Chauffage Central - CALCUL DES DéPERDITIONS THERMIQUES - Élaboration Théorique

8/17/2019 Chauffage Central - CALCUL DES DéPERDITIONS THERMIQUES - Élaboration Théorique

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Fonds de formation professionnelle de la construction

MODULE 4.1A

CALCUL DES DÉPERDITIONSTHERMIQUES ÉLABORATION

THÉORIQUE

MANUEL MODULAIRE CHAUFFAGE CENTRAL


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2Numéro Dépôt légal: D/2013/1698/06


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Mise en perspective

Les manuels relatifs au chauffage central sont légion, mais ils sont la plupart du temps désuets ou tropthéoriques. La demande pour un guide pratique est dès lors grande. Le ‘Manuel modulaire Chauffagecentral’ a été rédigé à la demande de fvb-ffc Constructiv (Fonds de Formation professionnelle de laConstruction), sous l’impulsion de Roland Debruyne, président honoraire de l’ICS (Union belge desInstallateurs en Chauffage central, Sanitaire, Climatisation et Professions Connexes) et avec l’appui de laBOUWUNIE (la fédération flamande des PME de la construction).

Plusieurs enseignants, la Vlaams Agentschap voor Ondernemersvorming, Syntra Vlaanderen et plusieurs

entreprises ont uni leurs forces et constitué l’équipe de rédaction.Cet ouvrage de référence repose sur la structure de formation modulaire élaboré par le ServiceFormation professionnelle du Ministère flamand de l’Enseignement et de la Formation. Cette structurea elle-même été extraite du profil professionnel. Dès lors, certains volumes s’adresseront davantageà l’exécutant (monteur), tandis que d’autres intéresseront davantage le collaborateur d’entretien(technicien) ou le responsable (installateur). La structure actuelle, composée de modules et devolumes, figure sur le dos de ce manuel. Nous l’adapterons, si la formation l’exige, en cas d’ajout denouvelles techniques.

Ce livre alterne le texte et les illustrations, afin que son contenu vous soit également présenté demanière visuelle.

Chaque sujet débute par une description pratique, qui se rapporte à la réalité et aux principes del’apprentissage des compétences. Vous n’y trouverez en revanche aucun exercice pratique, car il nes’agit pas d’un manuel scolaire.

Indépendant du type de formation

Nous ambitionnons d’organiser une formation permanente; c’est la raison pour laquelle il s’agit d’unouvrage de référence pour plusieurs groupes cibles. Que vous soyez un élève, un participant à un coursde formation des classes moyennes, un demandeur d’emploi en formation, un chauffagiste désireuxde « rester dans le coup » ou un installateur désireux de rafraîchir ces techniques, vous y trouverezchaussure à votre pied

Une approche intégrée

L’installation durable est un des fils rouges de ce manuel. La sécurité, la santé, l’environnement, … sontparfois même abordés comme un thème distinct. Nous prévoyons en outre dans chaque volume unencadré séparé consacré aux sciences appliquées. Vous y trouverez également des extraits de normeset de publications du CSTC.

Robert Vertenueil,Président du fvb-ffc Constructiv

AVANTPROPOS

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MODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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© Fonds de Formation professionnellede la Construction, Bruxelles 2013

Tous droits de reproduction, de traductionet d’adaptation, par quelque procédé que cesoit, réservés pour tous les pays.

D/2013/1698/06

Rédaction

Coordination: Patrick Uten

Groupe de travail: Paul Adriaenssens Inge De Saedeleir Gustaaf Flamant René Onkelinx Jacques Rouseu

Textes: Frans Despierre Jacques Rouseu Patrick Uten

Dessins: Thomas De Jongh

Rélecture: René Onkelinx

Contact

Pour adresser vos observations,

questions et suggestions, contactez:

fvb-ffc Constructiv Rue Royale 132/5 1000 Bruxelles Tél.: 0032 2 210 03 33 Fax: 0032 2 210 03 99 website : ffc.constructiv.be

Contexte

Deux volumes ont déjà été rédigés sur le même sujet:

Module 4: Conception, dimensionnement et réglage des installations de chauffage central

Volume 1A - Calcul des déperditions thermiques : Elaboration théorique

Volume 1B - Calcul des déperditions thermiques : Mise en oeuvre pratique

Les principes ci-après ont présidé à la rédaction de ces volumes:• Le texte est basé sur les normes belges NBN B 62-002 (calcul des valeurs U), NBN 62-003 (calcul des déperditions thermiques) et NBN EN 12831• Nous n’avons pas tenu compte du niveau de la nappe phréatique;• Le calcul des déperditions thermiques s’eectue dans un contexte pratique;• les symboles s’inspirent également de EN 12831, du Rapport n° 1 du CSTC, ... (pas toujours très clair);

• Un exercice de calcul est proposé à l’aide de la maquette d’une maison, disponible auprès de fvb-c Constructiv;• Nous avons mis au point deux feuilles de calcul: Calcul de la valeur U et Calcul de la déperdition thermique, que nous avons automatisées au

maximum. Vous pouvez les télécharger sur notre site web: ffc.constructiv.be , dans la rubrique “publications”

Le présent manuel s’applique à la conception des installations de chauffage des maisons individuelles.


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TABLE DES MATIÈRES

AVANTPROPOS ................................................................3

TABLE DES MATIÈRES .................................................5

2. SYMBOLES UTILISÉS .............................................8

3. TRANSFERT DE CHALEUR ..........................113.1. Qu’est-ce que le transfert de chaleur? ............11

3.1.1. Transfert de chaleur par conduction ............ ........11

3.1.2. Transfert de chaleur par convection ....................12

3.1.3. Transfert de chaleur par rayonnement ................12

3.2. Température ....................................................................14

3.3. Confort thermique ......................................................14

3.3.1. Introduction ...............................................................14

3.3.2. Confort ........................................................................15

3.3.3. Paramètres de confort .............................................15

3.3.4. Activité ........................................................................15

4. CONCEPTS UTILISÉS POURLE TRANSFERT DE CHALEUR

DANS LES MURS .....................................................174.1. Coefficient de conductivité thermique

d’un matériau .................................................................17

4.2. Résistance thermique (Rm

) d’un matériauhomogène .......................................................................18

4.3. Coefficients d’échange thermique (h)en W / (m² • K) ..................................................................19

4.4. Résistance à l’échange thermique(R

se ou R

si) en (m² • K) / W ..........................................20

4.5. Coefficient de transmission thermique,

valeur U en W / (m² • K) .............................................21

4.6. Détermination schématique du coefficientde transmission thermique ...................................26

4.6.1. L’échange thermique ...............................................26

4.6.2. La transmission thermique .....................................27

4.7. Coefficient de transmission thermiquelinéaire la valeur ψ en W / (m • K) ........................28

4.8. Exemple pratique ........................................................29

4.9. Température et évolutionde la température dans la paroi ..........................304.9.1. Détermination de la température à un endroit

donné de la paroi (θw) ..............................................30

4.9.2. Calcul de l’évolution de la température

dans la paroi ...............................................................31

4.9.3. Courbe de température dans la paroi .................32

4.10. Calcul de Rvaleur idéale

...................................................33

5. NOTIONS IMPORTANTES EN MATIÈREDE TRANSMISSION THERMIQUE ............355.1. Flux thermique (Ф) .....................................................35

5.2. La quantité de chaleur (Q) .....................................366. FACTEURS IMPORTANTS POUR

LA TRANSMISSION DE CHALEUR ....376.1. L’isolation ...........................................................................37

6.1.1. Aspects généraux de l’isolation.............................37

6.1.2. Exigences à l’égard du matériau d’isolation .......38

6.1.3. Classification ..............................................................38

6.2. Vitrage (fenêtres et portes) ....................................39

6.2.1. Fenêtres et portes .....................................................39

6.2.2. Vitrage.........................................................................406.2.3. Doubles fenêtres (valeur U

w) ..................................42

6.3. Nœuds constructifs (ponts thermiques) .......43

6.4. Condensation sur les constructions ................44

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TABLE DES MATIÈRES

7. COEFFICIENT DE TRANSFERTDE CHALEUR H EN W/K .............................457.1. Généralités .......................................................................45

7.2. Coefficient de transfert de chaleur Hen (W/K) ............................................................................46

7.3. Coefficient de transfert de chaleur total (H T )

par transmission d’un bâtiment en W/K .... ..477.3.1. Coefficient de transfert direct de chaleur (H

D) par

transmission de l’espace chauffé d’un bâtiment

vers l’environnement extérieur, en W/K ..............487.3.2. Coefficient de transfert de chaleur par transmission

via le sol ou via des espaces non chauffés renfer-

més en tout ou en partie par le sol (Hg) en W/K ..49

7.3.3. Coefficient de transfert de chaleur par transmission(H

U) entre des espaces chauffés et l’environnement

extérieur via des espaces attenant non chauffés

(EANC) en W/K ...........................................................507.3.4. Coefficient de transfert de chaleur par transmis-

sion (HA) entre espaces chauffés et bâtiments

contigus, en W/K .......................................................52

7.4. Coefficient de transfert de chaleur (HV ) par

ventilation dans le volume protégé, en W/K ...53

8. DÉPERDITIONS DE CHALEURDANS LES BÂTIMENTS ....................................558.1. Objectifs et principes de la méthode

de calcul ............................................................................55

