Le bâtiment est un tonneau percé. Bilan thermique. Bilan thermique d'un bâtiment. Bilan thermique. Délimitation temporelle. Délimitation du système

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1 Le bâtment est un tonneau percé Blan thermque EN 832, EN 13790, SIA 380/1 LESOSAI 5 Nveau de prestatons Blan thermque d'un bâtment Blan thermque Apports d'énerge Déperdtons Transmsson thermque Gans Gans nternes Déperdtons par aératon Nveau de prestatons Gans solares et nternes Aératon Eau chaude Chaleur stockée Pertes technques Gans solares passfs Gans solares actfs Chaleur resttuée Apports d'énerge onéreuse Déperdtons par transmsson Total des déperdtons = Total des gans Délmtaton du système Délmtaton temporelle Volume chauffé Isolaton thermque Chauffage Refrodssement Année entère 1

2 Délmtaton par utlsaton le système de chauffage l'eau chaude la cusson l'électroménager l'éclarage la clmatsaton les transports et télécommuncatons etc. Délmtaton par vecteur les combustbles mazout, charbon, gaz, bos, etc la chaleur à dstance l'électrcté le solel la chaleur humane et anmale etc. Les flux d'énerge dans le bâtment Utlté du blan Producton de chaleur Solel Gans Ventlaton Transmsson Eau chaude Calcul de la consommaton d'énerge Détecton des ponts fables Etude de varantes Scénaros de rénovaton Mse à l'enquête Blan thermque nstantané Approxmaton quas statonnare La chaleur produte dans le bâtment est Sot perdue vers l'extéreur Sot stockée dans la structure, augmentant ans sa température Calcul détallé: Résoluton de l'équaton de la chaleur pour la conducton Equaton de Naver Stokes pour la ventlaton >0 c = >0 P c dt P c = P t + P v + P w - [P s + P ]+ P A c = t + v + w -η [ s + ] 2

3 Déperdtons l = H (θ - θ e ) t Coeffcent de déperdtons H = H T + H V θ θ e t H est la température ntéreure moyenne; est la température extéreure moyenne; est la durée de la pérode; est le coeffcent de déperdtons du bâtment : HT HV coeffcent de déperdtons par transmsson coeffcent de déperdtons par renouvellement d'ar. Coeffcent de déperdton par transmsson Déperdtons par transmsson Réalté Modèle H D H S H N H T = H D + H S + H N H D H N Eléments d'envelope plans: EN ISO 6946 déperdtons par le sol; H S transmsson drecte vers l'extéreur, à travers l'enveloppe du bâtment; à travers les espaces non chauffés. Non chauffé Lmte d applcaton de l EN ISO Fenêtres et portes, avec leurs chasss: EN ISO Ponts thermques potentels: EN ISO ou EN ISO Transmsson drecte H T = U A + Ψ l + χ k k Déperdtons par transmsson Φ T = ( θ θ ) Pour dmnuer ces pertes Isoler Rédure les surfaces Rédure les dfférences de température e U A 3

4 H S = ( θ θ ) t Transfert de chaleur par le sol G e Δ 20 C 10 C 0 C Déperdtons d'une dalle sur sol B = 2A P R m Rf d m Dalle mal solée, d t <B,: 2λ πb U0 = ln + 1 πβ + dt d t Dalle ben solée: B < d t: : λ U 0 = 0, 457 B + d t = d m + λ R f H s = A U 0 d t Inerte thermque Stockage de chaleur Extéreur L nerte thermque du bâtment Dépend autant de sa capacté thermque que de son nveau d solaton Capacté thermque Atténuaton des varatons Nveau d solaton H C Intéreur Capactés typques [kj/k] Type de constructon Lourd, tout béton Idem, sol avec moquette Pèce de 20 m² Dalles béton, paros brque do, plus faux plafond do, paros placoplâtre Tout en bos massf Tout en bos mnce (20 mm) C [kj/k] 11' C/A [kj/m²k] Constante de temps du bâtment Rapport entre la capacté thermque du bâtment et le coeffcent de déperdtons = H C τ J W K K H C 4

