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Vivre à bonne température en toute saison

samedi 27 juin 2015 par Joëlle Mirabaud

Ce TPE réalisé par Sixtine Péniguel, Fleur Corre, Ramata Cissokho (1ère S - Lycée Mansart) a reçu un premier prix au concours Quintesciences !

Sommaire
- Introduction
- Conduction thermique (transfert, conduction) et isolation
- Gérer le soleil : rayonnement ; couleur des bâtiments ; brise-soleil ; vitrages ; toitures végétalisées.
- Conclusion
- Références

Introduction
Nous sommes habitués à vivre dans un certain confort thermique. Ni trop froids, ni trop chauds, nos bâtiments se doivent de nous garder toute l’année à "bonne température" ! Nous avons dépenser sans compter pour ce confort mais aujourd’hui l’heure est aux économies d’énergie. Après la seconde guerre mondiale, l’Homme a reconstruit des parcs d’habitation pour remplacer ceux détruit durant la guerre. Le développement économique rapide à privilégié les matières bon marché et le cout des énergies était faible donc le principe d’isolé était ignoré. Mais avec le choc pétrolier de 1973 à fait prendre une première prise de conscience.

Dans le monde, l’énergie est une ressource fondamentale pour l’Homme. Les ressources étant limitées, il faut essayer de l’utiliser de la façon la plus efficace que possible. En France la consommation d’énergie était de 154 000 000 tep (tonnes équivalent pétrole) en 2012 (selon le site planetoscope.com).
Le secteur de l’habitat représente 43% de la consommation d’énergie en France soit plus que les transports (31%) mais aussi l’industrie (24%) ou encore l’agriculture (2%).
De plus l’habitat est responsable de plus de 23% de l’émission de gaz à effet de serre en France avec de fortes conséquences sur le réchauffement climatique.
On peut donc constater que la consommation d’énergie dans l’habitat constitue un enjeu très important. Dans le secteur de l’habitat, plus de 70% de l’énergie consommée est consacrée au chauffage et à la climatisation.
Problématique
Nous sommes habitués à un certain confort thermique dans nos habitations : on ne supporte plus d’avoir froid dans les maisons en hiver ou trop chaud en été.
Mais est-il possible de continuer à vivre dans un tel confort thermique tout en diminuant notre consommation d’énergie ?

Dans ce travail, nous allons étudier les moyens de conserver un habitat confortable thermiquement quelque soit la saison tout en maîtrisant la consommation. Avoir un habitat thermiquement confortable c’est avant tout :
- ne pas avoir froid en hiver,
- ne pas avoir trop chaud en été.
Cela revient à dire, qu’en hiver, il faut empêcher la chaleur fournie par le chauffage de s’échapper des bâtiments et profiter de l’énergie du soleil. Inversement, en été, il faut empêcher l’entrée de la chaleur de l’extérieur dans l’habitation et également limiter les apports d’énergie procurés par le soleil, ceci afin de diminuer le recours à la climatisation.

Notre hypothèse
Dans une maison, les déperditions de chaleur se produiraient autant par les murs, la toiture que les fenêtres.

