Isolation thermique

PEREIRA Malo ROCUET Kylian NASRI Khaled Année 2017/2018 T.P.E SUR L’ISOLATION THERMIQUE Les isolants naturels sont-ils plus performants que les isolants synthétiques ? Lycée des Andaines SOMMAIRE Problématique : Les isolants naturels sont-ils mieux que les isolants synthétiques ? Introduction. …..................................................................................................................p.3 Pourquoi isoler ? …..............................................................................................................p.3 1. Les sources de déperdition thermique. …................................................................p.4 2. L'isolation ….............................................................................................................p.6 a) b) c) d) e) f) g) Le confort thermique. …...........................................................................................p.6 Les échanges de chaleur. …......................................................................................p.6 Les différents éléments de confort thermique. ….....................................................p.7 Les matériaux d’isolation. …....................................................................................p.8 Les caractéristiques techniques et thermiques. …....................................................p.8 Les caractéristiques environnementales. …............................................... ..............p.10 Les réglementations thermiques. ….........................................................................p.11 3. Les 3 matériaux choisis.............................................................................................p.12 a) b) c) d) e) f) Composition et fabrication des différents isolants. ….............................................p.12 L'expérience …........................................................................................................p.14 L'impact sanitaire. …...............................................................................................p.15 L'impact environnemental …..................................................................................p.16 Bilan économique....................................................................................................p.17 Bilan des tableau et graphiques.............................................................................. p.19 Conclusion. …...................................................................................................................p.21 Bibliographie …..................................................................................................................p.22 INTRODUCTION Malo et moi travaillons depuis quelques années déjà, et de façon régulière, avec nos parents à bricoler ou bien à rénover des maisons, ce qui nous a amené assez naturellement à choisir le thème : matière et forme. Une habitation est un ensemble composé de divers matériaux en contact avec un environnement plus ou moins froid ou chaud, en fonction de la saison, de l’heure et des conditions météorologiques et du lieux. Les transferts de chaleur et les échanges gazeux se produisent en permanence. Si l’environnement des habitations était constant et tempéré, la température intérieure pourrait être égale à la température extérieure. Mais cela n’est pas le cas, et pour satisfaire le confort des habitants ainsi que leurs envies, il faut réguler les échanges thermiques, afin que les usagers aient un confort optimal. Pour cela, il est nécessaire de contrôler les flux et/ou la dépense de l’énergie produite, notamment grâce à l’isolation. L’isolation thermique est un système qui conserve la chaleur produite dans un logement. On peut isoler un logement avec plusieurs isolants naturels ou synthétiques comme la laine de mouton, le liège, la laine de verre ou de roche, et plein d’autres encore. Il y a trois catégories d’isolants thermiques : naturels, minéraux et synthétiques. Lors de la construction de bâtiments publics comme une école, un hôpital ou des HLM (habitations à loyer modéré), les professionnels doivent respecter la réglementation en vigueur pour être en conformité lors des inspections de fin de travaux et que ceux-ci soient homologués. Mais comment bien choisir son isolant en fonction de son budget, de la qualité et des normes sanitaires ? Les isolants naturels sont-ils plus performants que les isolants synthétiques ? Pour répondre à cette problématique, nous restituerons en trois temps les recherches et réflexions qui ont été les nôtres depuis plusieurs semaines. Nous rappellerons les principes généraux de l'isolation et rendrons compte d'une expérience effectuée au cours du premier trimestre. Pourquoi isoler : On isole pour plusieurs raisons, tout d'abord pour se protéger du froid, de la chaleur en été, mais aussi pour réduire ses factures. Un aspect environnemental est également à prendre en compte, avec la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre, le CO2. Rien que pour le secteur du bâtiment, on peut mesurer plus de 88.2 millions de tonnes de CO2 émises chaque année, soit 19 % des émissions nationales et 25.8 millions de tonnes de carbone, derrière le champion de la pollution, les transports et devant l’industrie. Diagramme du CO2 rejeté par les différents facteurs en mtCO2. I. Les sources de déperdition thermique. Le rôle de l‘isolation est de s’opposer au passage de la chaleur qui s’effectue toujours du chaud vers le froid. La déperdition thermique est, en effet, la perte de chaleur que subit un bâtiment par ses parois et ses échanges de fluide avec l'extérieur. Elle est d'autant plus significative quand l'isolation thermique est faible. En fonction des caractéristiques du