05/10/2012
Thermique du bâtiment bâtiment
Pr DEBBARH
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Thermique du bâtiment • 0- INTRODUC INTRODUCTION TION • I- LE SOLEIL SOLEIL • II- LES DIFFERENTS DIFFERENTS MODES MODES DE TRANSFERT TRANSFERT DE
CHALEUR • III- LE CONFOR CONFORTT THERMIQUE THERMIQUE • IV- BILAN THERMIQUE THERMIQUE D’ELEME D’ELEMENTS NTS DU BATIMENT • V- BILAN THERMIQUE DU BATIMENT BATIMENT 2
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0- INTRO INTRODUC DUCTIO TION N • Modèles physiques pour évaluer les flux de
chaleur au travers du bâtiment • Optimisation de ces flux pour réaliser le confort maximum des occupants
0- INTRO INTRODU DUCTI CTION ON (suite)
Évolution des températures températures dans des bâtiments au cours de l'année
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0- INTRO INTRODU DUCTI CTION ON (suite) La TB intervient lors de la conception et de la rénovation dans: choix des matériaux de construction et d’isolation dimensionnement des ouvertures et autres éléments architecturaux dimensionnement des installations énergétiques prévision de la consommation annuelle d’énergie et son optimisation
I- LE SOLE SOLEIL IL I-1- Le rayonnemen rayonnementt solaire I-2- Position du du soleil et et angles solaires I-2-1- Mouvement Mouvement apparen apparentt du soleil soleil I-2-2- Temps légal légal et temps solaire solaire vrai I-2-3- Angles Angles solaire solairess
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I-1- Le rayonnement solaire • Le soleil: source première de toutes les
énergies sur terre • Réactions thermonucléaires → rayonnement
I-1- Le rayonnement solaire (suite) • Densité de flux d’énergie à la surface
apparente du soleil: 64.106 W/m2 . • Éclairement énergétique aux confins de l’atmosphère: I00 = 1367 W/m2 . reçu dans la bande de: 0.3 µ (UV) à 2.5 µ (IR) (UV:7%
visible:47,3%
IR:45.7%)
• Absorption et diffusion par l’atmosphère
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I-1- Le rayonnement solaire (suite)
Spectre du rayonnement solaire
I-1- Le rayonnement solaire (suite) • Rayonnement direct au sol sur une surface
normale aux rayons du soleil: I 0 dir r .I 00 . m (formule de Bouguer) - r: correction de distance Terre-Soleil donnée par: r 1 0.034 cos0.986 J 3 j 1 le 1er Janvier
- ρ: facteur atmosphérique (ρ0.75 au Maroc) - m: masse d’air optique. m = P/100sinh . P: pression atmosphérique en mb . h: hauteur du soleil
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I-1- Le rayonnement solaire (suite) • Sur une surface inclinée: I dir I 0 dir . cos • Le rayonnement diffus Idiff provient du ciel
bleu par temps ensoleillé, et des nuages par temps couvert
• Le rayonnement global I G
I dir I diff
I-1- Le rayonnement solaire (suite) • Si on suppose que l’ensoleillement au cours d’une
journée est quasiment une sinusoïde, la quantité d’énergie reçue par une surface unité est: 2 Q I G max .T - I G max : à « midi vraie » - T = Heure(coucher) – Heure(lever) - Heure(midi vraie) = ½ Heure(coucher) + Heure(lever)
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I-1- Le rayonnement solaire (suite) • La relation de Page –Amström permet de passer de
l’ensoleillement par ciel clair à celui dans les conditions moyennes: I G cond .moy I G ciel clair . a b - : fraction d’ensoleillement: = nbre d’heures de soleil/nbre max possible
- a et b: coefficients qui dépendent du site choisi: pour Casablanca: a = 0.22 ; b = 0.55
I-2- Position du soleil et angles solaires I-2-1- Mouvement apparent du soleil I-2-2- Temps légal et temps solaire vrai I-2-3- Angles solaires
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I-2-1- Mouvement apparent du soleil
I-2-1- Mouvement apparent du soleil (suite) La Terre subit deux mouvements: • Rotation sur elle-même selon un axe incliné, 1 tour/24 heures → mouvement apparent du
soleil de l’est vers l’ouest, matin et soir. • Rotation autour du soleil, 1 tour/365.25 jours → variation de la hauteur du soleil dans le ciel
selon les saisons.
