Olympiades de physique concours

Transcription

1 Olympiades de physique concours 2008 Isolation Interne ou Externe? Lycée Baudelaire Cran-Gevrier (74) VAGNARD Audrey LE SAUX Auriane BRICKA Mélanie BERTEL Mélanie Professeur responsable : M.BOTTOS Page 1

2 Sommaire : Introduction Problématique I) Choix de la démarche pratique II) Réalisation 1- Construction des maisons 2- Choix et réalisation du chauffage 3. Choix et fabrication de la régulation III/ Mesures et interprétations A) Premiers tests sur maison B) Tests comparatifs IV- Comment est réalisée une isolation externe? V- Conclusion Page 2

3 Introduction Nous sommes actuellement quatre élèves de Terminale Scientifique au Lycée Charles Baudelaire (Hte Savoie). Malgré des spécialités différentes, nous nous sommes retrouvées chaque semaine dans le cadre des Olympiades de Physique, encadrées par M. Bottos, professeur de Sciences Physiques et Chimie dans ce même lycée. Il nous a sollicitées à la fin de notre année de seconde suite à notre participation à l option Mesures Physiques et Informatiques, dont il s occupe également. Pour notre projet, nous nous sommes mises d accord pour trouver un thème en accord avec la Physique et le domaine de la Construction. Cette idée de projet nous est venue d une interrogation rencontrée par M. Bottos, qui suite à un séjour au Canada, a remarqué un fait étonnant : les habitations sont en effet isolées d une manière différente qu en Europe. Au Canada, les bâtiments comportent le plus souvent une isolation extérieure qui se prolonge dans le sol jusqu à une certaine profondeur, tandis qu en France l'isolation est plutôt à l'intérieur des murs. Ces différences d'isolation sont sans doute liées à des divergences culturelles. Nous nous sommes donc interrogées sur ce sujet. Problématique Nos objectifs de départ ont donc été de déterminer où l'isolation serait la plus performante, de définir les avantages et les inconvénients de chacune des possibilités, de calculer le rendement effectué selon les types d'isolants utilisés. Nous avons également pensé étudier l'efficacité des isolants écologiques face aux isolants normaux, si notre projet aboutissait suffisamment vite. I) Choix de la démarche pratique : Le choix de deux maquettes comparatives simulant deux maisons nous est venu à l idée pour pouvoir comparer à la fois l isolation extérieure et intérieure, afin de déterminer laquelle est la plus efficace. Pour comparer ces deux types d isolation, on a placé nos deux maquettes dans les mêmes conditions expérimentales. C'est-à-dire dehors, sous des températures hivernales afin de se rapprocher au mieux de la réalité (des vraies maisons). Pour montrer l efficacité d une isolation par rapport à une autre, on a choisi de mesurer la puissance instantanée consommée en mesurant la tension aux bornes de la résistance U 2 chauffante ( ) lors du chauffage des deux maquettes. Pour chauffer nos deux maisons R comparatives, on a fait le choix d un chauffage électrique qui est facile à mesurer (mesure de la tension). Ce chauffage électrique est représenté dans nos maquettes par un fil résistif, placé dans la dalle, modélisant un chauffage au sol que l on peut trouver dans les vraies maisons. A! noter que dans les dalles des maisons le chauffage n est pas une résistance électrique mais un tuyau dans lequel on fait passer de l eau chaude. En choisissant ce type de chauffage on se place dans les conditions les plus défavorables à cause des pertes de chaleur au bord de la dalle. Après avoir placé ce chauffage, nous nous sommes demandé comment nous allions réguler la température dans les maquettes. En effet, il fallait trouver un moyen pour maintenir la température à l intérieur des maisons à une valeur constante. Nous avons donc utilisé un montage électronique permettant de réguler la température. Cette mise au point nous a d ailleurs demandé beaucoup de temps. Les mesures de températures et de tensions sont faites en utilisant le logiciel Logger Pro et son interface labpro. Ce logiciel permet de représenter graphiquement la température atteinte dans les Page 3