bâtiment, il se produit en permanence des déperditions thermiques. Elles sont de différentes natures : par transmission (murs et parois), par les ponts thermiques et le renouvellement à l'air. Schéma des différentes déperditions thermiques d’une maison isolée et d’une maison non isolée On peut voir qu’il y a des pertes de chaleur au niveau des ponts thermiques. Mais qu'est-ce que c'est un pont thermique ? L'architecture d'une maison comporte des points où l'isolation est faible ou inexistante. Cela se situe généralement au niveau des changements de plans (vertical/horizontal) ou des changements de parois (mur/toiture ou mur/fenêtre). On appelle cela des ponts thermiques. Schéma d’un pont thermique. On distingue deux types de ponts thermiques : Les ponts thermiques de liaison, ils sont générés par une interruption de l’isolation du bâtiment, le plus souvent aux jonctions planchersmurs et aux jonctions des murs entre eux, mais aussi entre les fenêtres et les murs. Les ponts thermiques, dits intégrés ou ponctuels, sont générés par les éléments de fixation des isolants ou par des ossatures secondaires (ossature métallique d'une isolation par l'intérieur par exemple). Il y a aussi les déperditions par renouvellement d’air. Elles concernent : les fuites et infiltrations non contrôlées causées par le défaut d’étanchéité du bâtiment. Schéma des déperditions par renouvellement d’air. On les retrouve le plus souvent au niveau des huisseries extérieures (seuils de portes, fenêtres, coffres de volet roulant…), au niveau des équipements électriques, des diverses trappes d’accès, des cheminées à foyer ouvert….. Pour concrétiser ces premières données, nous avons décidé de prendre la maison de Kylian comme exemple et de calculer les déperditions thermiques réaliser pendant une heure. Les déperditions thermiques effectuées par heure d’une maison se mesurent grâce à la formule : G x V x (Ta – Te) G : coefficient de déperditions V : volume à chauffer en m3 Ta : la température ambiante Te : la température extérieure de base hivernale selon la région (Mayenne) Tableau des différents niveaux d’inflammabilité. Pour la maison de Kylian. G : 0,22 V : 824 m3 Ta : 21°C Te : 4°C Etiquette CE avec les différentes certifications et les grandeurs physiques. Calcul : G x V x (Ta - Te) Donc : 0,22 x 824,4 x (21-4) = 3,08 kW/h *kW/h : Kilo watt par heure. La maison de Kylian consomme 3.08kW/h. Ceci est inférieur à la moyenne qui est de 5.32 kW/h. De nos jours, il existe différentes méthodes pour diminuer les déperditions thermiques d'une maison. Par exemple, les nouvelles maisons ou celles en rénovation sont quelquefois isolées par l'extérieur, c'est-à-dire que la structure de la maison est enveloppée par l'isolant. Les ponts thermiques sont donc considérablement réduits. Si on compare ce schéma-là au schéma de la maison isolée par l'intérieur ; on constate une baisse des déperditions de 80 Kwh/m2, ce qui représente une énorme différence. Le seul problème, c'est que cette technique est encore méconnue ou pas assez proposée par les constructeurs. Schéma des déperditions d’une maison isolée par l’extérieur. II. L'isolation. On a vu précédemment pourquoi on isolait et quelles étaient les sources de déperdition de chaleur dans une maison. Toutefois, avant de traiter des isolants, il est important de s'attarder sur quelques notions physiques concernant l'isolation thermique. On isole en effet une maison, pour avoir un certain confort thermique. Mais à quoi correspond ce confort thermique ? a) Le confort thermique. La température affichée par le thermomètre ne suffit pas à déterminer le confort car d’autres notions sont à prendre en compte. De fait, le confort thermique est caractérisé par : – la nature des échanges de chaleur – la température ressentie – la température de l'air ambiant et des parois – les mouvements d'air et de l'humidité de l'air Comment la chaleur circule-t-elle ? Il faut savoir que la chaleur est une forme d'énergie, à savoir celle des mouvements des petites particules (les molécules, les atomes) qui composent un corps. Plus les petites particules se déplacent rapidement, plus le corps est chaud. La chaleur circule en permanence d’un corps à l’autre, qu’il s’agisse d’individus ou de matériaux, toujours du plus chaud vers le plus froid, ce qui entraîne une égalisation des températures, on appelle cela le flux de chaleur. Schéma du flux thermique b) Les échanges de chaleur. Il existe quatre types importants de transferts thermiques : la conduction, la convection, le rayonnement et l’évaporation, qui ont chacun leurs spécificités. L’isolation en hiver lutte contre la conduction alors qu’en été elle lutte contre le rayonnement. Ces différents transferts thermiques sont appelés chaleur, ceci correspondant à une agitation thermique d'un corps A qui est transférée à un corps B, de façons différentes, selon le type de transfert. - Par conduction, l’échange s’effectue par contact : c’est la main qui se réchauffe contre un bol de café ou le pied qui se refroidit au contact d’un carrelage froid. C'est d'ailleurs à cause de ce phénomène de conduction thermique que l'on ne fait pas des manches de casserole en fer, ou autre matériau conducteur thermique. Cependant la conduction ne représente que 1% de l’ensemble des échanges thermiques. Schéma de la conduction - Par rayonnement, l’échange s’effectue sans contact direct : c’est la chaleur ressentie devant un feu de cheminée ou le froid à coté d’une vitre par -10°C dehors. Le rayonnement peut être direct (bain de soleil) ou indirect quand la chaleur est réfléchie (réverbération de la neige). Il représente 35% des échanges thermiques. Schéma du rayonnement - Par évaporation, l’échange s’effectue grâce au prélèvement dans l’air de l’énergie nécessaire