Des scientifiques révèlent le secret de la création de bâtiments « vivants et respirants » qui consomment moins d’énergie

Les caractéristiques du «complexe de sortie» trouvé dans les termitières peuvent être reproduites pour améliorer le climat intérieur optimal des bâtiments.

Sur les quelque 2 000 termites reconnues

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>espèce[{“attribute=””>species, certains jouent un rôle crucial en tant qu’ingénieurs des écosystèmes. Les monticules colossaux, jusqu’à huit mètres de haut, construits par plusieurs genres de termites comme Amitermes, Macrotermes, Nasutitermeset Odontotermes, représentent certaines des formations biologiques les plus importantes au monde. Ces structures ont été affinées et perfectionnées par la sélection naturelle pendant des dizaines de millions d’années. Comment les architectes et les ingénieurs humains pourraient-ils bénéficier de l’étude de ces insectes industrieux ?

Une étude inédite publiée dans Frontières dans les matériaux démontre les précieuses leçons que nous pouvons tirer des termitières pour créer des climats intérieurs confortables dans nos bâtiments. Ce qui est excitant, c’est que ces techniques pourraient potentiellement minimiser l’empreinte carbone généralement associée à la climatisation.

“Ici, nous montrons que le” complexe de sortie “, un réseau complexe de tunnels interconnectés trouvés dans les termitières, peut être utilisé pour favoriser les flux d’air, de chaleur et d’humidité de nouvelles façons dans l’architecture humaine”, a déclaré le Dr David Andréen, un maître de conférences au groupe de recherche bioDigital Matter de l’Université de Lund et premier auteur de l’étude.

Termite mound in Bangalore, India. Credit: D. Andréen

Termites de Namibie

Andréen et le co-auteur Dr Rupert Soar, professeur agrégé à l’École d’architecture, de design et de l’environnement bâti de l’Université de Nottingham Trent, ont étudié les monticules de Macrotermes michaelseni termites de Namibie. Les colonies de cette espèce peuvent comprendre plus d’un million d’individus. Au cœur des monticules se trouvent les jardins de champignons symbiotiques, cultivés par les termites pour se nourrir.

Les chercheurs se sont concentrés sur le complexe de sortie : un réseau dense de tunnels en forme de treillis, d’une largeur comprise entre 3 mm et 5 mm, qui relie des conduits plus larges à l’intérieur avec l’extérieur. Pendant la saison des pluies (de novembre à avril), lorsque le monticule se développe, celui-ci s’étend sur sa surface orientée au nord, directement exposée au soleil de midi. En dehors de cette saison, les travailleurs des termites bloquent les tunnels de sortie. On pense que le complexe permet l’évaporation de l’excès d’humidité, tout en maintenant une ventilation adéquate. Mais comment ça fonctionne?

Termitière à Waterberg, Namibie. Crédit : D.Andréen

Andréen et Soar ont exploré comment la disposition du complexe de sortie permet des flux oscillants ou pulsés. Ils ont basé leurs expériences sur la copie numérisée et imprimée en 3D d’un fragment complexe de sortie collecté en février 2005 dans la nature. Ce fragment avait une épaisseur de 4 cm avec un volume de 1,4 litre, dont 16 % étaient des tunnels.

Ils ont simulé le vent avec un haut-parleur qui provoquait des oscillations d’un mélange CO2-air à travers le fragment tout en suivant le transfert de masse avec un capteur. Ils ont constaté que le débit d’air était le plus élevé à des fréquences d’oscillation comprises entre 30 Hz et 40 Hz ; modéré à des fréquences comprises entre 10 Hz et 20 Hz ; et au moins à des fréquences comprises entre 50 Hz et 120 Hz.

La turbulence aide à la ventilation

Les chercheurs ont conclu que les tunnels du complexe interagissent avec le vent soufflant sur le monticule de manière à améliorer le transfert de masse d’air pour la ventilation. Les oscillations du vent à certaines fréquences génèrent des turbulences à l’intérieur, dont l’effet est d’évacuer les gaz respiratoires et l’excès d’humidité du cœur du monticule.

«Lorsque vous ventilez un bâtiment, vous souhaitez préserver le délicat équilibre de température et d’humidité créé à l’intérieur, sans entraver le mouvement de l’air vicié vers l’extérieur et de l’air frais vers l’intérieur. La plupart des systèmes CVC ont du mal avec cela. Nous avons ici une interface structurée qui permet l’échange des gaz respiratoires, simplement piloté par les différences de concentration d’un côté à l’autre. Les conditions à l’intérieur sont ainsi maintenues », a expliqué Soar.

Scan 3D d’un fragment du complexe de sortie de Macrotermes michaelseni termites. Credit: D. Andréen and R. Soar

Les auteurs ont ensuite simulé le complexe de sortie avec une série de modèles 2D, dont la complexité est passée de tunnels droits à un treillis. Ils ont utilisé un électromoteur pour entraîner une masse d’eau oscillante (rendue visible avec un colorant) à travers les tunnels et filmé le flux massique. Ils ont constaté, à leur grande surprise, que le moteur n’avait besoin de déplacer l’air d’avant en arrière que de quelques millimètres (correspondant à de faibles oscillations du vent) pour que le flux et le reflux pénètrent dans tout le complexe. Il est important de noter que la turbulence nécessaire ne se produisait que si la disposition ressemblait suffisamment à un treillis.

Des bâtiments vivants et respirants

Les auteurs concluent que le complexe de sortie peut permettre une ventilation éolienne des termitières par vent faible.

«Nous imaginons que la construction de murs à l’avenir, fabriqués avec des technologies émergentes comme les imprimantes à lit de poudre, contiendra des réseaux similaires au complexe de sortie. Celles-ci permettront de déplacer l’air, grâce à des capteurs et des actionneurs intégrés qui ne nécessitent que d’infimes quantités d’énergie », a déclaré Andréen.

Soar a conclu : « L’impression 3D à l’échelle de la construction ne sera possible que lorsque nous pourrons concevoir des structures aussi complexes que dans la nature. Le complexe de sortie est un exemple d’une structure compliquée qui pourrait résoudre plusieurs problèmes simultanément : maintenir le confort à l’intérieur de nos maisons tout en régulant le flux de gaz respiratoires et d’humidité à travers l’enveloppe du bâtiment.

« Nous sommes au bord de la transition vers une construction proche de la nature : pour la première fois, il sera peut-être possible de concevoir un véritable bâtiment vivant et respirant.

L’étude a été financée par le Engineering and Physical Sciences Research Council, le Swedish Research Council et le Human Frontier Science Program.