UE : Maîtrise des ambiances

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1 UE : Maîtrise des ambiances Cours 3 : Thermique du bâtiment. Étude du comportement thermique de l enveloppe en régime dynamique : l inertie thermique, outils de simulations thermiques dynamiques BELMAAZIZ Mohamed Année

2 Rappels Une paroi est constituée de plusieurs couches de matériaux d épaisseurs et de conductivités différentes. Selon les cas, les matériaux sont disposés soit en série, soit en parallèle. en parallèle : U total = U p.si / Si (on additionne les conductances) en série : R total = R p (on additionne les résistances) Mais il faut ajouter au calcul des résistances des différentes couches, les résistances dites superficielles (1 / hi) et (1 / he) Cette valeur R superficiel dépend de l inclinaison de la paroi et de la vitesse de l air (valeurs calculées pour un vent «moyen» à l extérieur et un air calme à l intérieur. Elles sont données par les textes officiels du DTU (Documents techniques unifiés) Donc, la densité de flux qui traverse (en série) différentes résistances est égale à la somme : - Une résistance superficielle intérieure (1 / hi) - Une résistance superficielle extérieure (1 / he) - Une résistance de la partie solide de la paroi (e / λ )

3 Plan de la séance 1. Régime permanent 2. Régime dynamique 3. Inertie thermique 4. Les deux principes de l inertie 5. Les outils de simulation thermique dynamique 6. Exemple d application 7. Exercice

4 Régime permanent T 2 > T 1 En régime permanent on considère que la puissance de chauffage ou de climatisation nécessaire pour un bâtiment est égale au flux de chaleur qui rentre ou qui sort du bâtiment. ϕ T 1 ϕ T 2 ϕ ϕ = U. T Un bâtiment n est jamais en régime permanent! La température extérieure est variable Le rayonnement solaire est périodique (orientation de chaque paroi) Les apports internes dus aux usagers doivent être pris en compte (scénario d occupation) La ventilation doit elle aussi être pris en compte Le bâtiment est donc soumis au régime dynamique (variable)

5 Régime dynamique Le bâtiment se trouve dans une ambiance extérieure dont la température varie Il reçoit sur certaines parties de l enveloppe des flux solaires incidents variables périodiquement Il absorbe sur des surfaces opaques une partie des flux solaires incidents Une partie du flux incident est transmise par le vitrage Il subit une puissance intérieure due à l utilisation du bâtiment Schéma de Pierre Lavigne in : Architecture bioclimatique. Une contribution au développement durable. 2 tomes, Pierre Lavigne Ed. Edisud 1994 Il est ventilé grâce à un débit d air constant ou variable La température intérieure varie périodiquement Cela implique que les cloisonnements intérieurs absorbent et restituent périodiquement un flux

6 Régime dynamique La superposition de ces différentes données fait que qu on est face à problème complexe que seule la simulation informatique permet d approcher. La température intérieure varie périodiquement Cela implique que les cloisonnements intérieurs absorbent et restituent périodiquement un flux absorption restitution Inertie thermique

7 Inertie thermique

8 Inertie thermique INERTIE THERMIQUE : «Propriété qu ont les murs des bâtiments de s opposer aux changements de température». «L inertie thermique d un logement peut être définie comme la capacité qu il offre de maintenir stable sa température intérieure malgré les variations des températures extérieures ou de l ensoleillement».(site de la maison ossature bois). Avant de poursuivre, il faut bien distinguer les deux paramètres fondamentaux qui agissent en thermique et particulièrement en «régime dynamique»: La température, qui décrit l état thermique d un matériau, La quantité de chaleur Q que le matériau absorbe ou fournit.

9 Inertie thermique Une même quantité de chaleur uniformément répartie dans le mur provoquera dans celui-ci une température qui dépend de son épaisseur (taille) et de la chaleur massique C du matériau constitutif : Plus un mur recevant une même quantité de chaleur est épais, moins sa température s élève; mais elle s élèvera d autant moins que la chaleur massique C est grande et d autant plus qu elle est faible.

10 Inertie thermique échauffement réduit Forte inertie échauffement important Faible inertie

11 Inertie thermique L'inertie thermique d un bâtiment dépend donc de celle des matériaux utilisés : on peut se demander quelles sont les propriétés des matériaux qui leur confèrent cette inertie? Ces propriétés sont caractérisées par deux grandeurs: la diffusivité thermique et l effusivité thermique.