à un liquide pour s’évaporer : c’est la fraîcheur ressentie prés d’une fontaine ou le maintien de la température corporelle malgré une forte chaleur grâce à l’évaporation de la transpiration. Cet échange représente 24% de l’ensemble des échanges. - Par convection, l’échange s’effectue entre le corps et l’air : c’est la chaleur fournie par un radiateur soufflant ou le froid provoqué par un courant d’air. Neutralisé quand l’air est immobile, l’échange est accentué par la vitesse de l’air et par son degré d’humidité. Il représente 35% des échanges. Schéma de la convection Dans un bâtiment, les modes de transmission se combinent, c'est-à-dire que la transmission de la chaleur de l’air ambiant à une paroi s’effectue en partie par rayonnement et en partie par convection. A l’intérieur de la paroi, la chaleur progresse par conduction. La chaleur passe d’un corps à l’autre mais ne disparaît jamais. En clair, ce que l’un perd, l’autre le gagne et l’échange s’effectue d’autant plus facilement lorsque la différence de température est importante. Après avoir vu comment circule la chaleur, nous allons aborder les éléments du confort thermique. Celui-ci est atteint quand l’individu de la maison n’a plus le besoin de dire s'il souhaite une modification de l'ambiance thermique intérieure, par exemple, augmenter ou baisser le chauffage. Mais pour cela, il y a plusieurs caractéristiques à prendre en compte : la température ressentie, la température de l’air, la température des parois, les mouvements d’air et l’humidité. c) Les différents éléments de confort. Tout d’abord, il y a la température ressentie, celle qu’on ressent en premier dans une maison. Il s'agit d'une moyenne entre la température de l’air et celle des parois. Le ressenti est également déterminé par les mouvements d’air. Par exemple, si le thermomètre affiche 22°C, la température ressentie n’est que de 17 °C si celles des parois n’est que de 12°C. Il y aussi la température de l’air qui joue un rôle très important dans le confort thermique. Le but est de stabiliser la température entre le jour et la nuit, et entre l’été et l’hiver, c'est-à-dire d'avoir une certaine homogénéité de la température dans l’espace. Le plus souvent on cherche à avoir une température de l’air stable vis-à-vis de l’extérieur (en moyenne 19°C). Il ne faut pas oublier la température des parois car la sensation d’inconfort apparaît dès que la température de l’air et celle des parois affichent un écart de plus de 2 à 3 °C. Par exemple, devant une paroi froide comme un mur en pierre, c’est le corps qui perd sa chaleur par rayonnement, générant ainsi un inconfort malgré une température affichée de 20°C. Les mouvements d’air accélèrent les échanges thermiques par convection. Plus la vitesse de l’air est grande plus la sensation d’inconfort est importante, sauf lorsque l’air est très chaud. N'oublions pas non plus le taux d’humidité (dont le taux optimal en tenant compte de l'hygiène, est d'environ 50%), car si l'on vit dans une maison avec un taux d’humidité élevé en-dessous de la moyenne, environ vers 20%, l’air paraît sec et provoque un assèchement des muqueuses bucco-pharyngiennes. Ce dernier point n’est pas facile à expliquer car chaque individu a son propre confort thermique, donc on ne peut pas avoir un confort thermique parfait. d) Les matériaux d’isolation. Avant de choisir un isolant, il est important de connaître les différentes caractéristiques d’un matériau. En effet, quand on va en magasin et qu'on regarde les caractéristiques, l’étiquette d'un isolant, on est envahi par des symboles et des unités qui nous embrouillent les idées. C’est pour cela que nous allons voir dans cette partie, les différentes caractéristiques qui définissent l’isolant. Il faut savoir qu'il existe des caractéristiques thermiques et techniques et des caractéristiques environnementales. e) Les caractéristiques thermiques et techniques. La conductivité thermique : coefficient ? (lambda). C’est la capacité d’un matériau à transmettre la chaleur. Elle est déterminée par le flux de chaleur qui traverse 1m2 d’une paroi de 1m d’épaisseur, lorsque la différence de température entre les deux faces de la paroi est de 1°C. Plus λ (lambda) est petit, plus le matériau est isolant. Son unité de mesure est le W.m-1.K-1 (watt par mètre kelvin). C’est donc la chose la plus importante à regarder quand on veut choisir un isolant. La résistance thermique (R) Elle exprime la résistance du matériau au passage de la chaleur. Elle dépend de son épaisseur (= e en mètre) et de sa conductivité thermique λ. Cette grandeur se calcule par le quotient : La résistance thermique varie donc en fonction de l’épaisseur. Plus R est grand, plus le matériau est isolant. Quand on isole une maison, l’épaisseur joue un rôle important car elle détermine la résistance. Par exemple, on peut mettre 20 cm de laine de mouton sur un mur et 40 cm sur le mur d’en face, la résistance sera pas du tout la même. Le coefficient de transmission surfacique : U Le coefficient de transmission surfacique d'une paroi est la quantité de chaleur traversant cette paroi en régime permanent, en fonction du temps, de la surface et du gradient de température entre les deux cotés du mur. U = 1/R W/m2.K ou W/m2.