M22 C > Planning Enseignants : Nicolas REMY & Bruno Burlat

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1 M22 C > Planning Enseignants : Nicolas REMY & Bruno Burlat Cours Cours 0 : lundi 16 Février 2004 de 8h à 10h Cours 1 : Mardi 17 Février 2004 de 10h à 12h Cours 2 : lundi 23 Fé vrier de 10h à 12h Cours 3 : Mardi 24 Février 2004 de 16h à 18h Cours 4 : Lundi 1er Mars 2004 de 8h à 10h Journ ée de Visite à Lyon le 9 Mars : programme en cours : Cité Internationale (salle des maquettes?), Jardins de poche (?), Lyon, la nuit - illuminations Cours 5 : Lundi 22 Mars 2004 de 8h à 10h TD & Options (avec B. Burlat) TD : Maison individuelle ( planning en cours) Option Projets Urbains (1 par groupe) Lundi 19 Avril Mardi 27 Avril Lundi 4 Mai Examen Lundi 29 Mars matin M22 C > Maîtrise des ambiances thermiques Cours 1- Rappels :. Les mouvements solaires et les protections d été - Aspects thermiques. Définitions : λ, R, U, Φ,. Stratégies thermiques. Inertie thermique 2- Conductance totale d un édifice 3- RT Comportement dynamique d un édifice 5- Applications aux différents climats 6- Thermique des espaces publics TD - Options (avec B. Burlat) TD Maison individuelle Options Projets Urbains 1

2 M22 C > Maîtrise des ambiances thermiques Sources documentaires. références bibliographiques. Site web de l EAG : Sites internet (cf site web + références) M22C > Cours 1 > Rappels 1 - Ensoleillement. aspects géométriques. aspects du rayonnement. aspects énergétiques 2- Modes de propagation de la chaleur. Définitions : Flux, λ, R, conduction, U. Calculs de U et de R. Ponts thermiques. Convection 4- Stratégies du Chaud et du froid 5- Inertie thermique 2

3 1 - Ensoleillement : Aspects Géométriques Cf. Lavigne et al. 1 - Ensoleillement : Aspects Géométriques Cf. Energy Conscious Design Fig 1 : courses du soleil - Hiver / Été Fig 2 : Position du soleil dans le ciel Saisons inversées sur les deux hémisphères Eté (Hémisphère Nord) quand la distance Terre / Soleil est la plus grande mais les rayons les + chauds 3

4 1 - Ensoleillement : Aspects Géométriques h ou γ : hauteur du soleil Angle le rayon solaire et sa projection sur le plan horizontal du lieu solaire α : azimut Angle entre l axe NS et la projection du rayon solaire sur le plan horizontal Cf. Energy Conscious Design => Courbe apparente de la course du soleil selon la latitude (diagramme polaires et cylindriques) 1 - Ensoleillement : Aspects du Rayonnement La lumière longueur d onde d un rayonnement électromagnétique soleil U.V. 0,38-0,78 µm I.R λ en µm VISIBLE 4

5 1 - Ensoleillement : Aspects du Rayonnement Solaire incident 0,2 < λ < 2,6 µm 2 Solaire diffus (émis par la voûte céleste) 1 Solaire direct ozone λ > 0,28 µm - Diffusion Moléculaire - Absorption par aérosols - Absorption gazeuse 3 Solaire réfléchi («albedo») Rayonnement Global % UV 51% Visible 43% IR 1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques Ciel Clair Tables d ensoleillement maximal : densité de flux lumineux qui atteint un plan Facteur de Link : Link ++ Clarté du Ciel -- Quantité d énergie -- Énergie effectivement reçue Au sol, à 12h, perpendiculaire au soleil Valeurs moyennes - Ordre de Grandeur hiver Ciel clair 700 W.m- 2 Ciel trouble 400 W.m W.m W.m 2 (Cte solaire) Le 21 Juin à 12h [45 ] été W.m- 2 W.m W.m 2 5

