énergie pour le bâtiment

Transcription

1 Paris Val de Seine 1 ère année/ AMBIANCES.D.D.DECOUVERTE b Enseignante Ljubica Mudri

2 POUR UNE ARCHITECTURE DURABLE AMBIANCE THERMIQUE Notions de base & étude des déperditions des parois

3 POUR UNE ARCHITECTURE DURABLE AMBIANCE THERMIQUE Notions de base & étude des déperditions des parois sommaire besoin / équipement / consommation transfert de chaleur, théorie, exemples

4 POUR UNE ARCHITECTURE DURABLE AMBIANCE THERMIQUE Notions de base & étude des déperditions des parois sommaire besoin / équipement / consommation transfert de chaleur, théorie, exemples

5 énergie pour le bâtiment Introduction C'est l'énergie nécessaire pour la naissance, la vie et la mort d'un bâtiment : la production des matériaux la production des appareillages (robinets, ampoules ) le chantier le bâtiment durant sa vie la réhabilitation la destruction du bâtiment

6 énergie pour le bâtiment Introduction C'est l'énergie nécessaire pour la naissance, la vie et la mort d'un bâtiment : la production des matériaux la production des appareillages (robinets, ampoules ) le chantier le bâtiment durant sa vie la réhabilitation la destruction du bâtiment

7 énergie pour le bâtiment Introduction Énergie pour le bâtiment durant sa vie

8 énergie pour le bâtiment Consommation Énergie pour le bâtiment durant sa vie CONSOMMATION d'énergie primaire équipement besoins

9 énergie pour le bâtiment Consommation Énergie pour le bâtiment durant sa vie chauffage, ventilation, rafraîchissement, éclairage artif. électro-ménager, ordinateurs CONSOMMATION d'énergie primaire équipement besoins

10 énergie pour le bâtiment Consommation Énergie pour le bâtiment durant sa vie chauffage, ventilation, rafraîchissement, éclairage artif. électro-ménager, ordinateurs CONSOMMATION d'énergie primaire équipement besoins " diminuer" les besoins par la conception du bâtiment et de son enveloppe avec prudence et imagination et selon le contexte (cette conception englobe donc, tous les aspects de l'architecture bioclimatique, utilisation de l'énergie renouvelable, solaire, éolien, géothermie, photovoltaïque )

11 énergie pour le bâtiment Consommation Énergie pour le bâtiment durant sa vie 2. choix (et concepts) des équipements pour consommer moins en satisfaisant le besoin ON CALCULE 1. concept du bâtiment (pour diminuer le besoin d'énergie primaire) ON CALCULE CONSOMMATION d'énergie primaire équipement besoins

12 énergie pour le bâtiment Consommation 50 KWh/M 2 basse consommation CONSOMMATION d'énergie primaire équipement besoins

13 énergie pour le bâtiment Consommation RT , 110, 80 kwh/m²/an suivant les zones thermiques BHPE (bâtiment à haute performance énergétique) 96 KWh/m²/an BTHPE (bâtiment à très haute performance énergétique) 80 KWh/m²/an BBC (bâtiment basse consommation) BEPAS (bâtiment à énergie passive) BEPOS (bâtiment à énergie positive) 50 KWh/m²/an moins de 15 KWh/m²/an produit plus d'énergie qu'il n'en consomme

14 énergie pour le bâtiment Acteurs LA CONCEPTION D UN BATIMENT EST UN TRAVAIL D EQUIPE AVEC PARTAGE DE RESPONSABILITES

15 énergie pour le bâtiment Acteurs l Architecte étant entièrement responsable de la forme, de l orientation et de l enveloppe du bâtiment qu il conçoit se préoccupe surtout de : MINIMISER LES BESOINS D ENERGIE car d autres membres de son équipe l aideront éventuellement pour le reste, par exemple: le Thermicien définira LES EQUIPEMENTS > LES CONSOMMATIONS de chauffage, rafraîchissement, ventilation mais il le conseillera aussi dans la détermination des besoins

16 Définition des besoins Définition des des équipements consommations forme orientation enveloppe équipements responsabilité de l architecte responsabilité partagée

17 Définition des besoins ATTENTION! Il ne faut pas y voir un processus linéaire Définition des des équipements consommations forme orientation enveloppe équipements responsabilité de l architecte responsabilité partagée UN TRAVAIL D EQUIPE DES LE DEBUT EST IMPERATIF!

