Éco-habitat Auto-construire une maison écologique

Expérimentation en cours : hiver et printemps 2015 - 2016
Article en cours de rédaction

Objectif général pour notre serre
 produire le plus possible de légumes pour notre consommation pendant la période d’hiver : produire des légumes primeurs, allonger la durée de production en fin de saison
 produire nos plants pour en disposer dès que possible, au bon moment de plantation
 au moindre coût

Objectif technique : augmenter le plus possible la température de la serre en hiver, avec le moins d’apport possible d’énergie non renouvelable.

Cahier des charges
 la surface de la serre ne doit pas dépasser 6m2
 la consommation électrique ne doit pas dépasser 100kWh (pour une saison de chauffage de la serre), notre production photovoltaïque étant de 2700kWh (moyenne annuelle). Cela représente un coût maximum de chauffage de 100 x 0.14€ = 14€ /an
 la serre doit pouvoir fonctionner de manière autonome pour nous permettre de nous absenter moins 7 jours.

Remarque :
 nous avons éliminé l’option d’un chauffage d’appoint au bois, trop contraignant.

Notre recherche s’inspire  :
 du système de couches chaudes que les maraîchers utilisaient autrefois pour chauffer leurs châssis.
 des serres bioclimatiques à stockage de chaleur.
 des travaux de Jean PAIN, que Michel avait rencontré en 1976. Jean PAIN a démontré la possibilité d’extraire de l’énergie thermique par contact avec la masse d’un compost en fermentation.
Source : biographie de Jean PAIN

Le système traditionnel des "couches chaudes"

Ce système nécessitait chaque année un gros travail de terrassement et de manutention de fumier. Pour un coffre de culture à 2 châssis de 1.2m x 1.33m, cela représentait une fosse d’environ 2.0m de large, par 3.5m de long et 0.6m de profondeur, soit plus de 4m3 de terre à extraire et autant de fumier ...
Il fallait aussi entretenir la chaleur de la couche avec des apports réguliers de fumier frais placés sur le pourtour des coffres ("réchauds").
Dans notre serre nous avons dissocié :
 le générateur de chaleur par le compost, dans un coffre de compostage
 le coffre de culture
en les reliant par un échangeur de chaleur.

1- Fonctionnement notre serre

Schéma de la serre

La serre sous la terrasse

L’intérieur de la serre

Échangeur B : pour cette première expérimentation nous avons utilisé un tube PVC évacuation de 100mm de diamètre. Il aurait été préférable d’utiliser un ou plusieurs tuyaux de poêle aluminié (fer-alu) en parallèle (meilleur échange thermique).
Remarque : notre principe est de toujours commencer nos expérimentations avec les moyens les moins coûteux.
Détail du coffre de culture - coupe transversale

Un film étanche G permet de disposer d’une nappe phréatique C au fond du coffre.
L’irrigation se fait :
 à l’arrosoir en surface pour les semis
 en remontant le niveau de la nappe phréatique par des apports réguliers d’eau (20litres) dans le tube de remplissage D
 au goutte à goutte par le tuyau micro-poreux B, avec une vanne programmée pendant notre absence

Détail du circuit de l’échangeur de chaleur au fond du coffre de culture

La récupération des apports de chaleur du jour pour les restituer la nuit.
Pendant la journée, aux heures les plus chaudes, l’air le plus chaud se trouve en haut de la serre. Un ventilateur le souffle dans l’échangeur de chaleur.
 A - le ventilateur haut (10W) envoie l’air chaud dans l’échangeur
 C - l’échangeur de chaleur traverse un coffre isolé contenant 104 bouteilles de 2 litres d’eau, pour stocker une partie de la chaleur de la serre