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I-2-1- Mouvement apparent du soleil (suite)
Définitions des repères locaux
I-2-1- Mouvement apparent du soleil (suite)
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I-2-1- Mouvement apparent du soleil (suite) • La déclinaison géocentrique ( δ) est l’angle
compris entre le plan équatorial terrestre (perpendiculaire à l’axe de rotation de la Terre sur elle-même) et l’axe Terre-Soleil: 360 23.45. sin j 81. 365 j: numéro du jour dans l’année
I-2-2- Temps légal et temps solaire vrai • Coordonnées géographiques d’un point du globe
terrestre: . Latitude φ: par rapport au plan de l’équateur -90° (pôle sud) < φ < +90° (pôle nord) Longitude L: par rapport au méridien de Greenwich -180° < L < +180 ° (L>0 à l’est; L<0 à l’ouest)
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I-2-2- Temps légal et temps solaire vrai • Le temps solaire vrai H s est défini par le passage du soleil au sommet de sa course (h max) à midi vrai.
Il occupe alors exactement le sud géographique de l’observateur (dans l’hémisphère nord)
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I-2-2- Temps légal et temps solaire vrai • Le temps légal Hleg est lié au temps solaire vrai
par la relation:
H s H leg H 4 L F 4L:
correction en longitude, positive à l'est et négative à l'ouest. F: décalage entre l'heure légale dans le fuseau considéré (bande de longitude de 15°) et l'heure légale dans le fuseau de Greenwich. H: équation du temps.
• ΔH = équation du temps [min], tenant compte de deux corrections
(l'une dépendant de l'ellipticité du mouvement de la Terre autour du Soleil, l'autre de la déclinaison géocentrique)
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I-2-2- Temps légal et temps solaire vrai (suite) • Exemple: A quelle heure le Soleil passe-t-il au sud à
Lausanne le 14 février? La longitude de Lausanne est de 6°37' Est, dans le fuseau de l'Europe centrale (F=+60min en hiver) • Solution: A cette date H = -14 minutes H s H leg 14 4 6.62 60
soit
H leg H s 48 min
Le soleil passe au sud à 12 heures 48min heure légale
I-2-3- Angles solaires • Angle horaire ω: angle décrit par le soleil dans
son mouvement apparent, projeté sur un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de la terre: 15. H s 12 • Angle zénithal θz: angle que fait la direction
du soleil avec la verticale: z
2
h
On a : cos z sin . sin cos . cos . cos sin h
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I-2-3- Angles solaires (suite) • La formule générale de l’angle θ entre la
direction du soleil et la normale à un plan d’orientation γ (γ = 0 au sud) et d’inclinaison β (β = 0 pour surface horizontale):
I-2-3- Angles solaires (suite)
Schéma montrant la relation entre la déclinaison, la latitude et la hauteur du soleil à midi solaire
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II- LES DIFFERENTS MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR II-1- Généralités II-2- Conduction II-3 Rayonnement II-4- Convection II-5- L’air humide
II-1- Généralités • La chaleur est l’énergie liée à l’agitation
aléatoire des molécules [J] • La température mesure cette agitation [K] • La chaleur sensible est mesurée par la variation de température d’un matériau: Q=m.c. T c: chaleur massique [J/kg.K] • La chaleur latente L [J/kg] est la quantité d’énergie nécessaire pour le changement d’état . Q=m.L
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II-1- Généralités (suite) -La conduction: transmission de proche en proche de l'agitation moléculaire par chocs entre molécules -La convection: transport de chaleur par transport (naturel ou forcé) de matières chaudes vers une zone froide ou vice versa -Le rayonnement: transport de chaleur par émission et absorption de rayonnement électromagnétique par les surfaces des corps -L'évaporation-condensation: la chaleur cédée à un matériau pour l'évaporer est restituée à la surface sur laquelle la vapeur se condense.
II-1- Généralités (suite) • Le flux de chaleur [W] est la quantité de chaleur
qui traverse une surface pendant l’unité de temps: 2 d Q d dt • La densité de flux de chaleur [W/m2] est le flux de chaleur qui traverse la surface unité: d dS
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II-2- Conduction II-2-1- Loi de Fourier II-2-2- Conductivité thermique II-2-3- Paroi homogène à faces parallèles
II-2-1- Loi de Fourier
d Q .T .n.dS .dt 2
d 2Q .
dT
.dS .dt
dn dT d . .dS dn
: conductivité thermique
si dS sur une isotherme .
dT dn
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II-2-2- Conductivité thermique • C’est la propriété physique d’un matériau qui
caractérise sa capacité à conduire plus ou moins facilement la chaleur [W/m/K]. • La conductivité thermique est fonction de :
1. sa densité : plus un matériau est léger plus il est isolant 2. sa température : plus un matériau est « chaud » plus il est conducteur 3. sa teneur en eau (humidité) : plus un matériau est humide plus il est conducteur
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II-2-3- Paroi homogène à faces parallèles • En régime permanent, le flux de chaleur est donné par:
A. .
T 1 T 2 e
T T . 1 2 e
− A : surface de la paroi [m2] − λ: conductivité du matériau [W/m/K] − e : épaisseur de la paroi [m] − T1 et T2 Températures des surfaces 1 et 2 [K]
• La température évolue linéairement dans la paroi
II-3 Rayonnement II-3-1- Loi de Stéfan Boltzmann – Corps noir II- 3-2- Corps réel II-3-3- Puissance reçue II-3-4- Echange entre deux surfaces grises
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II-3-1- Loi de Stéfan Boltzmann – Corps noir • Un corps dont la température est T émet de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. • Pour un corps noir, la puissance rayonnée par unité de surface ou émittance (densité de flux de chaleur)
est:
W / m
M 0 .T 4
5.67.10 8
2
W / m K : constante de Stéfan - Boltzmann 2
4
II- 3-2- Corps réel • Pour les matériaux courants de construction:
M 0 . .T
4
W / m 2
• : émissivité de la surface (0 < < 1) • = 0.95 pour le béton •
= 0.06 pour l’aluminium poli
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II-3-3- Puissance reçue
II-3-3- Puissance reçue (suite) cefficient d' absorption :
a
cefficient de trasmissi on : cefficient de réflexion :
t
r
1
•Corps opaque: τ = 0 •Corps transparent: τ = 1 (pour une certaine bande de fréquence) •Corps gris: α = ε (C’est le cas pour la majorité des matériaux de construction dans l’IR : 1,100 m )
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II-3-4- Echange entre deux surfaces grises effective combinée '. T 14 T 24 ': émissivité •ε’= 0 si ε1 ou ε2 est nulle; ε’= 1 si ε1 = ε2 = 1 •Pour des surfaces planes parallèles:
'
1 1
•Si T1 >> T2 alors
1 1 2
1
' T 14
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II-3-4- Echange entre deux surfaces grises • Si T2 voisin de T1, on pose: T1=T; T2=T-T
On développe en série autour de T, on a alors: 4 ' T 3 .T peut être mis sous la forme:
hr .T 1 T 2 hr: coefficient de transfert de chaleur par rayonnement 3 hr 4 ' T
II-4- Convection II-4-1- Loi de Newton II-4-2- Coefficient d’échange convectif
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II-4-1- Loi de Newton
ou
= h c .S(T ) p - T f
[W]
= h c .(T ) p - T f
[W/m2 ]
− Tp : Température de la surface de la paroi [°C ou K] − Tf : Température du fluide loin de la paroi [°C ou K] − hc : Coefficient d’échange convectif [W/m²/K] − S : Surface de la paroi [m²]
II-4-2- Coefficient d’échange convectif hc est déterminé par une relation empirique entre les nombres sans dimension: Re, Pr et Nu: (F inertie/F viscosité) (diffusivité matière / diffusivité thermique) (échange par convection/ échange par conduction) •U: vitesse caractéristique •D: dimension caractéristique •: masse volumique •Cp : chaleur massique
•: viscosité dynamique •hc : coefficient d’échange convectif •: conductivité thermique
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II-4-2- Coefficient d’échange convectif a) convection forcée • Plaque plane verticale isotherme:
- Re < 104 - Re > 105
Nu = 0.664.Re0.5.Pr0.43 Nu = 0.037.Re0.8.Pr0.43
• Cas particulier d’une façade soumise au vent:
- U < 5 m/s - 5 < U < 30 m/s
hc = 6.2 + 4.3U hc = 7.6U0.78
II-4-2- Coefficient d’échange convectif b ) convection naturelle Au contact d’un corps chaud, la température du fluide augmente. Sa masse volumique diminuant, il a tendance à s’élever. Le fluide froid a tendance à le remplacer: d’où un écoulement . Le nombre sans dimension qui caractérise les forces ascensionnelles est le nombre de Grashof G r ( Gr remplace le nombre de Reynolds Re )
hc est déterminé par une relation empirique du type: .
f(Gr ,Pr ,Nu )=0
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II-4-2- Coefficient d’échange convectif b ) convection naturelle (suite)
II-4-2- Coefficient d’échange convectif c ) convection naturelle en espace limité
On définit une conductivité équivalente ’ telle que:
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II-5- L’air humide II-5-1- Définition II-5-2- Pression de vapeur saturante II-5-3- Point de rosée II-5-4- Humidité relative II-5-5- Humidité absolue II-5-6- Enthalpie
II-5-1- Définition
air sec et vapeur d’eau gaz parfaits → mélange des deux (air humide) gaz parfait
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II-5-2- Pression de vapeur saturante
La pression de vapeur saturante Psat est la pression partielle de vapeur quand l’air est saturé en vapeur d’eau (équilibre entre évaporation et condensation à la surface de l’eau à une température donnée). Formule approchée pour -40°C < θ <150°C:
•
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II-5-3- Point de rosée • Le point de rosée θr (°C) ou Tr (K) est la
température à laquelle la pression partielle de vapeur d'eau existant dans l'air serait égale à la pression de vapeur saturante. • θr peut être déterminé graphiquement ou par les formules
II-5-4- Humidité relative • L’humidité relative (ou degré hygrométrique), noté , est le rapport de la pression partielle
de vapeur à la pression de vapeur saturante, à la même température, multiplié par 100.