°C Plus U est petit, plus la paroi est isolante. L’inertie thermique L’inertie illustre la capacité d’un matériau à emmagasiner de la chaleur. Plus elle est importante, plus le matériau est capable de stocker puis de restituer de grandes quantités de chaleur ou de fraîcheur. Schéma du principe de l’inertie. Prenons comme exemple un mur de pierre exposé au soleil. L’inertie du mur lui a permis d’emmagasiner la chaleur qu’il a reçue. La chaleur circule lentement au cœur du mur du côté le plus chaud vers celui le plus froid. A la tombée de la nuit, la chaleur se trouvant au cœur du mur fait demi-tour pour se diriger vers la face la plus froide grâce au refroidissement nocturne. Cela est utile en été par exemple, où la capacité d’inertie des murs permet d’amortir les variations de température et contribue à réduire la montée en température de l’air ambiant. En hiver, l’inertie des murs permet de restituer la chaleur une fois le chauffage coupé. L’inertie est donc indissociable de l’épaisseur du matériau. La résistance à la vapeur d’eau C’est un critère essentiel lorsqu’il s’agit de composer une paroi la plus perspirante possible. La résistance d’un matériau à la diffusion de la vapeur d’eau est : Sd (esdé) = μ (mu) × e μ (mu) : coefficient de résistance à la vapeur d’eau (sans unité) e = épaisseur du matériau en m Plus le μ (mu) et le Sd d’un matériau sont grands, plus ceux-ci s’opposent au transfert de la vapeur d’eau et moins il est perspirant. Schémas de la résistance à la vapeur d’eau. Il est vrai que cette caractéristique technique est très utile, car un surplus d’humidité peut entraîner l’apparition de champignons sur les murs. La gestion de l’humidité est donc une caractéristique à prendre au sérieux. Le déphasage : Le déphasage de symbole ? est la capacité des matériaux à ralentir les transferts de chaleur, notamment du rayonnement solaire estival. On l'exprime en heures. Ce déphasage thermique est notamment utile en été pour empêcher la pénétration de l'énergie du rayonnement solaire le jour et la rejeter la nuit. L’isolant est inflammable à différents niveaux selon la composition de ce dernier ; c’est pour cela qu’il y a un classement au feu des isolants. Les certifications : Les produits isolants mis sur le marché européen disposent d’une étiquette CE qui concerne les principales familles d’isolants manufacturés pour le bâtiment répondant aux normes européennes. L'étiquette CE atteste la conformité du produit aux normes européennes de qualité et de sécurité imposées au fabricant. f) Les caractéristiques environnementales. De nos jours, l’aspect environnemental est de plus en plus présent aux informations, dans l’actualité générale. Les isolants jouent un rôle important dans les gaz à effet de serre, c’est donc pour cela que l’isolant a des caractéristiques environnementales. On parle alors d’impact environnemental. Ce dernier est quantifié par l’analyse du cycle de vie (ACV) du matériau, mais on parle aussi d’écobilan. On distingue : ? Le bilan carbone, soit la contribution à l’effet de serre. Elle exprime le bilan entre la production et le stockage de gaz à effet de serre du matériau. Cela nous sera utile pour le bilan environnemental des isolants. ? L’énergie grise, soit l’énergie que nécessite la vie du matériau. Elle intègre l’énergie nécessaire pour sa fabrication et l’ensemble de son cycle de vie, mais aussi l’énergie que ce dernier peut produire en brûlant. Schéma du cycle de vie d’un isolant lambda Il faut savoir qu’il existe cinq types d’isolants : synthétiques, minéraux, végétaux, recyclés et animaux. Ils peuvent être sous différentes formes : en vrac, souple et rigide. Par exemple, on trouve le liège sur le commerce soit en vrac ou en rigide. g) Les différentes réglementations thermiques. Depuis 1974, une réglementation thermique a été mise en place pour fixer les règles dans les constructions neuves en matière d’isolation, afin de réduire la consommation globale d’énergie. La réglementation évolue environ tous les 5 ans. Elle a pour but de restreindre l’énergie de chauffage et les émissions de gaz à effet de serre en prenant en compte les divers acteurs des marchés concernés. La première réglementation date de 1974. Elle consistait à mettre dans les projets de construction ou dans les nouveaux bâtiments d’habitation imposant une isolation thermique des parois et un réglage automatique des installations de chauffage. La seconde date de 1984 et consistait à aérer les logements que ce soit par une aération générale ou permanente. Celle de 2000 s’appliquait aux bâtiments neufs résidentiels afin que ceux-ci ne dépassent pas 130 kWh/m2 an de déperdition. La quatrième est la réglementation thermique de 2005. Elle consistait à maîtriser les consommations d’énergie intérieure et à limiter l’émission de gaz à effet de serre. Elle avait pour but de réduire à 40% la consommation des logements neufs jusqu'en 2020. La dernière réglementation importante date de 2012 et s’applique aux constructions neuves, depuis le 28 octobre 2011 pour les bâtiments d'enseignement publics, d'accueil de la petite enfance et les bâtiments tertiaires. Depuis le 1er janvier 2013, elle comprend aussi les bâtiments d'habitation, universitaires d’enseignement et de recherche, hôtels, restaurants, commerces, gymnases et salles de sport y compris les vestiaires, établissements de santé, établissements d’hébergement pour personnes âgées, aérogares, tribunaux et palais de justice et bâtiments à usage industriel et artisanal. Elle oblige les habitations neuves à consommer au maximum 50 kWhep/m2/an. Par ailleurs, depuis novembre 2006 pour les maisons en vente et plus tard en juillet 2007 pour les locations il est obligatoire de diagnostiquer son logement en fonction de sa performance énergétique. Comme ça lors de l'achat ou location le client a davantage plus d'information sur la consommation d’énergie et sur les émissions de gaz à effet de serre. Ce bilan se nomme : diagnostic de performance énergétique (DPE). Schéma des différentes réglementations thermiques III. Les trois isolants choisis Nous avons fait le choix de prendre trois matériaux pour les comparer entre eux dans l’optique de répondre à notre problématique. Il s'agit du liège, du polyuréthane et de la laine de mouton. Nous étudierons alors leurs