Le climat, ma planète... et moi !

Séquence 5 : Comment économiser l’énergie chez soi ?
Auteurs : david Wilgenbus(plus d'infos)
Nathalie Bois-Masson(plus d'infos)
Alain Chomat(plus d'infos)
Résumé :
- Comprendre ce qu’est un isolant thermique - Comprendre qu’un logement isolé permet de faire des économies d’énergie, en hiver comme en été - Comprendre l’importance de l’orientation d’une maison au sud - Concevoir, construire et tester un chauffe-eau solaire.
Publication : 15 Avril 2008

Séance 11 : Qu'est ce qu'un isolant thermique ?

Durée 1 heure
Matériel Pour la classe :
- deux thermomètres précis ;
- un pull en laine ;
- deux bouteilles remplies d’eau chaude ;
- des glaçons.
Objectifs Comprendre ce qu’est un isolant thermique.
Compétences Participer à la conception d’un protocole expérimental et le mettre en oeuvre en utilisant les outils appropriés.
Lexique Isolant.

Au cours des séquences 3 et 4, les élèves ont fait le lien entre la consommation d’énergie et les émissions de gaz à effet de serre et en ont conclu que la priorité, dans la lutte contre le changement climatique, consiste à économiser l’énergie à tous les niveaux. Les séances qui suivent ont pour but d’explorer concrètement comment on peut économiser l’énergie au niveau domestique, en concevant des logements plus écologiques. L’accent est mis ici sur le chauffage, particulièrement vorace d’un point de vue énergétique, sachant que les autres pistes (utiliser des appareils électroménagers moins gourmands, limiter l’éclairage, etc.) ont déjà été abordées dans la séquence 4.

La question initiale

Le maître questionne les élèves : Peut-on imaginer des logements qui consomment moins d’énergie, pour se chauffer par exemple ? Parmi les réponses possibles des enfants, on trouve par exemple : Il faut utiliser la chaleur du Soleil, il faut éviter de faire sortir la chaleur, etc.
Le maître guide les élèves vers la nécessité première de bien isoler le logement : la première chose à faire est d’éviter de perdre de la chaleur en hiver. Comment fait l’ours polaire pour ne pas mourir de froid ? Au besoin, il leur montre une photo de l’ours polaire (par exemple, celle utilisée dans la séance 4).
Après que les élèves ont évoqué la fourrure, le maître les questionne sur son rôle : Que fait la fourrure exactement ? La plupart des enfants pensent que la fourrure « chauffe » l’animal et qu’un pull en laine les réchauffe, alors qu’en réalité ils ont un rôle d’isolant thermique : ils limitent les échanges de chaleur et aident ainsi le corps à garder sa température.

Recherche (expérimentations)

Pour vérifier si la laine (ou la fourrure) chauffe, le maître propose aux enfants de concevoir une expérience. Une possibilité est, par exemple, de placer un thermomètre à l’air libre et d’en enrouler un, identique, dans un pull en laine. Avant l’expérience, les élèves notent leur prévision dans le cahier : quelle sera la température affichée par chaque thermomètre dans ½ heure ? Certains imagineront des écarts importants, de 10°C ou plus. On relève la température toutes les dix minutes pendant une demi-heure et on constate qu’il n’y a pas de différence significative : les deux thermomètres affichent la même température.

Note pédagogique
Si les deux thermomètres n’affichent pas la même température au début de l’expérience, cela n’est pas grave : l’important est de constater que la température ne change pas sous le pull.

Il semble donc que la laine ne réchauffe pas. Peut-être empêche-t-elle simplement de se refroidir ? La classe peut alors imaginer avec l’aide du maître une seconde expérience pour valider cette hypothèse. Par exemple, on peut prendre deux bouteilles d’eau chaude (à la même température), et les mettre dehors par temps frais (ou au réfrigérateur si l’on est en été). L’une des bouteilles est entourée d’un pull en laine, l’autre est à l’air libre, et on note la température toutes les dix minutes pendant une demi-heure.
Le constat, cette fois, sera le suivant : l’eau contenue dans la bouteille entourée de laine s’est moins refroidie que l’eau de l’autre bouteille.

