Li Jianming, Sun Guotao, etc.technologie du génie agricole horticole en serre21 novembre 2022 à 17h42 - Publié à Pékin

Ces dernières années, l'industrie des serres a connu un essor important. Son développement permet non seulement d'améliorer le taux d'utilisation des terres et le rendement des produits agricoles, mais aussi de résoudre les problèmes d'approvisionnement en fruits et légumes hors saison. Cependant, les serres sont confrontées à des défis inédits. Les installations, les méthodes de chauffage et les structures existantes présentent des faiblesses environnementales et freinent leur développement. Il est donc urgent de recourir à de nouveaux matériaux et à de nouvelles conceptions pour moderniser les serres, ainsi qu'à de nouvelles sources d'énergie afin de concilier économies d'énergie, protection de l'environnement et augmentation de la production et des revenus.

Cet article aborde le thème « Nouvelles énergies, nouveaux matériaux, nouvelle conception pour accompagner la révolution des serres », notamment la recherche et l'innovation en matière d'énergie solaire, de biomasse, de géothermie et autres nouvelles sources d'énergie dans les serres, la recherche et l'application de nouveaux matériaux pour la couverture, l'isolation thermique, les parois et autres équipements, ainsi que les perspectives d'avenir et les réflexions sur les nouvelles énergies, les nouveaux matériaux et la nouvelle conception pour contribuer à la réforme des serres, afin de fournir des éléments de référence à l'industrie.

Le développement de l'agriculture sous serre est une nécessité politique et un choix incontournable pour mettre en œuvre les directives importantes et les décisions du gouvernement central. En 2020, la superficie totale des exploitations agricoles protégées en Chine atteindra 2,8 millions d'hectares, pour une valeur de production dépassant 1 000 milliards de yuans. Améliorer l'éclairage et l'isolation thermique des serres grâce aux nouvelles énergies, aux nouveaux matériaux et à une conception innovante est un levier essentiel pour accroître leur capacité de production. La production sous serre traditionnelle présente de nombreux inconvénients : le chauffage, qui utilise du charbon, du fioul et d'autres sources d'énergie, génère d'importantes émissions de dioxyde de carbone, polluant gravement l'environnement ; par ailleurs, le recours au gaz naturel, à l'électricité et à d'autres sources d'énergie augmente les coûts d'exploitation. Les matériaux traditionnels de stockage de chaleur pour les murs des serres sont principalement l'argile et la brique, qui consomment beaucoup de ressources et empiètent fortement sur les terres. L'efficacité d'utilisation des sols des serres solaires traditionnelles à murs en terre n'est que de 40 à 50 %, et leur faible capacité de stockage de chaleur les empêche de produire des légumes adaptés au froid hivernal dans le nord de la Chine. Par conséquent, la promotion de la transformation des serres, ou la recherche fondamentale dans ce domaine, repose sur la conception des serres, la recherche et le développement de nouveaux matériaux et de nouvelles énergies. Cet article se concentrera sur la recherche et l'innovation en matière de nouvelles sources d'énergie pour les serres, en synthétisant l'état de la recherche sur des sources telles que l'énergie solaire, la biomasse, la géothermie et l'énergie éolienne, ainsi que sur de nouveaux matériaux de couverture transparents, d'isolation thermique et de construction de murs pour serres. Il analysera également l'application de ces nouvelles énergies et de ces nouveaux matériaux dans la construction de serres modernes et envisagera leur rôle dans le développement et la transformation futurs des serres.

Recherche et innovation en matière de serres à énergies nouvelles

Les nouvelles énergies vertes présentant le plus grand potentiel d'utilisation agricole comprennent l'énergie solaire, l'énergie géothermique et l'énergie biomasse, ou encore l'utilisation combinée de diverses sources d'énergie nouvelles, afin de parvenir à une utilisation efficace de l'énergie en tirant parti des points forts de chacune.

énergie solaire/électricité

L'énergie solaire est un mode d'approvisionnement énergétique sobre en carbone, efficace et durable, et constitue un élément important des industries émergentes stratégiques de la Chine. Elle deviendra un choix incontournable pour la transformation et la modernisation du système énergétique chinois. Du point de vue de l'utilisation de l'énergie, la serre est une infrastructure permettant l'exploitation de l'énergie solaire. Grâce à l'effet de serre, l'énergie solaire est captée à l'intérieur, la température de la serre augmente et la chaleur nécessaire à la croissance des cultures est fournie. La principale source d'énergie pour la photosynthèse des plantes de serre est la lumière solaire directe, ce qui représente une utilisation directe de l'énergie solaire.

