Le froid radiatif passif est un phénomène physique facile à expérimenter. Mais son utilisation en aquaponie nécessite quelques ajustements et reste incertaine en période caniculaire. Une mise en oeuvre sur un cas concret permettra d’en apprécier les limites.
Un abaissement de température significatif grâce au froid radiatif passif
Il est aisé de recréer le frigo expérimental utilisé par Félix Trombe dans le cadre de ses recherches , dans les années 1960 avec lequel il a abaissé la température de 35° dans un environnement hyper sec (désert). Des études publiées en 2016, avec des équipements beaucoup plus sophistiqués, rapportent une baisse de 42 °C par rapport à l’air ambiant.
Rappel de quelques fondamentaux (en langage courant)
Tout d’abord, rappelons que le transfert thermique spontané (communément appelé chaleur) se fait d’une zone chaude vers une zone froide, jusqu’à atteindre un équilibre. Le « froid » ne se déplace pas, c’est la « chaleur » qui se déplace. Le corps chaud se refroidit en cédant de la chaleur au corps froid. Soit par conduction pour une matière solide. Ou encore par convection au sein d’un fluide ou d’un gaz. Enfin par rayonnement électromagnétique, que la matière soit solide, liquide ou gazeuse.
Le rayonnement électromagnétique qui nous intéresse ici est le rayonnement thermique ou rayonnement infrarouge. Or l’infrarouge couvre une large bande de longueur d’onde allant de 0.8 µm à 1 mm. Le comportement des rayons infrarouges varie selon leur longueur d’onde. Ainsi le verre laisse passer le rayonnement infrarouge solaire (0.8-2.5 µm) mais bloque les rayonnements infrarouges des objets (8-13 µm). Tandis que le polyéthylène laisse tout passer.
Explications simplifiées du mécanisme générant le froid radiatif passif
La température dans l’espace lointain est de -270°C. Les différentes couches de l’atmosphère vont filtrer les radiations et créer un effet de serre. La température au sommet de la troposphère se stabilise dans une fourchette de -50°C à – 80°C. La température équivalente du ciel, vu de la surface de la terre, par temps sec et froid peut descendre 30 à 40°C en dessous de la température de l’air. On retiendra une moyenne de 20° en dessous de la température de l’air ambiant compte tenu de l’humidité moyenne de l’air. Et par ciel très nuageux, la température équivalente du ciel est égale à la température de l’air ambiant au sol. Une publication de météofrance, pages 16 et suivantes, explique bien ces mécanismes.
Une plaque d’aluminium ayant une température de départ de 20°C, exposée sous un ciel clair et modérément humide avec une température équivalente de 20° en dessous de l’air ambiant, va donc céder sa chaleur au ciel plus froid pour théoriquement se mettre à l’équilibre à la température du ciel. La radiation vers le ciel profond se situe principalement dans les longueurs d’onde 3-5 µm et 8-13 µm, encore appelée « fenêtres atmosphériques ». Dans la réalité, l’isolation du frigo n’est pas parfaite et on observe un transfert d’agitation thermique de l’air chaud vers le frigo plus froid. D’où une température d’équilibre à -5° pour une température extérieure de 9° dans notre test.
Les découvertes de 2019, valorisant le froid radiatif passif pour la climatisation
L’utilisation du froid radiatif passif progresse. Il y a un an, une équipe de chercheurs a publié un article sur le refroidissement radiatif sous-ambiant haute performance grâce à un aérogel en polyéthylène optiquement sélectif et thermiquement isolant. Sous un plein soleil à 1000 W/m2, on constate une baisse de 7° sous l’écran d’aérogel de polyéthylène. Ce produit a une réflectance élevée pour les rayons du soleil tout en laissant passer l’infragouge rayonné par les objets placés sous l’écran. De belles perspectives pour une climatisation sans consommation d’énergie.
Les enseignements du test de faisabilité pour l’aquaponie
Un dispositif est installé au cours de l’été 2020 pour tester la faisabilité de l’utilisation du froid radiatif passif en aquaponie. Deux glacières enterrées contenant une eau à 22° simulent les bassins. Une mini pompe fait circuler l’eau d’une des glacières, à raison d’un volume par heure dans une plaque d’aluminium anodisée placée dans un frigo « Trombe ».
Les écrans sont inutiles
Les écrans plastiques permettent l’abaissement de la température du frigo en dessous de la température de l’air (par exemple 5° dans le frigo pour un air extérieur de 15°C). La circulation de l’eau issue de la glacière, eau initialement à la température de 22°C, élève la température de la plaque d’aluminium à une température voisine de 22°, presque toujours supérieure à la température de l’air. A cette température, l’écran devient inutile, voire contre productif. Autre avantage: pas de risque de dépôt de rosée sur le film plastique, laquelle s’oppose aux radiations.