5 Constantes de temps typques Péce de 20 m², aératon 30 m 3 /h Lourd, tout béton, solaton U= 0,2 W/(m 2 K) 10 ours Lourd, tout béton, solaton U= 0,5 W/(m 2 K) 8 ours Lourd, tout béton, façade smple vtrage 1½ our Idem, sol avec moquette et faux plafond, U= 1 W/(m 2 K) 3 ours Tout en bos massf, façade vtrée U= 1 W/(m 2 K) 2 ours Tout en bos mnce (20 mm) U= 1 W/(m 2 K) 1 our Serre hortcole 8 heures Déperdtons par aératon m a c a θ η r V ( θ θ )( η ) = m c 1 a a e masse d'ar chauffé chaleur spécfque de l'ar, à savor envron 1000 J/(kg K) température rendement de récupératon de chaleur sur l'ar évacué. r Espaces non chauffés Apports de chaleur H n H ne H N = H n b H ne b= H + H n ne g = + s g apport total de chaleur "gratute" apports nternes s apports solares Apports nternes des personnes Apports nternes des personnes Pussance thermque dégagée par les habtants, selon SIA 380/1 = P h P h P h N A 24 = 24D où : N est le nombre d'habtants présents dans la zone chauffée P est la pussance dégagée par habtant h est le temps de présence par our A est la surface brute de plancher chauffé occupée par les habtants D est la surface dsponble par habtant. Type de Occupaton Présence bâtment [m²/pers] [h/] Logement Pussance [W] Bureau Ecole Restaurant

6 Apports nternes - apparels P a = P el f e Type de bâtment Consommaton annuelle Facteur de correcton MJ/m ² f e Habtaton Commercal Ecole (f e tent compte du fat que les apparels ne se trouvent pas tous dans la zone chauffée) Apports nternes où: P h P u P b = [P h + (1-b) P u ] t = P t est la pussance moyenne des apports nternes dans les espaces chauffés; est la pussance moyenne des apports nternes dans les espaces non chauffés; est la pussance moyenne des apports nternes; est le facteur de déperdtons par un espace non chauffé. Le rayonnement solare Le solel en chffres Energe [kw/(m² µ)] 2,0-1,5-1,0-0,5 - Corps nor à 5800 K solare aux confns de l'atmosphère solare au nveau de la mer. Cel seren, solel à 30 au-dessus de l'horzon A la surface du solel: Aux confns de l'atmosphère global annuel: Sahara sud 2000 kwh/m² Zermatt 1480 kwh/m² Lucerne 1109 kwh/m² 64 MW/m² 1367 W/m² UV vsble IR 0-0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Longueur d'onde [µm] Optmsaton des gans solares drect Excellente solaton thermque dffus Grandes surfaces de captage Protectons solares effcaces, extéreures (et ntéreures) Bon contrôle du chauffage Inerte thermque suffsante 6

7 Protectons solares effcaces: à l extéreur! Protectons solares ρ α τ g ρ α τ g Dot être effcace, donc extéreure Dot être modulable: évter les vtrages réfléchssants ou tentés et les protectons fxes. En nvestssant 500.-dans un store, on évte de recevor 1 kw en ponte. Il faut plus de pour un groupe de clmatsaton capable d évacuer 1 kw. Surfaces de captage Captage passf du rayonnement solare Fenêtres et portes vtrées Sol et murs des vérandas Paros opaques Drect Indrect Drect et ndrect Hybrde I s A sn Gans solares s = = s s rradance = énerge du rayonnement solare par mètre carré de surface de captage d'orentaton Are réceptrce équvalente de type n et d'orentaton I n A sn Modélsaton des éléments d'enveloppe transparents Apports d'énerge solare de la surface : = s A I s : Irradance = énerge du rayonnement solare par mètre carré de surface de captage A s : Are réceptrce équvalente. s I s 7

