De l’efficacité énergétique pour les poulaillers au Québec
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Un modèle numérique de simulation prédictive des consommations énergétiques d’un poulailler a été formulé, développé et validé dans l’objectif d’améliorer l’efficacité énergétique des productions avicoles au Québec. Le code numérique ou programme qui incorpore ce modèle devrait permettre de mettre en place des mesures et technologies pour réduire la dépendance des agriculteurs aux énergies fossiles, diminuer leurs coûts de chauffage et ainsi réduire leurs émissions de GES. Mots-clés : efficacité énergétique, poulailler, bilan thermique, bilan hydrique, récupérateur de chaleur, modélisation numérique.
L’aviculture : une industrie énergivore
L’aviculture est un marché important pour le Québec et l’efficacité énergétique y est aujourd’hui un enjeu prépondérant, autant pour des questions écologiques qu’économiques. Les poulaillers, productions très énergivores, représentent des marges bénéficiaires assez faibles pour les éleveurs, surtout dans le contexte de l’accord de libre-échange États-Unis-Mexique-Canada (EUMC) qui ouvre davantage le secteur avicole canadien à la concurrence américaine. Réduire la facture énergétique et la dépendance aux énergies fossiles représente de plus en plus un atout pour les producteurs du Québec, qui constituent 30 % du marché canadien.
Parmi les contraintes de cette production, il faut d’abord mentionner que les poulaillers sont des enceintes qui demandent beaucoup d’aération, qui se fait en général par des ventilateurs d’extraction installés sur les murs du bâtiment. L’entrée de l’air se fait alors par des trappes situées sur les murs opposés à ceux où sont installés les ventilateurs. Pour pallier la perte de chaleur découlant des besoins d’aération, des échangeurs de chaleur comme le ESA1000 peuvent être utilisés. Cet échangeur de chaleur est un ventilateur récupérateur à double flux contre-courant qui récupère la chaleur de l’air vicié (chargé en poussière, humidité, CO2 et ammoniac) que l’on expulse à l’extérieur du bâtiment, pour préchauffer l’air neuf qui rentre. Ainsi en hiver, au lieu d’admettre de l’air à -15 °C, l’admission se fait par exemple autour de 0 °C. Ce gain en température réduit ainsi la quantité d’énergie nécessaire pour ensuite chauffer l’air jusqu’à la consigne intérieure qui peut varier de 23 °C à 32 °C en fonction de l’âge des poulets. L’éleveur réalise donc des économies sur sa consommation de propane ou de gaz naturel et réduit en même temps les gaz à effet de serre (GES) émis.
Un projet de recherche en trois étapes
Le premier objectif de ce projet consiste à développer un modèle de bilan thermique détaillé sur un bâtiment d’élevage avicole, en énergie sensible et en énergie latente (bilan hydrique). Plus spécifiquement, il faut considérer toutes les sources de génération thermique et tous les transferts thermiques vers et hors du bâtiment (murs, fentes, ouvertures). Il faut de plus quantifier deux types de flux thermiques : ceux qui induisent un changement de température (chaleur sensible) et ceux qui impliquent un changement d’état de l’eau (chaleur latente). Aussi, il faut modéliser correctement les dégagements de chaleur et d’eau imputables aux poulets.
Figure 1 : schéma des gains, pertes et générations de chaleur et d’eau dans un poulailler
Le second objectif consiste à développer un code numérique pour simuler le fonctionnement d’un poulailler et à valider ce code à l’aide de données de référence fournies par un éleveur québécois. Le troisième objectif consiste alors à utiliser ce code pour simuler une année type de production sur le bâtiment de référence, avec et sans échangeurs de chaleur, et selon deux scénarios de commande des échangeurs (modèle des échangeurs : ESA1000).
Deux documents publiés par l’American Society of Agricultural and Biological Engineers (ASABE) ont été utilisés pour développer un modèle mathématique stationnaire pour chaque heure [1-2]. L’une des difficultés prépondérantes réside dans la caractérisation des échanges de chaleur sensible et latente imputable aux animaux. Cette part d’énergie est très importante en fin de production, lorsque les animaux sont au maximum de leur croissance. Toutefois, la littérature sur le sujet ne parvient pas à statuer sur un modèle ou des modèles fortement corrélés. Les équations développées par Xin & al. en 2001 et validées par plusieurs autres études semblent fournir la meilleure approche à ce jour [3]. C’est donc l’approche qui a été privilégiée par les chercheurs du Groupe de recherche industrielle en technologies de l’énergie et en efficacité énergétique (t3e).
Prédictions du modèle
Le modèle numérique implanté dans Matlab fournit des résultats en accord avec ceux récoltés sur le site et l’erreur pour des simulations prédictives est estimée à environ 9 % pour la consommation totale en chauffage.
Les résultats principaux obtenus sont les suivants :
(1) La chaleur sensible dégagée par les oiseaux représente de 60 % (en hiver) à 85 % (en été) des gains en chaleur, le complément provenant du chauffage. La ventilation mécanique est responsable de la quasi-totalité des pertes. Celles causées par l’enveloppe du bâtiment ne représentent que 3 % des pertes au maximum;
(2) Après calibration du modèle pour le bâtiment étudié, les simulations avec BHEC (Broiler House Energy Computation) prédisent la consommation annuelle de chauffage avec une erreur de 9 %;
(3) Les échangeurs ESA1000 devraient impérativement être commandés par le système central de régulation (ce qui n’était pas le cas chez l’éleveur partenaire). Dans cette configuration, ils permettraient d’économiser jusqu’à 60 % sur le chauffage de l’année.
Conclusion
Cette étude a permis de mettre en évidence une utilisation non optimale des échangeurs de chaleur chez l’éleveur partenaire (non commandés par le système central) et de proposer des modifications pour en améliorer le rendement annuel moyen et ainsi maximiser les économies de chauffage.
Ce modèle n’est à ce jour ni complet ni parfait. Il demande une calibration préalable qui pourrait remettre en cause la pertinence d’un modèle prédictif. Des améliorations devraient être apportées par de futurs projets de recherche. Dans tous les cas, l’étude a démontré la pertinence d’un tel modèle pour simuler correctement et rapidement un système de production avicole. De plus, c’est la première fois que la performance des échangeurs de chaleur ESA1000 est démontrée et quantifiée numériquement, aussi précisément et avec une aussi grande quantité de données.
Cette étude s’insère dans une dynamique de réflexion plus large sur la réduction des coûts énergétiques des poulaillers québécois menée par le Groupe de recherche industrielle t3e de l’ÉTS. Elle a fait l’objet d’un article de conférence pour le Colloque International Franco-Québécois de l’énergie qui s’est tenu du 16 au 19 juin 2019.