Mise en commun

Les représentants des groupes communiquent leurs résultats et proposent leurs conclusions. L’interprétation collective de ces deux expériences conduit la classe à constater que le pull en laine ne chauffe pas. La laine ne chauffe pas : elle protège du froid, elle empêche de se refroidir…

Recherche (expérimentation)

Après s’être convaincu que la laine « protège » du froid, on peut imaginer une autre expérience destinée à se convaincre qu’elle protège aussi du chaud.
Par exemple, l’enseignant peut demander aux élèves d’imaginer un moyen de faire fondre un glaçon le plus rapidement possible. On peut mettre le glaçon sur la table (attention, le poser sur une assiette pour ne pas mettre de l’eau partout !), dans ses mains, sur un radiateur (s’il n’est pas électrique), devant la fenêtre au soleil… ou dans un pull en laine. La plupart des enfants pensent spontanément que mettre le glaçon dans un pull en laine va le faire fondre plus vite, alors que l’expérience montre que c’est le contraire : le glaçon dans le pull sera encore là quand tous les autres auront fondu !
Une autre expérience possible consiste à prendre deux bouteilles d’eau froide (à la même température), et les mettre dehors par temps chaud (ou sous une lampe à incandescence si l’on est en hiver). L’une des bouteilles est entourée d’un pull en laine, l’autre est à l’air libre, et on note la température toutes les dix minutes pendant une demi-heure. Le constat, cette fois, sera le suivant : l’eau contenue dans la bouteille entourée de laine s’est moins réchauffée que l’eau de l’autre bouteille.

Mise en commun

Collectivement, les élèves interprètent ces dernières expériences : Si le glaçon n’a pas fondu, c’est qu’il était protégé du chaud par le pull. On peut donc dire que la laine protège aussi du chaud, elle empêche de se réchauffer.

Conclusion

Les élèves écrivent seuls leur conclusion, l’enseignant pouvant ainsi évaluer leur compréhension du rôle de l’isolant. Le rôle de la laine, ou de la fourrure des animaux, est de limiter les échanges de chaleur. C’est ce qu’on appelle un « isolant ». Un isolant protège du chaud et du froid.

Transition vers la séance suivante
Le maître revient alors sur la question posée en début de séance : Pourrait-on concevoir des logements qui seraient à la fois protégés du froid en hiver et de la chaleur en été ?
Il note les idées des élèves au tableau et leur demande de se renseigner auprès de leurs parents pour savoir comment leur logement est isolé.


Test de différents matériaux isolants (classe de CE2-CM1 de Nathalie Bois-Masson, Issy-les-Moulineaux).


Séance 12 : Pourquoi faut-il isoler les logements ?

Durée 1 heure
Matériel

Pour chaque groupe :
- une boîte en carton ;
- du gros scotch ;
- une bouteille de 50 cl ;
- un thermomètre précis ;
- du polystyrène expansé en plaque ou de la laine (ou d’autres isolants, comme du liège) ;
- de la pâte adhésive (Patafix® ou Blu Tack®) ;
- de l’eau, chaude ou froide selon le groupe.

Objectifs Comprendre qu’un logement isolé permet de faire des économies d’énergie, en hiver comme en été.
Compétences - Participer à la conception d’un protocole expérimental et le mettre en oeuvre en utilisant les outils appropriés.
- Développer des activités manuelles et techniques.

Bilan des enquêtes menées chez les élèves

L’enseignant note au tableau les isolants utilisés dans les maisons ou appartements de ses élèves : laine de verre, laine de roche, polystyrène, double vitrage, etc. Il leur demande si cette isolation sert à protéger la maison du « froid » ou du « chaud ». L’objectif de la discussion est de rappeler qu’un isolant thermique « marche » dans les deux sens : il protège aussi bien du chaud que du froid puisqu’il limite les échanges de chaleur. Il propose alors de le vérifier par des expériences.

