Confort et Architecture

Transcription

1 Le confort

2 Confort et Architecture Le confort d'un bâtiment est un des aspects de son architecture. L'architecte doit en garder la maîtrise Une sculpture peut être inconfortable, pas un bâtiment 2

3 Critères de confort Critères thermiques: Qualité de l'air: Acoustique Visuel: Autres influences: Température de l'air Température des surfaces environnantes Perméabilité thermique Vitesse relative de l'air Humidité relative de l'air Pureté de l'air, odeurs Niveau de bruit, nuisance acoustique Temps de réverbération (durée d'écho) Éclairage naturel et artificiel Couleurs Volumes intérieur et distribution des volumes Degré d'occupation des locaux "Ambiance" 3

4

5 Confort thermique Confort lié à une répartition de température et de flux de chaleur agréables. 5

6 Chaleur Forme d'énergie correspondant à l'agitation aléatoire des molécules de la matière 6

7 Température = agitation Basse température Haute température 7

8 Chaleur spécifique c Quantité de chaleur nécessaire pour élever un kilogramme de matière de 1 degré. Q mc T T 2 1 Pour beaucoup de matériaux, Eau Neige Bois c 1000 J/(kg K) c= 4180 J/(kg K) c= 2000 J/(kg K) c= 2500 J/(kg K) 8

9 La chaleur coule naturellement du chaud vers le froid. 9

10 Modes de transfert de chaleur Conduction: transfert de l'agitation par chocs intermoléculaires Convection: transport de matière entre zones chaude et froide Rayonnement:émission-absorption de rayonnement électromagnétique Evapo-condensation: évaporation et condensation d'un fluide 10

11 Densité de flux de chaleur 11

12 Thermique du corps humain Oxydation des aliments Energie + Eau + CO 2 Dégagement de chaleur Fonctions vitales + Activité musculaire Métabolisme = Puissance totale produite par le corps 1 met = 58 W/m 2 corps L être humain est homéotherme: il cherche à maintenir constante sa température interne quelles que soient les conditions environnementales 12

13 13

14 Flux de chaleur [W]. Les échanges du corps humain Rayonnement Convection Conduction Evaporation Température opérative [ C] 14

15 Eléments de physiologie : Mécanismes régulateurs L homme dispose de deux capteurs pour réguler sa température interne : Hypothalamus déclenche les fonctions de rafraîchissement du corps lorsque la température interne dépasse 37 C Les capteurs sensoriels de la peau déclenchent les fonctions de protection contre le froid lorsque la température superficielle descend en dessous de 34 C 15

16 Mécanismes régulateurs Quant il fait trop chaud: Vasodilatation + fluidification du sang Augmentation du flux sanguin vers la surface du corps Augmentation de la température de surface du corps Augmentation des échanges convectifs et radiatifs Sudation Prélèvement de 2450J/g eau Syncope Passage du métabolisme à la valeur basale 16

17 Mécanismes régulateurs Quant il fait trop froid: Vasoconstriction + épaississement du sang Diminution du flux sanguin vers la surface du corps Abaissement de la température de surface du corps Diminution des échanges convectifs et radiatifs Modification du métabolisme Frisson Augmentation du métabolisme par le déclenchement réflexe d une activité musculaire complémentaire Surconsommation des réserves alimentaires 17

18 Eléments de physiologie Modes de transfert de chaleur du corps Conduction: au contact de la peau, à travers les habits, avec des matériaux. Convection: de la peau à l'air ambiant (ou l'eau), en mouvement ou non Rayonnement: entre notre peau (ou habits) et les surfaces environnantes Evapo-transpiration: poumons et glandes sudoripares de la peau. 18

19 Températuer de peau [ C]. Eléments de physiologie Corps comporte deux zones : Zone interne à 37 C Enveloppe à température variable front main pied Température ambiante [ C] 19

20 Critères de confort Propres à l'individu Métabolisme Activité Habillement Santé Propres au bâtiment Environnement thermique Vitesse de l'air et turbulence Humidité de l'air 20

21 Confort thermique: facteurs Facteurs principaux Activité Habillement Température opérative Facteurs secondaires Vitesse de l'air Humidité relative 21

22 Le confort thermique Définitions Absence d inconforts (FANGER) Sensation de bien être physique et mental (European passive solar handbook) Conditions pour lesquelles les mécanismes d autorégulation du corps sont à un niveau minimum d activité (GIVONI) 22

23 Le confort thermique cadre réglementaire D après la norme EN ISO 7730, il y a situation de confort si deux conditions sont satisfaites : 1 2 Le bilan thermique de l individu est équilibré sans que ne soit trop sollicités ses mécanismes autorégulateurs Il n existe pas d inconforts locaux dus : - à la sensation de courant d air - à l asymétrie du rayonnement - au gradient vertical de température - à la température du sol 23

24 satisfait Mesure du confort: Predicted Mean Vote -3 très froid insatisfait parce que trop froid -2 froid -1 frais 0 confortable 1 tiède 2 chaud insatisfait parce que trop chaud 3 très chaud 24

25 PPD PMV et PPD 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Satisfaction PMV 25

26 PMV et PPD PPD = exp( PMV PMV 2 ) (attention: l'équation du cours, page 11, comporte une erreur!) 26

27 Le confort thermique 1 ère condition : Equilibre du bilan thermique Recommandation de la norme EN ISO 7730 : -0,5 < PMV < +0,5 PPD < 10 % 27

