CONDENSATION EN SURFACE ET DANS LA MASSE

CONDENSATION EN SURFACE ET DANS LA MASSE 1 Rappls sur l air humid L'air ambiant n'st jamais parfaitmnt sc ; il contint toujours un crtain quantité d'au. Air Humid = Air Sc + Vapur d'eau A prssion atmosphériqu, l air n put absorbr qu un crtain quantité d vapur d au (limit d saturation) au-dlà, l xcès d vapur d'au st suscptibl d s transformr n liquid donc d s condnsr. Etudions l'équilibr (air sc, vapur d'au) t définissons ls grandurs prmttant d quantifir la tnur n au d l'air. 1.1. Prssion partill d vapur p v. Dans un mélang, c st la prssion d un ds composants du mélang ; ll st égal à la prssion qu aurait c composant s il occupait sul, dans ls mêms conditions, tout l volum occupé par l mélang. La prssion du mélang st la somm ds prssions partills d chacun ds composants. Pour l air humid, la prssion atmosphériqu st la somm ds prssions partills d l air sc t d la vapur d au. A saturation, on a la prssion partill d vapur saturant p v,sat. 1.2. Humidité spécifiqu r s. C st la mass d vapur d au contnu dans un volum contnant 1 kg d air sc ; s xprim n kg vap /kg air sc. A saturation, on a l humidité spécifiqu saturant r s sat. 1.3. Humidité rlativ ψ. Proportion d vapur d au contnu dans l air humid rlativmnt à la saturation : A saturation, on a ψ = 1. 1.4. Tmpératur d rosé T r. p v ψ = = p v, sat Pour un humidité spécifiqu donné, c st la tmpératur limit n-dssous d laqull apparaît la condnsation. 1.5. Humidité d un local : bilan Pour un local vntilé dans lqul il y a production d vapur, l humidité st fonction d cs 2 paramètrs ; ll put s détrminr n faisant un bilan d vapur n régim stationnair : r r s s sat vapur ntrant + vapur produit = vapur sortant L débit d rnouvllmnt d air s écrit généralmnt sous la form d débit volumiqu : q v, = q m, s v fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 1/14

Avc : v s : volum spécifiqu d l air xtériur (m 3-1.kg as ). q m, = débit massiqu d air sc ntrant ( kg as.h -1 ) (idntiqu au débit massiqu sortant) q v, = débit volumiqu d air humid ntrant (m 3.h -1 ) s La quantité d vapur ntrant st : r q m, s La quantité d vapur sortant st : r q i m, La production d vapur st : W (kg vap.h -1 ) L'humidité absolu d l'air intériur s écrit alors : r s,i : humidité absolu d l'air intériur n kg vap.kg as -1 r si : humidité absolu d l'air xtériur n kg vap.kg as -1 r s i s W = r + q On xprim souvnt aussi c débit d rnouvllmnt par rapport au volum du local, c qui donn l nombr d fois où l air du local st totalmnt rnouvlé n 1 hur :, n =, c volum qui prmt d établir ls ratios : 2 < W/n <5 dans ls locaux normalmnt occupés W/n 7,5 si sur-occupés ou mal vntilés W/n 10 pour un local très humid 1.6. Mécanism physiqu. Tant qu la prssion partill (p v ) ds moléculs d vapur d'au n'st pas trop élvé, il xist un équilibr stabl du composé Air sc + Vapur. Ctt prssion partill put augmntr si la proportion d vapur d'au augmnt. Si ctt prssion partill dvint trop élvé t attint un valur applé prssion d vapur saturant (p v,sat ), alors l'équilibr s rompt t la vapur d'au s condns. La prssion d vapur saturant dépnd d la tmpératur : plus la tmpératur st élvé (plus l'état d'agitation ds moléculs st intns) plus l'air humid put contnir d moléculs d H 2 0 n équilibr t donc plus la prssion d vapur saturant st élvé. Si p v < p v,sat, il n'y a donc pas d risqu d condnsation. L'étud ds caractéristiqus d l'air humid s fait l plus souvnt à l'aid du diagramm d l'air humid. 2 m, q v humidité 4 r s,max 3 1 r s ψ = 100% T r T h T tmpératur fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 2/14

