COMPTE RENDU

LA MAISON BIO AUTONOME.

Collège « les Guilleraults »58150 Pouilly sur Loire

Nous avons constaté depuis plusieurs années que les mathématiques « rebutaient » beaucoup de nos élèves. Peu ou pas concrètes, elles restent difficiles d’approche pour beaucoup qui décrochent et finissent par baisser les bras face aux premières difficultés. Au-delà de la logique mathématique ou du raisonnement, se pose le problème de l’envie, de la curiosité et du défi pour trouver la solution. Ce manque de motivation se retrouve malheureusement dans toutes les matières scientifiques enseignées au collège : technologie, physique-chimie et SVT. Dans le cadre des axes du projet d’établissement : « Réussite de l’élève » et « ouverture culturelle », le choix du projet sciences est retenu. L’objectif est de réveiller cette curiosité scientifique, en utilisant de façon concrète l’outil mathématique, dans un projet qui rassemble toutes les sciences du cycle central (cinquième et quatrième).Deux groupes de 40 élèves (1 classe de 5ème et 1 classe de 4ème) se réunissent tous les 15 jours pour s’ouvrir aux sciences : se poser des questions, trouver des solutions, faire des calculs, expérimenter, critiquer, utiliser ses connaissances.

Il fallait un sujet vaste, qui puisse occuper 80 élèves. Nous sommes partis du constat que la plupart des constructions actuelles consomment beaucoup d’énergie. Cette dernière est souvent issue des énergies fossiles. Elles ne sont pas renouvelables et en plus polluent par la libération immédiate de carbone qui a mis des millions d’années à se stocker. Nous avons constaté que peu de constructions profitaient pleinement des énergies renouvelables (soleil, vent, pluie…). Elles sont inépuisables et peuvent permettre l’autonomie à la construction. C’est ainsi que nous avons amené l’idée de réfléchir ensemble sur les possibilités de réaliser une maison bio et autonome en énergie.

Dans un premier temps, nous avons travaillé sur les apports possibles en énergie autonome et bio puis sur la construction de la maison avec des réflexions sur son ergonomie, le chauffage de l’air, de l’eau, l’alimentation en électricité, le traitement des eaux usées.

I. Séquence 1 : Trouver une énergie bio et autonome.

Les élèves ont fait des recherches sur les différents moyens d’apport en énergie. Ils ont retenu l’éolienne et le barrage hydraulique.

1) Groupe barrage :

a)*Problématique : Comment faire une turbine efficace ?

*Hypothèses : -nombreuses pales pour faciliter la rotation, -pales allongées mais creusées à la base pour qu’elles soient plus légères.

* Expériences avec des cuillères. Ils ont augmenté leur nombre. Ils retiennent le modèle à 6 pales. Manque de temps pour prouver leur deuxième hypothèse.

*Ré alisation de plans avec échelle : Travail sur les échelles / proportionnalité Par groupe : les élèves :

-Dessinent les plans des différentes pièces à l’échelle 1 :1 ou 2 :1

-Mettent en place la cotation

-Remplissent le cartouche du plan

b)*Problématique : Recherche de la masse maximum que devra faire la turbine du barrage?

* Constat : Lorsque l’on place une charge au bout de l’axe Lego, on constate que l’axe se déforme, il fléchi, ce qui a tendance à rompre les contacts dans les engrenages..

* Investigation : les élèves doivent proposer une solution afin de déterminer à partir de quelle charge la déformation de l’axe Lego est trop grande et donc que le fonctionnement du barrage ne se fera plus correctement

*Calcul des volumes de chaque pièce de la turbine et détermination de la masse volumique du matériau utilisé afin de déterminer la masse totale de la turbine et donc le bon fonctionnement ou non du barrage.

* Réponse à la problématique : La masse de la turbine qui sera supportée par l’axe est compatible avec un bon fonctionnement

*Réalisation de la turbine sur commande numérique

2) Groupe éolienne :

a)*Problématique : Comment faire une hélice efficace ?

*Hypothèses : -Faire une hélice verticale avec des structures plates.

*Recherches sur les hélices verticales / Choix des dimensions.

*Réalisation de plans avec échelle : Travail sur les échelles / proportionnalité Par groupe : les élèves :

-Dessinent les plans des différentes pièces à l’échelle 1 :1

- Mettent en place la cotation

- Remplissent le cartouche du plan

b)*Problématique : Recherche de la masse maximum que devra faire la turbine du barrage?