01 Production d'énergie photovoltaïque pour générer de la chaleur

La production d'énergie photovoltaïque est une technologie qui convertit directement l'énergie lumineuse en énergie électrique grâce à l'effet photovoltaïque. L'élément clé de cette technologie est la cellule solaire. Lorsque l'énergie solaire frappe un ensemble de panneaux solaires montés en série ou en parallèle, les composants semi-conducteurs convertissent directement le rayonnement solaire en énergie électrique. La technologie photovoltaïque permet de convertir directement l'énergie lumineuse en énergie électrique, de stocker cette électricité dans des batteries et de chauffer la serre la nuit, mais son coût élevé freine son développement. Notre équipe de recherche a mis au point un dispositif de chauffage photovoltaïque au graphène, composé de panneaux photovoltaïques flexibles, d'un système de contrôle réversible intégré, d'une batterie et d'une tige chauffante en graphène. En fonction de la longueur de la ligne de culture, la tige chauffante est enterrée sous le substrat. Pendant la journée, les panneaux photovoltaïques absorbent le rayonnement solaire pour produire de l'électricité et la stocker dans la batterie. L'électricité est ensuite restituée la nuit pour chauffer la tige en graphène. Lors des tests, la température de fonctionnement a été réglée entre 17 °C et 19 °C. Fonctionnant de nuit (de 20h00 à 8h00 le deuxième jour) pendant 8 heures, le chauffage d'une rangée de plantes consomme 1,24 kWh et la température moyenne du substrat est de 19,2 °C, soit 3,5 à 5,3 °C de plus que le témoin. Cette méthode de chauffage, combinée à la production d'énergie photovoltaïque, résout les problèmes de forte consommation énergétique et de pollution liés au chauffage des serres en hiver.

02 Conversion et utilisation photothermiques

La conversion photothermique solaire consiste à utiliser une surface spéciale de captation de la lumière solaire, composée de matériaux photothermiques, pour collecter et absorber un maximum d'énergie solaire incidente et la convertir en énergie thermique. Comparée aux applications photovoltaïques, la conversion photothermique solaire exploite davantage le proche infrarouge, ce qui lui confère un rendement énergétique supérieur, un coût inférieur et une technologie éprouvée. C'est la méthode d'utilisation de l'énergie solaire la plus répandue.

En Chine, la technologie la plus aboutie de conversion et d'utilisation de l'énergie photothermique est le capteur solaire. Son composant principal est une plaque absorbant la chaleur, dotée d'un revêtement sélectif. Cette plaque convertit l'énergie du rayonnement solaire traversant la surface en énergie thermique et la transmet au fluide caloporteur. On distingue deux grandes catégories de capteurs solaires : les capteurs plans et les capteurs tubulaires sous vide. On distingue également les capteurs à concentration et les capteurs non à concentration, selon la direction du rayonnement solaire au niveau de l'orifice d'éclairage naturel. Enfin, on distingue les capteurs à fluide caloporteur et les capteurs à air, selon le type de fluide caloporteur.

L'utilisation de l'énergie solaire en serre se fait principalement grâce à différents types de capteurs solaires. L'Université Ibn Zor au Maroc a mis au point un système de chauffage solaire actif (ASHS) pour le chauffage des serres, permettant d'accroître la production totale de tomates de 55 % en hiver. L'Université agricole de Chine a conçu et développé un système de captage et de rejet de chaleur par refroidissement de surface et ventilation, d'une capacité de captage de 390,6 à 693,0 MJ, et a proposé de dissocier le processus de captage du processus de stockage de la chaleur par une pompe à chaleur. L'Université de Bari en Italie a développé un système de chauffage polygénérateur pour serres, composé d'un système d'énergie solaire et d'une pompe à chaleur air-eau, permettant d'augmenter la température de l'air de 3,6 % et celle du sol de 92 %. Son équipe de recherche a développé un équipement de captage de chaleur solaire actif à angle d'inclinaison variable pour les serres solaires, ainsi qu'un dispositif de stockage de chaleur pour le bassin d'eau de la serre, adapté aux conditions météorologiques. La technologie de captage actif de chaleur solaire à inclinaison variable surmonte les limitations des équipements traditionnels de captage de chaleur pour serres, telles que la capacité de captage limitée, l'ombrage et l'emprise au sol. Grâce à la structure spécifique des serres solaires, l'espace non cultivé est pleinement exploité, ce qui améliore considérablement l'efficacité énergétique. Dans des conditions d'ensoleillement typiques, le système de captage actif de chaleur solaire à inclinaison variable atteint 1,9 MJ/(m²h), soit un rendement énergétique de 85,1 % et un taux d'économie d'énergie de 77 %. Concernant le stockage de chaleur, la structure de stockage à changement de phase permet d'accroître la capacité de stockage et d'assurer une restitution lente de la chaleur, optimisant ainsi l'utilisation de la chaleur captée.

énergie biomasse

Une nouvelle structure d'installation combine un dispositif de production de chaleur à partir de biomasse avec une serre. Les matières premières issues de la biomasse, telles que le lisier de porc, les résidus de champignons et la paille, sont compostées pour produire de la chaleur, laquelle est ensuite directement fournie à la serre [5]. Comparée à une serre sans cuve de fermentation chauffée par biomasse, cette serre permet d'augmenter efficacement la température du sol et de maintenir une température optimale pour les racines des cultures, notamment en hiver. Prenons l'exemple d'une serre monocouche asymétrique à isolation thermique, de 17 m de portée et 30 m de longueur : l'ajout de 8 m³ de déchets agricoles (mélange de paille de tomate et de lisier de porc) dans la cuve de fermentation intérieure, pour une fermentation naturelle sans retournement du compost, permet d'augmenter la température moyenne journalière de la serre de 4,2 °C en hiver, et la température minimale moyenne journalière peut atteindre 4,6 °C.

