rapport projet energetique
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2011 RAPPORT PROJET ENERGETIQUE « EMBALLAGE DE LA ROTONDE » Par Charles KARAYAN et Michaël NAFACK MINTSA Encadré par Natacha GONDRAN et Jonathan VILLOT 09/12/2011 2011 Sommaire Remerciements...................................................................................................................................3 Résumé .............................................................................................................................................4 Introduction .......................................................................................................................................5 I- Petit historique sur l’utilisation des polymères dans le cadre de l’isolation thermique .......6 II- Etude des polymères utilisés fréquemment dans l’isolation .................................................7 Présentation brève des matériaux ......................................................................................7 1a- Le polystyrène ...................................................................................................................7 b- Le polyuréthane ................................................................................................................7 c- Les polyesters ...................................................................................................................7 2- Comparaison des propriétés thermiques............................................................................8 a- Conductivité et résistance thermique ..............................................................................8 b- Déphasage thermique ......................................................................................................9 3- Comparaison des caractéristiques environnementales .................................................. 10 4- Impacts sur la santé ........................................................................................................... 11 5- Petit bilan ............................................................................................................................. 12 Etude de polymères utilisés de manière plus anecdotique dans l’architecture ............. 12 III1- Détermination de nouveaux polymères utilisables .......................................................... 12 2- Présentation des quatre polymères sélectionnés ............................................................ 13 a- Le polytétrafluoroethylene (PTFE) ................................................................................ 13 b- L’éthylène tétrafluoroethylene (ETFE) .......................................................................... 13 c- Le polychlorure de vinyle (PVC) ................................................................................... 13 d- Le polyétheréthercétone................................................................................................. 14 Comparaison des données des 4 polymères ................................................................... 14 3- IV- Comparaison des propriétés thermiques ..................................................................... 14 b- Comparaison des caractéristiques environnementales ............................................... 15 Différenciations des matériaux .......................................................................................... 15 1- Minimiser la masse du matériau en imposant une élasticité convenable ...................... 15 2- Minimiser l’énergie grise du matériau ............................................................................... 17 3- Minimiser l’empreinte carbone du matériau ..................................................................... 17 4- Maximiser la résistance thermique du matériau .............................................................. 18 5- Conclusion appréciative ..................................................................................................... 18 V- 1 a- Efficacité selon le type de pose ......................................................................................... 19 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Isolation intérieure ou extérieure ? .................................................................................... 19 1a- Les ponts thermiques ..................................................................................................... 19 b- Capacité thermique ........................................................................................................... 19 Les phénomènes physiques à prendre en compte dans l’isolation ............................... 20 2a- La conduction thermique ................................................................................................ 21 b- La convection thermique ................................................................................................ 21 c- Le rayonnement thermique ............................................................................................ 21 Les types de poses............................................................................................................. 23 3- Proposition pour le projet rotonde ..................................................................................... 25 VI1- Présentation du projet ........................................................................................................ 25 2- Présentation du bâtiment ................................................................................................... 26 3- Référence de projets d’emballage réalisés utilisant des polymères de l’étude ............. 27 a- Membrane polymère PTFE - Schlumberger, Cambridge, Grande-Bretagne ............ 27 b- Focus sur : le toit du centre pompidou à Metz ............................................................. 28 c- Membrane polymère ETFE – Structure coussin double couche ................................ 28 Proposition .......................................................................................................................... 29 4a- Choix du matériau ........................................................................................................... 29 b- Choix du type de pose .................................................................................................... 30 c- Choix d’un produit du marché ........................................................................................ 30 Simulation de l’impact thermique ...................................................................................... 31 5- 6- a- Hypothèses de la simulation .......................................................................................... 32 b- Résultats de la simulation .............................................................................................. 33 Audit environnemental ....................................................................................................... 34 Conclusion ...................................................................................................................................... 36 Annexes .......................................................................................................................................... 37 Annexe 1 : Cycle de vie détaillé du polystyrène ...................................................................... 37 Annexe 2 : Matériaux obtenus après sélection via le logiciel CES Edupak 2011 ................ 37 Annexe 3 : Bilan énergétique estimé ........................................................................................ 38 Annexe 4 : Audit environnemental ............................................................................................ 