Pv Psat
100
%
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II-5-5- Humidité absolue • C’est la masse de vapeur d’eau correspondant à 1 kg
d’air sec. Elle est notée r [kg/kgas]. • Vapeur d’eau et air sec gaz parfaits: - Vapeur d’eau : PvV=mv R pvT ; Rpv=462 J/kg/K ; Rpas=287 J/kg/K - Air sec : P asV=m as R pasT Pv Pas
mv mas
R pv R pas
soit
r 0.622.
Pv P Pv
Ex : air saturé à T=15°C et P atm = 100000 Pa → r = 10.78 g/ kgas
II-5-6- Enthalpie • L’enthalpie de l’air humide est la somme des
enthalpies de ses constituants: H H as H v avec H as mas .cas .T et
H v mv .cv .T Lv
kJ cas 1.006 kJ / kgK cv 1.83 kJ / kgK
cas et cv : chaleurs massiques Lv : chaleur latente de vaporisation Lv = 2500.64 kJ/kg à 0°C (varie peu avec la température)
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II-5-6- Enthalpie (suite) • Enthalpies massiques [kJ/kg]:
has
H as mas
cas .T ;
hv
H v mv
cv .T Lv
• Enthalpie spécifique [kJ/kgas]:
h
H
has
mv
hv cas .T r cv .T Lv
mas mas En négligeant cvT devant Lv → formule de Rasmine :
h = T + 2500. r
[kJ]
II-5-6- Enthalpie (suite) Exercice : Soit un air humide à la pression atmosphérique normale de 101325Pa, dont la température sèche est de 20°C et l’humidité relative de 50%. Calculez l’humidité absolue r, la masse volumique et l’enthalpie spécifique h.
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III- LE CONFORT THERMIQUE III-1- Les besoins de l’occupant III-2- Confort thermique III-3- Utilité du modèle de confort thermique III-4- Confort d’hiver III-5- Confort d’été
III-1- Les besoins de l’occupant • Un bâtiment «confortable» assure à ses
habitants un climat intérieur agréable et peu dépendant des conditions extérieures. • Les besoins de l’occupant peuvent être classés en plusieurs catégories, qui interagissent entre elles, et qui sont caractérisées par des paramètres liés au local et d’autres liés à l’occupant lui-même.
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III-1- Les besoins de l’occupant (suite) • Conditions thermiques: -Température de l'air -Sources de rayonnement (radiateurs, poêles, soleil) -Température des surfaces environnantes -Perméabilité thermique des surfaces en contact avec le corps (habits)
III-1- Les besoins de l’occupant (suite) • Qualité de l’air: -Vitesse de l’air par rapport au sujet -Humidité relative de l’air -Pureté ou pollution de l’air. Odeurs. • Acoustique: -Niveau de bruit, temps de réverbération • Besoins visuels: -Eclairage naturel et artificiel, couleurs, ambiance…
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III-2- Confort thermique • Le confort thermique est une sensation physiologique qui traduit un état de bien être
général. • Il dépend des conditions thermiques, de la qualité de l’air , et de l’individu (activité, habits…) • Le confort thermique n’est pas réalisé par une simple régulation de la température intérieure quelles que soient les conditions.
III-2- Confort thermique (suite)
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III-2- Confort thermique (suite) On peut quantifier la sensation de confort en utilisant l’échelle suivante proposée par Fanger (1982)
III-2- Confort thermique (suite) On définit: • Le vote moyen prévisible, appelé PMV (Predicted Mean Vote): appréciation moyenne d'une population dans un environnement donné, sur l'échelle de -3 à + 3. Le confort optimal → PMV nul. • Le pourcentage prévisible d'insatisfaits, appelé PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) : part des sujets insatisfaits dans une condition donnée.
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III-2- Confort thermique (suite)
Relation entre le pourcentage d'insatisfaits (PPD) et le vote moyen (PMV).
