Transfert de chaleur dans le bâtiment 02

Exemple d’un calcul du coefficient k.

•Blocs pleins de béton (600 kg/m³):

ep.= 14cm - = 0.24 W/mK

•Laine minérale:

ep.= ?cm - = 0.04 W/mK

•Couche d'air moyennement ventilée:

ep.= 3cm - Ra = 0.08 m²K/W

•Parement en briques (1800 kg/m³):

ep.= 9cm - = 1.1 W/mK

Les transferts de chaleur dans les bâtiments

•Notions de base.

•Les trois modes de transfert de chaleur.

•Le bilan thermique d ’un bâtiment.

•Les pertes thermiques par transmission.

•Les pertes thermiques par ventilation.

•Les pertes thermiques par rayonnement.

•Les gains solaires.

•Les gains internes.

•La réglementation thermique.

Les pertes thermiques par ventilation.

L’air extérieur s’introduit dans le bâtiment•par ventilation (effet volontaire) •par infiltration (effet involontaire).

La ventilation assure le renouvellement sanitaire (apport d’air frais, évacuation des odeurs, etc.) nécessaire à la bonne santé de l'occupant. Elle peut être assurée •soit naturellement via des orifices d'amenée d'air frais et de rejet d'air vicié, •soit mécaniquement, par des bouches de pulsion et d'extraction.

Les pertes thermiques par ventilation.Par contre, les infiltrations d'air dans un bâtiment sont dues à des différences de pression engendrées

•soit par le vent,•soit par l'écart entre les températures intérieure et extérieure

Elles sont dues aux défauts d'étanchéité de l'enveloppe.

Les pertes thermiques par ventilation.

Les déperditions thermiques par ventilation sont donc proportionnelles : •au volume d'air réchauffé ou rafraîchi,•au taux de renouvellement d'air n (nombre de fois que le volume d'air est renouvelé par de l'air frais par heure, mesuré en h-1), et•à la chaleur volumique de l'air (chaleur nécessaire pour réchauffer 1 m³ d'air de 1 Kelvin, soit 0,34 Wh/m³.K).

Qv = 0.34 n V (Tint - Text).

Les gains solaires.

Le rayonnement solaire reçu par un bâtiment dépend•du climat et de ses variations journalières et saisonn.•de l'orientation du bâtiment•de la nature de ses surfaces et de ses matériaux•de la topographie du lieu•de l'ombrage, etc

Le soleil peut contribuer au chauffage des bâtiments en hiver,•par effet de serre au droit des parois vitrées•par réchauffement des parois opaques

Les gains solaires.Influence de l’orientation

Les gains solaires.Capter par les vitrages.

Le facteur solaire FS représente le pourcentage d’énergie solaire incidente, transmis au travers d’une paroi vitrée à l’intérieur d’un local.

Les gains solaires au travers d'un élément transparent sont fonction de l'angle d'incidence des rayons du soleil avec le vitrage et donc :

•de la latitude et la saison (pour la position du soleil) ;

•de l'orientation et l'inclinaison de la paroi

Les gains solaires.Capter par les vitrages.

Les valeurs indiquées ne sont représentatives que d’un angle d’incidence donné.

84100

8

int.ext.

45100

5

int.ext.

46100

39

int.ext.

vitrage clair

vitrage absorbant

vitrage réfléchissant

Facteur solaireFacteur solaire

6 2 1337 312 494958588686

Les gains solaires.Capter par les parois opaques.

Lorsque les rayons du soleil frappent une paroi opaque, une partie de l'énergie est absorbée tandis que le reste est réfléchi.

Les gains solaires au droit de l'élément opaque sont fonction

• de l'angle d'incidence des rayons du soleil (orientation et inclinaison de la paroi),

•de la couleur et de l'aspect de la surface du matériau utilisé.

Les gains solaires.Capter par les parois opaques.Coefficient d'absorption solaire.Une valeur approchée peut être déterminée en fonction de la couleur (surfaces lisses, unies).

Blanc 0,25 à 0,40Gris au gris foncé 0,40 à 0,50Vert, rouge et brun 0,50 à 0,70Brun au bleufoncé 0,70 à 0,80

Bleu foncé au noir 0,80 à 0,90

Coefficient d'absorption solaire de différents matériaux.Les nombres indiqués expriment la fraction de rayonnement solaireincident absorbé.Ardoise 0,89

Bétonpropreà moitié propresale

0,550,700,80

Bois clair (pin)foncé (traité)

0,600,85

Briques vernissée, blanche 0,26

Calcaire clairsombre

0,350,50

Grèsbeigegris clairrouge

0,540,620,73

Marbre blancsombre

0,440,66

Granit rougeâtre 0,55

Métaux

acier émaillé, blancaluminium policuivre, policuivre, terni

0,450,150,180,64

Plâtre 0,07

Les gains solaires.Capter par les parois opaques.

