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Froid radiatif passif : pistes pour l’aquaponie

Le froid radiatif passif est un phénomène physique facile à expérimenter. Mais son utilisation en aquaponie nécessite quelques ajustements et reste incertaine en période caniculaire. Une mise en oeuvre sur un cas concret permettra d’en apprécier les limites.

Un abaissement de température significatif grâce au froid radiatif passif

Il est aisé de recréer le frigo expérimental utilisé par Félix Trombe dans le cadre de ses recherches , dans les années 1960 avec lequel il a abaissé la température de 35° dans un environnement hyper sec (désert). Des études publiées en 2016, avec des équipements beaucoup plus sophistiqués, rapportent une baisse de 42 °C par rapport à l’air ambiant.

Rappel de quelques fondamentaux (en langage courant)

Tout d’abord, rappelons que le transfert thermique spontané (communément appelé chaleur) se fait d’une zone chaude vers une zone froide, jusqu’à atteindre un équilibre. Le « froid » ne se déplace pas, c’est la « chaleur » qui se déplace. Le corps chaud se refroidit en cédant de la chaleur au corps froid. Soit par conduction pour une matière solide. Ou encore par convection au sein d’un fluide ou d’un gaz. Enfin par rayonnement électromagnétique, que la matière soit solide, liquide ou gazeuse.

Le rayonnement électromagnétique qui nous intéresse ici est le rayonnement thermique ou rayonnement infrarouge. Or l’infrarouge couvre une large bande de longueur d’onde allant de 0.8 µm à 1 mm. Le comportement des rayons infrarouges varie selon leur longueur d’onde. Ainsi le verre laisse passer le rayonnement infrarouge solaire (0.8-2.5 µm) mais bloque les rayonnements infrarouges des objets (8-13 µm). Tandis que le polyéthylène laisse tout passer.

Explications simplifiées du mécanisme générant le froid radiatif passif

La température dans l’espace lointain est de -270°C. Les différentes couches de l’atmosphère vont filtrer les radiations et créer un effet de serre. La température au sommet de la troposphère se stabilise dans une fourchette de -50°C à – 80°C. La température équivalente du ciel, vu de la surface de la terre, par temps sec et froid peut descendre 30 à 40°C en dessous de la température de l’air. On retiendra une moyenne de 20° en dessous de la température de l’air ambiant compte tenu de l’humidité moyenne de l’air. Et par ciel très nuageux, la température équivalente du ciel est égale à la température de l’air ambiant au sol. Une publication de météofrance, pages 16 et suivantes, explique bien ces mécanismes.

Une plaque d’aluminium ayant une température de départ de 20°C, exposée sous un ciel clair et modérément humide avec une température équivalente de 20° en dessous de l’air ambiant, va donc céder sa chaleur au ciel plus froid pour théoriquement se mettre à l’équilibre à la température du ciel. La radiation vers le ciel profond se situe principalement dans les longueurs d’onde 3-5 µm et 8-13 µm, encore appelée « fenêtres atmosphériques ». Dans la réalité, l’isolation du frigo n’est pas parfaite et la chaleur de l’air tend à pénétrer dans le frigo plus froid. D’où une température d’équilibre à -5° pour une température extérieure de 9° dans notre test.

Les découvertes de 2019, valorisant le froid radiatif passif pour la climatisation

L’utilisation du froid radiatif passif progresse. Il y a un an, une équipe de chercheurs a publié un article sur le refroidissement radiatif sous-ambiant haute performance grâce à un aérogel en polyéthylène optiquement sélectif et thermiquement isolant. Sous un plein soleil à 1000 W/m2, on constate une baisse de 7° sous l’écran d’aérogel de polyéthylène. Ce produit a une réflectance élevée pour les rayons du soleil tout en laissant passer l’infragouge rayonné par les objets placés sous l’écran. De belles perspectives pour une climatisation sans consommation d’énergie.

Les enseignements du test de faisabilité pour l’aquaponie

Un dispositif est installé au cours de l’été 2020 pour tester la faisabilité de l’utilisation du froid radiatif passif en aquaponie. Deux glacières enterrées contenant une eau à 22° simulent les bassins. Une mini pompe fait circuler l’eau d’une des glacières, à raison d’un volume par heure dans une plaque d’aluminium anodisée placée dans un frigo « Trombe ».

