ANNEXE 3 : RECUEIL DE NOTIONS LIÉES À LA THERMIQUE
ANNEXE 3 RECUEIL DE NOTIONS LIÉES À LA THERMIQUE BILAN THERMIQUE ET CONFORT Le bilan thermique de l’homme dans son environnement La température de surface et la température de confort QUELQUES DÉFINITIONS Inertie thermique Capacité thermique Chaleur subjective ou effusivité thermique Vapeur d’eau et condensation
BILAN
THERMIQUE ET CONFORT
LE BILAN THERMIQUE DE L’HOMME DANS SON ENVIRONNEMENT D'une température en général plus élevée que la température ambiante, le corps humain dissipe une certaine quantité de chaleur vers l'environnement qui l'entoure. L'activité réalisée, l’habillement, la température de l’air ambiant et la température de surface intérieure des parois du local sont autant de facteurs qui interviennent dans le bilan global de confort. Pour éviter un échange thermique trop important et donc inconfortable entre le corps et son environnement, il y a lieu : • d’éviter une radiation du corps vers des parois trop froides, en réduisant la conduction de la chaleur du local à travers elles ; • d’éviter une convection autour du corps, par des mouvements d'air trop rapides au sein du local ; • de choisir judicieusement le type de paroi et de matériau.
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ANNEXE 3 : RECUEIL DE NOTIONS LIÉES À LA THERMIQUE LA TEMPÉRATURE DE SURFACE ET LA TEMPÉRATURE DE CONFORT La température moyenne de surface intérieure des parois du local tpm et la température de l'air ambiant du local ta sont les facteurs essentiels du confort thermique car les échanges par convection et rayonnement interviennent pour 70 % dans le bilan thermique. La température de confort tc est définie comme la moyenne entre ta et tpm : (ta + tpm) tc = 2 Un autre facteur de confort est l’homogénéité des températures des parois du local. Isoler thermiquement une paroi, c’est la rendre moins conductrice de la chaleur et donc augmenter sa résistance thermique. Dans un local chauffé, la température de surface d’une paroi isolée sera toujours plus élevée que celle d’une paroi non isolée. Pour atteindre les objectifs de confort, il y a donc intérêt à augmenter la température tpm des parois extérieures, par le renfort de leur résistance thermique, c’est-à-dire en les isolant.
QUELQUES
DÉFINITIONS
INERTIE THERMIQUE C’est une notion qui recouvre à la fois l’accumulation de chaleur et la restitution de celle-ci avec un déphasage en fonction des caractéristiques physiques, dimensionnelles et d’environnement de la paroi de stockage.
CAPACITÉ THERMIQUE C’est la capacité qu’a un matériau d’emmagasiner la chaleur par rapport à son volume ou la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 degré la température de 1 m³ de ce matériau. Cette capacité est le produit de la masse volumique (ρ en kg/m³) et de la chaleur spécifique (C en kJ/kgK)
EFFUSIVITÉ THERMIQUE Ef Cette propriété des matériaux n’est pas prise en compte dans les bilans thermiques. L’effusivité thermique est pourtant un paramètre non négliAn3-2
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ANNEXE 3 : RECUEIL DE NOTIONS LIÉES À LA THERMIQUE EFFUSIVITÉ THERMIQUE Ef geable du confort thermique, et donc des besoins et des dépenses énergétiques, en tant que contrepoids des inconvénients que peut représenter une trop grande inertie thermique [26]. Elle mesure la rapidité avec laquelle un matériau absorbe la chaleur provenant d’un autre matériau plus chaud que lui et mis en contact avec lui. L’effusivité thermique Ef indique combien de kilojoules ont pénétré sur 1m² de surface du matériau, une seconde après qu’elle ait été mise en contact avec une autre surface de 1 m² plus chaude qu’elle de 1 degré Kelvin. Ef est la racine carrée du produit de la capacité thermique C par la conductivité thermique λ Ef = √ (ρ x C x λ) • un Ef élevé signifie que le matériau absorbe rapidement beaucoup d’énergie, sans se réchauffer notablement ; • un Ef plus bas signifie que le matériau se réchauffe plus vite.
