La fraîcheur du sous-sol

وَٱللَّهُ جَعَلَ لَكُم مِّمَّا خَلَقَ ظِلَٰلًا وَجَعَلَ لَكُم مِّنَ ٱلْجِبَالِ أَكْنَٰنًا

« Et Dieu vous a fait, de ce qu’Il a créé, des ombres ; et Il vous a fait, des montagnes, des refuges. »

Coran, an-Naḥl, 16:81.

La donnée, avec son incertitude

Le sol non perturbé oscille autour de la moyenne annuelle de l’air — à Raguse 17,1 degrés — avec une amplitude qui décroît exponentiellement avec la profondeur et un retard qui croît avec elle ; c’est le modèle que Kusuda et Achenbach publièrent en 1965 et que les programmes de calcul énergétique utilisent encore.1 La grandeur qui gouverne tout est la diffusivité thermique du sol, qui pour les terres et les roches sédimentaires se situe entre 0,01 et 0,08 mètre carré par jour ; pour la calcarénite des Iblei, personne ne l’a mesurée, et le petit modèle laisse choisir entre une valeur basse, une moyenne et une haute.2 Avec la valeur moyenne, à deux mètres et demi l’amplitude annuelle se réduit à un tiers et le retard est d’environ deux mois : en août le sol se tient entre dix-huit et vingt et un degrés, et son maximum tombe en octobre ; au-dessous de dix mètres, l’oscillation est presque éteinte.

La température du sol au fil de l’année, aux différentes profondeurs

Lecture. Le modèle est celui de Kusuda et Achenbach (1965) : la température du sol non perturbé oscille autour de la moyenne annuelle de l’air — à Raguse 17,1 °C — avec une amplitude qui décroît exponentiellement avec la profondeur et un retard qui croît avec elle. La courbe en noir est l’air (moyennes mensuelles de la station) ; les autres sont le sol à un mètre, à la profondeur choisie et à cinq mètres. Avec une diffusivité moyenne, à deux mètres et demi l’amplitude se réduit à un tiers et le retard est d’environ deux mois : en août le sol se tient entre 18 et 21 °C, et son maximum tombe en octobre. Ce que cela ne démontre pas : la diffusivité de la calcarénite des Iblei n’a pas été mesurée ; les trois options couvrent l’intervalle publié pour les sols et les roches sédimentaires (Andújar Márquez et al. 2016 ; Mathur et al. 2015). La donnée est portante pour le conduit, et elle doit être mesurée sur site avant de creuser.

C’est un calcul de modèle et non une mesure sur site. Comme la donnée est portante pour le dimensionnement du conduit, elle doit être mesurée sur place avant d’exécuter l’ouvrage — une sonde à deux et à trois mètres, pendant un an — et la mesure fait partie des vérifications de la phase en cours ; sa valeur sera publiée avec les autres.

Le conduit enterré

Le projet prévoit cent cinquante mètres linéaires de conduit enterré qui prend l’air au jardin nord, le fait cheminer sous terre et l’introduit dans les pièces. L’air cède sa chaleur au sol le long du parcours et arrive plus frais qu’il n’est entré, avec une consommation électrique limitée au ventilateur qui le met en mouvement : c’est le seul moteur que le climat de la maison admet, et la raison pour laquelle elle l’admet tient au rapport entre ce qu’il consomme et ce qu’il rend. Le petit modèle emploie la loi la plus simple qui décrive l’échange — l’air se rapproche de la température du sol selon une allure exponentielle le long du tube — et dit ce que changent la longueur, le diamètre et le débit.3

Le conduit enterré : ce qu’il rend, et à quel prix

Lecture. Modèle à un paramètre : l’air qui parcourt le tube se rapproche de la température du sol selon une loi exponentielle, avec un coefficient d’échange effectif entre l’air et le sol de 2,5 W/m²K, qui résume la convection dans le tube et la résistance du sol autour. Avec cent cinquante mètres de conduit de vingt-cinq centimètres, six cents mètres cubes d’air par heure et un sol à 20 °C, l’air entre à 32 degrés et sort à un peu moins de 23 ; la puissance soustraite se lit à côté, avec la consommation du ventilateur estimée pour une hauteur manométrique modeste. Allonger le tube au-delà d’un certain point ne sert plus ; augmenter le débit donne plus de puissance mais un air moins frais. Ce que cela ne démontre pas : le modèle ignore la saturation du sol autour du tube après des jours de fonctionnement (Mathur et al. 2015 : deux ou trois degrés de dégradation en douze heures de marche continue), la condensation, et la géométrie réelle du parcours. Les rendements mesurés en Italie sont de l’ordre de 14–21 kWh thermiques par kWh électrique (Grosso et Chiesa 2015, Imola) ; celui de la masseria se mesurera.