Evolution de la température sur la face externe d’une paroi sud, par ciel serein, le 15 juin, en Belgique, pour des coefficients d'absorption solaire suivants : 0,7 rouge et brun 0,45 gris 0,2 blanc

Les gains internes.

La règlementation.Pour le logement neuf, l'auteur de projet a le choix entre le respect

•d'un niveau K (niveau d'isolation thermique globale)

•ou d'une valeur Bemax (besoins nets en énergie pour le chauffage du bâtiment).

•dans tous les cas, des valeurs kmax des parois

à ne pas dépasser.

Bâtiment Construction neuve Transformation avecchangementd’affectation

Transformation sanschangementd’affectation

Logement K55 ou Be 450valeurs k max

K65Valeurs k max

-Valeurs k max

Bureaux et écoles K65Valeurs k max

K70Valeurs k max

-Valeurs k max

Eléments de la superficie de déperdition kmax(W/m²K)

Fenêtres et autres parois translucides, portes 3.5Murs et parois opaques verticales :- entre le volume protégé (VP) et l'air extérieur ou entre levolume protégé et un local non chauffé non à l'abri du gel- entre le volume protégé et un local non chauffé à l'abri dugel- entre le volume protégé et le sol

0,6

0,9

0,9Toiture entre le volume protégé et l'ambiance extérieure ouensemble de plafond + grenier + toiture 0,4

Plancher :- entre le volume protégé et l'air extérieur ou entre le volumeprotégé et un local non chauffé non à l'abri du gel- entre le volume protégé et un local non chauffé à l'abri dugel- entre le volume protégé et le sol

0,6

0,9

1,2Paroi mitoyenne :entre deux volumes protégés ou entre appartements 1

Valeurs des coefficients kmax

Calcul du K >>uniquement pertes par transmission

Calcul du BE tient compte•des pertes par transmission,•des pertes par ventilation,•des apports internes (occupation, éclairage, appareils...)•des gains solaires,•de l'inertie du bâtiment.

Lorsque le résultat du calcul indique que le niveau K obtenu est supérieur à K55

•améliorer l ’isolation•faire le calcul du BE si le bâtiment peut profiter de gains solaires importants.

Tableau K

Tableau 1 BE

Avant de continuer les calculs du BE il faut juger si le lieu d'implantation du bâtiment permet de satisfaire à cette exigence.

La ligne d'horizon est relevée dans un secteur d'au moins 45° de part et d'autre de la normale tracée sur la façade projetée.

Lorsque la hauteur moyenne de l'horizon du secteur " vu utilement " par les fenêtres orientées SE - S - SW est trop élevée (par exemple angle>35° ) il n'est généralement pas utile d'essayer de satisfaire à l'exigence relative aux besoins nets en énergie.

Inclinaison par rapport à l'horizontaleOrientation

0 15 30 45 60 75 90S 138,2 157,5 168,0 172,7 168,5 158,3 140,2

SSE - SSW 138,2 154,3 164,8 168,0 163,8 151,9 134,0SE - SW 138,2 150,4 157,7 157,7 151,1 139,3 125,0

ESE - WSW 138,2 143,2 144,2 141,0 133,7 121,9 107,1E - W 138,2 136,1 132,4 125,3 117,1 105,3 92,8

ENE - WNW 138,2 127,4 117,4 107,9 97,3 87,1 75,4NE - NW 138,2 121,1 105,5 92,1 82,3 72,8 58,3

NNE - NNW 138,2 116,3 92,9 80,1 71,8 63,6 52,0N 138,2 111,8 80,7 68,1 61,3 54,8 46,7

Valeurs de Itmax (W/m²) en mars

Valeurs de Itmax (W/m²) en décembre

Inclinaison par rapport à l'horizontaleorientation

0 15 30 45 60 75 90S 21,3 38,4 46,2 57,1 60,0 60,8 61,4

SSE - SSW 21,3 37,3 44,8 55,0 59,3 58,1 57,2SE - SW 21,3 32,8 41,0 49,2 49,7 49,3 46,1

ESE - WSW 21,3 26,8 30,7 34,8 35,1 35,3 33,0E - W 21,3 21,3 21,1 21,3 21,4 21,9 20,6

ENE - WNW 21,3 17,8 16,2 15,8 15,4 14,9 14,0NE - NW 21,3 14,9 12,1 10,9 10,1 9,2 8,0

NNE - NNW 21,3 13,4 11,7 10,6 9,8 8,4 7,4N 21,3 12,3 11,4 10,5 9,7 8,2 6,9

Le facteur d'ombrage f1 dû à la fenêtre et aux écrans liés à la façade est déterminé en fonction des rapports surplomb X/hauteur de la fenêtre Z et séparation Y/hauteur de la fenêtre Z.

Calcul du facteur d ’ombrage f1.

Le facteur f1 est calculé pour les mois de mars et de décembre.

Calcul du facteur d ’ombrage f2.

Façade moy (°)NESW

12151112

Calcul de f2

f2 pour les fenêtres au rez-de-chaussée ou au premier étage.

