La vie en boucles

Comportement thermique de deux systèmes aquaponiques

Cet article expose le contexte d’observation du comportement thermique de deux systèmes aquaponiques avec truites. Et la mise en place d’un protocole de mesure du refroidissement nocturne.

Dernière mise à jour : 27/04/2021

Le système aquaponique thermo-régulé par géothermie.

Avec 3600 litres d’eau au total, il comprend deux bassins enterrés de 1200 litres chacun et un bac de culture de 10 m2 sous serre. La régulation thermique estivale et hivernale, avec un serpentin immergé dans les bassins, utilise l’eau de la nappe dont la température constante se situe entre 13° l’hiver et 15° l’été. Dans la suite de cet article, ce système sera nommé « Truites aquaponiques 2400 litres », et en raccourci « TA_2400 ».

Régulation thermique du système truites aquaponiques – 2400 litres

Par ailleurs le comportement thermique de TA_2400 a été modélisé en 2017 en fonction de la température extérieure. Avec un coefficient de corrélation de 0.95.

Modélisation du fonctionnement thermisue du système "truites aquaponiques - 2400 litres"
Modélisation du fonctionnement thermisue du système « truites aquaponiques – 2400 litres »

La pertinence du modèle se confirme trois ans plus tard en 2020 et révèle l’effet tampon du sol qui atténue les fortes variations de température de l’air.

Comparaison de la température du bassin aquaponique TA_2400 avec les données simulées
Comparaison de la température du bassin aquaponique TA_2400 avec les données simulées

Le système aquaponique thermo-régulé passivement.

Avec 750 litres d’eau au total, il comprend un bassin enterré de 500 litres et un bac de culture de 2 m2 posé sur le sol. La régulation thermique en été utilise le refroidissement radiatif passif vers le ciel clair (-20° à -40°) et le refroidissement convectif avec l’air frais de la nuit. Le réchauffement hivernal utilise les rayons du soleil réfléchis sur une plaque noire. Dans la suite de cet article, ce système sera nommé « Truites aquaponiques 500 litres », et en raccourci « TA_500 ».

Régulation thermique du système truites aquaponiques – 2400 litres

Un système en modèle réduit de 70 litres pour servir de témoin

Un système identique au TA_500, mais réduit au 1/7 ème est installé à proximité, totalement enterré : TA_70. Il servira de témoin pour mesurer l’effet de la modulation nocturne de la température.

Comportement thermique de deux systèmes aquaponiques en l'absence de régulation
Comportement thermique de deux systèmes aquaponiques en l’absence de régulation

Un protocole de mesure pour le suivi du comportement thermique de TA_500

Voici la question de recherche. En maintenant la température de l’eau à 16-17° C d’avril à août en profitant du refroidissement radiatif et convectif pendant toutes les nuits claires et/ou fraîches (et donc par conséquent un sol également à 16-17°), combien de temps le système met-il pour atteindre 23°C par temps caniculaire de 35-40° C jour et 20-25° C nuit, sachant que la zone de régulation de température sera moins efficace pendant la période caniculaire?

Le dispositif aquaponique TA_500 comprend cinq compartiments thermiques. On distingue le bassin, le bac de culture, la zone de régulation de température, le sol et l’atmosphère. Une mesure de la température aux bornes de chaque compartiment,toutes les 10 minutes, révèle les échanges thermiques. Et plus particulièrement l’impact du sol dans la régulation.

Je remercie tout particulièrement Paul ABADIE pour sa précieuse collaboration. Pour la compréhension du comportement thermique du système aquaponique et pour les astuces et précautions dans l’acquisition des données. C’est tout l’intérêt de l’open source et du partage d’informations sur le web : on y fait de belles rencontres!

Les 6 points de mesure pour caractériser le comportement thermique du système aquaponique TA_500
Les 6 points de mesure pour caractériser le comportement thermique du système aquaponique TA_500

Comportement thermique du système TA_500 avec activation de la ZMT en mode réchauffement

A compter du 22/11/2020, par temps ensoleillé, la zone de modulation de la température a été utilisée pendant plusieurs jours consécutifs, de 11 h à 16 h. Résultat :
¤ +1° d’écart entre température de l’eau à l’entrée et à la sortie de la zone de modulation à 13 h heure locale.
¤ Par rapport au témoin, au bout de 8 jours de réchauffement: +4° à 16 h, +2.5° à 8 h. Le retour à la normale prend environ 7 jours.

A partir du 10/12/2020, l’objectif est de contenir la température du bassin dans la fourchette 9-11 °C, pour créer de bonnes conditions d’incubation. Au delà du 15 mars, l’objectif passera à 15 °C pour maintenir un sol frais en prévention des chaleurs caniculaires et une température des graviers suffisamment élevée pour favoriser la croissance racinaire des plantes.

Test de  refroidissement et réchauffement sur le système aquaponique TA_500
Test de refroidissement et réchauffement sur le système aquaponique TA_500

Comportement thermique du système TA_500 avec activation de la ZMT en mode refroidissement

Sur le schéma précédent , on note un abaissement de la température en début de test après quatre nuits consécutives de refroidissement, avec des conditions moyennes. C’est suffisant pour se rassurer sur le fonctionnement radiatif passif du système. Reste à attendre des conditions de réchauffement soutenues pour éprouver le dispositif. Le suivi de la comparaison TA_500 / TA_70 sera rapporté dans un autre article.

5 Comments

  1. Arnaud

    Bonjour,

    Article intéressant, je me demandais quelle formule vous aviez utilisé pour modéliser/estimer la température dans le circuit ?

    Arnaud

    • jcgoudeau

      Bonjour Arnaud, si vous évoquez la simulation sur TA_2400, la formule est insérée dans le graphique.
      La température de l’eau varie selon la température de l’air pour les 76 heures qui précédent.
      T° eau bassin =
      +(T°min ou T°max air, de 0 à -12h)*0,22
      +(T°max ou T°min air, de -12h à -24h)*0,17
      +(T°max+T°min air, de -24h à -48h)*0,11
      +(T°max+T°min air, de -48h à -76h)*0,08
      +4,5

      • Arnaud

        Bonjour Jean-Claude,

        Désolé je n’avais pas été attentif !
        Est ce que vous avez une un papier démontrant la formule ou est ce purement empirique ?

        Merci!

        Arnaud

        • jcgoudeau

          Bonjour Arnaud,
          C’est pour partie empirique et pour une autre partie, le résultat d’un calcul matriciel sur Excel.
          J’ai commencé par construire un tableau avec en première colonne la température de l’eau des bassins qui sera la colonne à expliquer (y). Puis les colonnes suivantes avec les variables explicatives présumées (x1, x2,… xn). A ce niveau, le choix des variables est empirique. Puis on utilise une fonction d’Excel DROITEREG (=DROITEREG(B4:B50;Q4:T50;VRAI;VRAI)) qui renvoie une matrice avec les coefficients par variable explicative plus la constante, le poids relatif de chaque facteur dans l’explication de la variation de y et le R2 global. En analysant ces résultats, cela permet d’éliminer les facteurs les moins explicatifs pour ne conserver que ceux qui sont pertinents. Bien entendu, cette corrélation n’a de valeur que pour l’installation ou elle a été calculée. C’est possible que cela fonctionne sur d’autres bassins mais je n’en sais rien.
          Merci de me dire si cette réponse convient.

          • Arnaud

            Bonjour,

            Désolé je n’avais pas vu la réponse ! Mais oui merci! Cela me convient !

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