Le mur à accumulation d`énergie - Sciences physiques

Le mur à accumulation d’énergie L’utilisation de l’énergie solaire dans le domaine de l’habitat pour réduire sa consommation énergétique a fait l’objet de plusieurs études. Une technique de chauffage se basant sur un système de captation solaire, de stockage et de restitution de la chaleur a été développée au C.N.R.S (France) par le Professeur Trombe. Le mur Trombe est un système simple et intéressant de captage de l’énergie solaire. Il est constitué d’un mur vertical en maçonnerie lourde orienté vers le sud et muni de deux orifices permettant la circulation de l’air entre le local et la serre formée par la surface réceptrice du mur et le vitrage qui le précède. Le mur capteur transmet l’énergie solaire captée par deux moyens, une partie est transmise par conduction à travers le mur qui la restitue à l’intérieur du local par convection, alors que la deuxième partie se transmet par circulation naturelle de l’air chaud se trouvant dans la cheminée solaire à travers les orifices. Afin d’évaluer les performances d’un tel dispositif dans les conditions climatiques du nord de l’Algérie, une comparaison a été effectuée entre un local muni d’un mur Trombe de 40 cm d’épaisseur et un local classique sur des journées types d’hiver et d’été, il en résulte d’après la figure 5 que la mise en place d’un mur Trombe engendre un gain d’environ 6 °C. Pour maintenir le local frais pendant les journées chaudes d’été il est nécessaire de prévoir une protection solaire, la figure 6 montre que la mise en place de store vénitien peut diminuer la température intérieure du local d’environ 3°C. Dès la conception, il est nécessaire de penser aux possibles problèmes de surchauffe. En été, le rayonnement solaire est moins incident sur des surfaces verticales qu'en hiver. Mais il est tout de même important, dans la mesure du possible, d'intégrer dès la conception, dans le projet architectural, des avancées à l'aide de balcons, de pergolas, qui permettent l'ensoleillement direct en hiver et le limitent en été. Des solutions plus anecdotiques et moins esthétiques sont de protéger le vitrage à l'aide d'une bâche, d'un lait de chaux ou de canisses. Le mur capteur et le mur trombe Ces deux systèmes permettent de valoriser le rayonnement solaire en associant deux propriétés physiques : • l'effet de serre à travers le vitrage, • l'inertie du mur. 1. Principe du mur capteur
Le rayonnement solaire est valorisé par effet de serre, en disposant un vitrage devant un mur en béton. L'énergie solaire est transmise par conduction à travers le mur puis par rayonnement à l'air de la pièce. Cette transmission se fait avec un déphasage pouvant atteindre 11 heures si l'épaisseur de béton est de 40 cm. Ce déphasage permet de chauffer la pièce au moment où il n'y a plus de soleil. En raison des pertes, le mur capteur ne restitue pas la nuit toute l'énergie reçue durant la journée. Afin de limiter ces pertes, il faut prévoir une isolation nocturne ou mettre en œuvre un double vitrage. Pour favoriser l'absorption de la chaleur, on applique une peinture sombre sur la surface extérieure du mur, marron par exemple. 2. Principe du mur Trombe.
Il s'agit d'un vitrage suivi d'une lame d'air et d'un mur en béton. Des ouvertures hautes et basses sont réalisées dans le mur afin de créer une circulation d'air par thermosiphon entre la lame d'air et l'air du local à chauffer. L'air chauffé dans la lame d'air pénètre par les ouvertures supérieures dans la pièce. Il se refroidit au contact de l'air du local et, une fois rafraîchi, revient par les ouvertures inférieures dans la lame d'air. En l'absence de rayonnement solaire, le flux convectif s'inverse pouvant provoquer un refroidissement accéléré de la pièce. Pour éviter cela, il est alors nécessaire de disposer des clapets à fermeture manuelle ou automatique. 3. Comparaison
Le mur capteur
Le mur Trombe
Transfert thermique
Transmission de la chaleur avec un déphasage
fonction de l'épaisseur du mur.
Transmission directe : environ un tiers de l'énergie
totalement restituée.
