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Cette étude plus approfondie porte sur la définition de critères de classification aquaponiques au niveau de l'enceinte afin de compléter les définitions existantes au niveau du système. Les types d'enceinte abordés ici fonctionnent avec différents systèmes de construction, les niveaux de contrôle technologique, les stratégies de contrôle du climat passif et les sources d'énergie pour obtenir un climat intérieur approprié. La meilleure application de chaque typologie d'enceinte dépend principalement de la taille de l'exploitation, de l'emplacement géographique, du climat local, des espèces de poissons et de cultures ciblées, des paramètres requis des systèmes qu'elle abrite et du budget. Cette étude identifie cinq typologies d'enclos différentes et définit les caractéristiques des espaces intérieurs abritant les infrastructures aquacoles.

21.3.1 Typologies de serre

Cette classification comprend quatre catégories de serres — les serres de technologie moyenne, les serres solaires passives, les serres de haute technologie et les serres de toit — qui s'appliquent aux opérations aquaponiques de niveau commercial (tableau 21.2). Les serres existantes peuvent ne pas correspondre exactement à une seule typologie, mais se situent dans un spectre allant de la technologie moyenne à la haute technologie en intégrant sélectivement des techniques de contrôle environnemental actives et passives.

Serres de technologie moyenne Les serres dotées d'un niveau de technologie intermédiaire pour contrôler le climat intérieur comprennent les serres autonomes ou reliées à la gouttière (type cabane Nissen), les serres à cerceaux (tunnel polytunnel) et les serres à portée égale. Ils sont généralement recouverts d'un double film de polyéthylène (PE) ou de panneaux en plastique rigide, tels que des panneaux acryliques (PMMA) et des panneaux en polycarbonate (PC). Ces serres sont moins coûteuses à installer, bien que le revêtement en pellicule doive être fréquemment remplacé en raison de la détérioration rapide causée par une exposition constante aux rayons UV (Proksch 2017). Ces serres protègent les cultures des phénomènes météorologiques extrêmes et, dans une certaine mesure, des agents pathogènes, mais elles n'offrent qu'un niveau limité de contrôles climatiques actifs. Au lieu de cela, ils s'appuient sur le rayonnement solaire, les systèmes d'ombrage simples et la ventilation naturelle. En raison de leur capacité limitée à modifier les conditions de croissance dans une certaine gamme, les serres de technologie moyenne sont rarement utilisées pour héberger des fermes aquaponiques dans des climats froids. Cela s'explique par le fait que les investissements initiaux élevés dans les composantes hydroponiques et aquacoles nécessitent un environnement stable et une production fiable tout au long de l'année pour être commercialement viable.

Les opérations aquaponiques dans des climats plus chauds ont démontré avec succès l'utilisation de serres de technologie moyenne qui utilisent des systèmes de refroidissement par évaporation et de chauffage simples. Par exemple, Sustainable Harvesters à Hockley, au Texas, aux États-Unis, utilise une simple serre Quonset (12 000 pi³/1110 msup2/sup) pour la production de laitue toute l'année sans recourir à un chauffage supplémentaire ou à un éclairage important. Ouroboros Farms, à Half Moon Bay, en Californie, aux États-Unis, utilise une serre existante (20 000 pi³/1860 msup2/sup) pour produire de la laitue, des légumes verts feuillus et des herbes (figure 21.4). En raison du climat doux, la ferme utilise principalement des ombrages statiques et peu de chauffage et de refroidissement supplémentaires. Les deux fermes, comme beaucoup de petites entreprises de technologie moyenne, placent leurs bassins à poissons dans le même espace de serre que le système de culture hydroponique. Les fermes cultivent des espèces de poissons qui tolèrent une large plage de températures (tilapia) et ombragent les bassins aquacoles pour prévenir la surchauffe et la croissance des algues.

