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CLIMATISATION ENF106 Notions de confort thermique Marc CLAUSSE Jocelyn BONJOUR

CLIMATISATION ENF106 Notions de confort thermique Marc CLAUSSE Jocelyn BONJOUR 2009 1 BASES PHYSIOLOGIQUES L'homme a toujours tenté de créer un environnement thermiquement confortable, comme en attestent les traditions de constructions dans le monde. Aujourd'hui, créer un environnement thermiquement confortable est toujours un point crucial lors de la conception de bâtiments. Cependant, la notion de confort thermique est difficile à expliquer car elle dépend de nombreux paramètres physiques de l'environnement, mais aussi propres à la physiologie et à la psychologie de chaque individu. Ainsi, ni la simple température de l'air ni même la combinaison de cette température et de l'humidité relative ne peuvent définir le confort thermique pour l'ensemble d'une population. De même, les conditions extérieures peuvent avoir une influence sur la sensation de confort thermique. Par exemple, une température intérieure de 19°C semble confortable en hiver, mais apparaît souvent fraîche voire froide en été, si la température extérieure dépasse 35 °C. De plus, il a été montré que le même environnement thermique sera évalué de manière très variable selon la qualité d'autres facteurs tels le niveau de bruit, la qualité de la lumière, les odeurs… 1.1 Un paramètre primordial : la température du corps humain L'homme possède un système de régulation de sa température très efficace, qui garantit que la température centrale du corps est maintenue approximativement à 37°C. Quand la température du corps augmente, deux phénomènes correcteurs se produisent : d'abord les vaisseaux sanguins se dilatent, ce qui permet d'augmenter le débit de sang (meilleur coefficient d'échange par convection). De plus apparaît le phénomène de transpiration qui est un mode de refroidissement efficace car l'énergie nécessaire à l'évaporation de la sueur est prise sur la peau. La chaleur latente de la sueur (proche de celle de l'eau) étant très élevée (env. 2500 kJ/kg), on montre que l'augmentation de seulement quelques 1/10 de °C de la température du corps, qui suffit pour stimuler la production de sueur, permet de quadrupler les pertes thermiques du corps vers l'ambiance. Au contraire, si le corps refroidit trop, on assiste tout d'abord à la vasoconstriction des vaisseaux sanguins, ce qui réduit le débit de sang et donc l'échange thermique. La deuxième réaction vise à augmenter la production interne de chaleur en stimulant les muscles (frissons, tremblements, …). Le "système de commande" régulant la température de corps reste complexe et n'est pas encore entièrement compris. On a cependant identifié l'importance de l'hypothalamus, qui réagit aux températures centrales du corps supérieures à 37°C. Divers "capteurs" située dans la peau réagissent quant à eux lorsque la température superficielle de la peau devient inférieure à 34 °C. Si les "capteurs" pour le chaud et le froid enregistrent en même temps des signaux, le cerveau peut supprimer l'une ou les deux réactions de défense du corps, selon les conditions. 1.2 Evaluation humaine du confort thermique Quand la température de peau devient inférieure à 34°C, nos capteurs "froid" commencent à envoyer des impulsions au cerveau. Plus la température est faible et plus la fréquence d'envoi des impulsions est élevée. Le nombre d'impulsions est également fonction de la vitesse de la chute en température, une baisse rapide de la température ayant comme conséquence une fréquence d'impulsions élevée. 2 Le capteur situé dans l'hypothalamus envoie lui aussi des impulsions, quand la température excède 37°C. C'est la combinaison de ces signaux qui forment la base de notre évaluation de l'environnement thermique. Si les signaux des deux capteurs sont de fréquence comparable, on ressent un environnement thermique "neutre". Lorsqu'un changement d'environnement se produit, la température centrale du corps variant plus lentement que la température superficielle en raison de l'inertie du corps, la réaction du corps à une baisse de la température sera bien plus rapide que celle liée à une hausse. 