28 Paramètres influant le confort thermique. Température de l'air... a [ C] ou T a [K] Température radiante moyenne... mrt [ C] ou Tmrt [K] Vitesse relative de l'air...v [m/s] Pression partielle de vapeur d'eau...p [Pa] Activité métabolique du sujet...m [Watt] Son travail mécanique fourni...w [Watt] Surface de peau du sujet...a [m 2 ] Activité spécifique du sujet...m = M/A [W/m 2 ] Son travail spécifique...w = W/A [W/m 2 ] La résistance thermique des habits...r [m 2 K/W] ou l'habillement...h [Clo] = R/0.155 La fraction de la surface habillée...f 28

29 Bilan thermique du corps Respiration (F resp ) = Echanges sensibles et latents Rayonnement avec les parois (F ray ) Transpiration (F évap ) Convection avec l air (F conv ) Conduction (F cond ) 29

30 Le confort thermique 1 ère condition : Equilibre du bilan thermique Evaluation à partir de la méthode PMV-PPD de FANGER Charge thermique de l individu : L M ( F F ) F ray conv évap F resp Chaleur produite par le corps Chaleur dissipée par le corps 30

31 Eléments de physiologie : Bilan thermique du corps Flux de chaleur convectif et radiatif à l équilibre [W/m 2 ] F ray F s A A r Du f cl 4 4 T 273 T 273 f h T T cl r cl c cl a F ray F conv F conv F s dépend : des caractéristiques du vêtement (A r,, f cl, T cl ) de la température radiante moyenne T r de la température ambiante T a de la vitesse d air V a (h c ) 31

32 Eléments de physiologie : Bilan thermique du corps Flux de chaleur évaporatif à l équilibre thermique [W/m 2 ] F évap 3, W P 0,42M 58,15 va F évap dépend : De l activité (métabolisme) F évap De la pression partielle de vapeur d eau dans l air ambiant P va (humidité ambiante) 32

33 Eléments de physiologie : Bilan thermique du corps Flux de chaleur respiratoire à l équilibre thermique [W/m 2 ] F resp 0,0014M 5 34 T 1,72.10 M 5867 P a va F resp F resp dépend : Sensible Latent de la pression partielle de vapeur d eau dans l air ambiant P va (humidité ambiante) de la température ambiante T a de l activité (métabolisme M) 33

34 Equation de Fanger PMV 0.303exp m w m 0.036m m w m5867 p m 307 Ta F w p F h max 2.38 T cl f T 4 4 T T f ht T cl cl T a mrt 1/ 4 ;12.06 m w R F cl v a 34

35 Température opérative Moyenne entre la température de l air T a et la température radiante T r : T op at a (1 a) T r a 0,5 0,25v 35

36 Température radiante moyenne T r Température radiante moyenne: T ( r j f j j f j 1 T Sj 1 4 j j j T j Sj 4 ) T r j j S j S T j Sj T s3 T s1 T s2 T s5 T r T s4 36

37 Activité [Met]. Activité [W/m²]. Température opérative optimale C 26 C 24 C 22 C 20 C 18 C 16 C 10 C 12 C 14 C ±5 C ±4 C ±3 C ±1 C ±1,5 C ±2 C ±2,5 C Clo

38 Métabolisme et activité 38

39 Métabolisme et activité Le métabolisme dépend de l activité physique Les valeurs proposées sont relatives à un homme de 70 kg de surface de corps égale à 1,8 m 2 Corrections pour d autres individus : - poids : +1 W/kg - femme : -20% - enfants : de -20 à -40% 39

40 Habillement 40

41 Domaine de validité du modèle de Fanger métabolisme de 46 à 230 W/m² (0.8 à 4 met); habillement de 0 à 2 clo ; température de l'air de 10 à 30 C; température radiante moyenne de 10 à 40 C; vitesse relative de l'air inférieure à 1 m/s; pression partielle de vapeur d'eau de 0 à 2700 Pa. environnement conditionné 41

42 Confort: données pratiques Administration et logement (1.1 met) Hiver (1 clo): 20 à 24 C Eté (0.5 clo): 22 à 26 C 42

43 Le confort thermique 2 ième condition : Absence d inconforts locaux GRADIENT VERT. DE TEMP. LA TEMPERATURE DU SOL ASYMETRIE DE RAYONNEMENT SENSATION DE COURANT D AIR 43

44 Les inconforts locaux Asymétrie du rayonnement 44

45 Les inconforts locaux Asymétrie du rayonnement Parois froides Vitrage Mur extérieur mal isolé Plafond et/ou plancher rafraîchissant Parois chaudes Vitrage ensoleillé Plafond et/ou plancher chauffant Emetteur de chaleur rayonnant (luminaires, chauffage, etc ) 45

46 Pourcentage d'insatisfaits Effet de l assymétrie de rayonnement 100 Plafond chaud Paroi froide 10 Plafond froid Paroi chaude Assymétrie de température radiante [K] 46

47 Les inconforts locaux Gradient vertical de température Stratification thermique Plancher chauffant ou rafraîchissant Proximité bouche de soufflage d air chaud ou froid 47

48 Pourcentage d'insatisfaits Gradient de température vertical Ecart de température tête-pieds [K] 48

49 Pourcentage d'insatisfaits Température du sol Température du sol [K] 49

50 Augmentation de température opérative Influence du rayonnement solaire Habits noirs Habits blancs Rayonnement solaire [W/m²] 50

51 Conséquences pour le bâti Prédire le confort qui règnera dans un bâtiment de type nouveau Concevoir des bâtiments offrant d'eux même un bon confort Dimensionner et positionner les corps de chauffe et les systèmes de refroidissement en fonction du confort à obtenir Tolérance accrue dans les bâtiments à ventilation naturelle 51

52 Prédire le confort thermique Température radiante dans une pièce avec fenêtre froide et radiateur 52