Si l point 1 rprésnt l'air humid considéré (tmpératur T ; humidité spécifiqu r s ), l point 2 corrspond la limit maximal d vapur d'au pouvant êtr contnu dans l'air à ctt mêm tmpératur (r s,max ). L point 3 corrspond au rfroidissmnt maxi possibl sans condnsation, la tmpératur d rosé (T r ). L point 4 corrspond à la saturation attint par injction d gouttltts d'au. C procédé prmt d rfroidir sans dépns d'énrgi (tmpératur humid T h à nthalpi constant). Au vu d c diagramm d l'air humid, on rmarqu qu l'on put attindr l risqu d condnsation ssntillmnt d trois manièrs : En augmntant la quantité d vapur d'au, c'st, à dir r s, pour attindr l point 2 défini par ψ =100%. Cla corrspondrait au cas d'un production d vapur d'au dans un pièc maintnu à tmpératur constant. En diminuant la tmpératur T, tout n consrvant r s constant. On attint alors la tmpératur d rosé au point 3. C'st l point d rosé, cla corrspond à la condnsation d l'air humid sur ls parois froids d'un mêm local. En pulvérisant ds gouttltts d'au dans l'air humid : Cs gouttltts doivnt s transformr n vapur pour s mêlr à l'air humid. Ells absorbnt donc d l'énrgi à l'air ambiant dont la tmpératur sèch baiss. On attint alors l point 4, tl qu la transformation d l à 4 s fait par transfrt d chalur snsibl (abaissmnt d la tmpératur sèch d l'air) n chalur latnt (vaporisation ds gouttltts t donc augmntation du r s d l'air). C point st défini par sa tmpératur T h applé Tmpératur Humid d l'air, toujours infériur à sa tmpératur sèch T saturation n fonction d la tmpératur T ( C) p v,s Pa r s s -1 (g vap.kg as ) -10 260 1,60-9 284 1,75-8 309 1,90-7 337 2,07-6 368 2,26-5 401 2,47-4 437 2,67-3 476 2,93-2 517 3,18-1 563 3,47 0 611 3,77 1 657 4,06 2 705 4,36 3 758 4,68 4 813 5,03 5 872 5,40 6 934 5,79 7 1001 6,21 8 1073 6,65 9 1148 7,12 10 1227 7,62 T ( C) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 35 p v,s Pa 1 312 1402 1497 1598 1704 1817 1937 2063 2197 2337 2486 2643 2809 2983 3166 3360 3564 3779 4004 4242 5622 r s s -1 (g vap.kg as ) 8,16 8,72 9,32 9,96 10,6 11,4 12,1 12,9 13,8 14,7 15,6 16,6 17,7 18,9 20,1 21,3 22,7 24,1 25,5 27,2 36,5 fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 3/14

2 Risqu d condnsation L'étud ds profils d tmpératur ds différnts parois (voir chapitr "Etud d'un paroi.") montrnt qu: La paroi intériur st, n général t n hivr, à un tmpératur infériur à cll d l'ambianc. Ls variations d tmpératur dans la mass puvnt êtr brutal. Dux phénomèns puvnt donc produir : La tmpératur d surfac dans un paroi d'un local chauffé st plus bass qu cll d l'ambianc intériur d'où possibilité d condnsation n surfac. La tmpératur dans un paroi vari dans l'épaissur d'où possibilité d condnsation dans la mass. Ls conséquncs d cs condnsations sont d'ordr: pathologiqu : humidification ds papirs pints, moisissurs dans ls angls, dans ls placards, déformation ds planchrs d bois, fantôms aux murs t plafonds, cloquags ds rvêtmnts... économiqu : la conductivité ds matériaux st très snsibl à l'humidité ( λ augmnt, cf. chap tchnologi ds matériaux ). La consommation d'énrgi n dépnd donc aussi. Pour évitr ls risqus d condnsation, il faut: Vntilr suffisammnt pour diminur la valur d rs n injctant d l'air ayant un humidité spécifiqu plus faibl dans la pièc. Voir à c sujt l chapitr Vntilation. Evitr ls tmpératurs d surfacs d parois trop basss, soit un bon cofficint K pour ls parois. A titr d 'xmpl, on put obsrvr ls risqus d condnsation d la vapur d'au n fonction justmnt, d: la production d vapur la vntilation fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 4/14

