Aspects énergétiques et Confort thermique du Bétondocuments.epfl.ch/groups/l/la/laure-unit/www/jahia.img.colloque/3_S... · Colloque Béton « Energie et Confort Thermique » 2010

« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010

Lausanne, le 3 Juin 2010.

Prof. Dr Jean-Louis ScartezziniLaboratoire d’Energie Solaireet de Physique du Bâtiment

Aspects énergétiqueset

Confort thermiquedu Béton



Le béton : matériau de construction par excellence

Stresa, Lago Maggiore (Italia) Epalinges, Vaud (Suisse)



Structure de la présentation

• Introduction

• Propriétés thermo-physiques du béton

• Conduction de la chaleur et résistance thermique

• Comportement thermique dynamique

• Influence de la masse et de l’inertie thermique

• Conclusion



Camera Video

Matériaux deconstruction

Conductibilitéthermique λ[W/mK]

Aérogel 0.02

Laine de verre 0.04

Bois 0.15

Plâtre 0.2

Brique isolante 0.5Plot de cimentcreux 0.7

Verre 0.8

Béton 1.5

Matériaux de construction – Résistance thermique

RT = d ⁄ λ [m2K/W]

d [m] : épaisseur du matériauλ [W/mK] : conductibilité thermique

U = 1⁄ RT [W/m2K]



Aérogel (10 cm)

Laine de verre (20 cm)Bois (75cm)

Plâtre (1 m)Brique isolante (2.5m)

Verre (4m) Béton (7.5 m)

Plot de ciment creux (3.5m)

Epaisseur de matériaux conduisant à une résistance de 5 m2K/W (U = 0.2 W/m2K)

Matériaux de construction – Résistance thermique



Stockage de chaleur – Critères de qualité

• Quantité maximale de chaleur stockable par unité de volume

• Mécanismes d’échange de chaleur favorables

• Processus réversible sur un grand nombre de cycles

• Absence de toxicité et de risques d’incendie

• Matériau abondant à faible impact environnemental

• Matériau abordable d’un point de vue économique



2400 kg

2200 kg

1600 kg

500 kg

7800 kg

1000 kg

1 m3





Dépend autant de la capacitéthermique du bâtiment que du

niveau d’isolation

HC

Capacité thermiquedu bâtiment

Niveaud’isolationthermique

Inertie thermique – Facteurs d’influence



Rapport entre la capacité thermique C [kJ/K] et le coefficient de déperditions thermiques H [W/K] du bâtiment

!

"(t) = "0 # exp (- H/C # t)

HC

Inertie thermique – Constant de temps d’un bâtiment

!

" s[ ] =C J/K[ ]H W /K[ ]

!

d"

dt= #

H

C"



Inertie thermique – Constante de temps d’unbâtiment

Type de constructionMasse

spécifiqueMs [kg/m2]

CapacitéthermiqueC [kJ/K]

Constantede temps

τ

Construction massiveTout béton, isolation 25 cm 500 11’300 10 jours

Construction massiveTout béton, isolation 8 cm 500 11’300 8 jours

Construction massiveTout béton, isolation 8 cm

Moquette, faux-plafond300 5’300 3 jours

Construction légèreBois massif, façade vitrée 200 4’000 2 jours

Construction légèreBois mince, façade vitrée 100 2’000 24 heures

Serre horticole 35 600 8 heures

Local de bureau, surface de 20 m2, débit d’air frais de 30 m3/h.



30 m2 CapteursBiPV

(3 kW-p)

Systèmes anidoliques(FLJAV = 3%)

Double vitrageisolant sélectif(U = 1.1 W/m2K)

Contre-cœurmélèze

(U = 0.85W/m2K)

Bâtiment solaire expérimental LESO – Rénovation 1999



Bâtiment expérimental LESO – Gains solaires et internes



Bâtiment expérimental LESO – Masse thermique

Local de bureau, surface de 18 m2 (ciel serein) Idem (ciel couvert)



Bâtiment expérimental LESO – Accumulation enplafond



Inertie thermique – Amortissement des variations

ExtérieurIntérieur

Stockage dechaleur

Amortissementdes variations

Variationsjournalières

detempérature



Profondeur de pénétration – Facteurs d’influence

Pour que la chaleur pénètre dans un matériau, il faut :• une grande conductibilité thermique λ [W/m·K]

Pour qu'elle pénètre vite et loin dans un matériau, il faut:

• une faible chaleur thermique massique c [kJ/kg·K]• une faible masse volumique ρ [kg/m3]

Diffusivité thermique

!

a ="

#cm2! s[ ]



!

