CAPET concours externe

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
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Support : Système de traitement d'air piloté dans une serre semi-fermée

Mise en situation

Contexte général

En 2050, la terre comptera plus de neuf milliards d’habitants, 70 % d’entre eux seront des citadins. Cette population urbaine devra s’alimenter correctement. Les gouvernements et les ONG (organisations non gouvernementales) encouragent la consommation de produits frais pour des raisons de santé et soulignent l’importance de produire des aliments sains dans le cadre d’une agriculture durable. Les productions sous serres cultivées hors-sol gagnent du terrain partout dans le monde. Elles sont une des solutions pour répondre aux problèmes d’alimentation des générations futures.

En France, plus de 90 % des tomates sont cultivées sous serre. Les serres permettent de s’affranchir des aléas climatiques et assurent une production en toutes saisons. Leur environnement protégé, sans contact direct avec l’extérieur et à l’abri des parasites, limite l’emploi de produits phytosanitaires.

Néanmoins, leur consommation énergétique reste importante et alourdit les coûts de production. Il est nécessaire de rechercher une meilleure efficience énergétique tout en maintenant les performances agronomiques et la qualité du produit.

Les serres semi-fermées

Depuis quinze ans, un nouveau concept de serre s’est développé en France : la serre semi-fermée. Une enquête réalisée en 2019 par le centre technique interprofessionnel (CTIFL) de Balandran dans le Gard a permis de recenser 88,7 hectares de serres semi-fermées, principalement dans le sud, pour produire de la tomate cerise (figure 1).

Plusieurs modèles de serres ont été développés par les différents constructeurs mais actuellement une version standard est proposée. Elle est caractérisée par un système de traitement d’air piloté (figure 2) dont le rôle est d’homogénéiser le climat de la serre en évitant de forts écarts de température et d’hygrométrie. Ce système comprend un corridor technique, couloir occupant toute la longueur de la serre et permettant les opérations suivantes :

• réchauffer l’air via des aérothermes (échangeurs thermiques air / eau) installés en hauteur dans le corridor ;
• distribuer et brasser l’air dans la serre au moyen de ventilateurs et de gaines de distribution perforées et placées sous les tubes de chauffage d’eau situés dans la végétation ;
• refroidir et humidifier l’air extérieur en le faisant circuler au travers de panneaux de refroidissement par évaporation, appelés Cooling PAD, positionnés en façade du corridor et humidifiés en continu ;
• injecter du CO2 dans la serre pour améliorer le rendement photosynthétique (la distribution du CO2 n’est pas représentée sur le schéma de principe).

Des châssis à guillotine autorisent l’entrée d’air extérieur au niveau des Cooling PAD et les châssis de surpression en nombre limité permettent de contrôler la surpression dans la serre « ouverte ». Le pilotage climatique de la serre est plus complexe à gérer qu’une serre classique. Toutefois, il permet d’augmenter notablement le rendement des cultures avec une consommation d’eau maîtrisée, de diminuer leur risque phytosanitaire et contribue à la réduction des émissions de CO2 grâce aux économies d’énergie réalisées.

Problématique du sujet

L’étude porte sur le système de traitement d’air piloté qui équipe les deux serres semi-fermées du Mas Blanc à Alenya dans les Pyrénées-Orientales. Il répond à la problématique générale :

« Créer dans la serre un climat de croissance optimal pour la tomate avec une utilisation rationnelle de l’énergie et de l’eau. »

Les caractéristiques dimensionnelles, le plan de niveau et les élévations des serres sont détaillés en annexe. Le système étudié doit remplir plusieurs exigences décrites dans le diagramme partiel des exigences donné en annexe 2, notamment :

• de résister aux chargements climatiques et d’exploitation ;
• de diffuser dans la serre l’air extérieur refroidi ou l’air intérieur réchauffé ;
• de gérer la surpression et d’évacuer l’air chaud en toiture ;
• de rafraîchir et humidifier l’air de la serre.