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1 1- THERMO-PHYSIOLOGIE HUMAINE Chapitre 7. CONFORT THERMIQUE L’étude thermique d’un bâtiment doit conduire au confort thermique de ses occupants . L’activité biologique et musculaire crée un dégagement de chaleur significatif. Cette énergie, ou métabolisme, peut s’exprimer en W, W/m 2 (S peau = 1.8 m 2 ) ou met (1 met = 58 W/m 2 ). A la différence d’ objets usuels, le corps humain est le siège d’une production de chaleur . 1.1 – Métabolisme Activité [W] Sommeil 75 Repos-assis 105 Repos-debout ou activité légère (assis) 125 Activité légère-Enseignement (debout) 170 Activité moyenne (debout) - Marche 210 Gymnastique Basket ball 330 750 [met] 0,7 1,0 1,2 1,6 2,0 3,1 7,2 Pour maintenir sa température à 37 °C, le corps doit dissiper cette énergie.

Confort+Hygro

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  • 11- THERMO-PHYSIOLOGIE HUMAINE

    Chapitre 7. CONFORT THERMIQUE

    Ltude thermique dun btiment doit conduire au confort thermique de ses occupants.

    Lactivit biologique et musculaire cre un dgagement de chaleur significatif. Cette nergie, ou mtabolisme, peut sexprimer en W, W/m2 (Speau = 1.8 m2) ou met (1 met = 58 W/m2).

    A la diffrence d objets usuels, le corps humain est le sige dune production de chaleur.

    1.1 Mtabolisme

    Activit [W]Sommeil 75Repos-assis 105Repos-debout ou activit lgre (assis) 125

    Activit lgre-Enseignement (debout) 170Activit moyenne (debout) - Marche 210GymnastiqueBasket ball

    330750

    [met]0,71,01,2

    1,62,03,17,2

    Pour maintenir sa temprature 37 C, le corps doit dissiper cette nergie.

  • 21.2 Les changes corps-ambianceCorps lgrement vtu (Sc =1.3 m2), temprature Tc 35C

    )(SS

    )TT(S

    ppc

    c

    pccray

    111

    44

    +

    = )TT(S pcccray 44 =

    )TT(ST pccm cray = 34 avec Tm = (Tc + Tp)/2 (par linarisation)

    A.N. : c = 0.9 ; Tm = 300K ; = 5,67 .10-8 [W] )TT( , pcray = 157

    a par rayonnement (avec les parois de temprature Tp 18C, de surface Sp)

    b par convection (avec lair ambiant de temprature a 20C, de vitesse 0,25m/s)

    A.N. : = 1,2 ; = 0,026 ; = 1,8 .10-5 ; c = 1005 (S.I.)[W] )( , acconv = 65

    Corps : Sc =1,6 m2 , cylindre vertical de diamtre 0,3 m Nu = 0,21 Re0,62 Pr0,38

    )-( S h accconv =

    =hD Nu

    D Re U=

    =c Pr

  • 3c par vaporation (chaleur latente prleve sur la surface v.Sc mouille par la sueur)

    d par conduction (entre les pieds et le sol)

    q mvL .L= S)pp(Tchq cvvscm

    v= 462avec

    A.N. : Lv = 2450 kJ/kg ; v en % [W] v )pp(, vvsL = 090

    Quantitativement, cet change est faible mais surtout dsagrable. Il peut devenir important en position assise ou couche.

    1.3 Mcanismes rgulateurs

    Equilibre thermique du corps : Mtabolisme = flux changs avec lextrieur

    ++= LconvrayM

    a action (non matrise) sur la temprature de peau c (rseau sanguin superficiel)La temprature c sadapte (couleur du visage) selon les situations :

    Hiver (c >> p et c >> a) : pour ray et conv , c t (c > p et c > a ) : pour conv , c

    (On plit)(On rougit)

  • 4b transpiration (2 500 000 glandes sudoripares)

    si v alors L mais la sensation dinconfort

    v )pp(, vvsL = 090

    c autres mcanismes rgulateurs

    Ambiance froide : du mtabolisme frissons, agitation volontaire

    Ambiance chaude : du mtabolisme position de repos

    1.4 Ambiance et temprature rsultante

    Confort thermique = pas de ressenti dactivit des mcanismes rgulateurs

    Une ambiance dpend des paramtres suivants :----

    temprature moyenne des paroistemprature de lairvitesse de lairhumidit relative de lair

    Le seul capteur capable dapprcier une ambiance est lindividu. On la caractrise par une temprature rsultante rs .

