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Réinventer la Serre

Une serre solaire à énergie passive est conçue de manière à retenir autant de chaleur que possible, contrairement à son homologue de verre.

Traduit par: Camille Martin

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Une Serre Chinoise. Image: Chris Buhler, Indoor Garden HQ

Faire pousser des végétaux hors-saison dans une serre de verre nécessite des quantités énormes d’énergie : en effet un m² de verre, même triple vitrage, perd dix fois plus de chaleur qu’un mur.

Pourtant il est possible de faire pousser des fruits et légumes hors-saison en évitant ce gaspillage d’énergie, en utilisant simplement la chaleur du soleil : une serre solaire à énergie passive est conçue de manière à retenir autant de chaleur que possible, contrairement à son homologue de verre.

Des études démontrent que l’utilisation de la seule chaleur solaire peut suffire à cultiver des végétaux de climat méditerranéen toute l’année, même par temps de gel. En Chine, la serre solaire passive est particulièrement efficace : plusieurs milliers de ces structures ont été construites sur les dernières décennies.

Cela fait longtemps que l’on cherche à faire pousser des légumes de climat chaud dans d’autres régions du globe (ou à allonger la saison de production), mais auparavant on n’utilisait pas de verre. En Europe du Nord-Ouest les fruits et légumes méditerranéens étaient cultivés contre des « murs à fruits » à forte masse thermique, créant ainsi un microclimat où la température atteignait 10°C (18°F) de plus que celle des alentours.

Par la suite, les premières serres de verre furent construites contre ces murs, ce qui augmentait le rendement, toujours exclusivement grâce à la chaleur solaire.

Ce n’est qu’à la toute fin du 19e siècle que les serres devinrent les bâtiments tout de verre que l’on connaît, dont la chaleur amenée artificiellement s’échappe quasi instantanément – tout l’opposé des technologies qui les ont précédées.

Les chocs pétroliers des années 1970 virent un regain d’intérêt pour la serre solaire passive, qui s’éteignit rapidement dès que les prix des énergies fossiles baissa de nouveau, et la serre tout en verre resta l’outil de base de toute l’horticulture Occidentale. La Chine quant à elle, a construit 800 000 hectares de serres solaires passives sur les 30 dernières années – 80 fois la surface de toutes les serres des Pays-Bas combinées.

La Serre Solaire Passive Chinoise

La Serre solaire passive développée par les chinois possède trois murs de brique ou d’argile. Seul le côté Sud du bâtiment est composé d’un matériau transparent qui laisse passer les rayons du soleil (du film plastique la plupart du temps). Le jour, la serre absorbe l’énergie solaire et la stocke dans la masse thermique de ses murs, et cette énergie est lentement restituée une fois la nuit tombée.

Au coucher du soleil on déroule une couche isolante (de paille, d’herbe pressée ou de toile) sur le film plastique afin d’améliorer le pouvoir isolant de la structure. Les murs permettent également de bloquer les froids vents du Nord, ce qui ralentit la déperdition de chaleur de la serre.

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Plusieurs Serres chinoises . Image : HortTechnology.

A l’opposé des serres de verres, gourmandes en énergie, les serres passives chinoises ne sont chauffées que grâce à l’énergie solaire, et ce toute l’année même lorsque les températures extérieures tombent sous 0°C. La température à l’intérieur de la serre peut atteindre 25°C de plus que la température extérieure.

La serre solaire passive est devenue la pierre angulaire de l’agriculture dans le le centre et le Nord de la Chine grâce à une politique d’incitation gouvernementale. Un cinquième de la surface totale de serres en Chine est passive, et ces serres devraient représenter au moins 1,5 millions d’hectares en 2020. 1

Améliorer la Serre Solaire Passive Chinoise

La première serre de style chinois est sortie de terre en 1978, mais ce n’est que dans les années 1980 qu’elles se sont répandues, grâce à l’arrivée du film plastique transparent. En effet le film plastique est à la fois moins cher et plus léger que le verre et n’est pas difficile à transporter, ce qui rend la construction d’une serre chinoise peu chère. A partir de ce moment on a constamment cherché à améliorer la conception des serres. Le bâtiment est progressivement devenu plus profond et plus haut pour améliorer la distribution de la lumière du soleil et diminuer les fluctuations de température.