41 Bibliographie ................................................................................................................................... 42 2 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Remerciements Nous tenons à remercier nos tuteurs, madame Natacha GONDRAN et monsieur Jonathan VILLOT pour nous avoir assistés et orientés durant le déroulement de ce projet. Nous remercions aussi monsieur Olivier BONNEFOY, pour l’aide qu’il nous a pporté dans la réalisation de ce projet 3 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Résumé La Rotonde de Saint-Etienne par son projet « d’emballage de la Rotonde » cherche à concilier design et efficacité thermique pour compenser sa grande déperdition énergétique. L’étude des polymères nous amène à sélectionner des matériaux convenant à un usage en membrane externe dans le domaine du bâtiment et pouvant résister aux conditions extérieures (intempéries, UV) et étant bons du point de vue environnemental. Le PTFE, l’ETFE, le PEEK, le PVC sont les 4 polymères qui ont été retenus par cette sélection. Nous les avons ensuite comparés avec les matériaux isolants conventionnels en panneaux (polyuréthane, polyesters, polystyrène) pour avoir des repères plus parlant du monde de l’isolation. Plusieurs critères (économique, environnemental, mécanique) sont abordés dans ce rapport permettant à un utilisateur externe d’être aidé dans le choix du polymère convenant à son projet. Dans le cas de la Rotonde, bâtiment particulier cylindrique mal isolé au niveau du vitrage et du plancher, l’emballage par « membrane polymère » a été un choix prédéterminé. L’historique des projets industriels similaires nous ont amené nous orienter sur la membrane ETFE avec une pose de double membrane autour du bâtiment. Ainsi on obtient visuellement cette impression d’emballage et thermiquement on rajoute des couche d’air entre la membrane et le bâtiment, d’où l’effet isolant. Une simulation thermique partielle nous a amené à conclure sur une réduction des pertes thermiques significative du à cette modification et donc une réduction des besoins de chauffage de ce bâtiment. En comparant avec l’audit énergétique effectué en 2010, cette mesure s’avère moins efficace thermiquement qu’une isolation plancher traditionnel mais reste en accord avec l’idée d’un projet novateur esthétiquement avec une vision d’efficacité énergétique. Enfin, un audit environnemental succinct sur la double membrane d’ETFE choisie apporte au projet une vision environnementale du fait de sa recyclabilité. 4 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Introduction A l’heure actuelle, plusieurs actions sont entreprises afin de favoriser le développement durable et de réduire nos dépenses et dépendances énergétiques. Ces diverses actions permettent surtout de faire de l’économie d’énergie. En matière de bâtiment, le plus grand potentiel d’économie d’énergie réside dans l’isolation thermique, car plus l’isolation est importante, moins l’apport d’énergie nécessaire pour garantir durablement un climat ambiant agréable est élevé. L’isolation thermique réduit la consommation d’énergie tout en préservant le bâtiment. C’est dans cette optique d’amélioration de performances énergétiques de bâtiments que s’inscrit le travail qui a été effectué. En effet, il a été constaté, suite à un audit énergétique de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, que l’un de ces bâtiments, la Rotonde, avait un bilan énergétique négatif. Un projet concernant l’amélioration des performances énergétiques de ce bâtiment par « emballage » à l’aide de membranes polymères isolantes a donc été lancé. Notre mission consiste à fournir un document qui pourra servir de base de données pour les différents intervenants du projet. Il est tout d’abord question pour nous, en partant d’un cadre plus général de l’isolation thermique, de réaliser une sélection parmi les matériaux isolants (surtout des polymères) les plus utilisés. Cette sélection se basera certes sur les propriétés thermiques de ces matériaux mais prendra aussi en compte leurs impacts sur l’environnement, car il est question ici de mener une action en faveur du développement durable. Par la suite nous porterons un regard sur le bilan énergétique qui a été réalisé, puis, en se basant sur les sélections effectuées avant, nous préconiserons l’utilisation de certains matériaux pour l’isolation de la Rotonde. 5 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Petit historique sur l’utilisation des polymères dans le cadre de l’isolation thermique I- Avant les années 1950, il n’existait pas réellement d’isolation thermique des bâtiments : les habitations étaient chauffées par divers moyens ce qui avait pour effet de consommer beaucoup d’énergie et surtout les ressources disponibles comme le pétrole. Avec les différentes crises pétrolières, on a commencé à prendre conscience de l’importance de diminuer la consommation des ressources énergétiques notamment celle des ménages. Dès 1974 l’isolation thermique des habitations devient obligatoire, notamment en France. En effet, une maison évacue de la chaleur de plusieurs façons. La figure 1 ci-dessous présente les principales sources de déperdition de chaleur dans une habitation. On peut constater qu’une quantité non négligeable de la chaleur perdue l’est par le toit. Il est donc nécessaire de procéder à l’isolation de ces habitations. Figure 1: Déperditions de chaleur dans une maison [1] A partir de 1976, les premières règlementations sur le secteur de l’isolation thermique font leur apparition et dès 1980 le premier label –le label Haute Isolation- est lancé, afin d’inciter à dépasser les exigences figurants dans la règlementation. Ce label devient obligatoire en France pour tous les logements dès 1982. En 1983 les labels « Haute Performance Energétiques » et « Solaire » sont lancés et depuis lors la règlementation n’a cessé d’évoluer. La dernière en date (2005), accorde une importance particulière aux coefficients thermiques et vise à réduire les consommations d’énergie des bâtiments neufs ainsi que les émissions de CO2 dans l'objectif global de réussite du Facteur 4, engagement national de diviser par 4 les émissions de gaz à effet de serre du pays à l'horizon 2050 [2]. Entre temps de nombreux systèmes pour l’isolation thermique ont été mis en place. Ceux-ci utilisent notamment des matériaux d’origine diverses [3] : - Origine végétale ou animale : laine de roche, laine de verre, laine de bois Origine synthétique : polystyrène, polyuréthane, polyester Origine minérale : Perlite, vermiculite, argile expansé. Ceux-ci sont rarement utilisés On a pu constater que les matériaux isolant les plus utilisés étaient la laine de verre, le polystyrène, le polyuréthane et les polyesters, notamment à cause de leurs propriétés thermiques. Comme mentionné dans l’introduction, nous ne nous intéresserons ici qu’aux polymères. Nous réaliserons donc une étude plus poussée sur le polystyrène, le polyuréthane et les polyesters. 6 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 II- Etude des polymères utilisés fréquemment dans l’isolation Nous nous proposons dans cette partie de réaliser une étude sur les polymères potentiellement utilisables dans le domaine de l’isolation thermique. Le but est de pouvoir en sélectionner un certain nombre sur la base de plusieurs critères qui seront détaillés plus loin. La finalité serait de pouvoir préconiser des polymères pour le projet particulier concernant la Rotonde. Dans l’industrie de l’isolation, l’isolation se fait le plus souvent par panneaux. Comme nous l’avons mentionné dans la partie précédente, en matière d’isolation thermique à base de polymères, on utilise le plus souvent du polystyrène, du polyuréthane et des polyesters. Nous réaliserons donc une étude comparative sur ces polymères. 