3 Condnsation n surfac Pour étudir l risqu d condnsation n surfac, il faut détrminr si la tmpératur d surfac intériur d la paroi st infériur à la tmpératur d rosé d l air intériur. Si c st l cas, c risqu xist. Il faut donc procédr à un calcul thrmiqu pour détrminr ctt tmpératur d surfac, idntiqu à clui utilisé pour détrminr l profil d tmpératur dans un paroi (calculs d résistanc, dnsité d flux, tmpératurs d intrfacs). Puis détrminr la tmpératur d rosé d l air ambiant n calculant son humidité spécifiqu. Ctt humidité spécifiqu st l résultat d un bilan d transfrt d vapur dans l local : Rprnons ls parois étudiés dans l chapitr "Etud d'un paroi. Cofficint K". Qustions : Si la tmpératur intériur st 19 C t la tmpératur xtériur d -10 C. Si l'humidité rlativ intériur st d 60%. Qull st la tmpératur d rosé t y aura-t-il condnsation sur ls surfacs intériurs ds parois? S'il y a condnsation pour ψ =60% qull dvrait êtr la valur d ψ pour qu'il n'y ait pas condnsation? Cas du mur n maçonnri à isolation par l'intériur. Cas du doubl vitrag. Cas du simpl vitrag. On étudi ls possibilités d condnsation n surfac d'un local dans ls conditions suivants : local d 30 m3 air xtériur : T = 5 C, ψ = 60% tmpératur intériur du local : T i = 20 C humidité rlativ à l 'intériur du local : ψ i tmpératur d rosé : T r cofficint d transmission surfaciqu ds parois donnant sur l'xtériur : U paroi Détrminr la valur maximal d U paroi pour qu'il n'y ait pas d condnsation suprficill dans ls d'occupation t d vntilation 30 m 3.h -1 15 m 3.h -1 7,5 m 3.h -1 suivants : inoccupé W = 0 g vap.h -1 2 prsonns au rpos W = 40 g vap.h -1 2 prsonns activs W = 70 g vap.h -1 On calcul d'abord l'humidité spécifiqu intériur : r = r + s, i s, s h W Q A partir d l'humidité intériur r s,i t d la tmpératur d l'air intériur T i, la lctur du diagramm d l'air humid prmt d'établir l'humidité rlativ intériur ψ i t la tmpératur d rosé T r. L flux thrmiqu travrsant la paroi put s'écrir d 2 façons : ϕ = U g ( Ti T ) = hi ( Ti Ts, i ) fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 5/14

avc : U g : cofficint global d'échang d la paroi h i : cofficint d'échang suprficil intériur T s,i : tmpératur suprficill intériur d la paroi Pour évitr tout condnsation, on doit avoir T s,i > T r soit ( T T ) < ( T T ) n réutilisant l'équation du flux : U ( T T ) h ( T T ) T T i r U g < hi T i T 1 avc r r, r, r U = = + + g g i i i r g s i s paroi i s, i i r < on doit donc avoir : r s,i t r s, : résistancs suprficills intériur t xtériur r paroi : résistanc d conduction d la paroi T T soit : = rs, i + rs, + rparoi > rs, i U T T 1 i g i r i t donc r > r, r, r, T T paroi s i s i s Ti T inoccupé W = 0 g vap.h -1 2 prsonns au rpos W = 40 g vap.h -1 2 prsonns activs W = 70 g vap.h -1 30 m 3.h -1 15 m 3.h -1 7,5 m 3.h -1 ψ i = 22% t T r = -2 C U paroi = 13,3 W.m -2.K -1 pas d condnsation ψ i = 37% t T r = +5 C U paroi = 9,1 W.m -2.K -1 pas d condnsation ψ i = 48% t T r = +9 C U paroi = 6,7 W.m -2.K -1 pas d condnsation ψ i = 22% t T r = -2 C U paroi = 13,3 W.m -2.K -1 pas d condnsation ψ i = 52% t T r = 10 C U paroi = 6,1 W.m -2.K -1 pas d condnsation ψ i = 75% t T r = +15,5 C U paroi = 2,7 W.m -2.K -1 vitrs+ponts thrmiqus ψ i = 22% t T r = -2 C U paroi = 13,3 W.m -2.K -1 pas d condnsation ψ i = 82% t T r = 17 C U paroi = 1,81 W.m -2.K -1 vitrs+ponts thrmiqus ψ i = 100% t T r +20 C U paroi = W.m -2.K -1 touts parois 4 fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 6/14