Récupération de la chaleur produite par le compostage
 D - l’échangeur traverse ensuite le générateur à chaleur pouvant recevoir jusqu’à 480 litres de matières à composter. Le compostage des matières organiques produit l’appoint de chaleur pendant les mois les plus froids.
Le compostage se fait en continu :
 les matières à composter sont chargées par le haut,
 le terreau est extrait en bas du générateur ;
 E - l’échangeur fait une boucle dans le fond du coffre de culture pour stocker les apports de chaleur au plus près des racines des plantes.
 I- les parois extérieures du coffres de culture et des murs non vitrés de la serre sont isolées afin de réduire les déperditions.
 B - l’air ressort au niveau du sol du coffre de culture pour chauffer le châssis pendant la nuit. Un second ventilateur (10W) à la sortie de l’échangeur permet de doubler le débit d’air.
Remarque : nous disposions de 2 petits ventilateurs d’extraction de cuisine de récupération de 10W. Pour l’expérimentation nous pouvons ainsi moduler le débit de ventilation. Le mieux aurait été de mettre un ventilateur à débit variable de 15 à 30W (150 à 300m3/heure).
L’isolation du coffre de culture
 F - pour limiter considérablement les déperditions au niveau du coffre de culture, pendant les nuits froides nous installons une couverture en film multi-réflecteur , équivalent des paillassons que les maraîchers posaient la nuit sur leurs châssis de couches chaudes. (schéma "couches chaudes")
 G - en cas de nuits très froide, nous avons placé un petit radiateur électrique soufflant de 1000W avec thermostat réglé à 15°C sous la couverture isolante. En absence de cette couverture le thermostat est réglé à 5°C pour mettre la serre hors gel.
Remarque : au cours de notre expérimentation (janvier 2016 - avril 2016),nous n’avons pas encore utilisé ce dispositif.
Le radiateur à été mis en position hors-gel (déclenchement en dessous de 5°C) et s’est mis en route 2 nuits seulement.

Détail de la nursery



Une étagère en haut du générateur reçoit les mottes de culture ensemencées. La chaleur produite par le générateur accélère la germination et le CO2 augmente la croissance.
L’étagère est amovible afin de permettre le chargement des matières à composter.

2- Le système électrique

2-1 Le circuit électrique
Pour faire fonctionner ce système nous avons réalisé le circuit électrique suivant :
 une prise de courant PC1avec un programmateur horaire mécanique
 un interrupteur simple INT1 pour piloter les 2 ventilateurs
 un prise de courant PC2 sur le coffre de culture commandée par le programmateur pour brancher le radiateur d’appoint
 une prise de courant PC3 sur le coffre de culture commandée par le programmateur et par l’interrupteur INT1. Elle permet de brancher le 2ème ventilateur au niveau de la sortie de l’échangeur sur le coffre de culture.
2-2 Mode d’emploi
 pour couper l’ensemble du système : débrancher la prise sur le programmateur
 pour couper toute la ventilation : couper l’interrupteur INT1
 pour couper le chauffage d’appoint : débrancher le radiateur sur PC2
 pour conserver la ventilation haute ventilateur 1 (sans le ventilateur du coffre de culture) : débrancher le ventilateur sur la prise PC3
Programmation (programmateur mécanique) :
 jour : 11h00/15h00 (ventilation seule)
 nuit : 21h00/21h15 ; 23h00/23h15 ; 01h00/01h15 ; 3h00/3h15 ; 5h00/5h15 ; 7h00/7h15
Remarques :
 au fils des mois, le réglage du programmateur est modifié pour tenir compte de l’allongement des jours
 pour diminuer la consommation d’énergie de ventilation,on pourrait placer un thermostat sur le point haut de la serre. Il déclenche la ventilation si la température de l’air au point haut est supérieure à 15°C (par exemple).
 on pourrait aussi placer une sonde de température dans le stockage à eau pour ne déclencher la ventilation diurne que si la température de l’air de la serre est plus basse que celle de l’eau.
Mais nous souhaitons éviter ces systèmes qui nécessite un boîtier électronique.

2-3 La consommation électrique
 De la ventilation :
Pour le moment, 2 ventilateurs de 10W pendant 5 heures par jour,
soit 2 x 0.010 x 5 = 0.1KWh par jour
Pour 100 jours d’hiver : 100 x 0.1 = 10 kWh à 0.14€, soit 1.40€ .
 Du chauffage d’appoint (sous le paillasson de couverture isolante) :
Pour 8 périodes de 15mn par nuit, puissance 1000W, pendant 8 x 15mn = 2 heures
soit 2 x 1000 = 2000Wh = 2kWh
Pour 30 jours de chauffage par an : 30 x2 = 60kWh à 0.14€, soit 8.40€
Remarque : nous n’avons pas expérimenté la couverture isolante. Le chauffage d’appoint a été réglé pour se déclencher si la température descendait en dessous de 5°C et ne s’est mis en route que 2 fois

3- Le stockage thermique à eau

Le système fonctionne comme une pompe à chaleur. Une faible quantité d’énergie électrique consommée par le ventilateur permet de récupérer une quantité plus élevée d’énergie solaire de la serre.
Calcul du rendement :

Conclusion : 1kWh consommé par la ventilation permet de récupérer 5kWh de chaleur, soit 5 fois plus.

