Technologie du génie agricole horticole en serre, 2 décembre 2022, 17h30, publié à Pékin

Le développement de serres solaires dans des zones non cultivées telles que le désert, le Gobi et les terres sablonneuses a permis de résoudre efficacement le conflit entre les cultures vivrières et maraîchères pour l'accès à la terre. La température est un facteur environnemental déterminant pour la croissance et le développement des cultures de température, et conditionne souvent la réussite ou l'échec des productions sous serre. Par conséquent, pour développer des serres solaires dans des zones non cultivées, il est indispensable de résoudre au préalable le problème de la température ambiante. Cet article présente une synthèse des méthodes de contrôle de la température utilisées ces dernières années dans les serres situées sur des terres non cultivées, ainsi qu'une analyse des problèmes actuels et des perspectives d'évolution en matière de protection de la température et de l'environnement dans ces serres.

La Chine possède une population nombreuse et des ressources foncières limitées. Plus de 85 % de ces ressources sont des terres non cultivées, principalement concentrées dans le nord-ouest du pays. Le document n° 1 du Comité central de 2022 souligne la nécessité d'accélérer le développement de l'agriculture sous serre et, tout en protégeant l'environnement, d'exploiter les terres vacantes et les friches pour ce faire. Le nord-ouest de la Chine est riche en déserts, en plaine de Gobi, en friches et autres terres non cultivées, ainsi qu'en ressources naturelles de lumière et de chaleur, autant de conditions propices au développement de l'agriculture sous serre. Par conséquent, la mise en valeur et l'utilisation des terres non cultivées pour la création de serres revêtent une importance stratégique majeure pour garantir la sécurité alimentaire nationale et atténuer les conflits d'usage des terres.

Actuellement, les serres solaires non cultivées constituent la principale forme de développement agricole à haut rendement sur les terres non cultivées. Dans le nord-ouest de la Chine, l'amplitude thermique entre le jour et la nuit est importante, et les températures nocturnes hivernales sont basses. Il en résulte souvent une température minimale intérieure inférieure à la température requise pour la croissance et le développement normaux des cultures. La température est un facteur environnemental indispensable à la croissance et au développement des cultures. Une température trop basse ralentit les réactions physiologiques et biochimiques des plantes, et donc leur croissance et leur développement. Lorsque la température descend en dessous du seuil de tolérance des cultures, cela peut même entraîner des dégâts dus au gel. Il est donc primordial de garantir la température requise pour la croissance et le développement normaux des cultures. Maintenir une température adéquate dans une serre solaire ne peut se faire par une simple mesure. Cela nécessite une prise en compte de tous les aspects liés à la conception, la construction, le choix des matériaux, la régulation et la gestion quotidienne de la serre. Par conséquent, cet article résumera l'état de la recherche et les progrès réalisés ces dernières années en Chine concernant le contrôle de la température des serres non cultivées, sous l'angle de la conception et de la construction des serres, des mesures de conservation et de réchauffement de la chaleur et de la gestion environnementale, afin de fournir une référence systématique pour la conception et la gestion rationnelles des serres non cultivées.

Structure et matériaux de la serre

L'environnement thermique d'une serre dépend principalement de sa capacité à transmettre, intercepter et stocker le rayonnement solaire, ce qui est lié à la conception raisonnable de son orientation, de la forme et des matériaux de ses surfaces transparentes, de la structure et des matériaux de ses murs et de son toit arrière, de l'isolation de ses fondations, de ses dimensions, du mode et des matériaux de son isolation nocturne et de son toit avant, etc. Il dépend également de la capacité de la construction et du processus d'édification de la serre à garantir la réalisation effective des exigences de conception.

Capacité de transmission de la lumière du toit avant

L'énergie principale d'une serre provient du soleil. Accroître la transmission lumineuse de la toiture avant permet à la serre de capter davantage de chaleur et constitue un élément essentiel pour maintenir une température ambiante stable en hiver. Actuellement, trois méthodes principales permettent d'augmenter la transmission lumineuse et la durée d'exposition à la lumière de la toiture avant d'une serre.

01 Concevoir une orientation et un azimut raisonnables pour la serre

L'orientation d'une serre influe sur son éclairage et sa capacité de stockage de chaleur. C'est pourquoi, pour optimiser le stockage de chaleur, les serres non cultivées du nord-ouest de la Chine sont généralement orientées plein sud. Concernant l'azimut, une orientation sud-est permet de capter au maximum le soleil et d'augmenter rapidement la température intérieure le matin. À l'inverse, une orientation sud-ouest favorise l'utilisation de la lumière de l'après-midi. L'orientation sud représente un bon compromis entre ces deux situations. Selon les principes de la géophysique, la Terre effectue une rotation de 360° en une journée et l'azimut du soleil se déplace d'environ 1° toutes les 4 minutes. Par conséquent, chaque variation d'1° de l'azimut de la serre modifie la durée d'ensoleillement direct d'environ 4 minutes, ce qui influe directement sur les heures d'exposition à la lumière du matin et du soir.