5 Condnsation dans la mass : diagramm d Glazr En général dans un local habité n hivr, la prssion d vapur coté intériur st supériur à la prssion d vapur xtériur, du fait d la production d 'humidité à l 'intériur d l 'habitat. p v,s,i p v p v,s p v,i p v,s, p v, Comm dans tout systèm non équilibré, la tndanc naturll st d rétablir l'équilibr ds prssions d vapur dans l mur; c qui génèr un transfrt d 'humidité d l 'intériur vrs l 'xtériur. La prssion d vapur st donc l potntil d transfrt d 'humidité, comm la tmpératur st l potntil d transfrt d la chalur. L transfrt d vapur d'au au travrs d'un paroi s 'ffctu par diffusion moléculair t n'a liu qu si il y a un différnc d potntil d prssion d vapur d'au d part t d'autr d la paroi. C transfrt st décrit par la loi d Fick qui s'apparnt à la loi d Fourir pour ls transfrts d chalur t à la loi d'ohm pour l transport d'élctron: Loi d Fourir φ λ Ti T = ( Ti T ) = A R Loi d Fick Loi d'ohm π p g = ( pv, i p v, i p, v, ) = R I l i A = ρ ( V V ) T th d Vi V = R l v T i avc : V i -V I/A ρ φ λ π T i T p v,i p v, g (V) (A.m -2 ) (Ω.m -1 ) (W.m -2 ) (W.m -1.K -1 ) (kg.m -1.s -1.Pa -1 ) (m) (K) (K) (Pa) (Pa) (kg.m -2.s -1 ) différnc d potntil ntr ls points i t intnsité élctriqu par unitéd surfac résistivité éléctriqu dnsité d flux d chalur conductivité thrmiqu du matériau cofficint d prméabilité à la vapur épaissur du matériau ntr i t tmpératur intériur tmpératur xtériur prssion partill intériur d vapur prssion partill xtériur d vapur débit d vapur saturant La prméabilité π du matériau st la quantité d vapur qui travrs n un unité d tmps, un épaissur d l m d matériau, pour un différnc d prssion partill d l Pa (dans l systèm légal d'unités). fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 7/14

Ell s'apparnt à la conductivité thrmiqu λ. Qulqus valurs d prméabilité (RT2000) matériau π (kg.s -1.Pa -1 ) vrr, métal, 0 Air au rpos (lam d air) 210.10-12 Béton plin silicux ou calcair sc 1,6.10-12 trr cuit sèch 13.10-12 Plâtr, plaqus t carraux 21.10-12 béton cllulair sc -ρ = 400 à 800 kg.m -3 21.10-12 lain minéral 210.10-12 polystyrèn xpansé 3,5.10-12 polystyrèn xtrudé 1,4.10-12 polyuréthan 3,5.10-12 mouss phénoliqu (ρ = 30 à 100 kg.m -3 ) 4,2.10-12 On définit égalmnt la prméanc d la paroi par : π La résistanc à la diffusion d vapur : π (qui s'apparnt à la résistanc thrmiqu R t) Ls cofficints λ t π sront considérés constants dans ls matériaux non hygroscopiqus, sront variabls pour ls matériaux hygroscopiqus. Ls dux transfrts (thrmiqu t d vapur) sont couplés, la prssion d vapur saturant p s étant fonction d la tmpératur, la prssion d vapur p v étant fonction d l'humidité rlativ : ψ = L' étud du risqu d condnsation s fait n comparant n tout point à l 'intériur d la paroi la prssion d vapur saturant à la prssion partill d vapur calculé par la loi d Fick. L profil ds prssions d vapur s'ffctu à partir d la loi d Fick comm l profil ds tmpératurs à partir d la loi d Fourir. p p v v, sat Si p v (calculé) > p v,sat alors il y a risqu d condnsation Tracé du diagramm d Glasr. Entré d donnés T i, T,ψ i, ψ, λ, π, Profil d -tmpératurs dans la paroi Profil d la prssion d vapur saturant dans la paroi Profil ds prssions partills d vapur dans la paroi à l'aid d la loi d Fick Tracé du diagramm d Glasr pour évaluation du risqu d condnsation fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 8/14

