Cours 1 : Thermique du bâtiment. Enjeux de l intégration des préoccupations thermiques dans la conception architecturale/données climatiques

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1 UE : Maîtrise des ambiances Cours 1 : Thermique du bâtiment. Enjeux de l intégration des préoccupations thermiques dans la conception architecturale/données climatiques Mohamed BELMAAZIZ Année

2 2. L humidité de l air On appelle «Humidité relative» le rapport: à une température donnée; elle s'exprime en %. Quantité de vapeur d eau contenue Quantité de vapeur d eau saturante Qualité d eau saturante Qualité d eau contenue 70 % Échauffement 30 % 100 % Refroidissement 60 %

3 2. L humidité de l air Température de rosée Lorsque l'air se refroidit, son humidité relative augmente, jusqu'à atteindre la valeur de 100%. La température à laquelle ce phénomène se produit est appelée «Température de rosée». Température de rosée 100 % Refroidissement 60 % La loi de progression de la quantité de vapeur d eau saturante avec la température de l air est montrée par le «diagramme de l air humide»

4 2. L humidité de l air Par exemple : si un air à 12 C avec 70% d humidité relative est porté à 26 C, son humidité relative descend à 30%. La quantité de vapeur d eau qu il contient reste constante, à 6 grammes de vapeur d eau par kilogramme d air sec ; cette quantité est appelée humidité spécifique. 70 % 30 % 6 g Diagramme de l air humide 12 26

5 2. L humidité de l air 70 % 30 % 6 g 6 g % 30 % 6 g Diagramme de l air humide 12 26

6 2. L humidité de l air Par exemple : A l inverse, refroidir un air à 30 C et 60% d humidité relative lui fait atteindre son point de rosée à 21 C (Humidité spécifique : 16 g H 2 O/kg air sec). Si l on poursuit le refroidissement, la vapeur d eau en excès doit retourner à l état liquide ( condensation ), ce qui diminue l humidité spécifique, tandis que l humidité relative reste bloquée à 100%. A 17 C, l humidité spécifique n est plus que de 13 g H 2 O/kg air sec. 100 % 60 % 16 g 13 g Diagramme de l air humide Température de rosée 21 30

7 2. L humidité de l air 3 g 100 % 13 g 100 % 60 % 100 % 60 % 16 g 16 g 16 g 13 g Diagramme de l air humide Température de rosée 21 30

8 2. L humidité de l air Évolution annuelle des humidités relatives à Paris (6h30 et 12h30) Évolution annuelle des humidités à Cayenne, Paris et Phoenix Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be

9 2. L humidité de l air Mesure de l'humidité Il y a deux manières pour mesurer l'humidité de l'air: Hygromètres : ils utilisent la propriété de certains corps à modifier leur état (allongement, capacité électrique) en présence d'air humide : ils donnent directement une valeur d'humidité relative. Psychromètres : ils réagissent par évaporation: un thermomètre à bulbe humide permet de mesurer la température humide. L'écart entre la température humide et la température sèche permet de retrouver, pour une température sèche donnée, soit l'humidité relative, soit l'humidité spécifique.

10 2. L humidité de l air Humidité relative de Juillet à 15h

11 2. L humidité de l air Les conséquences et les applications de ces phénomènes non nombreuses. Citons en particulier : - Les condensations sur les surfaces froides (vitrages, boissons fraîches) constituant une marque visuelle du froid Risque de condensation 0 20 Risque de condensation Pont thermique vertical Pont thermique horizontal

12 2. L humidité de l air Les conséquences et les applications de ces phénomènes non nombreuses. Citons en particulier : - Les condensations dans les parois poreuses à la vapeur d'eau soumises à un gradient thermique Mur manteau Pare-vapeur

13 2. L humidité de l air Les conséquences et les applications de ces phénomènes non nombreuses. Citons en particulier : - Les rafraîchissements évaporatifs (effet de gargoulette) dans l'architecture vernaculaire

14 2. L humidité de l air Les conséquences et les applications de ces phénomènes non nombreuses. Citons en particulier : - Les rafraîchissements évaporatifs (effet de gargoulette) dans l'architecture vernaculaire C m/s > E E E E E E E

15 2. L humidité de l air Les conséquences et les applications de ces phénomènes non nombreuses. Citons en particulier : - Les effets réfrigérants de la brumisation Brumiseurs sous treille à Séville (Expo 92) Brumiseurs au sol à Lisbonne (Expo 98)

16 2. L humidité de l air Les conséquences et les applications de ces phénomènes non nombreuses. Citons en particulier : - Les effets microclimatiques des végétaux irrigués (évapotranspiration).