Lorsque la durée d'ensoleillement est égale le matin et l'après-midi, et que l'est et l'ouest sont au même angle, la serre bénéficiera d'une durée d'ensoleillement identique. Cependant, au nord du 37e parallèle nord, les températures sont basses le matin, retardant ainsi le décapage de la bâche, tandis qu'elles sont relativement élevées l'après-midi et le soir. Il est donc préférable de retarder la fermeture de la bâche d'isolation thermique. Dans ces régions, une orientation sud-ouest est recommandée afin de profiter pleinement de la lumière de l'après-midi. Entre 30° et 35° de latitude nord, grâce à une meilleure luminosité matinale, le décapage et la mise en place de la couverture peuvent être avancés. Il est donc conseillé d'opter pour une orientation sud-est afin de maximiser le rayonnement solaire matinal. En revanche, entre 35° et 37° de latitude nord, la différence de rayonnement solaire entre le matin et l'après-midi est minime ; une orientation plein sud est donc préférable. Que ce soit au sud-est ou au sud-ouest, l'angle de déviation est généralement de 5° à 8°, sans excéder 10°. Le nord-ouest de la Chine se situant entre 37° et 50° de latitude nord, l'azimut des serres est généralement orienté du sud vers l'ouest. Ainsi, la serre solaire conçue par Zhang Jingshe et al. dans la région de Taiyuan est orientée à 5° à l'ouest du sud, celle construite par Chang Meimei et al. dans la région de Gobi, au sein du corridor du Hexi, présente une orientation de 5° à 10° à l'ouest du sud, et celle construite par Ma Zhigui et al. dans le nord du Xinjiang est orientée à 8° à l'ouest du sud.

02 Concevoir une forme de toit avant et un angle d'inclinaison raisonnables

La forme et l'inclinaison de la toiture avant déterminent l'angle d'incidence des rayons solaires. Plus cet angle est faible, plus la transmission est importante. Sun Juren estime que la forme de la toiture avant est principalement déterminée par le rapport entre la longueur de la surface d'éclairage principale et la pente arrière. Une pente avant longue et une pente arrière courte favorisent l'éclairage et la conservation de la chaleur de la toiture avant. Chen Wei-Qian et ses collègues pensent que la toiture d'éclairage principale des serres solaires utilisées dans la région de Gobi adopte une forme d'arc de cercle de 4,5 m de rayon, ce qui permet de résister efficacement au froid. Zhang Jingshe et ses collègues estiment qu'une forme d'arc de cercle est plus appropriée pour la toiture avant des serres en zones alpines et de haute latitude. Concernant l'angle d'inclinaison de la toiture avant, compte tenu des caractéristiques de transmission lumineuse des films plastiques, lorsque l'angle d'incidence est compris entre 0 et 40°, la réflectivité de la toiture avant à la lumière solaire est faible ; au-delà de 40°, la réflectivité augmente significativement. Par conséquent, un angle d'incidence maximal de 40° est retenu pour calculer l'angle d'inclinaison de la façade du toit, afin que même au solstice d'hiver, le rayonnement solaire puisse pénétrer au maximum dans la serre. Ainsi, lors de la conception d'une serre solaire adaptée aux zones non cultivées de Wuhai, en Mongolie-Intérieure, He Bin et ses collaborateurs ont calculé l'angle d'inclinaison de la façade du toit avec un angle d'incidence de 40° et ont estimé qu'un angle supérieur à 30° suffisait pour répondre aux exigences d'éclairage et de conservation de la chaleur. Zhang Caihong et ses collaborateurs estiment que, pour la construction de serres dans les zones non cultivées du Xinjiang, l'angle d'inclinaison de la façade est de 31° dans le sud du Xinjiang et de 32° à 33,5° dans le nord.

03 Choisissez des matériaux de revêtement transparents appropriés.

Outre l'influence du rayonnement solaire extérieur, les caractéristiques des matériaux et de la transmission lumineuse des films de serre sont des facteurs importants qui affectent l'environnement lumineux et thermique de la serre. Actuellement, la transmission lumineuse des films plastiques tels que le PE, le PVC, l'EVA et le PO varie en fonction des matériaux et de l'épaisseur du film. En règle générale, la transmission lumineuse des films utilisés pendant 1 à 3 ans est supérieure à 88 %. Le choix du film doit être adapté aux besoins des cultures en matière de lumière et de température. Par ailleurs, la distribution de la lumière dans la serre, au-delà de la transmission lumineuse, est un facteur qui suscite un intérêt croissant. C'est pourquoi, ces dernières années, les matériaux de couverture à transmission lumineuse améliorée, présentant une diffusion de la lumière accrue, ont été plébiscités par l'industrie, notamment dans les régions du nord-ouest de la Chine, caractérisées par un fort rayonnement solaire. L'application d'un film à diffusion de lumière améliorée a réduit l'effet d'ombrage sur le dessus et le dessous de la canopée, augmenté la lumière dans les parties moyennes et inférieures de la canopée, amélioré les caractéristiques photosynthétiques de l'ensemble de la culture et montré un bon effet de promotion de la croissance et d'augmentation de la production.