* Constat : Lorsque l’on place une charge importante sur l’alternateur, on constate que celui-ci se désolidarise du rotor et donc tombe s’il est placé à la verticale

*Investigation : Les élèves doivent proposer une solution afin de déterminer à partir de quelle charge l’alternateur se désolidarise du rotor

*Calcul des volumes de chaque pièce de l’hélice et détermination de la masse volumique du matériau utilisé afin de déterminer la masse totale de l’hélice et donc le bon fonctionnement ou non de l’éolienne.

* Réponse à la problématique : La masse de l’hélice qui sera supportée par le rotor est compatible avec un bon fonctionnement

*Réalisation de l’éolienne sur commande numérique

*Mise en situation et présentation à la fête des sciences devant les élèves de CM de Pouilly sur Loire (avec questionnaire fourni par les élèves) de l’éolienne et du barrage.

L’éolienne est retenue pour participer à l’apport autonome de l’énergie de la maison. Elle sera complétée par un panneau photovoltaïque.

I. Séquence 2 : Construire une maison bio et autonome.

1. Groupes ergonomie de la maison.

a)*Problématique : Comment distribuer les pièces efficacement pour améliorer la distribution de l’eau de l’électricité, de la chaleur… ?

* Choix après critiques : La maison disposera de 4 pièces :-Un salon cuisine américaine dans laquelle se trouvera le système de chauffage central, une salle de

bain, une chambre, un couloir d’entrée La maison disposera d’une porte d’entrée Chaque pièce devra :

-Communiquer avec les pièces voisines-Avoir une ouverture avec l’extérieur pour faire entrer de la lumière naturelle -Etre alimentée en eau chaude et froide ( sauf chambre), en électricité et en chaleur -Pouvoir évacuer les eaux usées -Avoir une isolation thermique et phonique -Choix de cloisons intérieures en carton (ep : 5mm), matériau proche des cloisons actuelles en Placoplatre

b)*problématique : Comment récupérer au mieux la lumière et la chaleur du soleil ?

*choix après critiques : Orientation des pièces à vivre et des grandes baies vitrées dirigées vers le SUD, le moins d’ouvertures possibles vers le NORD.

*Réalisation du plan de la maison à l’échelle 1/1 ( de la maquette ) en suivant les choix et en respectant quelques contraintes imposées : dimension intérieures 600 * 450 mm ; hauteur des murs 200 mm ; épaisseur de l’isolant 15 mm ; cloisons intérieures 5 mm ;

Dimensionnement des différentes ouvertures en respectant les dimensions d’éléments standards.

*Choix par le groupe classe de 2 plans de maisons sur les 4 proposées.

c)*Problématique : Comment meubler une maison ?

*Choix après critiques : Disposition de certains meubles en fonction des arrivées et départs d’eau (cuisine et salle de bain) / respect de l’échelle / fonctionnalité.

Certains meubles nécessitant un dispositif d’arrivée et de départ d’eau seront réalisés par les élèves et d’autres seront introduits grâce à la réalité augmentée (logiciel « aménagement réalité augmentée JEULIN » )

Activité : Recherche de la bonne dimension des vignettes représentant les différents meubles et disposition de chacune dans les pièces de la maison avec comme objectif un ameublement simple et fonctionnel.

*Réalisation en suivant les plans, des murs de la maison, de l’isolation, des portes et des fenêtres.

*Calcul de la taille des 2 toits

2 Groupe Chauffage de l’air

a)*Problématique : Trouver le combustible le plus adapté.

*calculs : les rendements de différents combustibles choisis.

*Choix : le bois

b)*Probléma tique : Comment ne pas perdre la chaleur de la maison ?

*Hypothèses : isoler les murs et les fenêtres. *Expériences : Tester différents isolants : paille/laine de verre/sciure…

*choix : la paille. Le rendement thermique est inférieur à celui de la laine de verre pour une même épaisseur, mais pour des raisons écologiques, les élèves décident de la choisir en augmentant son épaisseur.

c)*Problématique : comment chauffer la maison avec un poêle ?

*Expérience : les élèves ont l’idée de faire le poêle dans une boite de concentré de tomates. Une porte est ouverte. Pour le tester, ils placent dans l’évier d’une paillasse leur poêle avec une bougie chauffe- plat. Ils placent à côté un thermomètre et mettent un couvercle au dessus de l’évier (plafond de la pièce). La température augmente mais une fumée désagréable se dégage à l’ouverture du cache de l’évier.

* Expérience 2 : Ils pensent à ajouter un tuyau pour la sortie de la fumée au dessus du cache. Ils mesurent par la même occasion la chaleur qui sort de cette sortie.

La fumée s’évacue correctement et la température augmente légèrement à la sortie du conduit de fumée.

d)*Problématique : comment chauffer la chambre et la SDB ?

