Le confort thermique en toute saison

1. Lancement de l'activité et réflexion par écrit
Auteurs : Katia Allegraud(plus d'infos)
Claire CALMET(plus d'infos)
Frédéric Pérez(plus d'infos)
Résumé :
Les élèves doivent réaliser des prototypes de maisons sous forme de maquettes respectant la contrainte suivante : nous sommes en hiver, et il doit faire le plus chaud possible à l’intérieur de la maison en utilisant comme seule source d’énergie le rayonnement solaire. Dans la classe, cette situation sera simulée grâce à une source lumineuse de type spot de chantier.
Publication : 23 Novembre 2016
Objectif :
Travailler en équipe à la conception d’un objet technique répondant à un besoin et respectant des contraintes.
Matériel :
  •  Des contenants identiques pour donner le gabarit de la maison : bacs en plastique, boîtes en carton (type petits aquariums), parallélépipèdes en bois (voir descriptif)…Dimensions typiques : L 15 cm P 10 cm H 13 cm environ. Prévoir un gabarit par groupe, et idéalement quelques-uns en plus si les élèves souhaitent faire des comparaisons au sein d’un même groupe. Le contenant ne doit pas être opaque, ou alors permettre la création d’ouvertures pour simuler les fenêtres.
  •  2 thermomètres par groupe + quelques thermomètres supplémentaires.
  •  un paquet de transparents (pour simuler le vitrage des habitations. On peut également fournir en complément des plaques de verre dont les bords coupants soient protégés ou des plaques de plexiglas)
  • Un paquet de feuilles noires
  •  rouleaux de scotch transparent
  •  Matériaux divers pour l’isolation : cartons, laine de mouton, polystyrène, papier bulle
  • Liants : ficelle, élastiques
  •  papier aluminium
  •  Outils de découpe : cutters, paires de ciseaux
  •  Règles, mètres ruban
  • Supports pour protéger les tables lors des découpes (plaques de bois)
  • Sources lumineuses intenses (type spots de type chantier, ampoules halogène 400 W). Mise en garde : procéder à des tests avant la séance pour vérifier que la source est suffisamment puissante pour provoquer une hausse de température significative dans les prototypes. Il faut également vérifier la distance à adopter par rapport à la source : trop loin, l’élévation de température sera trop faible. Ne pas coller les prototypes au spot car il y a risque de fusion des éléments en plastique composant la maquette.

Lancement de l’activité (5 à 10 min)

L’enseignant présente le contexte de l’activité aux élèves : la classe va se lancer dans un concours de prototypes de maisons. Il s’agit de concevoir une maquette de maison où il fasse chaud en hiver même sans avoir recours à des dispositifs de chauffage (radiateurs, etc). La seule forme d’énergie thermique utilisable est le rayonnement « solaire », qui sera ici remplacé par des lampes.

L’enseignant résume les conditions du défi par la question : « comment faire pour qu’il fasse le plus chaud possible dans votre prototype en utilisant comme seule source d’énergie le rayonnement de la lampe ? »

Les élèves sont répartis en groupes, chaque groupe étant responsable de la conception d’un prototype. Afin que tous partent de la même base, chaque groupe reçoit un gabarit identique qui représente la structure de la maison et accès à la liste du matériel qui peut être utilisé pour répondre au défi (voir liste de matériel).

A la fin de l’activité, chaque groupe devra présenter son prototype aux autres et défendre son projet. Pour cela, il devra se donner les moyens de prouver aux autres les performances de son système.

Phase 1 (5 à 10 min)

Dans un premier temps, les élèves notent individuellement par écrit leurs idées pour répondre au défi : schéma et matériel nécessaire.

L’enseignant circule dans les groupes et alerte les élèves qui n’en auraient pas conscience sur le fait qu’on simule une maison : Les gabarits délimitent l’espace intérieur du prototype, que l’on ne doit pas réduire (on ne remplit pas une maison entièrement d’isolant !)

Note pour l’utilisation des sources lumineuses : La source sera placée de façon à éclairer principalement la « façade sud » des maquettes et non leur « toiture » ou les autres façades (on cherche à simuler l’éclairage rasant d’un soleil d’hiver, à midi). Exemple de disposition avec des spots de chantier (dans le cas d’utilisation de lampes moins puissantes, il faut ajuster les distances et le nombre de prototype par lampe): chaque spot est sont disposé, allumé, face à une table. Les prototypes, une fois réalisés, devront être placés à environ un mètre du spot. Il y a suffisamment de place pour disposer 4 prototypes en face de chaque spot (voir photo ci-dessous).

 

Quatre prototypes face à un spot halogène de puissance 400 W. La source lumineuse est au même niveau que les maquettes, qui sont posées sur une table. Pour les meilleurs prototypes, la température d’équilibre peut dépasser les 40 °C. On notera la présence du thermomètre mesurant la température de l’air de la pièce.

Note pédagogique

Ici, les contraintes sont directement cadrées par l’enseignant et l’activité met le focus sur le juste choix des matériaux, la conception des prototypes, et l’élaboration du protocole de mesure.  L’enseignant peut également faire le choix d’ajouter en amont une phase de réflexion avec les élèves pour qu’ils établissent les contraintes eux-mêmes. 

Phase 2 (15 min)

Chaque groupe dispose de 10 minutes pour échanger et établir les critères de sa maquette, ainsi que la liste du matériel nécessaire.