Conception raisonnable des dimensions de la serre

La longueur d'une serre, qu'elle soit trop importante ou trop courte, influe sur la régulation de la température intérieure. Si la serre est trop courte, avant le lever et le coucher du soleil, la zone ombragée par les pignons est et ouest est importante, ce qui nuit à son réchauffement. De plus, son faible volume affecte l'absorption et la restitution de la chaleur par le sol et les parois. À l'inverse, si la serre est trop longue, la régulation de la température intérieure devient difficile et la solidité de la structure ainsi que le bon fonctionnement du système d'enroulement de la couverture isolante sont compromis. La hauteur et la portée de la serre influent directement sur l'éclairage naturel de la toiture, le volume intérieur et l'efficacité de l'isolation. À portée et longueur égales, augmenter la hauteur de la serre accroît l'angle d'incidence de la lumière sur la toiture, favorisant ainsi la transmission de la lumière. Du point de vue thermique, l'augmentation de la hauteur des parois accroît la surface d'accumulation de chaleur de la paroi arrière, ce qui améliore la dissipation de la chaleur. De plus, l'espace étant important, la capacité thermique l'est également, et l'environnement thermique de la serre est plus stable. Bien entendu, augmenter la hauteur de la serre accroît son coût, un facteur qui doit être soigneusement étudié. Par conséquent, lors de la conception d'une serre, il convient de choisir une longueur, une portée et une hauteur adaptées aux conditions locales. Par exemple, Zhang Caihong et ses collaborateurs estiment que dans le nord du Xinjiang, une serre de 50 à 80 m de long, 7 m de large et 3,9 m de haut est optimale, tandis que dans le sud du Xinjiang, ces dimensions sont respectivement de 50 à 80 m de long, 8 m de large et 3,6 à 4,0 m de haut. Ils considèrent également qu'une portée minimale de 7 m est recommandée, et que l'isolation thermique est optimale avec une portée de 8 m. En outre, Chen Weiqian et d'autres pensent que la longueur, la portée et la hauteur de la serre solaire devraient être respectivement de 80 m, 8 à 10 m et 3,8 à 4,2 m lorsqu'elle est construite dans la région de Gobi à Jiuquan, Gansu.

Améliorer la capacité de stockage de chaleur et d'isolation du mur

Durant la journée, la paroi accumule la chaleur en absorbant le rayonnement solaire et la chaleur ambiante. La nuit, lorsque la température intérieure est inférieure à celle de la paroi, celle-ci restitue passivement de la chaleur à la serre. Principal élément de stockage thermique de la serre, la paroi contribue à améliorer significativement la température intérieure nocturne en augmentant sa capacité d'accumulation de chaleur. Parallèlement, son isolation thermique est essentielle à la stabilité de l'environnement thermique de la serre. Plusieurs méthodes permettent actuellement d'améliorer la capacité d'accumulation de chaleur et l'isolation des parois.

01 concevoir une structure murale raisonnable

La fonction principale des murs est le stockage et la conservation de la chaleur. La plupart des murs de serres servent également d'éléments porteurs pour soutenir la charpente du toit. Afin d'obtenir un environnement thermique optimal, une structure murale bien conçue doit présenter une capacité de stockage de chaleur suffisante à l'intérieur et une capacité de conservation de la chaleur suffisante à l'extérieur, tout en minimisant les ponts thermiques. Dans le cadre de leurs recherches sur le stockage et l'isolation thermique des murs, Bao Encai et ses collaborateurs ont conçu un mur passif de stockage de chaleur en sable solidifié dans la zone désertique de Wuhai, en Mongolie-Intérieure. Des briques poreuses ont été utilisées comme couche isolante extérieure et du sable solidifié comme couche de stockage de chaleur intérieure. Les tests ont montré que la température intérieure pouvait atteindre 13,7 °C par temps ensoleillé. Ma Yuehong et ses collaborateurs ont conçu un mur composite en blocs de mortier de coques de blé dans le nord du Xinjiang. Dans ce mur, de la chaux vive est incorporée dans les blocs de mortier pour servir de couche de stockage de chaleur, tandis que des sacs de scories sont empilés à l'extérieur pour constituer la couche isolante. Le mur en blocs creux conçu par Zhao Peng et al. dans la région de Gobi, province du Gansu, utilise des panneaux de benzène de 100 mm d'épaisseur comme couche isolante extérieure et du sable et des blocs creux comme couche de stockage de chaleur intérieure. Les tests montrent que la température moyenne nocturne en hiver dépasse 10 °C. Chai Regeneration et al. utilisent également du sable et du gravier comme couches isolantes et de stockage de chaleur pour leurs murs dans la région de Gobi, province du Gansu. Afin de réduire les ponts thermiques, Yan Junyue et al. ont conçu un mur arrière léger et simplifié, améliorant ainsi la résistance thermique et l'étanchéité du mur grâce à la pose de panneaux de polystyrène sur sa face extérieure. Wu Letian et al. ont installé une poutre annulaire en béton armé au-dessus des fondations des serres et utilisé des briques trapézoïdales estampées juste au-dessus de cette poutre pour soutenir la toiture arrière. Cette solution a permis de résoudre les problèmes de fissures et d'affaissements de fondations fréquents dans les serres de Hotian, au Xinjiang, qui affectaient leur isolation thermique.

