Chap 1 Notion Generales de Thermique Du Batiment [PDF]

Zitiervorschau

NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT PLAN I.

Définition et généralité A. Définition B. généralité Notions physiques et énergétiques A. Déperditions thermiques 1. La conduction thermique 2. La convection thermique 3. Le rayonnement thermique B. Caractéristique des matériaux 1. La conductivité thermique du matériau 2. La résistivité thermique du matériau 3. La perméance thermique d’une couche de matériau 4. La résistance thermique d’une couche de matériau C. La propagation de la chaleur à travers une paroi 1. La résistance thermique d’échange superficiel 2. La résistance thermique des couches d’air 3. La résistance thermique des couches de paroi 4. Le coefficient de transmission thermique d’une paroi

II.

"U" (ou anciennement "k") Conclusion I- Définition et généralité de thermique du bâtiment A- Définition La thermique du bâtiment est une discipline de la thermique visant à étudier les besoins énergétiques des bâtiments. Elle aborde principalement les notions d'isolation thermique et de ventilation afin d'offrir le meilleur confort thermique aux occupants. Elle aborde aussi les problématiques de fourniture d'énergie pour le chauffage et de production d'eau chaude sanitaire. B-

Généralité

L'ensemble des parties d'un bâtiment est soumis aux transferts thermiques, qui sont des échanges de chaleur entre le milieu chaud et le milieu froid EFFICACITE ENERGETIQUE DES BATIMENTSPage 1

NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT (généralement de l'intérieur vers l'extérieur). La connaissance et la maîtrise de ces transferts thermiques permet une gestion de la facture énergétique d'un bâtiment. La diminution de ces échanges thermiques permet de maintenir une température tempérée à l'intérieur du bâtiment en y apportant le moins d'énergie possible. Elle permet également d'orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire tout en visant un compromis entre coût énergétique et confort. Une étude complète nécessite de distinguer les sources de chaleur internes et externes au bâtiment, c'est-à-dire les parties actives, des parties passives comme les surfaces extérieures, les vitres, la toiture par exemple. II-Notions physiques et énergétiques A-

Déperdition thermique

Un échange de chaleur se produit entre deux milieux lorsqu'il existe une différence de température entre ces deux milieux. La chaleur se propage d'un milieu chaud vers le milieu froid par :   

conduction ; rayonnement ; convection ;

L'« enveloppe thermique » d'un bâtiment est la surface qui sépare le volume intérieur chauffé du bâtiment de l'environnement extérieur. Elle est définie par les parois extérieures du bâtiment. C'est autour de cette enveloppe qu'opèrent les échanges de chaleur, appelés aussi transferts thermiques, qui influeront sur les besoins de chauffage ou de rafraîchissement du bâtiment.

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NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT

Déperditions thermiques d'un bâtiment. 1.

Conduction thermique

La conduction thermique est la transmission de chaleur qui a lieu dans un seul et même corps lorsque ses parties présentent des températures différentes.

Loi de FOURIER Elle exprime le flux de chaleur à travers un élément de surface dS : grad T dS

n

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NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT dΦ = λgradT . ndS o

grad T définit la direction de la plus grande décroissante de T ;

o

dS = ndS ; n normale à l’élément de surface ;

o

λ conductivité thermique, dépend du matériau

Lorsqu’on étudie la propagation le long de l’axe (xx’), dΦ = - λ(dT/dx) u.dS = -λ(dT/dx)dSx Pour une surface plane entière S, perpendiculaire à l’axe, on a alors le flux total : Φ = - λSx (dT/dx) Remarque : o

En régime permanent, lorsqu’il n’y a pas de source de chaleur, la

température T(x,y,z) en tout point est solution de l’équation ∆T = 0 (appelée ‘‘équation de la chaleur’’) o

A noter également qu’à partir de ∆T = 0 on peut définir les lieux des

points tels que T(x,y,z) = Cte appelés ‘‘isothermes’’. Le mur de chaleur 

On considère l’espace compris entre 2 surfaces parallèles de

dimension grandes devant leur distance (surfaces ‘‘infinies’’)

X

X’ Direction

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NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT surface s

propagation de lumière e



On étudie la propagation perpendiculairement aux surfaces de ce

mur, c’est-à-dire selon l’axe (xx’). On néglige ainsi le flux de chaleur latéral). 

Toutes les surfaces S parallèles à S1 et S2, et situés entre elles, sont

à la même température (équipotentielles T(x) et traversées par le même flux Φ. 

