Pyranomètre de serre : mesurer le rayonnement et l'utiliser pour piloter le climat

Le pyranomètre mesure le rayonnement solaire global reçu par la serre, en W/m² à l'instant et en J/cm² cumulés sur la journée. C'est le capteur qui permet à l'ordinateur climatique d'anticiper la surchauffe, de piloter les écrans et l'irrigation, et d'adapter la consigne de température à la lumière. Pour la lumière solaire, 100 J/cm² correspondent à environ 2,1 mol/m² de lumière photosynthétique.

Cette page explique ce que mesure le capteur, comment convertir ses valeurs et comment les exploiter. Les autres capteurs d'une serre, leur placement et leur étalonnage sont présentés dans le guide de l'instrumentation de serre.

Que mesure un pyranomètre ?

Un pyranomètre mesure l'énergie du rayonnement solaire, direct et diffus, reçue sur une surface horizontale. Comme le rappellent Roberto Lopez et Erik Runkle, de l'université d'État du Michigan, il couvre les longueurs d'onde de 300 à 2 800 nm. La plante, elle, n'utilise pour sa photosynthèse que la bande de 400 à 700 nm.

Le pyranomètre ne mesure donc pas directement la lumière utile. Il mesure toute l'énergie qui arrive sur la serre, ce qui en fait le bon indicateur de la charge thermique. C'est précisément ce dont la régulation climatique a besoin pour l'aération, le chauffage et les écrans.

Pyranomètre, capteur PAR ou cellule simple ?

Trois familles de capteurs de lumière se rencontrent en serre. Le tableau compare ce qu'elles mesurent et leur usage. Le guide de l'université de Floride résume la distinction : le capteur PAR compte les photons utiles à la plante, le pyranomètre mesure l'énergie totale et estime mieux la charge thermique.

Pour une serre de production sans éclairage d'appoint, le pyranomètre suffit à la régulation. Le capteur PAR devient utile avec un éclairage artificiel, pour compléter la dose de lumière, ou pour mesurer précisément la lumière reçue par une culture.

Du rayonnement global à la lumière utile

Pour la lumière du soleil, la lumière photosynthétique représente environ 45 à 50 % de l'énergie du rayonnement global. Chaque watt de cette lumière correspond à environ 4,57 µmol de photons par seconde, selon la même source du Michigan. En combinant les deux, on obtient une règle simple.

Cette conversion ne vaut que pour la lumière solaire. Elle ne s'applique pas aux lampes, dont le spectre est différent. Elle varie aussi légèrement selon la couverture nuageuse et la hauteur du soleil, ce qui suffit pour la régulation mais pas pour une mesure de recherche.

Exemple : une journée claire de fin d'hiver

Une journée claire de fin d'hiver peut apporter environ 1 500 J/cm² de rayonnement global à l'extérieur, soit environ 32 mol/m² de lumière photosynthétique. Avec une serre qui transmet 70 % de la lumière, la culture en reçoit environ 22 mol/m² : c'est l'intégrale lumineuse journalière, souvent notée DLI.

Sur une culture de tomate développée, la transpiration est d'environ 0,11 à 0,12 litre par mol de lumière reçue, selon les références de Grodan et Philips. Cette journée représente donc environ 2,5 L/m² d'eau transpirée, à apporter par l'irrigation et à évacuer en partie par l'aération. Le calcul de l'humidité à évacuer est détaillé sur la page calcul de déshumidification.

Ce que l'ordinateur climatique fait du rayonnement

Le signal du pyranomètre intervient dans presque toutes les fonctions de régulation. Le tableau résume les principaux usages et la forme du signal utilisée.

L'usage le plus ancien est l'anticipation. Quand le rayonnement monte brusquement, la serre va se réchauffer dans les minutes qui suivent. La régulation réduit le chauffage et prépare l'aération avant que la sonde de température ne réagisse, ce qui évite les à-coups.

La somme de rayonnement, base des stratégies modernes

Les stratégies de régulation récentes raisonnent sur la lumière cumulée de la journée plutôt que sur une consigne fixe. Le programme néerlandais de Wageningen sur la culture de tomate économe en énergie retient une température moyenne visée de 17,5 °C, augmentée de 1,5 °C par tranche de 1 000 J/cm² de rayonnement journalier.

Pour la journée de l'exemple, à 1 500 J/cm², la température moyenne visée serait donc d'environ 19,8 °C. Les jours sombres, la consigne baisse, et la serre économise du chauffage sans pénaliser une culture qui produit peu de sucres. Cette logique d'intégration de température est détaillée sur la page stratégies de régulation climatique.

L'irrigation suit la même logique. Plutôt que d'arroser à heures fixes, la régulation déclenche un arrosage après un cumul de rayonnement donné depuis le précédent. Les apports suivent ainsi la transpiration réelle, qui dépend d'abord de la lumière reçue.