différentes caractéristiques : composition, fabrication, environnement et santé. a) Composition et fabrication des différents isolants. Le liège. Le liège est un isolant naturel provenant de l’écorce d’un chêne que l’on trouve autour du bassin méditerranéen, le Quercus Suber, plus connu sous l’appellation Chêne Liège. Pour fabriquer du liège, il nous faut donc l’écorce du Chêne Liège qui est située sur la couche externe de l’arbre, qui est homogène, formée d’un tissu élastique, imperméable et bon isolant thermique, appelé le liège. Cette écorce est constituée de cellules mortes aux parois imperméabilisées par un composé chimique appelé subérine qui est un polymère hydrophobe d'acides gras qui détourne le trajet de l'eau dans les parois. Schéma des différentes couches du Chêne Liège. La Subérine est le principal composant du liège (45%). C'est un mélange d’acides gras et d’alcools organiques lourds qui rendent le liège imperméable aux liquides et très faiblement perméable aux gaz, ce qui est très utile dans l’isolation d’une maison. Le liège est un isolant naturel très écologique car on ne coupe pas le tronc lors de sa récolte, on prélève juste son écorce : on appelle cela le démasclage. Cette technique s'effectue alors tous les 9 ans, pendant 120 ans environ. Sa récolte participe donc au maintien des forêts. Lors de sa fabrication, le liège est broyé puis collé, souvent avec sa propre résine, la subérine, sans additif, mais ce procédé demande de l'eau et de l'énergie. Toutefois, il est de plus en plus remplacé par le liège aggloméré dans lequel on ajoute 4 à 5% de résine alimentaire de type BIOCOL. La quasi totalité de l’écorce est utilisée. La Laine de mouton. La laine de mouton, quant à elle, est récoltée grâce à la tonte du mouton. Dans le monde, on peut compter jusqu'à 1 000 000 000 moutons producteurs de laine. Celle-ci passe dans différentes machine pour la laver, la tisser et la traiter. Mais il faut préciser qu'elle est mélangée à d'autres matériaux, comme de la fibre synthétique ou naturelle ce qui permet de la rendre plus souple et/ou plus douce. Schéma de synthèse de la transformation de la laine Par contre, elle peut être brute comme manufacturée, c'est-à-dire qu'elle est modifiée. Dans ce cas là, on y ajoute jusqu'à 25 % de fibres synthétiques, ce qui assure la cohésion des panneaux ou rouleaux d'isolant. Par conséquent, elle peut aussi bien servir à l’isolation thermique qu'à l’isolation acoustique grâce à cette modification, d'autant qu'elle craint moins l'humidité. Grâce à cela, elle peut absorber jusqu'à 33% de son poids en eau. Un de ses avantages, c'est qu'elle n'a aucun effet négatif sur notre santé et ne dégage ni flamme, ni gaz toxique en cas d’incendie comparé au polyuréthane. Elle n'attire pas non plus les rongeurs, ce qui est assez important pour la bonne qualité de l’isolation. Par contre, l'inconvénient de cet isolant c'est qu'il nous donne une faible contribution d'énergie pendant l'été. Enfin on peut trouver cet isolant sous différentes formes : en vrac, en panneaux ou en rouleaux et il n'a malheureusement qu'une durée de vie de 50 ans. Le polyuréthane. Cet isolant est un composé chimique dont la structure est la suivante : Le polyuréthane est un polymère dont la base répétitive est uréthane. La réaction de formation du polyuréthane fut découverte par Charles Adolphe Wurtz en 1849. Presque un siècle plus tard, l’Allemand Otto Bayer et ses collègues découvraient le polyuréthane, en 1937. Le polyuréthane que l'on a choisi précisément est le polystyrène extrudé. Celui-ci est fabriqué à partir de billes de monomère styrène mélangées et extrudées avec un agent gonflant. C'est le dioxyde de carbone qui lui procure ses performances thermiques. Cet isolant a une durée de vie d'environ 75 ans. L'un de ses grands avantages est qu'il est inaltérable en présence d'eau ou de vapeur d'eau. Il est par exemple mis sous les chapes liquides ou enterrer sans aucun contact avec la surface, dans les fondations des maisons. Malheureusement, celui-ci a un bilan en énergie grise et en carbone très élevé et sa matière première est le pétrole. Enfin, il est dégradable par les rongeurs et il dégage des gaz toxiques lorsqu'il chauffe fortement ou qu'il brûle. b) L‘expérience. Nous avons réalisé une expérience avec les trois isolants décrits ci-dessus : le liège, le polyuréthane et la laine de mouton. Le but étant de comparer les trois isolants par rapport à leur résistance au froid. Nous avons utilisé trois boîtes en carton pour faire office de maison, chaque boîte à chaussures, dont les dimensions sont 30x25cm pour le polyuréthane et le liège, et 28x22cm pour la laine de moutons, est isolée sur les six parois. Chaque isolant, parmi les trois choisis, a pour épaisseur 2,5 cm, sauf pour la laine qui a une épaisseur de 4 cm car on a eu du mal à la tasser. On a placé un thermomètre à sonde dans chaque boîte pour mesurer la température. Boîte à chaussures avec le liège expansé Boîte à chaussures avec le polyuréthane Boîte à chaussures avec la laine de moutons Nous avons refermé les trois boîtes avec du scotch pour que le couvercle ne s’ouvre pas durant l’expérience. Schéma d’une boîte fermée Ensuite nous avons placé les trois boîtes dans le congélateur et mis le boîtier du thermomètre à l’extérieur du congélateur, sinon il fonctionnait mal. Durant une heure, nous avons relevé la température des trois boîtes toutes les six minutes. Avec les résultats obtenus, nous avons réalisé un graphique avec trois courbes distinctes à l'aide d'un tableur. Voici les résultats : Température en degrés C° Temps en minutes On peut remarquer une baisse franche de température dès le début de l'expérience, dans la boîte isolée avec du polyuréthane. La température a brutalement chuté, surtout