III-2- Confort thermique (suite) • Dans de nombreux pays, on admet que l'habitation
est satisfaisante si le PPD ne dépasse pas 10 % (plus de 90% de satisfaits) → |PMV| ≤ O.5
• Fanger a établi une équation prédisant le PMV à
partir des paramètres du confort thermique:
PMV = PMV(Ta,Tr,V,Pv,M,W A,R,f)
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III-2- Confort thermique (suite) • Ta[K] : Température de l'air • Tr[K] : Température radiante moyenne • V [m/s] : Vitesse relative de l'air • Pv : [Pa] : Pression partielle de vapeur d'eau • M [Watt] : Activité métabolique du sujet • W [Watt] : Son travail mécanique fourni . • A [m2 ] : Surface de peau du sujet • R [m2 K/W] : La résistance thermique des habits. • f : La fraction de la surface habillée
III-3- Utilité du modèle de confort thermique • le calcul de bilans énergétiques réels, tenant compte
des occupants et de leurs exigences justifiées • le calcul des températures minima et maxima acceptables permettant de diminuer les besoins en énergie, • la conception d'habitations offrant déjà un bon confort sans l'intervention des habitants
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III-4- Confort d’hiver
III-5- Confort d’été
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IV- BILAN THERMIQUE D’ELEMENTS DU BATIMENT IV-1- Éléments plans formés de couches IV-2- Ponts thermiques IV-3-Transmission thermique des fenêtres
IV-1- Éléments plans formés de couches IV-1-1- Résistance thermique pour une couche homogène IV-1-2- Résistance des couches limites IV-1-3- Lames d'air IV-1-4- Composants formés de couches homogènes IV-1-5- Coefficient de transmission thermique IV-1-6- Composants formés de couches non homogènes
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IV-1-1- Résistance thermique pour une couche homogène • Elément porteur: béton, brique, terre… • Isolant: laine de verre, polyuréthane, polystyrène… • Parement: plâtre, enduit…
Densitéde flux de chaleur transmis à travers la couche d’épaisseur e:
e
.T 1 T 2
T1, T2 : températures des surfaces : conductivité thermique
IV-1-1- Résistance thermique pour une couche homogène (suite) • peut être la conductivité thermique équivalente
dans le cas où une part de la chaleur est transmise par convection (matériau poreux ) ou par rayonnement (transparence) • Par analogie à la loi d’Ohm en électricité: U = RI on définit la résistance thermique de la couche:
T R
avec R
e
m C / W 2
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IV-1-2- Résistance des couches limites • L'échange de chaleur entre une surface et son
environnement se fait par: → rayonnement vers les surfaces environnantes →convection-conduction dans l'air.
s hr hc T hr : coef. de transfert de chaleur par rayonnement hc : coef. de transfert de chaleur par convection T : différence de température entre surface et environnement
IV-1-2- Résistance des couches limites (suite)
• Coefficient d’échange superficiel: hs hr hc • Résistance superficielle: Rs
1 hs
T Rs . s
• Rs est normalisé en fonction des configurations: → paroi intérieure: Rsi, hsi → paroi extérieure: Rse, hse
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IV-1-2- Résistance des couches limites (suite)
IV-1-3- Lames d'air • La résistance thermique d’une lame d’air non ventilée, Rg, dépend de la convection libre à l’intérieur de la lame et du rayonnement
thermique entre les faces qui la délimitent. • Pour une lame d’air mince ( L et l > 10 x e ):
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IV-1-3- Lames d'air (suite) • Si la lame d’air est fortement ventilée, elle est
considérée comme milieu extérieur avec un hs = 8 W/m2K → on arrête les calculs à la lame. • Si la lame d’air est faiblement ventilée, on adopte une valeur intermédiaire • 0n attribue à la lame d’air une conductivité thermique équivalente ’ telle que : e Rg '
IV-1-4- Composants formés de couches homogènes • Couches homogènes perpendiculaires au flux de chaleur → analogie électrique, résistances en série: Rt
nh
na
R R j
j 1
gk
de surface à surface
k 1
nh : nombre de couches homogènes na : nombre de lames d’air RT Rsi Rt Rse d ' environnement à environnement
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IV-1-5- Coefficient de transmission thermique U
1 RT
à ne pas confondre avec la conductance thermique: K
Ainsi:
1 Rt
U T i T e
IV-1-6- Composants formés de couches non homogènes • Découpage du composant:
On découpe le composant en sections et en couches de manière à obtenir des parts homogènes:
Am: surface de la section m Rm: résistance section m Rmj: résistance de la couche j dans la section m
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IV-1-6- Composants formés de couches non homogènes (suite) • Hypothèse 1: On suppose que les lignes de
flux sont perpendiculaires aux surfaces: m T
Am Rm
T avec Rm
A
m
R 'T
1 U m
Rmj
Am T m T Rm
On a alors : R 'T
A m
U . A m
m
val. appr . par défaut
IV-1-6- Composants formés de couches non homogènes (suite) • Hypothèse 2: On suppose que tous les plans parallèles aux surfaces sont des isothermes:
On calcule la conductivité thermique moyenne d’une couche non homogène : m . Am ' '
A
e j
m
La résistance thermique de cette couche est alors: R j ' ' La résistance thermique totale est : R"T Rse R j Rsi valeur approchée par excès
• On retient la valeur moyenne: R T
R'T R"T
2
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IV-2- Ponts thermiques IV-2-1- Définition IV-2-2- Déperditions de chaleur dues aux ponts thermiques IV-2-3- Autres effets des ponts thermiques IV-2-4- Comment éviter les ponts thermiques?
