Emma Boyer, Lou Comte, Charlène De Guitaut et Élisa Juin

Présentent :

La modélisation

d'une villa à autonomie d'énergie

En partenariat avec M. Régis Olivès

Maître de Conférence à

et Chercheur au

Laboratoire

Avec M. Auriol

Pr de Sciences Physiques

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Sommaire :

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Page 3 ….. Pourquoi le concours C.Génial ?

Page 4 ….. Introduction

Page 5 ….. Comment exploiter l’énergie solaire ?

Page 5 ….. Le Mur Trombe-Michel

Page 9 ….. Le panneau photovoltaïque

Page 10 ….. Le chauffe-eau solaire

Page 12 ….. Conclusion

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Pourquoi le concours C.Génial ?

Nous sommes quatre élèves en classe de première scientifique, au lycée

François Arago, à Perpignan.

C'est en début d'année, que notre professeur de physique-chimie et professeur

principal M. Auriol a proposé à notre classe le concours C.Génial. Il nous a

brièvement expliqué ses enjeux et le concept du concours, et nous avons été 4 filles à

venir lui faire part de notre motivation à y participer. Ainsi, nous avons prévu une

heure dans notre emploi du temps afin de nous retrouver tous les cinq et de démarrer

cette aventure. Tous les jeudis après-midi, nous nous sommes donnés rendez-vous

dans une classe de Travaux Pratique de Physique-Chimie, et là nous avons débuté nos

recherches.

Le thème des énergies renouvelables nous a toutes mises d'accord. C'est un

thème d’actualité. Nous pensons également qu’il sera un thème incontournable

concernant la santé de notre planète bleue. De cette manière, nous avons choisi

ensemble de partir sur la modélisation d'une maison à autonomie d'énergie. Nous

fournissons en complément essentiel de cette production écrite, une vidéo de notre

travail qui montre aussi notre rencontre avec M. Olivès, un enseignant-chercheur à

l'université.

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Introduction

Alors que la teneur de l’atmosphère en gaz à effet de serre atteint encore des

sommets cette année, les ménages continuent de polluer. Avec cette constante

augmentation qui a déjà commencé il y a bien trop longtemps, l’environnement se

dégrade peu à peu, on assiste alors aux bouleversements des climats entrainant par

exemple la fonte des glaciers. Ces changements climatiques rythmeront notre avenir

sur la planète bleu. Ainsi la pollution doit devenir une préoccupation majeure, c’est

pourquoi nous avons jugé essentiel de vous en parler. Bien que fragile, la Terre

possède une richesse immatérielle qui pourrait permettre à l’Homme de la « sauver ».

Ainsi nous nous sommes intéressées aux énergies renouvelables, c’est-à-dire des

énergies inépuisables que fournissent le soleil, l’eau, le vent ou même les végétaux.

Nous avons donc suivi le chemin de physiciens et chimistes du XXème siècle comme

Félix Trombe qui a tenté de mettre à profit l’énergie solaire.

Mes amies et moi, rêvons, peut-être bien comme vous, d’avoir une maison en

accord avec l’environnement. Nous avons donc modélisé des parties de cet habitat ; il

se compose alors d’un mur trombe, qui combine l’exploitation de la ressource

naturelle solaire et l’utilisation de matériaux isolants limitant ainsi le chauffage. Nous

avons aussi pensé à installer un panneau solaire afin d’atteindre une structure

d’autosuffisance énergétique.

Ainsi notre projet permet à tout éco-citoyen de vivre sans avoir la culpabilité

de détruire sa planète.

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Comment exploiter l’énergie solaire ?

Nous participons donc au concours C.Génial avec l'accord et le soutien de

notre professeur de Physique-Chimie : M. Auriol.

Le but que nous nous étions fixées était donc d'arriver à mettre au point des

éléments d’une maquette de maison à autonomie d'énergie. Après avoir concentré nos

recherches sur la seule énergie solaire, nous avons suivi un premier conseil de M.

Olivès. Pour récupérer davantage d’énergie, il vaut mieux fabriquer un capteur pour

chaque utilisation, plutôt que de convertir la lumière du Soleil en électricité par

exemple, et alimenter ensuite un chauffe-eau et un radiateur.

À ce moment-là, nous nous sommes demandées pourquoi les capteurs de

chaleur étaient noirs. En fait, cela peut s’expliquer à partir du cours de Physique de

cette année. Si un objet apparaît d’une couleur, le jaune par exemple, c’est qu’il

absorbe la couleur complémentaire. Dans notre cas, c’est le bleu. Mais nous

cherchons à absorber toute la lumière pour chauffer le plus possible notre installation.