Tableau 21.2 Comparaison des études de cas par typologie d'enceinte

table thead tr class="en-tête » TCEA type/th e Études de cas /th e Système de construction /th e Contrôles /th e Croissance de saisonsupa/sup et latitude /th e Zones de rusticité support/sup /th /tr /thead tbody tr class="impair » td rowspan=6 Serres moyenne/td td rowspan=3 Fermes Ouroboros, Half Moon Bay, CA, États-Unis (20 000 pi³/1860 msup2/sup) /td td rowspan=3 GH existant, raccordé au gouttière avec deux travées égales, revêtu de verre à un seul panneau, réservoirs à poissons en GH /td td rowspan=3 Ombrage statique, rideaux d'ombrage /td td rowspan=2 319 jours/ 10,6 mois /td td 10a /td /tr tr class="même » td 30 à 35 °F /td /tr tr class="impair » td 37,5° N /td td -1,1 à 1,7 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Récolteurs durables, Hockley, Texas, États-Unis (12 000 pi³/1110 msup2/sup) /td td rowspan=3 Cadre Quonset, multi-tunnel (3) GH, revêtu d'un film PE et de panneaux plastiques rigides, réservoirs à poissons en GH /td td rowspan=3 Refroidissement par évaporation, ventilation forcée /td td rowspan=2 272 jours/ neuf mois /td td 8b /td /tr tr class="impair » td 15 à 20 °F /td /tr tr class="même » td 30,0 ˚N /td td -9,4 à 6 ,7 ˚C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Serres solaires passives/td td rowspan=3 Serre solaire aquaponique, Neuenburg am Rhein, Allemagne (2000 sf/180 msup2/sup) /td td rowspan=3 (chinois) serre solaire, avec un mur d'adobe comme masse thermique supplémentaire, revêtu d'un film ETFE, réservoirs à poissons en GH /td td rowspan=3 Modules photovoltaïques sur mesure pour l'ombrage et la production d'énergie /td td rowspan=2 202 mois/ 6,6 mois /td td 8a /td /tr tr class="même » td 10—15 ˚F /td /tr tr class="impair » td 47,8 ˚N /td td - 12,2 à -9,4 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Serre Eco-Ark à Finn & Roots, Bakersfield, VT, États-Unis (6000sf/ 560 msup2/sup) /td td rowspan=3 Serre solaire, à l'abri de la terre, angle abrupt du toit orienté sud (ca. 60), isolation épaisse, vitrage spécial de collecte solaire, réservoirs à poissons dans le nord, côté souterrain /td td rowspan=3 Chaleur radiante alimentée au bois, rideau énergétique, ventilation avec effet empilable, éclairage LED supplémentaire /td td rowspan=2 108 jours/ 3,6 mois /td td 4a /td /tr tr class="impair » td -30 à -25 ˚F /td /tr tr class="même » td 44,8˚ N /td td -34,4 à -31,7 ˚C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Serres high-tech td rowspan=3 Superior Fresh Farms, Hixton, WI, États-Unis (123 000 sf/11 430 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, raccordé aux gouttières, (20 41 baies), revêtu de verre, réservoirs à poissons dans un bâtiment séparé /td td rowspan=3 Environnement CEA contrôlé par ordinateur, éclairage LED supplémentaire, /td td rowspan=2 122 jours/ 4,1 mois /td td 4b /td /tr tr class="même » td -25 à -20 ˚F /td /tr tr class="impair » td 44,4 N /td td -31,7 à -28,9 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Blue Smart Farms, Cobbitty, NSW, Australie (53 800 pc/5000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, gouttière, (14 18 baies), revêtu de verre, construction à deux étages, bassins à poissons au niveau inférieur /td td rowspan=3 Contrôle biologique de l'environnement CEA contrôlé par ordinateur /td td rowspan=2 300 jours/ 10 mois /td td 9b /td /tr tr class="impair » td 25 à 30 ˚F /td /tr tr class="même » td 34,0 ˚S /td td -3,9 à -1,1 °C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Serres de toite/td td rowspan=3 Ecco-Jäger Aquaponik Dachfarm, Bad Ragaz, Suisse (12 900 pi/1200 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, branché par gouttière, (7 13 baies), revêtu de verre, bassins à poissons au niveau inférieur /td td rowspan=3 Environnement CEA, éclairage LED supplémentaire, utilisation de la chaleur d'échappement de l'installation de refroidissement /td td rowspan=2 199 jours/ 6,6 mois /td td 7b /td /tr tr class="même » td 5 à 10 °F /td /tr tr class="impair » td 47,0˚ N /td td -15,0 à -12,2 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 BIGH's Ferme abat-toir, Bruxelles, Belgique (21 600 pc/2000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Style venlo, raccordé aux gouttières, (15 10 baies), revêtu de verre, bassins à poissons au niveau inférieur /td td rowspan=3 Environnement CEA, éclairage LED supplémentaire /td td rowspan=2 224 jours/ 7,3 mois /td td 8b /td /tr tr class="impair » td 15 à 20 °F /td /tr tr class="même » td 50,8˚ N /td td -9,46 à -6,7 ˚C /td /tr tr class="impair » td Rowspan=6Espaces de culture en intérieur/td td rowspan=3 Urban Organics, Schmidt's Brewery, St. Paul, MN, États-Unis (87 000 pi/8080 msup2/sup) /td td rowspan=3 Entrepôt à ossature en acier, hautement isolé, culture empilée, réservoirs à poissons dans un espace séparé /td td rowspan=3 Éclairage UV fluorescent, environnement CEA contrôlé par ordinateur /td td rowspan=2 140 jours/ 4,7 mois /td td 4b /td /tr tr class="même » td -25 à -20 ˚F /td /tr tr class="impair » td 45,0˚ N /td td -31,7 à 28,9 ˚C /td /tr tr class="même » td rowspan=3 Nutraponics, Sherwood Park, AB, Canada (10 800 pi³/1000 msup2/sup) /td td rowspan=3 Entrepôt à ossature en acier, hautement isolé, culture empilée, réservoirs à poissons dans un espace séparé /td td rowspan=3 Éclairage LED, environnement CEA contrôlé par ordinateur /td td rowspan=2 121 jours/4 mois /td td 4a /td /tr tr class="impair » td -30 à -25 ˚F /td /tr tr class="même » td 53,5˚ N /td td -34,4 à -31,7 ˚C /td /tr /tbody /table