4- Le générateur de chaleur par compostage

La décomposition de la matière organique dans le générateur D permet d’apporter de la chaleur supplémentaire pendant les périodes les plus froides.
La technique est celle des couches chaudes utilisées autrefois par les maraîchers, avec du fumier de cheval (mélange de crottin et d’urine riche en azote et de paille riche en cellulose utilisée comme litière pour les animaux).
Dans notre "écosystème maison-jardin", produites sur place sur le cycle d’une année, nous disposons des matières organiques compostables suivantes :

Une amie nous fournit du crottin d’âne et de poney. Un paysan nous fournit la paille. Mais, depuis l’apparition des grosses balle rondes, il devient de plus en plus difficile de trouver des petites bottes de paille.
Il est possible de remplacer la paille par de la sciure ou des copeaux qui ont à peu près le même rapport C/N (125-135) ou du carton (200).

Gaz carbonique (CO2)
Un problème se pose : le compostage produit du gaz carbonique. C’est bien pour les plantes de la serre car l’augmentation de la concentration gaz carbonique favorise leur croissance . Mais c’est dangereux pour la santé du jardinier. Si on évacue le CO2 par ventilation, on provoque des pertes de chaleur par renouvellement d’air, ce qui fait baisser la température de la serre. Si on laisse la serre sans ventilation, le gaz carbonique va s’accumuler.
Pour le moment la concentration du CO2 n’est pas au point d’éteindre la flamme d’une bougie ni au niveau du sol de la serre (le CO2 est plus lourd que l’air), ni au niveau du générateur. Mais ce n’est pas suffisant pour garantir que le niveau de CO2 n’est pas dangereux pour l’homme.
La porte et les panneaux de ventilations sont maintenus grands ouverts pendant notre présence dans la serre.

Montée en température du générateur
Nous avons mesuré 3 fois par jours les températures suivantes :
 extérieure
 intérieur de la serre
 cœur du stockage à eau
 cœur du générateur à chaleur
 surface du sol de culture
 cœur de sol de culture (à 20cm de profondeur)
Maintenant (avril 2016) nous avons installé 6 thermomètres enregistreurs pour mesurer les températures journalières maxima et minima :
 à l’extérieur de la serre
 à l’intérieur de la serre
 du sol coffre de culture de la serre
 à l’intérieur du générateur de chaleur de la serre
 extérieur du jardin
 du sol dans le jardin
Remarque : thermomètre maxima minima à 2 points de mesure (dont 1 avec sonde pourvue de 3m de fil) - Honeywell "homexpert" THR503-7 - Leroy Merlin - 9.90€
Pour le moment la température du générateur est montée jusqu’à 40°C, sans compter le flux de chaleur récupéré par l’échangeur.
Notre objectif serait d’atteindre une température de 50°C pour stériliser le compost.
Relevé de température du générateur (mars 2016)

Remarques :
 le chargement provoque une chute importante de la température, mais elle remonte ensuite rapidement
 le compost est remué tous les 4 à 5 jours sur 30cm d’épaisseur
 nous allons expérimenter des mélanges avec différents rapport C/N pour essayer d’avoir une température plus élevée
 au bout de 30 jours d’expérimentation, le bas du compost est en phase mésophile (pas d’élévation importante de la température) et est rempli de verres de terre.

Notre recherche porte sur le meilleur mélange et la meilleure technique de compostage pour produire le plus de chaleur possible lors du compostage dans le générateur.
Nous avons identifié 7 facteurs qui influencent la montée en température :
 le rapport carbone/azote C/N des matières à composter
 le volume du coffre de compostage
 l’isolation de coffre
 le brassage des matières en cours de compostage
 le degré d’humidité des matières en cours de compostage
 l’apport d’oxygène
 le degré de tassement des matières en cours de compostage.

Le rapport Carbone / Azote C/N
Pour optimiser le compostage, le rapport C/N du mélange à composter doit se situer entre 25 et 30.
Voici la formule qui permet de calculer le rapport C/N d’un mélange de 2 composants :
Rm = [(R1 x V1) + (R2 x V2)] / (V1+V2)
Avec :
Rm : rapport C/N du mélange
R1 : rapport C/N du composant 1
V1 : volume du composant 1
R2 : rapport C/N du composant 2
V2 : volume du composant 2
Tableau des principaux C/N des matières compostables (valeurs moyennes trouvées sur internet)

Exemple de mélange
(unité de volume : litres)

rapport C/N du mélange : 27(1586/59)

Remarque : le compost de Jean PAIN à base de broyat de broussailles produisait une élévation de température élevée. Il devait avoir un rapport C/N beaucoup plus grand que 25 à 30. Si on le considère comme un mélange moitié feuille vertes - moitié bois, on trouve un C/N d’environ 70.
Nous allons modifier les expérimentions avec des mélanges avec un rapport C/N de 70.
Énergie produite par le compostage
Nous n’avons pas trouvé d’informations concrètes sur l’énergie produite par la décomposition du compost.
Pour avoir un ordre de grandeur nous disposons des expériences de production du méthane avec du fumier de cheval.