IV-2-1- Définition • Faiblesse de la résistance thermique • Discontinuité dans la couche isolante • Ponts thermiques géométriques (angles et coins) • Ponts thermiques matériels: un matériau conducteur
de la chaleur traverse la couche isolante. • P. th. linéaires (ex: dalle posée sur un mur porteur) • P. th. ponctuels (ex: barre de fixation métalique)
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IV-2-1- Définition (suite)
Pont géométrique
IV-2-1- Définition (suite)
Ponts matériels
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IV-2-2- Déperditions de chaleur dues aux ponts thermiques a) Pont s liné iques: On attribue au pont un coefficient de transmission linéique tq: l. .T i T e l : longueur du pont (ex: périmètre de la dalle) [W/mK] est normalisé selon le type de pont: → dalle de balcon,…: max = O.30 W/mK → appui de fenêtre contre le mur (linteau…): max = O.10 W/mK
IV-2-2- Déperditions de chaleur dues aux ponts thermiques (suite) b) Pont s ponctuels: De même, on attribue au pont un coefficient de transmission ponctuel χ tq: .T i T e
La valeur maximum de χ est de: χ = 0.30 W/K
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IV-2-3- Autres effets des ponts thermiques a) Condensation : Quand la température de surface intérieure devient inférieure ou égale au point de rosée de l’air intérieur (Ti ≤ Tr), la vapeur d’eau
contenue dans l’air se condense sur la surface → humidité…coulures…tâches
IV-2-3- Autres effets des ponts thermiques (suite) : b) M oisissures • Si l’humidité relative de l’air dépasse localement près de la surface la valeur de 80% pendant une longue durée, alors des moisissures (champignons) peuvent croître sur cette surface. • Ces dégâts peuvent apparaître même loin du pont thermique si la température de la surface intérieure est trop faible(faible isolation) ou si l’humidité intérieure est trop élevée(nombreuses sources d’humidité et faible aération)
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b) M oisissures : (suite)
IV-2-4- Comment éviter les ponts thermiques • La plupart des ponts thermiques peuvent être évités en
posant l’isolation à l’extérieur de structure porteuse:
Isolation inté rieure
Isolation exté rieure
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IV-2-4- Comment éviter les ponts thermiques (suite) • L’isolation extérieure permet en plus d’augmenter « l’inertie thermique » de la paroi qui caractérise la lenteur de la transmission du flux de chaleur →
amélioration du confort d’été et meilleure utilisation des gains solaires passifs en hiver. • On peut également limiter les dégâts des ponts thermiques en les traitant de façon à augmenter leur température superficielle , quitte à perdre de l’énergi
IV-3-Transmission thermique des fenêtres Coefficient de transmission thermique global d'une fenêtre: U v : coefficient de transmission thermique du vitrage Av : aire du vitrage (partie transparente) U c : coefficient de transmission thermique du cadre Ac : aire du cadre Lv : périmètre total des vitrages;
: coefficient de transmission thermique linéique du cadre du vitrage.
ψ c
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IV-3-Transmission thermique des fenêtres • Lv dépend du profil écarteur du vitrage (l x H) U v = 1.2 W/m2K
Lv = 2H + 2l pour la première fenêtre, à un seul vitrage Lv = 4H + 2l pour la deuxième fenêtre, à deux battants Lv = 4H + 6l pour la troisième fenêtre, à petits bois
V- BILAN THERMIQUE DU BATIMENT V-1- Bilan énergétique V-2- Bilan thermique instantané V-3- Bilan thermique moyen V-4- Déperditions V-4-1- Déperditions par transmission V-4-2- Déperditions par renouvellement
V-5- Apports d'énergie solaire et gains internes V-5-1- Gains solaires passifs V-5-2- Gains internes
V-6- Besoins de chauffage
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V-1- Bilan énergétique • Le bilan é ner gé tique du bâtiment est basé sur le
fait que pratiquement toute l'énergie entrant dans un bâtiment finit par être transformée en chaleur. Étant donné qu'en moyenne, l'intérieur du bâtiment est à température constante, toute cette énergie finit par en sortir . • Le bilan é nergé tique est une comptabilité des entrées et sorties d’énergie du bâtiment pendant une période donnée (année, mois, saison)
V-1- Bilan énergétique (suite)
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V-1V-1- Bilan Bilan énerg énergét étiqu ique e (suite) • Si le bilan concerne un projet, projet, on trouve la consommation prévisible du vecteur
énergétique principal en équilibrant le bilan. • Si le bilan concerne un bâtiment existant, existant, le défaut d'équilibrage peut être dû à une hypothèse fausse (par exemple sur le taux de renouvellement d'air) qui peut alors être corrigée.
