PROPRIETES RADIOMETRTOUES ET THERMIQUES DES MATERIAUX

PLASTIQUES

J. Nijskens, J. Deltour, A. Nisen, S. Coutisse C.E.E.E.C.P. Faculté des Sciences Apronomioues Cemb1oux Belgique

Ab s t ra c t

RADIOMETRIC AND THERMAL PROPERTIES OF PLASTIC MATERIALS

The research proup has determined a method of radiometric and thermal characterization of materials used in green-houses.

The radiometric characterization (see Nisen : "Determi-nation of the radiometric properties used in shelters") leads us to made a technical record about seventv materials used in greenhouses. This record gives the global transmit-tance and reflectance for several fields of wavelenghts (visible, solar, infrared, PAR, lonp infrared).

On an other side, to determine the thermal properties, a program is proposed wich calculates the heat losses through simple and multiple walls used in greenhouses. It takes into account the convection, conduction and radiation transfers and explicitelv evaluates the radiation exchanges between materials with non zero transmission coefficient in the far infrared.

1. Introduction

Dans un article précédent, (Nisen et al., 1984), nous avons exposé une méthode de détermination des propriétés radiométriaues des matériaux utilisés en serre. Cette mé-thode a permis d'établir une fiche technique pour une sep-tantaine de matériaux (couvertures, ombrapes ou écrans thermiques). La deuxième étape consiste iî mettre ces fiches en parallèle et à comparer les matériaux en fonction de critères radiomctrinues tels que les transmittances dans le solaire et dans l'infrarouge long, et thermiques tels que la détermination des flux de chaleur et du coefficient de transmission thermique (facteur k).

2. Propriétés radiométriques

2.1. Pour_le_solaire_direct

La fiche technique donne les transmittances dans di-vers domaines de longueur d'onde : le visible, 1'infrarouge solaire, le PAR et le solaire total. Ces trans mi11ances ne varient guère nour les matériaux non colorés, non traités en surface et fortement transparents. Nous avons comparé les transmit tances pour le solaire total pour 12 parois simples et 5 parois doubles (fipure I). Il en ressort :

Acta Horticulturae 154, 1984 Plastics in Mediterranean countries.

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- Que pour les filins plastiques , la t r ans m i 11 anc e se situe entre 877 et 92%. Cet intervalle est resté restreint mal-gré l'apparition sur le marché des films PE plus opaques aux infrarouges lonps.

- Oue les doubles parois possèdent des transmittances plus faibles et variables en fonction du tvpe de matériaux.

2.2. Pour 1e_so1 aire_diffus

Les facteurs de transmission par ciel serein et par ciel couvert sont calculés sur base des transmittances mo-nochromatiques suivant 6 angles d'incidence, des densités spectrales et des répartitions de l'énerpie sur la voûte céleste par ciel serein et ciel couvert.

La transmittance par ciel serein est inférieure de 7 à 157 a celle du total solaire, par contre par ciel couvert la différence est de l'ordre de 207.. Ces différences sont essentiellement dues aux répartitions spatiales utilisées pour le ciel serein et le ciel couvert.

2.3. pans_l^_in£rarou£e_lonf

Les fabricants de PE se sont attachés h rendre les films en PE plus opaques aux infraroupes lonps. La fi pure montre que de nets propres ont été faits dans ce domaine. La transmittance de 627 pour le PE ordinaire a été ramenée à 18 7 pour le PE thermique le plus performant. Les autres films tels que les PVC, PF et Polyester ont une transmit-tance assez faible (33, 24 et 21T). Par contre les maté-riaux plus épais, ou doubles, ont une valeur de transmit-tance proche ou égale à 07. Nous verrons dans la partie propriétés thermiaues l'influence de la trans mi11ance dans l'infraroupe lonp sur la valeur du facteur k.

3. Propriétés thermiques

Un programme d'ordinateur permet d'évaluer, à partir de mesures parfaitement standardisées, les transferts de cha-leur tant radiatifs nue convectifs et conductifs au travers d'une paroi éventuellement multiple. Les échanpes par con-duction sont bien élucidés, par contre, pour les échanpes par convection nous avons été amené 3 faire une étude cri-tique de plusieurs théories phénoménolopiques oui n'avou-aient pas toujours leurs options. Huant aux échanpes radia-tifs, nous dépassons le traitement traditionnel qui consi-dère les matériaux parfaitement opaques au rayonnement in-frarouge thermique. Cette option se justifiait pour le verre, il importe à présent pour plusieurs matériaux de synthèse de tenir compte d'une transmission non nulle dans ce domaine de rayonnement.