*Choix avec critiques : les élèves savent que l’air chaud est moins dense que l’air froid, naturellement il monte. Ils ont l’idée de placer des tuyaux au dessus du poêle pour les diriger dans la chambre et la salle de bain. Ils mesurent la température mais ne sont pas satisfaits de leur résultat. Ils pensent qu’il y a une déperdition de chaleur à l’emplacement des tuyaux au dessus du poêle. Ils décident de mettre une deuxième boîte de concentré de tomates, posée sur le poêle. Dans celle-ci les tuyaux sont branchés. D’après eux, l’air va se réchauffer dans la rehausse puis monter dans les tuyaux vers la chambre et la SDB.

*Réalisation des poêles et de leur distribution de chaleur. (travail en prévision)

3. Groupe chauffage de l’eau

a)*Problématique : Comment chauffer l’eau gratuitement ?Comment adapter la circulation d’eau à l’aménagement des pièces ?

*Hypothèse : Les élèves ont répertorié les différents moyens permettant de chauffer de l’eau dans une maison, en s’appuyant sur les systèmes installés chez eux : chauffe-eau électrique ; chaudière au gaz ou au

fuel ; chauffe-eau solaire. Après avoir réfléchi aux avantages et inconvénients de chacun, la solution la plus économique et la plus écologique choisie est l’installation de panneaux solaires. Mais comment faire ?

*Expériences : Les élèves ont travaillé sur le plan d’une maison pour déterminer les pièces où l’on a besoin d’eau chaude. Les tuyaux doivent donc aller jusqu’à la cuisine, la salle de bains, les toilettes (si elles possèdent un lavabo) et la buanderie (s’il y en a une).Un travail de recherche a ensuite été fait pour savoir comment amener l’eau, chauffée par le soleil, jusqu’aux pièces de la maison et sur le fonctionnement d’un chauffe-eau solaire. Le soleil chauffe l’eau des panneaux solaires qui sont placés sur le toit. Ensuite, des tuyaux, installés dans les murs, acheminent l’eau chaude jusqu’aux pièces de la maison.

b)*Problématique : Commet augmenter le pouvoir calorifique du soleil ?

*Hypothèse : Utilisation de matériaux de couleurs différentes, de compositions différentes.

*Expériences : Les élèves recouvrent une planche de bois d'une feuille d'aluminium. Ils fixent ensuite un tuyau (noir puis blanc), qui serpente sur la planche, puis le recouvre d'une plaque (noire puis transparente).La température de l'eau est relevée au début de l'expérience. A l'aide d'une pompe, l'eau circule dans le tuyau chauffé par un spot lumineux. Les élèves relèvent ensuite, toutes les deux minutes, la température de l'eau à la sortie du tuyau afin de relever l'évolution de la température en fonction du temps.Cette expérience est réalisée quatre fois en faisant varier, à chaque fois, une variable : tuyau et plaque noire ; tuyau noir et plaque transparente ; tuyau blanc et plaque noire et tuyau blanc et plaque transparente.

*Observations : La température de l’eau est plus élevée avec le tuyau noir et la plaque de plexiglas noir.

*Résultats : les élèves choisissent un fond aluminium avec des tuyaux noirs et un plexiglas noir. Idées conformes avec les acquis de physique chimie (le noir absorbe)

*Réalisation du panneau sur le toit.

Le toit étant déjà découpé, les élèves collent le papier d'aluminium sur toute la surface de la planche en bois. Ils découpent ensuite un tuyau suffisamment long pour pouvoir faire les raccords avec le ballon d'eau chaude

puis le vissent sur la planche en bois en faisant le maximum d’aller-retour. Ainsi l’eau qui circule a plus de distance à parcourir et donc plus de temps pour emmagasiner la chaleur provenant du rayonnement du soleil.

4) Groupe alimentation en électricité.

a) * Problématique : Comment gérer les apports autonomes en électricité ?

* Choix après critiques : l’éolienne sera efficace s’il y a du vent et le panneau photovoltaïque s’il y a du soleil mais l'énergie doit être stockée. Le choix se porte sur l'accumulateur.

* Réalisation : placer le panneau photovoltaïque sur un des toits et l’éolienne dans le jardin, les relier à un accumulateur.

b) * Problème : Comment conduire cette énergie jusqu’à la maison ?

* Choix après critiques : emplacement de l’éolienne dans le jardin avec mesure des longueurs de fil et de gaine nécessaires pour établir la liaison entre l’éolienne et la maison.