8.2. Procédure de calcul pour un local chauffé ..55

8.3. Données d’entrée ........................................................56

8.3.1. Températures extérieures θe..................................56

8.3.2. Températures intérieures θint

..................................56

8.3.3. Données relatives au bâtiment .............................578.3.4. Données relatives à la ventilation .........................57

8.4. Déperditions de chaleurd’un local (Φ

HL) en W ..................................................58

8.4.1. Déperdition de chaleur par transmission

d’un local (Φ T ) en W .................................................58

8.4.2. Déperdition de chaleur par ventilation

d’un local (ΦV ) en W ................................................59

8.5. Déperditions de chaleur totalesd’un local (Φ

HL) en W ..................................................59

8.5.1. Facteur d’accroissement

pour l’orientation (M0) ..............................................60

8.5.2. Facteur d’accroissement

pour les parois froides (Mcw

) ...................................60

8.6. Résumé des déperditionsde chaleur totales Φ

HL...............................................61

9. PEB PERFORMANCE

ÉNERGETIQUE DES BÂTIMENTS ......639.1. Décret d’application ..................................................63

9.2. Qu’est-ce que la performanceénergétique d’un bâtiment? ................................65

9.3. Obligations en matière de PEB............................66

9.4. Résumé ..............................................................................67

10 RÉFÉRENTIEL .............................................................6910.1. Valeur U

w d’une fenêtre .........................................69

10.2. Condensation ..............................................................70

10.2.1. Condensation superficielle ..................................70

10.2.2. Facteur de température (f)...................................72

10.2.3. Quelques exemples de matériaux d’isolation ...73

11. SCIENCES APPLIQUÉES .............................8311.1. Condensation ..............................................................83

11.2. Tension de vapeur ....................................................84

11.3. Diffusion de la vapeur d’eau ..............................85

11.4. Anodisation ..................................................................86

11.5. Emaillage ........................................................................86

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2. SYMBOLES UTILISÉS

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2. SYMBOLES UTILISÉS

Symbole Description unité

θ température °C

T température K

θe

température extérieure °C

θint

température ambiante, température intérieure (auparavant θi) °C

θv

température de départ de l’eau (chaudière) °C

θr

température de retour de l’eau (chaudière) (auparavant θt ) °C

θin

température d’entrée de l’eau (corps de chauffe) (auparavant θi ) °C

θout

température de sortie de l’eau (corps de chauffe) (auparavant θU ) °C

Δθ = ΔT écart de température °C ou K

Δθr

écart de température de l’eau dans le radiateur °C ou K

Δθ50

75/65/20 Δθ60

: 90/70/20 °C ou K

θink

température d’entrée de l’eau dans le circuit °C

θoutk

température de sortie de l’eau du circuit °C

θkring

température de mélange de l’eau dans le circuit °C

θw

température locale dans la paroi °C

c chaleur massique, chaleur spécifique J/(kg.K)

Ψ coefficient de transmission thermique linéique de nœuds constructifs linéaires W /(m•K )

χ coefficient de transmission thermique caractéristique des nœuds constructifs W/K Φ flux thermique ou transmission à travers les parois du local W

ΦT

déperdition thermique par transmission W

ΦV

déperdition de chaleur par ventilation W

ΦHL

somme des déperditions de chaleur (= besoin de chaleur) du local W

Φtot

déperdition de chaleur totale de tous les locaux W

A surface m²

b largeur m

l longueur m

d épaisseur m

d densité relative --

ρ densité (de masse) kg/m3 ou kg.m-3

E émission de chaleur W

E 50

émission de chaleur normalisée W

h hauteur m

hse

coefficient d’échange thermique (extérieur,humide) W /(m²•K )

hsi

coefficient d’échange thermique (intérieur, sec) W /(m²•K )

H coefficient de transfert de chaleur W/K

H A

coefficient de transfert de chaleur total entre l’espace chauffé etles bâtiments attenants

W/K

H D

coefficient de transfert de chaleur direct total vers l’environnement extérieur W/K



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Symbole Description unité

H g

coefficient de transfert de chaleur total vers l'environnement extérieur via le solet via des espaces non chauffés (EANC) en contact avec le sol

W/K

H se

coefficient d’échange thermique humide W/K

H si

coefficient d’échange thermique sec W/K

H U

coefficient de transfert de chaleur total vers l’environnement extérieur via EANC W/K

H V

coefficient de transfert de chaleur par ventilation W/K

l longueur m

Mcw supplément pour parois froides --M

osupplément pour orientation %

nmin

taux de ventilation minimum au moyen d’air extérieur par heure (auparavant β) /h ou h -1

η rendement --

P puissance (quantité de chaleur par seconde) J/s =W

Q quantité de chaleur J

qv

débit volumique m³/h, dm³/h ou l/h

qm

débit massique kg/h

q50

débit d’eau massique normalisé dans une installation suivant E50

kg/h

qring

débit massique dans le circuit kg/h

qrad débit massique dans le radiateur kg/hq

tot débit massique total kg/h

R résistance thermique d’une paroi (m²•K )/W

Rg

résistance thermique pour couches d’air dans une paroi(inférieures ou égales à 300mm)

(m²•K )/W

Rm

résistance au transfert thermique d’une paroi homogène (m²•K )/W

Rsi

résistance à l’échange de chaleur intérieur (m²•K )/W

Rse

résistance à l’échange de chaleur extérieur (m²•K )/W

RT résistance thermique totale d’une paroi (m²•K )/W

RU

résistance thermique pour matériaux non homogènes oucouche d’air supérieure à 300mm

(m²•K )/W

U coefficient de transmission thermique W /(m²•K )V volume m³

Z perte de pression résistances locales Pa

ζ ou z coefficient de résistance pour convection par une résistance locale --

λU ou λ coefficient de conductivité thermique (conductibilité thermique) W /(m•K )

Σ somme de --

2. SYMBOLES UTILISÉS MODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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3.1 Qu’est-ce que le transfert de chaleur?

Le transfert de chaleur est une transmission de chaleur.La chaleur est une forme d’énergie qui peut être généréepar un frottement, la compression de gaz, la combustion(réaction chimique) ou la conversion d’énergie électrique(résistances).

Dans la technique de combustion; la chaleur est généréeexclusivement par une réaction chimique: la combustion decombustibles liquides ou gazeux.

La chaleur circule d’un niveau supérieur (température plushaute) à un niveau inférieur (température plus basse).

La quantité de chaleur dépend de la masse (kg), de la naturede la matière et de la différence de température entre lesmatières ou les corps (∆θ).

Le transfert de chaleur s’effectue par:• conduction• convection

• rayonnement

3.1.1 Le transfert de chaleur par conduction

Le transfert de chaleur par conduction passe de molécule(particule) en molécule. Les molécules peuvent faire partied’un même corps ou de différents corps. Le transfert dechaleur par conduction se produit également dans lesliquides et les gaz, au moment où les particules du fluideentrent en contact les unes avec les autres.

Il existe de bons conducteurs, p.ex. les métaux (cuivre, acier,aluminium).

Il existe de mauvais conducteurs, également appelésisolateurs, notamment le bois, la pierre, la porcelaine, l’air sec,l’isolation.

Le transfert de chaleur par conduction ne nécessite aucunmouvement. C’est un transfert de chaleur typique enprésence de matières solides.

3. TRANSFERT DE CHALEUR

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3. TRANSFERT DE CHALEUR MODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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3.1 Qu’est-ce que le transfert de chaleur?

3.1.2 Le transfert de chaleur par convection

Si vous chauffez une quantité d’air à pression constante, levolume d’air augmente. La densité de masse (ρ = masse / volume) diminue au fur et à mesure que la températureaugmente. L’air chaud monte et est remplacé par de l’airplus froid; ce mouvement produit une convection, c.-à-d.une circulation naturelle. L’air sert de support thermique,d’intermédiaire.

Les molécules d’air absorbent la chaleur et la transportent.Elles entrent ainsi en contact avec des molécules plus froidesauxquelles elles cèdent leur chaleur. Ce contact produit unpeu de conduction. Le transfert de chaleur s’intensifie quandla vitesse augmente (∆θ plus grand). L’évacuation de chaleurest plus forte par grand vent que quand il n’y a pas de vent.

L’évacuation de la chaleur augmente de la vitesse au carréquand il y a convection.

En technique de chauffage, nous tenons compte dece phénomène, notamment en attribuant un facteurd’orientation aux murs qui ont une exposition défavorable auvent.

3.1.3 Le transfert de chaleur par rayonnement

Ce transfert de chaleur s’effectue comme suit:

Tout corps dont la température est supérieure au

zéro absolu (0 K ou -273°C) émet des rayons dont lacomposition est comparable à celle de tous les autres rayonsélectromagnétiques (rayons lumineux). Mais ces rayons secaractérisent par une longueur d’onde croissante au fur et àmesure que la température du corps émetteur augmente.L’échange de chaleur par rayonnement se situe principalementdans la plage de longueur d’onde de 0,5 à 10 μm.

Le transfert de chaleur se produit dans la différence detempérature des deux rayonnements. Il n’est pas question icide mouvement ou de contact, et le phénomène se produitmême dans le vide, contrairement aux modes de transfertprécédents.

