La serre bioclimatique

Pourquoi une serre « bioclimatique » ?

L'objectif principal de la serre bioclimatique est de pouvoir planter et récolter plus précocement (on peut gagner 1 voire 2 mois) sans avoir recours à aucune source d’énergie extérieure.

Pour cela, il faut réussir à maintenir la serre hors gel, uniquement avec l'énergie du soleil.

La serre permet aussi de produire des légumes feuille et des plantes aromatiques en hiver, sans oublier de conserver vos plantes/fleurs à l’abri du gel.

Comment ça fonctionne en hiver ?

La serre bioclimatique

· Laisse rentrer l’énergie solaire pendant la journée par la face sud (1)

· La stocke durant la journée (2)

· La restitue la nuit ou lors de séquences nuageuses (3)

· Est isolée pour réduire les pertes thermiques (4)

La paroi sud

La paroi sud est (bien sûr) transparente (verre, polycarbonate, …) pour que les rayons du soleil pénètrent dans la serre. Sans soleil, pas d’énergie !

Début février, le soleil est situé à midi (midi solaire) à environ 25° au dessus de l’horizon. Pour recueillir un maximum d’énergie solaire, l’inclinaison de la paroi sud doit être d’environ 60 à 70° par rapport à l'horizontale. Dans cette position, elle est quasiment perpendiculaire aux rayons du soleil. Si on s’éloigne de cette position, les rayons seront en partis réfléchis par la paroi et la serre sera moins chauffée.

Vous pouvez calculer l'optimum selon votre latitude sur le site CALSOL.

Le fait d'incliner la parois sud, va permettre de gagner 10 %à 30% d'apport solaire en plus.

Ce n'est pas négligeable, mais attention dans ce cas l’étanchéité de cette façade est plus complexe. Le risque de fuite est important, et donc de pourrissement des bois. La mise en œuvre doit être parfaite.

Il est parfois plus raisonnable de rester sur un mur droit pour s'éviter des problèmes, surtout dans les régions ou il pleut souvent. Ca marche bien aussi.

source image: https://mon-potager-en-carre.fr

Les autres parois

Les parois est et ouest ne reçoivent quasiment pas de soleil. Il est préférable qu'elles soient opaques, afin d'être mieux isolées du froid.

La paroi nord ne voit jamais le soleil. Elle doit être isolée ou semi-enterrée.

La toiture reçoit assez peu d’énergie en journée, mais par sa grande taille, elle pourrait laisser s’échapper beaucoup de calories la nuit. Elle doit elle aussi être isolée. Suivant la configuration de la serre, elle pourra être en partie transparente pour pouvoir travailler avec un meilleur éclairage.

Le stockage de l’énergie

Une partie de l’énergie solaire est diffusée dans la serre immédiatement, et contribue à augmenter la température intérieure.

Une partie est absorbée dans le sol et dans les murs périphériques (Nord, Est et Ouest), sans quoi il pourrait y avoir surchauffe.

La restitution de l’énergie

L'énergie stockée le jour est relâché pendant la nuit ou pendant les épisodes nuageux, ce qui permet à la serre d'être hors-gel. Plus la quantité et la masse des murs est importante, plus la température est stable dans la serre.

La bonne isolation des murs vers l'extérieur et de la présence d'une lame d'air dans les plaques de polycarbonate du toit, conserve cette chaleur dans la serre.

Comment ça fonctionne en été ?

Le principal risque en été est la surchauffe. Pour éviter la surchauffe, la serre doit :

- Avoir des murs Ouest et Est le plus opaque possible (en été le soleil chauffe beaucoup ces parois).

- Avoir une toiture opaque, isolée ou végétalisée, avec une plante grimpante à feuille caduque par exemple.

- Et surtout être fortement ventilée, en particulier en partie haute.

Sur ce dernier point, il faut essayer que la surface des ouvertures représente au moins 20% de la surface vitrée. Avec une répartition de 1/3 de cette surface en partie basse et 2/3 en partie haute.

