Bilan thermique d'une serre : calculer les déperditions avant une PAC

Avant de choisir une pompe à chaleur, il faut savoir combien la serre perd de chaleur par grand froid. Le bilan thermique d'une serre (bilan thermique serre) répond à cette question : il calcule les déperditions par les parois et par l'air, à la température de base du site. C'est le socle de tout dimensionnement en électrification totale.

Le projet de révision de la fiche AGRI-TH-108 fait de ce bilan une pièce obligatoire de l'étude préalable. Le contenu attendu figure dans le projet d'arrêté AGRI-TH-108. La méthode s'inspire des calculs de déperditions du bâtiment, décrits notamment par l'ADEME, adaptés aux spécificités des serres.

Ce que la fiche demande au bilan thermique

Le projet de fiche détaille le volet « besoin de chaleur » de l'étude préalable. Il comprend les caractéristiques des blocs de serre, la surface chauffée et les types d'émetteurs. Il comprend aussi la température de base retenue pour le site.

Le bilan doit donner les déperditions de jour et de nuit de chaque bloc, aux consignes retenues et à la température de base. Ces consignes correspondent au minimum à celles d'une serre chauffée : 12 °C pour la tomate et le concombre, 8 °C pour les autres cultures. Le bilan aboutit à la puissance nécessaire dans les conditions de dimensionnement.

Les composantes des déperditions

Une serre perd sa chaleur de quatre façons : par la couverture, par les parois latérales, par l'air qui s'échappe et, plus faiblement, par le sol. Les deux premières dominent largement dans une serre en verre ou en film.

Pertes par la couverture et les parois

Les pertes par transmission se calculent par P = U × A × ΔT. U est le coefficient de transmission de la paroi, A sa surface et ΔT l'écart entre la consigne intérieure et la température extérieure. On calcule chaque paroi séparément, puis on additionne.

En serre, le coefficient U intègre aussi le rayonnement vers le ciel nocturne, très froid par temps clair. C'est pourquoi les valeurs de serre sont plus élevées que celles d'un vitrage de bâtiment. Le vent augmente encore les échanges sur les parois exposées.

Pertes par renouvellement d'air

L'air chaud qui s'échappe par les fuites et les ouvrants emporte de la chaleur. La puissance perdue vaut 0,34 × n × V × ΔT, en watts, avec n le taux de renouvellement par heure et V le volume en m³. Le facteur 0,34 correspond à la capacité thermique de l'air.

Une serre récente et bien jointoyée descend autour d'un demi-volume par heure la nuit. Une serre ancienne peut dépasser un volume par heure. L'aération pour évacuer l'humidité augmente ce taux, ce que traite notre page sur l'hygrométrie en serre.

Le coefficient U des couvertures

Le matériau de couverture fixe l'essentiel des pertes. Le tableau reprend les ordres de grandeur couramment retenus pour les serres.

Surface développée et surface au sol

La couverture et les parois représentent plus de surface que le sol. Le rapport entre surface développée et surface au sol varie de 1,2 à 1,5 environ, selon la taille de la serre, la hauteur et la forme des chapelles. Les grandes serres multichapelles ont un rapport plus faible que les petites unités.

Négliger ce rapport sous-estime les déperditions de 20 à 50 %. Le relevé géométrique précis est donc la première étape du bilan, avant toute hypothèse sur les coefficients.

Le rôle de l'écran thermique

Un écran thermique fermé la nuit crée une lame d'air sous la couverture et limite le rayonnement vers le ciel. Il réduit fortement le coefficient effectif de la couverture pendant les heures les plus froides. C'est précisément le moment où se calcule la puissance de pointe.

Le bilan doit donc distinguer les situations avec et sans écran, et préciser la stratégie retenue. Les performances des différents écrans sont comparées sur notre page comparatif des écrans thermiques.

Température de base et consignes

La température de base est la température extérieure minimale de référence du site. Elle varie de −2 °C environ sur le littoral méditerranéen à −15 °C dans le Nord-Est. Un écart de quelques degrés change la puissance de pointe de 10 à 20 %.