Pas d’espoir dans les nouveaux matériaux
Reprenons l’exemple de l’aérogel de polyéthylène avec un abaissement diurne de 7°C. En pleine canicule de 38°, la température sous écran tombe à 31°, ce qui va réduire le réchauffement des bassins, mais pas le supprimer. Par ailleurs, ce type d’écran a essentiellement un avantage diurne et ne modifie pas le refroidissement nocturne.
Un refroidissement radiatif et convectif
Le transfert radiatif, à Luçon, varie de 0 à 50 W/m2 selon la couverture nuageuse et l’humidité de l’air. Le transfert convectif varie de 0 à 100 W/m2 selon la température de l’air extérieur. Les deux refroidissements s’ajoutent pour un transfert total de 0 à 150 W/m2 selon les conditions externes. Pour une plaque radiative de 0.2 m2 pour 100 litres d’eau circulant dans la plaque à raison de 100 litres par heure, l’abaissement de température est d’1°C par 50 W/m2 et par nuit.
Un froid radiatif passif aléatoire
Par une nuit claire caniculaire avec une température de l’air égale toute la nuit à la température de l’eau, le refroidissement sera voisin de 1°. Pour cette même nuit, mais avec une couverture nuageuse, le refroidissement sera nul. Alors qu’au printemps ou à l’automne avec des nuits fraîches à 6-8° et des situations anticycloniques sèches, la températures peut baisser de 3° en une seule nuit. En période caniculaire, compte tenu du maintien d’une température basse dans les semaines précédentes, comment le système se comporte t-il? Seule une expérimentation grandeur réelle permettra de répondre à cette question.
Prochains tests : étudier le pouvoir radiatif d’une lame d’eau
Au lieu de faire circuler l’eau dans une plaque d’aluminium anodisée, pouquoi ne pas utiliser l’eau comme élément radiatif? En effet, l’eau peut émettre un rayonnement infrarouge dans la longueur d’onde 8-13 µm. Quelle puissance de rayonnement peut-on attendre à partir d’une lame d’eau? Quelle est l’épaisseur optimale de cette lame? Le récipient dans lequel est installée la lame d’eau a-t-il une influence sur le résultat?
Le dispositif à tester dans un cas concret: description du projet
Un bassin de 500 litres est destiné à l’incubation des œufs de truite, puis au démarrage des jeunes truitelles jusqu’à 70 g. Il est couplé à un biofiltre de 500 litres empli de graviers (2 m x 1m x 0.25 m). L’eau est aérée et mise en mouvement par airlift, comme pour le module pédagogique. Les bacs et bassins sont enterrés.
La zone de refroidissement radiative et convective est isolée par le fond. L’eau circule sur cette plaque uniquement la nuit. et se refroidit par radiation et convection. Le bassin est protégé également contre le rayonnement solaire direct. L’idée générale est d’isoler au maximum le jour et au minimum la nuit.
Ce dispositif permet-il de traverser une période caniculaire sans dépasser 23° dans le bassin?
Bonjour
Il faut peindre en noir (ou noir de fumée) l’intérieur de votre frigo pour maximiser le rayonnement infrarouge, (en physique, Rayonnement du corps noir) c’est contre intuitif je sais, mais le noir est la couleur la plus efficace pour la dissipation thermique passive et même active comme les radiateurs souvent peint en noir https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Corps_noir
https://fr.m.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9frig%C3%A9ration_passive_par_rayonnement
Bonjour,
Avez-vous expérimenté le sagar ? Je cherche une solution passive pour refroidir l’eau en été, je me dis que cela peut être une idée… Comment cela peut-il réagir l’hiver, bonne question …
J’habite dans le 44, je réfléchis à ma future installation avec des truites.
Bonjour,
Je n’ai pas expérimenté le Sagar ou frigo du désert. Mais avant de travailler sur le géocooling et le froid radiatif passif, j’ai réfléchi à cette solution que je n’ai pas retenue pour plusieurs raisons:
– Au Tchad, la température à l’intérieur du frigo est de 10 à 15 ° pour une température extérieure sous abri de plus de 40°. Les conditions de ce bon fonctionnement sont un air très sec, une température élevée et beaucoup de vent. En Vendée, de même qu’à Nantes, ces conditions ne seront réunies simultanément qu’en de très rares moments : canicule + anticyclone + air sec + fort vent d’est.
– C’est l’évaporation sur les 4 faces et le dessus du sagar qui « crée le froid ». (En fait, on ne crée jamais le froid. C’est toujours la chaleur qui se déplace. Dans le cas présent, l’évaporation à besoin de chaleur qui est prélevée dans l’environnement immédiat, à l’extérieur du Sagar et à l’intérieur.). En conséquence, le sagar ne doit pas être enterré pour fonctionner correctement. Sinon l’évaporation ne concernera que le dessus, donc moindre efficacité. Certes, le sol jouera son rôle tampon au début, mais pour petit à petit s’élever en température.