  • 52- TEMPERATURE RESULTANTE SECHE

    2.1 DfinitionEchanges du corps par chaleur sensible : ray + conv = 7,15 (c p) + 5,6 (c a)

    rs = 0,56 p + 0,44 aSi rs < 30C, alors L ne dpend pas de lhumidit de lair, L =f(rs), et donc rs caractrise totalement le local vis--vis des changes avec le corps humain,

    cest dire : rs = rs

    Le bulbe du thermomtre (sphre de diamtre 5 mm), en quilibre thermique, change de la chaleur par rayonnement avec les parois du local, et par convection force avec lair (U = 0,1 m/s).On a : (1)

    2.2 Thermomtres classiques

    044 =+ )(hS)TT(S abbpbbbPour le cas dune sphre , h est donn par la relation : (2)Re,Nu ,60370=

    = 12,75 [c ( 0,56 p + 0,44 a)]

    ( h = 15W/m2K)En linarisant la relation (1), on obtient : b = 0,27 p + 0,73 a Et si U , alors b tend vers a ( cas du thermomtre fronde)

  • 62.3 Thermomtre rsultant

    Thermomtre bulbe plac dans une enveloppe sphrique dmissivit 0,9, de diamtre 10 cm, de temprature e

    La relation (2) donne h = 4,7 et : e = 0,54 p + 0,46 a

    Mme si la chaleur du corps passe par conduction de la peau la surface extrieure du vtement,

    3.1 Vtements

    3- MAITRISE DU CONFORT THERMIQUE

    rs

    leffet des vtements est de limiter ray + conv , et donc de stabiliser la temprature du corps 37C en limitant le mtabolisme.

  • 73.2 Conditions intrieures raliser

    But du Chauffage et de la Climatisation : crer dans les locaux un climat permettant aux occupants dy trouver facilement (et inconsciemment) leur quilibre thermique.

    Le DTU fournit les tempratures intrieures de base, base du cahier des charges de lenveloppe et de linstallation de chauffage.

    Le confort thermique est atteint si rs ( # rs ) = i

    i (hiver) [C] i (t) [C] locauxHabitation (Salon, cuisine, chambre) 18Habitation (douche, SdB) 21

    23 2525 27

    Ecoles (classe) 18 23 25Ecoles (gymnase) 15 23 25Hpitaux (chambre) 18 19 21Hpitaux (bloc opratoire) 28 30 28 30Piscines 23 25 25 27

    Les utilisateurs sont placs dans les conditions de confort thermique dfinies par les tempratures intrieures de base.

  • 81- HUMIDITE DES AMBIANCES INTERIEURES ET EXTERIEURES

    Chapitre 8. HYGROTHERMIE - CONDENSATION

    Hygrothermie : tude des transferts combins de vapeur deau et de chaleur.

    Condensation : passage pour leau de ltat vapeur ltat liquide

    La zone de confort optimal se situe entre : = 17.5C ; HR=40% = 26C ; HR=55%

    Lhumidit dun local varie avec : - le nombre et lactivit des occupants (rejet de 50gv/h/pers) - le taux de ventilation - les conditions extrieures

    1.1 Humidit des ambiances intrieures

    0

    0,01

    0,02

    0,03

    0,04

    0 5 10 15 20 25 30 35 40

    Confort thermique optimal

    Degr hygromtrique 100%80%

    60%

    40%

    20%

    touff

    ement

    Respiration difficile

  • 91.2 Humidit des ambiances extrieures

    A lextrieur, lhumidit peut largement varier, mais en moyenne on constate que lhumidit volumique reste relativement constante et de lordre de 6 8g/m3 (x/Vu)

    La chute x de la teneur en eau x de lair tmoigne de la perte deau de lair. Elle se dpose sur la paroi froide : cest le phnomne de condensation superficielle.

