Les murs à accumulation d énergie

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1 Thème du programme HABITAT Sous-thème Gestion de l énergie dans l habitat Titre Type d activité Les murs à accumulation d énergie Activité documentaire et activité expérimentale Conditions de mise en oeuvre durée acquis 1h (documentaire) 2h (expérimentale) Partie concernée du programme Notions et contenus Compétences exigibles Mesurer des températures. Énergie interne ; température. Capacité thermique massique. Associer la température à l'énergie interne des constituants microscopiques. Associer l échauffement d un système à l énergie reçue, stockée sous forme d énergie interne. Exprimer la variation d'énergie interne d'un solide ou d'un liquide lors d'une variation de température. Définir la capacité thermique massique. -faire preuve d initiative, de ténacité et d esprit critique ; - lire un graphique ; Compétences transversales - mobiliser ses connaissances, rechercher, extraire et organiser l information utile fournie par un document, une situation, ou une expérience. - raisonner, démontrer, argumenter, exercer son esprit d analyse. Auteur Fanchon LEYNAUD Lycée Saint Joseph Pierre Rouge

2 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.

3 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.

4 3. Comparaison Transfert thermique Valorisation des apports Coût Maintenance Le mur capteur Transmission de la chaleur avec un déphasage fonction de l'épaisseur du mur. Valorisation des apports directs, s'il est associé à un vitrage simple (mur capteur en allège et vitrage au-dessus) Comparable à celui d'un mur classique. Quasi inexistante Le mur Trombe Transmission directe : environ un tiers de l'énergie totalement restituée. Restitution du reste de l'énergie déphasée Valorisation des apports directs et des apports déphasés. 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. 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 1m 3 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.

5 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 : 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. Proposez une expérience permettant de mesurer les capacités thermiques de différents matériaux. VOIR COUP DE POUCE 8. Les murs à accumulation d énergie sont généralement construits en pierre ou en brique. Pourrait-on choisir un autre matériau comme le fer par exemple? Enoncez votre hypothèse puis rédigez un protocole expérimental permettant de la vérifier. Présentez votre expérience au professeur avec la liste du matériel nécessaire puis procédez à l expérience. Conclure.

6 Coup de pouce 1 : Un calorimètre est une enceinte isolée (il n y a pas d échange d énergie thermique avec l extérieur). Lorsqu on fournit une énergie thermique Q à de l eau (masse m, température T 1 ) contenue dans un calorimètre, la température de l eau s élève, son énergie interne est donc modifiée. La capacité thermique de l eau est C eau = J.kg -1. C -1 Quelle relation permet de relier la variation d énergie interne de l eau à la variation de température? Coup de pouce 2 : Si on plonge un échantillon de matériau (masse m, température T 2 ) dans de l eau (masse m, température T 1 ) contenue dans un calorimètre, la température de l échantillon diminue tandis que celle de l eau augmente jusqu à ce que le système s équilibre à une température Tf. La variation d énergie interne de l eau est notée ΔU e et celle de l échantillon ΔU x. L énergie nécessaire pour chauffer le calorimètre est notée ΔU c. Le calorimètre étant isolé, il n y a pas de pertes d énergie vers le milieu extérieur, on a : ΔU e + ΔU x + ΔU c = 0 La capacité thermique de l échantillon est noté C x. Etablir la relation entre C x, C eau, m, m, T 1, T 2 et T f et ΔU c. Coup de pouce 3 : Fiche TP page 27 du casteilla détermination de la capacité thermique du calorimètre. Application : La température d un mur de briques pleines (C brique = 840 J.Kg -1. C -1 ) exposé au soleil passe de 14 C à 35 C. a. Sous quelle forme le mur emmagasine-t-il de l énergie? b. La masse du mur étant de kg, calculer sa variation d énergie interne. La nuit, la température du mur passe de 35 C à 16 C en 12 heures. c. Calculer l énergie cédée par le mur. d. Calculer la puissance moyenne transférée. e. Sous quelles formes a lieu ce transfert d énergie thermique?

7 Poursuite de l étude du mur trombe en électronique avec une modélisation??????

8 Doc prof : Fiche de TP dans le manuel CASTEILLA p27. Il faut déterminer la masse en eau du calorimètre avant de faire les mesures. Matériel : - Calorimètre, - Balance, - Bec électrique ou plaque chauffante, - Bécher de 500 ml, - Thermomètres, - Solides à étudier, - Bain-marie, - Agitateur.

