La nuit durant le jour ?

Faire la nuit durant le jour ? Le déphaseur thermique !

Qui n’a pas rêvé que la fraîcheur de la nuit puisse être conservée et libérée en pleine chaleur d’une journée d’été, ou même conserver la fraîcheur de l’hiver pour la restituer lors des canicules d’été. Depuis des siècles les architectes ont développé diverses astuces tendant dans ce sens : les murs épais, ou encore les puits canadiens dans lesquels on fait passer l’air à travers des tubes enterrés dans le sol et qui donnent de jour une partie de la fraîcheur nocturne (ils amortissent les variations de T°).

Un puits canadiens est un dispositif qui préchauffe l’air en hiver et le rafraîchit en été en le faisant passer par le sous-sol avant d’entrer dans le bâtiment.
P. Hollmuller

P. Hollmuller de l’UNIGE aborde la question tout autrement et propose de conserver ces variations mais de retarder (déphaser) la fraîcheur nocturne jusque vers midi. C’est en explorant des données sur des puits canadiens avec des modèles analytiques qu’est apparue cette possibilité étonnante. D’abord incrédule, il a vérifié et finalement réalisé un prototype qui a confirmé et affiné le modèle. Une prototype a même été testée dans le cadre du projet Canopea, qui a gagné le premier prix du Solar Decathlon Europe 2012 à Madrid.

Fig 1: Un déphaseur était installé installé dans la maison solaire Canopea, lors d’un concours Solar Decathlon 2012 à Madrid. [img]

Déphasage n’est pas amortissement : c’est bien plus qu’une maison ancienne aux murs épais ou un puits canadien

Un puits canadien ou une maison ancienne aux murs épais amortit les variations journalières de température, un déphaseur conserve ces variations mais les décale. Sur la figure 2 on voit que des variations journalières entre 25 et 35°C environ peuvent être amorties c’est-à-dire « moyennées » par un puits canadien , qui amène de l’air vers 30 à midi, alors que le déphaseur décale la fraîcheur nocturne (25°C environ) et la restitue en fin d’après-midi, au moment où la température extérieure est la plus chaude. la comparaison des deux graphiques montre bien que l’amortissement n’est pas souhaitable, puisqu’il est une perte de la fraîcheur diffusée de jour.
Naturellement les caractéristiques de la maison ( son inertie thermique et son isolation, etc) influencent la température effectivement atteinte à l’intérieur, ce qui est illustré ici est la température de l’air diffusé à la sortie du dispositif.

Une découverte qui était cachées dans des modèles connus

P. Hollmuller travaille pour sa thèse publiée en 2003 l’analyse d’un puis canadien avec des équations de diffusion dans le sol de la chaleur qui passe dans les tuyaux d’air enterrés. Dans un de ces moments un peu indéfinis de rêverie intellectuelle qui contribuent parfois à mieux comprendre sa propre recherche il a un de ces moments d’ »Aha insight  » comme on dit en anglais.  » J’ai commencé à jouer avec certains paramètres de mes équations et je me suis aperçu que l’on pouvait, dans une géométrie précise, créer un déphasage d’un demi-cycle dans la propagation de la température, soit amener l’hiver en été, ou la nuit durant le jour.»

Puisque l’on cherchait à amortir, personne n’allait s’intéresser à un endroit où il n’y a pas d’amortissement et cela a empêché les autres de penser au déphasage