Nous passons les détails de calculs pour nous attacher aux données d'entrée, aux résultats et aux influences des conditions extérieures et des propriétés des matériaux sur le facteur k.

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3.1. Données_dRentrée

Les données de départ sont l'épaisseur de la paroi, la transmittance et la réflectance hémisphériques de chaque face pour l'infraroupe long et la conductivité therminue du matériau. Cette dernicre est bien connue pour tous les ma-tériaux utilisés; l'épaisseur est facilement mesurée, les trans mi11ance et réflectance sont sorties de la fiche tech-nique.

3.2. Résultats

3.2.1. Facteur k pour simples parois

La méthode appliquée à des parois simples permet d'obtenir les températures de surface des faces externe (T j j) et interne ( Ti2)> f 1 u x sortant (radiatif, convec-tif et totaljet le facteur k (fipure 2).

Pour les films plastiques et le verre horticole, les pertes de chaleur par ravonnement et le facteur k di-minuent avec la réduction de la trans mi11ance dans l'in-frarouge long tandis que les pertes par convection restent pratiquement constantes.

Pour les verres à faible émissivité, le placement de la couche à l'extérieur réduit de façon drastique (-63%) les pertes radiatives mais augmente (+367) les pertes con-vectives par rapport au verre ordinaire. Cette augmenta-tion est due à l'élévation de la température de surface. Globalement, la réduction des pertes est de 11Z.

Le placement de la couche à faible émissivité à l'intérieur est, du point de vue théorique, plus avanta-geux : réduction des pertes de 28?. Mais le phénomène de condensation, d'ailleurs appravé dans ce cas par la réduc-tion de la température de surface du verre, rend cet avan-tage illusoire en augmentant 1'émissivité. Nous reviendrons plus loin sur ce problème.

Cas des films plastiques

Nous avons mis en parallèle les propriétés radiomé-triques dans l'infraroupe long et le facteur k calculé pour des conditions de températures intérieure et extérieure de 0 et 2<")°C et deux conditions de ciel (ciel serein et ciel couvert) pour 13 films et pour le verre horticole.

L'amélioration des films du point de vue transmis-sion dans l'infraroupe lonp permet de faire chuter le fac-teur k de près de trois unités pour les films thermiques (9.9 3 7.0 W . m " 1 K ~ 1 ) .

La liaison entre le facteur k et la transmittance dans l'infraroupe lonp (T 0) est une droite dont l'éouation est - par ciel serein : k = 0.045 T 0+6.66 avec r=0.997 - par ciel couvert: k = 0.022 T o + 5 . 7 0 avec r=0.985

Ces relations permettent de calculer le facteur k avec une bonne précision pour tout film de faible épaisseur (inférieure au mm) en connaissant la transmittance dans l'infraroupe long.

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3.2.2. Facteur k pour les narois doubles

L'application de la méthode aux parois doubles per-met d'obtenir les 4 températures de surface, les flux sor-tant et le facteur k movennant l'introduction, comme donnée supplémentaire, de l'épaisseur de la couche d'air comprise entre les deux parois (fipure 2).

Les pertes de chaleur par convection sont nettement réduites par rapport aux simples parois. Ceci est dû 3 l'abaissement de la température de surface de la face ex-térieure. De ce fait, la part relative des pertes radia-tives est augmentée.

En valeur absolue, les pertes de chaleur par rayon-nement et le facteur k diminuent S nouveau avec la réduc-tion de la transmittance pour le ravonnement thermiaue.-Pour les matériaux à faible émissivité, k est inférieur à 3, il est compris entre 3 et 3.5 pour les matériaux opaques à l'infrarouge long et peut monter jusqu'à 6.4 pour les matériaux transparents.

Les doubles parois S faible émissivité avec la cou-che à l'intérieur du volume (indifféremment 12 ou 21) se révèlent les meilleures. Dans cette position la réduction d'émissivité n'est affectée ni par la pluie ni par la con-densation .

Cas des doubles films

Comme nous l'avons montré au paragraphe précédent, les PE thermiques permettent de réaliser une amélioration sensible de l'isolation des serres. Cependant cet effet isolant demeure insuffisant pour assurer une protection suffisante des cultures exigeantes en chaleur lorsciue la température extérieure descend aux environs de 0°C.

