Comment fonctionne une serre à climat contrôlé

Nous savons tous, plus ou moins, ce qu'est une serre.

Apparues il y a plus de deux millénaires, les serres ont accompagné l'évolution des techniques agricoles, garantissant à l'humanité des récoltes toujours plus fiables.

Les serres à climat contrôlé constituent une catégorie de serres qui regroupe les structures les plus avancées technologiquement.

Dans cet article, nous examinerons ce que les serres à climat contrôlé, ce qui les distingue des serres traditionnelles et, enfin, quelles alternatives existent pour les petits producteurs et les chercheurs.

Serres à climat contrôlé : définition et différences avec les serres traditionnelles

Comprendre ce qu'est une serre à climat contrôlé n'est pas une mince affaire, et ce pour une raison très simple : chaque serre est une structure conçue pour assurer un certain niveau de contrôle climatique.

Depuis les premières expériences des anciens Romains, en passant par le Moyen Âge et l'époque moderne, jusqu'à nos jours, les serres ont été un outil agricole fondamental capable de modifier le microclimat interne pour favoriser la croissance des cultures.

Par conséquent, bien que toutes les serres soient équipées d'un système de contrôle climatique, on fait aujourd'hui une distinction entre les serres traditionnelles et les serres à climatisation contrôlée.

Une serre à climat contrôlé est une structure avancée qui utilise des technologies sophistiquées pour surveiller et réguler avec précision la température, l'humidité, la lumière et d'autres facteurs environnementaux essentiels à la croissance des plantes. 

Comparées aux serres traditionnelles, qui dépendent des conditions météorologiques extérieures et les modifient « passivement » pour ainsi dire, les serres climatisées offrent un gestion et d’optimisation beaucoup plus élevé

Chambre de croissance

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Technologies de serres à contrôle climatique

Mais quelles sont les technologies qui composent une serre à climat contrôlé ?

Voyons voir les principaux ici.

• Systèmes de chauffage et de refroidissement : Les serres climatisées sont équipées de systèmes de chauffage et de refroidissement qui maintiennent des températures optimales pour la croissance des plantes. Ces systèmes peuvent comprendre des aérothermes, des systèmes de refroidissement par évaporation et des pompes à chaleur.

• Contrôle de l'humidité : Le contrôle de l'humidité est essentiel pour prévenir les maladies fongiques et favoriser une croissance saine des plantes. Les serres climatisées utilisent des systèmes d'humidification et de déshumidification pour maintenir des niveaux d'humidité optimaux.

• Éclairage artificiel : En plus de la lumière du soleil, les serres climatisées utilisent des systèmes d’éclairage artificiel pour assurer une quantité constante de lumière nécessaire à la photosynthèse et aux autres processus.

• Contrôle de l'irrigation: Les systèmes d'irrigation automatisés fournissent l'eau aux plantes en fonction de leurs besoins spécifiques, optimisant ainsi l'utilisation de l'eau et favorisant une croissance uniforme et saine.

Pour les applications de recherche nécessitant un contrôle précis de la concentration de CO2_dans un environnement intérieur, telles que les études d'enrichissement atmosphérique ou les tests de photosynthèse accélérée, FDM propose une chambre de test_CO2 qui complète les chambres de croissance pour des applications plus verticales.

Alternatives aux serres à climat contrôlé

Les serres à climat contrôlé sont des outils exceptionnels pour la culture alimentaire et la recherche.

La capacité de modifier et de surveiller à volonté les conditions atmosphériques est essentielle au travail des chercheurs, leur permettant d'expérimenter avec précision et fiabilité.

Cependant, les serres à climat contrôlé sont des structures très grandes et coûteuses.

Si vous n'avez pas accès à de tels fonds, la meilleure alternative est une chambre de croissance.

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La chambre de croissance FDM

Les chambres de culture peuvent être considérées comme des serres miniatures à climat contrôlé. Disponibles en différentes tailles, mais toutes comparables à un réfrigérateur standard, les chambres de culture sont des environnements hermétiquement clos dans lesquels la température, l'humidité relative et l'éclairage peuvent être ajustés , tout comme dans les serres à climat contrôlé.

La chambre de croissance FDMcomprend 5 types différents de systèmes d'éclairage pouvant être positionnés horizontalement ou verticalement, selon les besoins du client.

Nous pouvons également concevoir des chambres de culture sur mesure, comme nous l'avons fait pour des chercheurs de l'Université de Turin. Vous pouvez lire l'article ici. 

Pour toute question ou préoccupation supplémentaire, n'hésitez pas à nous contacter.

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Normes de référence

• EN 13031-1 — Serres : Conception et construction, exigences structurelles et climatiques pour les serres agricoles commerciales.
• ANSI/ASAE EP406.4 — Chauffage, ventilation et refroidissement des serres : Normes américaines pour les systèmes CVC des serres.
• DIN EN 17268 — Serres : Ventilation naturelle, méthodes de conception pour la ventilation naturelle et calcul du renouvellement d'air.
• ISO 17714 — Météorologie : Mesure de la température de l'air, méthodes de surveillance thermique agrométéorologique.
• EN 15977 — Techniques d'irrigation : Systèmes de canalisations pour l'irrigation goutte à goutte souterraine, normes pour l'irrigation de précision.

Sources faisant autorité

• Le CEN (Comité européen de normalisation) gère les séries de normes EN 13031 et EN 17268 relatives aux serres agricoles.
• L'ASABE (American Society of Agricultural and Biological Engineers) publie la norme ASAE EP406 et des lignes directrices pour l'ingénierie des serres.
• L’ISO (Organisation internationale de normalisation) publie la norme ISO 17714 relative à l’agrométéorologie et à la surveillance du climat.