Fenêtres situées au rez-de-chaussée (droite 1)Fenêtres situées au premier étage (droites 1 à 5)droite 1: a>200mdroite 2: a=200mdroite 3: a=100mdroite 4: a=50mdroite 5: a=20m

Calcul de f2

f2 pour les fenêtres au rez-de-chaussée ou au deuxième étage.

Fenêtres situées au rez-de-chaussée (droite 1)Fenêtres situées au deuxième étage (droites 1 à 5)droite 1: a>200mdroite 2: a=200mdroite 3: a=100mdroite 4: a=50mdroite 5: a=20m

La valeur de peut être déterminée à l'aide du graphique ci-contre. La courbe I3 est valable pour des maisons de construction traditionnelle (classe d'inertie I3)

La courbe I5 est valable pour des immeubles d'appartements (classe d'inertie I5).

Température moyenneextérieure : emem

Température deconfort : imim

Température sanschauffage (avecapports solaires) :scsc

Effet des gainsinternes :Température denon-chauffage ncnc

J A S O N D J F M A M J0

5

10

15

20 °C

emem

imim

scsc

ncnc

30 jours

Degrés-jours éq.en nov.

Saison de chauffe

10,5 °C

Degrés - jours équivalentsDegrés - jours équivalents en novembre : en novembre :

10,5 °C x 30 j = 315 dj10,5 °C x 30 j = 315 dj

Régime statique et régime dynamique.

En régime thermique permanentla température en un point d'une paroi ou d'un local est indépendante du temps, et donc indépendante •des variations climatiques •des variations des caractéristiques de l'ambiance intérieure.

En réalité le régime thermique est dynamique dû•aux variations climatiques•à l’évolution des températures intérieures

Dans la réalité, tout bâtiment a un comportement thermique dynamique principalement dû

aux variations climatiques extérieures

•température

•rayonnement solaire

•vent

aux régimes d’occupations intérieures

•températures de consigne

•comportement des occupants

(ventilation, apports internes,….)

•installation de chauffage et de régulation

Influence des conditions climatiques.Température

- action directe perte par infiltration et ventilation

- action indirecte évolution de la temp. dans les parois

Rayonnement solaire

- action directe captage par les fenêtres puis stockage dans les murs et planchers

- action indirecte absorption par les parois opaques

Vent

- action directe taux d ’infiltration et de ventilation

- action indirecte le coefficient de transmission de surface est fonction de la vitesse du vent

influence sur la temp. dans les parois

La température.

La température.

Influence directe

Influence indirecte

La température.

L’ensoleillement.Influence directe

L ’ensoleillement.Influence directe

L ’ensoleillement.Influence directe

L ’ensoleillement.Influence indirecte.

Le vent.

Le vent.Influence directe.

Influence indirecte.

he = 8.1 + 3,6 v en W/m² K

Simulations avant conception impact de différents scénarios

éviter un mauvais scénario

Connaître les performances énergétiques d’un bâtiment nécessite des modèles complexes.

Développement de l’informatique milliers de modèles.But premier : nouveaux algorithmes, nouvelles méthodes, résultats précis..

Actuellement, effort pour rendre ces outils utilisables

Outils développés si rapidement difficile à suivre et à comprendre

Problèmes posés lors de l’utilisation des outils

nécessité d’avoir une bonne connaissance en thermiqueconnaître les hypothèseschoix des conditions initiales et des conditions frontièresnature aléatoire de certains imputs

fournir une réponse dynamique

Outils spécifiquesOutils globauxOutils destinés à l’enseignement

Outils spécifiques

phénomènes de transfert dans les parois opaques. transferts de chaleur dans les surfaces vitrées. phénomènes de transfert de masse  (ventilation, infiltration): problèmes du contrôle solaire microclimat autour du bâtiment lumière et éclairage naturel dans les bâtiments systèmes. composants solaires passifs. “ passive cooling ” et composants. confort thermique. traitement des données climatiques et solaires. qualité de l’air “ post-evaluation ” des performances d’un bâtiment

Modèles.Méthode statique - régime permanent ou stationnaire.

•Unizone (méthode des degrés-jours, K-BE)

•multizone (LPB4)

Méthode dynamique - régime dynamique

•unizone (SOLPA1)

•multizone (TRNSYS - MBDS)

méthode des degrés-jours équivalents.

36002434.0 équDJVAksDCC

ni

i

iéqu TscTncDJ1

PGiTiTnc

0GGRTeTsc

mois G/Go mois G/GoJanvier 67Février 72mars 67Avril 62Mai 60Juin 60

0,530,550,590,560,660,67

Juillet 58Août 62Septembre 58Octobre 67Novembre 68Décembre 75

0.630.620.690.560.500.52

Mois RJanvier 67Février 72Mars 67Avril 62Mai 60Juin 60Juillet 58Août 62Septembre 58Octobre 67Novembre 68Décembre 75

2.33.85.67.17.98.28.17.56.55.53.62.1