Restitution du reste de l'énergie déphasée
Valorisation des
apports
Valorisation des apports directs, s'il est associé
Valorisation des apports directs et des apports
à un vitrage simple (mur capteur en allège et
déphasés.
vitrage au-dessus)
Coût
Comparable à celui d'un mur classique.
Coût plus élevé.
Pas de fabricants de systèmes : les ouvertures
doivent être faites sur mesure par le menuisier sur
chaque chantier.
Mise en œuvre plus compliquée et plus chère.
Maintenance
Quasi inexistante
Gestion quotidienne des clapets.
Possibilité d'ouverture et de fermeture
automatique.
Suite à cette comparaison et selon l'avis de professionnels, le mur capteur apparaît comme étant le procédé ayant le meilleur rapport qualité prix. Bien dimensionné dans un projet d'architecture bioclimatique, en allège, le mur capteur associé à un vitrage couvre tous les besoins d'une pièce, pour une journée de chauffe si celle-­‐ci est ensoleillée. Le vitrage valorise les apports directs, le mur capteur restitue avec un déphasage l'énergie stockée pendant la journée. Un appoint est cependant nécessaire si la journée est nuageuse ou si les pièces sont orientées au nord. Trois solutions sont envisageables : • Solution électrique (investissement faible): Le confort sera amélioré par un plancher électrique rayonnant ou des panneaux radiants • Chauffage central (investissement supérieur) au gaz ou au fioul • Poêle à bois continu. Permet de conserver une image bioclimatique au bâtiment 4. Des règles de dimensionnement sont fournies dans la littérature (citons (ADEME, 2007), (Courgey et al, 2006), (Mazria, 1979), (IEA, 1989)). Elles sont résumées ci-­‐ dessous : •
•
Pour une pièce de hauteur normale, il faut prévoir une surface de mur capteur égale a 10% de sa surface habitable. Ainsi, on réalise, sur un bilan annuel, environ 30 % d'économie d'énergie. Par temps ensoleille, cette surface de mur capteur sera suffisante pour couvrir la totalité des besoins de chauffage. L'épaisseur du mur de béton et le temps d'ensoleillement conditionnent la bonne efficacité du mur. Le mur doit fournir l'inertie et la masse suffisante pour couvrir les besoins. La surface du système dépend de la typologie du bâtiment et de la zone climatique. L’épaisseur du mur : elle dépend de la capacité thermique (quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1m3 du matériau) et de la diffusivité thermique du matériau. Plus la capacité thermique est élevée, plus le matériau stocke de la chaleur (comme des galets chauffés par le soleil, qui diffusent une fois la nuit tombée). En général, les matériaux les plus denses offrent une plus grande capacité thermique, alors que les isolants ont souvent une capacité thermique faible : l'essentiel est alors de trouver le bon compromis entre pouvoir isolant et inertie. Plus la diffusivité est faible, plus le front de chaleur mettra du temps à traverser l’épaisseur du matériau. Physiquement, la diffusivité thermique est la capacité d'un matériau à imposer sa température au milieu extérieur. Par exemple, lorsque l'on marche sur du sable chaud, on ressent une sensation de brûlure. Cela s'explique par le fait que le sable a une plus grande diffusivité que le pied ; le sable impose donc sa température à notre corps, de manière plus importante que notre corps impose sa température au sable. •