Il existe des compas d'ouverture de lucarne automatique, qui s'ouvrent et se ferment automatiquement dés qu'il fait trop chaud. Ils fonctionnent sans énergie, avec un gaz qui se comprime dans un piston (voir lien vers un catalogue d'accessoires à la fin de cette page).

Schéma de principe d’une serre semi-enterrée avec une face sud protégée par une pergola (chaleur d’été)

Une serre pour cultiver quoi ?

Maraîchage

@ Agrithermic

Pour faire du maraîchage, on a besoin de surface au sol. Le stockage de chaleur pourra être réalisé sous la forme d’un mur lourd en fond de serre, côté nord.

Le rayonnement direct du soleil et la température de l’air ambiant chauffera le mur pendant la journée.

Le mur pourra être légèrement isolé par l’extérieur pour limiter la perte de chaleur pendant l’hiver.

Horticulture et production de plants

@ Agrithermic

Pour l’horticulture et la production de plant, on pourra travailler sur table. Le stockage de chaleur devra être placé sous les tables.

Dans cette configuration, les rayons du soleil ne réchaufferont pas directement la masse du système de stockage. L’air devra pouvoir circuler au sein du système de stockage pour qu’ils puissent réguler correctement le climat.

Quels matériaux pour stocker la chaleur ?

Le matériaux qui stocke la chaleur est souvent placée au Nord fond de la serre. Une fois chaud, le matériaux rayonnera vers l'intérieur de la serre. C'est pour cela qu'il est préférable de l'isoler sur la face nord.

Ensuite, il faut savoir que passer 4 ou 5 m ce rayonnement n'a plus vraiment d'effet. Il est donc préférable de ne pas dépasser cette profondeur pour la serre.

Il faut ensuite choisir un matériaux qui stocke le plus de chaleur possible.

Ci-dessous un tableau qui vous donne le temps de déphasage d'une parois en fonction en fonction de l'épaisseur et de la nature du matériaux.

Il faut viser un déphasage entre 6h00 et 12h00.

Mais un matériaux peut avoir un long déphasage comme le bois, mais être léger et donc stocker peu de calorie.

Il faut donc aussi un matériaux dense.

Une serre en climat très froid utilisant de la terre comme source d'inertie. Elle est semi-enterré augmenter encore l'inertie.

L’eau

Pour faire varier la température d’un kg de minéral (terre, sable) de 1°C, il faut lui apporter environ 1000 Joules.

Pour faire varier la température d’un kg d’eau de 1°C, il faut lui apporter environ 4200 Joules donc 4 fois plus!

L’eau est donc l'un des matériaux qui possède la plus forte capacité thermique et c’est celui qui coûte le moins cher. C’est donc l’eau qui amortira le mieux les variations de température dans votre serre.

De plus l'eau est un matériau à changement de phase autours de 0°C, c'est à dire qu'en gelant l'eau libère des calories. Donc si il commence à geler dans la serre, tant qu'il restera de l'eau liquide, la température ne descendra pas en dessous de zéro, ce qui protégera les plants.

Des bouteilles, bidons ou fûts (noir si possible) pourront être utilisés pour stocker l’eau. Le noir absorbe mieux la chaleur que les autres couleurs. Ils pourront être empilés pour former un mur (nord) ou disposés sous les tables de travail. Les déchetteries regorgent de bidons d’éthanol vides.

@ Agrithermic

Réaliser un mur d’eau permettra de capter directement les rayons du soleil hivernaux et offrira une grande surface de captation.

Pour augmenter la quantité d'eau, vous pouvez aussi enterrer des cuves d'eau de pluie.

Si vous laissez dépasser ces cuves, elle peuvent servir de table de culture.

Elle seront raccordée par un système de siphon haut (voir schéma de raccordement).