L'utilisation de l'énergie par fermentation contrôlée de la biomasse est une méthode de fermentation qui utilise des instruments et des équipements pour contrôler le processus de fermentation afin d'obtenir et d'utiliser rapidement et efficacement l'énergie thermique de la biomasse et le CO2 comme engrais gazeux. Parmi ces facteurs, la ventilation et l'humidité sont essentielles pour réguler la production de chaleur et de gaz lors de la fermentation. En conditions ventilées, les micro-organismes aérobies présents dans le compost utilisent l'oxygène pour leurs activités vitales. Une partie de l'énergie produite est utilisée pour leur propre fonctionnement, tandis qu'une autre partie est rejetée dans l'environnement sous forme de chaleur, contribuant ainsi à l'élévation de sa température. L'eau participe à l'ensemble du processus de fermentation : elle fournit les nutriments solubles nécessaires à l'activité microbienne et, simultanément, libère la chaleur du compost sous forme de vapeur, ce qui permet de réduire sa température, de prolonger la durée de vie des micro-organismes et d'augmenter la température globale du compost. L'installation d'un dispositif de lixiviation de la paille dans la cuve de fermentation permet d'augmenter la température intérieure de 3 à 5 °C en hiver, de stimuler la photosynthèse des plantes et d'accroître le rendement des tomates de 29,6 %.

Énergie géothermique

La Chine est riche en ressources géothermiques. Actuellement, la méthode la plus courante pour exploiter l'énergie géothermique dans les installations agricoles est le recours à la pompe à chaleur géothermique. Celle-ci convertit la chaleur à basse température en chaleur à haute température grâce à un apport d'énergie à haute température (comme l'électricité). Contrairement aux méthodes de chauffage traditionnelles des serres, le chauffage par pompe à chaleur géothermique permet non seulement un chauffage efficace, mais aussi de refroidir la serre et d'en réduire l'humidité. Les recherches sur l'application des pompes à chaleur géothermiques dans le secteur du bâtiment sont bien établies. L'élément clé qui influe sur la capacité de chauffage et de refroidissement d'une pompe à chaleur géothermique est le module d'échange thermique souterrain, qui comprend principalement des canalisations enterrées, des puits, etc. La conception d'un système d'échange thermique souterrain offrant un bon rapport coût-efficacité constitue un axe de recherche majeur. Par ailleurs, les variations de température du sol lors de l'utilisation d'une pompe à chaleur géothermique ont également un impact sur l'efficacité du système. L'utilisation d'une pompe à chaleur géothermique pour refroidir la serre en été et stocker l'énergie thermique dans la couche profonde du sol peut atténuer la baisse de température de cette couche et améliorer l'efficacité de production de chaleur de la pompe à chaleur géothermique en hiver.

Actuellement, dans le cadre de recherches sur les performances et l'efficacité des pompes à chaleur géothermiques, un modèle numérique est établi à partir de données expérimentales réelles, grâce à des logiciels tels que TOUGH2 et TRNSYS. Il en ressort que les performances de chauffage et le coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur géothermique peuvent atteindre 3,0 à 4,5, ce qui représente un bon effet de refroidissement et de chauffage. Concernant la stratégie de fonctionnement du système de pompe à chaleur, Fu Yunzhun et ses collaborateurs ont constaté que, comparativement au flux côté charge, le flux côté source géothermique a un impact plus important sur les performances de l'unité et sur les performances de transfert thermique de la canalisation enterrée. Dans des conditions de débit optimales, la valeur maximale du COP de l'unité peut atteindre 4,17 en adoptant un cycle de fonctionnement de 2 heures suivi de 2 heures d'arrêt. Shi Huixian et ses collaborateurs ont adopté un mode de fonctionnement intermittent pour un système de refroidissement par stockage d'eau. En été, lorsque les températures sont élevées, le COP de l'ensemble du système d'alimentation énergétique peut atteindre 3,80.

Technologie de stockage de chaleur en profondeur dans les serres

Le stockage de chaleur dans le sol profond des serres est également appelé « réserve de chaleur ». Les dégâts causés par le froid en hiver et les fortes chaleurs en été constituent les principaux obstacles à la production sous serre. S'appuyant sur la forte capacité de stockage de chaleur du sol profond, l'équipe de recherche a conçu un dispositif de stockage de chaleur souterrain pour serres. Ce dispositif est constitué d'un système de canalisations de transfert de chaleur parallèles à double couche, enterré à une profondeur de 1,5 à 2,5 m dans la serre. Il est équipé d'une entrée d'air en haut de la serre et d'une sortie d'air au sol. Lorsque la température intérieure est élevée, l'air est insufflé dans le sol par un ventilateur afin de stocker la chaleur et de réduire la température. Lorsque la température intérieure est basse, la chaleur est extraite du sol pour réchauffer la serre. Les résultats de production et d'application montrent que le dispositif permet d'augmenter la température de la serre de 2,3 °C la nuit en hiver, de la réduire de 2,6 °C le jour en été et d'accroître le rendement de tomates de 1 500 kg sur une surface de 667 m².²L’appareil exploite pleinement les caractéristiques de « chaleur en hiver et de fraîcheur en été » et de « température constante » du sol en profondeur, fournit une « réserve d’énergie » pour la serre et assure en permanence les fonctions auxiliaires de refroidissement et de chauffage de la serre.