Les mesures publiées confirment l’ordre de grandeur. À Imola, un champ de trente-deux tubes de vingt-cinq centimètres, longs de soixante-dix mètres et enterrés à deux mètres soixante, suivi pendant trente mois, a rendu en été entre quatorze et vingt et un kilowattheures thermiques pour chaque kilowattheure électrique dépensé ; pour les climats italiens, la littérature situe le temps de retour de l’investissement entre cinq et neuf ans.4 Deux conditions décident si un dispositif de ce type fonctionne ou devient un problème sanitaire : la pente continue avec recueil et évacuation des condensats, parce que l’air d’été qui se refroidit dans le tube dépose de l’eau et que l’eau stagnante nourrit les moisissures ; et l’accessibilité pour l’inspection et le nettoyage.5 L’une et l’autre doivent être résolues dans le projet d’exécution, et un conduit qui ne les résoudrait pas, mieux vaut ne pas le construire.

Ce que les qanat et les camere dello scirocco enseignent, et ce qu’ils n’enseignent pas

La plaine de Palerme conserve un réseau de galeries drainantes de type qanāt, creusées presque à l’horizontale dans le banc de calcarénite jusqu’à atteindre la nappe : les plus anciens documentés, au Scibene et à Danisinni, remontent au XIIe et au XIIIe siècle ; le Gesuitico Alto fut creusé au début du XVIe siècle pour Gerardo Alliata. À côté des qanāt, la tradition locale distingue les ingruttati, galeries de liaison entre puits, et les catusi, conduits de terre cuite.6 Sur le même réseau se greffent les camere dello scirocco, les « chambres du sirocco » : des pièces hypogées voûtées, rafraîchies par le passage d’une eau courante dans une rigole, parfois pourvues de lanterneaux et d’une prise d’air. Une correction s’impose ici, que l’on lit rarement : la typologie se répand dans les villas nobiliaires entre le XVIe et le XVIIIe siècle, en réutilisant une infrastructure hydraulique médiévale — la plus ancienne documentée est celle de la villa Naselli-Ambleri, construite en 1552, et l’expression « camera dello scirocco » apparaît dans un acte notarié de 1691 — de sorte que qui les présente comme une invention de l’époque islamique les avance de cinq siècles. Fait exception la grotte de l’Uscibene, près du palais arabo-normand du Scibene, où l’eau de la source parcourait un local hypogé exploité à la même fin.7

La mesure que l’on possède de ces chambres est ancienne mais éloquente : à la fin de l’été 1987, à la villa Naselli-Ambleri, le sol de la chambre se tenait à vingt-deux degrés tandis qu’au-dehors on en mesurait trente-trois ; l’étude analytique de 2015 confirme le principe — eau, air et calcaire qui travaillent ensemble — et note que les altérations du début du XXe siècle en ont réduit l’efficacité.8 Ce que ces ouvrages enseignent, et qu’il vaut la peine de reprendre, c’est le principe combiné : non pas l’air rafraîchi par le sol seulement, mais l’air rafraîchi par le sol et, en même temps, par l’évaporation d’une eau courante le long du parcours. Le conduit du jardin nord peut recevoir cet ajout à un coût modeste, et c’est le point où le précédent sicilien devient une prescription technique au lieu d’une citation.

مُّتَّكِـِٔينَ فِيهَا عَلَى ٱلْأَرَآئِكِ ۖ لَا يَرَوْنَ فِيهَا شَمْسًا وَلَا زَمْهَرِيرًا

« Accoudés là sur des divans, ils n’y verront ni soleil ni gel. »

Coran, al-Insān, 76:13.

Le froid conservé

Sur les Iblei et sur l’Etna, le froid fut conservé dans des neviere, les glacières à neige : carrières et coupoles enterrées, doublées de pierre sèche, où la neige de l’hiver, couverte de paille, d’herbes et de fougères, se gardait jusqu’à l’été. Le commerce est documenté dès 1619 entre Buccheri et Malte, et au XVIIIe siècle l’île en exportait plus de mille tonnes par an ; les centres étaient Buccheri, Palazzolo, Chiaramonte, Buscemi, Ferla, Monterosso et Giarratana, à quelques milles de la masseria.9 Ce n’est pas une institution de l’époque islamique, et elle est citée ici pour une seule raison : dans la même région, avec les mêmes matériaux, quelqu’un a déjà résolu le problème de tenir bas un local enterré pendant des mois, et ses solutions sont encore observables.