Régler les seuils sans se tromper

Les seuils de rayonnement se règlent sur la mesure du capteur, donc sur sa position. Un seuil de fermeture d'ombrage réglé pour un capteur extérieur n'a pas de sens avec un capteur placé sous la couverture, qui ne reçoit qu'une partie de la lumière extérieure. Après un changement de capteur ou de position, tous les seuils doivent être revus.

Les seuils gagnent aussi à être différenciés selon la saison et le stade de la culture. Une jeune plantation supporte moins bien un fort rayonnement qu'une culture développée, dont le feuillage transpire et se refroidit davantage. La plupart des ordinateurs climatiques permettent de faire évoluer ces seuils selon la date ou le stade, ce qui évite de les modifier à la main au fil des semaines.

Les classes de pyranomètres

La norme ISO 9060, révisée en 2018, classe les pyranomètres en trois classes de performance. Elles remplacent les anciennes appellations, encore courantes dans les catalogues. Les critères portent notamment sur la stabilité dans le temps, la linéarité et le temps de réponse.

Pour piloter une serre, une précision de laboratoire n'est pas nécessaire : la régulation compare des seuils et des sommes jour après jour. Un capteur de classe B ou C bien entretenu donne de meilleurs résultats qu'un capteur de classe A au dôme encrassé. La régularité de l'entretien compte plus que la classe.

Placer le pyranomètre

Le pyranomètre de régulation se place le plus souvent à l'extérieur, sur un mât ou sur la station météo, à l'horizontale et à l'abri de toute ombre portée. L'université de Floride rappelle que les structures de la serre créent des ombres périodiques à l'intérieur, qui faussent une mesure ponctuelle.

Un capteur placé dans la serre garde un intérêt : en le comparant au capteur extérieur, on mesure la transmission réelle de la couverture et des écrans. Cette mesure est utile avant et après un nettoyage de la couverture, un changement de film ou le choix d'un écran, comme ceux présentés sur la page comparatif des écrans thermiques.

Entretenir et vérifier le capteur

Un dôme couvert de poussière, de fientes ou d'algues sous-estime le rayonnement. La régulation croit alors la journée plus sombre qu'elle n'est : elle aère trop tard, ferme l'ombrage trop tard et sous-arrose. Un nettoyage régulier du dôme, avec un chiffon doux et de l'eau, suffit le plus souvent.

La vérification la plus simple consiste à comparer les sommes journalières du capteur avec celles d'une station météo voisine, par journée claire. Un écart qui se creuse au fil des mois signale un encrassement ou une dérive. Le niveau à bulle du support doit aussi être contrôlé, car un capteur incliné fausse la mesure selon l'heure.

Rayonnement et énergie

Un pyranomètre fiable est aussi un outil d'économie d'énergie. Il permet de baisser la consigne les jours sombres, d'ouvrir l'écran thermique au bon moment le matin et d'éviter de chauffer et d'aérer en même temps. Ces fonctions font partie du module d'intégration de température d'un ordinateur climatique, financé par la fiche CEE AGRI-EQ-101.

Dans une serre chauffée par pompe à chaleur, cette régulation fine réduit la puissance appelée et la consommation électrique. Elle complète la baisse du coût de chaque kWh apportée par la pompe à chaleur.

Questions fréquentes sur le pyranomètre de serre

À quoi sert un pyranomètre dans une serre ?

Il mesure le rayonnement solaire global. L'ordinateur climatique s'en sert pour anticiper la montée en température, piloter l'aération et les écrans, déclencher l'irrigation selon la lumière reçue et adapter la consigne de température à l'ensoleillement de la journée.

Quelle différence entre un pyranomètre et un capteur PAR ?

Le pyranomètre mesure toute l'énergie solaire, de 300 à 2 800 nm, en W/m². Le capteur PAR compte les photons utiles à la photosynthèse, de 400 à 700 nm, en µmol/m²/s. Le premier sert surtout à la gestion thermique, le second à la gestion de la lumière.

Comment convertir des J/cm² en mol/m² de lumière ?

Pour la lumière solaire, on retient environ 2,1 mol/m² de PAR pour 100 J/cm² de rayonnement global. Une journée à 1 500 J/cm² dehors apporte ainsi environ 32 mol/m² de PAR, avant les pertes de transmission de la serre.

Où placer le pyranomètre d'une serre ?

Le plus souvent à l'extérieur, sur un mât ou sur le toit, à l'abri des ombres portées. L'université de Floride rappelle que les structures de la serre créent des ombres périodiques à l'intérieur. Un capteur intérieur sert plutôt à mesurer la transmission de la couverture.

Fiabiliser la mesure de votre serre

Le pyranomètre est le capteur dont dépendent l'aération, les écrans, l'irrigation et la consigne. Praxis Énergie Serres vérifie sa position et sa cohérence, contrôle la transmission de la serre et ajuste les stratégies qui l'utilisent, dans le cadre d'un audit énergétique de serre.

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