4 maisons en fonction du temps. On peut également savoir quelle est la puissance moyenne consommée lors du chauffage des maisons. SCHEMA FONCTIONNEL Mesure de température Température externe Maison à température constante Mesure consommation Mesure de température interne Chauffage Régulation de température Ces mesures nous permettent de déterminer l isolation la plus efficace en étudiant et en comparant les énergies consommées. Ainsi on peut réellement affirmer laquelle de l isolation intérieure ou extérieure est la plus performante. II) Réalisation 1- Construction des maisons : Le but de notre étude est de savoir où l isolation est la plus performante. Est-elle plus performante à l'intérieur ou à l'extérieur des murs des maisons? Pour répondre à cela, nous avons donc réfléchi à la réalisation d un modèle de maison qui nous permettait de comparer le fonctionnement des isolants en fonction de leur positionnement. Nous nous sommes vite aperçues que la construction de deux maquettes identiques (mêmes dimensions, mêmes matériaux de construction ) était nécessaire pour réaliser des mesures correctes dans les mêmes conditions de température extérieure. Il y a donc une maquette qui modélise une maison avec isolation intérieure et une maquette qui modélise une maison avec isolation extérieure. La maison isolée à l intérieur est démontable grâce à un système de "fermeture de caisse" ce qui permet une mise en place plus facile de l'isolant et un accès plus simple au montage électronique. Ce système ne peut pas être utilisé sur la maison comportant l isolation extérieure puisque les fermetures doivent être fixées à l extérieur du mur. Les murs de la seconde maquette ne sont donc pas démontables. Nous avons tout d abord eu l idée de modéliser une vitre sur le toit du modèle isolé à l intérieur pour que les montages électriques soient visibles et pour modéliser les ponts thermiques situés au niveau des fenêtres dans les vraies maisons, mais cela aurait pu engendrer trop de pertes de chaleur. C est pour cela que nous avons ensuite modifié ce premier modèle et ôté la fenêtre en recommençant la construction du toit. Page 4

5 Pour faire tenir les isolants sur les deux modèles, nous utilisons des cales de bois que nous vissons aux parois. L isolant se trouve entre le mur et la calle. Nous isolons aussi le toit des maisons car c est à ce niveau qu il y a le plus de pertes de chaleur. Les plans de ces modèles ont été élaborés en réfléchissant au positionnement de l'isolant et de la source de chaleur. 2- Choix et réalisation du chauffage : Le support de ces maquettes est une dalle en ciment de réagréage contenant un fil résistif. Le choix de sa mise en place dans la dalle a été source de réflexion. Après plusieurs schémas, nous sommes parvenues à la conclusion que la meilleure des choses à faire est un enroulement de fil qui part du centre et s'étend jusqu'au bord de la dalle comme dans le cas d un vrai chauffage. Le ciment est conducteur de chaleur, donc cette dalle s'avère être l unique source de chaleur des maquettes. Cela simule un chauffage au sol. La réalisation de la première dalle a été assez laborieuse car nous avions mal fixé le fil résistif sur le socle en bois de la dalle. Les bandes adhésives sont parties et pour éviter le faux contact entre les fils nous avons dû les replacer et les maintenir avec des punaises alors que nous avions déjà coulé le ciment. Ce fut cependant un moment très amusant! Fort de cette expérience, nous avons directement fixé le fil résistif avec des punaises pour la seconde dalle, ce qui fut beaucoup plus pratique. Dans les deux dalles, le fil résistif n'est localisé dans la dalle qu'en dessous des modèles. Le morceau de dalle qui dépasse n'est pas chauffé et cela modélise un balcon ou une terrasse et les pertes de chaleur qui ont lieu à ce niveau. Ces pertes permettront de comparer les différents modes de pose des isolants au niveau de leur efficacité. Sur les deux maquettes, nous n avons pas modélisé de chauffage mural pour que les mesures soient faites dans les pires conditions avec le plus de pertes de chaleur pour pouvoir mieux comparer les isolants et trouver à l endroit où ils sont le plus efficaces. On pourra éventuellement effectuer une série de mesures avec un chauffage central, si le temps nous le permet. Grâce à la modélisation d un chauffage au sol à l aide de fil résistif, nous avons un accès direct aux mesures. Les deux planchers chauffant possèdent la même résistance pour les deux maquettes, la longueur est donc la même ainsi que la disposition. Page 5