1- Présentation brève des matériaux a- Le polystyrène Issue de la pétrochimie, le polystyrène est un polymère obtenu par polymérisation du styrène. Il peut se présenter sous plusieurs forme (cristal, expansé, extrudé etc). C’est un polymère optiquement clair. Dans sa forme la plus simple, il est cassant, mais ses propriétés mécaniques sont excessivement améliorées en le mélangeant avec du polybutadiène, et ce au détriment de sa transparence optique. L’application principale est la mousse d’emballage, mais il s’utilise aussi pour les garnitures de parois dans le cadre de l’isolation thermique. b- Le polyuréthane Le polyuréthane est un polymère d'uréthane, une molécule organique. Le polyuréthane peut être à la fois doux et élastique mais aussi rigide. Comme le Polychlorure de Vinyle, les polyuréthanes peuvent facilement moussés en les mélangeant avec un agent gonflant. Il peut être fabriqué avec une grande variété de textures et de duretés, et est utilisé dans les colles, peintures, élastomères, mousses ou encore fibres. En effet ce sont les mousses qui sont utilisées dans l’isolation des bâtiments. Elles sont mises sous forme de panneaux d’isolation. Elles octroient alors au bâtiment une bonne isolation phonique et thermique. c- Les polyesters Issus de la pétrochimie, Les polyesters peuvent être thermodurcissables, thermoplastiques ou encore des élastomères. La plupart des thermodurcissables sont utilisés dans des composites fibres de verre/polyester. Ils sont moins rigides et solides que les époxydes mais considérablement moins chers. Ils peuvent être utilisés dans les travaux publics sous forme de géotextiles. Ils sont aussi employés dans l’isolation thermique. 7 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Nous allons à présent faire une comparaison des propriétés thermiques des matériaux. Ensuite nous nous intéresserons aux caractéristiques environnementales, aux cycles de vie et aux conséquences sur la santé. 2- Comparaison des propriétés thermiques a- Conductivité et résistance thermique Puisque nous cherchons à déterminer lequel des trois composés mentionnés plus haut, ferait un meilleur isolant, il est donc nécessaire de s’intéresser aux propriétés thermiques de ces matériaux, notamment à leur conductivité thermique. La conductivité thermique est une grandeur qui caractérise la diffusion de chaleur dans les milieux, sans mouvement macroscopique de matière [4]. En d’autres termes, la conductivité thermique représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par unité de temps, sous un gradient de température de 1°/m. Elle est notée et s’exprime en Puisque réaliser une bonne isolation revient à diminuer les déperditions de chaleur notamment par diffusion, une bonne isolation passe donc par l’utilisation d’un matériau ayant une conductivité thermique faible. Le tableau ci-dessous nous permet de constater que l’isolant le plus adapter du point de vu conductivité thermique est le polystyrène, avec une conductivité thermique de l’ordre de . Cependant, les trois matériaux utilisés ont des conductivités thermiques assez voisines. Figure 2: Tableau comparatif des propriétés thermiques du polystyrène, du polyuréthane et des polyesters Un autre critère qui aurait pu être pris en compte pour la détermination du meilleur isolant, du point de vue thermique uniquement, est la résistance thermique R de l’isolant. On a surface de l’isolant. en avec e l’épaisseur de l’isolant, sa conductivité thermique et S la La résistance thermique mesure la résistance qu’une épaisseur de matériau oppose au passage de la chaleur. Dépendant du coefficient de conductivité thermique et de l’épaisseur de la couche isolante, la résistance thermique constitue le pouvoir isolant du matériau, lequel est d’autant plus fort que R est élevé. Cependant puisque R est fonction de l’épaisseur de la couche d’isolant, une comparaison n’aurait de sens qu’en travaillant avec une même épaisseur pour chaque isolant. Dans ce cas on obtiendrait les mêmes résultats que ceux fournis par l’étude de la conductivité thermique. 8 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Cependant on peut envisager le problème d’une autre façon. Il s’agirait ici de voir qu’elle épaisseur de chaque isolant serait nécessaire à résistance thermique fixée. Les épaisseurs d’isolant nécessaires pour une résistance thermique de et pour une surface de 1 , sont résumées dans le tableau ci-après. Isolant Epaisseur (en mm) pour Polystyrène Polyuréthane Polyester 60,5 117,5 143,5 Pour une même valeur de la résistance de la résistance thermique, le polystyrène requerra donc moins de matériau que les autres. b- Déphasage thermique Les matériaux utilisés pour l’isolation thermique offrent des résultats divers selon que l’on cherche à isoler du froid ou du chaud. Nous avons vu précédemment qu’un bon isolant doit avoir une conductivité thermique faible. Cela lui permet d’être efficace, notamment en hiver. Cependant on peut constater que certains isolants sont très peu efficaces face aux pics de chaleur en été, car ils ont un déphasage thermique trop rapide. Le déphasage thermique indique combien d’heures après le pic de chaleur de la journée, la face interne de l’isolant atteint sa température maximale. Afin que la chaleur accumulée en journée ne se transmette qu’à partir du soir –le soir, la température extérieure rafraîchie l’habitation- un bon déphasage thermique doit être de 10h [5]. Une petite comparaison a pu être effectuée sur différents matériaux isolants, pour un déphasage thermique de 10h [5]. Cette comparaison permet de voir l’épaisseur d’isolant permettant d’obtenir un tel déphasage. Les résultats sont donnés par le graphique ci-après. On constate que, pour le polyuréthane, il faut une épaisseur minimale de 35 cm alors que pour le polystyrène expansé (respectivement extrudé) il faut une épaisseur minimale de 40 cm (respectivement 47 cm). Par conséquent à épaisseur égale, le polyuréthane aurait donc un meilleur déphasage thermique par rapport au polystyrène. Figure 3: Epaisseur d'isolant pour un déphasage thermique de 10h 9 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 3- Comparaison des caractéristiques environnementales Dans la sélection des polymères, on ne se limite pas uniquement aux propriétés thermiques. En effet, afin de s’inscrire dans le cadre du développement durable, il semble nécessaire de s’intéresser aux propriétés environnementales des isolants susceptibles d’être utilisés et d’analyser par ailleurs leurs cycles de vie. Le tableau ci-dessous donne quelques éléments de comparaison. Figure 4: Quelques éléments de comparaison On s’intéresse en particulier à l’empreinte carbone liée à la production de chaque matériau. L’empreinte carbone de production primaire d’un matériau est le volume de dioxyde de carbone ( émis par combustion d’énergies fossiles pour la production de ce matériau. On peut donc constater ici que la production de polyuréthane nécessite le plus d’énergie que celle du polystyrène ou des polyesters. Elle émet aussi plus de . Du point de vue énergie de production et émission de , il ressort donc que, si on veut limiter les impacts sur l’environnement, il vaut mieux utiliser du polystyrène ou des polyesters. Cependant on peut constater que les polyesters ne sont pas recyclables, contrairement aux deux autres. Intéressons-nous à présent au cycle de vie de ces matériaux. Il prend en compte toutes les activités qui entrent en jeu dans la fabrication, l’utilisation, le transport et l’élimination de ces matériaux. Son analyse permet donc d’évaluer leurs impacts environnementaux. Nous n’avons pu obtenir des informations détaillées qu’en ce qui concerne le cycle de vie du polystyrène expansé présenté ci-dessous (nous avons réalisé un petit récapitulatif). De plus amples informations sont données en annexe 1. Figure 5: Cycle de vie du polystyrène expansé [6] 10 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 En matière d’isolation à partir du polystyrène, on utilise le plus souvent la forme expansée de ce dernier (la forme extrudée est aussi utilisée. Après sa production dans l’industrie pétrochimique (par polymérisation du styrène avec ajout du pentane comme agent d’expansion) le polystyrène est utilisé pour fabriquer des matières pour emballer ou encore des panneaux d’isolants. Arrivé en fin de vie le polystyrène peut faire l’objet d’une valorisation de matière (recyclage) ou d’une valorisation énergétique. Son énergie grise est de 450kwh/m 3 [7]. Cependant le polystyrène dégage du pentane qui contribue à l’effet de serre. En ce qui concerne le polyuréthane, on peut noter que c’est un matériau inflammable qui dégage lors de sa combustion, des gaz toxiques tels que le monoxyde de carbone et les cyanures d’hydrogène. Son énergie grise est de 1100kwh/m 3 [7] plus de deux fois supérieure à celle du polystyrène expansé. 