Le confort
Confort et Architecture Le confort d'un bâtiment est un des aspects de son architecture. L'architecte doit en garder la maîtrise Une sculpture peut être inconfortable, pas un bâtiment 2
Critères de confort Critères thermiques: Qualité de l'air: Acoustique Visuel: Autres influences: Température de l'air Température des surfaces environnantes Perméabilité thermique Vitesse relative de l'air Humidité relative de l'air Pureté de l'air, odeurs Niveau de bruit, nuisance acoustique Temps de réverbération (durée d'écho) Éclairage naturel et artificiel Couleurs Volumes intérieur et distribution des volumes Degré d'occupation des locaux "Ambiance" 3
Confort thermique Confort lié à une répartition de température et de flux de chaleur agréables. 5
Chaleur Forme d'énergie correspondant à l'agitation aléatoire des molécules de la matière 6
Température = agitation Basse température Haute température 7
Chaleur spécifique c Quantité de chaleur nécessaire pour élever un kilogramme de matière de 1 degré. Q mc T T 2 1 Pour beaucoup de matériaux, Eau Neige Bois c 1000 J/(kg K) c= 4180 J/(kg K) c= 2000 J/(kg K) c= 2500 J/(kg K) 8
La chaleur coule naturellement du chaud vers le froid. 9
Modes de transfert de chaleur Conduction: transfert de l'agitation par chocs intermoléculaires Convection: transport de matière entre zones chaude et froide Rayonnement:émission-absorption de rayonnement électromagnétique Evapo-condensation: évaporation et condensation d'un fluide 10
Densité de flux de chaleur 11
Thermique du corps humain Oxydation des aliments Energie + Eau + CO 2 Dégagement de chaleur Fonctions vitales + Activité musculaire Métabolisme = Puissance totale produite par le corps 1 met = 58 W/m 2 corps L être humain est homéotherme: il cherche à maintenir constante sa température interne quelles que soient les conditions environnementales 12
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Flux de chaleur [W]. Les échanges du corps humain 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Rayonnement Convection Conduction Evaporation 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Température opérative [ C] 14
Eléments de physiologie : Mécanismes régulateurs L homme dispose de deux capteurs pour réguler sa température interne : Hypothalamus déclenche les fonctions de rafraîchissement du corps lorsque la température interne dépasse 37 C Les capteurs sensoriels de la peau déclenchent les fonctions de protection contre le froid lorsque la température superficielle descend en dessous de 34 C 15
Mécanismes régulateurs Quant il fait trop chaud: Vasodilatation + fluidification du sang Augmentation du flux sanguin vers la surface du corps Augmentation de la température de surface du corps Augmentation des échanges convectifs et radiatifs Sudation Prélèvement de 2450J/g eau Syncope Passage du métabolisme à la valeur basale 16
Mécanismes régulateurs Quant il fait trop froid: Vasoconstriction + épaississement du sang Diminution du flux sanguin vers la surface du corps Abaissement de la température de surface du corps Diminution des échanges convectifs et radiatifs Modification du métabolisme Frisson Augmentation du métabolisme par le déclenchement réflexe d une activité musculaire complémentaire Surconsommation des réserves alimentaires 17
Eléments de physiologie Modes de transfert de chaleur du corps Conduction: au contact de la peau, à travers les habits, avec des matériaux. Convection: de la peau à l'air ambiant (ou l'eau), en mouvement ou non Rayonnement: entre notre peau (ou habits) et les surfaces environnantes Evapo-transpiration: poumons et glandes sudoripares de la peau. 18
