Transfert thermique, Isolation.

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1 Quelques rappels théoriques. Les 3 phénomènes. Rayonnement Au travers du vide. Par extension : milieu transparent Transfert thermique. Conduction Grace à la présence de : matière immobile Convection Grace à la présence de : matière en déplacement Convection naturelle Isolation. Radiateur Convection forcée Echangeur de chaleur 1

2 T p1 J J Mur 1 2 T(x) 0 e Transfert thermique, Isolation. Conduction. = λ ( T 1 P2 ) P T e T p2 Puissance thermique : J x e e R th = λ S Φ = R Loi de Fourier Résistance thermique : Unité : m 2 K W -1 th T ( T T 2 ) P1 p p1 T p4 J Flux par unité de surface Unité : W m -2 (J > 0) λ Conductivité thermique Unité : W m -1 K -1 λ or = 400 W m -1 K -1 λ air = 0.02 W m -1 K -1 Coef. de transmission thermique : U th λ = Unité : W m -2 K -1 e e 1 2 = + λ1 λ2 T p1 Unité : W J T 2 + T 3 e3 J λ3 2 T p4 0 e 1 x e 2 e 3 J

3 Convection. Phénomène complexe liant mécanique des fluides et transferts thermiques T p Fluide Loi de Newton T h = h J = Φ S On définit un coefficient d échange thermique : T p m h Paroi T m Unité : W m -2 K -1 h air calme : 3 W m -2 K -1 h vapeur d eau chaude : W m -2 K -1 T m : température moyenne du fluide au voisinage de la paroi T p : température de la paroi 3

4 Les matériaux et procédés. Bilan des pertes. 4

5 Ou isoler? Comment isoler? - Par les matériaux le type l épaisseur / la densité - Par le choix des techniques intérieur répartie extérieur - Par un travail sur les ouvertures simple vitrage double / triple vitrage 5

6 Les matériaux. La fiche technique. Norme incendie. Les classes A1 et A2, A2, A1fl et A2fls1 sont attribuées aux produits très peu combustibles. S(1,2,3) pour la production de fumées (s pour "smoke"). d(0,1,2) pour la chute de gouttes et de débris enflammés (d pour "drop"). Epaisseur de l isolant Résistance thermique Résistance thermique 6

7 Les matériaux. Qualités d un isolant. Conductivit ité thermique Etanchéit ité à l'air Résistance mécanique m (traction et compression) Résistance à la diffusion de vapeur d'eau Faible absorption d'eau Stabilité dimensionnelle Comportement à la chaleur Résistance au feu Qualités s acoustiques Prix 7

8 Conductivité thermique [W/(m.K)] Les matériaux. Isolants Bois Neige L épaisseur, la densité. Eau Béton cellulaire Plots ciment Plâtre Brique Mortier Béton, pierre Verre Masse volumique [kg/m³]

9 Les matériaux. La conductibilité relative. Isolant Verre Béton Molasse Mortier Plâtre Plot de ciment Brique Neige Eau Béton cellulaire Sapin Aluminium Acier Conductivité par rapport à l'air 9

10 Les matériaux. Les différents critères de qualité Applications Pouvoir isolant Densité Résistanmce au feu Résistance à la diffusion de vapeur d'eau µ Résistance à l'eau Résistance à 10% de compression [kpa] Résistance à la traction [kpa] Étanchéité à l'air Résistance à la chaleur Absorption acoustique bruits de choc Absorption acoustique bruits aériens Matériau Laine minérale légère Laine minérale dense Mousse de verre Béton cellulaire ++* PUR Urée Formaldéhyde PS expansé PS extrudé Fibres de bois Paille et ciment Liège : Très élevé +: élevé 0 : moyen, acceptable - : bas --: très bas Case vide: ne s'applique pas. D'après "Essais comparatifs", OFQC PS :Polystyrène PUR : Polyuréthane 10