Les 8 cuve semi-enterré de la Serre bioclimatique de Chateauneuf le Rouge

Conception APTE - Réalisation Exebois.

Le système du siphon haut est simple et très fiable.

Le plus compliqué c'est de remplir les tuyau d'eau la 1er fois, surtout si les tuyaux sont gros et le siphon monte haut.

Il faut chasser l'air dans les tuyaux, il y'a plusieurs solutions:

Le système avec un entonnoir comme décrit dans le document ci-dessus. On remplit l'entonnoir, on l'ouvre pour chasser l'air qui remonte et on referme dés que le niveau d'eau arrive en bas de l'entonnoir. Et on recommence. Il ne doit jamais y avoir d'air qui rentre par cette vanne en point haut.
Aspirer l'air par le haut avec un gros aspirateur fait pour les liquides. (Il faut une aspiration de 0.1bar par mètre de hauteur, soit 10 KPa. Un aspirateur classique fait autours de 30 à 40kpa, soit 3 à 4m d'aspiration).
Le plus efficace, boucher tout les siphons en partie basse, et remplir par le haut. Mais ça suppose de descendre au fond des cuves, qui doivent être presque vides.

La terre crue, les briques, …

@ GERES

Si vous n’optez pas pour l’eau, vous pouvez construire un mur lourd (briques pleines, …) et le peindre en noir pour qu’il capte mieux le rayonnement solaire.

Pour stocker la même quantité de chaleur, il faudra 4 fois plus de matériau (en masse).

Mais la terre crue à la capacité de stocker beaucoup d'humidité, ce qui améliore notoirement ses performances par rapport à un autre matériaux inerte que le béton de ciment par exemple. A ce sujet, voyez notre page sur l’étanchéité à l'air qui explique ce phénoméne.

Toutes les techniques suivantes à base de terre peuvent être intéressantes pour cet usage: BTC, Pisé, Adobe, Terre-paille, chocopops, enduit terre...

Sur le même principe, on peut aussi enterré en partie cette serre pour bénéficier de l'inertie du sol. Attention dans ce cas à 2 points:

- Le sol doit être assez compact et résistant pour que les bords ne s'effondre pas à la première pluie. Ou il faut les renforcer.

- Il faut pouvoir évacuer l'eau par un bon drainage pour que votre serre ne se transforme pas en piscine.

Quels matériaux pour les parties transparentes?

En hiver, la serre doit laisser passer le rayonnement solaire le jour et doit limiter la déperdition de chaleur la nuit. Elle doit aussi vous permettre de travailler debout, de circuler, de pouvoir être ouverte l’été pour évacuer la chaleur, de résister au vent, …

Le compromis entre la transparence et l’isolation est souvent trouvé par l’intermédiaire de plaques rigides en polycarbonate alvéolaire.

Les bâches plastiques transparentes pour serre (200 microns) peuvent poser des difficultés en zone ventées et n’isolent ni du chaud ni du froid. De la condensation peut se former sous la bâche. Par contre, elles s’adaptent facilement aux ossatures en arc de cercle. On voit souvent une combinaison des deux.

Le verre peut être utilisé, notamment à partir de vitrage de récupération. Un simple vitrage est préférable pour la façade sud, un double vitrage apportera moins de chaleur en journée. Attention au verre pour le toit, il doit être incliné à 45° pour résister à la grelle.

Les serres « hautes performances » incluent des rideaux occultant intérieurs déployés en hiver pour limiter les déperditions la nuit et en été pour limiter les apports solaires par la toiture. Attention néanmoins à ne pas faire la grasse matinée si le système n’est pas automatisé, le soleil n’attend pas !

Facteur solaire et transmission lumineuse

Pour mesurer la performance d'une parois translucide, il y'a 2 valeurs:

Le facteur solaire g:

Il idique la quantité d'energie qui passe à travers la parois.

Le g d'un simple vitrage est de 0.85. Il laisse donc passer 85% de l'énergie solaire.