Conduction thermique et isolation

Le transfert thermique
L’existence d’une différence de température entre deux lieux crée un transfert spontané de la partie la plus la chaude à la partie la plus froide.
Si l’œil humain ne voit pas la chaleur, les caméras infrarouge nous le permettent. Nous avons pris le lycée Mansart de Saint-Cyr avec le collège Descartes de Fontenay-le-Fleury. Sur ces photos en fausses couleurs, l’échelle va du bleu (froid) au rouge (chaud). Il est intéressant de voir que les pertes de chaleurs sont moins importantes pour le lycée Mansart, bâtiment tout neuf avec des normes d’isolation modernes, que dans le cas du collège Descartes, qui est un bâtiment ancien peu isolé. Le Lycée Mansart perd sa chaleur au niveau des encadrements de fenêtres et assez peu au niveau des murs alors que le Collège Descartes perd sa chaleur sur toute sa façade.
La conduction thermique
le transfert thermique se fait de proche en proche, sans déplacement de matière. Il est généré au niveau microscopique par des interactions entre des molécules en contact direct. C’est le seul mode de transfert thermique dans les solides opaques. Pour les parois planes, le transfert est d’autant plus rapide que l’épaisseur de la paroi est petite, l’aire de la surface est grande et le matériau est un bon conducteur.
La capacité d’un matériau à transférer l’énergie thermique est sa conductivité thermique λ en W.m-1.K-1. Plus la conductivité thermique est faible plus le matériau est isolant. La conductivité dépend de la température, du type de matériau, et de d’autres facteurs mineurs comme l’humidité ou la pression.
La résistance thermique est l’inverse de la conductivité thermique multiplié par l’épaisseur sur la surface. La résistance thermique quantifie l’opposition à un flux de chaleur entre deux isothermes (T1 et T2) entre lesquels s’échange un flux thermique Φ. Plus la conductivité est forte plus la résistance est faible, et inversement. Pour calculer la résistance thermique d’un mur qui est composé de différent matériaux, il suffit additionner les résistances thermiques de chaque matériaux qui composent ce mur. Le flux thermique est alors proportionnel à l’écart de température entre les deux faces (1) et (2) de la paroi. Il peut s’exprimer en fonction de la conductivité thermique ou de la résistance thermique.
Mesure de la conductivité thermique
Les habitations sont construites avec de multiples matériaux : du béton (mélange de gravier, de sable et d’eau), des briques (terre cuite au four), du bois, des pierres. ces matériaux sont résistants mais peu isolants.
Nous avons inséré chaque échantillon (bois, verre, polystyrène expansé, isolant mince et terre) entre les deux plaques de l’appareil de mesure de la résistance thermique puis nous avons fait varier l’intensité du courant électrique pour que la température de la plaque supérieure soit égale à la température ambiante dans la pièce. A ce moment là, on déclenche le calcul de la résistance par la machine.
La conductivité thermique d’un matériau doit être inférieure à 0.060W/(m.K) pour que celui-ci soit considéré comme un matériau isolant.

Pourquoi les matériaux sont-ils isolants ?
Leur point commun serait qu’ils contiennent tous de l’air, excellent isolant puisque sa conductivité thermique est d’environ 0,025 W/(m.K).
Afin de vérifier que ces matériaux contiennent une grande quantité d’air, nous avons choisi comme exemple la laine de verre et nous avons réalisé les 2 expériences décrites ci-dessous. Nous allons pouvoir estimer la conductivité de la laine de verre à partir de celles de la silice et de l’air : Dans le cas des bâtiments neufs, on prévoit l’isolation à la construction. Elle est généralement prévue du côté intérieur des murs de construction. C’est aussi bien sûr toujours le cas pour les toitures. Mais il est aussi possible d’améliorer l’isolation d’un bâtiment lors d’une rénovation. Dans ce cas, on ajoute généralement de l’isolant sur la face extérieure du bâtiment. Il est équivalent d’isoler un mur à l’intérieur ou à l’extérieur, la résistance thermique étant la même.
Mise en évidence du rôle de l’isolation dans les bâtiments
Nous avons fabriqué une maquette en bois de longueur 38,5cm, largeur 31cm, hauteur 32cm. Nous avons positionné deux thermocouples : le premier mesure la température de l’air au centre de la maison, le second est positionné directement sur le bois, contre la paroi intérieure. La température initiale est 18°C. La maquette est alors installée dehors à 6°C. Nous avons relevé l’évolution des températures des deux sondes successivement dans de 4 montages différents : La température au centre de la maison diminue beaucoup moins vite en présence d’isolant (marqueurs ronds rouge, jaunes et bleus comparés aux marqueurs verts). C’est notre couche de laine de verre qui se montre la plus efficace pour conserver la chaleur dans notre maison-maquette. En été la couche d’isolant joue le même rôle de diminution des transferts thermiques : cette fois c’est la chaleur extérieure que l’on empêche d’entrer.

L’énergie nécessaire pour chauffer une maison
Dans cette expérience, nous avons utilisé la même maquette en bois avec laine de verre comme isolant, deux capteurs de température, un récipient d’eau chaude, un chronomètre.
Le premier thermocouples mesure la température de l’air au centre de la maison, le second est contre la paroi intérieure. La maquette est installée dehors. On la laisse se mettre à la température extérieure qui est de 6,6°C. On place à l’intérieur un pot de 0,25L rempli d’eau à 60°C. Alors que la température extérieure était de 6.6°C, nous avons montré que grâce à l’isolation, il a été possible d’obtenir une température de 25°C à l’intérieur de la maison avec l’apport de 0.25 l d’eau chaude à 60°C. En revanche avec une quantité d’eau 6 fois supérieure, nous n’avons pu atteindre que 7.9°C dans la maquette. L’isolation avec la laine de verre est donc très efficace pour limiter le besoin d’énergie pour avoir une température confortable à l’intérieur de bâtiments en hiver.