Transferts thermiques (flèches) dans un dispositif de test pour le froid radiatif passif
Transferts thermiques (flèches) dans un dispositif de test pour le froid radiatif passif
Froid radiatif passif obtenu avec plaque en aluminium anodisé dans laquelle circule l'eau à refroidir.
Plaque en aluminium anodisé dans laquelle circule l’eau à refroidir via le froid radiatif passif

Les écrans sont inutiles

Les écrans plastiques permettent l’abaissement de la température du frigo en dessous de la température de l’air (par exemple 5° dans le frigo pour un air extérieur de 15°C). La circulation de l’eau issue de la glacière, eau initialement à la température de 22°C, élève la température de la plaque d’aluminium à une température voisine de 22°, presque toujours supérieure à la température de l’air. A cette température, l’écran devient inutile, voire contre productif. Autre avantage: pas de risque de dépôt de rosée sur le film plastique, laquelle s’oppose aux radiations.

Pas d’espoir dans les nouveaux matériaux

Reprenons l’exemple de l’aérogel de polyéthylène avec un abaissement diurne de 7°C. En pleine canicule de 38°, la température sous écran tombe à 31°, ce qui va réduire le réchauffement des bassins, mais pas le supprimer. Par ailleurs, ce type d’écran a essentiellement un avantage diurne et ne modifie pas le refroidissement nocturne.

Un refroidissement radiatif et convectif

Le refroidissement radiatif, à Luçon, varie de 0 à 50 W/m2 selon la couverture nuageuse et l’humidité de l’air. Le refroidissement convectif varie de 0 à 100 W/m2 selon la température de l’air extérieur. Les deux refroidissements s’ajoutent pour un refroidissement total de 0 à 150 W/m2 selon les conditions externes. Pour une plaque radiative de 0.2 m2 pour 100 litres d’eau circulant dans la plaque à raison de 100 litres par heure, l’abaissement de température est d’1°C par 50 W/m2 et par nuit.

Un froid radiatif passif aléatoire

Par une nuit claire caniculaire avec une température de l’air égale toute la nuit à la température de l’eau, le refroidissement sera voisin de 1°. Pour cette même nuit, mais avec une couverture nuageuse, le refroidissement sera nul. Alors qu’au printemps ou à l’automne avec des nuits fraîches à 6-8° et des situations anticycloniques sèches, la températures peut baisser de 3° en une seule nuit. En période caniculaire, compte tenu du maintien d’une température basse dans les semaines précédentes, comment le système se comporte t-il? Seule une expérimentation grandeur réelle permettra de répondre à cette question.

Prochains tests : étudier le pouvoir radiatif d’une lame d’eau

Au lieu de faire circuler l’eau dans une plaque d’aluminium anodisée, pouquoi ne pas utiliser l’eau comme élément radiatif? En effet, l’eau peut émettre un rayonnement infrarouge dans la longueur d’onde 8-13 µm. Quelle puissance de rayonnement peut-on attendre à partir d’une lame d’eau? Quelle est l’épaisseur optimale de cette lame? Le récipient dans lequel est installée la lame d’eau a-t-il une influence sur le résultat?

Le dispositif à tester dans un cas concret: description du projet

Un bassin de 350 litres est destiné à l’incubation des œufs de truite, puis au démarrage des jeunes truitelles jusqu’à 70 g. Il est couplé à un biofiltre de 350 litres empli de graviers (1.5 m x 1m). L’eau est aérée et mise en mouvement par airlift, comme pour le module pédagogique. Les bacs et bassins sont enterrés.

La zone de refroidissement radiative et convective est isolée par le fond. L’eau circule sur cette plaque uniquement la nuit. et se refroidit par radiation et convection. D’autre part, des plaques de styrodur protègent le sol, tout autour du bassin, sur 60 cm de large. Le bassin est protégé également contre le rayonnement solaire direct. Ces protections sont amovibles, relevables la nuit. Elles complètent le dispositif afin de ralentir le réchauffement du sol le jour et permettre son refroidissement la nuit. L’idée générale est d’isoler au maximum le jour et au minimum la nuit.