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V-1V-1- Bilan Bilan énerg énergét étiqu ique e (suite) • Si l'on connaît l'importance de telle ou telle perte,
on peut chiffrer l'effet de sa réduction. Par exemple, l'effet d'une augmentation de l'épaisseur d'isolant dans une façade peut être chiffré si l'on connaît la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir un climat intérieur confortable derrière cette façade pendant une année. • On classe les mesures qu’il est possible de prendre par ordre de rentabilité, rentabilité, et on choisit un ensemble cohérent de mesures en fonction des disponibilités financières.
V-2- Bilan thermiqu thermique e instant instantané ané • Le bilan thermique instantané du bâtiment exprime
qu’ à tout instant, instant, la chaleur produite dans le bâtiment est: → soit évacuée ou perdue à l'extérieur, → soit stockée momentanément dans le bâtiment. • Cela entraîne la résolution d’un système dynamique concernant les centaines d’éléments constituant le bâtiment, avec les 4 modes de transfert de chaleur, couplées aux conditions limites ( météo…) et aux conditions initiales → simulation numérique et
programmes complexes
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V-2- Bilan thermique thermique insta instant ntané ané (suite) La puissance nécessaire pour le chauffage Pc est égale à la somme des pertes (transmission,renouvellement) moins les gains solaires et les gains internes, plus la chaleur accumulée dans le bâtiment: La consommation d'énergie durant une période de temps donnée s'obtient en intégrant la puissance de chauffage sur cette période, mais seulement pendant les instants où cette puissance est positive:
V-3V-3- Bilan Bilan thermiqu thermique e moyen moyen • 0n adopte l'approximation quasi-stationnaire, quasi-stationnaire ,
qui consiste à admettre qu'en moyenne, les flux de chaleur transférés à l'extérieur du bâtiment sont égaux aux flux de chaleur qui seraient transférés transférés si les températures intérieures et extérieures étaient constantes et égales aux températures moyennes pendant la période considérée.
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V-3- Bilan thermique moyen (suite) • La consommation d'énergie de chauffage est
calculée par la relation: Qc Qt Qr Qs Qi Qt : déperditions par transmission Qr : déperditions par renouvellement d’air Qs : gains solaires Qi : gains internes
: facteur d’utilisation Qs Qi : gains utiles η
V-3- Bilan thermique moyen (suite) • Le terme η (<1) est un terme correctif qui tient
compte de l’évacuation des surchauffes (baisse des rideaux , ouverture des fenêtres…) • Le terme S a disparu car en moyenne sur une période de temps suffisamment longue, la quantité d'énergie stockée dans la structure a été pratiquement entièrement utilisée. • On calcule le bilan pour chaque mois, puis on fait la somme sur l’année.
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V-4- Déperditions La quantité de chaleur globale perdue dans le bâtiment:
Qdép Qt Qr H dép T i T e t - Qdép : déperditions totales - Qt Q:r : déperditions par transmission et renouvellement - H dép : coefficient de déperditions global du bâtiment - T i , T e : températures intérieure et extérieure moyennes pendant la période de calcul t (en principe le mois)
V-4- Déperditions (suite) Qt H t T i T e t
H dép H t H r Qr H r T i T e t H t : coefficient de déperditions par transmission H r : coefficient de déperditions par renouvellement
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V-4-1- Déperditions par transmission H t H d H s H n • H t : coefficient de déperditions par transmission • H d : coefficient de déperditions par transmission
directe à travers l’enveloppe du bâtiment:
• H s : coefficient de déperditions par le sol (dalle
sur sol, dalle sur vide sanitaire, sous sol chauffé…) • H n : coefficient de déperditions par transmission à travers les espaces non chauffés(ex: grenier)
V-4-1- Déperditions par transmission (suite) A :aire du sol situé sous le bâtiment
U0 :coefficient de transmission thermique apparent fonction d’une grandeur caractéristique du bâtiment: P : périmètre en contact avec le sol U0 est déterminé à l'aide de formules empirique et normalisée adaptées à chaque situation.
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V-4-1- Déperditions par transmission (suite)
V-4-2- Déperditions par renouvellement L'aération des bâtiment → dépense d'énergie pour: - chauffer, refroidir et conditionner l'air extérieur afin d'amener sa température et son taux d'humidité à des valeurs confortables - déplacer l'air frais et l'air vicié. La consommation d’énergie pendant la période de temps t considérée est:
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V-4-2- Déperditions par renouvellement (suite) • m : masse d'air ayant traversé le bâtiment pendant la période t • ΔH : la différence d'enthalpie entre l'air intérieur et l'air extérieur (quantité d'énergie qu'il faut pour varier sa température et son degré d'humidité) • ρ : masse volumique de l'air • V : débit volume d'air • ηr : rendement de récupération de chaleur sur l'air évacué.