Visualisation des déperditions thermiques de la maquette
Comme dans l’expérience précédente, nous allons apporter une source de chaleur à l’intérieur de la maquette. Comme nous avons vu précédemment que l’élévation de température était très faible (pour la maquette non isolée) avec un volume de 0.25L d’eau chaude, nous allons cette fois placer 1.5L d’eau chaude à 60°C à l’intérieur de la maquette, toujours non isolée. Nous allons suivre le réchauffement des parois extérieures de la grâce à la caméra thermique. La chaleur de notre pot d’eau chaude monte à l’intérieur de la maquette et commence à réchauffer les parois supérieures et le toit. Nous avons reproduit l’expérience avec la maquette isolée : la caméra rend une image toute bleue, signe que les parois extérieures restent froides.

Le Rayonnement thermique
Quelque soit la température d’un corps, celui-ci émet un rayonnement thermique. La longueur d’onde dépend de la température de ce corps. Le soleil, dont la température est voisine de 6000K (5727°C), a le spectre d’émission suivant :
Le rôle de la couleur dans la consommation d’énergie
S’agit-il d’esthétique ou d’économie énergétique ?
Suivant les régions ou les pays, les bâtiments ont des couleur caractéristique. Les maisons blanches évoquent la Grèce, les pastels l’Italie, les maisons aux couleurs vives ou noires nous rappellent les pays nordiques.
Nous allons le tester à partir de deux plaques de cartons que nous avons peint, l’un en blanc, l’autre en noir. Nous avons placé une thermosonde dans l’épaisseur de chaque carton. Les cartons sont ensuite placés à l’extérieur, côte-à-côte, en position verticale, face au soleil. La température est relevée toutes les 10s durant 6 minutes. La température de la plaque noire augmente beaucoup plus vite que la température de la plaque blanche car le noir est une couleur qui absorbe toutes les radiations alors que le blanc réfléchit le rayonnement. En effet, le coefficient d’absorption du noir est 0,94 alors que celui du blanc est de 0,18. La plaque blanche réfléchit donc près de 80% de l’énergie solaire qui lui arrive. Si un bâtiment est sombre, il absorbera plus de chaleur qu’un bâtiment clair.
Au sud de la France, il est recommandé de ne pas utiliser de peinture de façade dont le coefficient d’absorption est supérieur à 0,7 pour limiter le recourt à la climatisation en été.
En revanche, dans le nord, il est plus favorable d’avoir des façades plus sombres afin de mieux capter le rayonnement solaire en période froide et ainsi diminuer la consommation d’énergie pour le chauffage. Les températures moyennes en été pour ce type de climat, restant modestes, cela ne pose pas de problème de surchauffe en été.

Les brise-soleil
Les brise-soleil sont des lattes horizontales le long des façades. Ceux-ci mesurent 16cm de long, ont 26cm de distance verticale entre les points d’accrochage de 2 lattes (d), et forment un angle avec la verticale a = 50°.
Comment choisir leur longueur et leur orientation pour avoir de l’ombre l’été et de la lumière l’hiver ?
A Saint-Cyr l’Ecole, en hiver le soleil reste bas sur l’horizon alors qu’il est haut dans le ciel en été. La hauteur apparente du soleil dans le ciel est donnée par l’angle h qui est défini par : Nous allons vérifier par l’expérience l’effet des brise-soleil sur l’ensoleillement d’une façade. A différents moments de la journée, nous avons positionné le brise-soleil face au soleil et nous avons mesuré l’ombre portée sur le carton. le 09/01 à 13h nous avons mesuré une ombre de 14,2cm, à16h30 de 9,4cm. Puis pour simuler le 21/06 à 14h, nous avons utilisé une lampe positionnée à un angle de 56° comme le serait le soleil à cette date, et l’ombre est de 25cm. Nos mesures sont en accord avec les résultats de nos calculs théoriques. Les brise-soleil sont un système passif qui régule les apports solaires au cours de l’année. En hiver, ils laissent passer le soleil pour réchauffer le bâtiment et en été ils mettent la façade à l’ombre, ce qui évite la surchauffe du bâtiment.