Saison de croissance sans supa/supfrost-free, Association nationale de jardinage, outils et applications, https://garden.org/ apps/calendar/

SUB/SUP basé sur la carte de la zone de rusticité de l'USDA, qui identifie la température moyenne annuelle minimale hivernale (1976-2005), divisée en zones 10 F. Cartes des plantes, https://www.plantmaps.com/ index.php

Serres solaires passives Ce type de serre est conçu pour être uniquement chauffé par l'énergie solaire. D'importants éléments de masse thermique, comme un mur solide orienté vers le nord, stockent l'énergie solaire sous forme de chaleur qui est ensuite ré-irradiée pendant les périodes plus froides la nuit. Cette approche amortit les variations de température de l'air et peut réduire ou éliminer le besoin de combustibles fossiles. Les serres solaires ont un côté transparent orienté vers le sud et un côté opaque, massif et fortement isolé orienté vers le nord. L'intégration de grands volumes d'eau sous forme de bassins à poissons est un atout pour la performance thermique de ce type de serre. En outre, les réservoirs peuvent être situés dans des zones de la serre qui sont moins adaptées à la culture végétale ou partiellement immergés dans le sol pour une stabilité thermique accrue.

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Fig. 21.4 Ouroboros Farms (Half Moon Bay, Californie, États-Unis)

La serre solaire Aquaponic (2000 sf/180 msup2/sup), développée et testée par Franz Schreier, s'est avérée être un environnement approprié pour accueillir un petit système aquaponique dans le sud de l'Allemagne. La serre recueille de l'énergie solaire à travers son toit arqué orienté sud et son mur revêtu d'un film ETFE (éthylène tétrafluoroéthylène). La chaleur est stockée dans des bassins à poissons partiellement submergés, le plancher et la paroi nord revêtue d'adobe pour être dissipée la nuit. Les panneaux photovoltaïques (PV) sur mesure de la serre transforment le rayonnement solaire en énergie. Située dans le climat plus froid du Vermont, aux États-Unis, la serre Eco-Ark de la ferme Finn & Roots (6000 pi/560 msup2/sup) abrite un système aquaponique qui fonctionne avec une approche solaire passive similaire. La serre a un toit transparent raide (environ 60˚) orienté sud avec vitrage solaire spécial (fig. 21.5). Son côté nord opaque et hautement isolé est immergé dans une colline et abrite les bassins à poissons. En plus de ces commandes passives, l'Eco-Ark dispose d'un chauffage par le sol radiant qui complète le chauffage pendant les saisons les plus froides.

**Serres high-tech de style Venlo, les serres de haute technologie qui disposent d'un haut niveau de technologie pour contrôler le climat intérieur sont la norme pour le CEA hydroponique à l'échelle commerciale. Les serres de haute technologie se caractérisent par des commandes informatisées et une infrastructure automatisée, comme des rideaux thermiques automatiques, des réseaux d'éclairage automatiques et des systèmes de ventilation à air forcé. Ces technologies permettent un haut niveau de contrôle de l'environnement, même si elles se font au prix d'une consommation d'énergie élevée.

