La notion de flux thermique. La convection. M21C : Confort thermique et énergétique - Cours n 3. La conductance La résistance

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1 M21C : Confort thermique et énergétique - Cours n 3 La notion de flux thermique La conductance La résistance La convection Principe physique L'effet thermosiphon Architectes > Lacaton & Vassal > Maison à Coutras Photo Revue Verb architecture boogazine > octobre 2001

2 La notion de flux thermique L'isolation : principe valable autant pour la stratégie du froid que pour celle du chaud L'isolation empêche la chaleur de partir ou de rentrer! Les déperditions : Surfaciques (parois) Linéiques (ponts thermiques) [cf. Schéma] Par renouvellement d'air (infiltrations) Flux : Flux de chaleur : Passage d'un certain nombre de "choses" pendant un temps donné d'un endroit à un autre endroit. La quantité de chaleur passant au travers de 1 m 2 de paroi pendant 1 seconde Noté ϕ - l'unité c'est le Watt / m 2 (on parle de densité de flux) Noté Φ - Quand il s'agit d'une surface S, l'unité est le Watt [cf. Schéma] Rappel : La quantité de chaleur Q en Joule Rapport Quantité / Puissance > P = Q / t en W / s ( idem W. s -1 )

3 La conductance / La résistance : définitions La conductance exprime la capacité de conduire un flux Φ ou une densité de flux ϕ La résistance exprime la capacité de résister au flux Φ ou à une densité de flux ϕ La conductance : Pour un ensemble donné u ( anciennement k ) W / C idem W / K Pour 1 m 2 donné U ( anciennement K ) W / m 2. C idem W / m 2. K La résistance : Pour un ensemble donné r C / W idem K / W Pour 1 m 2 donné R C. m 2 / W idem K.m 2 / W Attention, il arrive souvent que l'on utilise qu'un seul signe : R et U pour désigner r et u La résistance est l'inverse de la conductance et inversement! R = 1 / U > U = 1 / R & r = 1 / u > u = 1 / r Concernant la thermique, le flux est proportionnel à l'écart de température Φ = u. (en Watt pour l'ensemble d'une paroi > quantité de chaleur échangée par une paroi) ϕ = U. (en Watt / m 2 > quantité de chaleur échangée par une paroi de 1 m 2 )

4 La conductance / La résistance : opérations 2 cas sont à considérer. Lorsque les éléments sont en : Parallèle : [cf. schéma] On additionne les conductances : U total = U n > u = U. S Série : [cf. schéma] On additionne les résistances : R total = R n > r = R / S Schémas in "L'isolation écologique" de Jean-Pierre Oliva, Ed. erre vivante

5 La conductance / La résistance : application aux matériaux (I) Évolution de la température dans un matériau homogène d'épaisseur e (en régime thermique permanent : entre les deux faces, avec une densité de flux ϕ) On observe alors l'évolution de température suivante : e ϕ d x dx Schéma repris de "Architecture climatique" de Pierre Lavigne, Edisud. On observe que ϕ est : Proportionnel à Inversement proportionnel à e ( x) Dépend du matériaux On peut l'écrire sous la forme : ϕ = / e est la conductivité thermique du matériau en W / m. C

6 La conductance / La résistance : application aux matériaux (II) ϕ = / e On sait que : ϕ = U. Donc : La conductance d'un ensemble solide est : U = / e en W / m 2. C La résistance d'un ensemble solide est : R = e / en C. m 2 / W Avec en W / m. C et e en mètre Le gradient de température est d / dx. En régime dynamique, il n'est pas constant, même si est constant. Application : On cherche à réaliser deux parois de même résistance thermique. Une en béton courant ( = 1,7 W / m. C ) l'autre avec un isolant courant ( = 0,04 W / m. C ) Quel est l'épaisseur d'une paroi en béton pour un équivalent en terme d'isolation thermique d'une paroi faisant 5 cm en isolant? > 2 m 12 d'épaisseur de béton!

7 La convection : Principe physique La convection est le phénomène physique par lequel la chaleur est transmise en mettant en jeu des déplacements de matière. Elle s'oppose à cela à la conduction dans laquelle, il n'y a pas de déplacement de matière. La convection ne peut pas exister entre deux solides, elle n'existe que grâce à un fluide : air, eau, etc. Il y a deux sortes de convection : la convection libre et la convection forcée. La convection libre (ou dite naturelle) : C'est la forme la plus couramment observée : au contact d'un objet chaud, la température de l'air augmente, sa masse volumique décroît. L'air chaud subit, de la part de l'air non chauffé, une poussée vers le haut (poussée d'archimède) qui crée un courant d'air ascendant. La masse d'air chaud emporte avec elle une partie de la chaleur cédée par l'objet chaud. Le processus se poursuit car de l'air froid se substitue à l'air chaud. Le même phénomène se produit par refroidissement, mais en sens inverse (l'air froid descend)! La convection forcée : C'est quand une action extérieure contribue à faire circuler le fluide. Cela peut-être un ventilateur, une pompe, un compresseur, ou simplement le vent ou la gravité L'écoulement correspondant se poursuit soit dans la masse même du fluide (agitation d'une pièce par un ventilateur), soit dans des canalisations.

8 La convection : Application aux parois et plafonds Lorsqu'il existe une différence de température entre un fluide (l'air pour nous) et une surface de paroi en contact avec lui, il y a échange de chaleur (toujours de la température la plus haute, vers la température la plus basse. La densité de flux correspondante est égale ϕ = U c U c est la conductance par convection pour 1 m 2 ϕ paroi air ϕ ϕ U c = 4,6 W / m 2 C U c = 7 W / m 2 C ϕ U c = 1,2 W / m 2 C Schéma repris de "Architecture climatique" de Pierre Lavigne, Edisud.

9 La convection : l'effet thermosiphon (I) Un effet thermosiphon correspond au fait qu'un fluide (air, eau, etc) se mette en circulation de façon naturelle. (il faut donc qu'il y ait un circuit) Pour qu'un effet thermosiphon se produise (c'est-à-dire un écoulement), il suffit que dans un circuit présentant des différences de hauteurs, une différence de température se fasse afin de changer la masse volumique du fluide. Autrement dit, quand dans un circuit de fluide de la chaleur est fournie à un niveau plus bas qu'elle est retirée, un thermosiphon a lieu. [cf. schéma]

10 La convection : l'effet thermosiphon (I) Quelques applications liées à l'habitat Schéma repris de "Architecture climatique" de Pierre Lavigne, Edisud.

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