    2- CONDENSATION SUPERFICIELLE

    Si lair (tat 1 : 25C, HR=50%) dun local arrive sur une paroi froide (ex: mur ext. non isol i=10C), lair va dabord se refroidir teneur en eau x constante, avec augmentation de HR jusqu 100% :

    0

    0.02

    5 10 15 20 25 30temprature sche (C)

    x (k

    g v /

    kgas

    )

    50%HR

    =100%

    x

    123

    tat 2 = point de rose (14C, HR=100%) premire goutte deau (liquide)

    Lvolution suit la courbe de saturation jusqu la temprature finale (10C) : tat 3La teneur en eau de lair chute de x.

  • 10

    Ce phnomne de condensation superficielle est viter pour plusieurs raisons :-- -- -

    Exemple :

    Air intrieur : ai=19C, HRi = 75% (Salon, Salle manger)

    alors : ri=14,5C (temprature de rose)

    Il ny aura pas condensation si :pi > 14.5C

    )(hU

    eii

    ipi = Avec :U : coefficient de transmission surfacique de la paroihi : coefficient dchange superficiel intrieuri et e : temprature intrieure et extrieure

    Condition largement ralise pour les isolations courantes

    Et si paroi non isole ?

    Et le cas des fentres?

    Et le cas Salle-de-bain?

    esthtique,risque de dtrioration des peintures et papiers peints,pntration de leau dans la paroi par capillarit,risque de dtrioration du pltre,insalubrit et prolifration de moisissures.

    La temprature de surface intrieure dune paroi en contact avec lextrieur a pour expression :

    Cest dire en prenant :

    i=18C , e=-5C, 1/hi=0.13

    U 1.2 W/m2C

    condensation

    vacuer la condensation

    VMC

  • 11

    3- CONDENSATIONS INTERNES

    3.1 Loi de Fick

    Intrieur :ai=19C, HRi = 50%

    Extrieur :e=-5C,

    HRe = 80%pvs,i = 2200 Pa

    Pv,i = 0.5 pvs,i = 1100 Pa Pv,e = 0.8 pvs,e = 320 Pa> Migration de vapeur deau de lintrieur vers lextrieur, Dbit de vapeur traversant la paroi (par unit de surface) dautant plus grand que :

    - -

    Le transfert de vapeur travers une paroi est rgi par la loi de Fick :

    p radg - m vpi=

    (kg/s.m2) Dbit massique par unit de surface

    pi : permabilit du matriau (kg/m.s.Pa) la vapeur grad - =

    Analogie : Loi de Fourier

    pvs,e = 400 Pa

    10 6241625778772 +

    + ,

    .,,vs p

    pp

    .(%)HRvs

    v100=

    10 7272756978772 +

    + ,

    .,,vs p

    ( 0C) =

    ( 0C) =

    la paroi est permable et que,la diffrence de pression est grande.

  • 12

    3.2 Cas de parois planes3.2.1 Paroi monocouche

    e0

    pvi

    pvex

    m

    Faces x=0 et x=e, isobaresProblme 1 dimension (x) et donc pv = f(x)

    ( ) exp p - p p veviviv =

    epp

    xdpd veviv

    =

    )pp( e m vevi pi

    =: permance de la couche (kg/m2.s.Pa) Elle est donne pour les matriaux mincese

    pi

    Comme la conductivit thermique , la permabilit pi des matriaux dpend de lhumidit et la temprature. On considre cependant des valeurs constantes qui sont des valeurs moyennes (ou valeurs utiles).