"(x, t) = "0 # exp($%

a# T# x)# cos(

2%

T# t $

%

a# T# x)

= "0 # exp($x /&)# cos(2%

T# t $ x /&)

Conditions au bord :

• Q(0,t) = q0· cos(2π/T·t) - > Régime harmonique• Q(∞,t) = 0 - > Milieu semi-infini

Solution de l’équation :

!

d"

dt= a # $2" +

1

% cQ

Diffusion de la chaleur – Sollicitations harmoniques

Equation de la chaleur (Fourier, 1811) :

θ(r,t) [K] : Variation de température Q(r,t) [W/m3] : Source de chaleur



!

"P

=aT

#

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0 1 2 3x/ !

Tem

pér

ature

rel

ativ

e .

x /δP

Profondeur de pénétration – Sollicitations harmoniques

Tem

péra

ture

norm

alis

ée

Amortissementd’un facteur égal à1/e = 0.37 pour x =

δP

Déphasagedans le temps



Matériaux de construction – Profondeur de pénétration

0

1

2

3

4

5

0 500 1000 1500 2000 2500Masse volumique [kg/m?]

Pén

étra

tion e

n u

n a

n [

m]

.

0

5

10

15

20

25

Pén

étra

tion e

n u

n jour

[cm

] .

IsolantsBéton, pierre

Bois Eau Torchis

Neige

Masse volumique[kg/m3]

Pro

fond

eur d

e pé

nétra

tion

annu

elle

[m]

Pro

fond

eur d

e pé

nétra

tion

jour

naliè

re[c

m]



8

20

6

6

20

RT (STAT) RT (DYN) Amortissement

Déphasage

2.5 m2K/W 2.5 m2K/W 1.3 2.9 h

2.0 m2K/W 6.7 m2K/W 3.6 7.8 h

2.0 m2K/W 12.8 m2K/W 75.9 9.2 h

Comportement thermique - Régime stationnaire(hiver)

Régime dynamique (été)



!"

#$%

&'!"

#$%

&=!

"

#$%

&

1

1

2221

1211

2

2

qZZ

ZZ

q

((

Matrice de transfert thermique (couche n)

• Z11 : relation entre les variations de température sur les deux facesde l'élément (en absence de variations de q1)

• Z21 : variation du flux thermique sur la face 2 résultant d'unevariation de température sur la face 1 (en absence de variations deq1)

• Z12 : variation de température sur la face 2 résultant d'une variationdu flux thermique sur la face 1 (en absence de variation de θ1)

• Z22 : relation entre les variations de flux thermique sur les deuxfaces de l'élément (en absence de variation de θ1)

Mur multi-couches – Sollicitations harmoniques



23

Calcul de la matrice de transfert thermique d'un mur multi-couches(transmission de la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur) :

Z = Ze · Zn · Zn-1 · ... · Z1 · Zi

Zi : matrice de transfert de la couche limite intérieureZj : matrice de transfert de la couche n (n = 1 pour la couche

intérieure)Ze : matrice de transfert de la couche limite extérieure

!

" ext

qext

#

$ %

&

' ( =

Z11

Z12

Z21

Z22

#

$ %

&

' ( )

"int

qint

#

$ %

&

' (

Mur multi-couches – Sollicitations harmoniques



Mur multi-couches – Capacités thermiquesdynamiques

ExtérieurIntérieur

Stockagedynamique de

chaleurimportant

Stockagedynamique de

chaleurfaible



Conclusion

• L’inertie thermique importante du béton offre divers avantages :

- Meilleure utilisation des gains solaires (stockage de chaleur)

- Réduction de la puissance de chauffage (apport intermittent)

- Température intérieure plus stable (confort hivernal)

- Déphasage des pointes de température (confort estival)

- Possibilités de ventilation nocturne (stockage du froid)

• L’absence d’inertie thermique intérieure a pour inconvénients :

- Faible amortissement des variations de température extérieure

- Mauvaise utilisation des gains solaires (rejets de chaleur)



Avez-vousdes

questions ?

Merci de

votre attention

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