L’amortissement thermique est ce qu’on cherche dans les puits canadiens dont celui que Hollmuller analyse pour sa thèse, et toute une industrie, une ingénierie ainsi qu’un pan de recherche pense selon ce paradigme. C’est donc un renversement de point de vue, un changement conceptuel remarquable qui commence à ce moment-là et qui doit aller à contre-courant. C’est souvent de jeunes chercheurs qui voient ce que les autres écartent sans même s’en rendre compte.
On peut voir cela comme un problème d’apprentissage : Gaston Bachelard (1947) parle de concept-obstacle : un concept qui n’est pas tant faux, que très efficace dans la vie courante mais qui empêche de progresser dans l’apprentissage. Chaque enseignant de physique a rencontré des élèves qui butaient sur la loi d’Ohm parce qu’ils ont la conception que les ampoules plus puissantes sont plus « gourmandes » et donc « tirent » plus de courant ! ça marche très bien dans la vie courante ou les ampoules sont en parallèle. C’est justement ça qui fait obstacle : cette conception a une puissance explicative tout à fait suffisante pour choisir son éclairage domestique… De même pour la croyance que sans force les objets ralentissent leur mouvement, qu’une balle jetée dans une voiture en virage va continuer à tourner avec le virage, que les gaz ne sont pas de la matière et n’ont donc pas de poids, ou que seuls les objets chauds ont de l’énergie thermique, etc. un répertoire de ces conceptions a été rassemble par le projet 2061du AAAS (qui produit la revue Science) ici
Or bousculer l’équilibre de son système de pensée une fois qu’une certaine cohérence est atteinte est un effort que notre esprit évite jusqu’à ce que nous y soyons contraints…
Donc plus on sait plus c’est difficile d’accepter une idée vraiment nouvelle…
Remarquez la prudence de son propos « Detection of the possibility to use a diffusive heat-exchanger for phase-shifting of a temperature oscillation, with almost no amplitude-dampening. » Hollmuller P. (2003)

La singularité qui attire son intérêt

Revenons donc à ce thésard devant ses données : une de ces équations (Hollmuller P., et al., 2006) l’interpelle et manifeste cette idée de déphasage dont il ne saisit pas tout de suite la portée.


Le déphasage apparaît dans cette équation et il est distinct de l’amortissement : le terme de déphasage est le deuxième terme du cosinus (2*pi*k*x/c*m) en rouge ; le terme d’amortissement est dans l’exponentielle (2*pi*h*x/c*m) en vert. il devient donc possible de faire varier le déphasage sans forcément augmenter l’amortissement [img] source source Hollmuller P., Gallinelli P., Lachal, B., Weber W. (2008) p. 36


Fig 3: L’analyse des données issues du modèle révèle une zone où il n’y a presque pas d’amortissement mais un déphasage bien réel. C’est cette combinaison inattendue qui a fait réfléchir Pierre Hollmuller et suscité l’idée du déphaseur thermique [img] source Hollmuller P., Gallinelli P., Lachal, B., Weber W. (2008) p. 36

Quelques pistes pour des usages ?

Des données authentiques mesurées sont disponibles plus bas pour les membres Expériment@l voire AuthenTIC

Ces données sur le déphasage pourraient intéresser les profs de math en trigonométrie ou pour les options avancées.
En math on définit souvent déphasage par « Translation horizontale d’une fonction sinusoïdale ». Ici il s’agit d’un décalage dans le temps et c’est peut-être plus facile pour les élèves d’en voir le sens dans ce contexte.

Les données montrent mieux ce décalage si on utilise une transformée de Fourrier pour extraire la première harmonique du signal d’entrée et de sortie du déphaseur. Cf fig 6 et les données AuthentTIC.

Peut-être que des physiciens pourraient utiliser ces exemples pour discuter la différence entre température et chaleur, d’énergie et l puissance. Peut-être aussi pour donner des exemples d’application des modèles étudiés en classe. Éventuellement avec des options avancées pour les équations de diffusion…
Pour les profs de géographie on pourrait discuter les usages de ce déphaseur pour les questions de développement durable.

Fig 4: Un usage du déphaseur pour éviter les pointes de chaleur la journée. La ventilation du bâtiment (trait noir épais) apporte la journée de l’air provenant de la sortie du déphaseur (pointillé) et restitue dans le bâtiment la fraîcheur du milieu de la nuit au milieu de la journée. On voit que l’air extérieur (« prise d’air météo ») serait bien plus chaud à midi. La nuit la ventilation prend directement l’air extérieur ( trait épais et fin superposés).
Des données authentiques mesurées sont disponibles plus bas voire AuthenTIC [img] source Wellstein, J. (2005)

On pourrait utiliser ces données pour des travaux de maturité , des projets en classe, des analyses, des exercices.
On voit que cette recherche peut susciter de belles question dans chaque discipline qui relient les applications aux modèles théoriques et peut aider à mettre en évidence auprès des élèves l’utilité de la modélisation (une compétence que le Plan d’Etude Romand remet en valeur).