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Fig. 21.5 Eco-Ark Serre à Finn & Roots Farm (Bakersfield, Vermont, États-Unis)

Certaines grandes fermes aquaponiques commerciales utilisent cette typologie de serre pour leur production végétale, comme les fermes Superior Fresh, situées à Hixton, Wisconsin, États-Unis (123 000 pi³/11 430 msup2/sup), les systèmes aquacoles étant logés dans une enceinte opaque distincte. L'éclairage et le chauffage à DEL supplémentaires automatisés permettent aux fermes Superior Fresh de cultiver des verts feuillus toute l'année malgré le manque de lumière du jour en hiver, où la saison de croissance naturelle et sans gel ne dure que 4 mois. Les systèmes automatisés de contrôle de la température interne permettent de faire fonctionner des serres de haute technologie partout dans le monde. La serre Blue Smart Farms utilise une gamme de capteurs pour optimiser l'ombrage pendant les étés chauds australiens.

Thanet Earth, le plus grand complexe de serres du Royaume-Uni, est situé dans le sud-est de l'Angleterre. Ses cinq serres couvrent plus de 17 acres (7 hectares) chacune, cultivant des tomates, des poivrons et des concombres à l'aide d'hydroponiques (figure 21.6). Cette entreprise est alimentée par un système combiné de chaleur et d'énergie (CHP) qui fournit de l'énergie, de la chaleur et du COSub2/Sub pour les serres. Le système de cogénération fonctionne très efficacement et achemine l'énergie excédentaire vers le district local en l'alimentant dans le réseau d'alimentation électrique local. En outre, les technologies commandées par ordinateur telles que les rideaux énergétiques, l'éclairage supplémentaire à décharge haute intensité et la ventilation régulent les conditions de croissance à l'intérieur.

Serres sur toit-toit Ce type le plus récent comprend les serres construites au-dessus des bâtiments hôtes, soit à titre de rénovation de structures existantes, soit dans le cadre d'une nouvelle construction. En raison du coût élevé des terres, l'économie d'espace est de plus en plus importante pour les exploitations aquaponiques en milieu urbain. Connecter une serre à un bâtiment existant est une stratégie pour les agriculteurs urbains qui cherchent à revitaliser l'espace sous-utilisé et à trouver un emplacement central dans la ville. Les serres sur le toit sont déjà utilisées par les producteurs hydroponiques à l'échelle commerciale, mais elles constituent un type relativement rare pour les fermes aquaponiques en raison du poids supplémentaire de l'eau qui peut pousser les structures existantes au-delà de leur capacité de charge. Les quelques fermes aquaponiques sur le toit qui existent actuellement accordent la priorité aux systèmes de distribution d'eau légers (technique de film nutritif ou culture basée sur les médias plutôt qu'à la culture en eau profonde) et situent leurs bassins à poissons au niveau inférieur à l'espace de culture en raison d'une demande relativement réduite en lumière naturelle.

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Fig. 21.6 Thanet Earth, serres ultramodernes avec alimentation combinée de chaleur et d'électricité, (île de Thanet à Kent, Angleterre, Royaume-Uni)

Deux fermes sur les toits dotées de systèmes aquaponiques de haute technologie ont récemment ouvert leurs portes en Europe. Tous deux ont consulté des consultants en systèmes agricoles Efficient City Farming (ECF) à Berlin. Ecco-Jäger Aquaponik Dachfarm à Bad Ragaz, en Suisse, se trouve au sommet d'un centre de distribution d'une entreprise familiale. La serre sur le toit de style Venlo (12 900 pi³/1200 msup2/sup) est située sur un bâtiment de dépôt de deux étages ; les bassins à poissons sont installés sur le plancher sous la serre. En cultivant des feuilles vertes et des herbes sur son toit, Ecco-Jäger réduit le besoin de transport et peut offrir des produits immédiatement après la récolte. De plus, la ferme tire parti de la chaleur résiduelle générée par son stockage frigorifique pour chauffer la serre. La Ferme Abattoir de BIGH (21 600 pi³/2000 msup2/sup) est une version plus grande d'une serre de toit similaire de style Venlo (figure 21.7), qui occupe le toit du marché Foodmet à Bruxelles, en Belgique. Ces premiers exemples montrent un potentiel supplémentaire pour optimiser les performances aquaponiques et enveloppes en reliant les flux d'eau, d'énergie et d'air entre la ferme et le bâtiment hôte, connu sous le nom d'agriculture intégrée (BIA). Actuellement, des recherches sont en cours sur la serre hydroponique intégrée phare située sur le bâtiment partagé par l'Institut des Sciences et Technologies de l'Environnement (ICTA) et l'Institut Catalan de Paléontologie (ICP) de l'Université Autonome de Barcelone (UAB) afin de désamorcer les avantages de la l'intégration des bâtiments, bien qu'il n'existe pas d'exemple dans le domaine de l'aquaponie pour déterminer les avantages d'une intégration complète des bâtiments, bien qu'il n'existe pas d'exemple dans le domaine de l'aquaponie.