Ce dispositif permet-il de traverser une période caniculaire sans dépasser 23° dans le bassin?

Projet de bassin aquaponique destiné aux truitelles et refroidi par radiation et convection nocturne.

5 Comments

  1. Truite26

    Bonjour Jean-Claude.
    J espere que tu vas bien.
    Je vois que tu as bien avancé sur le sujet. Et tu as raison ! La température est un facteur de réussite en aquaponie.
    Jai bataillé cet été de ce côté la. Je t expliquerai en mp.
    A bientôt

  2. Tonichop

    Bonjour,
    Je me suis demandé si mettre de petites truites (-50g) dans les bassins raft était une bonne idée et je voulais avoir votre avis là dessus. Cet espace est inutilisé et mon installation comprend un bassin à raft de 30 cm de profondeur sur 2*1m, contenant 600 l d’eau approximativement et j’ai conçu les planches de polystyrène de façon à ne pas laisser d’espace vide pour prévenir des sauts. Actuellement, j’ai mon premier lot de truites entre 80 et 150g que j’ai obtenu il y a un peu plus d’un mois environ, elles faisaient entre 50 et 100g/120g à l’origine mais elles sont dans une cuve à part que j’ai enterré à 92% pour obtenir une régulation thermique favorable aux truites. J’avais d’ailleurs vu dans un de vos articles que des vers de terre se chargeaient de nettoyer votre filtre et j’avais trouvé cela génial. Pensez-vous que les intégrer soi-même dans un filtre identique soit une bonne idée ?
    Merci par avance pour vos réponses,
    Cordialement

    • jcgoudeau

      Bonjour,
      Je n’ai pas d’expérience sur raft. Je pense qu’il est possible d’installer des truitelles sous raft tant que leur taille et leur mouvement ne nuisent pas aux racines des plantes (les truites ne mangent pas les racines, c’est déjà un avantage). Ça doit être jouable jusqu’à 50 g. il faudra sans doute aménager une petite partie du raft pour nourrir facilement.
      Pour les vers de composts, il suffit d’en ajouter une petite dizaine, prélevés dans un tas de compost, n(importe où dans le système aquaponique. Si le milieu leur convient (température, humidité, oxygène, alimentation carbonée) ils ne tarderont pas à se multiplier.

  3. Vincent Dupont

    Bonjour Jean-Claude,
    je ne comprends pas bien le principe de la « zone de circulation nocture ». L’idée est de simplment faire circuler l’eau la nuit pour qu’elle perte sa chaleur? Il n’y a pas de plaque d’alu ou autre dans cette zone? est-ce que bac sera au contact du sol ou pas?

    merci
    Vincent

    • jcgoudeau

      C’est une piste de recherche sur laquelle j’ai quelques certitudes et quelques doutes. J’ai besoin d’un système grandeur nature pour lever les doutes.

      Côté certitudes, je sais que l’eau en lame mince se comporte comme une plaque d’aluminium (et donc comme »un corps noir » au sens thermodynamique). Cette eau, lors de son circuit en lame mince exposée à la convection avec l’air plus frais et à la radiation vers le ciel profond beaucoup plus froid perd environ 0.5° par cycle. Avec 6 cycles efficaces par nuit, cela se traduit par une baisse de 3° en conditions favorables. Et le processus peut être inversé de jour par période ensoleillée pour réchauffer l’eau.

      Côté doutes, je ne sais pas si l’inertie du sol sera capable de compenser les éventuelles conditions climatiques défavorables en période de canicule (température de l’air égale ou supérieure à la température de l’eau la nuit. Ciel couvert la nuit)

      Sinon, le bassin sera enterré et avec couverture isolante pour le protéger du soleil. Le bac de cultures sera posé sur le sol. Il aurait pu être enterré mais il aurait fallu creuser encore plus pour le bassin. La plaque de refroidissement sera isolée du sol pour s’opposer à la radiation du sol vers l’eau la nuit.

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