Recherche (expérimentation)

Les élèves, répartis en groupes, doivent construire une maison « basique ». La moitié des groupes construit une maison non isolée, tandis que l’autre moitié construit une maison isolée, à l’aide du matériel proposé. Dans chaque « maison », une petite bouteille d’eau représente soit le chauffage en hiver (dans ce cas, la bouteille est remplie d’eau chaude), soit la climatisation en été (dans ce cas, la bouteille est remplie d’eau froide). Il est important, pour les besoins de la comparaison, que les maisons soient de la même taille, du même matériau (carton par exemple), et que les bouteilles d’eau chaude soient identiques (même quantité d’eau et même température) – idem pour les bouteilles d’eau froide. Deux groupes au moins travaillent sur l’isolation « par temps froid » tandis que deux autres groupes, au moins, travaillent sur l’isolation « par temps chaud ». Si la classe est divisée en quatre groupes, par exemple, la répartition se fait ainsi :

Isoler du « froid »
Isoler du « chaud »
une maison non isolée, contenant une bouteille d’eau chaude. La maison est placée au froid (dehors si on est en hiver, au réfrigérateur sinon). une maison non isolée, contenant une bouteille d’eau froide. La maison est placée au chaud (sur le chauffage si on est en hiver, dehors au soleil sinon).
une maison isolée contenant une bouteille d’eau chaude. La maison est placée au froid (dehors si on est en hiver, au réfrigérateur sinon). une maison isolée contenant une bouteille d’eau froide. La maison est placée au chaud (sur le chauffage si on est en hiver, dehors au soleil sinon).

Dans chaque groupe, un élève relève la température toutes les vingt minutes pendant deux heures. Pour cela, il importe que le thermomètre soit lisible depuis l’extérieur (on peut, à la limite, ne laisser que le réservoir du thermomètre à l’intérieur). Pendant ce temps, les élèves décrivent leur expérience dans leur cahier et notent leurs prévisions.

Note pédagogique
Pour ces expériences, on peut évoquer le fonctionnement des bouteilles Thermos ou des glacières : ces dispositifs permettent de garder aussi bien un liquide chaud que froid : ils sont isolés thermiquement.

Mise en commun

Chaque groupe désigne un rapporteur qui vient noter au tableau les températures relevées pendant toute la durée de l’expérience. Les maisons isolées et non isolées sont comparées : celles qui étaient isolées ont vu leur température varier moins rapidement, qu’il s’agisse de hausse ou de baisse de température.

Conclusion

La classe élabore alors collectivement une conclusion que chacun note sur son cahier d’expériences :
Pour économiser de l’énergie et lutter contre le changement climatique, il faut isoler les logements. Cela fait des économies de chauffage en hiver et des économies de climatisation en été.


Séance 12a : Comment utiliser l’énergie du soleil dans la maison ?

Durée 1 heure
Matériel

Pour chaque groupe :
- une boîte de mouchoirs vide (toutes les boîtes doivent être identiques, en parti culier de même couleur) ;
- une plaque de verre ou, au pire, de plastique transparent.
Pour la classe :
- en cas d’absence de soleil, un spot de 100 W.

Objectifs Comprendre l’importance de l’orientation de la maison au sud.
Compétences - Participer à la conception d’un protocole expérimental et le mettre en oeuvre en utilisant les outils appropriés.
- Développer des activités manuelles et techniques.
Lexique Orientation.

La question initiale

Le maître revient sur le travail réalisé pendant les deux séances précédentes : Nous voulions savoir comment on pouvait dépenser moins d’énergie pour le chauffage. On a vu que l’isolation était importante. Que pouvons-nous utiliser d’autre ? Y a-t-il un moyen de se chauffer sans émettre de gaz à effet de serre ?
Parmi les réponses des enfants, on pourra retenir, entre autres : on peut utiliser l’énergie du Soleil. Deux pistes sont alors possibles : utiliser l’énergie solaire pour chauffer la maison ou pour chauffer l’eau.
L’enseignant demande alors aux élèves comment ils pensent utiliser l’énergie solaire pour chauffer la maison. À ce stade, un rappel sur le travail réalisé lors de la construction de la serre (séances 5a, 5b, 5c) peut être très utile !
Les vitres, par exemple, sont importantes car elles vont piéger la chaleur, comme dans la serre, à condition qu’elles soient orientées vers le Soleil !
La classe peut décider, par exemple, de construire plusieurs maisons et de les mettre au soleil avec différentes orientations pour voir l’effet de celles-ci sur la température interne de la maison.