2 BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN Comme vu précédemment dans le paragraphe sur les bases physiologiques, l’homme produit de la chaleur par le biais de son métabolisme. D’autre part, il est également soumis à différents échanges de chaleurs avec son environnement. On peut donc définir l’homme comme un système au sens thermodynamique dont les frontières seraient représentées par la surface cutanée. La surface cutanée peut être corrélée à partir des données de poids et de taille : 725 , 0 425 , 0 d T P 2025 , 0 A = où Ad est appelée surface de DuBois, P est le poids en kg et T la taille en m. Pour un homme (1,75 m et 77 kg) et une femme (1,63 m et 63 kg) moyens en France, on obtient respectivement des valeurs de 1,92 m2 et 1,68 m2. Nous allons par la suite d écrire les différents modes d’échanges de chaleur avec l’environnement. 2.1 Echange par conduction (K) Le terme de conduction (K) est en général négligé dans le bilan thermique. En effet, soit les surfaces en contact direct sont limitées (pieds en position debout par exemple) soit les matériaux en contact avec la peau (dossier de fauteuil par exemple) se comporte comme des isolants vis-à-vis de l’ambiance. 2.2 Echange par convection (C) Ce terme prend en compte l’ensemble des échanges convectifs avec l’air ambiant. Il dépend bien entendu des vitesses d’air et de la température ambiante. Le flux échangé C en W est donné par l’équation : ( ) cl c sk a c F A T T h C − = où hc est le coefficient d’échange par convection, Ta la température d’air, sk T la température moyenne de peau (34 °C par défaut), Ac la surface cutanée exposée (prise par défaut égale à Ad, la surface totale) et Fcl le facture de prise en compte de l’effet d’isolement vestimentaire. Fcl est égal à 1 si l’isolement est nul et tend vers 0 quand l’habillement augmente. Son calcule précis sera abordé au paragraphe 2.6. 3 Le coefficient hc (en W.m-2.K-1)est donné par : m/s 1 V pour V 2 , 5 5 , 3 h a ar c ≤ + = et m/s 1 V pour V 7 , 8 h a 6 , 0 ar c > = où Va est la vitesse de l’air ambiant (pour un air calme on prend une valeur de 0,05 m/s) et Var la vitesse d’air résultante. Celle-ci est donnée par l’équation suivante : ( ) 58 M 0052 , 0 V V a ar − + = où M correspond à l’activité métabolique (W.m-2) qui sera décrite au paragraphe 2.5, la valeur de 58 représentant le métabolisme au repos. Si M est supérieure à 200 W/m2 alors il est pris égal à 200 W/m2 pour le calcul de Var. Dans des conditions d’ambiance calme, le coefficient d’échange convectif d’une personne au repos ( ) W/m 58 M 2 = sera égal à hco = 3,8 W.m-2.K-1 environ. 2.3 Echange par rayonnement (R) L’écart de température entre le corps humain et son environnement étant faible du point de vue des échanges par rayonnement, on peut utiliser la forme linéarisée de l’équation décrivant les transferts thermiques par rayonnement. Le flux échangé R en W est donné par l’équation : ( ) cl r sk r r F A T T h R − = où hr est le coefficient d’échange par rayonnement, r T la température moyenne de rayonnement du milieu environnant, Ar la surface cutanée qui rayonne. La coefficient hr (en W.m-2.K-1)est donné par : 3 sk r sk r 2 T T 4 h ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + σε = avec σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10-8 W.m-2.K-4), εsk l’émissivité cutanée (0,97), soit : 3 sk r r 200 T T 22 , 0 h ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = Pour des températures rencontrées classiquement dans le bâtiment ( C 20 Tr ° = et ) C 34 Tsk ° = on trouve . 1 -2 r K . W.m 0 , 6 h − ≈ 4 La surface Ar étant difficile à déterminer, on l’exprime par rapport à la surface totale Ad : d r A k A ⋅ = où k représente le rapport entre la surface exposée au rayonnement et la surface totale. Il vaut : 0,67 pour une personne accroupie, 0,70 pour une personne assise, 0,77 pour une personne debout. Pour une personne assise on trouvera donc un coefficient du même ordre de grandeur que celui trouvé pour l’échange convectif. 1 -2 r K . W.m 2 , 4 h − ≈ La température moyenne de rayonnement est déduite des mesures de températures de globe, noir Tg (norme ISO 7726 qui définit les appareils de mesure d’ambiance thermique), de la température d’air et de la vitesse d’air. ( ) [ ] 4 1 a g 6 , 0 a 8 4 g r T T V 10 . 5 , 2 T T − ⋅ + = Le thermomètre à globe noir est un thermomètre classique dont le bulbe ou la sonde est inséré dans un bouchon en caoutchouc. L’assemblage est ensuite placé au centre d’une boucle creuse en cuivre de 15 cm de diamètre recouverte uploads/Finance/ cours-confort-thermique.pdf