Les modèles conduisent aux expériences … pour définir le modèle

Il est intéressant de voir comment dans le processus de modélisation – la confrontation de deux modèles (analytique puis numérique) à ce qui était connu – P. Hollmuller a mis en évidence une singularité, un endroit où des propriétés remarquables se produisent ( déphasage mais très peu d’amortissement)
Cela a conduit P. Hollmuller à expérimenter d’abord pour élaborer et caractériser le modèle, puis pour démontrer la réalité du phénomène.


Fig 5:Le prototype réalisé par P. Hollmuller à l’UNIGE [img]

C’est aussi un exemple intéressant pour montrer la modélisation comme un processus lié à l’expérimentation et de sa place dans les sciences. On distingue bien ici des phases où les modèles sont construits (caractériser le modèle dit Hollmuller, phénoménographie dirait Martinand) en interaction avec les expériences et des phases où on utilise ces modèles (phénoménologie dirait Martinand) cf illustration ici.
Ainsi le modèle ayant été bien confirmé on peut l’utiliser pour prévoir ce que ferait un déphaseur donné sur une année en introduisant la température météo enregistrée dans le modèle et observer ce qu’il devrait produire. On peut ainsi essayer l’effet d’un déphaseur de 20m ou 30m de long avec un débit d’air donné et établir un gain possible d’énergie ou de confort.

On peut se référer à Martinand, (1996) qui souligne quatre caractéristiques souvent oubliées d’un modèle : hypothétique, modifiable, de validité limitée à un domaine et pertinent pour résoudre certains problèmes.

Des sources pour approfondir

D’abord, une sélection d’articles mis a disposition par P. Hollmuller
Cet article (le plus ardu !) est à la base (découverte) du phénomène de déphasage thermique contrôlé.

Un résumé des travaux sur le déphaseur à proprement parler (sans les derniers développements) :

  • Hollmuller P., Lachal B., Zgraggen J.M. (2006) A new ventilation and thermal storage technique for passive cooling of buildings: thermal phase-shifting, in : PLEA 2006, 23rd Conference on Passive and Low Energy Architecture, 6-8 September 2006, Geneva, Switzerland, Université de Genève, Vol. 1, p. 541-546. http://www.cuepe.ch/html/biblio/detail_l.php?id=397

Discussion du potentiel du déphaseur pour le rafraîchissement de bâtiments (en comparaison avec d’autres techniques de rafraîchissement passives) :

  • Hollmuller P., Gallinelli P., Lachal, B., Weber W. (2008). Extensive sensitivity analysis of diverse ventilation cooling techniques for a typical administrative building in Mid-European climate, in: Eurosun 2008, 1st International Conference on Solar Heating, Cooling and Buildings, 7-10 October 2008, Lisbon, Portugal. http://www.cuepe.ch/html/biblio/detail_l.php?id=448

Un article de vulgarisation, assez concret :

Voir également les articles dans la revue Campus de l’Université de Genève

Sur la modélisation :

  • Martinand, J. L. (1996). Introduction à la modélisation. Actes du séminaire de didactique des disciplines technologiques., Cachan Paris
    intranet.pdf

Sur les concepts obstacle

  • Bachelard, G. (1947). La formation de l’esprit scientifique: Vrin. Paris.

AuthenTIC: des données exclusives pour Expériment@l


Fig 6:Des données authentiques qui pourront être utilisées en classe [img] source Hollmuller P.

Une série de données authentiques, correspondant à des mesures réelles sur le prototype sont à disposition des membres Il s’agit de données mesurées (et analysées par série de Fourier) sur un de leurs prototypes de laboratoire avec des variations de température à l’entrée produites par l’expérimentateur : elle sont calibrées afin de pouvoir être répétées. Le décalage est de 3-4 heures dans ce cas . Voir Hollmuller P., Lachal B., Zgraggen J.M. (2006).

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