L’intervalle optimum, qui dépend du matériau, est compris entre 10 et 30 cm. Si le mur est trop épais, de l'ordre de 40 cm, il risque de ne pas pouvoir se chauffer suffisamment durant une journée d'hiver ensoleillée ou l'on peut compter sur environ 5 h d'ensoleillement efficace. Si le mur est trop fin, les déperditions sont trop importantes et ne peuvent être couvertes par le mur. La rugosité de la surface : la capacité d’absorption de la surface exposée au soleil peut être améliorée en augmentant la rugosité 5. Que se passe-­‐t-­‐il au niveau microscopique dans le mur ? theme habitat\mesure pression et volume d'un gaz dans un piston.swf Les particules constituants un corps (solide, liquide ou gaz) sont agitées. De ce fait, elles possèdent une énergie cinétique. D’autre part, elles interagissent entre elles : elles sont liées par des liaisons chimiques et s’attirent par des forces électriques. De ce fait, elle possède une énergie appelée énergie potentielle d’interaction. La somme de l’énergie cinétique d’agitation des particules et de l’énergie potentielle d’interaction entre ces particules est appelée énergie interne, notée U et exprimée en Joules (J). Lorsqu’on chauffe un corps on augmente l’agitation thermique et donc son énergie interne : la quantité de chaleur, notée Q, qu’il reçoit est stockée sous forme d’énergie interne : Q =ΔU. La quantité de chaleur reçue (ou cédée) par un corps est proportionnelle à sa masse, à sa capacité thermique massique et à la variation de température (dans le cas ou il n’y a pas de changement d’état). Sources : http://www.cder.dz/download/jnv2_11.pdf http://www2.ademe.fr/servlet/KBaseShow?sort=-­‐1&cid=96&m=3&catid=15040 http://www.bhee.fr/Documents/Theses/CaroCeliniAnnexe.pdf$ http://miaep.cerma.archi.fr/spip.php?article31 Questions : 1. Résumer en quelques lignes le principe d’un mur trombe à accumulation d’énergie. 2. Quelle est la principale différence entre un mur capteur et un mur trombe ? 3. La technique du mur trombe fait appel à trois modes de transferts thermiques. Donnez leur nom et proposez une définition pour chacun. 4. Comment peut-­‐on modifier l’énergie interne d’un corps ? 5. Rappeler la définition de la capacité thermique qui est citée dans le texte. 6. Sachant que la capacité thermique massique d’un corps s’exprime en J.Kg-­‐1.°C-­‐1, Quelle peut être la relation entre la variation d’énergie interne d’un corps et la variation de température de ce corps ? 7. Les murs à accumulation d’énergie sont généralement construits en pierre ou en brique. Pourrait-­‐on choisir un autre matériau comme l’acier par exemple ? es activités
aliments, se chauffer, s’éclairer, travailler
plongeaient dans l’eau.
certains matériaux... Pour la cuisine, cuire
la viande ne posait pas de problème, mais
TP : Mesure des capacités thermiques massiques de l’acier et de la pierre Détermination
Exploitation
des résultats
Nos ancêtres de la capacité
pour cuire des légumes,
il était impossible
calorifique
de
différents
7.
Sur
le
schéma
lointains ont
de les mettre trop prés du feu sous peine deindiquez le signe du
matériaux
transfert
de chaleur
domestiqué le
les carboniser. N’ayant pas
de récipient
6.feuEn
vous
inspirant
de
ces
faits
8.
Exprimez
Qmatériau
il y a au
capable de résister longtemps à la flamme,
il la chaleur cédée
historiques,
protocole
par le corps
moins 450rédigez
000 un fallait
trouver une autre solution.
Noschaud. Quel est son signe?
expérimental permettant de mesurer la
9.
Exprimez
ans. Il s’est
ancêtres ont eu une idée originale : ils Qeau la chaleur gagnée
capacité calorifique de l’acier et de la
l’eaupuis
froide.
avéré un allié
remplissaient un récipientpar
d’eau,
ils Quel est son signe?
brique, que l’on considèrera comme
10. Dans
les fuites de
puissant qui permettait d’éloigner les
faisaient chauffer des pierres
autourunducalorimètre
feu.
inconnue à partir de la capacité
chaleur
sont
quasi
nulles.
Que relation
animaux sauvages, cuire et conserver les
Lorsque les pierres étaient chaudes, ils les
calorifique de l’eau qui est de
aliments, se chauffer, s’éclairer, travailler
plongeaient dans l’eau. peut-on écrire entre Qmatériau et Qeau?