11 Les matériaux. 11

12 Les matériaux. Les fibres minérales. Fibre de verre (ISOVER) Laine de roche (ROCKWOOL, FLUMROC) Fibres obtenues par filage de verre plus ou moins pur, liée avec une colle (bakélite) Bonne résistance au feu Peu hygroscopique Absorption acoustique Résistance mécanique nulle à basse densité, moyenne à haute densité 12

13 Les matériaux. Mousses minérales. Mousse de verre (FOAMGLAS) Cuisson d un «cake» de verre Bonne résistance à la compression Etanche à l eau et à la vapeur d eau Cher 13

14 Les matériaux. Polystyrène expansé Polystyrène extrudé Les polystyrènes. Usage général Résistance mécanique médiocre Usage spécifique pour toitures inversées et isolation enterrée Bonne résistance aux intempéries, notamment à l eau Résistance mécanique supérieure Plus cher que le PS expansé 14

15 Les matériaux. Béton cellulaire (YTONG) Mousses minérales. Mortier à la poudre d aluminium, autoclavé Pouvoir isolant (épaisseur > 24cm) Bonne résistance mécanique Parois et dalles homogènes, éléments légers Sensible à l eau, au gel si humide 15

16 Les matériaux. Les fibres naturelles. Laine, coton, cellulose, paille, coco, chanvre, bois dense Cellulose (papier recyclé) injectée Emploi marginal, connotation écologique Absorption acoustique Faible résistance au feu, à l humidité et aux agents biologiques 16

17 Les matériaux. Isolants ligneux Fibre de bois léger Paille agglomérée Bonne résistance mécanique Faible résistance à l humidité (pourriture) Liège Bonne résistance mécanique Résistance à l humidité médiocre Certaine résistance au feu 17

18 Les techniques d isolation. Pour chaque type de construction : - plusieurs techniques Pour chaque matériau : - des techniques différentes. Des solutions multi-formes 18

19 Les techniques d isolation. Les grands principes : isolation intérieure. - Pas de modification extérieure - Coût relativement peu élevé - Diminution des surfaces habitables - Problème des ponts thermiques 19

20 Les techniques d isolation. Les panneaux composites ou complexes de doublage Les grands principes : isolation intérieure. L isolant est derrière une contre-cloison maçonnée ou sur ossature 20

21 Les techniques d isolation. Les grands principes : isolation extérieure. - Traiter un grand nombre de ponts thermiques - Ne pas modifier les surfaces habitables - Protéger les murs contre les variations climatiques - Cout plus élevé que l isolation intérieure - Modification de l aspect extérieur : déclaration de travaux 21 / permis de construire

22 Les techniques d isolation. Les grands principes : isolation extérieure. L enduit mince sur isolant. - Isolant collé sur le mur (Polystyrène expansé.) - Un enduit spécifique est posé sur l isolant. L enduit hydraulique sur isolant. - Isolant collé sur le mur - Un enduit hydraulique est projeté sur l isolant. (Mortier) Les parements sur isolants. - Isolant fixé au support - Sur l isolant est fixé pierres minces, dalles 22

23 Les techniques d isolation. Les grands principes : isolation répartie. - Gain de temps dans la mise en œuvre (1 seul produit) - Réduit les ponts thermiques - Améliore le confort thermique - Mono mur en terre cuite - Bloc et panneaux de béton célulaire 23

24 Les techniques d isolation. Le bilan. Paroi double Panneau léger Isolation crépie Isolation intérieure Extérieur Intérieur 24

25 Les techniques d isolation. Toiture, dalle, toit-terrasse. - Les combles habitables / aménageables - Les combles perdus - Les toitures-terrasses Cette isolation est la plus rentable. 25

26 Les techniques d isolation. Toiture, dalle, toit-terrasse. Toiture plate : sans protection Toiture plate : avec protection Toiture inversée Dalle, planchers 26

27 Les techniques d isolation. Toiture, dalle, toit-terrasse. Parois ventilées Extérieur Intérieur Extérieur Intérieur 27