12 Inertie thermique La diffusivité thermique a exprime la capacité d un matériau à transmettre (rapidement) une variation de température. a = (λ /ρc) Unité : m 2 /s ou m 2 /h λ = conductivité (W/m.K) ρ = masse volumique (kg/m 3 ) C = chaleur massique (kj/kg.k) ρc = chaleur volumique (kj/ m 3.K)

13 Inertie thermique Diffusivité = conductivité / chaleur volumique Valeurs de diffusivité a (m 2 /s) pour les matériaux de construction : Béton ordinaire: 5,5 à Béton cellulaire: Brique pleine : 5 à Polystyrène expansé: 4 à Bois: 1,5 à 2, Fibre de bois: 1,3 à 1,9.10-7

14 Inertie thermique Diffusivité = conductivité / chaleur volumique Augmenter la diffusivité, c est faciliter la diffusion de la température à l intérieur du matériau. Pour augmenter la diffusivité, il faut : soit augmenter la conductivité thermique soit diminuer la chaleur volumique

15 Inertie thermique Diffusivité = conductivité / chaleur volumique La température du matériau s élève d autant plus rapidement que la chaleur peut plus facilement l atteindre (conductivité élevée) : a évolue dans le même sens que λ. Mais sous l effet d une puissance thermique, sa température s élève d autant plus lentement qu il faut beaucoup plus de chaleur pour l élever (chaleur volumique élevée) : a évolue dans le sens inverse de ρc.

16 Inertie thermique L effusivité thermique b exprime la capacité d un matériau à absorber (ou restituer) une puissance thermique. b = (λ.ρc) 1/2 Unité: J.m -2.K -1. s -1/2 ou Wh 1/2 m -2.K -1 λ = conductivité (W/m.K) ρ = masse volumique (kg/m 3 ) C = chaleur massique (kj/kg.k) ρ C = chaleur volumique (kj/ m 3.K)

17 Inertie thermique b = (λ.ρc) 1/2 Effusivité = racine carrée du produit conductivité x chaleur volumique b évolue dans le même sens que λ. b évolue dans le même sens que de ρc. Valeurs de l effusivité b (J/m 2.K.s 1/2 ) pour les matériaux de construction : Acier : Maçonnerie : 2000 Bois: 350 Plastique alvéolaire: 30

18 Inertie thermique

19 Inertie thermique Résumons : La diffusivité a = (λ /ρc) exprime la capacité d un matériau à transmettre une variation de température L effusivité b = (λ.ρc) 1/2 exprime la capacité d un matériau à absorber (ou restituer) une puissance thermique

20 Inertie thermique Résumons : La diffusivité a = (λ /ρc) Du point de vue de leur capacité à transmettre une variation de température les matériaux de construction sont assez proches les uns des autres : a (m 2 /s) Béton ordinaire 5,5 à Mortier Béton cellulaire Brique pleine 5 à Polystyrène expansé 4 à Laine minérale 2 à Bois 1,5 à 2, Fibre de bois 1,3 à 1, (1) (2) Diffusivité variant dans un rapport de 1 à 4 Remarque : le polystyrène à la même diffusivité que le béton : l un conduit mieux la chaleur que l autre, sa chaleur volumique étant bien plus importante, sa température ne s élève pas plus.

21 Inertie thermique Résumons : L effusivité b = (λ.ρc) 1/2 Du point de vue de leur capacité à absorber (ou restituer) une puissance thermique, les matériaux de construction sont très différents : Maçonnerie Mortier Bois b (j/m 2.K.S 1/2 ) 2000 (effusivité courante) 1541 (effusivité courante) 350 (effusivité médiocre) Plastique alvéolaire 30 (effusivité très faible ) Remarque : on peut observer que si le mortier et le polystyrène expansé ont pratiquement la même diffusivité et transmettent pratiquement de la même façon une variation de température, ils n absorbent pas du tout la même puissance thermique et cela dans un rapport de l ordre de 50. Le polystyrène conduit mal la chaleur et, sa chaleur volumique étant faible, il absorbe peu de chaleur.