8 Are réceptrce équvalente A s = A F o F F g solare sur un vtrage Transmsson secondare A are de la surface réceptrce; F o facteur d'ombre sur la surface; F F facteur de cadres; g coeffcent de transmsson énergétque. solare ncdent Angle d'ncdence q s réfléch ρ Ε q s absorbé α Ε q s transms τ Εq s drectement global g q s transms Caractérstques de vtrages Type de vtrage U v g p g g τ Vtrage smple VS 5,6 0,82 0,84 0,9 Vtrage smple VS, avec couche sélectve IR 4,3 0,66 0,69 0,73 Double vtrage (DV) avec ar sec 2,9 0,69 0,75 0,81 Double vtrage (DV) avec argon 2,7 0,69 0,75 0,73 Double fenêtre (2 SV) 2,7 0,69 0,75 0,81 DV avec couche sélectve et ar sec 1,6 0,62 0,67 0,78 DV avec couche sélectve et argon 1,3 0,62 0,67 0,7 DV avec couche sélectve et xénon 0,9 0,58 0,63 0,76 Double, double vtrage DV 1,5 0,59 0,53 0,66 Trple vtrage (TV) avec ar sec 2 0,62 0,7 0,74 Trple vtrage (TV) avec argon 1,9 0,62 0,7 0,71 TV avec 2 couches sélectves et ar sec 1,1 0,43 0,5 0,68 TV avec 2 couches sélectves et argon 0,9 0,43 0,5 0,56 TV avec 2 couches sélectves et xénon 0,4 0,42 0,48 0,64 Pavé de verre 3 0,6 0,65 0,75 Type d'solaton transparente Uv gp gg 5 cm solaton nd d'abelle derrère SV 1,4 0,75 0,83 10 cm solaton nd d'abelle derrère SV 0,9 0,72 0,8 20 cm solaton nd d'abelle derrère SV 0,55 0,66 0,73 5 cm solaton nd d'abelle derrère DV 1,4 0,67 0,74 10 cm solaton nd d'abelle derrère DV 0,9 0,64 0,71 Vtrages: gans et déperdtons g [-]; g/u [m²k/w] g/u U [W/m²K] g Gans solares des serres Gans solares des serres I Ss = Sd +(1-b) S sd g w es H s H se S H se b = H + H s se H s A w g p A p H se s e (1-b) s g e A e α p A α Sd S Gans drects Gans ndrects U Sd = I p F S F Fe g e p F Fw gwaw + α Sp Ap Upe U p S = F S F Fe g e IS αs A - I pαsp Ap U pe 8

9 Paros opaques avec solaton transparente s U = A U F O e g α I TI s U pour toute la paro U e pour la parte extéreure Gans de chaleur Surface absorbante Isolaton transparente solare ncdent Pertes Paros extéreures opaques Apports solares ne représentant qu'une fable part des déperdtons. Ils peuvent donc être néglgés S toutefos on désre les prendre en compte, l faut auss tenr compte des pertes radatves vers le cel frod. Besons en chauffage Constante de temps du bâtment Besons: déperdtons - gans utles h = l -η g Facteur d'utlsaton, η, dépend du rapport gans/pertes de l'nerte thermque du bâtment, caractérsé par une constante de temps γ = C τ = H g l Rapport entre la capacté thermque du bâtment et le coeffcent de déperdtons τ = C H * C = ckmk 1000 M [ J / K] H = H + H = U A + ψ l + χ + ρc V& 1 η ) T V ( r Facteur d'utlsaton η s γ 1 a 1 γ = a+ 1 I II 1 γ s γ =1 a η = a +1 Type de bâtment a = a a0 0 + τ τ τ0 h Bâtments chauffés en contnu (plus de 12 h/our) tels que logements, hôtels, hôptaux, etc. Méthode de calcul mensuelle Méthode de calcul sasonnère 0,8 30 Bâtments chauffés de our seulement (mons de 12 h/our) tels que écoles, bureaux, locaux de réunon, magasns, etc. 0,8 70 (γ = rapport gans/pertes) 0 1 γ Facteur d'utlsaton η = a+ 1 1 γ η Contnuously heated buldngs τ [h] γ 3.0 a 9

10 Blan thermque d'une façade sud Paro de 15 m², dont 7 m² de vtrage, placé en façade sud dans la régon lausannose. Type de U [W/m² K] g Pertes Gans Besons norme Paro Vtrage Vtrage kwh kwh kwh Ancenne 0,80 5,60 0, SIA 180:1988 0,60 3,00 0, SIA 380/1:1988 0,40 2,00 0, Optmal 0,20 0,70 0, ,4 Exercce supplémentare 4.1 Estmer les pertes par l'enveloppe d'un bâtment cubque de 10 m de côté, stué à Lausanne, posé sur un sol ben solé (on néglgera donc les pertes par le sol), sur l'ensemble de la sason de chauffage (8 mos d'octobre à ma y comprs). Ce bâtment a une toture plate consttuée essentellement d'une dalle de béton armé de 18 cm, d'une étanchété et d'une couche d'solant résstant aux ntempéres (type Roofmate) de 8 cm (conductblté thermque λ = 0.04 W/m K). Les murs ont un coeffcent U=0.8W/m 2 K comportant des vtrages solants doubles d'une surface de 80 m 2 (12 mm entre les verres, U=3.1W/m 2 K). Exercce supplémentare 4.2 Un bâtment massf et ben solé (constante de temps: τ = 2 ours), chauffé en permanence, présente des déperdtons de 20 kwh pendant un mos d'hver. Ses gans solares et nternes bruts se montent, pendant le même mos, à 20 kwh auss. Comben d'énerge faudra-t-l approxmatvement pour chauffer ce bâtment pendant ce mos? 10