Conclusion : si on se base sur l’énergie que produirait la même quantité de mélange par méthanisation, cela correspondrait à plus de 3 heures et demie d’un radiateur électrique de 1000W
Source : Valorisation du fumier de cheval, à l’initiative de France Galop, de la FIVAL et du Cheval Français (SECF)
[http://www.cheval-fumier.com/userfiles/1240/File/methanphaseseche.pdf]

Le volume
1- volume du coffre de compostage
Jean PAIN avait remarqué que la température du compostage dépendait de la forme et de la taille du tas de compost. Il préconisait de monter les matières à composter (broyat de broussailles) en formant des tas en longueur, avec une section en forme de triangle de 1.80m de largeur par 1.80m de hauteur.
Dans le cas de notre petite serre, il n’était pas possible de disposer d’un tel volume. Nous avons construit un coffre de 1.0m de long par 1.0m de haut et 0.4m de large, soit une contenance d’environ 400 litres de matières à composter.
Remarque :
 si nous ne parvenons pas à atteindre les 50°C, l’hiver prochain nous pourront augmenter la largeur de ce coffre jusqu’à 0.55m et sa hauteur à 1.40m, soit un volume de 750 litres
 c’est un avantage de notre mode de construction en ossature bois vissée : les modifications sont très faciles : on dévisse, et on reconstruit.
2- volume des apports
Il semble que le volume de matière apportée à chaque remplissage constitue un facteur très important. Avec un même mélange de matières (rapport C/N identique), il vaut mieux un apport important d’un seul coup, que des petits apports successifs.
Le maximum de chaleur a été atteint après 10jours suite à 3 apports consécutifs de plus de 200 litres de matière au total. Par la suite les apports n’ont pas dépassé 35 litres et la température n’est jamais remontée au dessus de 30°C, quelque soit la variation des rapport C/N du mélange.
Remarque :
 pour la prochaine saison, cela reviendrait, par exemple, à apporter 200 litres en début de saison, puis un apport de 100 litres chaque mois, en commençant à extraire le terreau à partir du 3éme mois
 cela confirme qu’il faudra augmenter le volume du générateur

L’isolation de coffre de compostage
Le coffre est construit en planches de coffrage de 27mm, protégées par un film pare-pluie coté intérieur.
Pour essayer de compenser les petites dimensions de notre coffre de compostage, nous avons isolé l’arrière avec du multi-réflecteur (équivalent à 10cm de laine de verre). Cela permet de diminuer les déperditions de chaleur latérales, donc d’augmenter la température au cœur du générateur.

Le brassage des matières en cours de compostage
Nous avons conçu un outils pour remuer le compost une ou 2 fois pas semaine. C’est un genre de griffe à 4 dents en étoile, qui agit par rotation.

Le degré d’humidité des matières en cours de compostage
Nous veillons à assurer un degré d’humidité correct du compost : quand on serre une poignée de compost dans la main il doit s’écouler quelques gouttes de liquide. Nous remouillons avec du purin de mouillage de la paille.
L’apport d’oxygène
Le compostage nécessite un apport d’oxygène. Dans le cas des couches chaudes, cet apport ne pouvait se faire qu’à travers le fumier, par la périphérie de la couche chaude.
Dans notre cas, il ne peut provenir que du dessus du tas et très faiblement des parois latérales.
Remarque : l’hiver prochain nous expérimenterons un système d’apport d’air par des petits tubes dans la masse.
Le degré de tassement des matières en compostage
Autrefois les couches chaudes étaient fortement tassées au montage (foulées aux pieds). Après les apports et les brassages nous tassons le mélange avec une petite "dame" (ou batte).

5- La production de terreau

La décomposition du compost produit, au bout de plusieurs mois, un terreau très riche qui peut être utilisé à raisons de 20litres/m2 (en paillis de 2cm d’épaisseur) comme unique engrais pour notre jardin. C’était le mode et la quantité de fertilisation utilisé autrefois par les maraîchers de Paris, avec les terreaux venant des anciennes couches chaudes.
La colombine (fiente des poules) est un excellent fertilisant à action rapide. Elle peut être utilisée, sous forme de purin, à faible dose en l’incorporant en même temps que les semis ou plantations (quantité nécessaire : 300g/m2). Nous réservons la moitié de la production de colombine pour le générateur à biomasse, l’autre moitié comme fertilisant.