Les consignes viennent de la conduite de culture, et non d'une valeur forfaitaire. Une tomate conduite à 17 °C la nuit demande bien plus qu'une salade à 8 °C. Le tableau des températures de base par région figure dans notre guide de dimensionnement d'une PAC de serre.

Exemple calculé : 1 hectare de tomates

Prenons une serre en verre de 10 000 m², avec écran thermique fermé la nuit, conduite à 16 °C. La température de base du site est de -7 °C, soit un écart de 23 K. Le rapport de surface développée vaut 1,3, soit 13 000 m² de parois et de couverture.

Avec un coefficient effectif de 4 W/(m²·K) écran fermé, les pertes par transmission atteignent 1 196 kW. Le volume de 55 000 m³, renouvelé à 0,5 volume par heure, ajoute 215 kW. La puissance de pointe ressort à environ 1 411 kW, soit 141 W/m².

Ce résultat tombe dans la fourchette usuelle des serres de tomates isolées. Il reste un calcul d'exemple, fondé sur des hypothèses : seul le relevé de votre serre et de ses consignes donne la valeur à retenir.

Du bilan à la puissance de la PAC

En électrification totale, la PAC doit fournir la puissance de pointe à la température de base, pour la température d'eau nécessaire. Sa puissance nominale, mesurée à +7 °C, est plus élevée que sa puissance réelle par grand froid. Le choix se fait donc sur les courbes du constructeur à Tbase.

Le bilan sert aussi à vérifier le plafond de surface des certificats. Dans l'exemple, une puissance de 1 411 kW permet de valoriser jusqu'à 28 221 m² de serre maraîchère, bien au-delà de la surface réelle. Chaque machine doit en outre atteindre 300 kW, ce qui oriente vers deux à cinq PAC selon la gamme.

Le stockage se dimensionne ensuite à partir de cette puissance, comme l'explique notre page ballon tampon et open buffer. Le bilan complet s'intègre enfin dans l'étude préalable de dimensionnement. La puissance ne dit rien de l'énergie consommée sur la saison : celle-ci se chiffre sur la page consommation de chauffage d'une serre.

Questions fréquentes sur le bilan thermique de serre

Comment calculer les déperditions d'une serre ?

On additionne les pertes par la couverture et les parois, égales à U × A × ΔT, et les pertes par renouvellement d'air, égales à 0,34 × n × V × ΔT en watts. Le calcul se fait à la température de base du site et à la consigne de la culture.

Quel coefficient U pour une serre en verre ?

Un verre horticole simple présente un coefficient U de 5,5 à 6 W/(m²·K). Un écran thermique fermé la nuit réduit fortement les pertes de couverture. Une double paroi gonflable descend autour de 3,5 à 4, un double vitrage autour de 2.

Quelle puissance de chauffage par m² de serre ?

En ordre de grandeur, 110 à 170 W/m² pour une serre de tomates isolée en couverture, et 55 à 95 W/m² pour une culture tempérée, avec une température de base de −5 à −7 °C. Seul le bilan thermique de la serre donne la valeur exacte.

Que doit contenir le bilan pour la fiche AGRI-TH-108 ?

Les caractéristiques des blocs de serre, la température de base, les déperditions de jour et de nuit aux consignes retenues, la température de départ du réseau et la puissance nécessaire dans les conditions de dimensionnement.

Le renouvellement d'air pèse-t-il beaucoup dans le bilan ?

Dans une serre étanche, il représente une part modérée des pertes de nuit. Dans une serre ancienne ou mal jointoyée, il peut devenir important. Il augmente aussi fortement lorsque l'on aère pour évacuer l'humidité.

Faire réaliser votre bilan

Le bilan thermique engage tout le projet : puissance des PAC, raccordement, stockage et montant de la prime. Une erreur de quelques dizaines de W/m² se paie pendant toute la durée de vie de l'installation. Une PAC de serre bien dimensionnée peut être financée jusqu'à 100 % par les CEE, selon la surface et le coût d'installation.

Faire réaliser le bilan thermique de votre serre, ou revenir au guide de la pompe à chaleur serre.