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A: Le premier modèle des années 80 avec un auvent de verre. B: Un modèle amélioré du milieu des années 1980 avec du film plastique, un rideau nocturne et des murs mieux isolés. C’est le modèle le plus répandu. C: Un modèle amélioré datant de 1995. Les murs sont moins épais car ils sont isolés à l’aide de matériaux modernes plus performants. Les rideaux nocturnes fonctionnent automatiquement. D: Le modèle le plus récent (de 2007) possède un double toit pour améliorer l’isolation.

En plus de ces améliorations de conception, les agriculteurs recourent de plus en plus à des matériaux de construction modernes plutôt qu’à du pisé ou à des cavités d’air pour améliorer l’isolation de leurs murs, ce qui permet d’économiser de la place et/ou d’améliorer les qualités d’absorption de chaleur de la structure. Les couvertures isolantes en matériaux synthétiques, qui résistent mieux à la moisissure, sont également de plus en plus utilisées, car les tapis de paille traditionnels ont tendance à devenir plus lourds et à moins bien isoler quand ils sont mouillés.

Certaines serres parmi les plus récentes possèdent des système de déroulage automatique des tapis isolants et des système de ventilation plus performants. Certaines ont aussi un double-toit ou utilisent des matériaux réfléchissant pour augmenter leur pouvoir isolant. De plus, le film plastique utilisé -qui est évidemment le composant le moins durable de toute la structure – est constamment amélioré et voit sa durée de vie augmenter.

Les Performances de la Serre Solaire Chinoise

Les performances de la Serre Chinoise dépendent de beaucoup de facteurs : modèle utilisé, latitude à laquelle elle est implantée, climat local… Une étude récente s’est intéressée à trois types de serres à Shenyang, la préfecture de la province de Liaoning. Cette ville est située à 41,8°N, une des régions les plus septentrionales où les serres solaires ont été installées en Chine (entre 32°N et 43°N)

L’étude a été menée entre début Novembre et fin Mars, la période à laquelle la température extérieure tombe sous 0°C. La température moyenne pendant le mois le plus froid se situe entre -15°C et -18°C.1

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Cavités d’air dans une serre solaire en ruines. Image: Chris Buhler, Indoor Garden HQ

Les trois serres étudiées ont toute la même forme et les mêmes dimensions (60 x 12,6 x 5,5m), mais les matériaux dont sont faits les murs, le film plastique et et les couches transparentes varient. Le bâtiment le plus basique des trois a des murs de pisés contenant une couche de briques pour plus de stabilité. Le revêtement de couverture est un film plastique fin recouvert d’une couverture de paille la nuit.

Le mur Nord des deux autres serres est en brique et est isolé à l’aide de mousse polystyrène extrudée, ce qui permet de diviser l’épaisseur du mur par deux. Ces deux serres sont également recouvertes d’un film PVC plus épais. La meilleure des deux serres dispose d’un revêtement réfléchissant sur ses couvertures isolantes qui permet de réduire la déperdition de chaleur la nuit.

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Une serre de style Chinois. Image: Chris Buhler, Indoor Garden HQ

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Le rideau nocturne d’une serre solaire passive: Energy Farms

Dans la serre la plus basique, les températures ont chuté sous 0°C de début décembre à mi-janvier. Sans chauffage externe, cette serre ne peut rien produire à cette latitude. Seule la serre la plus sophistiquée des trois – et son revêtement réfléchissant – a réussi à toujours rester au dessus de 0°C, et ce uniquement grâce à la chaleur du soleil.

