Cours dEquipements Techniques du Btiment

THERMIQUE DU BATIMENT

Thermique Applique aux Btiments

Chapitre 2 :

Chapitre 2. THERMIQUE DU BATIMENT

1- TRANSFERTS de CHALEUR travers les PAROIS OPAQUES

3- Quelques lments complmentaires

1.1 Transmissions surfaciques Coefficient U

2.1 Coefficient Ug des vitrages

2.3 Apports solaires

1.2 Transmissions liniques Coefficient

1.3 Transmissions ponctuelles Coefficient

1.4 Transmissions globales Coefficient Ubt

2- TRANSFERTS de CHALEUR travers les PAROIS VITREES

2.2 Coefficients Uw, Uwf, Ujn des fentres

2.1- TRANSFERT DE CHALEUR A TRAVERS LES PAROIS OPAQUES

Chapitre 2. THERMIQUE DU BATIMENT

2.1.1 Transmissions surfaciques Coefficient U

Extrieur (Air froid)

Intrieur (Air chaud)

1 2

i e

lment de paroi sparant lintrieur de lextrieur

i > 1 > 2 > e

Le flux thermique chang entre lintrieur et lextrieur, par lintermdiaire des faces de la paroi, se dcompose comme suit :

Paroi

S,

e

2

a changes entre lintrieur et la face intrieure de la paroi

changes par convection :

changes par rayonnement :

Globalement :

et hhhh

rconv

riraiconvi

int = hconv S (ai - 1 ) + hr S (ri - 1 )

= S [ (hconv ai + hr ri) (hconv + hr) 1 ]

hhhh

1rconv

riraiconv= S (hconv + hr)

avec hi = hconv + hr = coefficient dchange thermique superficiel intrieur (W.m2.K-1)

int = hi S (i - 1 )

= temprature intrieure

conv= hconv S (ai - 1 ) avec ai = temprature de lair intrieur

r= hr S (ri - 1 ) avec ri = temprature radiante due lensemble des parois du local # p = temprature moyenne pondre des parois

ii

ipii

pri S

S

3

b changes entre faces intrieure et extrieure de la paroi

changes par conduction :

)( 21Second

c changes entre la face extrieure de la paroi et lextrieur changes par convection : conv= hconv S (2 - ae) avec ae = temprature de lair extrieur = e

changes par rayonnement : r= hr S (2 - re) avec re = temprature radiante de lambiance extrieure =e

Globalement : ext = hconv S (2 - e) + hr S (2 - e)

avec he = hconv + hr = coefficient dchange superficiel extrieur (W.m2.K-1)

Dans le cas dune paroi multicouches en srie (isolant, enduit, briques, agglo )

ii

cond RS )( 21

ext = he S (2 - e)

4

d Coefficient U de transmission surfacique de la paroi

Rgime permanent : int = cond = ext =

)()(

)(

ee

ii

ii ShRS

Sh 221

1

h

SR

S

h

S

e

e

ii

i

i112211

)()()(

hR

h

S

eii

i

ei11

)(

On pose = U S (i - e)

RU

1 : rsistance thermique de la paroi (m2.K.W-1)

Mur isol :

Mur non isol :

Porte :

Simple vitrage : Double vitrage :

A retenir

Rh

RhU ei

ii

111avec

U : coefficient

U est donc le flux thermique qui traverse la paroi

par unit de surface, et par unit dcart de

temprature intrieur-extrieur.

de transmission surfacique de la paroi.

U sexprime en (W.m2.K-1)

R > 2

R < 0,5 R = 0,5

U = 5 U = 3

5

hh ei11 , : coefficients de rsistance

superficielle des parois.

Paroi : isolation flux limit

)( ei

2.1.2 Transmissions liniques Coefficient

Liaison mur-plancher

Extrieur Intrieur

: coefficient de transmission linique (W.m1.K-1)

: longueur de la liaison (m)

Ces coefficients sont fonction de - - 0.04

0.04

0.04

0.26

0.20

0.34

0.17

0.14

0.21

0.13 0.13

0.10

0.17 0.17

0.10 0.10

0.17

0.13 la nature des parois (extrieure, intrieure, verticale, horizontale)

la direction du flux de chaleur (ascendant, descendant)