Coordination multi-énergétique

L'utilisation de deux sources d'énergie ou plus pour chauffer une serre permet de pallier efficacement les inconvénients d'une seule source et de tirer parti de l'effet de superposition (« un plus un est supérieur à deux »). La complémentarité entre l'énergie géothermique et l'énergie solaire constitue un axe de recherche majeur pour l'utilisation des nouvelles énergies dans la production agricole ces dernières années. Emmi et al. ont étudié un système énergétique multi-sources (Figure 1) équipé d'un capteur solaire hybride photovoltaïque-thermique. Comparé à un système de pompe à chaleur air-eau classique, le rendement énergétique de ce système multi-sources est amélioré de 16 % à 25 %. Zheng et al. ont développé un nouveau système de stockage de chaleur couplé à une pompe à chaleur géothermique. Ce système de capteurs solaires permet un stockage saisonnier de chaleur de haute qualité, assurant un chauffage performant en hiver et un refroidissement performant en été. L'échangeur de chaleur à tubes enterrés et le ballon de stockage de chaleur intermittent fonctionnent de manière optimale au sein du système, dont le COP atteint 6,96.

Associée à l'énergie solaire, cette technologie vise à réduire la consommation d'électricité du réseau et à améliorer la stabilité de l'alimentation solaire des serres. Wan Ya et al. ont proposé un nouveau système de contrôle intelligent combinant production d'énergie solaire et alimentation électrique du réseau pour le chauffage des serres. Ce système utilise l'énergie photovoltaïque en période d'ensoleillement et la convertit en électricité du réseau en période d'obscurité, réduisant ainsi considérablement les coupures de courant et les coûts, sans recourir à des batteries.

L'énergie solaire, la biomasse et l'électricité peuvent être utilisées conjointement pour chauffer les serres, permettant ainsi d'atteindre un rendement de chauffage élevé. Zhang Liangrui et ses collaborateurs ont combiné un système de captage de chaleur par tubes sous vide solaires avec un réservoir de stockage d'eau chaude sanitaire. Ce système de chauffage de serre offre un bon confort thermique et un rendement moyen de 68,70 %. Le réservoir de stockage d'eau chaude sanitaire est un dispositif de stockage d'eau chaude pour le chauffage à la biomasse, complété par un chauffage électrique. La température minimale de l'eau à l'entrée du circuit de chauffage est paramétrée, et la stratégie de fonctionnement du système est déterminée en fonction de la température de l'eau stockée dans les circuits de captage solaire et de stockage de la biomasse. Ceci permet d'obtenir une température de chauffage stable et d'optimiser la consommation d'énergie électrique et de biomasse.

Recherche et application innovantes de nouveaux matériaux pour serres

Avec l'expansion des surfaces de serres, les inconvénients des matériaux traditionnels comme la brique et la terre sont de plus en plus évidents. Par conséquent, afin d'améliorer les performances thermiques des serres et de répondre aux besoins de développement des serres modernes, de nombreuses recherches et applications portent sur de nouveaux matériaux de couverture transparents, d'isolation thermique et de parois.

Recherche et application de nouveaux matériaux de revêtement transparents

Les principaux types de matériaux de couverture transparents pour serres comprennent les films plastiques, le verre, les panneaux solaires et les panneaux photovoltaïques. Parmi eux, les films plastiques sont les plus utilisés. Les films PE traditionnels pour serres présentent l'inconvénient d'une durée de vie limitée, d'une absence de dégradation et d'une fonction unique. Actuellement, de nouveaux films fonctionnels ont été développés grâce à l'ajout de réactifs ou de revêtements fonctionnels.

Film de conversion de lumière :Le film de conversion de lumière modifie ses propriétés optiques grâce à des agents de conversion tels que les terres rares et les nanomatériaux. Il convertit le rayonnement ultraviolet en lumière rouge-orange et bleu-violet, nécessaires à la photosynthèse des plantes, ce qui accroît le rendement des cultures et réduit les dommages causés par les ultraviolets aux cultures et aux films de serre. Par exemple, un film de serre à large bande, convertissant le violet en rouge grâce à l'agent de conversion VTR-660, améliore significativement la transmittance infrarouge. Comparé à une serre témoin, le rendement en tomates par hectare, ainsi que les teneurs en vitamine C et en lycopène, augmentent respectivement de 25,71 %, 11,11 % et 33,04 %. Cependant, la durée de vie, la biodégradabilité et le coût de ce nouveau film de conversion de lumière restent à étudier.

Verre disperséLe verre diffusant utilisé en serre est un verre à motif spécial et à traitement antireflet. Il maximise la lumière solaire en la diffusant et en l'infusant dans la serre, améliorant ainsi l'efficacité de la photosynthèse et augmentant les rendements. Grâce à ses motifs spécifiques, ce verre diffuse la lumière entrant dans la serre, permettant une irradiation plus uniforme et éliminant l'influence des ombres portées par la structure. Comparé au verre flotté ordinaire et au verre flotté extra-blanc, le verre diffusant présente une transmittance lumineuse de 91,5 %, contre 88 % pour le verre flotté ordinaire. Chaque augmentation de 1 % de la transmittance lumineuse à l'intérieur de la serre peut entraîner une augmentation du rendement d'environ 3 %, ainsi qu'une hausse de la teneur en sucres solubles et en vitamine C des fruits et légumes. Le verre diffusant est d'abord revêtu, puis trempé, et son coefficient d'auto-explosion est supérieur à la norme nationale, atteignant 2 ‰.