17 2. L humidité de l air Les précipitations Bilan du cycle de l eau Précipitations en 2004 (à Lille, Paris et Marseille en mm) Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be

18 3. Les rayonnements solaire et thermique On distingue deux types de rayonnements : le rayonnement solaire le rayonnement thermique, ou terrestre Ce qui les distingue, c'est la longueur d'onde dans laquelle ils se situent, c'est-à-dire la température à laquelle ils sont émis. La loi de Wien précise que la longueur d'onde d'émission énergétique maximale d'un corps est égale à : λ max = 2890/T (µm) (T étant la température absolue du corps qui émet en K) Dans le cas du soleil, cette température vaut 5800 K, ce qui donne à λ max la valeur de 0,5µm. Bien évidemment, aucun corps, même bien exposé au soleil, ne peut atteindre une telle température sur terre. Pour le rayonnement thermique ou «terrestre», avec une température de l'ordre de 289 K, soit 16 C, la longueur d'onde est centrée sur 2890/289 = 10µm.

19 3. Les rayonnements solaire et thermique On distingue deux types de rayonnements : le rayonnement solaire le rayonnement thermique, ou terrestre Courte longueur d onde (CLO) visible Grande longueur d onde (GLO) infrarouge

20 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : Arrivé au sol, le rayonnement solaire se subdivise en deux composants : Le rayonnement direct, provenant du disque solaire Le rayonnement diffus, provenant de la voûte céleste Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be La somme Rayonnement direct+rayonnement Diffus s'appelle le «Rayonnement Global». La répartition entre le Direct et le Diffus dépend de la clarté du ciel (ciel serein).

21 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : unité Le rayonnement solaire reçu par une surface c'est le produit de l éclairement énergétique par la durée d irradiation. Il s exprime en : J/cm² Wh/m² KWh/m². Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be

22 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : ordre de grandeur Rayonnement solaire global annuel arrivant sur une surface horizontale à Rouen = 1100 KWh/m² Si on considérer qu un litre de fioul dégage 10 kwh Chaque m² de surface reçoit l équivalent en énergie produite par 110 litres de fioul!!!

23 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : sa valeur varie selon la saison, la latitude, l altitude et les conditions locales de la nébulosité Rayonnement solaire en hiver Rayonnement solaire en été

24 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : sa valeur varie selon la saison, la latitude, l altitude et les conditions locales de la nébulosité Pourcentage de jours clairs en été Heures d insolation

25 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : sa valeur varie selon la saison, la latitude, l altitude et les conditions locales de la nébulosité Fraction d'insolation moyenne d'été en pourcentage

26 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : sa valeur varie selon la saison, la latitude, l altitude et les conditions locales de la nébulosité Rayonnement Global Horizontal en Janvier (kwh/m 2) Rayonnement Global Horizontal en Juillet (kwh/m 2)

27 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : Rayonnement solaire reçu selon l orientation du plan de réception (paroi) Rayonnement Global vertical Sud en Janvier (kwh/m 2) Rayonnement Global vertical Ouest en juillet en (kwh/m 2)

28 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : mesure L énergie du soleil se mesure avec un «pyranomètre», sorte de cellule photo-électrique : on mesure le plus souvent le rayonnement Global Horizontal. On mesure directement le rayonnement Diffus en masquant le disque solaire pour la cellule. Par différence, on obtient le Rayonnement Direct. L ensemble peut aussi être mesuré pour un plan vertical Sud. La mesure se fait en Joules/cm 2 ou en Wh/m 2. (1 J/cm 2 = 2,78 Wh/m 2 ). La durée d insolation est mesurée avec un «héliographe», une bande de papier brûlée par une boule de verre. Elle s'exprime en heures.

29 3. Les rayonnements solaire et thermique Rayonnement solaire : mesure Héliographe Pyranomètre

30 3. Les rayonnements solaire et thermique 1 Bilan radiatif terrestre espace 1. Rayonnement solaire global (hors atmosphère) 2. Rayonnement solaire réfléchi par l atmosphère 2 3. Rayonnement solaire absorbé par l atmosphère Rayonnement solaire absorbé par le sol 5. Rayonnement solaire réfléchi par le sol 6. Rayonnement terrestre émis par le sol 5 3 atmosphère 7 7. Rayonnement terrestre absorbé par l atmosphère 8. Partie du Rayonnement terrestre absorbé par l atmosphère émis vers l espace 9. Rayonnement atmosphérique absorbé par le sol 10. Rayonnement atmosphérique émis vers l espace 11. Énergie perdue par le sol par évaporation et convection 6 Surface de la terre

31 3. Les rayonnements solaire et thermique Bilan radiatif terrestre

32 3. Les rayonnements solaire et thermiques Rayonnements thermiques Les rayonnements thermiques englobent le «Rayonnement Terrestre» et le «Rayonnement Atmosphérique». Sur une année, le bilan du rayonnement solaire reçu et des rayonnements thermiques de la surface de la terre et de l atmosphère s équilibre. Pour les échanges radiatifs des objets au sol, on utilise la notion de «température radiante du ciel», température supposée de la surface virtuelle qui peut être substituée au ciel.