EXEMPLE Lorsqu’ils sont mis en contact avec un matériau plus chaud qu’eux, les revêtements ci-dessous s’échauffent de 5°C : • pour le liège : • pour le bois : • pour la faïence :
en 10 minutes (Ef = 0,14 kJ/m².s.K) en 80 minutes (Ef = 0,56 kJ/m².s.K) en 330 minutes (Ef = 1,10 kJ/m².s.K)
En pratique, les matériaux dont le Ef est faible sont isolants. • Ef ≤ 0,33 ⇒ matériaux subjectivement chauds • 0,33 ≤ Ef ≤ 0,67 ⇒ matériaux chauds • 0,67 ≤ Ef ≤1,25 ⇒ matériaux donnant une impression neutre à fraîche • si Ef ≥ 1,25 La chaleur subjective ressentie par le corps en contact avec la paroi est inversément proportionnelle à l’effusivité du matériau de revêtement de celle-ci. Le bois est typiquement un matériau dont l’effusivité est faible, apportant une chaleur subjective de contact élevée, donc confortable.
VAPEUR D’EAU ET CONDENSATION POUR
MÉMOIRE
En conditions hivernales, la température et l’humidité de l’air sont plus élevées dans le bâtiment qu’à l’extérieur. L’intérieur du bâtiment est donc comme un réservoir de chaleur et de vapeur d’eau, qui tendent à s’échapper vers l’extérieur au travers des parois extérieures. Si la température est basse et le degré d’humidité élevé, le risque de condensation superficielle et/ou interne à la paroi est grand.
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ANNEXE 3 : RECUEIL DE NOTIONS LIÉES À LA THERMIQUE La composition d’une enveloppe en bois évite les ponts thermiques de sorte qu’en aucun endroit, on n’y rencontre des conditions de basse température qui, alliées à une forte teneur en vapeur d’eau, pourraient occasionner des dégradations. Cependant, le bois étant un matériau très sensible à l’eau, la technique de construction doit absolument être pensée pour permettre le transfert de l’excédant d’humidité intérieure vers l’extérieur, sans que cette vapeur d’eau ne s’accumule dans la paroi. Sinon il y a risque de dégradation de la paroi en bois car l’eau de condensation peut favoriser le développement de champignons et provoquer de sérieux dégâts. Dans le cadre du classement de leur climat intérieur du point de vue hygrothermique, les bâtiments se subdivisent en fonction de la pression de vapeur de l’air intérieur, en se basant sur la pression annuelle moyenne ρi de la vapeur du climat intérieur (exprimée en pascals Pa), comme repris dans le tableau en page précédente.
DIAGRAMME
DE
MOLLIER
OU DIAGRAMME DE L’AIR HUMIDE
La zone grisée représente la zone de confort correspondant à un taux d’humidité relative de l’air ambiant compris entre 30 et 70 % pour des températures d’air entre 15 et 25 °C et cela suivant le climat intérieur et la destination du local.
MÉTHODE
DE
GLASER
La modélisation du phénomène de diffusion de vapeur d’eau au travers des parois peut se réaliser au moyen de la méthode dite de Glaser. Elle postule quelques simplifications : • 1. L’humidité se déplace uniquement par transfert de la vapeur. • 2. Il n’y a pas de transport d’air. Le transfert de vapeur est donc entièrement dû à la diffusion. • 3. Les matériaux ne sont pas hygroscopiques, à savoir qu’un changement de teneur en humidité en un point déterminé d’un matériau est uniquement la conséquence de la condensation ou de l’évaporation. • 4. Le coefficient µ de résistance à la diffusion de vapeur d’eau est considéré comme une constante réelle, quelles que soient les températures et les pressions partielles de vapeur d’eau rencontrées dans la paroi modélisée. Il en est de même pour le coefficient de conductibilité thermique λ. • 5. L’échange entre les milieux est stationnaire.
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