6 1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques Cf. Energy Conscious Design 1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques Remarque : En été, la quantité d énergie solaire reçue est plus important sur une surface horizontale que verticale même orientée Sud En hiver, la quantité d énergie solaire reçue est plus importante sur une surface verticale orientée Sud que horizontale 6

7 1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques Latitude 45. Orientation Nord : jamais de soleil direct. Orientation Sud : Apports énergétiques importants pour les surfaces verticales en hiver Moins de risques de surchauffe en été car hauteur du soleil haute (protection réduites) R- des orientations Sud-Est et Sud-Ouest recevront un rayonnement réduit de 20% pendant l été. 1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques Latitude 45. Orientation Ouest : Le soleil donne en fin de journée sur une façade surchauffée quand la température est élevée. Le soleil est dans un plan perpendiculaire à la façade lorsque sa hauteur est d environ 30 risque de surchauffe. Orientation Est : idem que «Ouest» le phénomène de surchauffe est moins fort - Toiture : Attention, c est la partie la plus exposée en été : 2hrs à + de 55 7

8 1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques Audience (CERMA) - Info Solaire - Info Recepteur Solaire - Ecran Solaire - Lames parallèles Solaires - Diagramme Solaire (Flash) 2 :Les 3 modes de propagation de la chaleur Oliva J.P. 8

9 2 - Les 3 modes de propagation de la chaleur Température exprime un état et un potentiel, cad une capacité à provoquer un transfert de quantité de chaleur C est la chaleur qui pénètre, sort d un édifice et qui intéresse l architecture, on parle de quantité de chaleur La chaleur se compte, se transfère et se facture (chaud vers le froid) La température se mesure mais ne saurait se vendre. Conduction solides pas de transport de matière. Convection fluides (eau, air, gaz) transport de matière. Rayonnement 2- Les 3 modes de propagation de la chaleur Définitions Flux thermique ou flux de chaleur : quantité de chaleur passant au travers de 1m 2 de surface pendant 1s, notée :. φ en Watt / m2 (densité de flux). Φ lorsqu on considère l ensemble d une surface S en Watts. 9

10 2 - Les 3 modes de propagation de la chaleur Conductivité thermique λ - Propriété des corps à transmettre la chaleur par conduction. - λ est exprimé en W/m. C Définitions J.P. Isola λ est grand, le matériau est conducteur - λ est petit le matériau est isolant [λ augmente si Tpte augmente et si humidité augmente] 2 - Les 3 modes de propagation de la chaleur Conduction thermique Définitions J.P. Isola φ = λ. t / e en W/m. C 10

11 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Résistance thermique R (capacité à résister à un flux) - Caractérise la résistance d une paroi au passage d un flux thermique (de la chaleur) - R dépend de λ et de l épaisseur du matériau R s exprime en m 2. C/W ou m 2.K/W Définitions <- e -> Plus R est grand et plus le matériau est isolant R = e / λ en m 2. C/W - r est utilisé pour une surface entière en C/W ou K/W 2- Les 3 modes de propagation de la chaleur Conductance U Définitions (anciennement K - capacité à conduire un flux) ŸPour caractériser une paroi, on utilise l inverse de la Résistance R, c.a.d la conductance U - U = 1/ R = λ / e - U s exprime en W/ m 2. C ou W/ m 2.K - Plus U est petit et plus le matériau est isolant - u est utilisé pour une surface entière en W/ C ou W/ K 11

12 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Formules de Calculs Matériaux disposés en «s é rie» (on ajoute les résistances) R totale = Σ R i 1/U totale = Σ (1/U i ) Matériaux disposés en «parallèle» (on ajoute les conductances) U totale = Σ U i 1/R totale = Σ (1/Ri i ) Les ponts thermiques Les flux thermiques traversent aussi des singularités dans le bâtiments : tableaux des fenêtres, ponts thermiques, etc On définit alors ψ linéique, ou coefficient de transmission linéique car ces singularités sont présentes sur une longueur spécifique et notée l n ψt = Σ ψn. ln en W/K ou W/ C J.P. Oliva 12