Un double vitrage sera plutôt à 0.75. Donc 10% de moins.

Une plaque de polycarbonate alvéolée de 16mm est à 0.71. Donc 14% d'énergie en moins qu'un simple vitrage.

La transmission lumineuse :

Ici c'est la quantité de lumière qui passe au travers de la parois qui est mesuré.

Pour un simple vitrage, une bâche plastique de serre performante et du plaque de polycarbonate simple (type tôle nervuré transparente), nous sommes à 0.9. Donc 90% de la lumière passe.

Avec un polycarbonate alvéolé de 16mm on descend à 0.76, soit 14% de lumière en moins.

Sur des serres de plants, ça peut avoir un impact. On a déjà observé des plants qui s'étiolent en début d'hiver sur des serres en polycarbonate alvéolé.

Quels matériaux pour l'isolant?

Le mur nord est souvent isolé, l'isolant doit répondre à 2 critères:

Être capable de gérer l'humidité, et surtout être protéger de l'humidité intérieur de la serre, grâce à une bonne étanchéité à l'air: enduits ou plaques, ou freins-vapeur.
Être résistant aux rongeurs ou protégé de ceux-ci.

En effet, une serre bioclimatique, il fait chaud en hiver et il y a manger. C'est donc l'endroit réer pour les rongeurs.

Parmi les isolants que nous recommandant il y'a: La paille de lavande, la botte de paille, le terre-paille, le liège, la ouate de cellulose, la fibre de bois dense, le verre cellulaire...

Soit un isolant dense, soit répulsif!

Et dans tout les cas, il vous faudra mettre des pièges ou avoir des chats!

Quelle structure utilisée?

Le métal ou le bois peuvent être utilisé. Le bois est plus facile à travaillé.

Attention a correctement dimensionner la structure, l'erreur serait de la sous-dimensionner au prétexte qu'elle supporte des matériaux léger (plastique, polycarbonate). Au contraire plus le toit est léger, plus il risque de s'arracher sous la force du vent. De même, il faut s'assurer d'un ancrage correctement dimensionné du bâtiment dans le sol.

Voyez notre page sur l'ossature bois.

Attention, si vous ne souhaitez pas avoir de bois traité, il faut choisir les bonne essences de bois. La serre est un milieu humide et chaud, propice au développement des champignons. Il faut au moins du bois de classe3, et voir de classe 4 pour les lisses basses.

Et même comme ça, le bois ne doit être en contact permanent avec de l'eau liquide. Donc attention au système d'arrosage par aspersion. Il ne doit pas faire couler de l'eau régulièrement sur l'ossature. Le bois doit rester majoritairement sec au touché.

Et pour l'habitation?

Ce type de serre peut être utilisé pour chauffer un bâtiment. Il suffit de l'accoler à la partie sud du bâtiment et de respecter les même principes.

On se servira du mur intermédiaire pour stocker la chaleur, et la renvoyer vers le bâtiment.

Attention pour la partie sud de la France, ce type de serre peut provoquer des surchauffes importantes en été. Il faut qu'elle puisse être fortement ventilées, et préféré une toiture opaque ou végétalisée

Des exemples de serre bioclimatique

En vidéo: La serre bioclimatique du domaine de fontenille à Lauris (84) réalisé par l'Association Le Village et APTE à l'aide de la fondation Ivory

Une description détaillé de cette serre sur cette page.

Une exemple de serre faites en autoconstruction avec de la récup, et un peu pendant une de nos formations.

Une serre semi enterrée dans les Hautes Alpes (isolation toiture en balle de riz)

Le GERES travaille aussi depuis longtemps sur l'accompagnement à la réalisation de serres bioclimatiques, voici leurs retours d'expériences:

Le GERES propose un accompagnement gratuit pour la conception des serres bioclimatique pour les agriculteurs et porteurs de projet en région PACA uniquement.