FICHE 1 Fiche à destination des enseignants TS 20 Les transferts thermiques dans un bâtiment

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1 FICHE Fich à dtination d nignant T 0 L tranfrt thrmiqu dan un bâtimnt Typ d'activité Activité avc étud documntair Notion t contnu du programm d T rm Compétnc xigibl du programm d T rm Tranfrt d énrgi ntr ytèm macrocopiqu : Tranfrt thrmiqu : conduction, convction, rayonnmnt. Intrprétr l tranfrt thrmiqu dan la matièr à l échll microcopiqu. Flux thrmiqu. éitanc thrmiqu. Exploitr la rlation ntr l flux thrmiqu à travr un paroi plan t l écart d tmpératur ntr dux fac. Compétnc du préambul du cycl trminal Démarch cintifiqu Mttr n œuvr un raionnmnt Mobilir connaianc chrchr, xtrair t organir l information util Maîtrir l compétnc mathématiqu d ba Communiqur à l'écrit Maîtrir l compétnc langagièr (françai) Compétnc rlativ à «Extrair t xploitr d information» Extrair Choiir d manièr argumnté c qui t à rtnir dan d nmbl upport d'information : Txt d vulgariation Tablaux d donné Exploitr Idntification d grandur phyiqu Exploitation qualitativ Analy dimnionnll Comparaion d'ordr d grandur Communication n tant qu cintifiqu Compétnc rlativ à «Mur t incrtitud» Exprion t accptabilité du réultat Maîtrir l uag d chiffr ignificatif t l écritur cintifiqu. Aocir l incrtitud à ctt écritur. Commntair ur l xrcic propoé Condition d mi n œuvr marqu Ctt activité illutr la parti «Comprndr : loi t modèl» t la ou-parti «Enrgi, matièr t rayonnmnt» du programm d Trminal. Duré : h L notion d tranfrt thrmiqu, d flux thrmiqu, d conductivité thrmiqu d un matériau, d réitanc thrmiqu d un paroi n doivnt pa avoir été abordé avant l activité dont l objctif t d l introduir. A l iu d l activité, un tructuration d connaianc ra ffctué n cour. La réitanc thrmiqu a été défini par analogi avc la loi d Ohm ; dan l domain du bâtimnt, on parl toujour d réitanc thrmiqu urfaciqu, n omttant l trm urfaciqu. On attirra bin l attntion d élèv ur c point, afin qu il y ait cohérnc dan l rlation t l unité.

2 FICHE Txt à ditribur aux élèv T 0 L tranfrt thrmiqu dan un bâtimnt. L troi typ d tranfrt thrmiqu Documnt A B C Caractéritiqu d tranfrt thrmiqu Tranfrt d énrgi qui xit pour tout corp. Il a liu an contact phyiqu t corrpond à d l énrgi élctromagnétiqu. Tranfrt d énrgi par contact dan un matériau ou à l intrfac ntr miliux. Il a liu lorqu un différnc d tmpératur xit ntr région d un ytèm. L énrgi d particul communiqu d proch n proch. Tranfrt d énrgi provoqué par l mouvmnt d nmbl d un fluid (liquid ou gaz). Il put êtr naturl ou forcé. Documnt chéma chéma Documnt 3 Typ d tranfrt thrmiqu Conduction Convction 3 ayonnmnt Qution Aocir à chacun d chéma t l typ d tranfrt thrmiqu illutré aini qu l caractéritiqu corrpondant. chéma Typ d tranfrt thrmiqu (, ou 3) Caractéritiqu d tranfrt thrmiqu (A, B ou C)

3 Qution Complétr l tablau uivant concrnant l() typ() d tranfrt() thrmiqu() mi n ju au nivau d zon ou d équipmnt uivant d un maion : Localiation Typ d tranfrt thrmiqu mi n ju (, ou 3) Mur xtériur Jutification : Dall béton ur vid anitair Jutification : Toitur Jutification : Vitr Jutification : adiatur élctriqu Jutification : Chminé Jutification :. Conductivité thrmiqu d un matériau Documnt 4 La conductivité thrmiqu d un matériau caractéri a capacité à conduir la chalur : plu la valur d t faibl, plu l matériau t iolant. L flux thrmiqu n W à travr un paroi d urfac, d épaiur, contitué d un ul matériau. d conductivité, t proportionnl à la différnc d tmpératur ntr l fac : Dan ctt formul, la tmpératur xprim généralmnt n klvin (K) : un différnc d K corrpond à un différnc d C. La conductivité du matériau contituant la paroi xprim donc n W.m -.K -. Qution 3 Jutifir l unité d conductivité précié dan l documnt 4. 3

4 Documnt 5 Conductivité Béton Boi d Paill Lain minéral Plaqu d plâtr Béton Briqu thrmiqu plin apin (lain d vrr) BA3 armé plin n W.m -.K -,7 0,4 0,050 0,040 0,5,,0 Qution 4 Clar l matériaux du documnt 5, utilié dan l bâtimnt, du moin iolant au plu iolant. 3. Flux thrmiqu à travr un paroi t réitanc thrmiqu Documnt 6 La réitanc thrmiqu d un paroi traduit la réitanc aux tranfrt thrmiqu. Ell t lié au flux thrmiqu n W à travr la paroi t à la différnc d tmpératur ntr l fac par :. On définit égalmnt la réitanc thrmiqu urfaciqu, tll qu : la paroi pour un urfac d m. L flux thrmiqu écrit donc aui : avc la urfac d la paroi.. C t la réitanc thrmiqu d Dan l ca d un paroi contitué d pluiur couch d matériaux différnt, l réitanc thrmiqu additionnnt. Qution 5 A l aid d documnt 4 t 6 : a. Détrminr l unité d la réitanc thrmiqu. b. Jutifir la phra uivant : «plu la valur d la réitanc thrmiqu d un paroi t grand, plu cll-ci t iolant.» c. Pour un paroi contitué d un ul matériau, établir l xprion d la réitanc urfaciqu n fonction d crtain caractéritiqu d la paroi t du matériau. Documnt 7 L'étiqutt d chaqu matériau iolant prént l caractéritiqu général du produit, l prformanc, l marquag CE t la crtification : L fabricant d iolant préfèrnt affichr l réitanc thrmiqu urfaciqu mai, pour implifir, il omttnt l trm «urfaciqu» t l notnt, n m.k/w. 4