28 Le pont thermique La cause : 28

29 Le pont thermique La cause : Discontinuité dans l'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment Ponts thermiques géométriques angles, coins Ponts thermiques matériels balcons, fixations, cadres si isolation extérieure dalles, murs intérieurs si isolation intérieure 29

30 Le pont thermique Les effets : Déperditions d'énergie Abaissement de la température superficielle intérieure Condensations Moisissures (odeurs, allergies) Taches, coulures 30

31 Déperditions [W/m] Le pont thermique Les effets : Sans pont thermique Avec pont thermique Epaisseur d'isolant [cm] 31

32 Chaud Chaud Le pont thermique Les solutions : Froid Froid Chaud Froid Allonger Chauffer Diviser 32

33 Le cout. Brique module Brique thermique Bois de construction Polyuréthane Polystyrène Energétique Financière Laine de verre Laine de pierre Epaisseur optimale [m]

34 Le cout. Brique module Brique thermique Bois de construction Polyuréthane Polystyrène Laine de verre Laine de pierre Construction Entretien Coût [Fr/m²] [ /(1,40.m²)]

35 Les ouvertures en général. Raccord mur-cadre Cadre Cadre Ouverture Vitrage Vitre Cadre : Châssis Bord des vitrages isolants 35

36 Les ouvertures : le vitrage. Vitrage simple Double vitrage Vitrage isolant Fenêtre double 36

37 Les ouvertures : le vitrage, quels phénomènes? Conduction. Convection. Rayonnement 37

38 Le rayonnement. Puissance émise par une source : Φ = S ε σ T Le rayonnement solaire sur un vitrage. 4 Unité : W Transmission secondaire Rayonnement solaire incident Angle d'incidence i q s Rayonnement absorbé α Ε q s Rayonnement global g q s transmis Rayonnement réfléchi ρ Ε q s Rayonnement transmis τ Ε q s directement 38

39 Technique. Type de vitrage Vitrage simple VS Vitrage simple VS, avec couche sélective IR Double vitrage (DV) avec air sec Double vitrage (DV) avec argon U v 5,6 4,3 2,9 2,7 g p 0,82 0,66 0,69 0,69 g g 0,84 0,69 0,75 0,75 F r 0,9 0,73 0,81 0,73 g p : coefficient de transmission global pour le rayonnement solaire perpendiculaire au vitrage Double fenêtre (2 SV) DV avec couche sélective et air sec DV avec couche sélective et argon 2,7 1,6 1,3 0,69 0,62 0,62 0,75 0,67 0,67 0,81 0,78 0,7 g p : idem, pour le rayonnement solaire global, climat européen. DV avec couche sélective et xénon Double, double vitrage DV 0,9 1,5 0,58 0,59 0,63 0,53 0,76 0,66 Fr : facteur de réflexion. Triple vitrage (TV) avec air sec 2 0,62 0,7 0,74 Triple vitrage (TV) avec argon 1,9 0,62 0,7 0,71 TV avec 2 couches sélectives et air sec 1,1 0,43 0,5 0,68 TV avec 2 couches sélectives et argon 0,9 0,43 0,5 0,56 TV avec 2 couches sélectives et xénon Pavé de verre 0,4 3 0,42 0,6 0,48 0,65 0,64 0,75 39

40 Pour aller plus loin: Quelques notions théoriques. 40

41 La conduction. - Résultat de la différence d énergie entre deux milieux en contact - La conduction s effectue sans mouvement de matière. Loi de Fourier J Flux par unité de surface Unité : W m -2 (J > 0) r J = λ.grad T λ Conductivité thermique Unité : W m -1 K -1 J r T Température Unité : K - Pour une surface S, le flux transféré (puissance thermique) est par : Φ = J S Φ Puissance thermique. Unité : W λ or = 400 W m -1 K -1 λ air = 0.02 W m -1 K -1 Φ = dq dt Q Chaleur transférée. Unité : J 41