6 3. Choix et fabrication de la régulation : On estime nécessaire de réguler la température afin de la rendre constante pour une puissance thermique associée, pour pouvoir comparer la puissance consommée à la même température régulée dans les deux maisons. Schéma fonctionnel du régulateur : Capteur de température Seuils Commande du chauffage Chauffage Réglage de la température Le choix de notre capteur de température s est porté sur une CTN (coefficient de température négatif), car la mise en oeuvre de ce capteur est simple et de plus nous n avons pas besoin d une réponse linéaire de ce dernier. Nous avons réalisé plusieurs essais pour vérifier le bon fonctionnement de ce type de capteur. Nous lui avons associé, au début, un comparateur à un seul seuil. Mais nous nous sommes aperçus que le comparateur en sortie oscillait, phénomène mis en évidence par les vibrations continues du relais. De ce fait, nous avons dû utiliser un comparateur à deux seuils. Réalisation du montage : Relais Résistance chauffante de la maison Détection de la température Comparateur à 2 seuils Montage suiveur Commande du relais Générateur de puissance Indicateur de Fonction -nement Consigne : Permet de fixer les températures de régulation Page 6

7 Description du montage : Détection de la température : La résistance de la CTN varie avec la température, la tension telle qu elle est placée dans le circuit va varier en fonction de la résistance de la CTN R (donc de la température) par la relation V " = ".V cc où Vcc=15V et R=18kΩ. R + R " Consigne : La tension est réglée à l aide d un potentiomètre. Cette consigne fixe les seuils de déclenchement des températures.! Montage suiveur : Un montage suiveur, par définition, sert à éviter de charger le montage qui le précède. Ici il s agit de la détection de température. Comparateur à deux seuils : Comme nous l avons vu précédemment, il est nécessaire d avoir deux seuils de déclenchement : un seuil de température minimum et un autre pour fixer le maximum. Le choix de cet écart est fixé par la valeur des résistances. Ce choix de résistances nous a posé quelques soucis. Indicateur de fonctionnement : Sert uniquement à voir si le montage chauffe ou non. Il s agit d une simple LED avec une résistance de protection, qui s allume si la tension de commande est active en sortie du comparateur. Commande du relais : Au début, nous avions choisi un micro-relais, où le montage à transistor n était pas nécessaire. Mais celui-ci n a pas résisté aux fortes tensions, et la plupart sont restés collés probablement à cause d arc électrique. Le choix s est porté sur un simple relais de voiture, mais qui nécessite l amplification du courant afin de commander ce dernier. Le montage transistor est utilisé comme un interrupteur commandé, lorsqu il est alimenté celui-ci est fermé, sinon il est ouvert. Relais : Nous sommes confrontées à la nécessité de mettre une diode de protection sur la bobine du relais, afin de protéger le transistor de toute surtension qui pourrait l endommager au blocage (l ouverture d un interrupteur dans un circuit comportant une bobine crée un arc électrique aux bornes de celui-ci). Alimentation de la maison : On utilise un générateur de tension capable de délivrer un fort courant (de l ordre de 1,5A à 2A) qui est commandé par l interrupteur du relais, et qui alimente la résistance de la maison. Fonctionnement de l ensemble : Que se passe-t-il lors du démarrage avec une température externe très froide? Le seuil haut n étant pas atteint, la résistance de la CTN diminue, donc la tension diminue jusqu à atteindre la tension de seuil maximum, ce qui déclenche le comparateur. L interrupteur du relais s ouvre, et l alimentation est coupée. La température interne va donc baisser car absence de chauffage. Lorsqu elle atteint le second seuil (minimum) alors le comparateur se re-déclenche, ferme l interrupteur commandant le relais ce qui alimente le circuit et la résistance chauffe. C est un mécanisme de régulation, et il correspond bien à nos attentes. Page 7

8 Réalisation du montage : La réalisation a été faite sur une plaque à souder. On peut voir sur cette photo l implantation des fils et des composants. Le gros bloc noir correspond au relais de voiture, qui n a pas pu être placé sur la plaque. Le potentiomètre est placé en bas à droite. III/ Mesures et interprétations A) Premiers tests sur maison Afin d'effectuer les premiers tests sur les maquettes, nous avons élaboré un système permettant de mesurer à l'aide de différents capteurs reliés à une interface, la puissance moyenne du chauffage ainsi que l'énergie consommée durant les mesures. Mise en oeuvre du montage Schéma général pour le premier test (isolation interne ou pas d isolation) Page 8