9 Éléments de calcul : extrait des règles Th-BV de septembre 1988, (annexe 3-1 : paroi à effet de serre) «influence d'un mur capteur sur les apports solaires». La paroi considérée est constituée d'une partie opaque intérieure, comme un mur en béton, d'un vitrage extérieur, et entre les deux d'une lame d'air non ventilée. Le facteur de transmission s'exprime ainsi : avec : S le facteur solaire du vitrage qui varie de 0,64 dans le cas d'un vitrage simple avec une menuiserie bois à 0,60 dans le cas d'un double vitrage avec une menuiserie en métal, a le facteur d'absorption solaire de la surface extérieure opaque qui varie de 0,9 si la teinte est noire ou sombre à 0,3 pour les teintes plus claires comme rouge clair, orange, blanc. Pour une bonne efficacité du mur capteur,?ñ doit être au minimum égal à 0,7, K le coefficient de transmission de la paroi, lame d'air et vitrage compris, en [W/m². C], 1/Xe la somme des résistances thermiques extérieures à la surface qui absorbe le rayonnement solaire, il s'exprime ainsi : Ri et Re étant les résistances thermiques respectivement de la lame d'air et du vitrage. Application numérique : Coefficient de transmission de la paroi [W/m². C] Facteur de rayonnement solaire Mur classique 0,85 0,75 0,02 0,10 Mur capteur (mur classique muni d'un vitrage ordinaire dans une menuiserie métallique) (facteur d'absorption solaire du mur égal à 0,9)

10 a diffusivité thermique [ m c / s] a t profondeur de pénétratio n [ m] avec t temps caractéristique période pour phénomènes périodiques 2 LES PARAMETRES DE L INERTIE L inertie thermique d un matériau se caractérise par 2 valeurs : - la diffusivité (Df) qui s exprime en m2/s, et - l effusivité (E) qui s exprime en w/s 1/2 /m2 C L effusivité détermine la capacité d accumulation de chaleur. Elle se calcule selon la formule où est la conductivité thermique des matériaux (w/ C.m) est la masse volumique des matériaux (kg/m3) Cp est la chaleur spécifique des matériaux (wh/ Ckg) Un matériau accumulant beaucoup de chaleur doit avoir une conductivité ( ) élevée pour que la chaleur puisse facilement pénétrer, une chaleur spécifique (Cp) et une masse volumique ( cliquer pour agrandir ) élevées pour pouvoir accumuler le maximum de chaleur. SANTE ET QUALITE DE L ENVIRONNEMENT INTERIEUR DANS LES BATIMENTS. C-A ROULET. Effusivité thermique des divers matériaux en fonction de leur masse volumique. La diffusivité thermique exprime la profondeur à laquelle la chaleur a un effet après une période de temps donnée. Df = où est la conductivité thermique des matériaux (w/ C.m) est la masse volumique des matériaux (kg/m3)

11 Cp est la chaleur spécifique des matériaux (wh/ Ckg) t est un temps caractéristique Df indique la profondeur de pénétration. exemple : il gèle pendant 3 mois en hiver ; la profondeur de gel dans le bâtiment est : Df = La capacité thermique d un matériau de construction peut être profondément modifiée par le revêtement qui le recouvre, dont la masse peut être négligeable, mais qui présente une résistance thermique élevée. cliquer pour agrandir SANTE ET QUALITE DE L ENVIRONNEMENT INTERIEUR DANS LES BATIMENTS. C-A ROULET. Effet de revêtement ou de la résistance superficielle sur la capacité thermique apparente. L inertie thermique d une paroi est définie par sa constante de temps. La constante de temps t d une paroi est la durée qui lui est nécessaire pour passer d un état stable à un autre sous l effet d un changement instantané de la température (régime transitoire). Ce temps de réaction est proportionnel au carré de l épaisseur et inversement proportionnel à la diffusivité où e est l épaisseur de la paroi Df est la diffusivité La constante de temps caractérise l inertie thermique intérieure de l espace chauffé. C est la puissance à fournir pour maintenir un degré de différence de température entre l intérieur et l extérieur. cliquer pour agrandir