Eastgate Building

Introduction:

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L’Eastgate Building, appelé plus familièrement « le bâtiment termitière » est un centre commercial à Harare au Zimbabwe. Ce bâtiment utilise un nouveau système de ventilation inspiré du biomimétisme. Il lui assure une rentabilité et une économie d'énergie importante : ce qui est plus économique pour le pays, et plus écologique. Pour se faire, les ingénieurs se sont inspirés de la structure des termitières, qui s'auto-thermo-régulent. Cette régulation est dite "passive", en effet, elle est caractérisée par une isolation maximale et une utilisation des flux d'air.

 

En quoi, ce bâtiment s'inspire-t-il des termitières ?

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              Les termites vivent dans des zones très chaudes, où la température s'élève parfois à 40 voire 50°C le jour, et peut-être inférieure à 0°C, la nuit. Les termites se nourrissent de produits lignifiés, comme certains champignons qui sont donc plus digestes pour celles-ci. Un produit lignifié est constitué de cellules végétales dont les membranes se transforment, sous l'action de la biomolécule lignine en bois. Une biomolécule est une molécule présente naturellement dans un organisme vivant, qui intervient dans son métabolisme et son entretien, par exemple les glucides, lipides, eau, protéines, acides aminés. Les termites cultivent ces champignons sur des meules (espace où les champignons se développent) qu'elles ont constitué avec des restes de végétaux grossièrement mâchés. Les champignons facilitent l'assimilation de la cellulose (un glucide constitué d'une chaîne linéaire de molécules de D-glucose) et la lignine par les termites en les dégradant. Les termites consomment ensuite les meules. Or pour que ces champignons se développent, il faut une température constante (entre 30 et 31°C). Pourtant, grâce à un système de ventilation, elles ont réussi à maintenir la température intérieure de la termitière à 30°C environ.

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Mais comment des insectes réalisent-ils un système de refroidissement aussi efficace sans nécessiter de climatsation électrique ?

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          Les termitières ont des formes et structures très variées. Leur monticule ou cheminée peuvent atteindre jusqu’à 6 m de haut (voire même 8 m en Afrique), avec des murs de 45 centimètres d’épaisseur et leur diamètre à la base, jusqu’à 30 m.

Le plus important dans leur système de refroidissement est la cheminée au centre qui surplombe le nid, elle permet l'évacuation de l'air. L’air chaud de faible densité est attiré vers le haut de la termitière et est ensuite évacué par cette cheminée. Cela entraîne un courant d’air dans tout le nid, y compris les parties basses. 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 (situés à environ 15/20 mètres de profondeur) que les ouvriers creusent pour atteindre des nappes phréatiques. Cet air frais remonte ensuite 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, distribuer et garder la chaleur dans la termitière.

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            Mick Pearce est l'architecte qui a eu pour but de construire un bâtiment qui ne nécéssiterait pas l’utilisation de l’air conditionné, l'Eastgate Buiding à Harare. Compte tenu du climat de la région, cela représentait un défi quasiment impossible pour Mick Pearce. Il est né au Zimbabwe et s’est donc inspiré du fonctionnement des termitières. Il a ainsi réussi à réaliser un bâtiment consommant 90% de moins d’énergie que la moyenne.

Il a 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.

 

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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            Les différences de températures sont 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.

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         La masse volumique de l’air:

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La masse volumique de l’air (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 :

 

                                                                  ρ = PM/RT

Avec:

• P la pression de l’air (Pa)

• M la masse molaire de l’air (kg / mol) (M= 0.02897 Kg/mol)

• R la constante universelle des gaz parfaits (R = 8,3144621 J·K-1·mol-1)

• T la température (°K).

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A une température ambiante de 25°C (25+273°K) et une pression de 101325 Pa, l’air a donc une masse volumique de 1,184 kg/m^3

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On observe que la masse volumique de l’air diminue lorsque la température augmente, ces deux variables sont inversement proportionnelles.

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    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 :

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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)

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Estimons, 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

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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

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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.

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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Conclusion:

 

 

Finalement, en utilisant les propriétés des flux d'air comme les termites, Mike Pearce a réussi à créer un système de ventilation efficace et à moindre coût. Encore une fois, l'Homme s'est inspiré de la nature qui l'entourait. C'est le biomimétisme qui est à l'origine de cette avancée écologique et économique.