entre 14 C° et -10 C°, puis entre -10 C° et -21, 7 C°, la température finale. On peut constater que la laine de mouton descend plutôt lentement, au même niveau que le liège, mais à partir de 8 C°, elle se détache et descend plus vite tout en gardant une distance égale avec le liège. Au bout de 60 minutes, la température de la boîte isolée avec la laine de mouton était de 18,3 C°. On voit que le liège a baissé moins vite que les autres isolants avec une température finale de -17,1 C°. Comme nous l'avons dit auparavant, c’est le polyuréthane qui résiste le moins au froid. Cependant nous avons comparé la résistance thermique théorique des différents matériaux : • Polyuréthane : R : 1,162 • Liège expansé : R : 0,625 • La laine de mouton: R : 1,144 On voit que le polyuréthane est supérieur à la laine de mouton et au liège expansé, ce qui est l’inverse des résultats de notre expérience. On peut conclure que dans cette expérience, c’est le liège qui résiste le mieux au froid. Il faut savoir que les ingénieurs établissent la résistance des différents matériaux en mettant une source chaude au-dessus d’un objet isolé d’un isolant, ils placent ensuite un thermomètre en dessus de cet objet pour mesurer le flux de chaleur sortant de cet objet. Toutefois, lors de notre expérience, nous avons effectué le contraire, c'est-à-dire que nous avons fait cela avec une source froide. Cela peut expliquer que nos résultats ne soient pas en accord avec les résistances thermiques des trois matériaux. Le polyuréthane serait-il donc un meilleur isolant contre le chaud ou contre le froid ? c) L’impact sanitaire La maison est un endroit où l'on vit une bonne partie de sa vie. Il est donc important de bien choisir ses isolants car certains posent des problèmes de santé et d’environnement. Certaines personnes ont contracté certaines pathologies, comme des cancers à cause des isolants nocifs : on peut citer le problème de l'amiante dans les anciens bâtiments. Quand on isole une maison ou que l'on change d'isolants lors d'une rénovation, -on a choisi le cas d'une maison en rénovation car bien que 240 000 constructions neuves individuelles, environ, soient réalisées chaque année en France, la rénovation reste la solution la plus choisie pour se lancer dans l’immobilier-, on commence par démonter, arracher, mettre en morceaux… les vieux isolants et leur recouvrement dispersent un nuage de poussières dans toute la maison. Or, bien souvent, nous ignorons la nature des matériaux que nous manipulons : par exemple, des plaques dissimulant de vieux murs humides pourraient contenir de l’amiante, et on respirerait ce nuage de poussière composé de fines particules chimiques volatiles (liants, plastifiants, anti moisissures, ignifuges) s’échappant des matériaux. Cela peut provoquer des allergies et des irritations des voies respiratoires. Pire, respirer des poussières, des fibres d’anciens matériaux contenant de l’amiante peut être à l’origine de certains cancers des poumons, notamment. De plus, quand les maisons brûlent, elles dégagent du CO2 et certains isolants libèrent des gaz toxiques pouvant causer le décès des habitants de la maison. C’est pour cela qu’il est très important de bien choisir ces isolants et de connaître leurs risques potentiels au niveau de la santé, car cela peut avoir un grand impact sur la vie des siens et de soi. C’est pour cette raison que nous étudierons à présent les problèmes et les points positifs des différents isolants sur la santé. Tout d’abord, le polyuréthane, vu sa composition chimique, nous semble le plus nocif. En effet, les deux diisocyanates (ions) (MDI et/ou TDI) sont responsables de dégagement de styrène (composé organique aromatique) qui peut être suspecté d’être cancérogène. Ceci est d’autant plus vérifiable lorsque le polyuréthane est mal posé. Il peut aussi avoir des effets néfastes sur les tissus vivants : peau, poumons, etc.… car c'est un irritant. En cas d’incendie, le polyuréthane est très mauvais pour les individus de la maison car il libère des gaz toxiques, ce qui peut réduire le temps vie des habitants qui est déjà très court quand il y a un incendie. Mais toutefois, il est inerte sur le plan bactériologique c'est-à-dire qu’il ne développe pas de bactéries susceptibles de propager un virus. Quand les ouvriers posent du polyuréthane, ils sont obligés de porter des combinaisons car le seuil d’exposition au produit est trop élevé, ils prennent donc des risques en le posant. Alors que, quand on pose du liège, il n’y a aucun risque car c’est entièrement naturel. Ouvrier posant du polyuréthane. Le liège, contrairement au polyuréthane, a des aspects très positif sur la santé. Tout d’abord, il ne dégage aucun gaz toxique durant sa durée de vie, ce qui est un point positif car il y a de plus en plus de cancers détectés à cause des gaz toxiques rejetés par les isolants d’une maison sur un individu. Malgré tout, lors de sa pose, il est préconisé de porter un masque à cause des poussières. Mais si on compare cela au polyuréthane c’est minime. Lorsque le liège brûle, il dégage très peu de CO2, ce qui est rassurant pour un habitant d’une maison car il n’est pas affecté par ces gaz. Le liège, lors de sa récolte et de sa fabrication, ne demande pas l’intervention de produits chimiques ce qui est également bien, car, maintenant, dans le monde industriel, on entend de plus en plus parler des conséquences de l’utilisation des produits chimiques sur l’ouvrier, qui développent des cancers du poumon, des tumeurs au cerveau… Et pour finir, la laine de mouton a très peu d’impact sur la santé car elle n’a aucune nocivité, cependant le sel de more qui sert de traitement contre les mites n’est pas encore bien connu pour savoir s'il est nocif ou pas. Il faut préciser que, lors