De plus les températures dans la meilleure serre étaient supérieures à 10°C la plupart du temps, ce qui est la température minimale pour cultiver des végétaux méditerranéens comme les tomates ou les concombres. Évidement une serre solaire passive construite plus au Sud n’aurait pas besoin de revêtements aussi sophistiqués pour pouvoir faire pousser des plantes toute l’année sans chauffage externe.

Les Serres Solaires et le Climat Nordique

Si on les construisait plus au Nord encore, des serres telles que nous venons de les voir devraient être chauffées, même avec une meilleure isolation. Il est à noter que plus on construit une serre au Nord, plus on la construira pentue. La pente du toit est inclinée de manière à être perpendiculaire aux rayons du soleil lorsqu’il est au plus bas sur l’horizon.

En 2005, une étude a testé une serre chinoise à Manitoba au Canada, qui se trouve à une latitude de 50°N. On a observé de janvier à avril une serre de 30 x 7 mètres avec un mur Nord bien isolé (fibre de verre de résistance thermique (RSI) de 3,6) et une couverture isolante (Coton, 1,2 RSI). Pendant le mois le plus froid (février) la température extérieure variait entre +4,5°C et -29°C). A l’intérieur, la température était en moyenne 18°C plus haute qu’à l’extérieur, mais il restait impossible de cultiver des végétaux en hiver sans chauffage externe. 2

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Culture de concombres dans une serre solaire chinoise. Image: Energy Farms.

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Culture de fraises dans une serre solaire chinoise. Picture: Wikipedia commons.

Malgré ces résultats, il est évident que les économies d’énergies peuvent être énormes par rapport à une serre de verre. Dans l’étude de la serre au Canada il a été calculé que pour conserver une température de +10°C en permanence, il fallait délivrer un maximum de 17 W/m², soit 3,6 kW pour le bâtiment dans son ensemble. [2] En comparaison, une serre en verre de même taille, avec la même température extérieure et le même ensoleillement aurait besoin de recevoir 125 à 155 kW pour arriver au même résultat.

Il est à noter que ces résultats ne s’appliquent pas à n’importe quel lieu situé à 50°N. L’étude Canadienne montre que le rayonnement du soleil a une incidence plus forte que celle de la température extérieure sur la température à l’intérieur de la serre. Il y a une corrélation presque 4 fois plus grande entre rayonnement solaire et température intérieure qu’entre température extérieure et température intérieure. 2 Par exemple, bien que Bruxelles se situe à la même latitude que Manitoba, cette dernière reçoit en moyenne 1,5 fois plus de lumière solaire.

On peut encore améliorer les performances thermiques du bâtiment en plaçant des réservoirs d’eau peints en noir à la base du mur à l’intérieur de la serre. Ceux-ci vont absorber de l’énergie solaire pendant la journée et la relâcher pendant la nuit. Il est aussi possible d’améliorer la conservation de chaleur en enfouissant en terre (FR : risberme/ EN : wall berming) les murs Nord, Est et Ouest. Il est encore possible d’améliorer l’isolation du bâtiment en construisant une serre semi-enterrée (EN : sun pit greenhouse). 7 Cependant ce type de serre est moins exposé aux rayons du soleil et comporte des risques d’inondation.

Le Manque d’Espace

Les serres passives pourraient permettre d’économiser beaucoup d’énergie, mais à un certain prix : les rendements que dégagent les serres de Style Chinois sont deux à trois fois moins élevés par m² que ceux des serres de verre. La plus efficace des serres Chinoise permet de faire pousser 30kg de tomates ou de concombres par m² (chiffres de 2005) contre une moyenne de 60kg de tomates et 100kg de concombres par m² pour une serre de verre (chiffres de 2003). 34

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Une Serre solaire chinoise. Image: Energy Farms

Une agriculture de masse qui se baserait sur les serres passives auraient donc besoin de deux à trois fois plus de place pour produire la même quantité de nourriture. A vrai dire ce n’est pas vraiment un problème car le type de production qui prend le plus de place est évidement la production de viande. Proposer une plus grande variété de fruits et légumes contribuerait à rendre acceptable un régime moins carné : on peut donc considérer que ce besoin d’espace ne serait pas un problème.