4- Impacts sur la santé Un autre champ d’analyse des matériaux isolant choisis est celui de la santé. En effet il vaut mieux travailler avec des matériaux présentant le moins de risques possibles pour ceux qui le mettent en place et pour ceux qui seront en contact permanent avec ces matériaux. Des études ont permis de classé le polystyrène, le polyuréthane et le polyester dans la catégorie cancérigène 3 (c’est-à-dire les matériaux présentant de très faibles risques de provoquer un cancer). Notons les pollutions associées à ces 3 matériaux : Grandes catégories de matériaux Les isolants Matériaux et produits Polystyrène Polyester Mousse polyuréthane Description et pollution associée Se dégrade sous l’action des UV et libère des substances toxiques. Extrudés, il émet des Composés Organiques Volatiles (comme le styrène, le chlorure d’éthyle) qui sont des sensibilisant pour le système respiratoire. Le polystyrène expansé se désagrège plus vite et crée des poussières pouvant inhalées. En cas d’incendie, il peut émettre des gaz toxiques (à l’instar du benzène) Dangers associés : Sensibilisation du système respiratoire liée aux substances émises, cancérogénicité liée au styrène, allergie et irritations liées aux isocyanates. Faiblement cancérigène En cas d’incendie, dégagement d’isocyanates et d’acide cyanhydrique (très toxique) Dangers associés : Ils sont surtout liés aux isocyanates qui sont fortement allergisant et irritants (irritations de la peau, trouble respiratoires avec irritations). Il peut provoquer l’asthme. . 11 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 5- Petit bilan Nous sommes partis des trois polymères principaux utilisés dans le cadre de l’isolation thermique de bâtiment. Nous avons essayé de les comparer sur un plan thermique mais aussi en considérant leurs impacts sur l’environnement et sur la santé. D’un point de vue propriétés thermiques, en ne considérant que la conductivité thermique (ou la résistance thermique) il ressort que le polystyrène est un meilleur isolant, suivi du polyuréthane. Par contre si on se focalise sur le déphasage thermique, c’est le polyuréthane qui semble être le meilleur. Cependant l’isolation thermique étant surtout basée la limitation de la déperdition de chaleur par diffusion, le critère d’une conductivité thermique la plus faible nous semble être celui à prendre en considération. D’un point de vue environnement c’est encore le polystyrène qui présente les meilleures caractéristique (recyclable, valorisation énergétique, énergie grise la plus faible, empreinte carbone la plus faible), même s’il contribue quelque peu à l’effet de serre. Les polyesters ont une empreinte carbone plus faible que le polyuréthane, mais le fait qu’ils ne soient pas recyclables contrairement à ce dernier peut être problématique. D’un point de vue santé, ce sont les polyesters qui présentent le moins de risque. Cependant, on estime qu’en utilisant les polymères dans le cadre de l’isolation thermique, ces derniers sont traités de manière à avoir un impact minimal sur la santé. Compte tenu de tous ces paramètres, si nous devions recommander des polymères, il s’agirait principalement du polystyrène puis du polyuréthane. Nous nous sommes contentés dans cette deuxième partie d’analyser un certain nombre de polymères généralement utilisés dans l’isolation thermique. Cependant, en gardant à l’esprit le fait que dans le projet rotonde on veut procéder à un emballage, nous avons exploré d’autres pistes basées sur l’utilisation d’autres types de polymères. III- Etude de polymères utilisés de manière plus anecdotique dans l’architecture Dans cette partie, nous avons voulu nous intéresser à d’autres types de polymères potentiellement utilisables dans le cadre de l’isolation thermique. Nous nous sommes essentiellement servi du logiciel « CES Edupak 2011 » pour réaliser ce travail. 1- Détermination de nouveaux polymères utilisables Dans une démarche de recherche de possibilités d’isolation extérieure nous allons sélectionner des matériaux répondant à des critères de résistance à l’environnement (chaque critère ajouté filtre la liste des candidats polymères potentiellement utilisables). Nous nous sommes donc basés sur plusieurs critères que nous avons rentrés dans le logiciel dans l’ordre suivant : matériaux utilisés dans l’architecture-bons isolants-recyclables-résistants à l’eau-résistants aux UV- non inflammables. Au terme de cette procédure de sélection, nous avons obtenus les matériaux suivants : 12 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Le détail des matériaux obtenus après l’insertion d’un nouveau critère est donné en annexe 2. Nous nous sommes donc intéressés de plus près à ces quatre matériaux. 2- Présentation des quatre polymères sélectionnés a- Le polytétrafluoroethylene (PTFE) Le PTFE est un matériau tendre, facilement déformable, semi-cristallin, opaque, blanc. Son allongement est élevé (propriétés mécaniques de type élastomère) et sa résistance aux contraintes et aux radiations est faible. Il présente une remarquable résistance à la plupart des produits chimiques, un coefficient de frottement extrêmement faible et reste stable à température élevée (jusqu'à 327 °C). Ces propriétés inhabituelles lui confèrent une valeur inestimable pour un grand nombre d'applications. Il est incombustible et bon isolant à la chaleur. Pour plus de renseignement : http://www.approflon.com/caracteristique-ptfe.php. b- L’éthylène tétrafluoroethylene (ETFE) Ce matériau semi-cristallin est utilisé comme alternative au verre. L'ETFE, de densité 1.7, est plus léger que le verre (d=2,5). Il transmet de manière plus efficace la lumière et son coût est 24 à 70% moins cher que le verre. Il est capable de supporter 400 fois son poids. De plus, il a une grande résistance à l'usure et est utilisable dans une large gamme de température (de -80 à 155 °C). La tenue chimique, bien qu'inférieure à celle du PTFE, reste excellente. À la différence de ce dernier, il peut être transformé par injection. Il est recyclable. c- Le polychlorure de vinyle (PVC) Le polychlorure de vinyle est un polymère thermoplastique de grande consommation, amorphe ou faiblement cristallin. Il est composé de deux matières premières : à 57% de sel et à 43% de pétrole. Le PVC est la seule matière plastique d’usage courant constituée par plus de 50% de matière première d’origine minérale existant à profusion dans la nature. Le PVC souple, qui recouvre certaines pièces telles les manches de pinces, a un aspect brillant. On peut aussi le trouver dans des revêtements de sol et dans des types de plafonds comme les plafonds tendus. 