* Réalisation : Gainage des fils et enfouissement dans le sol. Liaison au tableau électrique de chaque maison. Mesure, préparation et gainage des fils du panneau photovoltaïque au tableau électrique de chaque maison.

c) * Problématique : Comment distribuer de façon efficace et discrète l’alimentation électrique des deux maisons ?

* Observations du fonctionnement électrique du collège et lien avec le cours de Sciences physiques sur les circuits électriques, la tension.

* Choix après discussion : un tableau électrique central qui distribuera l'électricité aux deux maisons, des gaines cachées dans l’isolation, des interrupteurs, des prises et lampes dans chaque pièce. Choix du nombre d'éléments par pièce en fonction de leur destination et de la taille des pièces.

* Réalisation : câblage électrique préparatoire, soudure et lien entre les appareillages, choix des circuits en série ou dérivation lorsqu'il y a plusieurs lampes dans la même pièce. Perçage des cloisons, des doublages et du sol pour y passer les gaines. Liaison jusqu'au tableau électrique.

d) * Problématique : Comment réaliser des économies d’énergie ?

* Hypothèses : Le choix des lampes, seul élément consommateur, est très important.

* Expériences : Comparaison à l'aide d'un luxmètre de l'éclairage obtenu pour une tension donnée par différentes lampes et diodes. Comparaison des valeurs nominales notées sur les emballages et étiquettes des lampes et diodes.

* Résultats : les diodes, les moins consommatrices, équiperont la maison. De plus, elles ont une durée de vie supérieure aux lampes classiques. La couleur blanche des diodes est choisie car c'est la lumière qui sera la mieux réfléchie par les différentes cloisons et objets présents dans la maison ce qui donnera des pièces plus lumineuses.

e) * Problématique : Quelle quantité d’énergie faudra-t-il pour les deux maisons ?

* Calculs des consommations théoriques prévues en additionnant les valeurs nominales des différentes lampes installées. Le cours de Physique aura permis de rappeler la loi des tensions dans les différents types de circuit.

* Calculs des rendements de la cellule photovoltaïque et de l’éolienne.

* Expérience : mesure à l'aide d'un multimètre de la tension obtenue à la sortie de l'éolienne selon sa vitesse de rotation. Mesure à l'aide d'un multimètre de la tension obtenue à la sortie du panneau photovoltaïque en fonction de l'éclairement. (en cours d'étude).

5) Gestion des eaux.

a) * Problématique : Que contiennent les eaux usées ?

* Hypothèse : des matières organiques et minérales.

* Expériences : Pour vérifier, les élèves ont dû trouver un moyen pour observer. Ils ont filtré et observé du sable, des débris de végétaux dans l’échantillon d’eaux usées donné. Ils ont demandé un microscope pour observer l’eau saumâtre du filtrat. Après préparation d’une lame mince, ils ont observé des petits organismes vivants qui se déplaçaient ainsi que des sortes de bâtonnets unicellulaires observables uniquement en grossissant 600 fois. Ils ont comparé avec de l’eau du robinet

* Résultats : les eaux usées contiennent des matières minérales, organiques mortes et vivantes avec des animaux et végétaux microscopiques mais aussi des bactéries. De plus par connaissances personnelles, les élèves avancent l’idée que certaines molécules chimiques invisibles au microscope peuvent également être présentes dans les eaux usées. Pour que cette eau devienne potable, il faut la débarrasser de tous ces éléments.

b)*Problème : Comment débarrasser les eaux usées des particules indésirables de façon autonome et biologique ?

* Observation du fonctionnement d’une station d’épuration.

* Hypothèse : Retenir les différentes matières avec des traitements adaptés comme dans une station d’épuration.

* Expériences : Ils placent de l’huile, du sable, de la boue dans l’eau. L’huile reste en surface, le reste descend.

* Résultats : récupérer les matières lourdes au bas de la fosse et les graisses en haut.

c)* Problématique : comment construire une fosse efficace pour réceptionner les graisses, les matières minérales lourdes et laisser passer le filtrat ?

* Hypothèses : mettre le tuyau d’arrivée plus bas que le tuyau de départ.

* Expériences : avec un pot de yaourt (fosse), ils ont positionné 2 pailles (arrivée et départ). L’eau s’évacue trop vite et rien n’est filtré.Les élèves décident de mettre un filtre entre le tuyau d’arrivée et le départ : l’eau ne passe pas assez vite et la fosse (pot de yaourt) se bouche.Les élèves décident de mettre le tuyau de départ juste un demi-centimètre plus bas que le tuyau d’arrivée : les matières lourdes ont le temps de se déposer mais pas les graisses.Ils décident de placer une cloison ouverte en bas, entre le tuyau d’arrivée et celui de départ : les graisses restent piégées dans le premier compartiment à la surface de l’eau.