3. TRANSFERT DE CHALEURMODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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S’agissant pour des solides et des liquides, le phénomène se

limite à la surface. Dans le cas des gaz, le transfert de chaleurse produit dans une couche relativement épaisse du gaz.

La quantité de chaleur émise par rayonnement dépend nonseulement de la température mais aussi du type de matériau(conducteur, réfléchissant, absorbant) et de la qualité de lasurface rayonnante (rugueuse, lisse, polie).

Application dans la pratique

• Le transfert de chaleur est, en fait, un processus trèscomplexe. Il se déroule simultanément à plusieursniveaux, en fonction de l’élément chauffant et de l’espaceenvironnant.

• Si nous plaçons nos mains devant notre visage, noussentons très bien le rayonnement.

• Le cuivre poli dégage peu de chaleur alors que lerayonnement est dix-huit fois plus important avec ducuivre rugueux.

• Si vous voulez qu’un poêle dégage un maximum dechaleur, il faut le noircir.

• Le rayonnement de chaleur augmente fortement avec ladifférence de température.

• Les habitants des pays tropicaux portent des vêtementsblancs afin de réverbérer au maximum le rayonnementthermique du soleil.

• En présence de basses températures, nous ne sommesgénéralement exposés qu’au rayonnement de chaleur,tandis qu’à des températures élevées (le filament entungstène d’une lampe à incandescence), une partie del’énergie se transforme en lumière.

• Si vous chauffez un objet, il se peut qu’il émette desrayons lumineux visibles. La couleur de la lumière émise

dépend exclusivement de la température de l’objet.

3. TRANSFERT DE CHALEUR MODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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3.2 Température

3.3 Confort thermique

Notre sens du toucher constate facilement la différencede température entre deux objets. Nous exprimons cettesensation avec des expressions vagues, telles que chaud,tiède ou froid. Pour une observation plus précise, il faudrarecourir à un thermomètre à gaz, à liquide ou bilame.

La température sert à mesurer la chaleur ou le froid. Latempérature est la valeur mesurée d’un corps donné. Pourindiquer la température en °C, nous utilisons le symbole θ

(la lettre grecque thêta). Pour exprimer la température enKelvin, nous utilisons la lettre T majuscule. Les différences detempérature s’expriment à l’aide du symbole ∆θ (delta thêta)ou ∆T.

Les différences de température sont évidemment identiques,qu’on les exprime en degrés Celsius ou Kelvin.(Δθ = ΔT = 1°C = 1K)

3.3.1 Introduction

Le confort thermique se définit comme: ’l’état où l’êtrehumain est satisfait de son environnement thermique etoù il ne préfère pas un environnement plus chaud ou plusfroid’. Au repos ou lors d’une activité légère, il supporte sansdiculté une température ambiante d’environ 22 °C.

Le confort thermique joue un rôle important dans larégulation thermique humaine (régulation naturelle de latempérature).Des ‘paramètres de confort’ influencent cette régulationthermique. Nous pouvons les subdiviser en paramètresde climat intérieur (température de confort, températuremoyenne de rayonnement, vitesse de l’air et humidité) eten paramètres personnels (niveau d’activité et résistancethermique des vêtements).



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3.3.2 Confort

Les conditions thermiques d’une pièce de séjour doiventcréer un confort optimal pour les utilisateurs.Les conditions thermiques des autres locaux doiventgénérer un confort thermique optimal pour les utilisateurset les visiteurs, et réaliser les températures nécessaires auxprocessus industriels.

L’être humain possède un mécanisme de régulation quimaintient une température corporelle constante (37 °C chezune personne au repos).

3.3.3 Paramètres de confort

Se basant sur des expériences, le savant danois Fanger adéfini le confort thermique comme un jugement de valeur,sur une échelle de -3 à 3. Le confort optimal se situe à lavaleur 0 de cette échelle.

Lorsqu’un groupe de personnes se trouve dans un local, onpeut constater une valeur moyenne, connue sous le nom dePMV (predicted mean vote).

Fanger a établi, pour calculer le PMV, une équation basée surdes paramètres de confort.

3.3.4 Activité

En travaillant, nous produisons beaucoup de chaleurcorporelle (± 500 W ). Nous devons pouvoir transmettre sanseffort cette chaleur à l’environnement. C’est pourquoinous adaptons la température ambiante ou notre

habillement à nos conditions de travail. Le tableau ci-contreprésente un classement de valeurs indicatives pour laproduction de chaleur et le métabolisme sur base du niveaud’activité.

descriptionactivité

productionde chaleur

W / m²

facteur decomparaison pour

le métabolisme

repos (couché) 80 0,8

repos (assis) 100 1,0

repos (debout) 110 1,2

activité assise 120 1,2

activité faible 170 1,7

activité moyenne 300 2,8

activité élevée 700 4,0



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La résistance thermique des vêtements (valeur clo).

Les vêtements constituent une résistance thermique (voirplus bas) entre le corps et l’environnement.Vous pouvez influencer votre confort thermique en adaptantvotre habillement. La résistance thermique des vêtements estexprimée par l’unité “clo“ (1 clo = 0,155 (m²•K)/W).

Nous distinguons les paramètres suivants pour le climatintérieur:

• la température de l’air (θint

);• la température moyenne de rayonnement;• la vitesse relative de l’air;• l’humidité de l’air.

Le PMV est donc une grandeur de calcul qui prédit la valeurmoyenne de l’évaluation par un grand groupe de personnes.Ces dernières se prononcent sur leur perception thermiquede leur environnement à l’aide de l’échelle à sept pointssuivante:

Comme la sensibilité n’est identique à chaque personne,il est impossible de créer des conditions thermiques quisatisfassent tout le monde. Par contre, il est possible despécifier des conditions thermiques propres à satisfaire un

pourcentage donné de personnes.


Valeur chiffrée

du PMVPerception

+ 3 brûlant

+ 2 chaud

+ 1 un peu chaud

0 neutre

- 1 un peu froid

- 2 frais

- 3 froid



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4.1 Coefficient de conductivité thermique d’un matériau1

4. CONCEPTS UTILISÉS POUR

LE TRANSFERT DE CHALEUR

(λUi

of λUe

) en W / (m•K).

Tout matériau est plus ou moins conducteur de chaleur. Lesmatériaux peu conducteurs de chaleur s’appellent matériauxd’isolation ou isolants. La valeur d’isolation dépend de lanature, de la température et de l ’humidité du matériau utilisé(λ

Ui ou λ

Ue ). C’est une caractéristique spécifique du matériau.

Le coefficient de conductivité thermique est le flux dechaleur (= énergie) qui traverse un bloc (1m² x épaisseurde 1m ou 1m³) de matériau homogène à une différencede température de 1K. Nous le représentons par λ (la lettregrecque lambda) et nous l’exprimons en watt par m et parKelvin [ W / (m•K) ]. C’est ce que nous appelons par dénitionle coefficient de conductivité thermique.

Ces valeurs sont exprimées, pour les matériaux deconstruction les plus courants, sur base de la densité de

masse et des conditions d’humidité:

• la valeur λ est représentée par: λU ou λ

D ;

• les valeurs λU des matériaux de construction et d’isolation

sont déterminées suivant les principes de EN ISO 10456;• produits certifiés connus: valeurs λ

D déclarées,

déterminées de manière statistique par des conditions deréférence;

• valeurs de calcul λU, convergées vers des conditions

d’humidité propres au pays, et différentes selonl’utilisation en conditions intérieures ou extérieures

(facteurs de conversion).

Valeurs de calcul pour conditions intérieures et extérieures:• conditions intérieures (λ

Ui): dans les constructions

intérieures ou dans les constructions extérieures, s’iln’y a pas d’influence d’infiltrations d’eau de pluie, decondensation, d’humidité ascensionnelle, d’humidité deconstruction, de précipitations, etc.;

• conditions extérieures (λUe

); tous les cas où le matériaurisque d’être mouillé.

1 Pour un développement plus détaillé:voir NBN B 62-002 (2008).

4. CONCEPTS UTILISÉS POUR LE TRANSFERT DE CHALEUR

)( 12 uu f

DU ue

−

⋅= λ λ



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4.2 Résistance thermique (Rm

) d’un matériau homogène

La résistance thermique (1/λU ) est l’inverse du coefficient de

conductivité thermique (λU ) dans des conditions identiques,c.-à-d. une unité de volume (1m³) du même matériau.

La résistance thermique d’un matériau homogène estla résistance que le matériau offre au passage du flux dechaleur. résistance thermique =

Résistance thermique d’un matériau homogène en fonctionde l’épaisseur (d) in (m² • K) / W (résistance de passage desurface à surface d’un matériau homogène).

En fonction de la variation de l’épaisseur (d) ou du coefficientde conductivité thermique (λ

U ), la résistance thermique se

modifie comme suit:• La résistance thermique augmente proportionnellement

à l’épaisseur (directement proportionnelle).• Si le matériau isole davantage ou si le coefficient de

conductivité thermique (λU ) est plus petit, la résistance

thermique augmente (inversement proportionnelle).

