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