– Si le bassin et le sagar sont hors sol, cela va poser un problème en hiver en cas de grands froids. Car à la différence du géocooling et du dispositif de froid radiatif passif, le fonctionnement du sagar n’est pas réversible et ne peut donc pas servir à réchauffer l’eau.
Sagar : été – abaissement de la température ; hiver – pas d’effet.
Géocooling : été – abaissement de la température de l’eau du bassin à 22° avec une eau de nappe à 15°; hiver – élévation de l’eau du bassin à 6° avec une eau de la nappe à 13°.
Zone de modulation de la température : été : circulation de l’eau la nuit sur une plaque qui rayonne vers le ciel à -20° avec abaissement de 1 à 2° en une nuit claire; hiver : circulation de l’eau le jour sur une plaque qui absorbe les rayonnements du soleil avec élévation de le température de 1 à 2° en une journée.
– Enfin, maintenir une température fraîche à l’intérieure d’une enceinte close, n’est pas pareil que maintenir une eau en dessous de 22° alors qu’elle circule dans les bacs de culture exposés à la température ambiante. Je ne sais pas si la puissance serait suffisante pour enlever les calories captées par le système par ailleurs. Seule une expérimentation réelle peut répondre à cette question tant la modélisation est difficile. Si vous tentez le coup, je vous encourage à construire des bacs de culture pas trop larges (60 cm x 300 cm de long X 30 cm de profondeur) et à les enchâsser également dans un sagar.
Donc, je reste septique sur les chances de succès.
Bonne réflexion!
Que pensez-vous d’un système de climatisation par évaporation (arroser une facade d’une maison par exemple) ? Serait-il plus énergivore en ressources et énergie de faire tourner une pompe avec de l’eau à disposition (nappe souterraine) que de faire tourner la clim ? Je me dis que cela peut être une bonne idée par forte chaleur (typiquement juillet à Paris) avec un léger filet d’eau qui serait régénéré lorsque évaporé
Désolé, pas de compétences en climatisation de l’habitat.
Bonjour,
Souvent pour évaluer des dispositifs, je me pose la question suivante : Si l’idée était bonne, elle serait déjà appliquée depuis fort longtemps. Or ce n’est pas le cas.
En règle générale : Il vaut mieux éviter la chaleur que de la compenser. Isoler plutôt que climatiser est plus logique et éco-logique ;o)
L’isolation par l’extérieur ou l’ombrage (naturel avec la végétation ou avec un écran) seront plus efficaces et apporteront moins de désagréments. Au delà du concept utilisant l’eau, pensez à la quantité d’eau qui va être nécessaire, à la manière de la gérer (débit / collecte / traitement / etc…), aux effets de l’humidité et des vilaines traces que cela va provoquer, comme sur la majorité des murs exposés à l’eau.
Loin d’être spécialiste, je me permets de partager ces quelques réflexions que cela m’inspire.
Bonne quête autour de votre recherche.
Cordialement.
Paul
Merci pour les informations ! Je continue à cogiter…
Bonjour,
en page 10 du rapport en pièce jointe (que vous avez peut être déjà entre les mains), l’aspect radiatif de la lame d’eau est bien analysé.
Je suis toujours en train de chercher comment profiter du rayonnement radiatif par un montage rayonnant côté NORD, le moins exposé au soleil, sur le principe de TROMBE, sans être gêné par la formation de rosée qui vient tout écrouler (sauf quand on veut faire un collecteur de rosée ;o).
L’équation n’est pas facile à résoudre.
J’ai expérimenté les peintures réfléchissantes, on peut espérer des écarts de plus de 20°C sur les écrans qui sont là pour protéger du soleil.
J’ai effectué plusieurs essais qui le mettent en évidence. Dommage que les PLU n’autorisent pas des toitures blanches, les combles ne dépasseraient plus les 50°C !
Heureusement une bonne isolation vient compenser, mais réduire les apports est déjà une première démarche dans la réduction de température.
Bonne (re)lecture.
Cordialement.
Pol
theorie froid radiatif nocturne TROMBE
Bonjour,
un article à compulser et à citer : https://asterism.org/wp-content/uploads/2019/03/tut37-Radiative-Cooling.pdf
Les liens en référence en fin d’article sont morts, depuis le temps, dommage.
L’intérêt est la prise de conscience des journées nuageuses qui réduisent l’effet radiatif.
Un ciel parfaitement clair est généralement mesuré à -10 à -20°C°C même par plein soleil et inférieur à -40°C de nuit par les thermomètres IR, par temps couvert les températures sont parfois supérieures à l’ambiance.
