Comment la maitrise des transferts thermiques permet elle d'optimiser la production agricole ?

Bonjour,

Dans le cadre d'un sujet scolaire en physique-chimique, vous souhaitez savoir comment la maîtrise des transferts thermiques permet d'optimiser la production agricole tout en préservant les écosystèmes.

Nous allons définir les termes de votre question, pour vous proposer dans un second temps une bibliographie scientifique et technique qui vous permettra de problématiser les questions soulevées par votre sujet.

Le transfert thermique est le domaine de la physique qui étudie comment la chaleur se déplace d'un endroit à un autre, via trois mécanismes physiques distincts.

Les vidéos pédagogiques du site Lumni permettent de comprendre les trois mécanismes physiques à l'œuvre quand on parle de transfert thermique :

• la conduction, due à la diffusion progressive de l'agitation thermique dans la matière ;
• la convection, transfert thermique qui accompagne les déplacements macroscopiques de la matière ;
• le rayonnement, qui correspond à la propagation de photons.

Source : Wikipédia

Quelles sont les applications de ces concepts physiques en agriculture ?

La conduction (telle la chaleur qui passe à travers les parois d'une serre), la convection (tels les mouvements de l'air et de l'eau) et le rayonnement (tel l'échange d'énergie avec le soleil et le ciel), en tant que mécanismes de transferts thermiques, permettent d'agir sur la température des cultures, des sols et des microclimats, protéger les plantes du froid, éviter les coups de chaleur, et créer les conditions idéales à leur croissance. L'agriculteur cherche à maintenir ses cultures dans une "zone de confort thermique", ni trop chaud ni trop froid, en jouant sur les mêmes phénomènes physiques que la nature utilise — mais de façon maîtrisée et orientée vers la production.

Le dictionnaire d'agroécologie d'INRAE vous permet de comprendre certaines applications concrètes des mécanismes de transferts thermiques en agriculture. Ainsi, la haie composite :

[...] joue également un rôle de brise vent, permet par son ombrage la réduction de l’évapotranspiration et participe à accroître localement la fertilité des sols. [...] Grâce à la fourniture de ces nombreux services, la haie composite est une infrastructure clé de la transition agroécologique.

Les transferts thermiques peuvent-ils s'inscrire dans une démarche agroécologique, respectueuse des écosystèmes ?

Les transferts thermiques peuvent s'inscrire dans une démarche agroécologique quand ils sont mobilisés de façon peu énergivore, en imitant ou amplifiant les régulations naturelles. C'est même l'un des leviers les plus prometteurs de l'agroécologie face au changement climatique, précisément parce qu'il s'appuie sur des lois physiques universelles plutôt que sur des produits de synthèse. L'idée est alors de penser les transferts thermiques comme des services écosystémiques : le sol qui stocke la chaleur, l'arbre qui tempère le microclimat, l'eau qui régule la température — tous rendent des services thermiques que l'agroécologie cherche à valoriser et amplifier plutôt qu'à remplacer :

L’agroécologie est une alternative à une agriculture intensive basée sur l’artificialisation des cultures par l’usage d’intrants de synthèse (engrais, pesticides…) et d’énergies fossiles. Elle promeut des systèmes de production agricole valorisant la diversité biologique et les processus naturels (cycles de l’azote, du carbone, de l’eau, équilibres biologiques entre organismes ravageurs et auxiliaires des cultures…).

L’agroécologie se développe dans le champ scientifique comme une approche intégrant les concepts et méthodes d’une diversité de disciplines dont l’agronomie, l’écologie, l’économie, la sociologie. Visant à promouvoir les services rendus par les processus naturels, elle analyse à différents niveaux (de la parcelle au territoire, de l’individu à la communauté, du court au long terme) les relations évolutives qui se créent au sein de ces systèmes entre le vivant, son mode de gestion et le contexte écologique, économique et social de cette gestion.

Source : Le dictionnaire d'agroécologie d'INRAE 

Votre sujet doit donc vous amener à explorer les pratiques agricoles, relevant de transferts thermiques, dans un but d'optimisation des récoltes (gel et chaleur évités par exemple), de sobriété énergétique (énergie notamment mieux valorisée) et de préservation des écosystèmes (avec des sols vivants et une biodiversité préservée entre autres).

Dans la réalité les mécanismes physiques à l'oeuvre lors des transferts thermiques agissent souvent simultanément et en interaction. Dans une serre par exemple le rayonnement solaire pénètre et réchauffe le sol ; la conduction diffuse cette chaleur dans les premiers centimètres du sol ; la convection distribue l'air chaud dans tout le volume de la serre. C'est ce dont témoigne l'étude Modèle énergétique de la serre agricole / C. Monteil, G. Issanchou, M. Amouroux. Journal de Physique III, 1991, 1 (3), pp.429-454 :

Les auteurs présentent un modèle énergétique complet de la serre agricole, qui intègre l'ensemble des processus qui régissent les échanges thermiques entre la couverture, l'écran thermique, l'air intérieur, les plantes, le sol et les échangeurs de chaleur : conduction, convection, évaporation, condensation, rayonnements solaires et de grande longueur d'onde, inertie thermique etc.