Températuer de peau [ C]. Eléments de physiologie Corps comporte deux zones : Zone interne à 37 C Enveloppe à température variable 40 35 30 25 20 15 front main pied 10 12 14 16 18 20 22 24 Température ambiante [ C] 19
Critères de confort Propres à l'individu Métabolisme Activité Habillement Santé Propres au bâtiment Environnement thermique Vitesse de l'air et turbulence Humidité de l'air 20
Confort thermique: facteurs Facteurs principaux Activité Habillement Température opérative Facteurs secondaires Vitesse de l'air Humidité relative 21
Le confort thermique Définitions Absence d inconforts (FANGER) Sensation de bien être physique et mental (European passive solar handbook) Conditions pour lesquelles les mécanismes d autorégulation du corps sont à un niveau minimum d activité (GIVONI) 22
Le confort thermique cadre réglementaire D après la norme EN ISO 7730, il y a situation de confort si deux conditions sont satisfaites : 1 2 Le bilan thermique de l individu est équilibré sans que ne soit trop sollicités ses mécanismes autorégulateurs Il n existe pas d inconforts locaux dus : - à la sensation de courant d air - à l asymétrie du rayonnement - au gradient vertical de température - à la température du sol 23
satisfait Mesure du confort: Predicted Mean Vote -3 très froid insatisfait parce que trop froid -2 froid -1 frais 0 confortable 1 tiède 2 chaud insatisfait parce que trop chaud 3 très chaud 24
PPD PMV et PPD 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Satisfaction -3-2 -1 0 1 2 3 PMV 25
PMV et PPD PPD = 1-0.95 exp(- 0.03353 PMV 4-0.2179 PMV 2 ) (attention: l'équation du cours, page 11, comporte une erreur!) 26
Le confort thermique 1 ère condition : Equilibre du bilan thermique Recommandation de la norme EN ISO 7730 : -0,5 < PMV < +0,5 PPD < 10 % 27
Paramètres influant le confort thermique. Température de l'air... a [ C] ou T a [K] Température radiante moyenne... mrt [ C] ou Tmrt [K] Vitesse relative de l'air...v [m/s] Pression partielle de vapeur d'eau...p [Pa] Activité métabolique du sujet...m [Watt] Son travail mécanique fourni...w [Watt] Surface de peau du sujet...a [m 2 ] Activité spécifique du sujet...m = M/A [W/m 2 ] Son travail spécifique...w = W/A [W/m 2 ] La résistance thermique des habits...r [m 2 K/W] ou l'habillement...h [Clo] = R/0.155 La fraction de la surface habillée...f 28
Bilan thermique du corps Respiration (F resp ) = Echanges sensibles et latents Rayonnement avec les parois (F ray ) Transpiration (F évap ) Convection avec l air (F conv ) Conduction (F cond ) 29
Le confort thermique 1 ère condition : Equilibre du bilan thermique Evaluation à partir de la méthode PMV-PPD de FANGER Charge thermique de l individu : L M ( F F ) F ray conv évap F resp Chaleur produite par le corps Chaleur dissipée par le corps 30
Eléments de physiologie : Bilan thermique du corps Flux de chaleur convectif et radiatif à l équilibre [W/m 2 ] F ray F s A A r Du f cl 4 4 T 273 T 273 f h T T cl r cl c cl a F ray F conv F conv F s dépend : des caractéristiques du vêtement (A r,, f cl, T cl ) de la température radiante moyenne T r de la température ambiante T a de la vitesse d air V a (h c ) 31
Eléments de physiologie : Bilan thermique du corps Flux de chaleur évaporatif à l équilibre thermique [W/m 2 ] F évap 3,05.10 3 5733 6.99W P 0,42M 58,15 va F évap dépend : De l activité (métabolisme) F évap De la pression partielle de vapeur d eau dans l air ambiant P va (humidité ambiante) 32