5 Boi d apin Béton plin Lain d vrr Plaqu d plâtr Qution 6 ur l étiqutt du matériau iolant ci-du, la valur d la réitanc thrmiqu urfaciqu a été ffacé. trouvr ctt valur, achant qu la valur d la conductivité thrmiqu non arrondi t 0,0370 W/m.K ; l règl d arrondi à rpctr ont indiqué dan l documnt 7. Qution 7 ur l documnt 8 ci-contr, t l'épaiur nécair pour qu'un paroi n béton armé (B.A.) prént l mêm prformanc thrmiqu qu'un paroi idéal d épaiur 5,0 cm n lain minéral (L.M.). A l aid d documnt, calculr la valur d t rédigr un argumntation concrnant la phra uivant, xtrait d un brochur ur l iolation thrmiqu : «L matériaux lourd d maçonnri n contitunt jamai un iolation accptabl. «5,0 cm Documnt 8? Documnt 9 : l chalt pyrénén Contitution d mur xtériur du chalt : Plan du chalt : 0 cm 3,0 cm chambr db CHAMBE INTEIEU EXTEIEU 8,0 m WC ALON CUIINE ALLE A MANGE 3 mm 8 cm 0,0 m Hautur d mur : 3,0 m Qution 8 A l aid d différnt documnt, calculr la valur du flux thrmiqu par conduction, à travr l mur xtériur du chalt auqul rapport l documnt 9, lorqu la tmpératur intériur t d 8 C t la tmpératur xtériur d 0 C. Pour implifir, on n tindra pa compt d urfac d port t d paroi vitré. 5

6 FICHE 3 Corrction. Fich à dtination d nignant Qution Qution Localiation Typ d tranfrt thrmiqu mi n ju (, ou 3) Mur xtériur (dan mur), (vnt), 3 (rayonnmnt diurn du olil, rayonnmnt nocturn du mur vr l cil) Dall béton ur vid, anitair Toitur,, 3 Vitr,, 3 (principalmnt d l xtériur -énrgi rayonné par olil qui travr la vitr-, vr l intériur) adiatur élctriqu, (mouvmnt convctif d air) t 3 (fft Joul dan la réitanc) Chminé (paroi d la chminé chaud),, 3 Qution 3 La conductivité t donné par : - - a dimnion t donc : xprim donc n W.m -.K -. L L.L. Qution 4 Plu t faibl, plu l flux thrmiqu, pour, t donné t faibl : plu l matériau iolant. On cla donc l matériaux par conductivité thrmiqu décroiant : Béton armé - béton plin briqu plin plaqu d plâtr boi d apin paill lain minéral Qution 5 d n iolant a. La réitanc thrmiqu t donné par : - a dimnion t donc : xprim donc n K.W -.. b. D aprè la rlation, pour donné, plu la valur d t grand, plu cll d du flux thrmiqu à travr la paroi t ptit : plu la paroi t iolant. c. A l aid d la rlation du doc. 4 t Qution 6, oit 0,050, avc n m t n W.m -.K -. -,35 m.k. W (valur arrondi à 0,05 m.k.w - prè). 0,0370 du documnt 6, on obtint : Qution 7 Calculon la réitanc thrmiqu urfaciqu d la paroi n lain minéral d épaiur 5,0 cm : LM LM 0,050,5 m.k. W 0,040-6

7 L épaiur d béton armé qui prmt d avoir la mêm réitanc thrmiqu urfaciqu t tll qu :, oit,5,,8 m BA BA Pour avoir un bonn iolation avc un paroi n béton armé, il faudrait donc d épaiur d mur d prè d 3 m, c qui n t pa nviagabl dan la contruction. L matériaux lourd d maçonnri comm l béton armé n conduint pa à un bonn iolation thrmiqu : un paroi d 8 cm ra 0 foi moin prformant qu un paroi d 5,0 cm d lain d vrr. Qution 8 Il faut calculr au préalabl : D un part la urfac total d mur du chalt D autr part, la réitanc thrmiqu d mur. urfac total total d mur du chalt : Hautur H3,0 m Largur l 8,0 m Longuur : L 0,0 m H P H (L ) 3,0 (0,0 8,0) 08 total m éitanc thrmiqu mur d mur : D aprè l documnt 6, la réitanc thrmiqu d mur t la omm d réitanc thrmiqu d 4 paroi l contituant : mur 3 4 Avc : la réitanc thrmiqu d la paroi d plaqu d plâtr, d épaiur la réitanc thrmiqu d la paroi d lain d vrr, d épaiur 3 la réitanc thrmiqu d la paroi d béton plin, d épaiur 3 4 la réitanc thrmiqu d la paroi d boi d apin, d épaiur 4 On obtint : 3 4 ( ) mur 3 4 mur ( placo lain vrr 3 béton plin 4 boi apin 0,03 ) ( 08 0,5 0,0 0,040 0,8 0,030 ) 0,066 K. W,7 0,4 Flux thrmiqu par conduction à travr mur xtériur, pour un écart d tmpératur int / xt d 8 C 8 K : - mur 8 0,066 6,8.0 W 7