13 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Résistance thermique R exemple1 : paroi en contact avec l extérieur Définitions <- e -> Résistances - mur en blocs béton sable et gravillon, épaisseur 20cm 0,19 -lame d air de 5cm 0,16 - mur brique creuses de 7,5cm 0,16 - enduit ciment de 1cm sur blocs creux 0,008 - enduit plâtre de 1cm sur briques creuses 0,03 - résistance superficielle (1/hi) intérieure et extérieure (1/he) 0,17 R totale= 0,718 C.m2/W (U=1,39 W/m2. C) 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Résistance thermique R (exemple2 : plafond structure bois) Définitions <- e -> Résistances - ensemble structure + isolant 3,212 - parement plâtre cartonné 1,3 cm 0,03 -résistance superficielle (1/hi) intérieure et extérieure (1/he) 0,18 R totale= 3,422 C.m2/W (U=0,29 W/m2. C) 13

14 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Définitions Résistance thermique R exemple 3 : plancher surélevé ventilé au-dessous constitué de : <- e -> Résistances - dalle préfabriquée de hourdis béton épaisseur 16 0,13 - dalle de répartition béton plein 4cm 0,02 - isolant collé sous plancher λ = 0,04 épaisseur de 6 cm 1,5 (R= E/λ) - plâtre cartonné 1,3 cm de protection isolant 0,03 - carrelage collé épaisseur 1cm 0,06 -résistance superficielle (1/hi) intérieure et extérieure (1/he) 0,22 R totale= 1,96 C.m2/W (U=0,51 W/m2. C) 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Définitions Conclusions - R importante ou U faible ssi présence d isolant - les résistances superficielles ne sont pas négligeables <- e -> - une lame d air a une influence non négligeable mais tres faible par rapport à une couche d isolant - les couches minérales telles qu enduits, placoplâtre, carrelage ré sistances négligeables - Les meilleures U pour des parois de faibles épaisseur s obtiennent avec du bois intégrant un isolant (le bois est mauvais conducteur) parois très isolées < U < paroi unique sans isolant 0,15 W/m2.C < U < 3 W/m2. C 14

15 2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur Convection libre et (forcée) ŸLorsqu un fluide (air) est en contact avec une paroi, il existe un échange de flux thermique (du plus chaud au plus froid) ŸLa densité de flux correspondante est donc : φ = U c. t en W/m. C avec Uc = conduction par convection pour 1m 2 3-Les stratégies thermiques Stratégie du chaud > Hiver 15

16 3-Les stratégies thermiques Stratégie du Froid > Eté 4 - Isolation et Inertie Thermique La cave - inertie thermique très grande - Variation grandes de T C ext mais T C int quasi constante La serre - inertie thermique presque nulle - Variation grandes de T C ext implique des variations importantes de T C int sans chauffage ni climatisation sans chauffage ni climatisation 16

17 4 - Isolation et Inertie Thermique L inertie thermique (d absorption) Faible inertie par une isolation placée à l intérieur Forte inertie par une isolation placée à l extérieur (mur en maçonnerie) 4 - Isolation et Inertie Thermique L inertie thermique (d absorption) - se définit comme la capacité d un matériau à accumuler puis à restituer un flux thermique (de la chaleur) - l inertie thermique dépend de 3 facteurs. La conductivité thermique «λ». La chaleur spécifique «c». La masse volumique du matériau «ρ» Pour quantifier l inertie, on introduit le paramètre de capacité thermique S S = ρ.c en j/kg. C Polystyrène 21 Laine de verre 99 Air 1256 Liège Pierre Naturelle Béton Bois O 17

18 4- Isolation et Inertie Thermique L inertie thermique (d absorption). La capacité thermique d une paroi est surtout utile que si elle est placée à l 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 atténuer les variations de température interne. A l inverse une maison à faible inertie montera vite en température au moindre rayon de soleil sans la possibilité de stocker la chaleur solaire. Les écarts de température internes seront importants. Les risques de surchauffe élevés.. Une forte inertie est surtout utilise en cas d occupation permanente. Une faible inertie peut-être intéressante pour des locaux à usages intermittents. 18