6- La production de légumes et de plants

Le but de notre serre est d’augmenter notre autonomie alimentaire. Avec notre serre nous pouvons :
 produire des légumes plus tôt en saison
 prolonger leur production plus tard
 produire les plants et mieux échelonner la production

Facteurs qui influencent la production
 la fertilisation de la terre
 la qualité de la terre
 le travail de la terre
 la température de la terre
 l’arrosage
 la lumière
 les rotations de culture
 la lune

1-La fertilisation de la terre
C’est le facteur déterminant. Les maraîchers d’autrefois ne disposaient que des fumiers et des terreaux. Nous apportons au moins 2cm de terreau ou compost par m2.

2- la qualité de la terre
La culture en coffres demande peu de terre. Il est facile de corriger sa composition :
 suffisamment d’argile pour sa capacité à retenir l’humidité
 suffisamment de sable et limon pour sa souplesse (nous utilisons du sable et du limon du Gave)
 suffisamment d’humus
 le moins possible de cailloux (nous avons tamisé notre terre avec un tamis n°12).

3- Le travail de la terre
Nous ameublissons la terre avec une griffe ou une grelinette puis nous enfouissons en surface le terreau avec un sarcloir.

4- La température de la terre
Entre mars et mi-mai nous suivons les prévisions météo avant de semer ou de repiquer. Nous utilisons les données du thermomètre de sol pour vérifier que la température du sol est supérieure à la température minimale exigée par les plantes (par exemple 10°C pour les pommes de terre).
En cas de gelée ou froid tardif, nous pouvons disposer un paillage ou un voile de forçage sur les carrés sensibles au froid.

5- L’arrosage
Dés que le sol est réchauffé au moins à la température nécessaire, nous paillons les carrés avec du paillis de lin ou de chanvre.
Un tube micro-poreux, connecté à un réservoir surélevé de 160 litres, apporte l’eau d’arrosage au niveau des racines. Au printemps, dès que la température du réservoir est supérieure à la température du sol, nous arrosons systématiquement tous les jours, tant que a citerne qui reçoit le trop-plein de la phytoépuration et les eaux de toitures est pleine.

Influence de la lune
Une difficulté consiste à tenir compte de l’influence de la lune. Sur un cycle lunaire de 27,322 jours, la lune monte et descend sur une bande 8,50°d’angle par rapport à l’horizon. Quand elle monte cela favorise les semis, quand elle descend cela favorise les plantations.
Lune ascendante : semer, prélever les greffons, greffer et récolter
Lune descendante : planter, repiquer, bouturer, tailler, élagueur, travailler la terre

Dans ce cycle la lune croise les 12 constellations du zodiac :
 les signes de feu (Bélier, Lion, Sagittaire) : légumes fruits : les légumes (tomate, courgette, aubergine, melon, haricot, petit pois, fève...) les fruitiers (pommier, cerisier, agrumes)...les petits fruits (framboisier, groseillier, myrtillier, fraisier...) les plantes aromatiques en graines (coriandre, fenouil, anis vert, l’aneth, carvi, cumin, fenugrec...) les grimpantes (vigne, mûres...) et les céréales.
 les signes de terre (Taureau, Vierge, Capricorne) : légumes racines
 les signes d’air (Gémeaux, Balance, Verseau) : légumes fleurs : artichauts, choux-fleurs et brocolis.
 les signes d’eau (Cancer, Scorpion, Poissons) : agit sur les parties riches en eau, comme les tiges et les feuilles : légumes feuilles
Si on veut respecter le calendrier lunaire, on ne dispose que d’une "fenêtre de tir" de 2à 3 jours tous les 27 jours pour les semis de chaque type de légumes. C’est très contraignant. Pour une meilleure production, il vaut mieux semer en dehors de la période favorable au type de légume que d’attendre près d’un mois.
En pratique nous alternons semis et repiquages par périodes de 14 jours, si possible en correspondance avec le type de légume.

Influence de la température

Les Saints de glace
Les dates des dernières gelées printanières correspondent généralement à celles des fêtes des saints Mamert, Pancrace et Servais, célébrés les 11, 12 et 13 mai et surnommés "Saints de glace". Il faut protéger jeunes plants et semis, et reporter à la fin de cette période les plantations des végétaux qui craignent le froid. En France, dans les régions les plus froides, cette période peut aller jusqu’au 14, 19 20 et 25 mai.