Et toutes les couleurs visibles donnent du blanc. La couleur complémentaire est le

noir.

Le mur Trombe

Nous nous sommes en premier lieu tournées vers le mur Trombe, qui entre

parfaitement dans note problématique en adéquation avec les progrès contemporains

liés aux énergies.

Le mur Trombe (ou Trombe-Michel) est un mur dont les fonctions sont

multiples : en effet, en plus d'isoler la maison, il va agir comme un « radiateur géant »

par système de chauffage solaire dit "passif" et de circulation d'air par des

mouvements de convection. C'est donc un dispositif qui tire partie, par effet de serre,

de l'énergie gratuite du soleil. Il a été mis en œuvre et expérimenté par le professeur

Félix Trombe associé à l’architecte Jacques Michel entre les années 1950-1970, mais

en réalité, Edward Morse déposa le brevet US Patent 246626 de ce concept en 1881,

brevet qui fut ignoré jusqu’en 1956.

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EXPLICATION DU PRINCIPE :

Pour optimiser son action, ce mur qui est fait de béton ou de pierres et de

couleur sombre mat doit être exposé au sud (de préférence dans l'hémisphère nord).

Devant lui, on accole un vitrage (il est préférable de se munir de vitrages performants

tels que les doubles vitrages). Ce dernier piège la chaleur du soleil qui se propage et

s'accumule dans le mur. L'air froid passe par l'ouverture en bas et remonte le long du

mur par un mouvement de convection. Ainsi chauffé, l'air s'échappe par l'ouverture

du haut pour chauffer la pièce. La protection des vitrages comme avec un volet

roulant est également souhaitable afin d'éviter une déperdition trop importante ou la

surchauffe en été. La restitution, à l'intérieur de l'habitation, se fait douce, lente,

continue et durable. De cette manière, le mur est couramment appelé « mur-capteur ».

La présence, dans la maçonnerie d'ouvertures en haut et en bas du mur permet à l'air

chaud d'être envoyé dans l'espace intérieur (ces ouvertures sont à dimensionner selon

un rapport entre les volumes à ventiler et la surface du mur). Au niveau de la

« passivité » du mur, il est qualifié de tel car le mouvement de convection est fait

naturellement, mais l'on peut opter pour l'option « active » en ajoutant simplement

une ventilation motorisée dans le mur.

Les deux tiers environ de l’énergie sont restitués en transmission directe. Le

tiers restant est, lui, restitué en déphasé grâce à l’inertie du mur. En l’absence de

rayonnement solaire, le flux convectif s’inverse, ce qui peut provoquer un

refroidissement accéléré de la pièce. Pour éviter cela, des clapets à fermeture

manuelle ou automatique sont disposés au niveau des ouvertures (voir schéma). Par

accumulation et déphasage, on continue tout de même à profiter de l'inertie du mur

capteur, en diffusant, durant la nuit, toute la chaleur emmagasinée le jour.

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MAQUETTE DU MUR TROMBE

Pour notre maquette du mur Trombe, Lou a ramené de chez elle une petite

caisse en bois qui modélise la pièce à chauffer. Nous l’avons recouverte d’une dalle

de carrelage peinte en noir. Par-dessus, nous avons fixé une plaque de plexiglas. À ce

sujet, M. Olivès nous a montré (voir le film) que ce matériau ne réfléchit

malheureusement pas le rayonnement infrarouge comme le verre. Mais il reste un 2e

effet intéressant. Le plexiglas empêche l’air chaud de repartir au dehors.

Comme la boîte est petite, la circulation de la chaleur par convection a du mal à

se faire. Il a donc fallu installer une ventilation forcée. M. Auriol a réalisé un petit

montage électronique pour régler la vitesse du ventilateur d’ordinateur que nous

avons inséré dans la boîte.

Nous avons pu alors effectuer un test d’efficacité grâce à la caméra infrarouge

de M. Olivès. Pour l’occasion notre Soleil était un projecteur de 500 W. Au bout de

quelques minutes d’exposition, un flux de chaleur, visible sur la vue suivante s’est

nettement formé. Noter modèle fonctionne !

plexiglas

Caisse en bois

Dalle peinte en noir

Montage électronique provisoire

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Cliché infra rouge

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Le panneau photovoltaïque

Le mur Trombe est un excellent système pour gérer la température intérieure et

il s'adapte bien aux différentes saisons, toutefois il ne suffit pas à lui seul à assurer

une autonomie d'énergie. Nous avons donc pour cela pensé à intégrer un panneau

solaire sur le toit

Notre panneau a une puissance de 7W, ce qui peut alimenter le ventilateur

servant à faire circuler l'air du mur Trombe et la pompe à eau pour le chauffe-eau

solaire.