Plusieurs pratiques agricoles relèvent de la maîtrise des transferts thermiques :

- Les serres et microclimats pour piéger la chaleur : les serres double paroi, les voiles de forçage ou les bâches thermiques limitent les pertes par convection nocturne, réduisant ainsi le recours au chauffage d'appoint. Le choix des matériaux conditionne directement le bilan radiatif ;

- L'irrigation thermique : l'eau a une capacité thermique massique élevée : l'aspersion en période de gel libère de la chaleur latente lors de la solidification, protégeant les bourgeons. Inversement, l'irrigation localisée en plein été rafraîchit le couvert végétal par évapotranspiration, limitant le stress hydrique et thermique sans gaspillage ;

- La géothermie agricole : le sous-sol, à quelques mètres de profondeur, maintient une température stable entre 10 et 15°C en France. Des sondes géothermiques couplées à des pompes à chaleur permettent de chauffer des serres l'hiver et de les rafraîchir l'été ;

- L'agrivoltaïsme : l'installation de panneaux photovoltaïques au-dessus des cultures crée un ombrage partiel qui abaisse la température du sol et des plantes, réduit l'évapotranspiration et protège de la grêle, tout en produisant de l'électricité décarbonée.

Sur ces thématiques, nous vous proposons une bibliographie sélective scientifique et technique :

1/ Serres

Serre bioclimatique : Définition. Dictionnaire d’agroécologie / Lucie Hupin, Marie-Ange Lamard, Lilia Lefèvre, Mathilde Valentin, Agathe Mansion-Vaquié, 2026 ;

Serres agricoles : des écrans thermiques pour économiser du chauffage (Site Engie, 2025) ;

Modélisation énergétique de serre permettant d’évaluer l’impact des matériaux de recouvrement, Mémoire de Mathieu Deschênes. Maîtrise en génie agroalimentaire - Québec, Canada, 2025 ;

Conservation de la chaleur dans les serres par emmagasinage et rideau thermique, expérimentation en vraie grandeur / J. PARIS1, J. F. HOULE1, M. BRICAULT1, et H. A. JACKSON2. Reçu le12 septembre 1986, accepté le 28 mai 1987 ;

Influence d’un écran thermique sur le bilan énergétique et le microclimat nocturnes d’une serre / M. Baille, J.C. Laury, Alain Baille. Agronomie, 1984, 4 (4), pp.327-332 ;

L’intelligence artificielle pour optimiser les cycles de croissances en serres intelligentes contrôlés / Myriam Larouche-Tremblay, Claudiane Ouellet-Plamondon, Stéphane Godbout ;

Simulation numérique des transferts thermiques dans une serre agricole chauffée par un bloc solide isotherme / Hicham Bouali, Ahmed Mezrhab, Larbi Elfarh, Chérifa Abid, Marc Medale, 2007 ;

Chauffage des Serres Agricoles : 3 cas types en Pyrénées Orientales, Mission départementale Promotion de la filière bois-énergie, 2010 ;

Modélisation, caractérisation et analyse du comportement dynamique des transferts de chaleur à travers la paroi en polyéthylène et en verre des serres agricoles, oct. 2023 ;

8 façons de réduire les pertes de chaleur dans les serres (Blog Drygair).

2/ L'irrigation thermique

L’irrigation et l’agroécologie peuvent-elles faire bon ménage ? / Delphine Leenhardt, Crystèle Leauthaud et al.. Vers une irrigation multiservice. Comment partager l’eau en France ? À l’ère de l’anthropocène, Éditions QUAE, pp.135-147, 2025 ;

Concilier le développement de l’énergie solaire pour l’irrigation et la durabilité des systèmes oasiens / Intissar Ferchichi, Zakaria Kadiri, Abdelilah Taky et al.  inrgref ; université hassan II de Casablanca ; Institut agronomique et vétérinaire Hassan II (Maroc) ; Cirad ; institut national agronomique de Tunisie, 2024 ;

L'irrigation agricole à l'énergie solaire, une alternative de plus en plus utilisée (Blue Magazine, 2022).

3/ La géothermie

Quelle géothermie, pour quels usages ? Article édité par  édité par le BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières) ;

La géothermie en milieu rural / Varet, J. (2013).

4/ L'agrivoltaïsme

Observatoire de l'Agrivoltaïsme (Site officiel de l'agence de la transition écologique) ;

L’agrivoltaïsme, la voie de l’avenir ? (Site de l'Inrae).

Vous pouvez poursuivre la recherche en utilisant des mots clés (comme "serre thermique", "géothermie agricole" etc.) sur le portail des sciences hal.sciences.

La librairie ADEME (Agence de la transition écologique) donne accès à des publications sur les systèmes et pratiques agricoles.

Nos collections proposent aussi, dans notre catalogue, de nombreux documents sur l'écologie agricole.

Bonnes lectures !