Titre DPE et caméra thermique - Sciences physiques - STI2D

Thème du programme
Sous-thème
HABITAT
Gestion de l’énergie dans l’habitat
Titre
DPE et caméra thermique
Type d’activité
Activité documentaire
durée
1h
Connaitre les trois modes de transferts thermiques
Conditions
de mise en
œuvre
acquis
Connaitre les deux échelles de températures (degré
Celsius et kelvin) et passer des °Kelvins au °Celsius et
inversement
Etude préalable des quantités d’énergie consommée par
l’habitat ( DPE).
Partie concernée du programme
Notions et contenus
Transferts thermiques : conduction,
convection, rayonnement.
Flux thermique, résistance thermique.
Caractéristiques thermiques des
matériaux.
Compétences exigibles
Expliciter la dépendance entre la
puissance rayonnée par un corps et sa
température.
Citer le lien entre la température d'un
corps et la longueur d'onde pour
laquelle l'émission de lumière est
maximale
-faire preuve d’initiative, de ténacité et d’esprit critique ;
- lire un graphique ;
Compétences
transversales
- mobiliser ses connaissances, rechercher, extraire et
organiser l’information utile fournie par un document,
une situation, ou une expérience.
- raisonner, démontrer, argumenter, exercer son esprit
d’analyse.
Auteur
Fanchon LEYNAUD
Lycée Saint Joseph Pierre Rouge
Voir à travers les murs : Identifier la source
des problèmes d'isolation
La thermographie est le seul outil capable de produire une image des pertes énergétiques d'un bâtiment :
Ces images permettent une analyse fine des échanges thermiques, et donc de traquer les fuites. La caméra thermique
est l'outil indispensable pour la réalisation des DPE (diagnostic de performance énergétique) obligatoire depuis le 1 er
janvier 2011. (Voir livre hachette p. 58)
La caméra thermique permet d'afficher, non pas les objets visibles à l'œil comme une caméra classique, mais leur
température de surface. Elle délivre une photographie appelée «thermogramme». C'est de l'analyse rigoureuse de ce
que l'on peut déceler des défauts d'isolation.
L'imagerie infrarouge permet de localiser les tuyauteries, les zones humides, les ponts thermiques, les conduites de
chauffage, les fuites et les embouages éventuels des réseaux.
Un pont thermique est une zone ponctuelle ou linéaire
qui, dans l'enveloppe d'un bâtiment, présente un défaut
ou une diminution de résistance thermique (à la jonction
de deux parois en général). Les jonctions entre deux
matériaux de résistance thermique ou de conductivité
thermique différentes créent un pont thermique. La
constitution de la paroi influe sur les ponts thermiques,
ainsi avec une isolation extérieure les ponts thermiques
sont presque nuls.
Les ponts thermiques constituent des zones de fortes
déperditions thermiques, l'humidité peut s'y condenser.
Associer à chaque image le problème d’isolation :
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A:
Défaut d’isolation
Pont thermique au niveau d’une dalle
Défaut d’étanchéité à l’air
Elément de construction dissimulé sous le crépi
B:
C:
En observant l’image ci-contre dire :
- Dans quelles zones les pertes thermiques sontelles importantes ? Justifier.
- Dans quelles zones les pertes thermiques sont
faibles ? Justifier
Quels conseils donneriez-vous au propriétaire ?
D:
Les infrarouges :
Les infrarouges furent découverts en 1800 par William Herschel, un astronome anglais.
Herschel plaça un thermomètre à mercure dans le spectre obtenu par un prisme de verre afin de mesurer la chaleur
propre à chaque couleur. Il trouva que la chaleur était la plus forte du côté du rouge du spectre, y compris là où il n’y
avait plus de lumière. C’était la première expérience montrant que la chaleur pouvait se transmettre par une forme
invisible de lumière.
De par leur température, tous les corps émettent un rayonnement de même nature que
la lumière (onde électromagnétique). Ce rayonnement se propage dans les matériaux
transparents (air, verre..) et dans le vide.
La puissance de ce rayonnement par unité de surface dépend de sa longueur d’onde et
de la température du corps (voir graphe ci-contre).Cette puissance est aussi appelée
l’émittance M ; elle est directement liée à la température
T du corps et à l’émissivité du matériau ε :
M = 5,67.10-8.ε.T4
L’émissivité est un coefficient sans unité compris entre
0 et 1. Elle traduit la capacité d’un matériau à absorber
les rayonnements qu’il reçoit et à transférer par
rayonnement la chaleur accumulée.
Un corps chaud émet des radiations de grande intensité
et de courtes longueurs d’onde. C’est le cas du soleil qui
produit essentiellement des radiations visibles et
ultraviolettes (UV). Ce rayonnement entre le soleil et la
Terre nous parvient à travers le vide de l’espace !
A température ambiante, les objets et le corps humain émettent dans le domaine des grandes longueurs d’onde,
l’infrarouge (0,1 à 100 µm). La moitié environ de l’énergie de notre corps est ainsi perdue par rayonnement.
Cette propriété est utilisée par les caméras thermiques qui détectent ces rayonnements.
La caméra convertit le rayonnement infrarouge en une image visible. Cette image est présentée dans une échelle de
gris ou au moyen de différentes palettes de couleurs qui facilitent sa lecture.
La loi de Wien :
Wilhelm Wien (1864-1928), physicien allemand, prix Nobel de physique en 1911, établit que tout corps « chaud »
émet des radiations électromagnétiques dont la longueur d’onde du maximum est donnée par la relation :
où T est exprimée en Kelvin et
en mètre.
Questions :
Rechercher la définition d’une onde et de la longueur d’onde.
Qu’est-ce que l’émittence ?
Quelle valeur doit avoir l’émissivité d’un matériau pour qu’il réfléchisse les rayonnements thermiques ?
Observer le graphique ci-dessus :
Quelle est la longueur d’onde correspondant au maximum de puissance rayonnée par un objet dont la
température est de 300 Kelvins ? De 1000 Kelvins ? De 10 000 Kelvins ? Donner ces températures en degré
Celsius.
Ecrire une phrase indiquant comment évolue la longueur d’onde de la lumière émise par un corps en fonction
de la température.
5. D’après vous à quoi correspond la longueur d’onde ? Proposez une définition.
6. Déterminer la longueur d’onde d’un corps humain dont la température de surface est d’environ 25°C.
7. La gamme spectrale d’une caméra infrarouge est 8,0-14 µm. En utilisant la loi de Wien, Déterminer les
températures mesurables par une telle caméra. Exprimer ces températures en degrés Celsius.
Pour accéder à des températures plus élevées faut-il augmenter ou diminuer les longueurs d’ondes
mesurables ?
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