***

Les panneaux solaires thermiques transforment la lumière en chaleur, le plus

souvent pour des chauffe-eaux. Pour cela, les rayons du soleil passent d'abord par une

plaque de verre transparente à la lumière. Sous ce verre, un absorbeur noir (plaque de

métal recouverte d'une fine couche de chrome) absorbe 80 à 90% des rayons

lumineux. L'absorbeur transforme ces rayons lumineux en chaleur, grâce au transfert

thermique par rayonnement.

En s'échauffant, l'absorbeur émet des infrarouges. Ces infrarouges sont bloqués

entre la plaque de métal et la plaque de verre, c'est le principe de l'effet de serre.

Ainsi, l'air entre les deux plaques s'échauffe et améliore le rendement.

Le panneau possède un assez bon rendement, cependant il est très coûteux et dépend

complètement de l'ensoleillement.

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Le chauffe-eau solaire

Toujours dans le but de modéliser une villa à autonomie d'énergie, nous avons

également intégré un chauffe-eau solaire :

Il s'agit d'un tuyau noir fixé sur un panneau de bois recouvert d’une feuille

métallique (cannettes de Coca-Cola peintes en noir), dans le but d'absorber davantage

la lumière et donc la chaleur des rayonnements du soleil.

L'une d'entre nous, Élisa, s'est chargée avec Lou de mettre en place le tuyau, et

de créer des encoches dans le plexiglas afin de ne point gêner la circulation de l'eau

dans le tuyau.

On fait circuler de l'eau à l'intérieur de ce système à l'aide d'une pompe afin de

réchauffer l'eau. Celle-ci pourra être utilisée pour alimenter une douche, par exemple,

et ainsi éviter d'utiliser de l'électricité qui pourrait être employée autrement et de

gaspiller de l'énergie pour la conversion d'électricité en chaleur, nous rapprochant de

l'autonomie énergétique. Cependant l'efficacité de ce chauffe-eau solaire dépend, lui

aussi de la météo. C'est donc davantage un complément qu'une alimentation à part

entière.

Il faut noter qu’en plus de la chaudière à gaz, notre lycée est équipé d’un

chauffe-eau solaire comme on le voit sur la photo suivante.

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Une partie des tubes du chauffe-eau solaire du Lycée

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Conclusion

Ainsi notre projet est une maquette d’un habitat à autonomie d’énergie. Nous

nous sommes concentrées sur l’exploitation de l’énergie solaire sous plusieurs

formes. En effet, notre villa se compose d’une part d’un mur trombe et d’autre part de

panneaux solaires de deux sortes qui sont aujourd’hui assez répandus. A la suite de la

construction de notre maquette, nous avons jugé indispensable de mesurer plusieurs

paramètres afin de montrer son efficacité. Les résultats ont été favorables. Nous

sommes donc parvenues à fournir à notre maison une certaine autonomie de

chauffage et d’eau chaude.

De fait, nous allons présenter notre projet à l’ExPOsciences de Perpignan le 21

mai 2015.

Cependant notre projet se révèle sans limite. Toujours dans l’objectif

d’optimiser l’énergie solaire, pourquoi ne pas installer par exemple une « vallée de

miroir » qui permettrait de concentrer tous les rayons solaires vers notre habitat. Nous

pouvons aussi construire une maison cylindrique qui tournerait avec l’orientation du

soleil. Ainsi l’hiver les pièces à vivre pourraient être ensoleillées et la chaleur sera

récupérée directement. De plus les dispositifs d’exploitation d’énergie seraient

toujours face au soleil ce qui optimise le rendement. En revanche, l’été, il sera

possible de garder certaines pièces dans l’ombre, ainsi nous limitons la climatisation.

Nous avons donc amorcé la construction de la maison du futur en nous

intéressant à l’énergie solaire. Mais nous pourrions combiner d’autres ressources

naturelles comme le vent ou l’eau.

Remerciements :

Nous sommes très reconnaissantes à Monsieur Olivès pour le temps qu’il nous

a accordé et le savoir qu’il nous a partagés. De plus il est indispensable de remercier

notre professeur de Sciences Physiques, Monsieur Auriol qui a su parfaitement nous

guider dans notre parcours. Nous vous remercions aussi, organisateurs du concours

C.Génial qui nous avez permis d’entreprendre ce projet.