Eléments de physiologie : Bilan thermique du corps Flux de chaleur respiratoire à l équilibre thermique [W/m 2 ] F resp 0,0014M 5 34 T 1,72.10 M 5867 P a va F resp F resp dépend : Sensible Latent de la pression partielle de vapeur d eau dans l air ambiant P va (humidité ambiante) de la température ambiante T a de l activité (métabolisme M) 33
Equation de Fanger PMV 0.303exp m w 0.00305 0.42 0.0014m 0.036m 0.028 m w 58.15 0.000017m5867 p 5733 6.99 m 307 Ta F w p F 3.9610 h max 2.38 T cl 308.9 8 f T 4 4 T T f ht T cl cl 0.028 T a mrt 1/ 4 ;12.06 m w R F cl v a 34
Température opérative Moyenne entre la température de l air T a et la température radiante T r : T op at a (1 a) T r a 0,5 0,25v 35
Température radiante moyenne T r Température radiante moyenne: T ( r j f j j f j 1 T Sj 1 4 j j j T j Sj 4 ) T r j j S j S T j Sj T s3 T s1 T s2 T s5 T r T s4 36
Activité [Met]. Activité [W/m²]. Température opérative optimale 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 28 C 26 C 24 C 22 C 20 C 18 C 16 C 10 C 12 C 14 C ±5 C ±4 C ±3 C ±1 C ±1,5 C ±2 C ±2,5 C 160 135 110 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Clo 85 60 35 37
Métabolisme et activité 38
Métabolisme et activité Le métabolisme dépend de l activité physique Les valeurs proposées sont relatives à un homme de 70 kg de surface de corps égale à 1,8 m 2 Corrections pour d autres individus : - poids : +1 W/kg - femme : -20% - enfants : de -20 à -40% 39
Habillement 40
Domaine de validité du modèle de Fanger métabolisme de 46 à 230 W/m² (0.8 à 4 met); habillement de 0 à 2 clo ; température de l'air de 10 à 30 C; température radiante moyenne de 10 à 40 C; vitesse relative de l'air inférieure à 1 m/s; pression partielle de vapeur d'eau de 0 à 2700 Pa. environnement conditionné 41
Confort: données pratiques Administration et logement (1.1 met) Hiver (1 clo): 20 à 24 C Eté (0.5 clo): 22 à 26 C 42
Le confort thermique 2 ième condition : Absence d inconforts locaux GRADIENT VERT. DE TEMP. LA TEMPERATURE DU SOL ASYMETRIE DE RAYONNEMENT SENSATION DE COURANT D AIR 43
Les inconforts locaux Asymétrie du rayonnement 44
Les inconforts locaux Asymétrie du rayonnement Parois froides Vitrage Mur extérieur mal isolé Plafond et/ou plancher rafraîchissant Parois chaudes Vitrage ensoleillé Plafond et/ou plancher chauffant Emetteur de chaleur rayonnant (luminaires, chauffage, etc ) 45
Pourcentage d'insatisfaits Effet de l assymétrie de rayonnement 100 Plafond chaud Paroi froide 10 Plafond froid Paroi chaude 1 0 10 20 30 Assymétrie de température radiante [K] 46
Les inconforts locaux Gradient vertical de température Stratification thermique Plancher chauffant ou rafraîchissant Proximité bouche de soufflage d air chaud ou froid 47
Pourcentage d'insatisfaits Gradient de température vertical 100 10 1 0 2 4 6 8 10 Ecart de température tête-pieds [K] 48
Pourcentage d'insatisfaits Température du sol 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Température du sol [K] 49
Augmentation de température opérative Influence du rayonnement solaire 12 10 8 6 4 2 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Habits noirs Habits blancs 0 100 200 300 400 500 600 Rayonnement solaire [W/m²] 50
Conséquences pour le bâti Prédire le confort qui règnera dans un bâtiment de type nouveau Concevoir des bâtiments offrant d'eux même un bon confort Dimensionner et positionner les corps de chauffe et les systèmes de refroidissement en fonction du confort à obtenir Tolérance accrue dans les bâtiments à ventilation naturelle 51
Prédire le confort thermique 17 36 Température radiante dans une pièce avec fenêtre froide et radiateur 52