Recherche et application de nouveaux matériaux d'isolation thermique

Les matériaux d'isolation thermique traditionnels utilisés en serre comprennent principalement des nattes de paille, des couvertures en papier, des feutres aiguilletés, etc. Ils servent surtout à l'isolation thermique intérieure et extérieure des toitures, des murs et de certains dispositifs de stockage et de captage de chaleur. La plupart présentent l'inconvénient de perdre en efficacité d'isolation thermique sous l'effet de l'humidité interne après une utilisation prolongée. C'est pourquoi de nombreux matériaux d'isolation thermique à haute performance sont en cours de développement, notamment de nouvelles couvertures isolantes et des dispositifs de stockage et de captage de chaleur qui font l'objet de recherches approfondies.

Les nouveaux matériaux d'isolation thermique sont généralement fabriqués en traitant et en combinant des matériaux de surface imperméables et résistants au vieillissement, tels que des films tissés et des feutres enduits, avec des matériaux d'isolation thermique duveteux comme le coton enduit par pulvérisation, le cachemire et le coton perlé. Une couette isolante en film tissé et coton enduit par pulvérisation a été testée dans le nord-est de la Chine. Il a été constaté que l'ajout de 500 g de coton enduit par pulvérisation offrait une performance d'isolation thermique équivalente à celle d'une couette isolante en feutre noir de 4 500 g disponible sur le marché. Dans les mêmes conditions, la performance d'isolation thermique de 700 g de coton enduit par pulvérisation était supérieure de 1 à 2 °C à celle d'une couette contenant 500 g de coton enduit par pulvérisation. Par ailleurs, d'autres études ont également montré que, comparativement aux couettes isolantes courantes, les couettes en coton enduit par pulvérisation et en cachemire offraient une meilleure isolation thermique, avec des taux respectifs de 84,0 % et 83,3 %. Lorsque la température extérieure la plus froide atteint -24,4 °C, la température intérieure peut atteindre respectivement 5,4 °C et 4,2 °C. Comparée à une simple couverture isolante en paille, la nouvelle couverture isolante composite présente l'avantage d'être légère, très isolante, parfaitement imperméable et résistante au vieillissement. Elle peut ainsi être utilisée comme un nouveau type de matériau isolant haute performance pour les serres solaires.

Parallèlement, une étude sur les matériaux d'isolation thermique pour les dispositifs de captage et de stockage de chaleur des serres a révélé qu'à épaisseur égale, les matériaux composites multicouches offrent une meilleure isolation thermique que les matériaux monocouches. L'équipe du professeur Li Jianming de l'Université agricole et forestière du Nord-Ouest a conçu et sélectionné 22 types de matériaux d'isolation thermique pour les dispositifs de stockage d'eau des serres, tels que des panneaux sous vide, de l'aérogel et du coton caoutchouté, et a mesuré leurs propriétés thermiques. Les résultats ont montré qu'un matériau composite de 80 mm d'épaisseur, composé d'un revêtement isolant thermique, d'aérogel et de coton caoutchouté, permettait de réduire la dissipation de chaleur de 0,367 MJ par unité de temps par rapport à 80 mm de coton caoutchouté seul. Son coefficient de transfert thermique était de 0,283 W/(m²·K) pour une épaisseur de 100 mm.

Les matériaux à changement de phase constituent un axe de recherche majeur dans le domaine des matériaux pour serres. L'Université agricole et forestière du Nord-Ouest a développé deux types de dispositifs de stockage de matériaux à changement de phase : un coffre en polyéthylène noir de 50 cm × 30 cm × 14 cm (longueur × hauteur × épaisseur) rempli de ces matériaux, permettant ainsi le stockage et la restitution de la chaleur ; et un nouveau type de panneau mural à changement de phase. Ce panneau est composé de matériau à changement de phase, d'une plaque d'aluminium, d'une plaque aluminium-plastique et d'un alliage d'aluminium. Le matériau à changement de phase, de dimensions 200 mm × 200 mm × 50 mm, est placé au centre du panneau. Avant et après le changement de phase, il se présente sous forme de poudre solide, sans fusion ni écoulement. Les quatre parois du panneau sont constituées respectivement de plaques d'aluminium et de plaques aluminium-plastique. Ce dispositif permet de stocker la chaleur principalement le jour et de la restituer principalement la nuit.

Par conséquent, l'utilisation d'un seul matériau d'isolation thermique présente certains problèmes, tels qu'une faible efficacité d'isolation, d'importantes pertes de chaleur et une courte durée de stockage de la chaleur. C'est pourquoi l'utilisation d'un matériau d'isolation thermique composite comme couche d'isolation et comme revêtement d'isolation thermique intérieur et extérieur du dispositif de stockage de chaleur permet d'améliorer efficacement les performances d'isolation thermique de la serre, de réduire les pertes de chaleur et ainsi de réaliser des économies d'énergie.

Recherche et application de nouveaux murs

En tant que structure d'enceinte, le mur constitue une barrière essentielle pour la protection contre le froid et la conservation de la chaleur dans une serre. Selon les matériaux et la structure utilisés, on distingue trois types de murs nord : les murs monocouches en terre, briques, etc., et les murs multicouches en briques d'argile, parpaings, panneaux de polystyrène, etc., combinant stockage de chaleur interne et isolation externe. La plupart de ces murs sont longs et complexes à construire ; c'est pourquoi, ces dernières années, de nombreux nouveaux types de murs, faciles à mettre en œuvre et à monter rapidement, ont vu le jour.