Nous pouvons donc écrire ce qui suit:

ou en

où:d : l’épaisseur en m

λU : le coefficient de conductivité thermique

en (m • K) / W R

m : la résistance thermique d’un mur homogène

en (m² • K) / W

Par mur homogène, nous entendons unmur dans lequel le transfert thermiquerépond, en conditions hivernales, à unmodèle unidimensionnel. D’un point devue macroscopique, les flux thermiquesy sont donc tous perpendiculaires auxsurfaces. Les murs homogènes peuventêtre constitués de matériaux isotropes ouanisotropes.Nous qualifions d’isotropes les matériauxconstitués d’élément dont les joints sontuniformément répartis (maçonnerie).

u

m

u

m

d Rd R

λ λ =⋅=

1W K m /)(

2



W K minu

/)(1

⋅λ

en


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4.3 Coecients d’échange thermique (h) en W / (m² • K)

L’échange thermique depuis l’environnement ou depuisune construction vers l’environnement peut s’opérer parconvection et par rayonnement. Il y a lieu de distinguerl’extérieur (h

se ) et l’intérieur (h

si).

Ces valeurs sont déterminées de façon expérimentale ettiennent compte des facteurs suivants:

• la vitesse de convection;• le coefficient de conductivité thermique des matières;

• la rugosité de la surface;• la température des deux surfaces;• la situation du mur et le sens du flux thermique.

Nous pouvons considérer:• h

se comme la somme des coefficients d’échange par

convection et par rayonnement vers l’environnementextérieur pour une humidité relative de 80% à 20 °C;

• hsi comme la somme des coefficients d’échange par

convection et par rayonnement vers l’environnementintérieur pour une humidité relative de 50% à 20 °C.

A l’extérieur, cet échange thermique par convection dépendde la vitesse du vent (5 et 30 W / (m² • K) ); à l’intérieur, il estdéterminé en ordre principal par la convection naturelle et sesitue entre 2 et 3 W / (m² • K). A l’extérieur, l’échange thermique par rayonnement s’effectueen direction du sol et de l ’air extérieur froid (ciel froid) et a unevaleur de ± 5 W / (m² • K). A l’intérieur, cet échange se fait endirection des autres murs.

Le coefficient d’échange thermique (hse

) est le fluxde chaleur échangé entre la face extérieure du mur et

l’environnent extérieur, par convection et par rayonnement,par unité de surface et par unité de différence detempérature, exprimé en W / (m² • K).

Le coefficient d’échange thermique (hsi) est le flux

de chaleur échangé entre la face intérieure du mur etl’environnent intérieur, par convection et par rayonnement,par unité de surface et par unité de différence detempérature, exprimé en W / (m² • K).




20/90

en

en

20

4.4 Résistance à l’échange thermique (Rse ou Rsi) en (m² • K) / W

Nous devons établir une distinction entre l’extérieur (Rse

) etl’intérieur (R

si ) du bâtiment.

Cette résistance est:• l’inverse du coefficient d’échange thermique (h);• fonction du sens du flux thermique;• fonction du déplacement d’air contre le mur.

est la résistance à l’échange thermique sur la surfaceextérieure.

est la résistance à l’échange thermique sur la surface

intérieure.

Rs en (m² • K) / W est la résistance à l’échange thermiqued’une couche d’air dans des châssis équipés de plusieurscouches de vitrage.

Rg en (m² • K) / W est la résistance à l’échange thermiqued’une couche d’air dans un mur dont d ≤ 300 mm.

Ru en (m² • K) / W est la résistance à l’échange thermiqued’une couche d’air dans un mur dont d > 300 mm.

R est l’inverse du flux thermique échangé, dans un étatstationnaire, entre le côté chaud et le côté froid de lacouche d’air, par convection, rayonnement et conduction.Nous calculons cette résistance par unité de surface et parunité de différence de température entre le côté froid et lecôté chaud de la couche d’air.

se

seh

R 1=

si

sih

R1

=


W K m /)( 2⋅

W K m /)( 2⋅



21/90

en

21

4.5 Coecient de transmission thermique, valeur U en W / (m² • K)

Le coefficient de transmission thermique (valeur U) est le fluxde chaleur qui passe, p.ex., entre les deux faces d’une fenêtre,d’une construction, d’un mur intérieur ou extérieur ayantune surface de 1m² à une différence de température de 1Ket est exprimé en W / (m² • K). La valeur U est l’inverse de larésistance thermique totale (R

T ).

La plupart des murs sont composés de couches de matériauxdifférents ayant chacun leurs caractéristiques spécifiques:λ

u (coefficient de conductivité thermique) et d (épaisseur).

Ils se composent de couches ayant chacune sa résistancepropre. Une couche peut aussi bien consister en un matériausolide (conduction) qu’en une coulisse ventilée ou non(transmission thermique par conduction mais aussi parconvection et par rayonnement).

Voulons-nous calculer la résistance thermique totale (R T )que le flux de chaleur rencontre au passage d’une fenêtre,d’une construction, d’un mur composé avec coulisse, d’unmur extérieur ou intérieur? Dans ce cas, nous devons tenircompte de toutes les résistances, de l’air intérieur vers l’airextérieur, en ce compris les résistances de transfert R

si et R

se.

La résistance thermique (R T ) de surface à surface d’un

mur composé de plusieurs couches de matériauxperpendiculairement au flux de chaleur est égale à la sommedes résistances thermiques de chaque élément séparément.

T R

U 1

= )(/ 2 K mW ⋅




22/90

en W / (m²• K)

22

Résistance à l’échange de chaleur Rsi

+ résistance au transfert

thermique ∑ R + résistance à l’échange de chaleur Rse

Rtot

ou R T : ∑ de toutes les résistances

où:R

T : la résistance thermique totale en (m² • K) / W

1/hsi = R

si : la résistance à l ’échange de chaleur

du côté sec en (m² • K) / W1/h

se = R

se : la résistance à l’échange de chaleur du côté

humide en (m² • K) / W∑ R= ∑ de toutes les résistances au transfert de la construction

en (m² • K) / W

en (m² • K) / W

Nous pouvons aussi écrire:

en (m² • K) / W

en W / (m² • K)

en W / (m² • K)

se siT R R R R +Σ+=

seu g siT R R R R R R R ++++++= ......21

seu g

U U

siT R R Rd d

R R ++++++= ......2

2

1

1

λ λ

T R

U 1

=

seu g

U U

siT R R R

d d R

RU

+⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅+++

==

2

2

1

1

11

λ λ

seu g si R R R R R RU

+++++++=

......1

21




23/90

23

Remarques

• Dans de nombreux cas, il n’est pas nécessaire de calculertoutes les valeurs U. En ce qui concerne la valeur U des portes,des fenêtres et des assemblages les plus courants, nousutilisons des tableaux (EN ISO 10077-1).

Remarque 1Pour les parois entre couches d’air, nous utilisons les valeursR

si = 0,13 (m² • K) / W ou R

se = 0,04 (m² • K) / W que nous

retrouvons dans des tableaux ou qui sont explicitées par uneillustration où figure le sens du flux de chaleur. Ces valeurstiennent compte du sens du flux de chaleur, à l’horizontale,

à la verticale vers le haut ou à la verticale vers le bas(0,17 (m² • K) / W ) ainsi que d’une coulisse ventilée ou nonventilée.

Sens du flux de chaleur Elément Rsi en R

se en

mur, fenêtre 0,13 0,04

toît, plafond 0,10 0,04

plancher 0,17 0,04

W K m /)( 2 ⋅ W K m /)( 2 ⋅

seu g

U

siT R R Rd

R R +Σ+Σ+Σ+=λ




24/90

24

Remarque 2

Nous trouvons les valeurs R des matériaux non homogènesdans des tableaux. Nous les représentons par Ru et nous les

exprimons en (m² • K) / W

Un exemple typique en est une voûte en béton avecouvertures d’aération ayant pour but de ventiler laconstruction et d’alléger la voûte. (NBN EN ISO 6946).

Nous considérons les combles ventilés naturellement (EANC)et les espaces non chauffés sous toiture (d > 300 mm)comme une couche homogène du point de vue thermique.