Recherche (expérimentation)

Les élèves, répartis en groupes, testent l’importance de l’orientation de la maison. Ils fabriquent une maison très simple, par exemple avec une boîte de mouchoirs dont le trou est recouvert d’un plastique transparent qui sert de vitre.
Pour être plus réaliste, car il s’agit maintenant de simuler une maison, il convient de placer les vitres verticalement (comme un mur), et non plus obliquement (comme un toit) comme dans la serre.
L’exposition, comme pour toutes les expériences précédentes, doit être faite de préférence en milieu de journée, lorsque le Soleil est au plus haut. Au midi solaire, il est au sud (dans l’hémisphère Nord). La mesure de la température peut se faire en perçant un trou dans la boîte, de façon à pouvoir introduire le thermomètre sans ouvrir la boîte.


Exposition au Sud (classe de Muriel Levresse, Strasbourg).

Les groupes laissent leurs boîtes une demi-heure (pendant ce temps, ils décrivent leur dispositif dans leur cahier d’expériences), puis notent la température.

Mise en commun et conclusion

Les maisons orientées au sud ont une température plus élevée que les autres. La classe en conclut que l’on peut profiter au maximum de l’énergie du Soleil si l’on oriente la maison (c’est-à-dire ses principales baies vitrées) au sud. Afin d’éviter les trop fortes chaleur en été (et donc éviter l’utilisation de la climatisation), il faut également protéger les baies vitrées par des volets, des stores, une avancée de toit…


Séance 12b : Comment chauffer l’eau sanitaire grâce au soleil ?

Durée 1 heure
Matériel

Pour chaque groupe :
- du carton ;
- un rouleau adhésif ;
- des plaques de plastique transparent (ou, à défaut, du film cellophane) ;
- des miroirs ou du papier aluminium ;
- des bouteilles d’eau ;
- de l’eau ;
- deux thermomètres ;
- de la laine ou du polystyrène ;
- une pince à linge ;
- de la peinture noire ou du papier noir ;
- petit outillage (ciseaux, pinces…).

Objectifs Concevoir un chauffe-eau solaire.
Compétences - Savoir que certaines sources d’énergie sont épuisables.
- Savoir relever la trajectoire du Soleil par rapport au sol.
- Développer des habiletés manuelles et techniques.
Lexique Énergie solaire, chauffe-eau solaire.

Cette séance et celle qui suit permettent de réinvestir de nombreuses connaissances acquises précédemment (influence de la couleur sur la température d’un objet, fonctionnement d’une serre, rôle de l’orientation par rapport au Soleil, importance de l’isolation, etc.). Elles illustrent également de façon concrète comment les énergies renouvelables, et en particulier l’énergie solaire, peuvent nous aider à limiter nos émissions de gaz à effet de serre.

Conception d’un chauffe-eau solaire

L’enseignant demande aux élèves s’il est possible d’utiliser l’énergie du Soleil pour chauffer l’eau dans la maison et, si oui, comment le faire, quels sont les paramètres importants à prendre en compte pour la fabrication d’un chauffe-eau solaire. Dans un premier temps, les élèves réfléchissent librement puis, en cas de besoin, l’enseignant peut les guider, en groupes ou en classe entière, en posant les questions clés suivantes :

  • Comment stocker l’eau avant de la chauffer (dans quel récipient ? à quel endroit) ?
  • Comment faire circuler l’eau ?
  • Comment faire pour que l’eau chauffe le plus possible ? Faut-il mettre une vitre (comme dans une serre) ? De quelle couleur le récipient doit-il être ?
  • Comment le chauffe-eau doit-il être orienté ?
  • Où doit-on poser le chauffe-eau solaire (sur un mur ? sur le toit ? par terre dans le jardin ?)