4180 J kg-1 °C-1.
11. Calculer les capacités calorifiques
certains matériaux... Pour la cuisine, cuire
Pour ce la vous disposez de :
de la pierre et de l’acier.
la viande ne posait pas de problème, mais
• un calorimètre
• un thermomètre
Travail facultatif
Détermination de la capacité • une balance
Exploitation des résultats
12. Pour p
ceermettant précédentdcalcul,
nous
1. En vous inspirant de ces faits historiques, rédigez un protocole expérimental e calorifique
de
différents
7.
Sur
le
schéma
indiquez
le
signe
du
environ
400
g
d’eau
avons
oublié
de
considérer
la
capacité
•
mesurer la capacité calorifique de l’acier et de la pierre, que l’on considèrera comme inconnue à matériauxpartir de la capacité calorifique chaleur
• environ
de 200g
l’eau d’acier
qtransfert
ui est de de
4180 J kg-­‐1°C-­‐1. calorifique du calorimètre : Qcalorimètre.
Donnez
l’expression qui lie Qmatériau,
6. En vous inspirant de ces faits • environ 200g de
8. pierre
Exprimez Qmatériau la chaleur
cédée
Q
et
Q
historiques,
rédigez
un protocole
eau signe?
calorimètre
Pour cela vous disposez de : Réalisez cette expérience.
par le corps chaud. Quel est son
expérimental
permettant
de mesurer
la
• un calorimètre • un thermomètre •
u
ne b
alance •
e
nviron 4
00 g
d
’eau •
e
nviron 2
00g 9. ci-dessous
Exprimez Q
Recopier le schéma
eteau la chaleur gagnée d’acier • environ 200g de pcalorifique
ierre capacité
de l’acier
et de la le avec vospar
complétez
résultats.
l’eau froide. Quel est son signe?
brique, que l’on considèrera comme
10. Dans un calorimètre les fuites de
2. Réaliser xpérience. inconnue
à partircette de laecapacité
chaleur sont quasi nulles. Que relation
Tinitial =
de l’eau qui est de
Tinitial =
calorifique
peut-on
écrire
entre
Q
et
Q
?
matériau
eau
3. Recopier le schéma ci-­‐contre Tfinal =
T
=
4180 J kg-1 °C-1.
11. final
Calculer les capacités calorifiques
et compléter le avec vos
Pour ce résultats. la vous disposez de :
de la pierre et de l’acier.
• un calorimètre
Brique
Eau
thermomètre
•4. unSur le schéma indiquer le Travail facultatif
ou Acier
signe d
u t
ransfert d
e c
haleur. • une balance
12. Pour ce précédent calcul, nous
400 g d’eau
avons
oublié
• environ
Qreçue
= de considérer la capacité
5. environ
Exprimer Q
l
a c
haleur matériau
calorifique du calorimètre : Qcalorimètre.Qcédée =
200g d’acier
•
cédée par le corps chaud. Donnez l’expression qui lie Qmatériau,
• environ 200g de pierre
Quel est son signe? Qeau et Qcalorimètre
Réalisez
cette expérience.
Recopier
le schéma
et par l’eau froide. Quel est son signe? 6. Exprimez Qeau la ci-dessous
chaleur gagnée G.PASIN Sciences Physiques 1STI2D
6
complétez le avec vos résultats.
7. Dans un calorimètre les fuites de chaleur sont quasi nulles. Que relation peut-­‐on écrire entre Qmatériau et Qeau? Tinitial =
Tinitial =
final =
8. Calculer les capacités Tfinal c=alorifiques de la pierre et de Tl’acier. Application : Brique
Eau
-­‐1
Acier
La température d’un mur de briques pleines (Cbrique = 8ou
40 J.Kg
.°C-­‐1) exposé au soleil passe de 14°C à 35°C. a. Sous quelle fQ
orme reçuele =mur emmagasine-­‐t-­‐il de l’énergie ? cédée = d’énergie interne. b. La masse du mur étant de 8 000 kg, calculer sa Q
variation La nuit, la température du mur passe de 35°C à 16°C en 12 heures. c. Calculer l’énergie cédée par le mur. G.PASINd.
Sciences
Physiques
1STI2D moyenne transférée. Calculer la puissance e. Sous quelles formes a lieu ce transfert d’énergie thermique ? 6