02 Choisissez des matériaux de stockage de chaleur et d'isolation appropriés.

L'efficacité du stockage de chaleur et de l'isolation des parois dépend avant tout du choix des matériaux. Dans le désert du nord-ouest de la Chine, le Gobi, les zones sablonneuses et d'autres régions, les chercheurs ont utilisé des matériaux locaux et ont expérimenté différentes conceptions de parois arrière pour les serres solaires, en fonction des conditions du site. Par exemple, Zhang Guosen et ses collaborateurs ont utilisé le sable et le gravier comme couches de stockage de chaleur et d'isolation pour la construction de serres dans des champs de sable et de gravier du Gansu. Zhao Peng, s'appuyant sur les caractéristiques du Gobi et du désert du nord-ouest de la Chine, a conçu une paroi en blocs creux de grès. Les tests ont montré que la température nocturne moyenne à l'intérieur était supérieure à 10 °C. Face à la rareté des matériaux de construction tels que les briques et l'argile dans la région du Gobi, Zhou Changji et ses collaborateurs ont constaté que les serres locales utilisaient généralement des galets comme matériau de paroi lors de leurs recherches sur les serres solaires de la région du Gobi à Kizilsu Kirghiz, dans le Xinjiang. Compte tenu des performances thermiques et de la résistance mécanique des galets, les serres construites avec ce matériau offrent d'excellentes performances en termes de conservation et de stockage de la chaleur, ainsi que de capacité portante. De même, Zhang Yong et al. utilisent des galets comme matériau principal pour les murs et ont conçu un mur arrière en galets à stockage thermique indépendant au Shanxi et ailleurs. Les tests ont démontré une bonne efficacité de stockage thermique. Zhang et al. ont également conçu un mur en grès adapté aux caractéristiques du nord-ouest du désert de Gobi, capable d'élever la température intérieure de 2,5 °C. Par ailleurs, Ma Yuehong et al. ont testé la capacité de stockage thermique de murs en sable remplis de blocs, de murs en blocs et de murs en briques à Hotian, au Xinjiang. Les résultats ont montré que le mur en sable rempli de blocs présentait la plus grande capacité de stockage thermique. De plus, afin d'améliorer les performances de stockage thermique des murs, les chercheurs développent activement de nouveaux matériaux et technologies de stockage thermique. Par exemple, Bao Encai a proposé un agent de durcissement à changement de phase, utilisable pour améliorer la capacité de stockage thermique du mur arrière des serres solaires dans les zones non cultivées du nord-ouest. L'exploitation des matériaux locaux a également permis d'utiliser des meules de foin, des scories, des panneaux de benzène et de la paille comme matériaux de construction, mais ces matériaux n'ont généralement qu'une fonction d'isolation thermique et aucune capacité de stockage. De manière générale, les murs remplis de gravier et de blocs présentent une bonne capacité de stockage de chaleur et d'isolation.

03 Augmenter l'épaisseur de la paroi de manière appropriée

La résistance thermique est généralement un indicateur important de la performance d'isolation thermique d'un mur. Outre la conductivité thermique du matériau, cette résistance dépend de l'épaisseur de la couche isolante. Ainsi, en choisissant des matériaux d'isolation thermique adaptés, augmenter judicieusement l'épaisseur du mur permet d'accroître sa résistance thermique globale et de réduire les déperditions de chaleur, améliorant ainsi l'isolation et la capacité de stockage de chaleur du mur et de la serre dans son ensemble. Par exemple, dans la province du Gansu et d'autres régions, l'épaisseur moyenne des murs en sacs de sable à Zhangye est de 2,6 m, tandis qu'à Jiuquan, elle atteint 3,7 m pour les murs en maçonnerie de mortier. Plus le mur est épais, meilleures sont son isolation et sa capacité de stockage de chaleur. Cependant, des murs trop épais augmentent l'emprise au sol et le coût de construction de la serre. Par conséquent, pour optimiser l'isolation thermique, il convient de privilégier les matériaux à haute performance thermique et faible conductivité, tels que le polystyrène ou le polyuréthane, et d'adapter ensuite l'épaisseur en conséquence.

Conception raisonnable du toit arrière

Pour la conception de la toiture arrière, l'objectif principal est de minimiser l'ombrage et d'optimiser l'isolation thermique. Afin de réduire l'impact de l'ombrage, l'angle d'inclinaison de la toiture arrière est déterminé par le fait qu'elle bénéficie d'un ensoleillement direct pendant la journée, période de culture. Par conséquent, l'angle d'élévation de la toiture arrière est généralement supérieur à l'angle d'altitude solaire local au solstice d'hiver (7° à 8°). Par exemple, Zhang Caihong et ses collaborateurs estiment que pour la construction de serres solaires dans les zones de Gobi et les sols salins-alcalins du Xinjiang, la longueur projetée de la toiture arrière est de 1,6 m, ce qui correspond à un angle d'inclinaison de 40° dans le sud du Xinjiang et de 45° dans le nord. Chen Wei-Qian et ses collaborateurs, quant à eux, préconisent une inclinaison de 40° pour la toiture arrière des serres solaires de la région de Jiuquan Gobi. Pour l'isolation thermique du toit arrière, la capacité d'isolation thermique doit être assurée principalement par le choix des matériaux d'isolation thermique, le dimensionnement de l'épaisseur nécessaire et le recouvrement approprié des matériaux d'isolation thermique lors de la construction.

Réduire les pertes de chaleur du sol

Durant la nuit hivernale, la température du sol intérieur étant supérieure à celle du sol extérieur, la chaleur du sol intérieur se dissipe vers l'extérieur par conduction, entraînant une perte de chaleur dans la serre. Il existe plusieurs méthodes pour limiter cette perte de chaleur.

01 isolation du sol

Le sol s'enfonce correctement, évitant ainsi la couche de sol gelé et utilisant le sol pour la conservation de la chaleur. Par exemple, la serre solaire « 1448 » à trois matériaux et un seul corps, développée par Chai Regeneration et d'autres entreprises sur des terres non cultivées du corridor du Hexi, a été construite en creusant à 1 mètre de profondeur, évitant ainsi efficacement la couche de sol gelé. Sachant que la profondeur du sol gelé dans la région de Turpan est de 0,8 mètre, Wang Huamin et ses collègues ont suggéré de creuser à 0,8 mètre pour améliorer l'isolation thermique de la serre. Lorsque Zhang Guosen et ses collègues ont construit le mur arrière de la serre solaire à double arche et double paroi creusée sur des terres non arables, la profondeur de creusement était de 1 mètre. L'expérience a montré que la température minimale nocturne était augmentée de 2 à 3 °C par rapport aux serres solaires traditionnelles de deuxième génération.

