Brevet FR3129270A1 — publié le 20230526

L’invention concerne un système [passif de régulation thermique (10) pour serre agricole (200), comprenant au moins un réservoir (20) absorbeur/diffuseur et accumulateur de chaleur destiné à être exposé au rayonnement solaire, caractérisé en ce que ledit réservoir (20) comporte une paroi (30) formant un absorbeur/diffuseur de chaleur apte à être chauffé par rayonnement solaire, et un accumulateur (40) de chaleur apte à stocker de l’énergie calorifique absorbée par la paroi (30), la paroi (30) étant apte à transférer de la chaleur à l’accumulateur (40), et apte à transférer puis diffuser la chaleur ou la fraicheur de l’accumulateur (40) vers l’extérieur du réservoir (20). Figure pour l’abrégé : figure 2 Système passif de régulation thermique passive pour serre agricole L’invention concerne un système passif de régulation thermique pour serre bioclimatique. On appelle système bioclimatique, un système apte à tirer parti des conditions du site d’installation du système et de son environnement. L'invention s'applique plus particulièrement au chauffage d'une serre agricole et à la stabilisation de sa température en utilisant le rayonnement solaire. Afin de pouvoir cultiver des plantes en serre agricole, il est nécessaire d'apporter de la lumière et de la chaleur en proportion appropriée. En effet, les plantes poussent dans une gamme de température restreinte. De façon générale, les serres bioclimatiques agricoles utilisant le rayonnement solaire stockent la chaleur du rayonnement solaire pendant la journée, et restituent cette chaleur pendant la nuit ou dans des conditions nuageuses. Pour cela, on expose des réservoirs calorifiques au rayonnement solaire dans la serre agricole. Les réservoirs calorifiques contiennent par exemple de l'eau ou des pierres ou peuvent être un mur en terre. En effet, l'eau et/ou les pierres et/ou la terre stockent la chaleur du rayonnement solaire et la réémettent lentement pendant la nuit. Cependant, l'eau et/ou les pierres/ la terre ne restituent pas la chaleur de façon stable, c'est-à-dire avec une température constante. La restitution de chaleur dépend des conditions climatiques extérieures et de la serre agricole. La température du réservoir calorifique dépend de l'ensoleillement, des températures intérieures et extérieures de la serre. Cette température est donc difficilement contrôlable, fluctuante et rarement adaptée aux températures demandées par les cultures. De plus, la quantité de chaleur stockée par l'eau et/ou les pierres et/ou la terre n'est pas toujours suffisante pour maintenir une serre agricole hors gel sur de longues périodes. On connaît aussi des réservoirs calorifiques contenant des matériaux à changement de phase (MCP ou PCM pour « Phase Change Material » en langue anglaise). Un matériau à changement de phase est une substance présentant une chaleur latente de fusion élevée, c'est-à-dire une substance capable de stocker et restituer une grande quantité de chaleur lors d'un changement de phase. Cependant, les réservoirs calorifiques de MCP présentent certains inconvénients liés au déplacement du front de solidification qui laisse une épaisseur d'une nouvelle phase solide réduisant les capacités d’échanges thermiques. Un autre inconvénient est le prix élevé des MCP, par exemple 2€ à 6€ par kilo, ce qui peut être prohibitif quand la serre agricole présente un grand volume à réguler en température. Enfin, les réservoirs calorifiques ne doivent pas bloquer le rayonnement solaire utile à la photosynthèse. Ainsi dans l’hémisphère nord, les serres bioclimatique classiques doivent être orientées suivant un axe est/ouest avec réservoir calorifique au nord et sont limitées à 10 m de large. Ces systèmes ne sont pas adaptés aux serres multi-chapelles de plus de 10 m de large. Dans l’hémisphère sud, les réservoirs calorifiques sont positionnés au sud. Dans les climats où l’ensoleillement diffus est dominant en hiver, le mur accumulateur de chaleur bloque une partie de cet ensoleillement diffus, ce qui limite la photosynthèse et engendre du tropisme. Ainsi, aucun système bioclimatique connu ne permet de répondre simultanément aux exigences suivantes : - adapté à tout type de serre (tunnel, multi-chapelle) et quelle que soit l’orientation de la serre ; - simple à mettre en œuvre ; - économique : sans coût de fonctionnement ; - robuste ; - efficace : gagner en précocité grâce aux calories stockées, et réduire le risque de gel ; - écologique : passif, aucune énergie nécessaire pour fonctionner. L'invention a notamment pour but de pallier au moins partiellement aux inconvénients précités, en proposant un système passif de régulation thermique pour serre agricole permettant de répondre aux exigences précitées, et de restituer la chaleur ou la fraicheur stockée avec une meilleure homogénéité et une plus faible dépendance aux conditions climatiques extérieures et présentant un coût réduit par rapport à l'art antérieur. A cet effet, la présente invention a pour objet un système passif de régulation thermique pour serre agricole, comprenant au moins un réservoir absorbeur/diffuseur et accumulateur de chaleur destiné à être exposé (directement ou indirectement) au rayonnement solaire, dans lequel le réservoir comporte une paroi formant un absorbeur de chaleur apte à être chauffé par rayonnement solaire, et un accumulateur de chaleur apte à stocker de l’énergie calorifique absorbée par la paroi, la paroi étant apte à transférer de la chaleur à l’accumulateur, et apte à transférer puis diffuser la chaleur ou la fraicheur de l’accumulateur vers l’extérieur du réservoir. Un tel système passif de régulation thermique permet notamment aux maraîchers, horticulteurs, pépiniéristes, fraisiculteurs et arboriculteurs produisant sous serres de gagner en précocité, d’allonger la saison automnale et d’augmenter les rendements sans aucun chauffage. Il permet aussi de conserver davantage leurs serres hors gel. En période diurne chaude, la température de feuille est plus tempérée. Ceci est particulièrement efficace en période de canicule. Il permet aussi de maintenir le sol plus chaud. Le dispositif passif de régulation thermique s’installe dans tous types de serres, existantes ou neuves, quelle que soit la taille et l’orientation, que la culture soit en pleine terre, au sol, sur gouttière ou sous tablette. Le système innovant ne nécessite ni maintenance, ni cout de fonctionnement. Il permet de réduire la consommation énergétique de 50 à 100 kWh/m² suivant la zone géographique et le type de culture. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du système passif de régulation thermique prises seules ou en combinaison : - lorsque le réservoir est positionné dans une serre, la paroi possède une surface tournée vers des cultures maximisant le facteur de forme entre ladite surface tournée vers les cultures et une surface des cultures ; - l’accumulateur de chaleur a une capacité thermique volumique supérieure ou égale à celle de l’eau à l’était liquide ; - l’accumulateur de chaleur comporte un fluide et/ou un solide ; - le fluide est choisi seul ou combinaison parmi les fluides suivants : eau, eau contenant des additifs augmentant la capacité thermique massique de l’eau, par exemple des polymères, eau contenant des additifs augmentant les échanges thermiques avec la paroi par exemple des polymères, eau contenant des additifs antigel tels que des sels, biomasse végétale, eau contenant des matériaux à changement de phase ; - le solide est un solide constitué de matériaux à changement de phases, et/ou de la biomasse végétale ; - la conductivité thermique de la paroi est supérieure à 0,15 W m-1 K-1 à 20°C ; - la paroi est réalisée en un matériau sombre ayant un coefficient d'absorption solaire supérieur à 0,7, et/ou la paroi est recouverte d’un revêtement sombre ayant un coefficient d'absorption solaire supérieur à 0,7 ; - le revêtement est un revêtement solaire choisi parmi les revêtements suivants : • peinture solaire ; • revêtement en oxyde d’aluminium pigmenté au nickel ; • revêtement en sulfure/oxyde de cobalt ; • revêtement en chrome noir ; • revêtement nickel noir ; • revêtement cristal noir ; • acier émaillé ; • revêtement absorbeur d’humidité. - la paroi comporte un traitement anti-ultraviolet, tel qu’un revêtement anti-ultraviolet ; - la paroi est réalisée en un matériau choisi seul ou en combinaison parmi les matériaux suivants : plastique, polyéthylène, polychlorure de vinyle, métal ; - la paroi comporte au moins une première zone constituée d’un premier matériau, et une seconde zone constituée d’un second matériau, par exemple : • la première zone est la partie supérieure du réservoir et le premier matériau est un matériau absorbeur du rayonnement solaire ; • la seconde zone est la partie inférieure du réservoir et le second matériau est constituée d’un second matériau isolant thermiquement. - la paroi forme une gaine souple dont le module d’élasticité est inférieur à 0,7GPa, de préférence égale à 0,02GPa ; - la gaine souple a une forme sensiblement tubulaire ; - la gaine souple tubulaire est fermée à ses extrémités par un moyen de pincement, un clip, un nœud, une soudure ou un collage ; - la gaine souple forme une poche ; - la gaine souple est réalisée par un procédé de soudure ou collage d’un film, d’un tissu, ou d’une bâche plastique ou par un procédé d’extrusion de matière plastique ; - la paroi forme un tube rigide ; - la paroi a une forme sensiblement tubulaire de diamètre compris entre 20cm et 100cm, et de longueur comprise entre 10m et 100m ; - la paroi a une épaisseur comprise entre 0,3mm et 1cm ; - l’accumulateur comporte un fluide, et le réservoir comporte un moyen de remplissage en fluide ; - l’accumulateur comporte un fluide, et le réservoir comporte un moyen de vidange du fluide ; - le moyen de remplissage et le moyen de vidange constitue un même moyen ; - le moyen de remplissage et le moyen de vidange sont situés à deux extrémités opposés du réservoir ; - le moyen de remplissage et/ou le moyen de vidange comporte une ouverture munie d’un bouchon ; - le moyen de remplissage et/ou le moyen de vidange comporte un raccord du type « raccord pompier » soudé sur la paroi ou sur le bouchon ; - le moyen de vidange comporte une vanne à régulation de débit ; - le moyen de vidange comporte un système de modification réversible de la porosité de la paroi, afin que le fluide de l’accumulateur s’écoule lentement hors du réservoir afin de ne pas inonder la serre, ou l’environnement de la serre ; - le réservoir comporte une ouverture d’évacuation/aspiration d’air ; - le réservoir est connecté à un système de chauffage de l’accumulateur ; - le système de chauffage comporte un moyen chauffant, du type chaudière par exemple, apte à chauffer un fluide destiné à être injectée dans le réservoir ; - le système de chauffage comporte un moyen chauffant, du type chaudière par exemple, apte à chauffer un fluide remplissant un échangeur de chaleur localisé contre le réservoir, de préférence dessous, et apte à échanger de la chaleur avec le réservoir ; - le réservoir est connecté à un système de refroidissement de l’accumulateur ; - le système de refroidissement comporte un système d’injection d’eau inférieure à 10°C dans le réservoir ; - le système de refroidissement comporte un échangeur de chaleur localisé contre le réservoir, de préférence dessous, et apte à échanger de la chaleur avec le réservoir ; - le système comporte des moyens de fixation du réservoir à un support, tel qu’une tablette portant des plants de culture, une gouttière ou un long-pan ou une travée ; - le système comporte des moyens de stabilisation au sol de la position du réservoir, tels que des piquets ; - le système comporte des moyens de guidage de déploiement du réservoir afin de faciliter le déploiement du réservoir ; - les moyens de guidage de déploiement comportent au moins l’un des moyens suivants pris seul ou en combinaison : • des renforts locaux disposés le long d’une soudure de la paroi ; • des guides tubulaires destinés à être positionnés au sol ; • un renfort longitudinal le long d’une soudure de la paroi. L’invention concerne également une serre agricole comprenant au moins un système passif de régulation thermique selon l’invention. Suivant d’autres caractéristiques optionnelles de la serre prises seules ou en combinaison : - le système passif de régulation thermique est positionné sans occasionner d'ombrage à des cultures de la serre, face au rayonnement solaire, et en vis-à-vis direct avec lesdites cultures, la paroi ayant une surface tournée vers les cultures maximisant un facteur de forme entre ladite surface tournée