13 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 d- Le polyétheréthercétone Le PEEK est un thermoplastique semi-cristallin thermostable de prix élevé. Il est utilisé par exemple pour renforcer des structures en fibre de carbone ou comme revêtement de pièces mécaniques non lubrifiées, ainsi que pour des prothèses chirurgicales (notamment pour les cervicales). 3- Comparaison des données des 4 polymères De manière analogue à l’étude précédente, nous allons dans un premier temps faire une comparaison des propriétés thermiques de ces matériaux. Ensuite nous nous intéresserons aux caractéristiques environnementales. a- Comparaison des propriétés thermiques Figure 6: Comparaisons des propriétés thermiques On peut déjà constater avec la première ligne du tableau ci-dessus que les matériaux choisis sont de bons isolants. Si on regarde les résistances thermiques des différents matériaux, On constate qu’elles sont à peu près du même ordre de grandeur, avec des plages de variation plus ou moins grande. Cependant, le PTFE et le PEEK semble être les meilleurs isolant (résistance thermique minimale et plage de variation les plus faibles). Ce sont donc eux qu’on préconiserait si on ne prenait en compte que les propriétés thermiques. 14 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 b- Comparaison des caractéristiques environnementales Figure 7: Comparaison des caractéristiques environnementales On peut déjà constater que ces quatre matériaux sont recyclables. Le PVC a l’empreinte carbone la plus faible, suivi du PTFE puis de l’ETFE et du PEEK. Le PVC demande aussi le moins d’énergie pour être produit (environ deux fois moins que les autres). Par ailleurs le PTFE, lorsqu’il est chauffé, émet des gaz à effets de serre. IV- Différenciations des matériaux Nous allons voir ici différents critères de sélection du matériau, ceux-ci restant à définir par l’utilisateur final ayant toutes les données liées à son problème. Nous verrons des critères économiques et des critères environnementaux dans ces différents exemples. Nous conservons ici les polymères étudiés dans les parties II et III. Les comparaisons sont réalisées à l’aide du logiciel CES Edupack 2011. D’autres polymères ont été introduits par le logiciel 1- Minimiser la masse du matériau en imposant une élasticité convenable 15 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 On suppose que le matériau à utiliser est installé sous forme de panneaux, on va donc essayer de minimiser le poids de ces panneaux en imposant une élasticité telle que le panneau ne se déforme pas définitivement sous une éventuelle déformation du bâtiment (dilatation) Variables non définies : - t, l’épaisseur du matériau isolant Objectif : On souhaite minimiser le prix du panneau qui s’exprime : Cout massique x masse =Cm*ρ*V = Cm*ρ( Contrainte : ne doit pas excéder la limite d’élasticité La déflection du panneau avec = Donc, en exprimant l’épaisseur avec constante et √ .On exprime la masse le facteur qu’il faut minimiser. Principe de lecture : Les groupes elliptiques représentent les différents types de polymères d’une catégorie. Plus on augmente l’abscisse à l’origine plus on maximise le rapport et plus les matériaux sont sélectionnés par ordre de minimisation du prix de revient. Ainsi il convient de se déplacer de la droite, vers le coin le plus en haut à gauche pour être de plus en plus sélectif sur le critère prédéterminé. 16 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Bilan : Ici en terme de rapport élasticité/prix de revient, c’est le PVC le plus intéressant avec en second le PS (coloriés en bleu) et le PEEK le moins intéressant (le moins en haut à gauche de la courbe). 2- Minimiser l’énergie grise du matériau Ici les traits représentent la gamme d’énergie grise produite par les différents polymères appartenant à un type précis. Pour diminuer la production d’énergie grise associé à un polymère, il convient de prendre la catégorie offrant l’ordonnée la plus basse. Ici c’est le tpPVC le meilleur choix en termes d’énergie grise et le PEEK le plus mauvais élève. 3- Minimiser l’empreinte carbone du matériau 17 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 De manière analogue au point précédent on prend la catégorie présentant le moins d’empreinte carbone lors de sa conception. Sur ce point le tpPVC est encore le moins polluant et le PEEK le plus polluant. 4- Maximiser la résistance thermique du matériau Il suffit de prendre le matériau offrant le plus de résistance thermique, donc le plus isolateur. Ainsi on choisit la catégorie présentant l’abscisse la plus haute.Ici le meilleur isolant est le polystyrène est le moins bon est le polyester (rapport de 2) 5- Conclusion appréciative Sur ces différents critères, il apparaît que le PVC est le meilleur candidat et que le PEEK de loin le moins bon. Maintenant il est laissé à l’utilisateur de ce rapport de faire les choix de ses critères sélectifs d’après la base de données jointes dans les parties précédentes. 18 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 V- Efficacité selon le type de pose Le travail qui a été effectué jusqu’ici avait pour but d’analyser les principaux matériaux utilisés dans l’isolation thermique des bâtiments et de sélectionner ceux présentant les meilleures caractéristiques thermiques et environnementales. Une fois le choix de matériaux effectué, il semble logique de chercher à connaître la disposition des matériaux qui permettrait d’obtenir de meilleurs résultats du point de vue thermique. C’est l’objet de cette partie. Nous allons d’abord montrer qu’il est plus intéressant d’isoler par l’extérieur que par l’intérieur, avant de voir qu’elle type d’isolation extérieure serait optimale. On s’intéresse ici uniquement à l’isolation des murs. 1- Isolation intérieure ou extérieure ? a- Les ponts thermiques Selon le type de bâtiment et selon les résultats que l’on veut obtenir, il est possible d’envisager une isolation par l’intérieur ou par l’extérieur, surtout en ce qui concerne l’isolation des murs. Un élément important est alors à prendre en compte ici : les ponts thermiques. Un pont thermique est une zone ponctuelle ou linéaire, qui dans l’enveloppe d’un bâtiment, présente une variation de résistance thermique [8]. Un pont thermique peut donc être crée s’il y a changement de géométrie de l’enveloppe ou s’il y a changement de matériaux. Le problème des ponts thermiques est qu’ils représentent des zones de fortes déperditions de chaleur et l’humidité peut s’y condenser. Par conséquent les ponts thermiques ne favorisent donc pas l’isolation. Cependant on peut constater que pour une isolation par l’extérieure, on réussit à minimiser les ponts thermiques, ce qui permet d’avoir un meilleur résultat. b- Capacité thermique Un autre élément à prendre en compte dans l’isolation va être la capacité thermique des matériaux constituant l’élément à isoler. La capacité thermique d’un corps est une grandeur permettant de quantifier la possibilité qu’a ce corps d’absorber ou de restituer de l’énergie par échange thermique, au cours d’une transformation au cours de laquelle sa température varie [9]. En d’autres termes, c’est la capacité d’un corps à emmagasiner de la chaleur par rapport à son volume. Il est donc nécessaire dans une isolation thermique, de pouvoir utiliser au maximum les capacités thermiques des matériaux constituant l’élément à isoler. L’isolation par l’extérieur permet d’utiliser au mieux cette capacité d’accumulation, notamment des murs, car ceux-ci sont protéger par un isolant qui limite les déperditions de chaleur avec le milieu ambiant, contrairement à une isolation par l’intérieur. L’exemple ci-dessous montre la différence entre une isolation par l’extérieur et une isolation par l’intérieur [10]. 