Les vitrages
Une fenêtre à simple vitrage était conçue pour assurer une protection, de la lumière et une vue sur l’extérieur. Les vitrages représentent alors13% des pertes thermiques dans une maison. Les crises pétrolières puis les préoccupations environnementales qui visent à limiter au maximum les rejets de gaz carbonique dans l’atmosphère, ont fait réfléchir sur la consommation d’énergie et on s’est tourné vers des vitrages plus performants. La plupart des pays ont publié des réglementations thermiques imposant l’utilisation de doubles vitrages. Mais aujourd’hui, beaucoup d’autres vitrages se développent, ils sont de plus en plus performants et répondent à différents critères.
Il existe actuellement le simple vitrage, double vitrage, triple vitrage, verre trempé, verre durci, verre feuilleté, vitrage réfléchissant (pour le contrôle solaire), vitrage à basse émissivité (ou à haut rendement), double vitrage à isolation acoustique renforcée et vitrage chromogène.
Nous avons testé le rôle d’une vitre dans notre maquette : la maison est placée en plein soleil, un pan de la toiture face au soleil.
Expérience 1 : la maison possède ses deux pans de toit en bois. Elle est placée au soleil et on mesure la température à l’intérieur de la maquette.
Expérience 2 : le pan de toit face au soleil est remplacé par une plaque de verre simple, on mesure de nouveau la température à l’intérieur de la maquette.
Ce 11/01 à 13h, la température extérieure est de 8,5°C. Le toit en bois a un coefficient d’absorption faible et la maison se refroidit à cause de la température extérieure. Mais lorsque le bois est remplacé par une vitre, le rayonnement solaire chauffe la vitre et pénètre également à l’intérieur. Par effet de serre, l’air intérieur passe de 8,5°C à 23°C et la paroi au soleil dépasse les 31°C !
Le double vitrage standard faiblement émissif renforcé à lame argon est bien sûr plus efficace, le facteur d’émissivité ε représente le rapport entre l’énergie radiative ou flux Φr émis par l’objet sur l’énergie émise par le corps noir Φb à la même température ε = ΦR / Φs. Son coefficient de déperdition n’est plus que de 1,6W/m²K au lieu de 5,8W/m²K pour une vitre seule.

Les toitures végétalisées
Ces "toits verts" sont couverts de végétaux pour des raisons thermique (40% mieux isolé), écologique (photosynthèse diminuant l’effet de serre, biodiversité, absorption de l’eau) et économique. Cependant il existe quelques inconvénients : l’ajout d’un sol nécessite une structure suffisamment forte du toit, une étanchéité parfaite et une pente relativement faible. Par ailleurs, l’installation d’un système d’arrosage est quasiment indispensable d’où une sur-consommation d’eau problématique dans certaines régions ou à certaines périodes de l’année.

Conclusion
Nous avons pris conscience que les ressources en énergie sur notre planète ne sont pas inépuisables, que la production d’énergie engendre de la pollution et des changements climatiques qui pourront avoir d’importantes conséquences sur notre vie.
Le secteur de l’habitat est un des principaux consommateurs d’énergie et il est urgent de limiter notre consommation.

Nous pouvons donc répondre à notre problématique : oui, il est possible de conserver un bon niveau de confort thermique en hiver comme en été, tout en diminuant la consommation d’énergie. Il faut pour cela améliorer l’isolation thermique (double-vitrage à argon, toit vert) et gérer les apports solaires (vitrage à contrôle solaire, brise-soleil, couleur des murs).

Mais qu’en est-il du chauffage de l’eau performants et de la consommation électrique des appareils ménagers et électroniques pour avoir des habitations réellement basse-consommation ?

Bibliographie et sitographie :
Livre de Physique Chimie de 1ère S - Chapitre 4 - Editions Nathan
Livre de Physique Chimie de Terminale S - Chapitres 18 et 21 - Editions Nathan
Le grand livre de l’isolation de Thierry Gallauziaux et David Fedullo éditions Eyrolles
Memosol Editions européennes thermique et industrie
http://conseils-thermiques.org
http://fenetre.comprendrechoisir.com
http://www.energieplus-lesite.be
http://www.energieplus-lesite.be
http://www.climamaison.com
http://www.toutsurlisolation.com
http://www.sciences.univ-nantes.fr
http://education.meteofrance.fr
http://toiture-vegetalisee.architecteo.com
http://urbanisme-bati-biodiversite.fr
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/claude_saintblanquet/rayonnem/11defloi/11defloi.htm
http://www.ale-lyon.org/IMG/pdf/eie_vitrages_performants_2011.pdf


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Lycée Jules-Hardouin Mansart de Saint Cyr L’Ecole (académie de Versailles)
Directeur de publication : Christine Joureau