Il est donc logique d'envisager l'utilisation des divers PE chargés ou non en double paroi.

Pour estimer l'effet isolant de ces doubles parois, nous avons combiné deux des trois matériaux correspondant à une faible (207), movenne (387) et forte transmission (627) dans l'infrarouge long.

Le calcul du facteur k des diverses combinaisons permet de tirer les conclusions suivantes :

- Il suffit de doubler un film de PE pour réduire le k de 9.5 3 6.5, ce oui constitue une amélioration de 307.

- Il faut doubler un PE avec un PE "chargé" pour être plus isolant qu'un verre simple.

- En doublant un film ordinaire par un film "chargé", le k est réduit de 6.5 â 4.9 soit 257.

- Lorsque l'on associe un film ordinaire avec un film ther-mique, il faut placer ce dernier à l'intérieur de la serre (k = 4.9 au lieu de 5.4). Il faut noter que cet effet est atténué lorsque les deux films sont relative-ment opaques aux infrarouges longs.

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3.3. Influence des conditions extérieures_sur_le_facteur_k

Nous allons examiner l'effet d'une modification des conditions climatiques sur la valeur du facteur k.

3.3.1. Influence de la vitesse du vent La vitesse du vent intervient dans l'expression du

coefficient de transmission thermique convective extérieure a e c . L'effet apparaît important pour les parois simples et négligeable pour les parois doubles opaques à l'infrarouge thermique. Pour les matériaux h faible émissivité, l'influ-ence de la vitesse du vent est grande si la couche est en position extérieure (11) et faible ou négligeable dans les autres cas.

3.3.2. Influence de la couverture nuageuse La différence entre un ciel serein (C . S . ) et un

ciel couvert (C.C.) se traduit par une modification de la température radiative de ciel : respectivement -28°C (C.S.) et -10°C (C.C.) pour une température de l'air extérieur de -10°C. La présence d'une couverture nuageuse réduit la va-leur du facteur k de 5 S 25?. La réduction est d'autant plus forte que les matériaux sont transparents au ravonne-ment thermioue.

3.3.3. Influence de la pluie et de la condensation La présence d'eau en épaisseur suffisante sur un

matériau peut en modifier les propriétés radiométriques. En effet, cette couche d'eau a une trans mi11ance T 0 = 0 pour le rayonnement therminue et une émissivité e = 0,90. Sa présence peut augmenter ou diminuer la valeur du fac-teur k .

Pour les serres en po 1 véthv1ène, la température de la paroi est faible,ce qui provoque une condensation rapide. La transmi11ance dans l'infrarouge long passe alors de 77% 3 07, ce qui provoque une chute du facteur k. Ceci explique le large emploi de ce film.

Pour les serres construites avec des verres sim-ples 3 faible émissivité, la couche est placée en position 11 vers l'extérieur alors que le calcul théorique privilé-gie la position 12. Mais l'avantage serait perdu par la présence de condensation qui augmente 1'émis sivité. De plus cette condensation apparaîtrait rapidement car la tempéra-ture de surface intérieure est très basse. En position ex-térieure, l'effet de la couche est aussi altéré par la pluie mais cette dernière n'est que rarement associée â des températures très basses. De toute façon le problème est résolu dans les doubles vitrages o" la couche â faible émissivité est en position interne (12 ou 21).

3.4. Inf1uence_des_propriétés_des_matériaux_sur le fac-

teur k

3.4.1. Influence de l'épaisseur et de la conductivitë thermique pour les parois simples

Nous avons calculé le facteur k pour des parois simples dont l'épaisseur varie de 0.1 ri 4 mm et dont la

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conductivité therminue varie de 0.15 à 1.05 W.m K et cela pour 4 groupes de propriétés radiomêtriques correspon-dant à des situations tvpiques : transmittance nulle ou movenne au ravonnement therminue avec dans chaque cas ëmis-sivité faible ou forte. On constate nue l'influence de la conductivité therminue est très faible pour les matériaux peu épais. Pour les matériaux de 4 mm d'épaisseur, les va-riations sur le facteur k sont de l'ordre de 10 à 15%.