18 ON MESURE SOUVENT LES BESOINS ET LES CONSOMMATIONS ANNUELS en kilowatts.heures/année ELLES SONT BASEES SUR LES STATISTIQUES DE LA METEO forme orientation enveloppe BESOINS équipements CONSOMMATIONS Afin de faciliter les comparaisons, on les exprime également en : kilowatt.heure/m 2.année KWh/m²/an

19 ON MESURE SOUVENT LES BESOINS ET LES CONSOMMATIONS ANNUELS en kilowatts.heures/année ELLES SONT BASEES SUR LES STATISTIQUES DE LA METEO forme orientation enveloppe BESOINS équipements CONSOMMATIONS Afin de faciliter les comparaisons, on les exprime également en : kilowatt.heure/m 2.année KWh/m²/an

20 énergie pour le bâtiment Enveloppe L ENVELOPPE et LA FORME sont les paramètres déterminants des BESOINS en climat tempéré et froid

21 énergie pour le bâtiment Enveloppe

22 énergie pour le bâtiment STRATEGIES Comportemen t thermique combien? kwh/m2

23 énergie pour le bâtiment STRATEGIES Comportemen t thermique Gestion de flux : durable ou par appareillage? le moins d'appareillage profiter au plus de l'énergie de l'environnement! combien? kwh/m2 Au travers de l'enveloppe en gérant les gains et les déperditions

24 énergie pour le bâtiment STRATEGIES Comportemen t thermique Gestion de flux : durable ou par appareillage? le moins d'appareillage profiter au plus de l'énergie de l'environnement! combien? kwh/m2 Au travers de l'enveloppe en gérant les gains et les déperditions

25 énergie pour le bâtiment Comportemen t thermique l'énergie nécessaire pour la naissance, la vie et la mort d'un bâtiment : la production des matériaux la production des appareillages le chantier le bâtiment durant sa vie la réhabilitation la destruction - de chauffage - ventilation - refroidissement - éclairage du à l'enveloppe souhait de l'utilisateur déperditions gains thermiques surfaciques (parois) linéiques (ponts thermiques) échange d'air

26 énergie pour le bâtiment Comportemen t thermique l'énergie nécessaire pour la naissance, la vie et la mort d'un bâtiment : la production des matériaux la production des appareillages le chantier le bâtiment durant sa vie la réhabilitation la destruction - de chauffage - ventilation - refroidissement - éclairage du à l'enveloppe souhait de l'utilisateur déperditions gains thermiques surfaciques (parois) linéiques (ponts thermiques) échange d'air Nous avons étudié «gains thermiques» (effet de serre /solaire passif ) au cours précédent

27 Échange de chaleur Principes Comment s'effectue l'échange d'énergie thermique?

28 Échange de chaleur Principes premier principe de la thermodynamique "On ne peut ni créer ni détruire l'énergie; lorsque une forme d'énergie disparaît, une autre apparaît, toujours en quantité équivalente" deuxième principe de la thermodynamique "La chaleur s'écoule spontanément toujours d'un corps plus chaud vers un corps plus tiède" Toute les matières sont à même de stocker des quantités variables de chaleur

29 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? Par rayonnement, convection, conduction

30 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction Le rayonnement est un processus ondulatoire (et /ou corpusculaire), les ondes énergétiques, visible et infrarouge, de nature électromagnétique se propagent à partir des étoiles à travers le vide et puis à travers l'air (atmosphère)

31 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction et ils "touchent" la surface de la terre, des océans, des bâtis

32 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction chaque masse dont la surface a été "touchée" par ces ondes les absorbe partiellement et les réfléchit partiellement. onde infra rouge onde visible transparence transparence opacité opacité

33 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction En tous cas, le rayonnement au départ est nécessaire Soleil ou poêle

34 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction En tous cas, le rayonnement au départ est nécessaire Soleil ou poêle renouvelable durable très économique produit -- dans un poêle/radiateur chère à économique polluant à durable

35 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction

36 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction RAYONNEMENT est dans la flamme (visible et infrarouge) touche la surface de la paroi et entraîne l'agitation des atomes dans un solide

37 10-15 m 10 5 m Gamma X UV Visible Infra rouge Radio (UHF) (VHF) Rayonnement Le rayonnement thermique se propage comme tous les rayonnements électromagnétiques, mais les phénomènes énergétiques associés dépendent de leur domaine de fréquence. UV Visible Infra rouge forme le spectre solaire Visible et Infra rouge apportent la quasi-totalité de l'énergie qui produira les effets thermiques et d'éclairage Quand le rayonnement direct du soleil nous "touche" par une belle journée d'hiver à 5 C à l'extérieur, mais on a chaud "au Soleil" à cause du rayonnement

38 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, conduction, convection RAYONNEMENT est dans la flamme (visible et infrarouge) entraîne touche la surface de la p et entraîne agitation des atomes dans un solide CONDUCTION l'agitation des atomes ou énergie cinétique se propage dans le solide (poêle), vers sa surface extérieure moins chaude (second principe de thermodynamique)