L’enseignant présente le matériel disponible et répartit les élèves en plusieurs groupes. Chaque groupe doit faire un schéma de son chauffe-eau solaire et préciser le matériel dont il a besoin pour le réaliser. S’ils le souhaitent, ils peuvent faire appel à du matériel non présenté ici, à condition qu’ils puissent l’apporter de chez eux avec l’accord des parents et qu’il ne soit pas dangereux à utiliser.

Mise en commun

Chaque groupe désigne un rapporteur qui vient présenter son projet au tableau, en expliquant les choix qui ont été faits.
Certains groupes proposeront peut-être un dispositif très simple (une bouteille d’eau peinte en noir exposée au soleil), d’autres un dispositif un peu plus complexe (la même bouteille entourée de miroirs pour concentrer la chaleur), voire très sophistiqué, comme par exemple un tuyau peint en noir qui circule dans une mini-serre alimentée par un réservoir (bouteille d’eau) et dont on peut régler le débit soit en soulevant la bouteille, soit en pinçant le tuyau avec une pince à linge. Ce dernier dispositif donne lieu à une activité technologique très intéressante.

Pour que le chauffe-eau solaire soit le plus efficace possible, il faut :

  • que l’eau reste le plus longtemps possible au soleil : sa circulation dans le dispositif doit donc être lente (tuyau fin, inclinaison faible, plusieurs allers-retours du tuyau enroulé sur lui-même…) ;
  • que, pour un même volume d’eau, la surface exposée au soleil soit maximale : ainsi, il vaut mieux un tuyau fin enroulé sur lui-même qu’une bouteille ;
  • que le tuyau soit noir pour absorber au maximum la lumière solaire ;
  • que le tuyau circule dans une enceinte fermée et que cette enceinte soit recouverte d’une vitre (on fabrique une serre) ;
  • que l’enceinte dans laquelle le tuyau circule concentre les rayons du Soleil sur celui-ci (miroirs ou papier aluminium sur les parois internes) ou qu’elle absorbe le plus d’énergie en étant noire elle-même ;
  • que l’enceinte soit orientée de façon à recevoir les rayons du Soleil perpendiculairement à la vitre ;
  • que l’enceinte soit isolée de façon à limiter les pertes de chaleur par les parois.

Les élèves réalisent le schéma de leur projet de chauffe-eau solaire. Ils peuvent également faire des paris sur le chauffe-eau qui sera le plus efficace.

Construction du chauffe-eau solaire (début)

Les élèves commencent la construction de leur chauffe-eau solaire, qu’ils termineront lors de la séance suivante.


Fixation du tuyau au fond de la boîte (classe de CM2 de Christine Blaisot, Le Mesnil Esnard).

Séance 12c : Fabrication d’un chauffe-eau solaire

Durée 1 h 30
Matériel

identique à la séance précédente.

Objectifs Construire, tester et comparer les différents chauffe-eau solaires réalisés en classe.
Compétences - Savoir que certaines sources d’énergie sont épuisables. - Savoir relever la trajectoire du Soleil par rapport au sol. - Développer des habiletés manuelles et techniques.

Construction du chauffe-eau solaire (fin)

Les élèves terminent la construction de leur chauffe-eau solaire en utilisant au besoin du matériel rapporté de chez eux.

Test des chauffe-eau solaires (expérimentation)

Ils vont le tester dehors, en prenant soin de mesurer :

  • la température de l’eau à l’entrée du dispositif ;
  • la température de l’eau à la sortie du dispositif.

Idéalement, les tests ont lieu par un jour de beau temps et en milieu de journée (près du midi solaire : 14 heures en France métropolitaine), de façon à bénéficier d’un ensoleillement maximal.


Test des différents chauffe-eau solaires (classe de CM2 de Christine Blaisot, Le Mesnil Esnard).

Mise en commun

Les résultats des différents groupes sont comparés : celui qui affiche la plus grande différence entre la température d’entrée et la température de sortie est le vainqueur !

Note pédagogique
Si certains chauffe-eau solaires ne possèdent pas de réservoir d’entrée et de sortie, la comparaison de ces deux températures n’a pas de sens. Dans ce cas, c’est bien sûr la température de l’eau dans le chauffe-eau qui compte.

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