02 protection contre le froid de la fondation

La principale méthode consiste à creuser une tranchée étanche au froid le long des fondations de la toiture avant, à la remplir de matériaux isolants thermiques, ou à enfouir ces matériaux en continu le long des murs de fondation. L'objectif est de réduire les pertes de chaleur dues aux échanges thermiques avec le sol en périphérie de la serre. Les matériaux isolants utilisés sont principalement adaptés aux conditions locales du nord-ouest de la Chine et peuvent être obtenus localement : foin, scories, laine de roche, panneaux de polystyrène, paille de maïs, fumier de cheval, feuilles mortes, herbes broyées, sciure de bois, mauvaises herbes, paille, etc.

03 film de paillis

En recouvrant le sol d'un film plastique, la lumière du soleil peut le traverser pendant la journée, et le sol absorbe la chaleur solaire et se réchauffe. De plus, le film plastique bloque le rayonnement infrarouge réfléchi par le sol, réduisant ainsi les pertes par rayonnement et augmentant sa capacité de stockage de chaleur. La nuit, le film plastique limite les échanges thermiques par convection entre le sol et l'air intérieur, réduisant ainsi les pertes de chaleur du sol. Parallèlement, il réduit également les pertes de chaleur latente dues à l'évaporation de l'eau du sol. Wei Wenxiang a recouvert une serre de film plastique sur le plateau du Qinghai, et son expérience a montré que la température du sol pouvait augmenter d'environ 1 °C.

Renforcer les performances d'isolation thermique du toit avant

La toiture avant d'une serre constitue la principale surface de dissipation thermique, et les pertes de chaleur qu'elle engendre représentent plus de 75 % des pertes thermiques totales de la serre. Par conséquent, renforcer l'isolation thermique de la toiture avant permet de réduire efficacement ces pertes et d'améliorer le confort thermique de la serre en hiver. Actuellement, trois principales mesures permettent d'améliorer l'isolation thermique de la toiture avant.

01 Un revêtement transparent multicouche est adopté.

Sur le plan structurel, l'utilisation d'un film double ou triple couche comme surface translucide d'une serre permet d'améliorer efficacement son isolation thermique. Par exemple, Zhang Guosen et ses collaborateurs ont conçu une serre solaire enterrée à double arche et double film dans la région de Gobi, à Jiuquan. La face avant du toit est recouverte d'un film EVA, tandis que l'intérieur est constitué d'un film PVC anti-vieillissement et anti-goutte. Les expériences montrent que, comparée aux serres solaires traditionnelles de deuxième génération, l'isolation thermique est remarquable, avec une augmentation moyenne de la température minimale nocturne de 2 à 3 °C. De même, Zhang Jingshe et ses collaborateurs ont conçu une serre solaire à double revêtement adaptée aux caractéristiques climatiques des hautes latitudes et des régions très froides, ce qui a permis d'améliorer significativement l'isolation thermique. Par rapport à une serre témoin, la température nocturne a augmenté de 3 °C. Par ailleurs, Wu Letian et ses collaborateurs ont testé l'utilisation de trois couches de film EVA de 0,1 mm d'épaisseur sur la face avant du toit d'une serre solaire conçue dans le désert de Hetian, au Xinjiang. Les films multicouches permettent de réduire efficacement les pertes de chaleur de la toiture avant. Cependant, comme la transmission lumineuse d'un film monocouche est d'environ 90 %, les films multicouches entraînent naturellement une atténuation de la lumière. Par conséquent, lors du choix d'un revêtement multicouche à transmission lumineuse, il est essentiel de prendre en compte les conditions et les besoins d'éclairage des serres.

02 Renforcer l'isolation nocturne du toit avant

Un film plastique est utilisé sur la toiture avant pour augmenter la transmission de la lumière pendant la journée, mais cette partie devient le point faible de la serre la nuit. Par conséquent, recouvrir la surface extérieure de la toiture avant d'une épaisse couverture isolante thermique composite est une mesure d'isolation thermique indispensable pour les serres solaires. Par exemple, dans la région alpine du Qinghai, Liu Yanjie et ses collaborateurs ont utilisé des rideaux de paille et du papier kraft comme couvertures isolantes lors d'expérimentations. Les résultats ont montré que la température intérieure minimale dans la serre pouvait atteindre plus de 7,7 °C la nuit. De plus, Wei Wenxiang estime que les pertes de chaleur d'une serre peuvent être réduites de plus de 90 % dans cette région grâce à l'utilisation de rideaux de paille doubles ou de papier kraft recouvrant ces rideaux. Par ailleurs, Zou Ping et ses collaborateurs ont utilisé une couverture isolante en feutre aiguilleté de fibres recyclées dans une serre solaire de la région de Gobi, au Xinjiang, et Chang Meimei et ses collaborateurs ont utilisé une couverture isolante en coton sandwich dans une serre solaire de la région de Gobi, dans le corridor du Hexi. Actuellement, de nombreux types de couvertures isolantes thermiques sont utilisés dans les serres solaires. La plupart sont fabriquées en feutre aiguilleté, en coton encollé, en coton perlé, etc., avec des couches de surface imperméables ou anti-vieillissement sur les deux faces. Pour améliorer les performances d'isolation thermique d'une couverture isolante, il convient d'améliorer sa résistance thermique et de réduire son coefficient de transfert thermique. Les principales solutions consistent à réduire la conductivité thermique des matériaux, à augmenter l'épaisseur ou le nombre de couches, etc. C'est pourquoi, aujourd'hui, le matériau de base des couvertures isolantes thermiques à haute performance est souvent constitué de matériaux composites multicouches. Selon les tests, le coefficient de transfert thermique de ces couvertures peut atteindre 0,5 W/(m²°C), ce qui garantit une meilleure isolation thermique des serres dans les régions froides en hiver. Dans le nord-ouest, où le vent, la poussière et le rayonnement ultraviolet sont intenses, la couche de surface de la couverture isolante doit présenter une bonne résistance au vieillissement.