Résistance thermique de couches d’air (d > 300 mm),combles non chauffés sous toiture (EANC).

seu g

U

siT R R Rd

R R +Σ+Σ+Σ+=λ

MatériauxEpaisseur/

hauteur deséléments

Ru

(m².K) / W

Maçonnerie de blocs creuxen béton lourd(ρ > 1200 kg/m³)

d = 14 cm 0,11

d = 19 cm 0,14

d = 29 cm 0,20

Maçonnerie de blocs creuxen béton léger(ρ < 1200 kg/m³)

d = 14 cm 0,30

d = 19 cm 0,35

d = 29 cm 0,45

Dalles de

plancherrugueusespréfabriquéesen hourdisde terre cuite

1 cavitédans le sens

du flux

d = 8 cm 0,08

d = 12 cm 0,112 cavitésdans le sensdu flux

d = 12 cm 0,13

d = 16 cm 0,16

d = 20 cm 0,19

Dalles de sol rugueusespréfabriquées en bétonlourd (avec hourdis)

d = 12 cm 0,11

d = 16 cm 0,13

d = 20 cm 0,15

Plaques de plâtre entre deuxcouches de carton

d < 1.4 cm 0,05

d ≥ 1.4 cm 0,08

Caractéristiques du toitR

u(m².K) / W

1. toiture en tuiles sans étanchéité ousans sous-toiture

0,06

2. toiture en tuiles avec étanchéité ouavec sous-toiture

0,02

3. comme (2), mais avec revêtement réfléchissantà faible valeur de rayonnement

0,30

4. toiture avec voligeage et étanchéité 0,30




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25

Remarque 3

Nous trouvons les valeurs R des couches d’air non ventiléesdans des tableaux. Nous les représentons par Rg et nous les

exprimons en (m² • K) / W

Les valeurs Rg dépendent:

• du type de couche d’air, de son épaisseur, de lagéométrie, du rapport d/l ou d/b


26/90

en W

26

4.6 Détermination schématique du coefficient de transmission thermique

Valeur U en W / (m² • K)

4.6.1 L’échange thermique

La quantité de chaleur transmise par un liquide enmouvement (fluide) ou un environnement à une paroi estdirectement proportionnelle à:

• A: la surface de la paroi en m²• ∆θ = ∆T : l’écart de température entre les faces en K

• hsi et hse : le coefficient d’échange de chaleur (sèche ouhumide) qui tient compte du rayonnementet de la convection. Comme ce coefficientdépend de nombreux facteurs, nous ledéterminons de façon expérimentale. Lesfacteurs suivants interviennent:• la vitesse de convection;• la conductivité thermique des matières;• la rugosité de la surface;• la température des deux faces;• la position de la paroi, horizontale ou

verticale, et le sens de la convection.

Si nous déterminons maintenant la quantité de chaleur (J)par unité de temps (s), nous obtenons le flux thermiqueФ (en J/s = W ).

où:

Ф : l’énergie calorifique ou l’échange thermique en Wh : le coefficient d’échange thermique hsi ou h

se

en W / (m² • K)A : la surface en m²θ

1 : la température, inférieure à θ

si ou θ

se;

θ : la température θsi (sèche) ou θ

se (humide).



)( 1θ θ −⋅⋅=Φ seof si seof si Ah ou ou


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27

4.6.2 La transmission thermique

Nous prenons la figure ci-contre et nous appliquons laformule ci-dessus.

Pour ( 1 ) où

Pour ( 2 ) où

Pour ( 3 ) où

La somme ( ∑ ) de (1) (2) (3) ou

Par une opération mathématique, nous obtenons:

En poursuivant l’opération mathématique, nous obtenons:

où

ou

où:Ф : le flux thermique exprimé en WU : le coefficient de transmission thermique exprimé

en W / (m² • K)A : la surface en m²

T e ∆=∆=− θ θ θ int en °C ou K.

)( 21 θ θ λ

−⋅⋅=Φ Ad

U

A

d

U ⋅

⋅Φ=−λ

θ θ 21

)( 1int θ θ −⋅⋅=Φ Ah si

Ah si ⋅

Φ=− 1int θ θ

)( 2 e se Ah θ θ −⋅⋅=Φ Ah se

e⋅

Φ=−θ θ 2

Ah A

d

Ah seU sie

⋅

Φ+

⋅

⋅Φ+

⋅

Φ=−+−+−

λ θ θ θ θ θ θ 2211int

)11

(int seU si

eh

d

h A++⋅

Φ=−

λ θ θ

seU si

e

h

d

h

A

11

)(int

++

⋅−

=Φ

λ

θ θ

T

seU si

RU h

d

h==++

111

λ

)( int e AU θ θ −⋅⋅=Φ

en Wθ ∆⋅⋅=Φ AU Conclusion:

Le coefficient de transmission thermiqueU est donc égal à:La quantité d’énergie calorifique quitraverse par seconde 1m² de paroi lisse,pour un écart de température de 1K entrel’air et les surfaces attenantes. Il représentela somme de toutes les déperditions dechaleur par conduction, convection etrayonnement.



(1) (2) (3)


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28

4.7 Coecient de transmission thermique linéique - valeur ψ en W / (m • K)

Cette dernière formule exprime la valeur U:

le coefficient de transmission thermique. L’inverse dela valeur U est R T , qu’on appelle la résistance thermique.

où:R

T : la résistance thermique totale en W

1/hsi = R

si : la résistance à l’échange de chaleur du côté sec

en (m² • K) / Wd

1 /λ

U1 = R

m1 : la résistance au transfert thermique de la

couche de matériau 1 en (m² • K) / W1/h

se = R

se : la résistance à l’échange de chaleur du côté

humide en (m² • K) / W

Il en résulte que:R

T = R

si + R

m1 + R

se en (m² • K) / W

Si la paroi est composée de plusieurs (n) couches dematériaux de nature différente, on obtient l’équationsuivante:R

T = R

si + R

m1 + R

m2 + … + R

m6 + R

se en (m² • K) / W

La résistance thermique totale (R T ) d’une paroid’environnement à environnement (d’air à air) est égale à lasomme de toutes les résistances individuelles entre ces deuxenvironnements.

Le coefficient de transmission thermique linéique est lavaleur U linéaire d’un nœud constructif, représentée par ψ(psi) et exprimée en W / (m • K)

Ces valeurs peuvent se trouver dans des tableaux ouéventuellement être calculées (voir NBN 62-002).

en seU si

T h

d

hU R

111

1

1++==

λ W K m /)( 2 ⋅




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29

4.8 Exemple pratique

• enduit de plâtre de 1 cm et λU1

= 0,52 W / (m • K)

• mur intérieur (maçonnerie ρ ≤ 500 kg/m³) épaisseur14 cm et λ

U2= 0,38 W / (m • K)

• isolation en polyuréthane de 6 cm et λU3

= 0,028 W / (m • K)

• coulisse non ventilée de 1 cm hg = 6,6 W / (m² • K)

Rg = 0,15 (m² • K) / W

• briques creuses de parement, épaisseur 9 cm

et λU4 = 0,94 W / (m • K)• coefficient d’échange thermique h

si = 8 W / (m² • K)

Rsi = 0,13 (m² • K) / W

• coefficient d’échange thermique hse

= 23 W / (m² • K) R

se = 0,04 (m² • K) / W

Question:Déterminez la valeur U.

Solution: 1ère élaboration possible: utilisation de la formule:

en W / (m² • K)

en

où:

hsi = 8 )(/ 2 K mW ⋅ R

si = 1/h

si = 1/8 = 0,13 W K m /)( 2 ⋅

hse

= 23 )(/ 2 K mW ⋅ Rse

= 1/hse

= 1/ 23 = 0,04 W K m /)( 2

⋅

hg = 6,6 )(/ 2 K mW ⋅ Rg = 0,15 W K m /)(

2⋅

d

1 = 1 cm 0,01 m λ

U1 = 0,52 )(/ K mW ⋅

d2 = 14 cm 0,14 m λ

U2 = 0,38 )(/ K mW ⋅

d3 = 6 cm 0,06 m λ

U3 = 0,028 )(/ K mW ⋅

d4 = 9 cm 0,09 m λ

U4 = 0,94 )(/ K mW ⋅

Remplacer la formule par des valeurs exactes:R

T = 0,13 + 0,019 + 0,368 + 2,143 + 0,15 + 0,096 + 0,04

R T = 2,946 W K m /)( 2 ⋅

1/2,946

U = 0,339 W K m /)( 2 ⋅

T RU

1=

seU

g U U U

siT Rd

Rd d d

R R ++++++=4

4

3

3

2

2

1

1

λ λ λ λ W K m /)( 2 ⋅

T R

U 1

=




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30

4.9 Température et évolution de la température dans la paroi

2ème élaboration possible: sous forme de tableau

4.9.1 Détermination de la température à un endroitdonné de la paroi (θ

w )

Nous pouvons déterminer la température en appliquant laformule ci-après. Nous connaissons ainsi l’emplacement dupoint de condensation.

où:

θw : la température locale en °Cθ

int : la température ambiante en °C

∆θ = ∆T : l’écart de température en °C ou K R

w : la résistance thermique depuis l’intérieur

en (m² • K) / WR

T : la résistance thermique totale de la construction

(m² • K) / W

Description matériaux utilisésd

en mλ

U, h

se, h

siR

si, R

se, R

g, R

u

W K m /)( 2

⋅

RT

W K m /)( 2

⋅

U)(/

2 K mW ⋅

Environnement intérieur 8 0,13 0,13

Enduit de plâtre 0,01 0,52 0,019 0,149

Blocs de construction rapide, maçonnerie 0,14 0,38 0,368 0,518

Isolation en polyuréthane 0,06 0,028 2,143 2,661

Coulisse non ventilée 0,01 -- 0,15 2,811

Brique creuse de parement 0,09 0,94 0,096 2,906

Environnement extérieur 23 0,04 2,946

2,946 0,339

en °CT

ww

R

R⋅∆−= θ θ θ int




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31

4.9.2 Calcul de l’évolution de la température dans la paroi

Si, quand nous déterminons la R T , nous additionnons

successivement les différents matériaux, du plus chaud auplus froid, nous pouvons déterminer exactement la résistancethermique (ou les résistances thermiques) jusqu’à cettepartie de la paroi. Nous faisons la somme des résistancesthermiques jusqu’à la couche ou la paroi en question.

