Étude du comportement thermique de panneaux d’isolation

Le réchauffement climatique de la terre crée une hausse de la consommation énergétique. La réduction de celle-ci est un enjeu majeur. C’est ainsi que des travaux ont proposés la valorisation des énergies vertes : énergie solaire [1,2,3], énergie éolienne [4,5], énergie hydraulique [6,7], la biomasse [8,9] etc. Pour mieux gérer ces énergies produites, les chercheurs proposent l’utilisation des matériaux d’isolation thermique pour une économie d’énergie dans les bâtiments. Les matériaux utilisés sont synthétiques [10,11,12], ou d’origine végétale [13,14,15,16] ou encore animale [17,18]. Ils sont généralement conçus sous forme de panneau.

Avec le programme National pour l’autosuffisance en riz du Sénégal, la balle provenant du décorticage du riz n’est presque pas exploitée. Ainsi celle-ci peut être valorisée dans la fabrication de panneaux d’isolation thermique. Pour répondre aux exigences en termes d’impact environnementale, ces matériaux ont été élaborés, afin de diminuer la demande énergétique des habitats [13-16].

De nombreux travaux ont été effectués pour la caractérisation de certains matériaux d’origine végétale tel que, le kapok [19,20], la filasse [21,22], le lin [232,24], le kénaf [25,26],… ou encore des matériaux bicouche en contact parfait [27-29].

Présentation de quelques matériaux d’isolation thermique

Les matériaux isolants rapportés se divisent en plusieurs catégories, dont les principales sont les matériaux fibreux et les matières cellulaires. Ils peuvent être issus d’une vaste gamme de matières premières, d’origine minérale, végétale, animale ou pétrochimique. Dans la majorité des cas, le principe d’un matériau consiste à emmagasiner la plus grande quantité possible d’air dans un maximum d’alvéoles. En effet, l’air immobile constitue le meilleur isolant thermique, après le vide. La nature et la structure des matériaux ont également un impact sur leurs performances thermiques ou acoustiques.

Les isolants synthétiques

Ce sont des matériaux de synthèse produits par la chimie industrielle. Les matières plastiques forment un groupe important de matériaux qui se distinguent les uns des autres en fonction de la matière première employée et du mode de fabrication.

Le polystyrène expansé

Le polystyrène expansé (PSE) est issu d’un dérivé de raffinage du pétrole, le naphta. Ce déchet est difficilement valorisable, cependant il permet d’obtenir des monomères de styrène, qui, après polymérisation aboutissent au polystyrène expansible sous la forme de billes de petit diamètre (0,2 à 0,3 mm). La polymérisation s’effectue au niveau d’un mélange de gaz pentane, d’eau et de styrène. Le polystyrène est ensuite expansé et moulé grâce à de la vapeur d’eau qui a la propriété de dilater les billes jusqu’à 50 fois leur volume initial. Le polystyrène expansé est donc un matériau composé principalement d’air (à 98 %) et très léger avec une masse volumique comprise entre 10 et 30 kg/m3.

Il présente peu de risques pour la santé, lors de sa mise en œuvre ou dans le temps. Le pentane, nuisible pour l’ozone de l’atmosphère, est libéré en faible quantité et n’est pas toxique. Le PSE est recyclable de plusieurs façons. Après broyage, il peut produire de nouveau du polystyrène expansé pour l’isolation ou les produits d’emballage. Après fusion, extrusion et mélange avec d’autres polymères, il sert à produire des objets en plastique rigide tels que les boitiers de CD ou des couverts. En cas d’incendie, le PSE libère du gaz carbonique, de la vapeur d’eau, du monoxyde de carbone et des suies. Utilisé comme isolant il est généralement associé à un autre matériau incombustible comme le plâtre. Lorsqu’il est destiné à rester apparent comme dans le cas des entrevous isolants, il est ignifugé.

Le polystyrène expansé est le plus souvent de couleur blanche. De nouveaux produits, de couleur argent, présentent des capacités thermiques améliorées grâce à l’adjonction de nanoparticules argentées ou de graphite dans la matrice polymère afin d’opacifier le produit fini (PSE Ultra Th). Cela permet de réduire sensiblement le rayonnement infrarouge thermique par absorption et réflexion. Le lambda est amélioré de 0.005W/m.K. Ce type de polystyrène expansé atteint pratiquement les performances thermiques du polystyrène extrudé tout en étant moins dense et en utilisant moins de matière première pour sa fabrication. La conductivité thermique du PSE est donc comprise entre 0.032 et 0.038 W/m.K.