Ce que l’on ne promet pas

On ne promet pas la température de sortie du conduit, parce qu’elle dépend d’une donnée — la diffusivité du sol — que personne n’a mesurée pour la calcarénite des Iblei, et d’un phénomène — la saturation du sol autour du tube après des jours de fonctionnement — que le petit modèle ignore. On ne promet pas que le conduit se fasse, si le projet d’exécution ne résout pas la condensation et l’inspection. On promet la sonde dans le sol dès la première année, et la publication de la mesure, sous la révision du Comité Scientifique que la maison est en train de constituer.

T. Kusuda, P. R. Achenbach, Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in the United States, National Bureau of Standards, Report 8972, 1965 ; le modèle est celui qu’EnergyPlus adopte pour la température du sol non perturbé. Moyenne annuelle de l’air à Raguse (515 m) : 17,1 °C (1991–2019, source secondaire).

J. M. Andújar Márquez et al., « Ground thermal diffusivity calculation by direct soil temperature measurement », Sensors 16 (2016), 306 : 0,98·10⁻⁶ m²/s (≈ 0,085 m²/jour) dans un sol sablo-graveleux humide ; J. Mathur et al., Energy Reports 1 (2015), pp. 17–21 : 1,4–9,7·10⁻⁷ m²/s pour les sols examinés, et dégradation de 2–2,6 K de la sortie après douze heures de marche continue dans les sols les moins diffusifs.

Modèle à un paramètre : Tu = Ts + (Ti − Ts)·exp(−U·π·D·L / ṁ·cp), avec U = 2,5 W/m²K effectifs entre l’air et le sol ; puissance du ventilateur estimée à partir des pertes de charge réparties et d’un rendement de 0,5. C’est un ordre de grandeur, non un projet.

M. Grosso, G. Chiesa, « Horizontal earth-to-air heat exchanger in Imola, Italy. A 30-month-long monitoring campaign », Energy Procedia 78 (2015), pp. 73–78 : efficacité 0,7–0,9, COP de rafraîchissement 20, 14 et 21 sur les trois années ; F. Ascione, L. Bellia, F. Minichiello, « Earth-to-air heat exchangers for Italian climates », Renewable Energy 36 (2011), pp. 2177–2188.

G. Chardome, V. Feldheim, « Heat transfer and condensation in an earth–air heat exchanger », Energy and Buildings 205 (2019), 109532, sur le risque de moisissures et de bactéries dans les condensats stagnants ; H. Wei et al., Applied Energy 276 (2020), 115493, sur la part latente du rafraîchissement dans les climats humides.

P. Todaro, G. Barbera, A. Castrorao Barba, G. Bazan, « Qanāts and historical irrigated landscapes in Palermo’s suburban area (Sicily) », European Journal of Post-Classical Archaeologies 10 (2020), pp. 335–370 ; P. Todaro, Il sottosuolo di Palermo, Palerme 1988 ; id., Guida di Palermo sotterranea, Palerme 2002.

T. Firrone, « Le camere dello scirocco: archetipi bioclimatici della Palermo antica », dans Palermo città delle culture ; pour les sources anciennes, V. Di Giovanni, Palermo restaurato (1615), et F. Baronio, De majestate panormitana (1630). Sur le Scibene, G. Spatrisano, La Zisa e lo Scibene di Palermo, Palerme 1982.

M. Saeli, E. Saeli, « Analytical studies of the Sirocco room of Villa Naselli-Ambleri: a XVI century passive cooling structure in Palermo (Sicily) », Journal of Cultural Heritage 16/3 (2015), pp. 344–351 ; la mesure de 1987 dans Firrone, cit.

A. Patanè, I viaggi della neve. Raccolta, commercio e consumo della neve dell’Etna nei secoli XVII–XX, Palerme, Mediterranea, 2014 ; L. Lombardo, « Il viaggio della neve nel Mediterraneo: dalla Sicilia all’isola di Malta », Dialoghi Mediterranei 8 (2014).

Le Comité Scientifique, en cours de constitution, qui lira ces mesures est présenté dans la page Air, eau et ombre.

Ce que la masseria faisait déjà, dit dans la langue d’aujourd’hui

Les cibles qui suivent décrivent, dans la langue d’aujourd’hui, un usage du sous-sol que la Sicile a pratiqué pendant des siècles, et qui revient ici comme prescription technique.

Conduit enterré : de la fraîcheur tirée du sol avec le seul ventilateur — 7.3 efficacité énergétique · 13.1 résilience face aux risques climatiques

Qanāt, camere dello scirocco, neviere : un patrimoine hypogé étudié avant d’être cité — 11.4 sauvegarder le patrimoine culturel

Condensats, inspection, mesure du sol : la santé avant l’image — 3.d réduction des risques sanitaires · 13.3 capacités d’adaptation

Les termes de ces pages sont réunis dans le glossaire et les sources dans la page des sources. Les images sont des élaborations d’étude : la masseria n’est pas encore restaurée.