39 Conduction : transfert de chaleur par la matière --- solide Évolution de la température dans un matériau homogène d épaisseur e D une manière simplifiée on peut dire que la conduction de chaleur dans un solide homogène et sec est le résultat de la transmission des énergies cinétiques (mouvements) élevées des molécules («chaudes») vers des molécules en état de mouvement plus lent («froides»)

40 Conduction : transfert de chaleur par la matière --- solide Évolution de la température dans un matériau homogène d épaisseur e D une manière simplifiée on peut dire que la conduction de chaleur dans un solide homogène et sec est le résultat de la transmission des énergies cinétiques (mouvements) élevées des molécules («chaudes») vers des molécules en état de mouvement plus lent («froides»)

41 LA CONDUCTION Newton s intéressant au problème de la propagation de la chaleur dans une barre de fer enfoncée dans un four en a proposé en 1701 une loi de propagation en évoquant la possibilité d utiliser ce genre de barre de fer comme pyromètre. Le pyromètre permet de mesurer à températures très élevées distance des

42 Cette question l intéressait probablement en tant que directeur de la monnaie royale: connaître la température des foyers où l on fondait les métaux et le temps de refroidissement des pièces de monnaie frappées.

43 Peut être aussi afin d identifier les fausses pièces d après leur température de fonte Newton était un terrible chasseur de fauxmonnayeurs il en a envoyé des dizaines à l échafaud

44 En partant d une réflexion sur la barre chauffée, J. Fourier (égyptologue, physicien, mathématicien et préfet de l Isère) établit le premier les équations du transfert de chaleur par conduction dans un milieu solide et des solutions mathématiques adaptées (série de Fourier, 1822)

45 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction RAYONNEMENT est dans la flamme (visible et infrarouge) entraîne touche la surface de la p et entraîne ation des atomes dans un solide CONDUCTION agitation des atomes ou énergie cinétique se entraîne propage dans le poile, vers sa surface extérieure RAYONNEMENT la masse de métal (poêle) chaud rayonne vers la pièce car l'air est plus froid ) tout solide rayonne (sauf s'il est à 0 K)

46 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, conduction, convection, RAYONNEMENT est dans la flamme (visible et infrarouge) entraîne touche la surface de la p et entraîne ation des atomes dans un solide CONDUCTION agitation des atomes ou énergie cinétique se entraîne propage dans le poile, vers sa surface extérieure RAYONNEMENT masse du métal (poil) chaude rayonne entraîne ver s la pièce (coté plus tiède ) CONVECTION l'agitation des atomes ou énergie cinétique se propage dans l'air de la pièce mouvement des masses d'air

47 Convection est le phénomène physique par lequel la chaleur est transmise en mettant en jeu des déplacements de matière. Elle s oppose en cela à la conduction dans laquelle, il n y a pas de déplacement de matière. La convection ne peut pas exister entre deux solides, elle n existe que grâce à un fluide : air, eau, etc. en architecture : air (eau)

48 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction RAYONNEMENT est dans la flamme (visible et infrarouge) entraîne touche la surface de la p et entraîne ation des atomes dans un solide CONDUCTION agitation des atomes ou énergie cinétique se entraîne propage dans le poile, vers sa surface extérieure RAYONNEMENT masse du métal (poil) chaude rayonne ver entraîne s la pièce (coté plus tiède ) CONVECTION l'agitation des atomes ou énergie cinétique se propage dans l'air de la pièce mouvement des masses d'air

49 Échange de chaleur Principes comment s'effectue l'échange de chaleur? rayonnement, convection, conduction RAYONNEMENT est dans la flamme (visible et infrarouge) entraîne touche la surface de la p et entraîne ation des atomes dans un solide CONDUCTION agitation des atomes ou énergie cinétique se entraîne propage dans le poile, vers sa surface extérieure RAYONNEMENT masse du métal (poil) chaude rayonne ver entraîne s la pièce (coté plus tiède ) CONVECTION l agitation des atomes ou énergie cinétique se propage dans l'air de la pièce mouvement des masses d'air en été c'est le contraire

50 Brique bon isolement thermique et acoustique bâtiment de quelques étages Béton très mauvais isolement bâtiment très élevé

51 Brique bon isolement thermique et acoustique bâtiment de quelques étages Béton très mauvais isolement bâtiment très élevé Rajouter la couche d isolation thermique

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55 UNE ZONE THERMIQUE

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59 Brique bon isolement thermique et acoustique bâtiment de quelques étages Béton très mauvais isolement bâtiment très élevé Rajouter la couche d isolation thermique Rajouter une zone tampon

60 Zone tampon si orientée sud, est, ouest alors c est aussi : gains / solaire passif

61 Zone tampon si orientée sud, est, ouest alors c est aussi : gains / solaire passif La zone tampon n est pas chauffée

62 Exemple ATRIUM - SERRE Arch. Renzo Piano

63 Exemple DOUBLE PEAU - SERRE REHABILITATION

64 1997

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67 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi 4 propriétés thermiques des matériaux Conductivité Capacité thermique Diffusivité Effusivité