Diagramm d Glazr profil tmpératur prssion partill vapur saturant prssion partill vapur ffctiv condnsation dans la mass intériur xtériur Rmarqus ; paroi 3 couchs La réalité st différnt d c qui vint d'êtr xposé. Tout d'abord, nous avons supposé l régim prmannt, c qui n s'établit prsqu jamais. Néanmoins l régim prmannt pénalis par rapport au régim transitoir. En fft ls matériaux porux, (x: plâtr, briqu...) absorbnt un crtain quantité d'humidité, provisoirmnt, l tmps qu ls conditions climatiqus changnt. C'st à dir qu plâtrs t briqus jount un rôl d tampon qui st à rapprochr du rôl d'absorption d la chalur joué par ls parois d fort inrti. fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 9/14

6 ETUDE DE QUELQUES PAROIS Cas ds isolants très prméabls (isolation par l'intériur) C st l cas ds lains minérals (lains d vrr, d roch) sans parvapur. On voit sur l schéma qu il xist un zon dans la paroi où la prssion partill d vapur st supériur à la prssion partill d vapur saturant ; dans ctt zon, on obsrv d la condnsation p s v : prssion d vapur saturant p v : prssion d vapur T : profil d tmpératur Zon d condnsation Cas ds isolants non prméabls (isolation par l'intériur) C'st l cas d : - crtains polystyrèns - vrr cllulair - crtains mousss d plyuréthann p s v : prssion d vapur saturant p v : prssion d vapur T : profil d tmpératur pas d zon d condnsation fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 10/14

Cas d l'isolant avc par-vapur. L' isolant st ou n'st pas prméabl à la vapur, cla n a aucun importanc n c qui concrn l transfrt d vapur. L par vapur st un couch minc imprméabl au passag d la vapur, cla put êtr : - Kraft bitumé - Film d polyéthylèn = 0,3 mm π/ = 0,0028.10-9 kg.m -2.Pa -1.s -1. - Pintur vinyliqu π/ = 0,3. 10-9 kg.m -2.Pa -1.s -1. - Film aluminium Attntion: - aux joints (adhésifs) - aux déchirurs - au montag à l 'nvrs (l par-vapur st placé obligatoirmnt coté intériur d l isolant). Attntion : Mêm cas, mais montag à l 'nvrs. p s v : prssion d vapur saturant p v : prssion d vapur T : profil d tmpératur zon d condnsation L par vapur doit toujours êtr monté sur la fac chaud. Attntion: Doubl par-vapur, si l'on mt dux roulaux. Si ls dux par-vapurs sont bons, il n'y a qu la moitié du potntil, ou différnc d prssion, qui chut au prmir par-vapur. L problèm st néanmoins réduit car la quantité d'au condnsé st très faibl (puisqu l flux g st très faibl). p s v : prssion d vapur saturant p v : prssion d vapur T : profil d tmpératur zon d condnsation fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 11/14

Vntilation par lam d air. Du fait qu la lam d air st n équilibr d prssion avc l ambianc xtériur, la prssion d vapur d'au dans la lam d'air st égal à cll qui règn à l'xtériur, c'st donc dans l'isolant qu'a liu la chut d prssion partill d vapur. p s v : prssion d vapur saturant p v : prssion d vapur T : profil d tmpératur lam d air Cas d l'isolation par l'xtériur. C procédé évit aussi l risqu d condnsation dans la mass. Attntion néanmoins à n pas mttr un par-vapur xtériur. La couch d protction doit êtr prméabl à la vapur t imprméabl à 1'au. p s v : prssion d vapur saturant p v : prssion d vapur T : profil d tmpératur pas d condnsation fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 12/14

7 EXEMPLE NUMÉRIQUE: CONDENSATION DANS LA MASSE. Cf. xrcics corrigés. fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 13/14

Lin http://irc.nrc-cnrc.gc.ca/catalogu/23293f.html http://www.mcobp.com/fr/5_0/5_8/5_8_3_air.asp http://irc.nrc-cnrc.gc.ca/cbd/cbd005f.html www.mc.tsmtl.ca/cours/mc733/ Documnts/chauffri.ppt : chaudièr http://www.cstb.fr/actualit/dossirs/sant/radon/pdf/bat_xistants/ann-xist.pdf : vntilation http://www.travaux.com/dossirs/humidit/humidit3.php fichir : condnsation.odt 28/09/200606 01:38:17 PM pag : 14/14