de sa pose, la laine de mouton ne nécessite aucune protection et que sa matière ne démange pas la peau, comparé à laine de verre ou de roche qui, elles démangent la peau lors de leur pose. On peut conclure que l’aspect sanitaire des différents isolants est un sujet encore assez vague car ce n’est pas encore un problème majeur dans la société d’aujourd’hui, mais qui pourrait malheureusement le devenir dans les années à venir. d) L'impact environnemental. De nos jours, le prix et l'efficacité de l'isolant nous paraissent les plus important mais en achetant les isolants, nous ne pensons pas forcément à l'environnement que l'on détruit à cause de nos envies pour nos habitations ou bâtiments publics et privés. Nous proposerons donc un bilan environnemental pour expliquer les conséquences de nos actes qu'elles soient bonnes ou mauvaises. Pour commencer, le liège a un très bon bilan carbone et une énergie grise faible, cependant variable selon son état final (naturel ou expansé). Le liège est créé dans une forêt qui se nomme la Subéraie. Elle comprend environ 2 277 700 hectares d’arbres chêne-liège dans le monde entier. Comme on l'a dit précédemment, lors de sa récolte, le liège n'est pas coupé, il participe donc au maintien des forêts ce qui est très important vu le contexte actuel. Les forêts sont situées au niveau de la Méditerranée, elles recouvrent 1 300 000 d'hectares. Ceci est un bon point car elles participent, en plus du maintien des forêts, à celle d'une faune et d'une flore spécifiques à la Méditerranée comprenant des êtres vivants en voie de disparition. Un chêne-liège vit entre 150 et 200 ans, donc nous pouvons effectuer environ 16 récoltes sur un même arbre. C'est donc une production durable dans le temps, comparé à celle du polyuréthane qui est issu d'une matière non renouvelable (le pétrole). Il faut savoir aussi que le chêne liège capte deux fois plus de CO2 que les autres arbres. Par exemple dans la Subéraie Portugaise, les chêne-lièges absorbent 4 200 000 kilogrammes de CO2 chaque année. En tout, c’est 14 000 000 de kilogrammes de CO2 qui sont absorbés ce qui correspond à 280 aller-retour Paris-Londres en avion. Pour finir, une tonne de liège absorbe deux tonnes de CO2 et comme nous récupérons l’écorce tous les 9 ans, l’arbre absorbe 2,5 à 4 fois plus de CO2. Il reste un point très positif : en plus de la longue durée de vie de son arbre (120ans), le liège expansé est quasi inaltérable : le liège présent dans une chambre froide pendant plus de 50 ans a pu être réutilisé comme isolant. Par comparaison, la laine de mouton de plus de 50 ans, ne peut être recyclée et est enfouie dans une décharge. Sur la planète Terre, il y a 1 000 000 000 de moutons producteurs de laine et un mouton déjecte chaque année 8 kilogrammes de méthane. Un mouton vit entre 10 et 12 ans, ce qui veut dire que chaque année 8 000 000 000 de kilogrammes de méthane sont produits, à cause de simples moutons. Donc en 12 ans, 960 000 000 000 de kilogrammes sont produits sur toute la durée de vie de tous les moutons, ce qui est énorme et dangereux pour les gaz à effets de serres et pour le réchauffement climatique. Ce qui veut dire qu’il faut limiter dès maintenant la population de moutons sur terre, mais cela signifie que la production de laine de mouton diminuera, donc c’est là le grand inconvénient de la laine de mouton. Même des isolations apparemment écologiques cachent des problèmes de pollution environnementale que l'on découvre en remontant à la source. Le polyuréthane est un matériau qui n'a pas de matière première renouvelable car il est issu du pétrole. Donc tout de suite il affiche un très mauvais bilan carbone et une énergie grise très élevée. Théoriquement, il est recyclable, mais aujourd'hui ne l'est pas encore ou rarement car pour les matériaux provenant du pétrole manquent de filières de recyclage. Ceci est très inquiétant car le pétrole commence à disparaître ou provoque des guerres déjà depuis longtemps dans les pays producteurs. Donc, si on ne peut pas le recycler, il va falloir trouver un isolant comparable à celui-ci. On peut aussi dire que le pétrole ne vient pas d'ici, mais souvent des États-Unis ou du Moyen-Orient, il est donc transporté soit par train, par bateau ou par oléoducs, ce qui signifie qu'il y a encore du CO2 rejeté en plus et ce n'est pas bon pour la planète. e) Le bilan économique. Et enfin nous aborderons le sujet de l'impact économique des trois isolants. Nous avons choisi de faire un bilan économique car lorsque nous construisons ou rénovons une maison, nous investissons une certaine somme d'argent, non négligeable. Nous ne sommes pas sûrs de l’isolant que nous devons choisir : devons-nous choisir les plus efficaces ou les moins chers ? Comme déjà dit précédemment, la laine de mouton a une durée de vie d'environ 50 ans ce qui n'est pas très rentable. C'est environ 2 100 000 000 kg produits par an, pour approximativement 1 000 000 000 de moutons producteurs. En ce moment, c'est la Chine qui se trouve première du classement, mais malheureusement nous n'avons pas réussi à trouver de chiffres. C'est l'Australie, qui est la deuxième production mondiale de laine de mouton. Elle produit un cinquième de la production mondiale, ce qui est égal à 360 000 000 kilogrammes et un chiffre d'affaires d'environ 700 000 000 de dollars. Nous pouvons ajouter que le Royaume-Uni, l'Iran, l'Argentine et la Nouvelle-Zélande produisent chacun 50 000 000 de kilogrammes de laine, les Etats-Unis, quant à eux, sont loin derrière car ils ne produisent que 5 000 000 de kilogrammes de laine, ce qui n'est pas beaucoup pour la grandeur du pays et ses richesses. Ces informations datent toutes de 2005. En comparaison, le liège a une durée de vie de 120 ans, il peut donc servir à