19 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Figure 8: Comparaison de l'isolation par l'extérieur et par l'intérieur On peut donc constater que dans le cas de l’isolation par l’extérieur, les pentes d’évolutions des températures sont plus élevées que dans le cas d’une isolation par l’intérieur, ce qui implique que la température augmente beaucoup plus vite dans le cas d’une isolation par l’extérieur. De ce qui précède, on retient qu’il vaut mieux privilégier une isolation par l’extérieur. Outre les considérations énergétiques, l’isolation par l’extérieur permet d’éviter les dégradations dues à l’eau de condensation. Elle permet aussi de ne pas réduire la surface d’habitation (ce qui n’est pas le cas pour une isolation par l’intérieur). Par ailleurs une isolation par l’extérieur serait plus compatible avec l’idée d’emballage voulue dans le projet concernant la rotonde. Intéressons-nous à présent aux échanges de chaleur qui vont se faire lorsqu’on va procéder à l’isolation. 2- Les phénomènes physiques à prendre en compte dans l’isolation Nous allons définir dans cette partie les principaux phénomènes physiques qui vont être mis en jeu lors de l’isolation thermique d’un bâtiment, ainsi que les grandeurs physiques associées. Comme phénomène physique, nous allons avoir : 20 La conduction thermique La convection thermique Le rayonnement thermique Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Dans ce qui suit, J est un flux d’énergie par unité de surface a- La conduction thermique La conduction thermique est le transfert de chaleur au sein d’un milieu opaque, sans déplacement de matière, sous l’influence d’une différence de température. Le système étant hors équilibre thermique, un courant de chaleur J tend à le rétablir. D’après la loi de Fourier on a : 𝐽 −𝜆𝑔𝑟𝑎𝑑 𝑇 Avec λ la conductivité thermique du milieu en W.m-1K-1 Du fait de la différence de température entre l’extérieur et l’intérieur du bâtiment à isoler, on va avoir de la diffusion thermique. b- La convection thermique C’est le transfert de chaleur entre un solide et un fluide, l’énergie étant transmise par déplacement du fluide. La convection est dite naturelle lorsque c’est la différence de température qui met le fluide en mouvement et forcée si l’écoulement du fluide est obtenu par application d’un gradient de pression. Dans notre cas, il s’agit peut s’agir d’une convection naturelle ou forcée (dans la mesure ou à l’intérieur de du bâtiment à isolé, on a un système de ventilation par exemple). Elle est régie par la loi de Newton 𝐽 (𝑇𝑠 − 𝑇𝑒𝑥𝑡 pour un solide de température de surface , en contact avec un fluide à la température (température à proximité de la surface du solide). est le coefficient de transfert de chaleur par convection ou coefficient de convection. c- Le rayonnement thermique Le rayonnement est un transfert d’énergie électromagnétique entre deux surfaces. Dans notre cas, nous nous intéressons à son effet sur la surface de l’isolant placé à l’extérieur. 𝜑𝑟𝑎𝑦𝑚𝑖𝑙𝑖𝑒𝑢 Milieu ambiant à la température 𝑇𝑒𝑥𝑡 S 𝑇𝑠 On a alors, selon la loi de Stefan-Boltzmann 21 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » 𝜑𝑟𝑎𝑦𝑚𝑖𝑙𝑖𝑒𝑢 𝜎𝜀𝑆(𝑇𝑒𝑥𝑡 − 𝑇𝑠 Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 (Rayonnement entre un solide et le milieu ambiant dans lequel il se trouve) Avec le flux de chaleur transmis par rayonnement, le coefficient d’émission de surface de la surface S, et σ le coefficient de Stefan (σ =5,67. 10-8 W.m-2.K-4). La surface extérieure de l’isolant reçoit du rayonnement dû au milieu ambiant ( ) et du fait de la température de la surface de l’isolant exposée au soleil, on a un flux émis ( ). D’où le résultat précédent. Par ailleurs, l’isolant reçoit du rayonnement solaire, dont une partie est absorbée et une autre réfléchie. Il faudra donc aussi prendre ce rayonnement en compte (il n’intervient pas dans la formule donnée ci-dessus). Le schéma ci-après donne une visualisation du contact de la surface de l’isolant avec l’extérieur, ainsi que les différents flux mix en jeu. 𝜑𝑟𝑎𝑦𝑒𝑥𝑡 𝜑𝑐𝑜𝑛𝑣 𝜑𝑒𝑚𝑖𝑠𝑢𝑟𝑓 𝜑𝑟𝑎𝑦𝑠𝑜𝑙 𝜑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡 Soit le facteur d’émission de surface du matériau et a son coefficient d’absorption, on peut montrer avec la loi de Kirchhoff (mais nous admettons) que a= . Soit la température de surface du matériau, la température du milieu environnant, S la section du matériau exposée au différent flux, la constante de Stefan et le coefficient de convection. On a alors : ( − − 22 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Ayant défini les différents flux qui vont intervenir lors des transferts thermiques, nous pouvons passer à une modélisation des phénomènes. 3- Les types de poses Nous avons voulu réaliser ici des modélisations simples du système de pose. En réalité d’autres matériaux sont utilisés en complément du matériau isolant. Notre but était de comparer deux types de poses en particulier : Isolant-Air-Mur et Isolant-Air-Isolant-Mur (nous avons travaillé ici avec l’isolant brut et nous avons supposé qu’il était en contact direct avec le milieu extérieur). Nous avons commencé par l’étude du système Isolant-Air-Mur, car ce cas traité, on pourrait en déduire les calculs concernant le deuxième type de pose. Nous avons été cependant confrontés à des difficultés qui ne nous ont pas permis d’aller au bout de notre démarche. Nous allons cependant expliquer ce qui a été fait dans le cas du système Isolant-Air-Mur en précisant les difficultés rencontrés et les potentiels cheminements qui auraient pu permettre de parvenir aux résultats escomptés. Système isolant-air-mur Schématiquement, on doit étudier la situation suivante : 𝑇𝑒𝑥𝑡 𝑇𝑖𝑛𝑡 Rayonnement Conduction Convection Convection Isolant T0 0 Conduction Air T1 x1 Convection Mur T2 T3 x2 x3 Figure 9: schéma des transferts thermique Hypothèses : Comme les conditions externes varient très lentement en fonction du temps, on peut supposer que le régime est stationnaire. Cependant, les régimes permanents ne sont pas atteints en même temps par les différents points. On supposera donc que le temps soit assez long pour qu’il y ait régime permanent en tous les points. On suppose aussi l’air ambiant comme un réservoir infini de température, et donc être supposée constante en fonction du temps. peut Conséquences : Les températures varient de façon affine dans les matériaux, tout en restant constantes dans le temps. 23 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 On reprend les notations introduites dans la partie V-2.c Nous avons rencontré un des enseignants chercheur de l’Ecole des Mines de Saint-Etienne qui nous a aiguillés dans notre démarche. Il nous a fait comprendre qu’il fallait déjà fixer soit et soit l’une des deux températures et le flux total entrant à l’intérieur de la pièce. Plaçons nous dans le cas où on fixe et . On se place par exemple en été. On choisit par exemple et . où Les inconnus du système sont : représentent respectivement le coefficient de convection thermique de l’air à l’extérieur, à l’intérieur et entre l’isolant et le mur. Un premier problème se pose alors ici : celui de la convection. Nous avions estimé que la convection avait lieu à l’intérieur, à l’extérieur et entre l’isolant et le mur. Pour cela il faudrait pouvoir modéliser ces convections. En effet si on se place entre l’isolant et le mur, la convection dépend de la distance entre l’isolant et le mur et du régime qui pourrait y régner (turbulent ou laminaire). Nous n’avons donc pas pu résoudre ce problème dans la mesure où nous ne disposions pas de valeur expérimentales ni d’estimations permettant de faire des approximations. Toujours en ce qui concerne la convection (cette fois-ci à l’extérieur et à l’intérieur de la maison), l’enseignant que nous avons rencontré nous a fait comprendre qu’il fallait modéliser , notamment à travers le nombre de Nusselt (Nu). Nous avons avec le coefficient de convection thermique, épaisseur