03 Ajouter un rideau d'isolation thermique intérieur.

Bien que la toiture avant de la serre solaire soit recouverte d'une membrane d'isolation thermique extérieure la nuit, elle demeure, de par sa structure, un point faible durant cette période. C'est pourquoi l'équipe du projet « Structure et technologie de construction des serres en zones non arables du Nord-Ouest » a conçu un système d'isolation thermique intérieure simple et enroulable (Figure 1). Ce système se compose d'un rideau d'isolation thermique fixe à la base avant et d'un rideau mobile dans la partie supérieure. Ce dernier est ouvert et replié contre la paroi arrière de la serre durant la journée, sans affecter la luminosité. La membrane d'isolation fixe assure l'étanchéité nocturne. Ce système d'isolation intérieure est simple et facile à utiliser, et offre également des fonctions d'ombrage et de rafraîchissement en été.

technologie de réchauffement actif

En raison des basses températures hivernales dans le nord-ouest de la Chine, si nous comptons uniquement sur la conservation et le stockage de la chaleur dans les serres, nous ne pourrons toujours pas satisfaire aux exigences de la production hivernale des cultures par temps froid ; des mesures de réchauffement actives sont donc également envisagées.

système de stockage d'énergie solaire et de libération de chaleur

Le fait que les murs assurent à la fois la conservation et le stockage de la chaleur, ainsi que la portance, est une des principales raisons du coût de construction élevé et du faible taux d'utilisation du sol des serres solaires. Par conséquent, la simplification et l'assemblage des serres solaires constituent un axe de développement majeur pour l'avenir. Parmi les solutions envisagées, la simplification des fonctions des murs consiste à les décharger de leurs fonctions de stockage et de restitution de chaleur, de sorte que le mur arrière n'assure plus que la conservation de la chaleur. Il s'agit d'une méthode efficace pour simplifier le développement de ces serres. Par exemple, le système actif de stockage et de restitution de chaleur de Fang Hui (Figure 2) est largement utilisé dans les régions non cultivées telles que le Gansu, le Ningxia et le Xinjiang. Son dispositif de captage de chaleur est installé sur le mur nord. Durant la journée, la chaleur captée est stockée dans le corps de stockage grâce à la circulation du fluide caloporteur. La nuit, cette chaleur est restituée et chauffée par la même circulation, assurant ainsi un transfert de chaleur spatio-temporel. Les expériences montrent que ce dispositif permet d'augmenter la température minimale dans la serre de 3 à 5 °C. Wang Zhiwei et al. ont proposé un système de chauffage par rideau d'eau pour les serres solaires dans la zone désertique du sud du Xinjiang, qui peut augmenter la température de la serre de 2,1℃ la nuit.

Par ailleurs, Bao Encai et al. ont conçu un système de circulation active pour le stockage de chaleur du mur nord. En journée, grâce à la circulation de ventilateurs axiaux, l'air chaud intérieur circule dans le conduit de transfert de chaleur intégré au mur nord. Ce conduit échange alors de la chaleur avec la couche de stockage thermique interne au mur, ce qui améliore considérablement sa capacité de stockage. De plus, le système de stockage de chaleur à changement de phase solaire conçu par Yan Yantao et al. stocke la chaleur dans des matériaux à changement de phase grâce à des capteurs solaires pendant la journée, puis la dissipe dans l'air intérieur par circulation d'air la nuit, permettant ainsi d'augmenter la température moyenne de 2 °C durant la nuit. Ces technologies et équipements d'utilisation de l'énergie solaire présentent l'avantage d'être économiques, économes en énergie et à faible émission de carbone. Après optimisation et amélioration, ils devraient trouver de nombreuses applications dans les régions du nord-ouest de la Chine, riches en ressources solaires.

Autres technologies de chauffage auxiliaire

01 Chauffage à l'énergie biomasse

La litière, la paille, le fumier de vache, de mouton et de volaille sont mélangés à des bactéries biologiques et enfouis dans le sol de la serre. Le processus de fermentation génère une chaleur importante et produit une grande quantité de souches bénéfiques, de matière organique et de CO2. Les souches bénéfiques peuvent inhiber et éliminer divers germes, réduisant ainsi l'apparition de maladies et de ravageurs dans la serre. La matière organique sert d'engrais pour les cultures, tandis que le CO2 produit stimule la photosynthèse. Par exemple, Wei Wenxiang a enfoui des engrais organiques chauffés, tels que du fumier de cheval, de vache et de mouton, dans le sol d'une serre solaire du plateau du Qinghai, ce qui a permis d'augmenter efficacement la température du sol. Dans une serre solaire du désert du Gansu, Zhou Zhilong a utilisé de la paille et des engrais organiques pour la fermentation entre les cultures. Les tests ont montré une augmentation de température de 2 à 3 °C dans la serre.