Si ces capacités thermiques sont bonnes, ses performances acoustiques sont médiocres. C’est pourquoi les fabricants ont mis au point des polystyrènes argentés plastifiés (PSE dB, PSE Ultra ThA) adaptés à l’isolation acoustique, offrant des performances nettement améliorées. Le produit commercialisé se présente sous forme de plaques de complexe isolant avec plaque de plâtre, sous forme d’éléments découpés ou moulés (hourdis) ou en vrac (billes pour insufflation ou incorporation ou incorporation dans le béton).

Le PSE est peu perméable à la vapeur d’eau, assez instable dans le temps. Avec la chaleur peut s’opérer une perte de volume après plusieurs années. Il est sensible aux produits corrosifs et aux rongeurs. Le PSE peut être utilisé pour l’isolation des murs par l’intérieur ou l’extérieur des sols et de la toiture.

Le Polystyrène extrudé

Le polystyrène extrudé (XPS) est issu du naphta comme le PSE. Après la polymérisation du styrène est effectuée une extrusion sous la pression. Elle consiste à faire fondre ensemble le polystyrène, les additifs et l’agent d’expansion et à extruder le liquide chaud dans une matrice. Il se produit alors une mousse, couverte d’une peau étanche à l’air, plus homogène et plus dense que par le procédé d’expansion. Les cellules sont très fines et fermées, ce qui donne un produit très résistant à l’eau et à la compression. Souvent un agent retardateur de flamme y est incorporé. Avant 1995, le gaz d’expansion employé était du CFC, destructeur de la couche d’ozone, remplacé par le HCFC, moins destructeur mais également interdit en 2002 par l’Europe. Le HFC est depuis utilisé en remplacement, mais il s’agit d’un puissant gaz à effet de serre. Il existe désormais des polystyrènes extrudés au gaz carbonique ne renfermant que de l’air. Ils sont identifiés par la terre N à la suite de leur nom commercial.

Les performantes thermiques du XPS sont légèrement meilleures que celles du PSE (0,29 et 0,037 W/m.k). Sa masse volumique est aussi légèrement supérieure (30 à 40 kg/m3 ). Il présente des performances médiocres comme isolant acoustique et ne doit pas être utilisé à cette fin. Il est étanche à l’eau et à la vapeur d’eau. Selon les fabricants. Il est commercialisé dans différentes couleurs (bleu, Jaune, rose, beige, vert) sous forme de panneaux à bords lisses ou bouvetés. On l’emploie principalement pour l’isolation des sols et des toitures terrasses, pour la technique de sarking, les murs doubles, derrière les contre cloisons et pour les soubassements. Il convient pour les planchers chauffants. La résistance mécanique du XPS en compression lui confère une bonne tenue dans le temps, sans tassements. Il résiste parfaitement aux cycles de gel et dégel. Il sert également comme support faïence avec une armature en fibre de verre. Comme le polystyrène expansé, il doit être séparé de l’habitation par un matériau écran non combustible tel que le plâtre.

Les polyuréthanes 

Les polyuréthanes (PUR) sont obtenus par le mélange de trois composants, un polyol, un isiocyanate et un agent d’expansion (HFC ou CO2) en présence de catalyseurs. Il s’agit d’un matériau léger, puisque sa masse volumique est de 40kg/m3 . Un retardateur de flamme est nécessaire dans les produits à base de polyuréthane. Les produits expansés avec du HFC sont plus performants thermiquement et conservent leur stabilité dans le temps mais ils contribuent également à l’effet de serre du fait de l’utilisation de ce gaz.