Exemple pratique:

Un mur creux avec

• enduit de plâtre de 1 cm et λU1 = 0,52 W / (m • K)• mur intérieur (maçonnerie ρ ≤ 500 kg/m³) épaisseur

14 cm et λU2

= 0,38 W / (m • K)

• isolation en polyuréthane de 6 cm et λU3

= 0,028 W / (m • K)

• coulisse non ventilée Rg = 0,15 (m² • K) / W

• mur extérieur en briques creuses de parement, épaisseur0,09 m et λ

U4 = 0,940 W / (m • K)

• coefficient d’échange thermique hsi = 8 W / (m² • K)

Rsi = 0,13 (m² • K) / W

• coefficient d’échange thermique hse = 23 W / (m² • K) R

se = 0,040 (m² • K) / W

• température ambiante intérieure θint

= 20 °C

• température extérieure θe = – 8 °C.

Description matériaux utilisésd

en mλ , h R

si, R

se, R

g, R

u

W K m /)( 2

⋅

RT

W K m /)( 2

⋅

RW

W K m /)( 2

⋅

Environnement intérieur 8 0,130 0,130 0,130

Enduit de plâtre 0,01 0,52 0,019 0,149 0,149

Blocs de construction rapide, maçonnerie 0,14 0,38 0,368 0,518 0,518

Isolation en polyuréthane 0,06 0,028 2,143 2,661 2,661

Coulisse non ventilée 0,01 -- 0,150 2,811 2,811

Brique creuse de parement 0,09 0,94 0,096 2,906 2,906

Environnement extérieur 23 0,040 2,946 2,946




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32

où:θ

int = 20 °C

θe = - 8 °C

∆θ = θint

- θe = 20 - (- 8) = 28 °C

RT = 2,807 W K m /)( 2 ⋅

Rw = ?

p.e.: Rw3

= 0.13 + 0,019 + 0,368 = 0,518 W K m /)( 2 ⋅

θint = 20 °C = 18,76 °C

= 18,58 °C

= 15,08 °C

= -6,54 °C

= -6,71 °C

= -7,62 °C

= - 8 °C

4.9.3 Courbe de température dans la paroi


en °C

T

w

w R

R⋅∆−=

θ θ θ int

)28(20946,2

13,0

1 ⋅−=wθ

)28(20946,2

149,0

2 ⋅−=wθ

)28(20946,2

518,0

3 ⋅−=wθ

)28(20946,2

661,2

4 ⋅−=wθ

)28(20946,2

811,2

5 ⋅−=wθ

)28(20946,2

906,2

6 ⋅−=wθ

)28(20946,2

946,2⋅−=eθ



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33

4.10 Calcul de Rvaleur idéale

Nous pouvons calculer le supplément d’isolation ou demaçonnerie nécessaire en appliquant la formule ci-après.Nous avons une valeur R

T donnée, nous devons atteindre la

norme (K45²) et nous rapprocher de Rvaleur idéale

.

Rvaleur idéale

= la résistance thermique actuelle (ΣR) +une résistance thermique supplémentaire (d/λ)

Rvaleur idéale

= R T + d/λ

où:R

valeur idéale : la valeur idéale ou la résistance thermique à

atteindre en (m² • K) / WR

T : ΣR = la résistance thermique actuelle en (m² • K) / W

d/λ : la résistance thermique supplémentaire en (m² • K) / W

d’où:d = ( R

valeur idéale − ΣR ) • λ exprimée en m.

où:d : l’épaisseur de couche supplémentaire en mλ : le coefficient de conductivité thermique du matériau

utilisé en W / (m • K)ΣR : la résistance thermique actuelle en (m² • K) / WR

valeur idéale : la résistance thermique à atteindre en (m² • K) / W

Exemple:Nous avons un mur plein existant avec valeur U de 0,9W / (m² • K) ou une R = 1,111 (m² • K) / W . Nous voulons

l’améliorer et le remplacer par un mur creux.Nous voulons une valeur U de 0,4 W / (m² • K)Nous plaçons un mur intérieur en béton cellulaire (ρ= < 550kg/m³) avec λ

i =0,200 W / (m • K) et avec une coulisse de 2

cm. (Rg = 0,17 (m² • K) / W ). Déterminez l’épaisseur minimale

du mur intérieur.

d = ( Rvaleur idéale

− ΣR ) • λ exprimée en m.

où:R

valeur idéale = 1/U= 1/0,4 = 2,5 W K m /)( 2 ⋅

ΣR = 1/U + Rg =1/0,9 + 0,17 = 1,111+ 0,17 =1,281 W K m /)( 2 ⋅λ = 0,200 )(/ K mW ⋅d = (2,5 - 1,281) • 0,200 = 0,244 m of 24,4 cm

² K45: Le niveau de l’isolation thermique globale (niveau K) d’unehabitation se calcule sur base des coefficients de transmissionthermique des différents éléments du bâtiment ainsi que duvolume et de la surface extérieure du bâtiment. Plus le niveau K estélevé, plus il y a de déperditions par transmission.




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34


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35

5.1 Flux thermique (Ф)

5. NOTIONS IMPORTANTES EN MATIÈRE

DE TRANSMISSION THERMIQUE

Un flux thermique est le flux d’énergie calorifique par unitéde temps (Joule par seconde = Watt).

Dans une construction, l’énergie se déplace de latempérature la plus haute vers la température la plusbasse, ce qui crée en flux thermique. Ce flux thermiquerencontre des résistances. L’une des résistances provient de

la paroi d’une épaisseur donnée d (m), les autres résistancesproviennent des phénomènes qui se produisent au droitdes deux surfaces (intérieure et extérieure) de la paroi en casd’écart de température ∆θ = ∆T .

Nous avons ici un échange thermique créé par unecombinaison de conduction, convection et rayonnement.

• l’échange thermique du milieu chaud vers la paroi;• la conduction thermique à travers la paroi;• l’échange thermique de la paroi vers le milieu plus froid.

Dans la pratique, nous calculons le flux thermique à l’aide dela formule suivante:

où:Φ : le flux thermique en WU : le coecient de transmission thermique en W / (m² • K)A : la surface en m²

T e ∆=∆=− θ θ θ int : l’écart de température entre les faces

en K.

5. NOTIONS IMPORTANTES EN MATIÈRE DE TRANSMISSION THERMIQUE

en W)( int e AU θ θ −⋅⋅=Φ



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36

5. NOTIONS IMPORTANTES EN MATIÈRE DE TRANSMISSION THERMIQUE

5.2 La quantité de chaleur (Q)

Quand deux corps (matières) de température différentese touchent (deux solides, un solide et un liquide, deuxliquides) pendant un certain temps, ils finissent par adopterla même température. Ils sont alors en équilibre thermique.Une quantité de chaleur est passée d’un corps à l’autre: de lamatière la plus chaude à la matière la moins chaude.

On parle aussi d’enthalpie d’une matière, c.-à-d. la quantitéde chaleur accumulée dans une matière.

La quantité de chaleur dépend:• de la masse;• de la nature de la matière (p.ex. cuivre, pierre, eau);• de l’écart de température entre les deux matières.

Nous pouvons déterminer la quantité de chaleur à l’aide de laformule suivante:

où:Q : la quantité de chaleur en Jm : la masse en kg ( m = ρ . V )c : la chaleur massique en J / (kg . K) ∆θ = ∆T : l’écart de température entre les deux matières en K

en JT cmQ ∆⋅⋅=



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37

6.1 L’isolation

6. FACTEURS IMPORTANTS POUR

LA TRANSMISSION DE CHALEUR

6.1.1. Aspects généraux de l’isolation

Selon la forme sous laquelle le flux d’énergie se présente,nous parlons de:

• isolation thermique, en cas de transport de chaleur entreun système et l’environnement;

• isolation acoustique, en cas de transport d’énergieacoustique;

• isolation électrique, en cas de transport d’énergieélectrique.

L’isolation thermique peut réduire les pertes de chaleur oude froid. Mais l’isolation thermique peut aussi servir à éviterque la vapeur d’eau contenue dans l’air ambiant se condensesur des éléments froids. Nous traiterons ici uniquement del’isolation thermique des systèmes de conduites chaudes oufroides, des chaudières ou des réservoirs. Le flux thermiquese produit des températures les plus élevées vers les

températures les plus basses par conduction, convection,rayonnement ou par une combinaison de ces facteurs.

Le matériau obtient sa valeur isolante en enfermant de l’airsec immobile ou un autre gaz dans de petites cellules. Laprésence d’humidité et les températures élevées influencentla valeur d’isolation (le coefficient de conductivité thermiquelambda) dans le sens négatif.

Les principales caractéristiques sur lesquelles les matériauxd’isolation thermique sont évalués sont:

• le coefficient de conductivité thermique (λU ) en W / (m • K) ;• la densité de masse en kg/m³;• la température admissible;• l’indice de résistance à la diffusion de chaleur;• le comportement au feu.

Amiante …• dans les anciennes isolations;• friable / non friable;• enlèvement;• dangereux.