02 chauffage au charbon

Il existe des poêles artificiels, des chauffe-eau à économie d'énergie et des systèmes de chauffage. Par exemple, après une enquête menée sur le plateau du Qinghai, Wei Wenxiang a constaté que le chauffage par four artificiel était principalement utilisé localement. Cette méthode de chauffage présente l'avantage d'une montée en température plus rapide et d'une efficacité notable. Cependant, la combustion du charbon produit des gaz nocifs tels que le SO₂, le CO et le H₂S ; il est donc indispensable d'assurer une bonne évacuation de ces gaz.

03 chauffage électrique

Utilisez un fil chauffant électrique pour chauffer la toiture avant de la serre, ou un radiateur électrique. L'effet chauffant est remarquable, l'utilisation est sûre, aucun polluant n'est généré dans la serre et le système de chauffage est facile à contrôler. Chen Weiqian et ses collègues estiment que les dégâts causés par le gel en hiver dans la région de Jiuquan freinent le développement de l'agriculture locale du désert de Gobi, et que des éléments chauffants électriques peuvent être utilisés pour chauffer les serres. Cependant, l'utilisation de ressources énergétiques électriques de haute qualité entraîne une consommation d'énergie et un coût élevés. Il est donc conseillé de n'utiliser cette solution qu'en cas de grand froid, comme chauffage d'appoint temporaire.

mesures de gestion environnementale

Lors de la production et de l'utilisation d'une serre, l'équipement complet et son fonctionnement normal ne suffisent pas à garantir que son environnement thermique réponde aux exigences de conception. En réalité, l'utilisation et la gestion de l'équipement jouent souvent un rôle clé dans la formation et le maintien de cet environnement thermique, notamment la gestion quotidienne de l'isolation thermique et de la ventilation.

Gestion de la couette d'isolation thermique

La couverture isolante est essentielle à l'isolation thermique nocturne de la toiture. Il est donc primordial d'optimiser sa gestion et son entretien quotidiens, en portant une attention particulière aux points suivants : ① Choisir le bon moment pour ouvrir et fermer la couverture isolante. Ces moments influencent non seulement la durée d'éclairage de la serre, mais aussi son processus de chauffage. Ouvrir ou fermer la couverture trop tôt ou trop tard nuit à l'accumulation de chaleur. Le matin, si elle est découverte trop tôt, la température intérieure chutera excessivement en raison des basses températures extérieures et du faible ensoleillement. À l'inverse, si elle est découverte trop tard, la durée d'ensoleillement sera réduite et la montée en température intérieure sera retardée. L'après-midi, si elle est fermée trop tôt, la durée d'exposition au soleil sera trop courte et le stockage de chaleur dans le sol et les parois intérieures sera insuffisant. Au contraire, si l'isolation thermique est désactivée trop tard, la dissipation de chaleur de la serre augmentera en raison de la basse température extérieure et du faible ensoleillement. Par conséquent, en règle générale, lorsque l'isolation thermique est activée le matin, il est conseillé d'attendre une baisse de température de 1 à 2 °C avant de l'activer, et inversement, lorsqu'elle est désactivée, il est conseillé d'attendre une baisse de température de 1 à 2 °C avant de l'activer. 2. Lors de la fermeture de l'isolation thermique, assurez-vous qu'elle recouvre bien toute la façade et ajustez-la si nécessaire. 3. Une fois l'isolation thermique complètement posée, vérifiez que la partie inférieure est bien tassée afin d'éviter que le vent nocturne ne la soulève et n'altère son efficacité. 4. Contrôlez et entretenez régulièrement l'isolation thermique, et réparez ou remplacez-la sans tarder en cas de dommages. 5. Surveillez les conditions météorologiques. En cas de pluie ou de neige, recouvrez la couette d'isolation thermique à temps et déneigez-la régulièrement.

Gestion des conduits d'aération

L'objectif de la ventilation en hiver est double : réguler la température de l'air pour éviter les températures excessives en milieu de journée ; éliminer l'humidité intérieure, réduire l'hygrométrie dans la serre et lutter contre les ravageurs et les maladies ; augmenter la concentration de CO2 à l'intérieur et favoriser la croissance des cultures. Cependant, ventilation et maintien de la chaleur sont des notions contradictoires. Une ventilation mal gérée peut entraîner des problèmes de refroidissement. Il est donc nécessaire d'ajuster en permanence la durée et le moment d'ouverture des aérations en fonction des conditions environnementales de la serre. Dans les zones non cultivées du nord-ouest, la gestion des aérations de serre se divise principalement en deux méthodes : la commande manuelle et la ventilation mécanique simple. Or, le réglage de la durée d'ouverture et de ventilation repose souvent sur le jugement humain, ce qui peut conduire à une ouverture trop précoce ou trop tardive. Pour pallier ces problèmes, Yin Yilei et al. ont conçu un dispositif de ventilation intelligent pour toiture, capable de déterminer la durée et l'amplitude d'ouverture des orifices de ventilation en fonction des variations de l'environnement intérieur. Avec l'approfondissement des recherches sur les lois du changement environnemental et des besoins des cultures, ainsi que la popularisation et le progrès des technologies et des équipements tels que la perception environnementale, la collecte d'informations, l'analyse et le contrôle, l'automatisation de la gestion de la ventilation dans les serres solaires devrait constituer une orientation de développement importante à l'avenir.