Questions fréquentes sur les serres à climat contrôlé

Contrôle passif ou actif : quand utiliser l’un ou l’autre ?

La régulation passive repose sur une conception bioclimatique sans systèmes mécaniques : orientation solaire optimale (est-ouest pour les serres à travée unique, nord-sud pour les serres à allées multiples dans la plaine du Pô), ventilation naturelle par faîtage (15 à 25 % de la surface couverte) et ouvertures latérales, ombrage saisonnier par filets à intensité variable (30 à 70 %) et toiture sélective (verre à faible émissivité, triple vitrage PE). Elle convient aux climats tempérés et aux cultures non intensives tolérantes aux variations de température. La régulation active intègre un système CVC complet : chauffage radiant par tubes chauds, refroidissement par évaporation avec panneaux de refroidissement et extracteurs d’air (réduction de la température de 6 à 12 °C), injection de CO₂ dosée (800 à 1 200 ppm pour la photosynthèse C₃/C₄), déshumidification par pompe à chaleur et humidification contrôlée. Elle est obligatoire pour les cultures à haut revenu (tomates en grappes, cannabis médical, fraises hors saison), la floriculture (roses, orchidées), la recherche végétale où les tolérances thermiques sont de +/- 0,5 °C. L'investissement varie de 50 EUR/m² (serre tunnel passive) à 300-800 EUR/m² (vitrage Venlo avec climatisation intégrale) avec un coût total de possession (CTP) très différent sur 10 ans.

Comment calculer le taux de renouvellement d'air correct ?

Le bilan de ventilation suit l'équation de continuité : Q_vent = Q_solar / (rho_air * cp * DT_target ), où Q_solar représente le gain solaire net (typiquement 600-900 W/m² à midi en été), rho_air la masse volumique de l'air (1,2 kg/m³), cp l'enthalpie libre de combustion (1005 J/kg K) et DT_target le gradient thermique interne-externe maximal toléré (typiquement 3-5 °C). Pour une serre de 1000 m² avec un apport solaire de 700 kW et un DT de 5 °C, on obtient Q_vent = 116 m³/s = 420 000 m³/h, soit 60-80 volumes/h. En ventilation naturelle, les ouvertures de faîtage doivent représenter 20 à 30 % de la surface couverte, avec un coefficient de débit Cd de 0,6 à 0,7. Pour la ventilation forcée, on utilise des ventilateurs axiaux de 1200 à 1800 mm de diamètre, avec un débit de 40 000 à 70 000 m³/h ; on en prévoit 4 à 6 pour une serre standard.RH sont disposés en quinconce sur une grille de 20 x 20 m, avec une régulation PID transmise à un processeur central. L' indice thermique et d'humidité (ITH) intègre la température et RH pour évaluer le stress thermique des plantes (un ITH supérieur à 80 est critique pour les tomates) et automatise l'activation du refroidissement par panneaux.

Quels capteurs THI sont nécessaires à l'automatisation ?

système de régulation climatique intègre plusieurs capteurs : (1) température etRH relative internes sur une grille de 20 x 20 m (minimum 6 à 9 capteurs par hectare) avec une précision de ± 0,3 °C et ± 2 % RH, protégées par un écran de rayonnement ventilé ; (2) température etRH relative externes par une station météorologique à 3 m de hauteur ; (3) rayonnement solaire global mesuré par un pyranomètre de classe B + rayonnement PAR (photosynthétiquement actif) de 400 à 700 nm ; (4) vitesse et direction du vent pour la commande d’ouverture des fenêtres ; (5) précipitations pour la fermeture rapide des fenêtres ; (6) CO₂ infrarouge NDIR température et humidité du substrat mesurées par des sondes TDR/FDR pour une irrigation de précision ; (8) pH et conductivité électrique de la solution nutritive dans les serres de fertirrigation. L’automate programmable coordonne plus de 30 actionneurs (écrans d’ombrage, ouvertures, pompes, ventilateurs, brûleurs) avec de multiples logiques de consigne pour les phases végétative et reproductive. Les logiciels de gestion tels que Priva Connext, Ridder HortiMaX et Argus Titan mettent en œuvre des modèles de prévision de 6 à 24 heures pour l'optimisation énergétique.

Comment intégrer des systèmes photovoltaïques dans une serre ?

L'agrivoltaïsmecombine production agricole et photovoltaïque grâce à des modules semi-transparents (20 à 50 % de transparence) ou opaques installés sur les toitures. Les exigences clés sont les suivantes : (1) une fraction de rayonnement PAR ≥ 30 à 50 % selon la culture (les feuilles vertes nécessitent un PAR ≥ 300 µmol/m²·s en crête) ; (2) un ombrage uniforme grâce à des modules dispersés ou des trackers rotatifs ; (3) une compensation de la consommation d'électricité pour réduire les factures de chauffage, ventilation et climatisation (une serre en activité consomme entre 150 et 400 kWh/m²·an) ; (4) des structures porteuses dimensionnées pour supporter des charges supplémentaires de 15 à 25 kg/m². Pour les serres intensives de tomates et de concombres, la fraction photovoltaïque optimale est de 20 à 30 % de la surface couverte ; pour les orchidées d'ombre, jusqu'à 50 %. Le décret MASE 2023 relatif à l'agrivoltaïsme innovant prévoit des aides CACER et PNRR avec un seuil minimal de 40 % de surface agricole productive préservée. Retour sur investissement typique : 6 à 10 ans, combinant économies d’énergie, ventes d’excédents et entretien des cultures. Le projet nécessite une étude agronomique pour valider la productivité des cultures sous panneaux photovoltaïques et un plan de suivi sur cinq ans.