22 Inertie thermique La diffusivité thermique L effusivité thermique Maintenir les deux corps pendant une durée déterminée. Béton ordinaire: 5,5 à Béton ordinaire: 1661 Polystyrène expansé: 4 à polystyrène béton Polystyrène expansé: 30 1 Milieu à T élevée Mettre les deux corps dans un milieu à une T plus faible que le premier milieu. 2 polystyrène Milieu à T faible béton 3 < polystyrène T T béton

23 Inertie thermique L effusivité thermique et absorption Sur le polystyrène Sur le bois Sur le carrelage Source : cours J. L. Izard «QE des projets architecturaux et urbains en Régions méditerranéennes»

24 Inertie thermique Sensation de froid et chaud (température de contact) effusivité thermique de la peau = 1583 W.m -2.K -1.s 1/2 effusivité thermique du polystyrène = 30 W.m -2.K -1.s ½ effusivité thermique du bois = 350 W.m -2.K -1.s ½ effusivité thermique du carrelage = 1500 W.m -2.K -1.s ½ La main est à environ 35 C et le polystyrène, le bois et le carrelage sont à environ 20 C. Tc = b1.t1 + b2.t2 b1+ b2 température de contact main-polystyrène : 34,7 C température de contact main-bois : 32,2 C température de contact main-carrelage : 27,7 C Par conséquent, le carrelage paraît plus «froid» au contact que le bois et le polystyrène. La chaleur de la main se diffuse plus facilement dans le carrelage que dans le bois et le polystyrène; la perte de chaleur est donc plus sensible avec le carrelage, ce qui provoque un refroidissement plus fort de la peau.

25 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Il existe non pas une mais deux inerties! On parle souvent d'inertie thermique au singulier concernant une paroi. En toutes saisons et en régime dynamique, il y a lieu de distinguer entre deux inerties thermiques: L inertie de transmission qui s oppose aux variations de flux de chaleur qui traversent les parois, sous les effets des conditions climatiques extérieures. L inertie par absorption qui s oppose aux variations internes de température en absorbant (ou restituant) la chaleur créée à l intérieur.

26 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Isolation intérieure ou extérieure?

27 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Il existe non pas une mais deux inerties! Φ2 Variation de flux due aux variations climatiques Φ1 INERTIE D ABSORPTION INERTIE DE TRANSMISSION

28 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Il existe non pas une mais deux inerties! l inertie de transmission et l inertie par absorption. L'inertie de transmission Agit en résistant à la transmission de la température et de la chaleur. Elle ne concerne que les parois opaques de l'enveloppe d'un bâtiment. Concrètement, l'inertie de transmission augmente quand, pour les matériaux de paroi : La diffusivité diminue (a) La conductivité diminue (λ) L'épaisseur augmente (e) L inertie par transmission fait plutôt appel à des matériaux légers que sont les isolants.

29 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Il existe non pas une mais deux inerties! L'inertie par absorption Réduit les variations de température en absorbant (ou restituant) la chaleur (la puissance thermique). Concrètement, l'inertie par absorption augmente quand, pour les surfaces opaques d'enveloppes S : L'effusivité augmente (b) La surface augmente (S) En cas de bi-couche, mettre la plus effusive à l intérieur. Concrètement, l'inertie par absorption augmente quand, pour les structures-cloisonnements intérieures d'épaisseur suffisante et de surface I : L'effusivité augmente (b) La surface augmente (I) L inertie par absorption fait appel à des matériaux effusif, qui, minéraux se trouve être lourds, mais dont l action est due à leur surface d échange et peu à leur épaisseur (10cm suffisent), donc peu à leur masse. Cette dernière intervient que dans les évolutions de T C de plusieurs jours.

30 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Récapitulatif Choisir un matériau pour obtenir des effets de l inertie thermique, c est : A - Pour augmenter l inertie de transmission : Il faut diminuer la diffusivité du matériau ; pour cela deux moyens : Diminuer la conductivité thermique λ. Augmenter l épaisseur de mise en oeuvre du matériau e. B - Pour augmenter l inertie par absorption : Il faut augmenter l effusivité du matériau ; pour cela il y a lieu de distinguer deux positions :

31 Inertie thermique : les deux principes de l inertie Récapitulatif B1 - En façade, il y a trois moyens : Augmenter la conductivité thermique λ. Augmenter la chaleur volumiqueρc, c est à dire augmenterρla chaleur spécifique, augmenter C la masse volumique. Positionner la paroi isolante à l extérieur de manière à conserver la couche effusive à l intérieur. B2 - En parois internes (planchers et cloisonnements), il y a trois moyens : Augmenter la conductivité thermique λ. Augmenter la chaleur volumiqueρc, c est à dire augmenterρla chaleur spécifique, augmenter C la masse volumique. Augmenter la surface d échange entre les matériaux effusifs et l ambiance intérieure. Les surfaces potentiellement mises en oeuvre étant plus importantes pour les parois internes que pour la parties opaques des façades, c est l effusivité des premières qu il faut viser en priorité. Les façades peuvent alors être dotées plutôt de l inertie de transmission.