9 Photo de la réalisation en extérieur, l ensemble est placé sous un abri afin de protéger le montage de la pluie. Nous avons tous d'abord effectué un premier test sans isolation, afin de voir le comportement du matériel et réaliser une série de mesures "à vide" (sans isolants) qui nous permettra par la suite de comparer avec les mesures faites avec l isolation. Cet essai sans isolation permet de voir le fonctionnement des capteurs et la nécessité de poser une isolation. Voici l un des résultats des mesures effectuées lors du test "à vide": On peut voir que la température interne augmente progressivement mais n'atteint pas le seuil de température à atteindre pour déclencher la CTN et mettre en marche le système de Page 9

10 régulation. C'est donc que les pertes de chaleur sont trop importantes car la température interne n'augmente pas suffisamment pour déclencher la régulation et par conséquent, l'énergie consommée est beaucoup plus élevée. U2 La puissance a été calculée en effectuant l opération pour chaque mesure de tension P = R où R vaut 42,5Ω c est la résistance chauffante et U la tension aux bornes de cette résistance. A noter qu il a été nécessaire d abaisser cette tension mesurée par un diviseur de tension afin qu elle soit accessible à l interface labpro que l on a utilisé. En effet celle-ci possède une! plage de mesure comprise entre -10V et +10V. 100κΩ Tension aux bornes de la résistance de chauffage 10κΩ Tension aux bornes de la résistance de chauffage divisée par 11 La valeur réelle étant de nouveau obtenue après re-multiplication dans le logiciel logger pro. On a pu établir la moyenne de cette puissance en utilisant la fonction «moyenneur» que Logger Pro possède. On en a déduit l'énergie consommée calculée grâce à la puissance moyenne et à la durée de la mesure, ce qui s écrit: E consommée = P moy x t t est la durée totale de la série de mesure, c'est à dire un peu plus d'une heure et demie, sur l exemple précédent. À noter que l énergie consommée sera exprimée en W.h. La première expérience a mis en évidence la nécessité d isoler. Nous avons été surpris que les résultats soient d une telle ampleur. Premiers tests avec isolants: Nous avons placé un isolant à l intérieur des parois internes de la première maquette. Isolation des parois internes de la maison avec de la laine de roche. Nous avons noté une différence importante dès que nous avons mis le chauffage en route. Celui-ci a augmenté de manière significative rapidement, ce qui n était pas le cas lors de nos premières mesures «à vide». Page 10

11 Quelques résultats obtenus durant ces tests : Régulation autour d une température de 16 C : Régulation de température en fonction de la puissance fournie Température externe. Affichage de l énergie consommée durant le test, ici, durant 7h. Puissance fournie au chauffage. Cette série de mesures est intéressante car elle permet de mettre en évidence la régulation de la température de la maison. À noter un décalage au démarrage de la température externe et interne, 0 C à l extérieur et 2 C à l intérieur. Ce décalage de température est dû au décalage de temps pour la mise en route du système informatique, en effet durant ce temps, la dalle s est mise à chauffer. Ce phénomène n est pas visible en cas de non-isolation. Dans le graphe de la température intérieure, on met en évidence 2 parties : La partie transitoire de l ordre de 20min (avant la régulation) et la partie régulée. Cette mesure au démarrage a mis en évidence l aspect du régime transitoire. Et une nouvelle question nous est apparue : le régime transitoire est-il identique pour les deux types d isolations? Nous pourrons aussi comparer l inertie thermique des différentes isolations. Il s agit donc d un second critère de mesure, dont on pourra tenir compte dans notre comparaison. Page 11