3.4.2. Influence dé l'épaisseur et de la nature de la couche de paz pour les parois doubles

Nous avons calculé le facteur k pour un système de deux verres séparés par une lame d'air ou de CO2 dont l'épaisseur varie. L'introduction du CO2 permet un gain de 0.25 W. m -^K"' sur le facteur k quelle nue soit la sépara-tion entre les vitrages. Par ailleurs la valeur minimum de k est obtenue pour une épaisseur de paz de 15 a 20 mm. Aup-menter cette distance n'a pratinuement aucun effet. Par contre, la diminuer Drovonue une croissance abrupte du facteur k par aupmentation du flux conductif au travers de la couche payeuse.

4. Conclusions

La méthode de calcul que nous avons mise au point nous permet de calculer les flux therminues au travers de pa-rois simples et doubles formées de matériaux partiellement transparents 3 l'infraroupe long. La prise en compte de cette propriété s'avère de la plus haute importance puisnue l'étude de l'influence des différents paramètres sur la valeur du facteur k montre nue cette transmittance exerce un effet prédominant aussi bien pour les parois simples que pour les doubles. Les réflectances des faces et leur émissi-vité viennent en second lieu pour l'importance de leur ef-fet sur les pertes therminues. L'épaisseur des matériaux, leur conductivité thermique, la nature de la couche de paz pour les doubles parois et son épaisseur, nour autant qu'elle dépasse 15 mm, n'ont qu'une influence faible. C'est d'ailleurs par la modification des propriétés radiomêtri-ques dans le domaine du ravonnement thermique qu'apit la couche d'eau de condensation : réduction de la transmittan-ce et aupmentation de 1'émis sivité.

Les valeurs proposées du facteur k permettent de réali-ser un classement des matériaux du point de vue des pertes thermiques qu'ils occasionnent. Ces valeurs sont compara-tives, ayant été établies en conditions standards. Elles permettent de calculer les pertes thermiques pour une nuit mais ne conviennent pas pour un calcul de déperditionsdiu-nes lorsqu'un ravonnement solaire pénètre dans la serre.

Bibliographie

Nisen, A., 1984. Détermination des propriétés radiomêtriques des plastiques utilisés en serre. Acta Horticu11urae, 154 1984Plastics in mediterranean countries

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Discussion

Intervenants : MM. Janssens, Nisen, Verlodt, von Zabeltitz

- Il va de soi que si le film de PE est entièrement recouvert d'un film d'eau de condensation, sa transmittance pour l'iR long tend vers zéro et la valeur du "k„ du matériau atteint celle d'un verre d'épais-seur équivalente. En effet, la transmittance dans l'IR long d'une cou-che de 1 mm d'eau est inférieure à 5 %; elle s'annule dès que la couche d'eau atteint 3 mm d'épaisseur.

- Le cas de la condensation sous forme de gouttelettes pose des pro-blèmes au niveau de la mesure de la transmittance IR et de l'estima-tion du coefficient "k„. Le nombre de gouttelettes d'eau par unité de surface de film, leurs dimensions, leur forme... jouent un rôle considérable. Toutes les valeurs intermédiaires entre le film plastique sec et le même recou-vert d'un film d'eau continu peuvent être obtenues.

- La double paroi réduit, par rapport à la simple paroi, les pertes de chaleur par Çonvection, quels que soient les films utilisés. Par contre, les pertes par rayonnement sont réduites en fonction inverse de la transmittance dans l'IR long. On peut estimer a priori que dans un climat très ensoleillé comme celui de la Tunisie, la paroi double sera moins efficace que dans les régions plus septentrionales.

Intervenant : M. Tesi

Dans les essais effectués sur Tomate, sous différents films PE, des "inversions,, de température ont été observées (température de 2 à 3°C sous le niveau de température extérieure).

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Fig Is T R A N S M 1 T T A N C E S ( % )

( T O T A L S O L A R , S O L A R C L E A R S K Y , S O L A R C L O U D Y S K Y , FAR I N F R A R E D "

0 20 40 60 80 100

PVC

PF

EVA

PE

PE therm (2)

VH

PE therm(3)

Polyester

PE therm (5)

PE therm (4)

PE therm (1)

PMMA8

PC 6

VH+

PP4

V H + V H

VH12+ + VH

0 20 40 60 80 100

Transmittance (%) Solar . . . . Far IR

40

F i g 2 : C O N V E C T 1 V E AND R A D I A T I V E F L U X E S , k FOR S I N G L E AND DOUBLE W A L L S

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