vers les cultures et une surface des cultures ; - au moins un réservoir d’un système passif de régulation thermique est positionné sur le sol ; - une première extrémité du réservoir est plus haute que la seconde extrémité du réservoir ; - la serre comporte des plants de cultures positionnés sur des tablettes, au moins un réservoir d’un système passif de régulation thermique étant fixé sous au moins une tablette ; - la serre comporte des gouttières au moins un réservoir d’un système passif de régulation thermique étant fixé sous au moins une gouttière ; - la serre comporte des long-pans, pignons ou travées, au moins un réservoir d’un système passif de régulation thermique étant fixé le long d’au moins un long-pan, pignon ou une travée ou le long de poteaux intérieurs ; - le réservoir fixé ne touche pas le sol ; - le réservoir fixé repose sur le sol ; - la serre comporte des plants de cultures, et un système passif de régulation thermique est placé de chaque côté des plants ou sur un seul côté ; - le réservoir contient plusieurs dizaines de litres de fluide accumulateur au mètre carré dans la serre ; - chaque système passif de régulation thermique posé au sol comporte un ensemble de piquets afin d’éviter un glissement de réservoir ; - la serre comporte au moins un ventilateur positionné au plafond de la serre, ou sur un support au-dessus des cultures ; - la serre comporte au moins une sonde pour mesurer la température de l’air ambiant et au moins une sonde pour mesurer la température au sein du réservoir ; - la serre comporte au moins un système de déshumidification de l’air de la serre. La présence de systèmes passifs de régulation thermique dans la serre réduit l’écart de température entre le jour et la nuit, ce qui permet de réduire le risque de gel et donc de planter beaucoup plus tôt en terre. Grâce à cette technique, la température de feuille est jusqu’à 4°C de plus que dans une serre classique pendant les périodes non ensoleillées. Les essais ont montré jusqu’à 1 mois de précocité et 5% de rendement en plus. L’investissement est également moindre que pour des serres classiques équipées de système de régulation actifs ou passifs selon l’art antérieur. Comme expliqué précédemment, les réservoirs calorifiques ne doivent pas bloquer le rayonnement solaire utile à la photosynthèse, ce qui implique des orientations précises pour les serres bioclimatiques classiques et leurs accumulateurs de chaleur. Or par rapport aux serres bioclimatiques connues, le système passif de régulation thermique selon l’invention s’intègre : - dans tous types de serres : tunnel, multi-chapelle, serre Venlo, grande portée ; - sans contraintes d’orientation ; - en construction ou rénovation ; - en pleine terre (le long des rangs de culture), au sol, sur gouttière ou sous tablette ; - en auto-installation. Brève description des figures L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue schématique en coupe d'une serre agricole comprenant un système passif de régulation thermique selon l’invention. la est une vue schématique d’un système passif de régulation thermique selon l’invention. la illustre un ensemble de quatre réservoirs, chacun étant muni d’un moyen de remplissage en fluide et d’un moyen de vidange d’un fluide de l’accumulateur de chaleur. la est un ensemble de figures, figures 4A à 4F, dans lequel : - la figure 4A illustre un système passif de régulation thermique comportant un réservoir muni d’un moyen de remplissage en fluide, un moyen de vidange du fluide plus haut que le moyen de remplissage, et un système d’évacuation/aspiration d’air (dégazage), dans lequel le remplissage se fait sous pression. - la figure 4B illustre le système passif de régulation thermique de la figure 4A, dans lequel la vidange se fait également sous pression. - la figure 4C illustre un système passif de régulation thermique comportant un réservoir muni d’un moyen de remplissage en fluide, un moyen de vidange du fluide plus bas que le moyen de remplissage, et un système d’évacuation/aspiration d’air (dégazage), dans lequel le remplissage se fait sans pression. - la figure 4D illustre le système passif de régulation thermique de la figure 4C, dans lequel la vidange se fait également