Plancher : faible rsistance thermique flux linique de chaleur Pont thermique

1/hi + 1/he

Paroi en contact avec l'extrieur

Paroi en contact avec un autre local

1/hi 1/hi 1/he 1/he 1/hi + 1/he

6

a Divers ponts thermiques

Les plus courants dans le btiment sont :

mur-plancher mur refend

angle mur/plafond

b Valeurs de Elles sont calcules. Lanalogie lectrique peut tre utilise pour dterminer ces

coefficients mais on utilise plutt des mthodes numriques (type lments finis)

avec maillage de la structure en 2D ou 3D.

baie fentre seuil

iiiT SU

Alors est dduit de :

Les valeurs sont donnes dans le DTU (Rgles Th-U du chapitre Th-bt des

textes rglementaires de la nouvelle rglementation thermique (RT 2000)). Elles

dpendent du type de liaison, des paisseurs mises en jeu, et des dispositions

constructives choisies. 7

2.1.3 Transmissions ponctuelles Coefficient

Si les artes dun btiment

paralllpipdique font lobjet de ponts

thermiques liniques, les coins, eux, font

lobjet de ponts thermiques ponctuels.

Le flux de chaleur transmis sexprime

par :

)( ei

: coefficient de transmission ponctuelle (W.K-1)

Valeurs de

Dtermines de faon analogue celles de , pour les prendre en compte,

on cherchera dans les valeurs par dfaut utiliser dans les Rgles Th-U

de la RT 2000.

8

2.1.4 Transmissions globales Coefficient Ubt Un btiment, bien isol en partie courante, peut voir ses performances remises en

cause par lexistence de ponts thermiques, dont les dperditions peuvent reprsenter

jusqu 40% des dperditions totales.

ii

USDbt S

HHHU

en (W.m-2 .K-1)

On appelle Ubt le coefficient moyen de dperdition par transmission travers les parois et baies du btiment :

SSSS USDi

O Si dsigne les surfaces intrieures des parois qui sparent le volume chauff - de lextrieur (SD), - du sol (SS), - et des locaux non chauffs (SU) .

)).(.( eii

ibtbt SU

)).(( eiUSD HHH

USDbt

e

s

i

D

D

D

U

S

u

9

bi dsigne un coefficient de rduction de temprature = (i- u)/(i- e) o u est la temprature du local non chauff, sol ou sous-sol.

HS est le coefficient des dperditions travers sol, vide sanitaire, ou sous-sol non chauff

bUSH iii

iS .

SeiS ).(H

HU est le coefficient des dperditions travers des locaux non chauffs (except vide sanitaire ou sous-sol)

bUSH ij

jkk

kii

iU .

UeiU ).(H

en (W.K-1) j

jkk

kii

iD USH

HD est le coefficient des dperditions travers les parois donnant directement sur lextrieur

DeiD ).(H

10

2.2- TRANSFERTS DE CHALEUR A TRAVERS LES PAROIS VITREES

2.2.1 Coefficient Ug des vitrages

Extrieur Vitre

si se

e

Intrieur

i e

i > si > se > e

On a : verre = 1 W.m1.K-1

Considrons e = 3mm

a Simple vitrage

= 0.173 do Ug = 5.8 W.m2.K-1 pour un vitrage vertical

Exemple :

si i = 19C et e = 0C alors si = 4,7C

= 0.13 + 0.003 + 0.04

he

hUR

eigg

111

Dans les conditions de base :

paroi froide

risque de condensation

11

b Double vitrage

Exemple :

si i = 19C et e = 0C alors si = 10,2C

Deux vitres spares par une lame dair sec, dpaisseur e.

Extrieur Air sec

si se

Intrieur

i e

i > si > se> e

e

Comment diminuer encore Ug ? (Umur isol 0,5):

-

-

-

Rs = f(e)

0

0,1

0,2

0 10 20 30

paisseur e (mm)

Rs

Courbe Rs= f(e) paisseur limite de lame dair.

augmenter e jusqu 20mm (Ug 2.7)

vitrages peu missifs (Ug 2.5)

argon, krypton (Ug 2.8)

Cumul des 3 actions

(Ug 1.2)

+ Triple vitrage

Si e = 5mm, Rs= 0.11

et Rg=

0.13 + 0.11 + 0.04 = 0.28 do Ug = 3.5 W.m2.K-1

Dans la lame dair, changes de chaleur par : - rayonnement, - convection.

