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Cours d’Equipements Techniques du Bâtiment THERMIQUE DU BATIMENT Thermique Appliquée aux Bâtiments Chapitre 2 :

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  • 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

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