12 Autre exemple pour une régulation à 19 C : Le graphe de puissance nous montre que la maquette est chauffée de manière régulière mais non périodique. Quand la puissance est à 100 W, l interrupteur du relais est fermé, permettant l alimentation de la résistance chauffante. Inversement, quand la puissance est à zéro, l interrupteur du relais est ouvert et les états de la puissance correspondent bien à la courbe de la température interne (ici, en rouge). La température augmente lorsque la puissance est à 100 W et réciproquement, elle décroît lorsque le montage n est pas alimenté. Remarque : Le temps de décroissance est plus long que le temps de croissance. C est probablement un effet de l isolant qui retarde le refroidissement. Notre montage étant désormais au point, nous pouvons passer à la comparaison, ce qui nécessite la construction d une deuxième maison et d un second régulateur. B) Tests comparatifs : Page 12

13 Schéma de montage : La température extérieure ne sera pas mesurée car l interface lab pro est limitée à 4 entrées. Le choix de l isolant pour ce test s est porté un matériau utilisable à la fois pour l isolation interne et externe. Celui-ci est à base de fibre de bois, et est donc considéré comme écologique. De plus, il a une épaisseur proportionnelle au volume de nos maisons. On effectue une comparaison de la puissance consommée et du régime transitoire en effectuant en double les mesures, avec des méthodes identiques de mesures comme le montre le schéma ci-dessus. Nous avons réalisé directement les mesures comparatives en installant les maquettes et les systèmes de mesure, régulation et chauffage dans les mêmes conditions de température. Ainsi, Page 13

14 nous pouvons comparer l efficacité des différents types de poses pour un isolant donné, dans les mêmes conditions extérieures. Après avoir agrandi notre espace de test (abri contre la pluie, protection des capteurs), nous avons placé les maquettes et effectué quelques séries de mesures. Ces mesures sont actuellement en cours, et nous pourrons vous les présenter lors de notre prestation à Paris. IV- Mise en œuvre pratique par un professionnel: Bien que peu répandue en France, et quoiqu en fort développement ces dernières années, l isolation externe est très intéressante dans le cas de la rénovation car elle ne diminue pas le volume habitable et évite de refaire les intérieurs. Son inconvénient est d être plus cher, environ trois fois plus coûteux. Cependant, ce coût ne tiens pas compte de la réfection de l ensemble des pièces intérieures. Les professionnels s occupant de ce type d isolation sont des peintres de formation. L isolation doit s accompagner d une réfection de la façade, ce qui explique en partie le coût élevé. Méthode utilisée : Lors de la visite d un artisan, celui-ci nous a montré comment il effectue une isolation externe d une maison en rénovation. L isolant utilisé est un polystyrène très dur et noir, car il contient du graphite. Celui-ci est plaqué sur le mur et maintenu avec un ciment colle. Voici une photo illustrant ce principe : À noter que contrairement à ce qui se fait au Canada, ici l isolant n est pas enterré, mais posé sur une gouttière en aluminium (celle-ci étant fixée au mur). Cela vient du fait que cette maison était en rénovation. Un grillage en fibre de verre est placé par-dessus avec un enduit colle qui durcit l ensemble. Le tout est recouvert soit par un bardage en bois, soit par un crépi appliqué directement dessus. Au final, le résultat de cette application est très solide. V- Conclusion : Page 14

15 Ce projet nous a demandé beaucoup de travail et de réflexion dans divers domaines. L électronique pour la réalisation du montage régulateur, thermique pour les isolants et même le bricolage pour la réalisation des dalles et des maisons. Nous avons réussi à mettre en œuvre tout une chaîne de mesure avec une interface et un montage régulateur et ainsi pu fabriquer notre outil de mesure. Cet outil doit nous permettre de mettre en évidence ce que nous cherchons et avec différents types d isolants. Remerciements : Page 15

16 Nous aimerions remercier les personnes qui nous ont soutenu et ont apporté leur aide à l élaboration de notre projet. Tout d abord M. Bottos, notre professeur, qui nous a guidé dans nos recherches et nos choix. Ensuite les artisans M. Vagnard, pour nous avoir assisté dans la construction des maquettes et fournit des isolants, ainsi que M. Jacquemoud pour ses explications à propos de son travail dans l isolation. Nous voudrions également dire merci aux deux préparateurs de notre lycée, Richard Wielenta et Christiane Conta, qui nous ont fournit du matériel et une aide précieuse tout au long de l année. Page 16