limite de convection et la conductivité thermique de l’air. La connaissance de permettrait d’accéder à . Nous avons donc été confrontés aux problèmes suivants : - une nous Il faut pouvoir fixer une épaisseur limite de convection dépend du nombre de Prandlt (Pr), du Reynolds (Re) ou du nombre Grashof (Gr) Nos recherches [11] nous ont permis de trouver une estimation du nombre de Nusselt en fonction du nombre de Prandlt et du nombre de Reynolds ou du nombre de Grashof. Par exemple, dans le cas d’une convection naturelle on a pour peu qu’on connaisse et . Malheureusement nous n’avons pas pu donner des valeurs à ces deux nombres, car ils dépendent des conditions dans lesquelles on travaille et dans notre cas aucune expérience n’a été faite et nous n’avons pas trouvé des modélisations similaires déjà réalisées. Comme nous l’avons mentionné dans l’introduction, ce rapport est destiné à toutes les personnes qui seraient de près ou de loin impliqués dans le projet. Nous allons donc donner la liste des équations que nous avons obtenues. Equations de continuité du flux ( 24 ( ( => ( ( => ( ( => ( ) ( ( => ( ) ( − ( ( Rapport projet « Emballage de la Rotonde » − − ( − ( − ( − Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 on a : On se place en régime permanent donc le flux total entrant est égal au flux total sortant. Ainsi ( − ( − ( Dans ces équations on a est la conductivité thermique de l’isolant, celle de l’air. est le flux de rayonnement solaire. celle du mur et Remarque 1 : ceci a été fait en supposant qu’on a de la convection entre l’isolant et le mur. Mais comme nous l’avons déjà fait constater, ceci dépendra de la valeur de − . Remarque 2 : la résolution de ces équations dépend de la résolution des différents problèmes énumérés ci-dessus. Remarque 3 : Nous ne traitons pas ici le cas du système Isolant-Air-Isolant-Mur car les problèmes rencontrés précédemment se poseront à nouveau. L’objectif de cette partie était de pouvoir préconiser un type de pose des polymères qui aurait permet d’obtenir de meilleurs résultats. Malheureusement les différents problèmes rencontrés ne nous ont pas permis d’aller au bout de cette initiative. Cependant l’enseignant que nous avons rencontré nous a fait comprendre qu’il serait beaucoup plus pratique de réaliser de telles modélisations et simulations via un logiciel : le logiciel « pléïade ». C’est ce que nous pouvons recommander à d’autres personnes qui s’impliqueraient dans ce projet et qui aimeraient réaliser des simulations. Nous n'avons pas pu nous servir du logiciel dans le temps imparti pour le projet, son utilisation étant sujette à une formation dispensée dans une période ultérieure à notre phase du projet. VI- Proposition pour le projet rotonde 1- Présentation du projet La Rotonde souhaite emballer son bâtiment, dans une démarche à la fois artistique et thermique. Il s’agit d’effectuer ici le bilan des performances énergétiques actuelles de la structure (premières données partielles disponibles grâce à l’audit énergétique de l’ensemble de l’ENS des Mines réalisé en 2010), et d’estimer le gain pouvant être attendu d’un emballage par membranes polymères [12]. 25 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 2- Présentation du bâtiment Les données présentées ici sont extraites de l’audit énergétique effectué par CSD Ingénieur Simulation du bâtiment par le logiciel Pléïade (simulation thermique dynamique) Points singuliers du bâtiments : base circulaire en béton plein, structure métallique habillée de façades légères vitrées, surfaces vitrées fortement déperditives en hiver, et à la faible inertie du bâtiment, planchers bas suspendus (en contact avec l’extérieur, qui ne semblent pas contenir d’isolation) Caractéristiques thermiques actuels du bâtiment 26 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Commentaires : Il apparait que les plus grosse lacune en termes d’isolation sont le plancher en béton (40% des déperditions ) et le simple vitrage (37% du fait de la forte proportion de vitrage de ce bâtiment) . Il parait donc pertinent de travailler sur un isolement latéral et par-dessous donc d’un éventuel « emballage isolant de la Rotonde ». L’isolation du plancher peut se faire par le bas du bâtiment baignant dans le vide Bilan énergétique actuel du bâtiment Commentaires : Le bâtiment a un besoin de chauffage de . Ce chauffage se fait presque exclusivement par gaz : ce qui représente 81% des besoins électriques du bâtiment. Il apparait donc nécessaire de travailler sur l’isolation afin de réduire la consommation électrique du bâtiment. 3- Référence de projets d’emballage réalisés utilisant des polymères de l’étude a- Membrane polymère PTFE - Schlumberger, Cambridge, Grande-Bretagne 27 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Description : Le design du bâtiment a été réalisé par Michael Hopkins, conçu par Anthony Hunt et Ove Arup en 1985. La structure est une toile suspendue à des mâts métalliques. La toile est composée en fibre de verre avec un revêtement en PTFE. La largeur du bâtiment est de 27 m. Pour plus de renseignement sur le bâtiment : http://fr.structurae.de/structures/data/index.cfm?id=s0000400 b- Focus sur : le toit du centre pompidou à Metz A l’instar de ce type de chapeau, l’ensemble de la structure en bois est recouvert d’une toile protectrice, membrane à base de fibre de verre et de téflon. Cette membrane assure une étanchéité à l’eau, crée un environnement naturellement tempéré et participe à l’approche énergétique très poussée de l’ensemble du bâtiment assurant aux œuvres les meilleures conditions d’exposition et de conservation [13] Liste de fournisseurs proposant la membrane induite de PTFE: http://www.archiexpo.fr/fabricant-architecture-design/tissu-enduit-ptfe-3491.html c- Membrane polymère ETFE – Structure coussin double couche Extrait de la présentation de la membrane du site iaso [14] Les projets que nous présentons sont des solutions avec coussins en ETFE gonflés avec de l’air. Ce sont des ouvrages aux dimensions variées. Leurs architectes ont réalisé des projets avec cette lame aux multiples propriétés et avantages, en particulier pour sa légèreté et sa transparence. Le design des couvertures, aux géométries variées, est à la fois simple et élégant. La flexibilité de la lame permet de créer une infinité de formes et de possibilités. L’ensemble répond parfaitement à un besoin très actuel de réaliser une architecture et une ingénierie attractive à un coût réduit. 28 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 2 exemples de projet utilisant cette technologie [15] 4- Proposition a- Choix du matériau Dans le but de répondre au projet d’isolation par une proposition de choix de polymère, nous proposons la membrane d’ETFE. Nous allons expliciter les raisons de ce choix : - 29 Bonnes caractéristiques thermiques (R= 110 m2.K/W) Fort et résistant Haute transparence (95 % lumière visible / 85 % lumière ultraviolette) stable chimiquement (résistant aux intempéries et UV) Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 - Imperméable Auto-nettoyant Auto-extinguible (classification : l’Euroclasse B-s1, d0) Durabilité de 20 à 30 ans Entièrement recyclable Imprimable (raison de design) b- Choix du type de pose Etant donné que l’important est d’emprisonné de l’air entre deux couches, si possible nous allons opter pour la technologie de double membrane, qui englobera le bâtiment. Grâce à l’air de cette bulle, le coefficient de transmission de la chaleur sera très faible, et donc le côté isolant sera augmenté. Simulation graphique : L’emballage pourrait se faire autour de la partie cylindrique de la rotonde c- Choix d’un produit du marché Nous prendrons le produit F-Clean car nous disposons de données thermiques sur ce produit. Il faudrait pour optimiser ce choix, contacter différentes entreprises afin de comparer les données techniques de leurs produits 30 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Valeur thermiques de la membrane de l’ETFE en simple ou double paroi [16] Nous prendrons un système de membrane double-couche : Propriétés mécaniques des couches F-CLEAN [16] Remarque : Nous constatons que mécaniquement le produit est plus résistant que le polyester (avec un rapport de 1,6) 5- Simulation de l’impact thermique Dans le but de simuler les résultats thermiques de l’emballage de la rotonde par la solution de double-membrane ETFE, nous allons simuler un bilan énergétique approximatif. Pour ce faire nous allons utiliser une application disponible sur internet « Comme un thermicien » [17]. Bien que consacrer aux bâtiments cubiques traditionnel, nous allons essayer de renseigner un maximum de donnée sur la Rotonde notamment grâce aux plans et à l’audit énergétique préalable sur ce bâtiment . 