33 3. Les rayonnements solaire et thermiques Bilan radiatif terrestre APPORTS PAR LE SOLEIL Rayonnement incident solaire hors atmosphère = 1100 Rayonnement solaire réfléchi par l atmosphère = Rayonnement solaire absorbé par l atmosphère = Rayonnement solaire réfléchi par le sol = - 50 Rayonnement solaire absorbé par le sol = 480 PERTES VIA L ATMOSPHERE Rayonnement atmosphérique total = 1590 Rayonnement atmosphérique émis vers l espace = Rayonnement atmosphérique absorbé par le sol = Rayonnement terrestre émis par le sol = Energie perdue par le sol par évaporation et convection = Rayonnement terrestre absorbé par l atmosphère = 1140 Partie du Rayonnement terrestre absorbé par l atmosphère émis vers l espace = BILAN NET AU SOL : = 0 BILAN NET POUR L ATMOSPHERE : = 0

34 4. Le vent Le vent est un déplacement d air (essentiellement horizontal) qui se crée entre un anticyclone et une dépression. Le flux d air, au lieu de suivre la ligne de gradient de pressions, prend un parcours en forme de S, à cause de la force de Coriolis. Direction du vent et champ de pression atmosphérique

35 4. Le vent Le vent constitue un facteur climatique important, car il peut avoir plusieurs effets : - échanges thermiques par convection, - ventilation naturelle et les infiltrations - effets mécaniques : la pression qu'il exerce sur des surfaces La mesure du vent est basée sur deux grandeurs: - la vitesse d'air - la direction du flux d'air.

36 4. Le vent La vitesse se mesure à l'aide d'un anémomètre, selon deux techniques possibles l'anémomètre à godets : la rotation des godets produit un courant dont on mesure l'intensité (vitesses normales et élevées); la mesure se prend en général à 10m du sol. la boule chaude : une boule est chauffée par un courant électrique; la vitesse d'air augmente les déperditions et l'intensité du courant nécessaire à la compensation permet de mesurer la vitesse d'air (faibles vitesses). Les mesures se font instantanément (ou par une intégration sur un faible temps) toutes les 6 minutes. La direction du vent se mesure avec une girouette. Elle se repère par l'azimut d'où provient le vent, de 0 à 360 en tournant dans le sens des aiguilles d'une montre. Ainsi, l'est c'est 90, le Sud 180 et l'ouest, 270.

37 4. Le vent Anémomètres et girouette

38 4. Le vent A quoi servent les données mesurées? Les données peuvent être présentées sous formes de valeurs moyennes de vitesse d'air (en m/s) annuelles ou mensuelles. On peut aussi les présenter sous forme de fréquences cumulées: par exemple, la fréquence de vents moyens < 5m/s, en % du temps. La représentation simultanée des vitesses d'air et des directions se fait avec une «rose des vents» :

39 4. Le vent Rose des vents

40 4. Le vent Rose des vents Roses des vents des villes du Sud de la France

41 4. Le vent Nombre de jours annuel où V vent > 21m/s

42 4. Le vent Plusieurs paramètres ont une influence sur le vent : - La rugosité des surfaces du site (présence d obstacles) Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be Variations de la vitesse du vent en fonction de l altitude et de la nature du sol

43 4. Le vent Plusieurs paramètres ont une influence sur le vent : - La topographie locale du lieu (pentes, vallées ) Concentration du vent au sommet de la colline et entre deux collines Zones favorables et défavorables à la ventilation naturelle due au vent et en fonction de la topographie (d après le CSTB) Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be

44 4. Le vent Plusieurs paramètres ont une influence sur le vent : - La topographie locale du lieu (pentes, vallées ), obstacles Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be

45 4. Le vent L'écoulement des masses d air autour d un bâtiment Essai en soufflerie Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be Vue en plan des phénomènes d un écoulement turbulent qui rencontre un bâtiment parallélépipédique

46 4. Le vent L'écoulement des masses d air autour d un ensemble de bâtiments Maquette d essai en soufflerie Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be Image d un essai en soufflerie pour un ensemble de bâtiments

47 4. Le vent L'écoulement des masses d air autour d obstacles et potentiel de ventilation naturelle Exemple de distances à respecter pour permettre la ventilation naturelle d un ensemble de bâtiments soumis au vent Potentiel de ventilation naturelle d un bâtiment en fonction de l éloignement de l obstacle aéraulique Source : www-energie2.arch.ucl.ac.be

48 Bibliographie Atlas des fréquences de l insolation journalière dans le midi méditerranéen ; CNRS-PIRDES ; Université Scientifique et médicale de Grenoble ; 1980 Précis de climatologie; Ch. P. Péguy; Masson et Cie, éditeurs, 468p, Paris, 1970 Le rayonnement solaire au sol et ses mesures; Chr Perrin de Brichambaut et G Lamboley; Cahier AFEDES N 1, Janvier Some empirical properties of solar radiation and related parameters; P. Valko; Swiss Meteorological Institute Zurich; December 1980.