une serre ayant les mêmes dimensions a été développé pour réaliser les simulations numériques avec le logiciel FEFLOW. Les propriétés thermiques du sol dans le modèle ont été définies à l’aide d’un test de réponse thermique réalisé en 2022 par la firme Géotherma Solutions sur le site d’une serre en conception chez Biopterre à La Pocatière. Un profil de consommation et une étude d’analyse énergétique ont été fournis par la compagnie Enerprox pour cette même serre. La température à la surface a été déterminée à l’aide de données historiques d’Environnement Canada et d’une analyse énergétique réalisée préalablement. Le sol a été considéré comme non saturé. La température du fluide est fixée à l’entrée de l’ÉCGH pour pouvoir calculer la température du fluide à la sortie et ainsi calculer l’énergie transférée par le système.
Méthodologie pour la section « Gestion de l'eau : Vers la réutilisation de l'eau de pluie et des eaux lessivées » (pp.36-37)
Nous avons analysé :
- les critères dont il faut tenir compte dans le choix de la source d’approvisionnement en eau pour l’irrigation de la serre ;
- les différents moyens de rejeter les eaux de lessivage selon le type de culture de la serre, soit la culture en pleine terre ou dans des pots ; et
- les différents moyens pour économiser l’eau d’irrigation et limiter le lessivage des éléments nutritifs.
Méthodologie pour la section « Un calculateur des émissions GES des serres communautaires urbaines » (pp.38)
Le calcul est basé sur les principales sources d’émissions de gaz carbonique d'une serre, soit les émissions directes et indirectes liées aux besoins énergétiques ainsi que les émissions indirectes associées à la construction de la serre et aux déplacements des personnes qui s’occupent de la serre.
Pour calculer les émissions directes et indirectes associées aux besoins énergétiques de la serre, le calculateur demande à l’utilisateur de renseigner la consommation électrique annuelle en kWh de la serre. Cette information est simple à trouver à partir du moment où la serre est reliée à un compteur électrique. Le calculateur calcule le facteur d’émission de CO2 associé à la production d’1kWh d'électricité au Québec, soit 34,5gCO2eq/kWh) et quantifie la performance en se basant sur le Guide de quantification des émissions de gaz à effet de serre de 2022 du ministère de l’Environnement, de la Lutte contre les changements climatiques, de la Faune et des Parcs et d'une analyse du cycle de vie d'une serre à l'aide du logiciel SimaPro.
En somme, cette étude visait à quantifier les émissions de GES et analyser de cycle de vie d’une serre communautaire en étudiant les scopes suivants afin de développer un calculateur facilitant la prise de décision des porteur.se.s de projets de serres :
Pour calculer les émissions directes et indirectes associées aux besoins énergétiques de la serre, le calculateur demande à l’utilisateur de renseigner la consommation électrique annuelle en kWh de la serre. Cette information est simple à trouver à partir du moment où la serre est reliée à un compteur électrique. Le calculateur calcule le facteur d’émission de CO2 associé à la production d’1kWh d'électricité au Québec, soit 34,5gCO2eq/kWh) et quantifie la performance en se basant sur le Guide de quantification des émissions de gaz à effet de serre de 2022 du ministère de l’Environnement, de la Lutte contre les changements climatiques, de la Faune et des Parcs et d'une analyse du cycle de vie d'une serre à l'aide du logiciel SimaPro.
En somme, cette étude visait à quantifier les émissions de GES et analyser de cycle de vie d’une serre communautaire en étudiant les scopes suivants afin de développer un calculateur facilitant la prise de décision des porteur.se.s de projets de serres :
- Quels systèmes de chauffage ? (Scope 1)
- Quels équipements électriques? (Scope 2)
- Quelle composition de la serre ? (Scope 3)
- Émissions associées aux déplacements? (Scope 3)