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Fig. 21.7 BIGH Ferme Abattoir avec la serre high-tech en arrière-plan (Bruxelles, Belgique)

21.3.2 Type de culture intérieure

Les espaces de culture intérieurs dépendent exclusivement de la lumière artificielle pour la production végétale. Souvent, ces espaces de culture sont fortement isolés et revêtus d'un matériau opaque, initialement destiné à servir de salles de stockage ou de fabrication industrielle. Les espaces de culture intérieurs ont généralement une meilleure isolation que les serres en raison du matériau de l'enveloppe, mais ne peuvent pas compter sur la lumière du jour ou le chauffage naturel. L'hypothèse est que cette typologie est mieux adaptée aux climats extrêmes, où les variations de température sont plus préoccupantes que l'éclairage (Graamans et al., 2018), bien que des recherches plus concluantes soient nécessaires.

Urban Organics exploite deux fermes aquaponiques intérieures à l'échelle commerciale au sein de deux brasseries rénovées dans le cœur industriel de St. Paul, Minnesota, États-Unis. Les deux fermes cultivent des feuilles et des herbes dans des lits de culture empilés éclairés par des lumières fluorescentes (figure 21.8). Leur deuxième site permet à Urban Organics de puiser dans l'infrastructure de la brasserie autour d'un aquifère existant ; l'eau de l'aquifère nécessite un traitement minimal et est fournie à 10 °C aux réservoirs d'omble chevalier et de truite arc-en-ciel. L'utilisation des structures existantes a permis de réduire les coûts de construction pour Urban Organics et de revitaliser une zone en difficulté de la ville. Dans un climat encore plus froid, Nutraponics cultive des légumes verts feuillus dans un entrepôt situé sur une parcelle rurale à 40 km à l'extérieur d'Edmonton, Alberta, Canada. Étant donné que les produits locaux dépendent fortement des variations saisonnières de température, Nutraponics gagne un avantage concurrentiel sur le marché en utilisant un éclairage LED pour accélérer la croissance des cultures toute l'année (figure 21.9).

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Fig. 21.8 Urban Organics (St. Paul, Minnesota, États-Unis)

21.3.3 Enceintes pour l'aquaculture

Les enclos pour la composante aquaculture des opérations aquaponiques ne sont techniquement pas aussi exigeants que la conception des enclos pour les composants hydroponiques, car les poissons n'ont pas besoin de lumière solaire pour prospérer. Néanmoins, le contrôle des conditions de culture intérieure permet aux agriculteurs d'optimiser la croissance, de réduire le stress et d'établir des calendriers précis pour la production piscicole, ce qui donne à leurs stocks un avantage concurrentiel sur le marché (Bregnballe 2015). Les espaces d'aquaculture sont principalement nécessaires pour maintenir la stabilité de la température de l'eau. Les bassins à poissons devraient pouvoir supporter des plages de température de l'eau confortables pour des espèces de poissons spécifiques, des poissons d'eau chaude de 75 à 86 °F (24 à 30 °C) et des poissons d'eau froide de 54 à 74 °F (12 à 23 °C) (Alsanius et al., 2017). La température de l'eau et de la pièce peut être contrôlée le plus efficacement possible si les bassins à poissons sont logés dans un espace bien isolé avec peu de fenêtres pour minimiser les gains solaires pendant les mois d'été et les pertes de température lorsque la température extérieure baisse (Pattillo 2017), comme le montre la configuration de l'enceinte INAPRO. Le volume important d'eau nécessaire à la pisciculture doit être considéré d'un point de vue architectural, car il a des conséquences pour les systèmes de construction et de conditionnement dans un bâtiment.

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Fig. 21.9 Nutraponics (Sherwood Park, Alberta, Canada)


Aquaponics Food Production Systems

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