12

Sg, Ug

Sf, Uf

Menuiserie (f)

Vitrage (g)

2.2.2 Coefficients Uw, Uwf, Ujn des fentres

a Fentre sans fermeture extrieure

b Fentre avec fermeture extrieure

classe R (m2 .K.W-1)

1

2

3

4

5

0.08

0.25 Rf + 0.09

0.55 Rf + 0.11

0.80 Rf + 0.14

0.95 Rf + 0.17

Valeurs par dfaut:

Accordon, lames orientables, persiennes

Volet roulant PVC (e12mm), Volet battant PVC ou bois (e 22mm)

Volet roulant PVC (e>12mm), Volet battant bois (e > 22mm)

fermetures R (m2.K.W-1)

0.08

0.19

0.25

g, g SS

SUSUU

fg

ggffggw

Avec R : rsistance thermique additionnelle due fermeture + lame dair ventile, fonction de la rsistance thermique Rf et de la permabilit de la fermeture.

RU

U

w

wf

1

1

13

c Coefficient U moyen jour-nuit

jour

nuit

% degrs-heures % fermeture

20%

75%

45%

55%

Donc la part des dperditions avec fermetures fermes est de :

0.20*0.45 + 0.75*0.55 0.50

Exemples:

menuiserie

bois

Mtal*

PVC

PVC

Mtal*

bois

Ug R=0.08 R=0.25

2.9

1.2

Uw

3.6

2.5

1.9

3.0

2.8

1.7

Ujn

1.6 1.4

2.3 2.0

1.8 1.6

2.5 2.2

3.2 2.7

2.7 2.4

Mtal* : menuiserie mtallique rupture de pont thermique

Valeurs leves de Ujn

2UU

U wfwjn

Do :

Fentre = lment de paroi peu isolant

(Umur isol 0,5):

14

2.2.3 Apports solaires (Rgles Th-S)

a le facteur solaire

E Flux solaire incident

Pour une incidence de 30 et un vitrage ordinaire,

on a : = 9% ; = 1% ; = 90%

Calcul de la temprature du vitrage :

Bilan nergtique du vitrage :

Flux entrant = flux sortant

hh

Ehh

ei

eeii

E E flux solaire rflchi

Extrieur

Vitre

Intrieur

i

e

E

E

E flux solaire transmis

= hi (i - ) - E

> 0 : dperdition de chaleur

< 0 : apport de chaleur

hi (i - ) + (1- ) E = he ( - e ) + E

Densit de flux global de chaleur (intrieur extrieur)

i > > e (hiver)

hi i + he e + E = (hi + he)

E

E flux solaire absorb

15

Ehh

Ehhh

ei

eeiiii

Ehh

Ehhh

hhei

iei

ei

ei

EEhU

Ue

geig

EhU

Ue

geig

SEU eig

hU

Se

gavec Facteur solaire

S : gain dnergie solaire en % du

flux E arrivant sur le vitrage

Exemple (A Nmes, en Janvier, i =18C, e =-5C, simple vitrage 3mm) :

Nord : E = 30 W.m2 Sud : E = 500 W.m2

Pertes = Ug (i - e)

Gain solaire SE

Bilan thermique

133 W.m2 133 W.m2

450 W.m2 27 W.m2

-317 W.m2 106 W.m2

Apport de 317 W.m2 Perte de 106 W.m2

16

b Bilan nergtique saisonnier selon lorientation des vitrages

Sous nos latitudes :

Simple vitrage :

Gain dnergie Bilan quilibr Perte dnergie

S, SE ,SO E, O N, NE, NO

N Double vitrage : S, SE ,SO, E, O NE, NO

he t = 13.5 (he hiver = he = 1/0.04 = 25)

hi t = 8.0 (hi hiver = hi = 1/0.13 = 7.7)

h

US

e

pp

catgorie

claire

moyenne

sombre

noire

p 0.4 0.6 0.8 1.0

2.3- Quelques lments complmentaires

2.3.1 Conditions

dt

2.3.2 Facteur solaire

des parois opaques

or (1/U)t = (1/U)hiver (1/hi + 1/he) hiver + (1/hi + 1/he) t

donc 1/Ut = 1/U + 0.029

17

Merci de votre attention

EXERCICES