6. FACTEURS IMPORTANTS POUR LA TRANSMISSION DE CHALEUR MODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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6.1.2. Exigences à l’égard du matériau d’isolation

Un bon matériau d’isolation doit répondre aux conditionssuivantes:

• coefficient de conductivité thermique lambda (λU )

inférieur à 0,06 in W / (m • K) ;• résistance suffisante et bonne ouvrabilité;• résistance au vieillissement;• absence de substances nocives;• densité de masse limitée en kg/m³;• inflammabilité ou tout au moins faible inflammabilité

(minimum classe 2 et indice de fumée de max. 125). Les

matériaux appliqués dans la construction sont toujoursignifuges.

6.1.3. Classification

Les isolants peuvent être classifiés selon les critères suivants:

selon leur provenance:• végétaux: p.ex. liège, carton ondulé, panneaux

alvéolaires ;• minéraux: p.ex. laine de verre, laine de roche, verre

cellulaire;• synthétiques: p.ex. polystyrène (PS), polyuréthane (PUR),

polyisocyanurate (PIR), caoutchouc mousse synthétique.

selon leur structure:• structure alvéolaire fermée: p.ex. liège, verre cellulaire,

polystyrène, polyuréthane;• structure alvéolaire ouverte: p.ex. laine de verre, laine

de roche.

6. FACTEURS IMPORTANTS POUR LA TRANSMISSION DE CHALEURMODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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6.2.1. Fenêtres et portes

Le châssis des fenêtres comme celui des portes se composede deux éléments de base:

• un cadre, appelé ‘dormant’, encastré dans le mur ou fixésur le mur;

• un remplissage, composé des parties vitrées mobiles,appelées ‘battants’.

Ces éléments constitutifs peuvent ou non être complétésd’un ou plusieurs éléments vitrés fixes, appelés ‘fenêtres fixes’,ou d’une grille de ventilation.

On peut exécuter le châssis:• en différents bois, avec un design donné et une finition

donnée;• en PVC multichambre, ce qui présente les avantages

suivants:• conduit de drainage;• possibilité d’intégrer des profilés de renforcement en

métal galvanisé ou en plastique;• meilleure isolation thermique.

Il existe, à l’heure actuelle, une vaste gamme de coloris: lechâssis peut être teinté dans la masse, recouvert d’un film oud’un coating, ou extrudé.

Autres exécutions:• profilés en aluminium, avec les options suivantes:

• plusieurs chambres avec garnitures d’étanchéité;• une gamme de couches de revêtement en poudre

polyester de différents coloris, ou appliquées paranodisation ou par émaillage³.• Une coupure thermique est parfois réalisée par un

système d’assemblage isolant entre l’intérieur etl’extérieur du châssis.

6.2 Vitrage (fenêtres et portes)

6. FACTEURS IMPORTANTS POUR LA TRANSMISSION DE CHALEUR

³ Vous trouverez davantage d’informations sur l’anodisation etl’émaillage au chapitre ‘Sciences appliquées’ .



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6.2.2 Vitrage

Le vitrage peut se composer:• d’une seule feuille de verre d’épaisseur variable.

L’épaisseur de la vitre n’a pratiquement pas d’influencesur le coefficient de conductivité thermique.

• de deux ou trois feuilles de verre séparées par unechambre étanche à l’air de 6, 9, 12, 15, 20 ou 24 mm.Pour accroître la résistance thermique, on remplit lachambre d’air sec, d’un mélange d’air sec et d’argon, oud’un gaz thermique (argon ou krypton - plus coûteux).L’épaisseur de la feuille de verre varie entre 4 et 8 mm, en

fonction de la surface vitrée. Le verre feuilleté s’obtienten accolant 2 feuilles de verre ou plus. Les feuilles deverre sont solidarisées sur toute leur surface à l’aide d’unou plusieurs films en matériau de synthèse.La valeur U varie entre 3,2 et 1,1 W / (m² • K) ou moinsen fonction de la largeur du vide d’air et du remplissageutilisé.

• Un coating de métal noble ou d’oxyde métalliqueappliqué sur la feuille de verre dans le vide d’air amélioreencore le pouvoir isolant des vitrages à haut rendement(HR). Durant la saison de chauffe, le coating retient lachaleur à l’intérieur du bâtiment et, en été, son facteur de

pénétration solaire très bas repousse la chaleur. La valeur U

w d’une fenêtre est égale à la valeur U moyenne

de ses éléments constitutifs, augmentée des effets duraccord vitrage – feuille de verre – profilé, - de la valeur Ψ etde la longueur (l). Pour déterminer la valeur U

w, nous tenons

compte des surfaces réelles (Ag

, Af, A

p) des fenêtres nues

(avant leur mise en œuvre).

En cas de déperditions de transmission (Φ T ) , nous prenons

les dimensions dans l’œuvre comme référence.

Nous lisons les valeurs Uw dans un tableau simplifié.



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Exemples de combinaisons avec différents matériaux demenuiserie, en cas d’utilisation de vitrage superisolant dontla valeur U-vitrage = 1,1 W / (m² • K) (vitrage rempli de gaz àfaible facteur d’émission et vide de 15mm):

• Un châssis en bois dur avec profilés de 60mm deprofondeur et coefficient de transmission thermiqueU-menuiserie = 2,0 W / (m² • K) a une valeurU = 1,7 W / (m² • K)

• Un châssis en aluminium avec profilés isolésthermiquement et coefficient de transmission thermiqueU-menuiserie = 2,6 W / (m² • K) a une valeurU = 1,9 W / (m² • K)

• Une fenêtre synthétique en PVC avec profilémultichambre et coefficient de transmission thermiqueU-menuiserie = 1,8 W / (m² • K) a une valeur

U = 1,7 W / (m² • K)

Il est également possible de calculer la valeur Uw d’une

fenêtre4.

Exemple:


U -verre

U - menuiserie1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3

2,2 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,5 2,5 2,6 2,7

2,1 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,5 2,5 2,6 2,7

2 2,3 2,3 2,3 2,4 2,4 2,5 2,5 2,6 2,7

1,9 2,2 2,2 2,3 2,3 2,4 2,4 2,5 2,5 2,6

1,8 2,1 2,1 2,2 2,2 2,3 2,4 2,4 2,5 2,5

1,7 2,0 2,1 2,1 2,2 2,2 2,3 2,3 2,4 2,5

1,6 1,9 2,0 2,0 2,1 2,2 2,2 2,3 2,3 2,4

1,5 1,9 1,9 2,0 2,0 2,1 2,1 2,2 2,3 2,3

1,4 1,8 1,8 1,9 2,0 2,0 2,1 2,1 2,2 2,3

1,3 1,7 1,8 1,8 1,9 1,9 2,0 2,1 2,1 2,2

1,2 1,6 1,7 1,8 1,8 1,9 1,9 2,0 2,1 2,1

1,1 1,6 1,6 1,7 1,7 1,8 1,9 1,9 2,0 2,0

1 1,5 1,6 1,6 1,7 1,7 1,8 1,9 1,9 2,0

0,9 1,4 1,5 1,5 1,6 1,7 1,7 1,8 1,8 1,9

0,8 1,4 1,4 1,5 1,5 1,6 1,7 1,7 1,8 1,8

4 Vous trouverez davantage d’informations et l’élaboration de cetteformule au chapitre ‘Référentiel’ .

source: energiebesparen.be



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6.2.3. Doubles fenêtres (valeur Uw)

Pour construire une double fenêtre, on pose un second cadrevitré sur le châssis (mobile ou fixe) existant du côté extérieur.On crée ainsi deux résistances supplémentaires: celle dusurvitrage proprement dit et celle de la lame d’air qui sépareles deux vitrages. Nous supposons ici que cette lame d’airn’est pas ventilée.

Nous pouvons déterminer la valeur U d’une double fenêtreen appliquant une formule ou en utilisant des valeurs deréférence.



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en W

valeursψ = 0,5 si valeur U < 1ψ = 1,5 - U si 1 < valeur U < 1,5ψ = 0 si valeur U > 1,5

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Les nœuds constructifs (autrefois appelés “ponts thermiques”)sont dus à des interruptions dans l’isolation thermique d’unbâtiment. Ce sont des parties de mur extérieur où l’isolation oula lame d’air sont interrompues. La conduction directe (endroità faible résistance thermique) qui s’y crée permet au fluxthermique de gagner facilement l’environnement extérieur. Lavaleur U augmente fortement à cet endroit.

Les nœuds constructifs sont responsables de déperditions de

chaleur relativement importantes et causent la formation decondensation et de moisissures.

Exemples d’éléments préfabriqués:a) Interruption totale ou partielle de l’enveloppe du bâtiment

par des matériaux qui possèdent une valeur λ différente(coefficient de conductivité thermique).

b) Modification de l’épaisseur de la construction.c) En présence de différentes surfaces intérieures et

extérieures, comme les jonctions entre murs, planchers,plafonds et toitures.

Les pourtours des fenêtres, les menuiseries extérieures, lestabatières et les portails sont des nœuds constructifs.

Vous devez absolument tenir compte des nœuds constructifslorsque vous calculez les déperditions de chaleur (voir la feuillede calcul).