plusieurs utilisations comme isoler des chambres froides et être recyclé après le démontage de celles-ci. En ce qui concerne la production du liège, à partir du premier au 25 janvier 2018, à 11h41 précises, 20 121 458 kg de liège ont été fabriqués et c'est environ 300 000 000 de kg de liège qui sont fabriqués chaque année dont la moitié (52,5%) provient du Portugal. Mais il y a aussi d’autres fournisseurs de liège comme la Tunisie (2,5%), l’Algérie (5,2%), la France (1,1%), l’Espagne (29,5%), l’Italie (5,54%) et le Maroc (3,7%). Par ailleurs, le liège a un grand avantage, c'est qu'il est le seul isolant écologique à ne pas craindre l’eau. C'est pour cela qu'on l'utilise dans les zones humides. Le liège lors de sa production, produit très peu de déchets, ce qui, économiquement parlant, est un avantage, car l’entreprise n’en a pas à s'en soucier. Nous n'avons pas trouvé de données plus récentes, mais nous avons pu découvrir qu'en 1977 l'importation en France de liège brut et transformé était élevée à près de 20 000 000 de kilogrammes et 35 063 274 € et l'industrie employait environ 5 500 personnes, pour environ 400 entreprises en France. Le polyuréthane, lui, a une durée de vie d'environ 75 ans. L'industrie du polyuréthane emploie environ plus de 800 000 personnes dans l'Union Européenne qui produit 1 670 000 000 kilogrammes par an en 2016 et 137 000 000 kilogrammes, produits en France. f) Bilan des tableau et graphiques. Grâce à nos recherches, nous avons pu trouver quel isolant était le meilleur avec nos critères. Par exemple, pour la conductivité thermique, c’est le liège expansé qui a une meilleure conductivité qui est de 0,04 W/m.K par apport à la laine de mouton qui est de 0,035 W/m.K et au polyuréthane qui est de 0,022 W/m.K. Pour la résistance thermique c’est de loin le polyuréthane avec 4,65 m²K/W alors que les autres sont à 2,86 m²K/W pour la laine de mouton et 2,5 m²K/W pour le liège. Le prix, lui, est moins cher pour la laine de mouton avec 33,90€ par m² alors que le polyuréthane est à 34,95€ et que le liège expansé est à 49,89€. Pour la masse volumique, la laine de mouton n'a besoin que de 20 kg/m³, le polyuréthane de 30 kg/m³ et le liège de 100 kg/m³. Enfin l'épaisseur minimale conseillée est de 161mm pour le polyuréthanne, de 150mm pour le liège expansé et de 240 pour la laine mouton. Donc pour ces critères, c’est le polyuréthane qui est le meilleur isolant. Conductivité thermique en W/m.K Résistance Prix au m² en € Masse thermique en R volumique en en m²K/W kg/m³ pour 100mm Épaisseur minimale conseillée en mm Polyuréthane 0,022 4,65 34,95 30 161 Laine de mouton 0,035 2,86 33,9 20 240 Liège expansé 0,04 2,5 49,89 100 150 Comparaison des isolants en fonction de leur condutivité thermique 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Conductivité thermique en W/m.K Laine de mouton Polyuréthane Liège expansé Comparaison des isolants en fonction de leur résistance thermiques 5 4 Résistance thermique en R en m²K/W pour 100mm 3 2 1 0 Laine de mouton Polyuréthane Liège expansé Comparaison des isolants en fonction de leur prix 60 50 40 30 20 10 0 prix au m² en € Laine de mouton Polyuréthane Liège expansé Comparaison des isolants en fonction de leur épaisseur minimale conseillée 300 250 200 Epaisseur minimale conseillée en mm 150 100 50 0 Laine de mouton Polyuréthane Liège expansé Comparaison des isolants thermiques en fonction de leur masse volumique 120 100 80 60 40 20 0 Masse volumique en kg/m³ Laine de mouton Polyuréthane Liège expansé CONCLUSION Nous avons essayé dans le cadre de notre TPE, de savoir si les isolants naturels sont plus performants que les isolants synthétiques. Dans un premier temps, nous avons répertorié les raisons de l’isolation et les problèmes rencontrés pour isoler. Puis, dans un deuxième temps, il nous a semblé important d’aborder les conditions générales de l’isolation : les grandeurs physiques, le confort thermique…. Enfin, dans un troisième temps, nous avons étudié et comparé trois isolants d’origine différente pour voir lequel était le plus performant en fonction de ses différents critères. Suite à nos différentes recherches sur ces trois matériaux isolants, nous pouvons dire que chacun présente des avantages et des inconvénients. Cependant, l’isolant qui se rapproche le plus de la performance optimale est le liège. En effet, le liège a un très bon bilan environnemental, sanitaire et thermique. Ces points sont, pour nous, essentiels dans le choix d’un isolant. Même d’un point de vue économique, il est le meilleur à long terme. De plus, nous aurions bien aimé étudier l’aspect phonique, aspect non négligeable à prendre en compte dans le choix de l’isolant et qui joue aussi un rôle important dans la santé (sommeil..). Ces recherches nous auraient sans doute permis de réfléchir à d'autres phénomènes physiques et à envisager d’autres expériences intéressantes. Bibliographie. Les liens internet : http://snpu.fr/cest-quoi-le-pu/ http://www.csst.qc.ca/prevention/reptox/Pages/fiche-complete.aspx?no_produit=87700 https://www.conseils-brico.fr/actualites/lire-etiquette-isolation/ http://www.planeteliege.com/ https://www.google.fr/imghp?hl=fr https://fr.wikipedia.org/wiki/Wikip%C3%A9dia:Accueil_principal http://perspective.usherbrooke.ca/bilan/stats/0/2000/fr/5/carte/RS.WOO.PROD.PP.MT/x.html http://snpu.fr/cest-quoi-le-pu/ http://www.csst.qc.ca/prevention/reptox/Pages/fiche-complete.aspx?no_produit=87700 https://www.planetoscope.com/forets/1691-production-mondiale-de-liege.html https://www.planetoscope.com/matieres-premieres/1181-production-mondiale-de-laine.html Les différents livres utilisés lors de notre TPE : L’isolation thermique,Thierry Gallauziaux, David Fedullo, Edition Eyrolles. Isoler sa maison, Marie-Pierre Dubois-Petroff.