31 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 a- Hypothèses de la simulation On considère le bâtiment comme : Un pavé à base hexadécagonale (un coté sans fenêtre en 2 rouge) de hauteur 4m, de surface chauffée 470m . Les fenêtres sont de format : 80cm x 3,5 m. On émet deux hypothèses simplificatrices : l’ensemble baigne dans l’air et il n’y a pas de ponts thermiques. Figure 10: Les plans de modélisation pour la rotonde Dans l’emballage, on suppose que seul le toit, le plancher et les fenêtres sont emballés (la surface de mur restante est négligeable, compensés par ponts thermiques), ainsi on a par loi d’additivité des résistances thermiques (montage série). 32 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 b- Résultats de la simulation Les différents paramètres de réglages rentrés dans le logiciel sont fournis en annexe 3 33 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Comparaison besoin de chauffage estimé et réel : Il apparait un besoin de chauffage actuel de 140 kWh/m 2/an. En réalité il est deux fois plus important, cela peut être dû à la différence de constante choisie (ex : 18,3° dans le logiciel et plus dans la rotonde) aux erreurs de modélisation (ponts thermiques avec le sous- sol, système de chauffage). Comparaison : 2 Avec cette modélisation, on trouve diminution des besoins en chauffage de 24,5 kWh/m /an ce qui fait près de 11 515 kWh/an. A comparer avec la préconisation de l’audit : isolation plancher entraine une diminution 94 kWh/m2/an donc 44 200 kWh/an. Conclusion : L’emballage de la Rotonde d’après cette modélisation ferait gagner 11 515kWhEF/an en chauffage. Si ce dernier est à gaz, cela représenterait une économie de 583€/an. Cela paraît être peu comparé au gain issu de l’isolation du plancher par des plaques d’isolation (polyuréthane ou polystyrène), qui ferait économiser quatre fois plus de chauffage. On pourrait donc envisager une isolation conjointe par utilisation du polystyrène ou polyuréthane pour le plancher, en plus de l’emballage global à base d’ETFE. 6- Audit environnemental Elle a été réalisée grâce au logiciel CES Edupack 2011 Surface de polymère à utiliser pour une membrane: S= 2*Surface base cylindre + Périmètre base cylindre *hauteur S= 2* [Pi*(12.3+0.2)^2] + 2*pi*(12.5)*4 = 1295,25 m2 Volume de polymère à utiliser (double membrane) : V = S (e1+e2) = 1295.25 x ( 100 + 60) *10^-6 = 0.2 m3 Masse de polymère à utiliser M= 0.2 * 1.70*10^3 = 352 kg Prix de la matière première à utiliser : Prix matière première = 352kg x 25€ = 8 800€ 34 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Ci-dessous le rapport environnemental de conception des membranes. Les données plus précises sont données en annexe 3 Conclusion de l’audit environnemental : En considérant que les membranes de polymères sont obtenue par une technique d’extrusion et produite par l’industrie locale (100km de transport), l’empreinte énergétique et de carbone serait majoritairement dû à la production de la matière première. Le processus de mise en forme compte pour 1/10 de cette empreinte et l’utilisation ne produit rien. Enfin notons que l’on récupère 50% de ces empreintes par le recyclage du produit en fin de vie. 35 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Conclusion Nous avons vu dans ce rapport comment une lacune en efficience énergétique (isolation) peut entrainer un projet de sélection de matériaux afin d’améliorer les caractéristiques thermiques d’un bâtiment particulier cylindrique tel que la Rotonde. Le but de ce rapport était d’étudier une gamme de polymères en vue d’ « emballer la rotonde » par une membrane polymère. Nous avons donc sélectionné des polymères ayant une possibilité d’application en membrane externe dans le domaine du bâtiment et nous les avons comparés avec les caractéristiques des polymères courant dans le milieu de l’isolation par panneaux. D’après les données présentées dans ce rapport, un utilisateur peut sélectionner d’après ses critères le polymère répondant le plus à ses besoins. Le projet de la Rotonde spécifiait un emballage par membrane polymère. Les projets industriels similaires nous ont amené s’orienter sur la membrane ETFE avec une pose de double membrane autour du bâtiment. Une simulation thermique partielle nous a amené à conclure sur une réduction des pertes thermiques significative du à cette modification (600€ d’économie/an). Notons tout de même que cette diminution est moins significative que celle d’une isolation de plancher conseillé à la suite d’un audit approfondie du bâtiment en 2010. Finalement le projet d’emballage de la Rotonde nous apparait comme une solution innovante mais ayant une réduction thermique peu significative comparés aux moyens d’isolation traditionnel des bâtiments. Il serait donc préférable de changer le vitrage et d’isoler le plancher. Enfin n’oublions pas que la vision design du projet sera facilitée par une bonne maniabilité de la membrane polymère et donc si ce projet voit le jour, ce sera un projet esthétique avec une efficacité thermique. 36 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Annexes Annexe 1 : Cycle de vie détaillé du polystyrène Annexe 2 : Matériaux obtenus après sélection via le logiciel CES Edupak 2011 Matériaux utilisés dans l’architecture et étant de bons isolants 37 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Matériaux recyclables et résistants à l’eau Matériaux résistants aux UV Matériaux non inflammables Annexe 3 : Bilan énergétique estimé 38 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 * 39 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 40 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Annexe 4 : Audit environnemental 41 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 42 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa 2011 Bibliographie [1] Guide du confort thermique. Isolation thermique de la maison [En ligne]. Disponible sur http://www.climamaison.com/isolation-thermique-maison.php?Doss=37 (consulté le 1/10/2011) [2] Les économies d’énergies dans le bâtiment. L’ensemble des dispositifs pour améliorer les performances énergétiques des bâtiments. [En ligne]. 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Nafack Mintsa 2011 [17] « Comme un thermicien » -logiciel en ligne de thermique des bâtiments - Disponible sur : http://www.eosphere.fr/scripts/cut/comme-un-thermicien.php Consulté en octobre/décembre 2011 [18] AUDIT ENERGETIQUE DE L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DESMINES DE SAINT ETIENNE– CSD INGENIEURS 2010 Logithèque 44 CES Edupack 2011 – Analyse et sélection de matériaux « Comme un thermicien » -logiciel en ligne de thermique des bâtiments - Disponible sur : http://www.eosphere.fr/scripts/cut/comme-un-thermicien.php Consulté en octobre/décembre 2011 Rapport projet « Emballage de la Rotonde » Par C. Karayan et M. Nafack Mintsa