sans pression. - la figure 4E illustre le remplissage du réservoir , selon une variante de réalisation, dans laquelle les deux extrémités sont surélevées, en étant rapportées sur des piquets. - la figure 4F illustre la vidange du réservoir, selon la variante de réalisation de la figure 4E. la illustre un système passif de régulation thermique dans lequel le réservoir comporte une ouverture fermée par un bouchon. la illustre un moyen de vidange du fluide muni d’une vanne à régulation de débit. la illustre un moyen de vidange du fluide muni d’un système de modification réversible de la porosité de la paroi du réservoir la une vue schématique en coupe d'une serre agricole comprenant un système de chauffage de l’accumulateur du réservoir. la est une vue de dessus du schéma de la . la une vue schématique en coupe d'une serre agricole comprenant un système de refroidissement de l’accumulateur du réservoir. la est une vue de dessus du schéma de la . la une vue schématique en coupe d'une serre agricole comprenant un système de stabilisation du réservoir. la est une vue de dessus du schéma de la . la illustre un système passif de régulation thermique comportant des moyens de guidage de déploiement du réservoir, formant des renforts de soudure disposés à intervalle régulier. la illustre un système passif de régulation thermique comportant un moyen de guidage de déploiement du réservoir, formant un renfort longitudinal le long de la gaine souple. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple de forme tubulaire posée sur le sol dans un tunnel, entre deux plants. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple de forme tubulaire posée sur le sol dans un tunnel, sous des tablettes la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple de forme tubulaire posée sur le sol dans une multi-chapelle. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est un tube rigide posé sur le sol dans un tunnel, entre deux plants. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est un tube rigide posé sur le sol dans un tunnel, sous des tablettes. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est un tube rigide posé sur le sol dans une multi-chapelle. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple en forme de poche fixée et suspendue à une gouttière. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple en forme de poche fixée à une gouttière, et reposant sur le sol. la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple en forme de poche fixée et suspendue à une paroi ou une travée de la serre 200 (suivant un axe Est/Ouest). la illustre un exemple dans lequel le réservoir est une gaine souple en forme de poche fixée à une paroi ou une travée de la serre 200, et reposant sur le sol (suivant un axe Est/Ouest). la illustre les échanges thermiques en période diurne (stockage). la illustre les échanges thermiques en période nocturne (déstockage). Sur ces figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. Système passif de régulation thermique (10) pour serre agricole (200), comprenant au moins un réservoir (20) absorbeur/diffuseur et accumulateur de chaleur destiné à être exposé au rayonnement solaire, caractérisé en ce que ledit réservoir (20) comporte une paroi (30) formant un absorbeur/diffuseur de chaleur apte à être chauffé par rayonnement solaire, et un accumulateur (40) de chaleur apte à stocker de l’énergie calorifique absorbée par la paroi (30), la paroi (30) étant apte à transférer de la chaleur à l’accumulateur (40), et apte à transférer puis diffuser la chaleur ou la fraicheur de l’accumulateur (40) vers l’extérieur du réservoir (20). Système (10) selon la revendication 1, dans lequel la paroi (30) possède une surface apte à être tournée vers des cultures lorsque le réservoir (20) est positionné dans une serre (200), ladite surface étant apte à maximiser le facteur de forme entre ladite surface tournée vers les cultures et une surface des cultures. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’accumulateur (40) de chaleur a une capacité thermique volumique supérieure ou égale à celle de l’eau à l’était liquide. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’accumulateur (40) de chaleur comporte un fluide et/ou un solide. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la conductivité thermique de la paroi (30) est supérieure à 0,15 W m -1 K -1 à 20°C, et la paroi (30) est réalisée en un matériau sombre ayant un coefficient d'absorption solaire supérieur à 0,7, et/ou la paroi (30) est recouverte d’un revêtement sombre ayant un coefficient d'absorption solaire supérieur à 0,7. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la paroi (30) est réalisée en un matériau choisi seul ou en combinaison parmi les matériaux suivants : plastique, polyéthylène (PE), polychlorure de vinyle (PVC), métal. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la paroi (30) comporte au moins une première zone constituée d’un premier matériau, et une seconde zone constituée d’un second matériau, la première zone étant la partie supérieure du réservoir (20) et le premier matériau étant un matériau absorbeur du rayonnement solaire, et la seconde zone étant la partie inférieure du réservoir (20) et le second matériau étant constitué d’un second matériau isolant thermiquement. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la paroi (30) forme un tube rigide ou une gaine souple dont le module d’élasticité est inférieur à 0,7GPa, de préférence égale à 0,02GPa. Système (10) selon la revendication précédente, dans lequel la gaine souple a une forme de poche ou une forme sensiblement tubulaire fermée à ses extrémités par un moyen de pincement, un clip, un nœud, une soudure ou un collage. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’accumulateur (40) comporte un fluide, et le réservoir (20) comporte un moyen de remplissage (50) en fluide et un moyen de vidange (60) du fluide, le moyen de remplissage (50) et le moyen de vidange (60) constituant un même moyen ou étant situés à deux extrémités opposées du réservoir (20). Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (20) comporte une ouverture (85) d’évacuation/aspiration d’air. Système (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le réservoir (20) est connecté à un système de chauffage (90) de l’accumulateur (40) et/ou à un système de refroidissement (110) de l’accumulateur (40). Système (10) selon l’une des revendications précédentes, comportant des moyens de stabilisation (140) au sol de la position du réservoir (20), tels que des piquets, et/ou des moyens de guidage de déploiement (150) du réservoir (20) afin de faciliter le déploiement du réservoir (20). Serre agricole (200) comprenant au moins un système passif de régulation thermique (10) selon l’une des revendications précédentes. Serre agricole (200) selon la revendication précédente, dans laquelle le système passif de régulation thermique (10) est positionné sans occasionner d'ombrage à des cultures de la serre (200), face au rayonnement solaire, et en vis-à-vis direct avec lesdites cultures, la paroi (30) ayant une surface tournée vers les cultures maximisant un facteur de forme entre ladite surface tournée vers les cultures et une surface des cultures. Serre agricole (200) selon la revendication précédente, dans laquelle au moins un réservoir (20) d’un système passif de régulation thermique (10) est positionné sur le sol. Serre agricole (200) selon la revendication précédente, dans laquelle une première extrémité du réservoir (20) est plus haute que la seconde extrémité du réservoir (20). Serre agricole (200) selon l’une des revendications 14 à 17, dans laquelle la serre (200) comporte des plants de cultures (210) positionnés sur des tablettes (220), au moins un réservoir (20) d’un système passif de régulation thermique (10) étant fixé sous au moins une tablette (220), et/ou la serre (200) comporte des gouttières (230) au moins un réservoir (20) d’un système passif de régulation thermique (10) étant fixé sous au moins une gouttière (230), et/ou la serre (200) comporte des long-pans, pignons ou travées (240), au moins un réservoir (20) d’un système passif de régulation thermique (10) étant fixé le long d’au moins un long-pan, pignon ou une travée ou le long de poteaux intérieurs (240). Serre agricole (200) selon la revendication précédente, dans laquelle le réservoir (20) fixé ne touche pas le sol, ou le réservoir (20) fixé repose sur le sol.