32 Inertie thermique Facteurs qui influent sur l inertie? Les matériaux : diffusivité, éffusivité (conductivité, capacité thermique) et vitesse de transfert La surface d échange : murs, plafond, plancher, structure Le climat : chaud, froid L occupation : permanente ou intermittente La ventilation : ventilation nocturne Les protections solaires : apports solaires

33 Les outils de simulation thermique Phases du projet Esquisse Étapes du processus de conception Avant-projet sommaire (APS) Avant-projet détaillé (APD) Apport cognitif Itérations Évaluations, vérifications Outils d aide à la conception Règles expertes Codes simplifiés Codes spécialisés Architecte Architecte Thermicien Thermicien Pleiades + Comfie

34 Exemple d application Maison en pierre Maison en brique Amplitude pierre Amplitude brique Amplitude extérieure

35 Exemple d application Maison en pierre Maison en pierre : isolation intérieure Maison en pierre : isolation extérieure Diminution de l inertie d absorption Augmentation de l inertie de transmission Augmentation de l inertie d absorption Augmentation de l inertie de transmission Amplitude pierre et pierre+isolation extérieure Amplitude isolation intérieure

36 Exemple d application Maison en bois Maison en bois + inertie Augmentation de l inertie d absorption Amplitude bois + inertie Amplitude bois

37 Remarques Quelques remarques valables pour l'habitat en climat tempéré. La capacité thermique d'une paroi est surtout utile que si elle est placée du côté intérieur du bâtiment et isolée des conditions climatiques extérieures. Construire en "forte inertie", c'est donc utiliser des matériaux lourds à l'intérieur de l'habitat afin de stocker la chaleur solaire et d'atténuer les variations de température interne. À l'inverse, une maison à "faible inertie" montera vite en température au moindre rayon de soleil sans possibilité de stocker la chaleur solaire. Les écarts de température internes seront importants. Les risques de surchauffe élevés. Une forte inertie est surtout utile en cas d'occupation permanente. Une faible inertie peut être intéressante pour des locaux à usage intermittent. La prise en compte pour l'habitat d'une forte inertie thermique dans la conception offre de nombreux avantages tant au point de vue du confort de l'usager que de celui de l'économie d'énergie et d'une logique de développement durable. Mais attention, il n'y a pas de systématisme à son utilisation!

38 Inertie et stratégie de conception Stratégie du chaud (hiver) Stratégie du froid (été)

39 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Les stratégies thermiques présentées ici ne sont valables que : Pour l espace habité : occupations permanentes Jour / nuit Semaine / Week-end Été / hiver Pour des habitats situés dans des climats dits tempérés avec des saisons contrastées où (on situera les exemples dans l hémisphère nord) : Il fait froid l hiver Il fait chaud l été On simplifie les logiques de conceptions aux saisons extrêmes (été / hiver) en considérant, qu aux saisons de printemps et d automne, il y a peu de problèmes

40 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Orientation : surface vitrée au sud Pièces de vie au sud et pièces de service au nord Éviter les masques solaires Capter

41 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Prévoir une inertie par absorption Stocker

42 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Prévoir une inertie par absorption Exemple du mur capteur (mur Trombe) Stocker Gains apportés par différents murs capteyrs : Schéma Thierry Salomon, Stéphane Bedel. La maison des [néga] watts.

43 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Distribuer les apports solaires : par les mouvements d air avec des thermosiphons naturels (ou avec ventilation forcée) Distribuer John R. Goulding, J. Owen Lewis, Theo C. Steemers (1992). Energy conscious design. A primer for Architects. Londres : Éd. Batesford - Union européenne.