Des Serres chauffées au Compost

Les serres solaires rencontrent également un autre problème : elles ne disposent pas de source de C02. Actuellement dans les serres conventionnelles, les agriculteurs visent une concentration de C02 dans l’air qui soit au moins trois fois supérieure à la concentration dans l’air extérieur car cela permet d’augmenter les rendements. Le CO2 qu’ils utilisent est un sous-produit des énergies fossiles qui sont brûlée pour chauffer la serre. Ainsi, en l’absence de système de chauffage il faut trouver une autre source de CO2. Ce problème ne concerne pas que les serres solaires : c’est l’une des raisons qui explique que l’énergie géothermique et les pompes à chaleur électriques (EHP) soient boudées par l’industrie de l’agriculture sous serre.

Dans le cas des serres Chinoises, une des solutions qui a été trouvée est une agriculture combinant culture de végétaux et élevage. Les porcs, poulets et poissons produisent du CO2 que les plantes peuvent absorber, et les plantes produisent à leur tour de l’oxygène (et des déchets verts) que les animaux peuvent consommer. Les animaux, par leur chaleur corporelle et leur excréments, contribuent à réchauffer la structure. Des études qui portaient sur des système de serres intégrant de l’élevage ont montré que la production combiné de légumes, de viande, de lait et d’œufs permet d’améliorer grandement le rendement d’une serre. [5]

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Détail d’une serre chauffée au compost: Source: Pelaf

Justin Walker, un États-unien qui vit actuellement en Sibérie, est en train de concevoir et de construire un système intégré qui comporte des chevaux, des chèvres et des moutons dans un monastère en Sibérie. Étant donné le climat très rude, la structure est partiellement construite sous terre et les parties qui dépassent sont consolidées de terre (EN :earth-bermed). La partie qui sert d’étable comporte un fenil en mezzanine pour stocker le foin, ce qui améliore l’isolation en hiver et la ventilation en été lorsque le fenil est vide. Son système de récupération de chaleur utilise le compost pour produire de l’eau chaude qui est ensuite acheminée par canalisations sous le sol de la serre, comme source de chaleur radiante. Les animaux produisent le CO2 utile aux plantes.5

Il est également possible de produire du CO2 et de chauffer sans avoir d’animaux à l’intérieur de la serre, en utilisant uniquement leur fumier. Comme vu dans l’article précédent, le fumier est utilisé depuis des siècles en Europe pour chauffer des serres de petite taille, et en chine on utilisait déjà cette technique il y a 2000 ans. Depuis les années 1980, plusieurs serres chauffées au compost ont été construites aux États-Unis. Ces expériences ont démontré qu’il est tout à fait possible de chauffer une serre uniquement à l’aide de compost si elle est bien isolée, et que cette méthode permet d’augmenter drastiquement le taux d’enrichissement en CO2 du substrat et de l’air de la serre. De plus, le compost peut également servir à améliorer la fertilité du sol. 5

Kris De Decker

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  1. Energy performance optimization of typical chinese solar greenhouses by means of dynamic simulation, Alessandro Deiana et al., International conference of agricultural engineering, 2014, Zurich. 

  2. Winter performance of a solar energy greenhouse in southern Manitoba, Canadian Biosystems Engineering. 2006. 

  3. The solar greenhouse: state of the art in energy saving and sustainable energy supply. G. Bot et al., 2005 

  4. Structure, function, application, and ecological benefit of a single-slope, energy-efficient solar greenhouse in China. HortTechnology, June 2010 Integrated energy self-served animal and plant complementary ecosystem in China, in “Integrated energy systems in China — the cold northwestern region experience”, FAO, 1994 

  5. The Compost-Powered Water Heater: How to heat your greenhouse, pool, or buildings with only compost, Gaelan Brown, 2014 

  6. See for example The Solar Greenhouse Book, published by Rodale Press in 1978 

  7. The Earth Sheltered Solar Greenhouse Book, Mike Oehler, 2007 

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