68 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi 4 propriétés thermiques des matériaux Conductivité permet de calculer les déperditions Capacité thermique Diffusivité Effusivité

69 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Conductivité thermique des matériaux (en W/m K) : quantité de chaleur, par m 2, traversant une paroi de 1m d épaisseur de matériau pour une différence de température de 1 C (ou K) entre les deux faces du matériaux, pendant 1 sec. s=1m² T E (m)

70 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Conductivité thermique des matériaux (en W/m K) : quantité de chaleur, par m 2, traversant une paroi de 1m d épaisseur de matériau pour une différence de température de 1 C (ou K) entre les deux faces du matériaux, pendant 1 sec. à base des mesures sur des matériaux Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K Béton a une grande capacitéde conduire un flux thermique Liège a une grande capacité de résister à un flux thermique

71 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Ca c'est pour 1m d'épaisseur Nous avons besoin de savoir concrètement dans une paroi si une couche d'épaisseur donnée est un conducteur ou s'il résiste bien à un flux thermique Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K Béton a une grande capacitéde conduire un flux thermique Liège a une grande capacité de résister à un flux thermique

72 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ T s=1m² E (m) Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K Béton a une grande capacitéde conduire un flux thermique Liège a une grande capacité de résister à un flux thermique

73 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ La Conductance U La Résistance R Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K Béton a une grande capacitéde conduire un flux thermique Liège a une grande capacité de résister à un flux thermique

74 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K liège 5cm La Résistance R R = e / λ (m 2 K/W) e étant épaisseur (en m) Liège a une grande capacité de résister à un flux thermique

75 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K liège 5cm Calculer la résistance th. de 5 cm de liège! La Résistance R R = e / λ (m 2 K/W) e étant épaisseur (en m) Le liège a une grande capacité à résister à un flux thermique

76 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K liège 5cm Calculer la résistance th. de 5 cm de liège! La Résistance R R = e / λ (m 2 K/W) e étant épaisseur (en m) R liège = e / λ R liège = 0,05 / 0,046 R liège = 1,087 m 2 K/W

77 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K béton 5cm Calculer la résistance th. de 5 cm de béton! La Résistance R R = e / λ (m 2 K/W) e étant épaisseur (en m) R liège = e / λ R liège = 0,05 / 0,046 R liège = 1,087 m 2 K/W

78 U = λ /e (W/m 2 K) Conduction Calcul échange de chaleur à travers une paroi Conductivité λ Liège λ = 0,046 W/m K Béton λ = 1,6 W/m K béton 5cm Calculer la résistance th. de 5 cm de béton! La Résistance R R = e / λ (m 2 K/W) e étant épaisseur (en m) R liège = e / λ R liège = 0,05 / 0,046 R liège = 1,087 m 2 K/W R béton = e / λ = R béton = 0,05 / 1,6 R béton = 0,031 m2 K/W

79 Paris Val de Seine 1 ère année/ matin après-midi AMBIANCES DECOUVERTE lundi 01.oct. lundi 08 oct. lundi 15 oct. lundi 22.oct. mardi 23 oct. lundi 29 oct. mardi30 oct. lundi 05 nov. mardi06 nov. lundi 12 nov. mardi13 nov. lundi 19 nov. mardi20 nov. Cours Cours Cours Cours + TD2 TD2 Cours + TD3 TD3 Cours + TD4 TD4 Cours + TD5 TD5 un exercice àfaire comme travail personnel TD6 / rendu TD6 / rendu TD1 -visite aux serres : en octobre, un TD de visite dans vos groupes de projet et avec vos enseignants de projet

80 22/23 octobre TD 2 d'aujourd'hui et de demain Ils portent sur les cours 1,2 et 3. vous travaillez en binôme. Ce seront plutôt des critiques des : - ambiance lumineuse (performance, confort et agrément) - ambiance thermique (effet de serre, compléments aux vitrages ) La présence de chacun est obligatoire. Si un étudiant n'est pas là - il aura la note 0 pour ce TD même si son binôme est là. L'organisation par binôme est pour vous faciliter de travailler et non pas pour vous faciliter de ne pas travailler.

81 22/23 octobre TD 2 d'aujourd'hui et de demain Tout les étudiants sans exception (tous les binômes, bien entendu) rendent les TD2 juste après la séance. EN PLUS, vous avez un délai de 5 jours (dimanche 28 dernier délai) pour charger le TD2 sur le site (toujours le même) SI VOUS SOUHAITEZ RENDRE UN TD2 MIEUX EXPLIQUE ET PRESENTE. C'est facultatif. Bien évidement, nous prendrons en compte le fichier chargé dans ce cas.

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