44 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Distribuer les apports solaires Distribuer Maison Sidler dans la Drôme [France]

45 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) Éviter les pertes vers l extérieur des apports solaires et des apports provenant des dispositifs de chauffage (inertie de transmission). Conserver

46 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Éviter les pertes vers l extérieur des apports solaires et des apports provenant des dispositifs de chauffage (inertie de transmission). Avoir une bonne isolation de l enveloppe (murs, toiture, sol) de l habitat (isolants, double vitrage, éviter les ponts thermiques, menuiseries de qualité posées au droit de l isolant, etc.) (avantage des structures bois) Avoir un habitat compact afin de diminuer le rapport entre les surfaces en contact avec l extérieur et le volume intérieur. C est le coefficient de forme : - S/V qui doit être faible. Principes : - Garder des formes simples - Construire sur deux niveaux Stratégie du chaud (hiver) - Jouer sur l effet d échelle (semi-collectif, collectif, ) S Meilleur que S/2 S/2 Ne vitrer que selon les normes de l éclairage naturel sauf au sud (1/5ème de la surface du plancher environ) Disposer des espaces tampons au nord (plutôt les pièces de service, rangement, atelier, garage ) - Mais aussi des doubles peaux, etc.

47 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du chaud (hiver) CAPTER - STOCKER - DISTRIBUER - CONSERVER

48 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Cité Radieuse, Marseille (Le Corbusier) Se protéger

49 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Se protéger au maximum des entrées solaires par les ouvertures peut se faire par : protections solaires horizontales au Sud (calculés) Loggias, Casquettes, Passées de toiture Stores à lames horizontales situés à l extérieur protections solaires verticales à l Est et à l Ouest (calculés) Volets Stores verticaux situés à l extérieur Décrochements de façade verticales Mais aussi des arbres!!! Attention aux d ouvertures zénithales!

50 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Éviter

51 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Il s agit de minimiser le transfert de la chaleur vers l intérieur : Par l isolation des murs Par l isolation des toitures Par la ventilation des espaces sous-toiture Par la présence de végétaux, sur les murs verticaux ou par des toitures végétalisées (mais aussi avec un décalage pour la ventilation de claustras, de doubles peaux) Prévoir des couleurs claires à l extérieur (albédo élevé) afin de minimiser l échauffement de l enveloppe par le rayonnement solaire

52 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Dissiper (ventiler)

53 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Le principe de la ventilation consiste à dissiper l air chaud rentrer dans l habitat pendant la journée, ou l air chaud produit par les activités à l intérieur de l habitat. Par une ventilation nocturne naturelle (l air est plus frais que pendant la journée) l habitat) L idéal est d avoir une ventilation transversale (traversant toute On peut aussi avoir une ventilation verticale et profiter d un thermosiphon naturel (combinable avec la ventilation traversante) La ventilation nocturne permet de rafraîchir les matériaux intérieurs ayant une forte inertie par absorption, leur permettant d'emmagasiner du frais la nuit et de le «rendre» la journée.

54 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Rafraîchir - Présence de l eau (mouvement d air > évapo-transpiration) - Bassin, mais aussi jarre de grande porosité, tissu humide, paille humide, etc.) - Présence de la végétation (mouvement d air > évapo-transpiration)

55 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Minimiser - Il s agit de minimiser les apports de chaleur internes

56 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) PROTEGER - EVITER - DISSIPER - RAFRAÎCHIR - MINIMISER

57 Inertie et stratégie de conception pour l espace habité Stratégie du froid (été) Schéma Thierry Salomon, Stéphane Bedel La maison des [néga] watts. Ensoleillement et répartition des pièces d une maison Ce n est pas la seule organisation! C est un exemple parmi d autres!

58 Exercice Un propriétaire possède une maison secondaire en montagne construite en mur de pierre épais (températures extérieures assez basses l hiver). Cette maison est destinée a être occupée durant le week-end. Elle est chauffée par une cheminée (bois). Le propriétaire trouve que sa maison n est pas assez chauffée, elle ne devient confortable qu à la fin du week-end quand il s apprête à partir! Comment remédier à ce problème d inconfort thermique? Faire des propositions.

59 Bibliographie Pierre LAVIGNE en collaboration avec Paul BREJON et Pierre FERNANDEZ, «Architecture climatique, une contribution au développement durable», tome 1 : Bases physiques ; EDISUD, Aix-en-Provence Ouvrage très détaillé sur la question de l inertie thermique du bâtiment avec un usage clair des analogies hydrauliques. La référence dans le domaine. «L inertie thermique dans la conception», Pôle Construction, Montpellier. Mai L une des communications au colloque «L inertie en climat méditerranéen» du 15 mai 2003 à Montpellier.

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