Le produit fini présente peu de toxicité. Cependant en cas d’incendie il devient très dangereux puisque sont dégagés des iso cyanates, du monoxyde de carbone et de l’acide cyanhydrique, ce qui rend obligatoire son emploi avec des matériaux écran ou pare-feu. De plus, sous l’effet d’une forte chaleur, les substances ignifuges incorporées lors de la fabrication, peuvent également dégager des gaz toxiques pour le système nerveux. Les isolants en polyuréthane se présentent sous la forme de panneaux moussés entre deux feuilles de divers matériaux (kraft, aluminium, polyéthylène, voile de verre…) qui assurent l’étanchéité à l’air et la pérennité des performances thermiques. On trouve également des complexes isolants associés à une plaque de plâtre ou des bombes aérosol utiles pour la réalisation des joints de calfeutrement ou pour réaliser une étanchéité à l’air. Les cellules du polyuréthane étant fermées, le matériau supporte bien la compression, est sensible à l’eau et imperméable à la vapeur d’eau. Le coefficient de conductivité thermique du polyuréthane est l’un des plus performants (0, 022 à 0,025 W/m.k pour les panneaux et de 0,028 à 0,030 W/m.k pour les mousses), cependant sa fabrication requiert beaucoup d’énergie grise. Les performances acoustiques du polyuréthane sont médiocres. Les domaines d’emploi du polyuréthane sont similaires à ceux du XPS, c’est-à-dire pour les toitures (panneaux sandwiches, caissons chevronnés), les toitures-terrasses, les sols et les doublages des murs. Les isolants en polyuréthane sont recyclables par broyage ou traitement chimique, cependant la filière est encore peu développée.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Présentation des matériaux synthétiques et des matériaux locaux
I.1 Introduction
I.2 Présentation de quelques matériaux d’isolation thermique
I.2.1 Les isolants synthétiques
I.2.1.1 Le polystyrène expansé [30-32]
I.2.1.3 Les polyuréthanes [36-38]
I.2.2 Les isolants minéraux
I.2.2.1 La laine de verre [39-40]
I.2.2.2 La laine de roche [41-44]
I.2.2.3 Le verre cellulaire [45-47]
I.2.3 Les isolants d’origine végétale
I.2.3.1 Le chanvre [48,49]
I.2.3.2 Le liège [50,51]
I.2.3.3 La laine de coton [52-54]
I.2.3.4 La ouate de cellulose [55]
I.2.3.5 Les isolants à base de bois [56-58]
I.2.4 Les isolants d’origine animale
I.2.4.1 La laine de mouton [59,60]
I.2.4.2 La plume de canard [61,62]
Chapitre II : Quelques Techniques De Caractérisation Des Matériaux : Détermination Des Paramètres Thermo physiques
II.1 Introduction
L’objectif de ce chapitre est de présenter les méthodes de détermination des paramètres
thermophysiques et des paramètres thermoélectriques
II.2 characterization by thermal transient phenomena of concrete slab recuperation solar energy
II.3 Evolution de la conductivité et de la diffusivité de matériaux filasse-plâtre (Voumbo M. L, 2008)
II.4 Caractérisation des isolants thermiques locaux de type sciure de bois et kapok: mesure de coefficient global d’échange thermique et de la conductivité thermique
II.5 Determination by thermal electric- analogy of the thermoelectric parameters of a road bearing layer structure from the thermal impedance spectroscopy method
II.6 Influence of excitation period on thermal transfer of tow-plaster thermal insulation plate attached to wall: application to cold room
II.7 One-dimensional study of thermal behavior of typha panel: spectroscopy characterization of heat exchange coefficient on front face
Equation de la chaleur
Expression de la densité de flux de chaleur
Résultats et discussions
II.8 Conclusion
Chapitre III : Etude comparative du comportement thermique de deux panneaux dont l’un est à base de laine de verre et l’autre en balle de riz en modulation de fréquence
III. 1 Introduction
III.2 Modèle mathématique
III.2.1 Modèle du dispositif
III.2.2 Résolution de l’équation de diffusion de la chaleur en régime dynamique fréquentiel
III.3 Etude du transfert thermique d’un panneau à base de laine de verre
III.3.1 : Variation des modules de la température et de la densité de flux de chaleur en fonction du logarithme décimal de la pulsation
II.3.2 : Modules de la température, sa variation et de la densité de flux de chaleur en fonction de sa profondeur
II.3.2.1 : Sous l’influence de la pulsation excitatrice
III.3.2.2 Sous l’influence du coefficient d’échange thermique à la face avant (h1)
III.3.3 Modules de la température de la laine de verre, de sa variation et de la densité de flux de chaleur en fonction du coefficient d’échange thermique à la face avant h1
II.3.3.1 Sous l’Influence de la pulsation excitatrice
III.4 Etude du transfert thermique d’un panneau à base de balle de riz
III.4.1 : Modules de la température, de sa variation et de la densité de flux de chaleur en fonction du logarithme décimal de la pulsation
III.4.2 : Modules de la Température, de sa variation et de la densité de flux de chaleur de la balle de riz en fonction de sa profondeur
III.4.2.1 : Sous l’influence de la pulsation excitatrice
III.4.2.2 Influence du coefficient d’échange thermique à la face avant
III.5 : Modules de la température, de sa variation et densité de flux de chaleur en fonction du coefficient d’échange thermique à la face avant
III.6 Détermination des coefficients d’échange thermique h2 et h’2
III.6 conclusion
Chapitre IV : Etude de spectroscopie d’impédance thermique de la laine de verre et de la balle de riz
IV.1 Introduction
IV.2 Etude de la spectroscopie d’impédance thermique
IV.3 Diagrammes de Bode de la laine de verre, de sa phase et sa représentation de Nyquist
IV.4 Diagrammes de Bode de la balle de riz, de sa phase et sa représentation de Nyquist
IV. 5 Diagrammes de Bode de la balle de riz, de sa phase et sa représentation de Nyquist
IV 6. Conclusion
Conclusion générale

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