Les élèves savent que le filtrat contient de nombreuses matières organiques. Pour les réduire, ils pensent aux toilettes sèches, ainsi la fosse toutes eaux sera moins chargée en boues organiques. Une recherche exacte sur le fonctionnement de ce type de toilette est à envisager, ainsi qu’une expérimentation avant d’en assurer la réalisation. (Travail à prévoir après la mise en place de la phytoépuration)

d)*Problématique : Comment récupérer les eaux usées de deux maisons dans la même fosse toutes eaux ?

* Choix après critiques : placer la fosse septique entre les deux maisons, faire une arrivée d’eau pour chacune des maisons, faire des dérivations pour récupérer tous les points d’eaux usées de la maison (salle de bain et cuisine). Prévoir la pente nécessaire pour l’écoulement naturel de l’eau.

* Réalisation de la fosse avec bac dégraisseur et dessablage. Préparation des réservations d’écoulement d’eaux usées dans les deux maisons.

Sortie filtrat

Cloison dégraissage

Arrivée des eaux usées des 2 maisons

e)* Problématique : Comment retenir les matières organiques, les êtres vivants et bactéries qui restent dans le filtrat ?

* Réflexion sur une phytoépuration dans le jardin en cours.

f)*Problématique : Comment alimenter en eau les maisons ?

*Choix après critiques : récupération de l’eau de pluie et puits dans le jardin.

*Réalisation en cours.

g )*Problématiques : Comment faire circ uler l’eau d es maisons ?

*constat : l’eau ne circule pas, s’il n’y a pas de pente. Nous avons besoin d’une pompe et de l’aide du groupe électricité.

*Réalisation en cours.

Résumé : toutes les problématiques sur le projet « Construire une maison bio autonome ».

Faire une turbine efficace de barrage. Recherche de la masse maximum de la turbine du barrage.

Faire une hélice efficace d’éolienne.

Distribuer les pièces efficacement pour améliorer la distribution de l’eau de l’électricité, de la chaleur…

Récupérer au mieux la lumière et la chaleur du soleil.

Distribuer la chaleur dans la maison. Ne pas perdre la chaleur de la maison. Chauffer la maison avec un poêle.

Chauffer l’eau gratuitement. Adapter la circulation d’eau à l’aménagement des pièces. Augmenter le pouvoir calorifique du soleil.

Gérer les apports autonomes en électricité. Conduire cette énergie jusqu’à la maison. Distribuer de façon efficace et discrète l’alimentation électrique des deux maisons.

Débarrasser les eaux usées des particules indésirables de façon autonome et biologique. Construire une fosse efficace pour réceptionner les graisses, les matières minérales lourdes et laisser passer le filtrat. Récupérer les eaux usées de deux maisons dans la même fosse toutes eaux. Retenir les matières organiques, les êtres vivants et bactéries qui restent dans le filtrat.

Alimenter en eau les maisons. Faire circuler l’eau des maisons.

Construction de la maison autonome et bio

Remerciements à nos partenaires.

Nous avons eu l’aide de plusieurs partenaires, pour des conseils, mais aussi pour des aides financières ou matérielles.EDF GDF, nous a fourni toute la documentation sur les énergies renouvelables sur laquelle les élèves ont pu faire des recherches.Nous remercions le Conseil Général de la Nièvre.pour son aide financière qui a permis l’achat de matériel onéreux comme les cellules photovoltaïques, des pompes, le matériel électrique, les tuyaux, Monsieur Pierre Encrenaz, Président de « Sciences à l’Ecole », et Monsieur Gabriel Chardin, Président du comité national de pilotage du concours CGénial, l’UFR Sciences et Techniques de l’Université de Bourgogne, le Centre de Culture Scientifique Technique et Industrielle de Bourgogne Monsieur Philippe Martin IA IPR de sciences physiques, Monsieur Alain Dupuis IA IPR de technologie, M. Claude Censier IA IPR SVT, de nous avoir permis de nous lancer dans cette aventure scientifique et humaine.

Nous remercions également l’entreprise EON Maddes de la Charité sur Loire qui a donné de nombreuses chutes de bois pour la construction.

Les professeurs : Melle Bapt Amandine (mathématiques), Melle Deveix Anne (mathématiques), M. Albert Olivier (physique chimie), M. Boisset Vincent (technologie), Mme Polge Delphine (SVT).

Vu le 12/03/13 à Pouilly/LoireC. Picard, Principale