L'apparition de nouveaux types de parois préfabriquées favorise le développement rapide des serres modulaires, notamment grâce à des parois composites innovantes dotées de matériaux de surface extérieurs imperméables et anti-vieillissement, ainsi que de matériaux tels que le feutre, le coton perlé, le coton spatial, le coton de verre ou le coton recyclé utilisés comme couches d'isolation thermique. On peut citer, par exemple, les parois préfabriquées flexibles en coton projeté utilisées au Xinjiang. Par ailleurs, d'autres études ont également porté sur la paroi nord des serres modulaires intégrant une couche de stockage de chaleur, comme par exemple les blocs de mortier de coques de blé remplis de briques, également utilisés au Xinjiang. Dans des conditions environnementales extérieures identiques, lorsque la température extérieure minimale atteint -20,8 °C, la température dans une serre solaire à paroi composite en blocs de mortier de coques de blé est de 7,5 °C, contre 3,2 °C dans une serre solaire à paroi en briques et béton. La récolte des tomates en serre en briques peut ainsi être avancée de 16 jours, et le rendement d'une serre individuelle peut être augmenté de 18,4 %.

L'équipe technique de l'Université agricole et forestière du Nord-Ouest a proposé un concept novateur : utiliser la paille, la terre, l'eau, la pierre et des matériaux à changement de phase pour créer des modules d'isolation thermique et de stockage de chaleur. Cette approche, basée sur l'optimisation de la lumière et la simplification de la conception des murs, a favorisé la recherche appliquée sur les murs modulaires. Par exemple, par rapport à une serre traditionnelle en briques, la température moyenne dans cette serre est supérieure de 4 °C par temps ensoleillé. Trois types de modules en ciment à changement de phase inorganique, composés de matériau à changement de phase (MCP) et de ciment, ont accumulé respectivement 74,5, 88,0 et 95,1 MJ/m³.³et ont dégagé une chaleur de 59,8, 67,8 et 84,2 MJ/m².³, respectivement. Elles ont pour fonctions de « réduction des pics » le jour, de « comblement des creux » la nuit, d'absorption de la chaleur en été et de libération de la chaleur en hiver.

Ces nouveaux murs sont assemblés sur site, avec un délai de construction court et une longue durée de vie, ce qui permet la construction de serres préfabriquées légères, simplifiées et rapides à monter, et peut grandement favoriser la modernisation des structures de serres. Cependant, ce type de mur présente certains défauts : par exemple, le mur en laine de coton projetée offre d'excellentes performances d'isolation thermique, mais manque de capacité de stockage de chaleur, et le matériau de construction à changement de phase souffre d'un coût d'utilisation élevé. À l'avenir, la recherche sur l'application des murs préfabriqués devra être approfondie.

De nouvelles énergies, de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions contribuent à transformer la structure des serres.

La recherche et l'innovation dans le domaine des nouvelles énergies et des nouveaux matériaux constituent le fondement de l'innovation dans la conception des serres. Les serres solaires à économie d'énergie et les serres voûtées représentent les structures les plus importantes du secteur agricole chinois et jouent un rôle crucial dans la production agricole. Cependant, avec le développement socio-économique de la Chine, les inconvénients de ces deux types de structures se font de plus en plus sentir. Premièrement, leur espace est réduit et leur niveau de mécanisation faible. Deuxièmement, si les serres solaires à économie d'énergie offrent une bonne isolation thermique, leur utilisation du sol est limitée, ce qui revient à remplacer l'énergie produite par des terres. Les serres voûtées classiques, quant à elles, présentent non seulement un espace réduit, mais aussi une faible isolation thermique. Enfin, bien que les serres à travées multiples offrent un grand espace, leur isolation thermique est médiocre et leur consommation énergétique élevée. Il est donc impératif de rechercher et de développer des structures de serres adaptées au contexte socio-économique actuel de la Chine. La recherche et le développement dans le domaine des nouvelles énergies et des nouveaux matériaux contribueront à faire évoluer les structures de serres et à créer une variété de modèles et de structures innovants.

Recherche innovante sur les serres de brassage asymétriques à grande portée et à contrôle hydraulique.

La serre de brassage asymétrique à grande portée et à régulation hydraulique (brevet n° ZL 201220391214.2) s'inspire du principe des serres solaires, en modifiant la structure symétrique des serres plastiques classiques. Elle augmente la portée sud, optimisant ainsi l'exposition au soleil et la surface de dissipation de la chaleur, tout en réduisant la portée nord. Avec une portée de 18 à 24 m et une hauteur de faîtage de 6 à 7 m, cette conception innovante permet d'accroître significativement l'espace disponible. Par ailleurs, elle résout les problèmes de chauffage insuffisant en hiver et d'isolation thermique médiocre des matériaux classiques grâce à l'utilisation d'une nouvelle technologie de chauffage par biomasse et de matériaux d'isolation performants. Les résultats de production et de recherche montrent que la serre de brassage asymétrique à grande portée et à régulation hydraulique, avec une température moyenne de 11,7 °C par temps ensoleillé et de 10,8 °C par temps nuageux, peut répondre aux besoins de croissance des cultures en hiver. De plus, le coût de construction de la serre est réduit de 39,6 % et le taux d'utilisation des terres est augmenté de plus de 30 % par rapport à celui de la serre à murs en briques de polystyrène, ce qui la rend adaptée à une diffusion et une application plus larges dans le bassin du fleuve Jaune en Chine.