On obtient pour le mur : R = e/ λ S

Comment limiter le flux de chaleur transféré de l’extérieur vers l’intérieur d’un mur d’habitation ? Autrement dit, comment réaliser un mur ‘‘isolé thermiquement’’ ? Réponse : 

Augmenter son épaisseur (e)



Diminuer la surface du mur (S) !!



Diminuer la conductivité (λ) du matériau constituant le mur : on

intercale par exemple de l’isolant thermique entre deux parois rigides en briques ; on peut aussi utiliser du bois au lieu de béton, etc.) La conduction thermique est donc le mode de propagation de l’énergie thermique à travers les matières. Les éléments qui constituent les matières reçoivent et transmettent l’énergie aux éléments voisins par contact. Toutes les matières ne transmettent pas l’énergie de la même façon. Certains, comme les métaux sont de bons conducteurs thermiques. D’autres comme le bois ou les matières synthétiques sont de médiocres conducteurs. EFFICACITE ENERGETIQUE DES BATIMENTSPage 5

NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT Parmi ces matières, les matériaux de construction seront eux aussi, plus ou moins conducteurs de l’énergie thermique. 2.

La convection thermique

La convection thermique est l’ensemble des facteurs essentiels de transmission de chaleur entre un solide et un fluide. 

Elle intervient à la limite de séparation des deux phases de nature

différente (solide/gaz : solide/liquide : liquide/gaz) 

Le transfert s’effectue en deux temps (ici on prend Ts > Tf) :

1ère phase : échange de chaleur par conduction entre les molécules de la surface solide et celles du ‘‘film’’ (mince couche de fluide au voisinage de la surface) ---->échange par conduction entre la paroi et le film. 2ème phase : les molécules du film se déplacent avec la chaleur transférée au niveau du film---->échange par déplacement de fluide.

Transfert par conduction

1ère phase

Déplacement du film

2ème phase



Il existe deux types de convection :



La convection naturelle : le film, partie de fluide en contact avec la

surface, se déplace naturellement : sa température est différente de celle du fluide en masse ; sa masse volumique est également différente. Ce qui implique un déplacement dû à la poussée d’Archimède on observe des EFFICACITE ENERGETIQUE DES BATIMENTSPage 6

NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT courants de convection. (EX. chauffage homogène d’un liquide dans une casserole, chauffage central sans accélérateur,…) 

La convection forcée : le mouvement du film est provoqué par une

circulation artificielle (pompe, turbine) du fluide. Le transfert est plus rapide que dans le cas de convection naturelle. (EX. : chauffage central avec accélérateur, chauffages électriques avec soufflerie,…) Loi de NEWTON 

Elle exprime l’interface solide/liquide de surface S : températures

Ts et Tf (on choisit ici Ts > Tf) : transfert dans le sens des températures décroissantes. 

Expression de la loi :

Φ = hS(Ts-Tf) 

h dépend : o

de la surface S :



qualité (rugueuse, lisse, etc.)



orientation (verticale, horizontale, oblique) o

du fluide : 

viscosité γ, masse volumique ρ, chaleur massique c



nature de l’écoulement (laminaire, turbulent)

Remarque : Les échanges seront d’autant meilleurs que le brassage du fluide sera effectif (d’où l’efficacité d’un écoulement tourbillonnaire par rapport à un écoulement laminaire). 3.

Le rayonnement thermique

Le rayonnement thermique est la chaleur échangée sans intermédiaire.

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NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT Tout corps, à la température T différente de zéro, émet des ondes électromagnétiques : on parle de ″rayonnement thermique″. A l’inverse, de même qu’il émet, un corps absorbe tout rayonnement incident. Les

deux

phénomènes,

émission

et

absorption,

interviennent

simultanément. Il faut alors faire le bilan. A l’équilibre thermique avec son entourage, un corps absorbe autant qu’il émet : son bilan énergétique est nul. Le corps noir (ou émetteur parfait ou radiateur intégral). Il obéit à la Loi de LAMBERT. C’est le corps qui, à température donnée T, émet le plus et absorbe le plus. Remarque : Puisqu’il absorbe tout, il ne réfléchit donc rien du rayonnement incident ; il apparait ″noir″ à température ordinaire. C’est un concept théorique Loi de KIRCHHOFF (balance absorption/émission). Un corps n’émet une radiation λ, à une température T donnée, que s’il est capable de l’absorber à la même température, et si le corps noir peut l’émettre à la même température. On définit l’absorptivité ou pouvoir absorbant : α (λ,θ,φ,T).

D’après la Loi de KIRCHHOFF : EFFICACITE ENERGETIQUE DES BATIMENTSPage 8

NOTIONS GENERALES DE THERMIQUE DU BATIMENT 2) Lλ,T= ελL0λ,T

1) αλ=ελ avec αλ