Observer le ciel tout comme les constructions radiatives avec une caméra thermique est très instructif, on prend alors conscience des éventuels écrans (nuages) tout comme les émetteurs latéraux (édifices, arbres, etc…).
Espérant que cela apportera un peu d’eau au moulin.
Cordialement.
Pol
PS : je joins un fichier image mettant en évidence le problème de la rosée qui réduit l’effet radiatif, on voit qu’après son élimination, la baisse de température reprend, avant de remonter avec l’arrivé du jour.
Bonjour Jean CLaude,
Que du bonheur de voir la qualité de votre étude.
Cela étant le lien sur les découvertes 2019 n’abouti pas au document espéré.
Je vais m’imprégner de toutes vos études dont l’application est loin de mes préoccupations du moment plutôt centrées sur la maitrise des ambiances de l’habitat, y compris en zone très chaude.
Equipé d’instruments bien pratiques (enregistreurs de température / caméra thermique / flux-mètres thermiques / etc…) je pense pouvoir partager des astuces qui vont aller dans votre sens.
Encore merci pour ces belles contributions de qualité.
Cordialement.
Pol
Bonjour Pol
J’ai corrigé le lien. Merci pour le retour.
Bonjour Jean-Claude,
je ne comprends pas bien le principe de la « zone de circulation nocture ». L’idée est de simplment faire circuler l’eau la nuit pour qu’elle perte sa chaleur? Il n’y a pas de plaque d’alu ou autre dans cette zone? est-ce que bac sera au contact du sol ou pas?
merci
Vincent
C’est une piste de recherche sur laquelle j’ai quelques certitudes et quelques doutes. J’ai besoin d’un système grandeur nature pour lever les doutes.
Côté certitudes, je sais que l’eau en lame mince se comporte comme une plaque d’aluminium (et donc comme »un corps noir » au sens thermodynamique). Cette eau, lors de son circuit en lame mince exposée à la convection avec l’air plus frais et à la radiation vers le ciel profond beaucoup plus froid perd environ 0.5° par cycle. Avec 6 cycles efficaces par nuit, cela se traduit par une baisse de 3° en conditions favorables. Et le processus peut être inversé de jour par période ensoleillée pour réchauffer l’eau.
Côté doutes, je ne sais pas si l’inertie du sol sera capable de compenser les éventuelles conditions climatiques défavorables en période de canicule (température de l’air égale ou supérieure à la température de l’eau la nuit. Ciel couvert la nuit)
Sinon, le bassin sera enterré et avec couverture isolante pour le protéger du soleil. Le bac de cultures sera posé sur le sol. Il aurait pu être enterré mais il aurait fallu creuser encore plus pour le bassin. La plaque de refroidissement sera isolée du sol pour s’opposer à la radiation du sol vers l’eau la nuit.
Bonjour,
Je me suis demandé si mettre de petites truites (-50g) dans les bassins raft était une bonne idée et je voulais avoir votre avis là dessus. Cet espace est inutilisé et mon installation comprend un bassin à raft de 30 cm de profondeur sur 2*1m, contenant 600 l d’eau approximativement et j’ai conçu les planches de polystyrène de façon à ne pas laisser d’espace vide pour prévenir des sauts. Actuellement, j’ai mon premier lot de truites entre 80 et 150g que j’ai obtenu il y a un peu plus d’un mois environ, elles faisaient entre 50 et 100g/120g à l’origine mais elles sont dans une cuve à part que j’ai enterré à 92% pour obtenir une régulation thermique favorable aux truites. J’avais d’ailleurs vu dans un de vos articles que des vers de terre se chargeaient de nettoyer votre filtre et j’avais trouvé cela génial. Pensez-vous que les intégrer soi-même dans un filtre identique soit une bonne idée ?
Merci par avance pour vos réponses,
Cordialement
Bonjour,
Je n’ai pas d’expérience sur raft. Je pense qu’il est possible d’installer des truitelles sous raft tant que leur taille et leur mouvement ne nuisent pas aux racines des plantes (les truites ne mangent pas les racines, c’est déjà un avantage). Ça doit être jouable jusqu’à 50 g. il faudra sans doute aménager une petite partie du raft pour nourrir facilement.
Pour les vers de composts, il suffit d’en ajouter une petite dizaine, prélevés dans un tas de compost, n(importe où dans le système aquaponique. Si le milieu leur convient (température, humidité, oxygène, alimentation carbonée) ils ne tarderont pas à se multiplier.
Bonjour Jean-Claude.
J espere que tu vas bien.
Je vois que tu as bien avancé sur le sujet. Et tu as raison ! La température est un facteur de réussite en aquaponie.
Jai bataillé cet été de ce côté la. Je t expliquerai en mp.
A bientôt