    Matriau Permabilit (kg/msPa)Laine minrale 125 000 166 000 10-15

    Bton cellulaire 41 600 10-15

    Brique pleine 18 700 10-15

    Bton 6 240 10-15

    polystyrnes 940 8 300 10-15

    Matriau Permance(kg/m2sPa)Enduit pltre 15mm 15 10-10

    Enduit mortier 15mm 0,7 10-10

    Feuille dalu 15m 0,3 10-10

    Feuille polythylne 100m 0,04 10-10

    Feutre bitumin < 0,02 10-10

    PV

  • 13

    3.2.2 Paroi multicouche

    pvi pve

    xm

    pv1 pN-1

    e1 e2 eN

    pi1 pi2 piN

    En rgime permanent, chaque couche est traverse par le mme dbit de vapeur deau m

    pi

    =

    =

    N

    i ii

    veviepp

    m

    1

    Par analogie entre la loi de Fick et de Fourier, on a donc :

    pi

    =

    11

    vvie

    ppm 1

    Connaissant Pv,i et Pv,e , et les caractristiques de la paroi, on peut calculer le dbit m de vapeur deau, puis les pressions partielles aux interfaces pour tracer le graphe de la pression de vapeur dans la paroi :

    pv1 pN-1pvi

    pve

    En rgime permanent, le graphe des pressions de vapeur est toujours ou dcroissant ou croissant.

  • 14

    pvs1

    pvs2

    3.3 valuation du risque de condensation : diagramme de Glaser Cest la comparaison dans toutes les couches du mur, de la pression

    partielle de vapeur pv la pression de vapeur saturante pvs. (pvs est dduit du diagramme de temprature par la loi pvs=f() ) .

    1

    pv1

    Diagramme de Glaser :Superposition des diagrammes

    de pv et de pvs

    Alors il y a condensation dans les zones o pv> pvs.

    Courbe de pvs correspondante

    pvs1

    pvs2

    Graphe des tempratures

    2

    Loi deFourier

    pv2

    Loi de Fick

    Zone de condensation

  • 15

    pvsi

    pvse

    pvi

    pve

    4- PROTECTION CONTRE LA CONDENSATION INTERNE

    4.1 Technique du pare-vapeur

    Leau accumule dans les porosits des matriaux a pour effet : ----

    Dispositions technologiques pour viter ces problmes

    Feuille mince de trs faible rsistance thermique,mais de grande rsistance la migration de vapeur.(/e grand, pi/e faible) : mme , mais pv

    Zone de condensation

    Sans pare-vapeur

    de diminuer considrablement la rsistance thermique de la paroi,de crer des migrations deau dans le mur par capillarit,des dissolutions salines,des risques de dgradation par le gel dans les parties extrieures.

    Avec pare-vapeur

    pvi

    pve

    pvsi

    pvse

    PVPas de

    condensationinterne

  • 16

    Positionnement pratique:- -

    4.2 Choix de matriau auto-pare-vapeur

    Cas disolants peu permables la vapeur (ex: polystyrne extrud )

    = PV + isolant thermique

    Rgles nonces par le DTU permettant, sans tracer le diagramme de Glaser, de savoir sil y a risque de condensation ou non dans une paroi :

    Rgle 1 : Condensation de surface si Risolant > 3 R paroi interne

    Rgle 2 : Condensation interne si Permanceparoi interne > 1.248 10-10 kg/m2sPa

    Rgle 3 : Condensation sur maonnerie si Risolant+R paroi interne >3 R paroi ext.en maonnerie

    Le pare-vapeur doit tre plac cot chaud (hiver) de lisolant.Si deux couches disolant (avec pare-vapeur) sont mises en place

    (ex: combles), seul le PV ct chaud sera conserv, le 2me PV sera enlev ou perfor (pour permettre la migration de la vapeur)

  • 17

    pvsi

    pvse

    pvi

    pve

    4.3 Isolation par lextrieurLe diagramme de Glaser montre que la protection contre le phnomne de condensation est compltement assure.

    i

    e

    Une technologie approprie doit protger lisolant contre les intempries :

    le revtement extrieur doit rester :--

    permable la vapeur etimpermable leau,

    sous peine de se comporter comme un pare-vapeur mal plac, qui alors remettrait en cause la protection contre la condensation.

  • 18

    Merci de votre attention

    Diapo 1Diapo 2Diapo 3Diapo 4Diapo 5Diapo 6Diapo 7Diapo 8Diapo 9Diapo 10Diapo 11Diapo 12Diapo 13Diapo 14Diapo 15Diapo 16Diapo 17Diapo 18