Biomimétisme et habitat

 

 L’Eastgate Building, « le bâtiment termitière »

thermitière tpe

L’easgate Bulding, « le bâtiment termitière »

L’ Eastgate Building est un centre commercial se trouvant à Harare au Zimbabwe. Ce bâtiment abrite un système de ventilation unique en son genre lui permettant une excellente rentabilité énergétique, rendue possible grâce à une régulation dite «passive» de température intérieure inspirée de la structure des termitières.

Une des conditions de survie des termites repose principalement sur la culture de champignons pré-digérant les végétaux afin de les rendre plus facilement assimilables par ces dernières. Pour assurer un développement optimal  des champignons, une température constante de 30-31°C est nécessaire. Or, les termites vivent généralement dans des zones très termiteschaudes, où la température peut atteindre 40 ou 50°C le jour, et être inférieure à 0°C, la nuit. Cependant, elles arrivent, par un système de ventilation très efficace, à maintenir la température intérieure de la termitière à environ 30°C. De nombreux scientifiques ont donc étudié la structure de ses termitières pour savoir comment ces insectes arrivent à réaliser un système de refroidissement aussi performant et le tout sans climatisation électrique.

flux

Flux d’aire dans la termitière

Leur étude a démontré un système de ventilation très ingénieux. Son secret réside dans la cheminée centrale qui surplombe le nid. En effet, du fait de sa densité, l’air chaud est attiré vers le haut de la termitière et est ensuite évacué par cette cheminée. Ce phénomène entraîne un courant d’air dans les parties basses du nid. L’air est aspiré dans les parties inférieures grâce à des petits trous situés tout autour du nid. Il circule ensuite sous terre où il est rafraîchi au contact de puits très profonds (de 15 à 20 m en général) que les ouvriers creusent pour atteindre la nappe phréatique. Cet air frais remonte en suite vers la surface rafraîchissant ainsi la termitière. Les termites peuvent alors réguler très précisément la température de la termitière en obstruant ou en perçant des trous au sol. Quand la nuit tombe, elles vont boucher la totalité de ces trous, afin d’emmagasiner et garder la chaleur dans la termitière.

Mick Pearce

Mick Pearce, l’architecte

L’objectif du projet était de construire un bâtiment ne nécessitant pas l’utilisation de l’air conditionné. Compte tenu du climat de la région, cela représentait un défi important pour Mick Pearce l’architecte. Il s’est donc inspiré du fonctionnement des termitières et a ainsi réussi à réaliser un bâtiment consommant 90% de moins d’énergie que la moyenne.

Il a donc mis en place un système de climatisation passive. Le bâtiment grâce à une structure de briques et de béton (deux matériaux ayant une forte capacité thermique) absorbe la fraîcheur durant la nuit et la restitue durant la journée. De plus un patio recouvert de verre et ouvert aux vents assure une prise d’air. Cet air est ensuite refroidi par la structure du bâtiment  puis lorsqu’il  se réchauffe naturellement, il est attiré vers le haut où il est évacué par 48  grandes cheminées. Ce flux crée alors un phénomène de courant d’air semblable à celui des termitières. Pour gagner en efficacité il est accéléré plusieurs fois dans la journée à l’aide de ventilateurs.

Eastgate Bulding

Flux d’air à l’intérieur de l’Eastgate building

La nuit, lorsque l’air extérieur devient plus froid que celui du bâtiment, les murs diffusent peu à peu la chaleur qu’ils ont emmagasinée pendant la journée, ralentissant ainsi le refroidissement du bâtiment. Puis ils vont à nouveau absorber la fraîcheur venant de l’extérieur pour la diffuser progressivement pendant la journée et permettre à nouveau le phénomène de flux d’air. Le bâtiment dispose également d’une très bonne isolation thermique. Aucune des fenêtres n’est exposée directement au soleil, elles se trouvent toutes en retrait par rapport à la façade et sont protégées par un rideau végétal.

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Expérience:

Afin de montrer les flux d’air chaud et froid ayant lieu dans les termitières et dans l’Eastgate Building nous avons réalisé une expérience mettant en évidence les déplacements de l’air dus aux différences de température.

Explication physique des flux d’air:

Au travers de l’expérience, nous avons pu constater que les différences de températures étaient capables de mettre l’air en mouvement. Ce phénomène s’explique par l’évolution de la masse volumique de l’air en fonction de la température et par la poussée d’Archimède.

La masse volumique de l’air:

La masse volumique de l’air f7f177957cf064a93e9811df8fe65ed1 (rho) caractérise la masse d’air qui est contenue dans un mètre cube. Elle se mesure en kilogrammes par mètre cube (kg/m3) et suit la formule suivante :

                                                      25503e15fa8f52b1b99f05e79b7c0060

Avec:

  • P la pression de l’air (Pa)
  • M la masse molaire de l’air (kg / mol)
  • R la constante universelle des gaz parfaits
  • T la température (°K).

La constante universelle des gaz parfaits vaut R = 8,3144621 J·K-1·mol-1
La masse molaire de l’air vaut M= 0.02897 Kg/mol

A une température ambiante de 25°C (25+273°K) et une pression de 101325 Pa, l’air a donc une masse volumique de:  Capture

 en °C ρ en kg/m3  en °C ρ en kg/m3
– 10 1,341 + 40 1,127
– 5 1,316 + 45 1,110
0 1,292 + 50 1,092
+ 5 1,269 + 55 1,076
+ 10 1,247 + 60 1,060
+ 15 1,225 + 65 1,044
+ 20 1,204 + 70 1,029
+ 25 1,184 + 75 1,014
+ 30 1,164 + 80 1,000
+ 35 1,146 + 85 0,986

Capture3

On observe que la masse volumique de l’air diminue lorsque la température augmente.

La poussée d’Archimède:

La poussée d’Archimède est la force particulière que subit un corps plongé en tout ou en partie dans un fluide (liquide ou gaz) soumis à un champ de gravité:

« Tout corps plongé dans un fluide reçoit de la part de celui-ci une poussée verticale dirigée du bas vers le haut, égale au poids du volume de fluide déplacé. »

Elle suit la formule suivante :

PArchimède = Vdéplacé × Mfluide × g

Avec:

  • Vdéplacé, le volume déplacé en m3
  • Mfluide la masse volumique du fluide en kg/m3
  • PArchimède, le poids du fluide, en newton (N)
  • g l’accélération de la pesanteur ou gravité, en N/kg.

 Sur Terre g vaut environ 9,81 N/Kg

Considérons 1 m3 d’air à une pression atmosphérique de 101325 Pa.

Comme nous l’avons calculée plus haut, l’air à 0°C a une masse volumique de 1,292 Kg/m3. La poussée d’Archimède exercée est donc de :

P= 1 x  1.292 x 9.81 =  12.67452  N

L’air à 25°C a une masse volumique de 1,184  Kg/m3 donc la poussée d’Archimède exercée est de:

P= 1 x  1.184  x 9.81 =  11.61504 N

L’air exerce donc une poussée d’Archimède de plus en plus faible lorsque  sa température augmente. Donc selon la loi d’Archimède, l’air chaud monte tandis que l’air froid descend.force archimède

Ce sont donc la poussée d’Archimède et l’évolution de la masse volumique de l’air en fonction de la température qui sont responsables des flux d’air ayant lieu dans la termitière et dans l’Eastgate Building.

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