Le flux thermique se détermine comme suit:

où:Φ : le flux thermique qui traverse les nœuds constructifs, en W.Ψ : le coefficient de transmission thermique linéique

à l’endroit même de ces nœuds constructifs,perpendiculairement à la paroi en W / (m • K) ;

U : le coefficient de transmission thermique du murextérieur, en W / (m² • K)

l : la longueur du nœud constructif en mT e ∆=−=∆ θ θ θ int : la diérence de température en °C ou K

6.3 Nœuds constructifs (ponts thermiques)


T l ∆⋅⋅Ψ=Φ



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Une condensation se produit si la tension de vapeur maximalede la température superficielle régnant sur place (p

do) est

inférieure à la tension de vapeur de l’air ambiant (pdi

).

6.4 Condensation sur les constructions5


5 voir aussi: sciences appliquées: 11.1, 11.2 en 11.3


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7. COEFFICIENT DE TRANSFERT DE

CHALEUR H EN W/K7.1 Généralités

Le volume protégé (VP) d’un bâtiment est l’ensemble desespaces que l’on considère comme protégés thermiquement,et chauffés ou non directement ou indirectement.

Le volume protégé englobe au moins les espaces chauffésdu bâtiment mais aussi tous les espaces non chauffésprésents à l’intérieur de l’enveloppe (isolée) du bâtiment.

Un espace attenant non chauffé (EANC) est un locald’usage courant non chauffé, situé au-dessus du niveau dusol, et qui est contigu, d’une part, à l’environnement extérieuret, d’autre part, au volume protégé du bâtiment.

Si les murs de séparation entre l’espace non chauffé et lesespaces chauffés à l’intérieur du VP sont isolés, l’espacenon chauffé est considéré comme un espace attenant nonchauffé (EANC) qui ne fait pas partie du VP.

Si les murs de séparation entre l’espace non chauffé etl’environnement extérieur sont isolés, l’espace non chauffén’est pas considéré comme un EANC mais comme faisantpartie du VP.

7. COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR H EN W/K MODULE 4: VOLUME 1ACALCUL DES DÉPERDITIONS THERMIQUES


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Le coefficient de transfert de chaleur H (W/K) d’unbâtiment indique la quantité de chaleur transférée entrel’environnement intérieur et l’environnement extérieur parunité de temps et par degré d’écart de température, soitdirectement soit à travers un autre environnement dontl’espace chauffé du bâtiment est séparé par les parois qui lerenferment (figure 50).

Le coefficient de transfert de chaleur H (W/K) est déterminé

comme suit:

où:H

T (W/K) : le coefficient de transfert de chaleur total pour

le transfert de chaleur par transmission entrel’espace chauffé du bâtiment et l’environnementextérieur ou à travers des environnements dont les

espaces chauffés sont séparés par les parois qui lerenferment.

HV (W/K) : le coefficient de transfert de chaleur net pour le

transfert de chaleur par ventilation entre l’espacechauffé du bâtiment et l’air de ventilation amenéde l’extérieur ou évacué vers l’extérieur.

7.2 Coefficient de transfert de chaleur H en (W/K)

7. COEFFICIENT DE TRANSFERT DE CHALEUR H EN W/K

en (W/K)V T H H H +=



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Le coefficient de transfert de chaleur total par transmissiond’un bâtiment est déterminé par:

où:H T : le coefficient de transfert de chaleur total par

transmission d’un bâtiment en W/K;

HD : le coefficient de transfert de chaleur direct par

transmission à travers tous les locaux qui séparentdirectement l’espace chauffé de l’environnementextérieur en W/K;

Hg : le coefficient de transfert de chaleur total par

transmission entre l’espace chauffé et l’environnement

extérieur à travers le sol et à travers des espaces nonchauffés (EANC) en contact avec le sol en W/K;

HU : le coefficient de transfert de chaleur total par transmission

entre l’espace chauffé et l’environnement extérieur àtravers des espaces attenants non chauffés en W/K;

HA : le coefficient de transfert de chaleur par transmission

entre l’espace chauffé et un bâtiment contigu.

7.3 Coefficient de transfert de chaleur total (H T ) par transmissiond’un bâtiment en W/K

en (W/K) AU g DT H H H H H +++=


VP VP

EANC


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7.3.1. Coefficient de transfert direct de chaleur (HD) par

transmission de l’espace chauffé d’un bâtimentvers l’environnement extérieur, en W/K

Le coefficient de transfert de chaleur direct par transmission(H

D) de l’espace chauffé d’un bâtiment vers l’environnement

extérieur est déterminé comme suit:

où:

A : la surface de l’élément de bâtiment déterminée parles dimensions extérieures en m²U : la valeur U de l’élément de bâtiment en W / (m² • K) ;l : la longueur du nœud constructif linéaire avec

dimensions extérieures en m;Ψ : le coefficient de transmission thermique linéique des

nœuds constructifs linéaires W / (m • K) ; χ : la valeur ponctuel du coefficient de transmission des

nœuds constructifs ponctuels en W/K.

En général, il est possible d’utiliser les méthodes de calculsimplifiées pour la détermination de H

D

expliquées au point14.2. (voir NBN B 62-002).

Pour les nœuds constructifs linéaires, on peut adopter lesvaleurs simplifiées tabulées (voir annexe H de NBN B 62-002(2008)).

Les valeurs U et Ψ doivent être déterminées à l’aide dela méthode de calcul propre à l’élément de constructionconcerné en fonction de l’objectif du de calcul de H

T (précis,

simplifié) et des données d’entrée disponibles (valeursconnues, par défaut, conventionnelles,…).

Remarques:1. Les nœuds constructifs ponctuels peuvent être négligés

car ce ne sont que l’intersection des nœuds constructifslinéaires.

2. Si la principale couche d’isolation se poursuit sansdiscontinuité dans le raccord entre les différenteséléments du bâtiment et conserve une épaisseurconstante, il est possible de négliger les nœudsconstructifs linéaires et ponctuels (voir note 2 de 15.1).


en (W/K) χ ψ Σ+⋅Σ+⋅Σ= l AU H D



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7.3.2. Coefficient de transfert de chaleur par transmission

via le sol ou via des espaces non chauffés renfermésen tout ou en partie par le sol (H

g) en W/K

Etant donné la grande inertie thermique de la masse dusol, le transfert de chaleur via le sol connaît en réalité uneévolution périodique qui dépend des fluctuations moyennesannuelles des températures (intérieures comme extérieures).Les méthodes de calcul précises de NBN EN ISO 13370contiennent, pour cette raison, des termes tant stationnairesque périodiques qui servent pour la détermination de H

g.

A l’aide d’un calcul simplifié basé sur des formules générales,qui détermine Hg comme une somme de termes pour les

planchers inférieurs ou les murs enterrés concernés (du VP).

Pour les planchers inférieurs non enterrés du VP, quireposent directement sur le sol ou qui sont situés au-dessusd’espaces non chauffés (ventilés ou non – vides sanitaires),l’expression de H

g comprend:

• le terme qui détermine la transmission de chaleur àtravers le plancher comme le produit de la surface du solA et la valeur U du plancher U A ⋅ en W/K;

• le terme pour les déperditions résultant de nœudsconstructifs linéaires de la jonction mur-plancher situéele long du périmètre P du plancher, ayant une longueurlg et un coefficient de transmission thermique linéiqueΨ

g g g l Ψ⋅ en W/K

Pour les planchers enterrés:

On introduit ici un terme supplémentaire : l’élément quidétermine la transmission thermique à travers le murenterré comme le produit du périmètre au sol (P en m), laprofondeur moyenne d’encaissement (z en m) sous le niveaudu sol, calculée jusqu’à la surface du sol sous le plancher et lavaleur U du mur U P z ⋅⋅ en W/K

en (W/K)

en (W/K)

g g g l U A H Ψ⋅+⋅=

U P z l U A H g g g ⋅⋅+Ψ⋅+⋅=



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7.3.3. Coefficient de transfert de chaleur par

transmission (HU ) entre des espaces chaufféset l’environnement extérieur via un espaceattenant non chauffé (EANC) en W/K

L’EANC constitue un espace tampon situé au-dessus duniveau du sol entre les espaces chauffés situés à l’intérieur duvolume protégé, et l’environnement extérieur, via lequel letransfert de chaleur entre le VP et l’environnement extérieurest atténué.

En règle générale, on peut déterminer la valeur HU en

établissant un bilan thermique de tous les flux thermiquesqui traversent l’EANC par transmission et parventilation. Ces flux thermiques sont représentésschématiquement à la figure ci-dessus.

Hiu : le flux thermique qui traverse les murs de séparation

entre les espaces chauffés et l’EANC, par transmission etpar ventilation;

Hue

: le flux thermique qui traverse les murs de séparationentre l’EANC et l’environnement extérieur, par

transmission et par ventilation;

Si le calcul a pour but d’exprimer la performance thermiqued’un bâtiment, la norme NBN EN 13789 détermine les termesH

iu et H

ue de la manière simplifiée suivante.

La détermination de Hiu tient uniquement compte de la

transmission (le terme H T,iU

), et, de ce fait, toute influenced’éventuels nœuds constructifs est négligée et la déperditionpar ventilation (le terme H

V,iU ) est également laissé de côté.

Hiu est alors donné par:


en (W/K)iiiuT iu AU H H ⋅Σ== ,


EANC

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Chauffage Central - CALCUL DES DéPERDITIONS THERMIQUES - Élaboration Théorique