Autres mesures de gestion

Lors de l'utilisation de différents types de films de protection solaire, leur capacité de transmission de la lumière diminue progressivement. La vitesse de cette diminution dépend non seulement de leurs propriétés physiques, mais aussi de l'environnement et de leur entretien. Le principal facteur de cette baisse de transmission est la pollution de la surface du film. Il est donc primordial de procéder à un nettoyage régulier dès que possible. Par ailleurs, l'étanchéité de la structure de la serre doit être vérifiée régulièrement. Toute fuite au niveau des parois ou du toit doit être réparée sans délai afin d'éviter les infiltrations d'air froid.

Problèmes existants et orientations de développement

Depuis de nombreuses années, les chercheurs étudient les technologies de conservation et de stockage de la chaleur, ainsi que les méthodes de gestion et de réchauffement des serres dans les zones non cultivées du nord-ouest de la Chine. Grâce à ces travaux, la production hivernale de légumes est désormais possible, la résistance des serres aux dommages causés par le froid est considérablement améliorée, et la production de légumes pendant l'hiver est devenue une avancée majeure. Ces recherches ont contribué de manière significative à atténuer le conflit entre l'alimentation humaine et maraîchère en Chine, lié à la concurrence pour l'accès à la terre. Cependant, des problèmes subsistent concernant les technologies de maintien de la température dans le nord-ouest de la Chine.

Types de serres à moderniser

Actuellement, les serres les plus courantes datent de la fin du XXe siècle et du début du XXIe siècle. Elles se caractérisent par une structure simple, une conception peu rationnelle, une faible capacité à maintenir un environnement thermique adéquat, une grande résistance aux catastrophes naturelles et un manque de standardisation. Par conséquent, la conception future des serres devra standardiser la forme et l'inclinaison de la toiture avant, l'angle d'azimut, la hauteur du mur arrière et la profondeur d'enfouissement, en tenant pleinement compte des spécificités géographiques (latitude et climat). De plus, il sera préférable de limiter la culture à une seule espèce par serre, afin d'assurer une adaptation optimale aux besoins en lumière et en température des cultures.

La taille de la serre est relativement petite.

Si la taille des serres est insuffisante, la stabilité de leur environnement thermique et le développement de la mécanisation s'en trouveront affectés. Face à l'augmentation progressive du coût de la main-d'œuvre, la mécanisation représente un axe de développement majeur. Par conséquent, il convient à l'avenir de s'appuyer sur le niveau de développement local, de prendre en compte les besoins en matière de mécanisation, de concevoir rationnellement l'espace intérieur et l'agencement des serres, d'accélérer la recherche et le développement d'équipements agricoles adaptés aux spécificités locales et d'améliorer le taux de mécanisation de la production sous serre. Parallèlement, en fonction des besoins des cultures et des modes de production, les équipements doivent être conformes aux normes, et la recherche et le développement intégrés, l'innovation et la diffusion des systèmes de ventilation, de réduction de l'humidité, de conservation de la chaleur et de chauffage doivent être encouragés.

L'épaisseur des parois, comme celles en sable et en blocs creux, reste importante.

Si le mur est trop épais, malgré une bonne isolation, il réduira le taux d'utilisation du sol et augmentera les coûts et la complexité de la construction. Par conséquent, à l'avenir, il conviendra d'optimiser scientifiquement l'épaisseur du mur en fonction des conditions climatiques locales. Il est également important de privilégier une conception légère et simplifiée du mur arrière, afin que celui-ci ne conserve que sa fonction d'isolation thermique. Le stockage et la diffusion de la chaleur par le mur seront alors remplacés par des capteurs solaires et autres équipements. Les capteurs solaires se caractérisent par un rendement et une capacité de captation de chaleur élevés, une faible consommation d'énergie et un faible impact carbone. La plupart permettent une régulation active et un contrôle précis, et peuvent effectuer un chauffage exothermique ciblé la nuit, en fonction des besoins environnementaux de la serre, pour une utilisation optimale de la chaleur.

Il est nécessaire de développer une couette à isolation thermique spéciale.

La toiture avant constitue le principal élément de dissipation de chaleur dans une serre, et les performances d'isolation thermique de la couverture isolante influent directement sur le confort thermique intérieur. Actuellement, dans certaines régions, la température ambiante des serres est insatisfaisante, notamment en raison de la faible épaisseur de la couverture isolante et de l'insuffisance des matériaux utilisés. Par ailleurs, la couverture isolante présente encore des inconvénients, tels qu'une étanchéité et une perméabilité au gel insuffisantes, ainsi qu'un vieillissement prématuré des matériaux de surface et d'âme. Il est donc essentiel, à l'avenir, de sélectionner scientifiquement des matériaux d'isolation thermique adaptés aux caractéristiques et exigences climatiques locales, et de concevoir et développer des couvertures isolantes spécifiques, adaptées aux besoins locaux et destinées à une diffusion plus large.

FIN

Informations citées

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi, etc. État de la recherche sur la technologie de garantie de température environnementale des serres solaires sur les terres non cultivées du nord-ouest [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(28):12-20.