serre solaire assemblée

La serre solaire assemblée utilise des colonnes et une charpente de toiture comme structure porteuse, et ses parois sont principalement constituées d'une isolation thermique, plutôt que de matériaux porteurs et de systèmes de stockage et de restitution passifs de chaleur. Principalement : (1) un nouveau type de paroi assemblée est formé par l'association de divers matériaux tels que des films revêtus ou des tôles d'acier colorées, des blocs de paille, des couvertures isolantes flexibles, des blocs de mortier, etc. ; (2) des panneaux muraux composites constitués de panneaux préfabriqués en ciment, polystyrène et ciment ; (3) des matériaux d'isolation thermique légers et faciles à assembler, avec un système actif de stockage et de restitution de chaleur et un système de déshumidification, tels que des réservoirs de stockage de chaleur carrés en plastique et des systèmes de stockage de chaleur par canalisations. L'utilisation de ces nouveaux matériaux d'isolation et de stockage de chaleur, en remplacement des murs en terre traditionnels, pour la construction de serres solaires permet de gagner de la place et de réduire les travaux de génie civil. Les résultats expérimentaux montrent que la température nocturne de la serre en hiver est supérieure de 4,5 °C à celle d'une serre traditionnelle en briques, et que l'épaisseur du mur arrière est de 166 mm. Comparée à une serre traditionnelle en briques de 600 mm d'épaisseur, la surface occupée par les murs est réduite de 72 %, et le coût au mètre carré est de 334,5 yuans, soit 157,2 yuans de moins. Le coût de construction est ainsi considérablement diminué. Par conséquent, la serre préfabriquée présente l'avantage de limiter la destruction des terres cultivées, d'économiser du terrain, d'être rapide à construire et d'avoir une longue durée de vie. Elle représente une voie essentielle pour l'innovation et le développement des serres solaires, tant aujourd'hui que demain.

serre coulissante ensoleillée

La serre solaire à économie d'énergie assemblée à l'aide de skateboards, développée par l'Université agricole de Shenyang, utilise la paroi arrière de la serre pour former un système de stockage de chaleur par circulation d'eau. Ce système permet d'emmagasiner la chaleur et d'augmenter la température. Il est principalement composé d'un bassin (32 m³).³), une plaque collectrice de lumière (360 m²La serre comprend une pompe à eau, une conduite d'eau et un régulateur. La couverture isolante thermique flexible est remplacée par un nouveau matériau léger, une plaque d'acier teintée dans la masse, sur la partie supérieure. Les recherches montrent que cette conception résout efficacement le problème d'obstruction de la lumière par les pignons et augmente la surface d'entrée de la lumière dans la serre. L'angle d'éclairage de la serre est de 41,5°, soit près de 16° de plus que celui de la serre témoin, améliorant ainsi le rendement lumineux. La température intérieure est uniforme et les plantes poussent de manière optimale. Cette serre présente l'avantage d'améliorer l'efficacité de l'utilisation des terres, d'offrir une grande flexibilité dans la conception de ses dimensions et de réduire le temps de construction, ce qui est essentiel pour la protection des terres cultivées et de l'environnement.

serre photovoltaïque

La serre agricole est une serre intégrant la production d'énergie solaire photovoltaïque, la régulation intelligente de la température et des techniques de culture modernes et performantes. Sa structure est composée d'une ossature métallique recouverte de modules photovoltaïques, assurant ainsi l'éclairage nécessaire à la production d'énergie et à l'ensemble de la serre. Le courant continu produit par l'énergie solaire complète directement l'éclairage naturel, alimente les équipements, gère l'irrigation, augmente la température intérieure et favorise la croissance rapide des cultures. L'efficacité lumineuse de la toiture est donc cruciale pour la croissance optimale des légumes. Par conséquent, la disposition judicieuse des panneaux photovoltaïques sur la toiture est un élément clé de son application. La serre agricole est le fruit d'une combinaison harmonieuse d'agriculture touristique et de jardinage aménagé. Elle représente une filière agricole innovante intégrant production d'énergie photovoltaïque, tourisme agricole, cultures, technologies agricoles, aménagement paysager et développement culturel.

Conception innovante d'un ensemble de serres favorisant l'interaction énergétique entre différents types de serres.

Guo Wenzhong, chercheur à l'Académie des sciences agricoles et forestières de Pékin, utilise une méthode de chauffage par transfert d'énergie entre serres pour récupérer la chaleur résiduelle d'une ou plusieurs serres et chauffer une ou plusieurs autres serres. Cette méthode permet un transfert d'énergie entre serres dans le temps et l'espace, améliore l'efficacité énergétique de la chaleur résiduelle et réduit la consommation totale d'énergie de chauffage. Les deux types de serres peuvent être différents ou identiques pour la culture de diverses plantes, comme la laitue et la tomate. Les méthodes de récupération de chaleur consistent principalement à extraire la chaleur de l'air intérieur et à capter directement le rayonnement incident. Grâce à la captation de l'énergie solaire, à la convection forcée par un échangeur de chaleur et à l'extraction forcée par une pompe à chaleur, la chaleur excédentaire de la serre à haute performance énergétique est extraite pour chauffer la serre voisine.

résumer

Ces nouvelles serres solaires présentent l'avantage d'un montage rapide, d'une durée de construction réduite et d'une meilleure utilisation des sols. Il est donc nécessaire d'approfondir l'étude de leurs performances dans différents domaines et de favoriser leur déploiement et leur application à grande échelle. Parallèlement, il est indispensable de poursuivre le développement des énergies nouvelles et des nouveaux matériaux dans le secteur des serres, afin de stimuler la transformation structurelle de ce secteur.