42 Hypothèses : T p1 J Cas d un mur simple. Mur 1 2 T(x) 0 e T p2 - Pas de source interne de chaleur - Toute la surface à la même température - Régime permanent et propagation unidirectionnelle J x J Loi de Fourier J T = λ x = λ ( T 1 P2 ) e P T T p1 T p2 = J e λ On définit la résistance thermique par : Puissance thermique : Unité : m 2 K W -1 Φ = R S th R th = ( T T 2 ) P1 p e λ 42

43 Cas de murs «multiples». T p1 Hypothèses : J T 2 T 3 J T p4 - Pas de source interne de chaleur - Toute la surface à la même température - Régime permanent et propagation unidirectionnelle Loi de Fourier e1 T p 1 T2 = J λ1 e2 T2 T3 = J λ2 e3 T3 Tp4 = J λ 3 T p1 J T = λ x T p4 e e 1 2 = + λ1 λ2 + e λ 3 3 J 0 e 1 x e 2 e 3 T p1 ( R + R + R ) J Tp4 = th1 th2 th3 43

44 Cas de murs «multiples». Entre deux «solides», la frontière commune peut être : - A contact parfait. Etude précédente. - A contact imparfait. L interface se comporte comme un milieu isotrope. Elle possède : T p1 J J T p2 - Conductivité thermique - Résistance thermique Unité : W m -1 K -1 Unité : m 2 K W -1 R λ C C = e λ C 0 e 1 x e 2 ( T ε T2 1 ε ) = R C J = R S C Φ 44

45 La convection. - Etude globale. Phénomène complexe liant mécanique des fluides et transferts thermiques On définit un coefficient d échange thermique : h Fluide Unité : W m -2 K -1 h air calme : 3 W m -2 K -1 h vapeur d eau chaude : W m -2 K -1 T p Paroi T m Loi de Newton T p T m = h J = h S Φ T m : température moyenne du fluide au voisinage de la paroi T p : température de la paroi 45

46 J Bilan global pour un mur simple. Hypothèses : 1 Mur 2 Fluide 1 Fluide 2 T m1 Convection T p1 T(x) T p2 h 1 0 e h 2 Conduction J T m2 x Convection - Pas de source interne de chaleur - Toute la surface à la même température - Régime permanent et propagation unidirectionnelle T T T m1 p1 p2 T T T p1 p2 m2 1 = J h1 e2 = J λ2 1 = J h T m1 2 T m1 1 h 1 T + m2 e λ 2 2 = + 1 h 3 J ( R + R + R ) J Tm2 = C1 th2 C3 46

47 Le rayonnement. Flux d une source : Φ Puissance émise par la source. Unité : W Source de puissance émise par une source. Emittance d une source (monochromatique : λ) : d Φλ M λ = Unité : W m -2 d S Transfert de chaleur par rayonnement : M = ε σ T 4 Unité : W m -2 - constante de Stefan-Boltzmann : σ = 5, W m -2 K -4 - ε : émissivité (facteur d absorption ou d émission de la surface émettrice) coefficient sans unité (1 pour un corps noir) - T : température du corps (K) 47

48 Le rayonnement solaire. Sahara sud 2000 kwh m - ² Zermatt 1480 kwh m - ² Energie [kw/(m² µ)] 2,0 1,5 1, Corps noir à 5800 K Rayonnem ent solaire aux confins de l'atm osphère R ayonnem ent solaire au niveau de la mer. Ciel serein, soleil à 30 au-dessus de l'horizon 0,5-0 UV visible IR - 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Longueur d'onde [µ m ] 48

49 Le rayonnement solaire sur un vitrage. Transmission secondaire Rayonnement solaire incident Angle d'incidence i q s Rayonnement absorbé α Ε q s Rayonnement global g q s transmis Rayonnement réfléchi ρ Ε q s Rayonnement transmis τ Ε q s directement 49

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