V-4-2- Déperditions par renouvellement (suite)
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V-4-2- Déperditions par renouvellement (suite)
• Dans le cas où on n’agit pas sur l’humidité de
l’air extérieur (bâtiment non climatisé), la demande d’énergie se restreint à celle nécessaire pour le chauffage: t c pT Qr mc pT i T e1r m i T e 1r Ainsi :
c 1 c p 1r V H r m p r
V-5- Apports d'énergie solaire et gains internes • L’apport global Q g d’énergie dans le bâtiment, autre
que celle obtenue par le chauffage est constitué:
– des gains solaires passifs Q s (captage d’énergie solaire ne
nécessitant pas d’énergie extérieure) – des gains internes Qi (chaleur humaine et animale et celle des appareils et de l’éclairage artificiel)
• Le gain global:
Qg Qs Qi
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V-5-1- Gains solaires passifs Les surfaces de capt age, permettant de transformer le rayonnement en chaleur, utilisées dans le bâtiment, sont: a) Les surfaces transparentes des fenêtres et portes b) Le sol et les murs des serres et vérandas c) Les parties opaques (façades, toiture), surtout si elles sont recouvertes d'une isolation transparente ou d'un vitrage (murs Trombe)
V-5-1- Gains solaires passifs (suite) • Les apports solaires dépendent de: – l'ensoleillement normalement présent sur le site
concerné, – l'orientation des surfaces réceptrices, – l'ombrage permanent (feuillage, autres bâtiments, relief…) – des caractéristiques de transmission et d'absorption solaires des surfaces réceptrices.
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V-5-1- Gains solaires passifs (suite) • Pour une période de calcul donnée:
– orientations j, et surfaces n qui captent le rayonnement solaire dans l’orientation j
– I sj : irradiance solaire (énergie totale, sur la période de calcul, du rayonnement solaire global incident sur une surface unitaire ayant l'orientation j)
– A sn j : aire réceptrice équivalente de la surface n ayant l'orientation j(aire d'un corps noir conduisant au même apport solaire que la surface considérée).
V-5-1- Gains solaires passifs a) Elé ment s d’enveloppe t ransparent s L'aire réceptrice équivalente As d'une paroi vitrée est: A s = A.FS .F F .g – A : aire de la surface réceptrice n (ex: aire de la fenêtre) – FS : facteur d'ombre de la surface n (rapport de l’irradiance avec ombrage permanent à l’irradiance sans ombrage) – F F : facteur de réduction pour les encadrements des vitrages(rapport de l'aire de la surface transparente à l'aire totale An de la menuiserie vitrée) – g : coefficient de transmission énergétique de la surface n (rapport de la densité de flux thermique traversant un élément transparent, y compris la transmission secondaire de chaleur, au rayonnement incident global.
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V-5-1- Gains solaires passifs a) Elé ment s d’enveloppe t ransparent s (suite)
Ré partit ion du rayonnem ent solair e incident sur un vit rage
V-5-1- Gains solaires passifs a) Elé ment s d’enveloppe t ransparent s (suite) • g est la valeur de g pour une incidence normale des
rayons solaire. • Une correction est apportée à g pour tenir compte de l’incidence (0.85 pour un SV et 0.75 pour un DV clair) • g est fourni pour différents types de vitrages: Ex : SV: g = 0.82 DV clair: g = 0.69 DV avec vitrage absorbant: g = 0.19 à 0.44 DV avec vitrage réfléchissant: g = 0.15 à 0.3
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V-5-1- Gains solaires passifs b) Serres et vé randas • Ces espaces ne font pas partie du volume du
bâtiment concerné par le chauffage, mais la chaleurs qu’ils accumulent grâce à l’ensoleillement est transmise à l’intérieur du bâtiment par l’intermédiaire du sol et de la paroi séparatrice • Pour calculer leur apport,
il faut faire leur propre bilan thermique
V-5-1- Gains solaires passifs c) parois opaques • L’apport solaire des parois opaques est négligeable devant
les apports solaires totaux… • …à moins qu’elle soit dotée d’une isolation transparente ou d’un vitrage (mur trombe). L’aire réceptrice équivalente se calcule alors par:
As A.F S .F F .g . .
U U e
α : coefficient d'absorption de la surface absorbante
U : coefficient de transmission thermique de la paroi Ue : coefficient de transmission thermique externe de paroi; à l'extérieur de la surface absorbante
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Principe d'ut ilisation
de l'isol ation transparente
V-5-2- Gains internes • Ces gains de chaleur "gratuits" proviennent de: – la chaleur métabolique des habitants – et de la chaleur provenant des appareils, éclairage, etc.;
qui ne sont pas spécifiquement consacrés au chauffage.
• Leur détermination est normalisée en fonction: – du type d’habitation (logement, école, bureau…) – de la puissance électrique consommée
• Une méthode approximative consiste à leur
attribuer une valeur de 5 Watt par m2 de plancher chauffé
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