Perspectives d'avenir et réflexion

Les serres traditionnelles présentent souvent des inconvénients, tels qu'une forte consommation d'énergie, un faible taux d'utilisation des terres, une main-d'œuvre et un temps de travail importants, et des performances médiocres. Elles ne répondent plus aux besoins de production de l'agriculture moderne et sont vouées à disparaître progressivement. C'est pourquoi l'utilisation de nouvelles sources d'énergie, comme l'énergie solaire, la biomasse, la géothermie et l'énergie éolienne, ainsi que de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions, constitue une tendance majeure pour transformer la structure des serres. Premièrement, ces nouvelles serres, grâce à ces énergies et matériaux innovants, doivent non seulement permettre une exploitation mécanisée, mais aussi économiser l'énergie, les terres et les coûts. Deuxièmement, il est essentiel d'évaluer en permanence les performances de ces nouvelles serres dans différentes régions, afin de favoriser leur déploiement à grande échelle. À l'avenir, il conviendra de poursuivre la recherche de nouvelles énergies et de nouveaux matériaux adaptés aux serres, et de trouver la meilleure combinaison possible entre ces éléments et la conception même des serres. L'objectif est de permettre la construction de serres modernes, économiques, rapides à construire, économes en énergie et performantes, contribuant ainsi à la transformation de la structure des serres et à leur modernisation en Chine.

Bien que l'utilisation de nouvelles énergies, de nouveaux matériaux et de nouvelles conceptions dans la construction de serres soit une tendance inévitable, de nombreux problèmes restent à étudier et à résoudre : (1) Augmentation des coûts de construction. Comparée au chauffage traditionnel au charbon, au gaz naturel ou au fioul, l'utilisation de nouvelles énergies et de nouveaux matériaux est respectueuse de l'environnement et non polluante, mais elle entraîne une augmentation significative des coûts de construction, ce qui a un impact certain sur la rentabilité des investissements de production et d'exploitation. Le coût des nouveaux matériaux est également nettement supérieur à celui de l'énergie utilisée. (2) Utilisation instable de l'énergie thermique. Le principal avantage de l'utilisation des nouvelles énergies réside dans leurs faibles coûts d'exploitation et leurs faibles émissions de dioxyde de carbone, mais l'approvisionnement en énergie et en chaleur est instable, et les jours nuageux constituent le principal facteur limitant l'utilisation de l'énergie solaire. Dans le processus de production de chaleur par fermentation de la biomasse, l'utilisation efficace de cette énergie est limitée par la faible énergie thermique de fermentation, la complexité de sa gestion et de son contrôle, ainsi que par les importants espaces de stockage nécessaires au transport des matières premières. (3) Maturité technologique. Ces technologies, qui utilisent de nouvelles énergies et de nouveaux matériaux, représentent des avancées en matière de recherche et de développement, mais leur domaine d'application et leur portée restent encore assez limités. Ces technologies n'ont pas été testées à de nombreuses reprises, sur de nombreux sites ni à grande échelle, et présentent inévitablement quelques lacunes et des aspects techniques à améliorer. Les utilisateurs rejettent souvent les progrès technologiques en raison de ces imperfections mineures. (4) Le taux de diffusion de la technologie est faible. La large application d'une avancée scientifique et technologique requiert une certaine popularité. Actuellement, les énergies nouvelles, les nouvelles technologies et les nouvelles technologies de conception de serres sont l'apanage des équipes de recherche des centres universitaires dotés d'une certaine capacité d'innovation, mais la plupart des demandeurs techniques et des concepteurs n'en ont pas encore connaissance. Parallèlement, la diffusion et l'application des nouvelles technologies restent assez limitées, car les équipements clés sont brevetés. (5) L'intégration des énergies nouvelles, des nouveaux matériaux et de la conception des structures de serres doit être renforcée. Ces trois domaines étant distincts, les spécialistes de la conception de serres manquent souvent de recherches sur les énergies et les matériaux liés aux serres, et inversement. Par conséquent, les chercheurs en énergie et matériaux doivent approfondir leur compréhension des besoins réels du développement de l'industrie des serres, et les concepteurs de structures doivent étudier les nouveaux matériaux et les nouvelles énergies afin de favoriser une intégration plus poussée de ces trois éléments. L'objectif est d'atteindre un développement pratique des serres, caractérisé par des coûts de construction réduits et une efficacité optimale. Face à ces enjeux, il est suggéré que l'État, les collectivités territoriales et les centres de recherche scientifique intensifient la recherche technique, mènent des recherches conjointes approfondies, renforcent la diffusion des résultats scientifiques et technologiques, améliorent leur vulgarisation et contribuent rapidement à l'essor de l'industrie des serres grâce aux nouvelles énergies et aux nouveaux matériaux.

Informations citées

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nouvelles énergies, nouveaux matériaux et nouvelles conceptions contribuent à la nouvelle révolution des serres [J]. Légumes, 2022,(10):1-8.