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Mémento technique du bâtiment les outils CETE de Lyon pour le chargé d’opératio

Mémento technique du bâtiment les outils CETE de Lyon pour le chargé d’opération de constructions publiques Confort thermique Certu MEMENTO TECHNIQUE DU BATIMENT pour le chargé d’opération de constructions publiques. LE CONFORT THERMIQUE Juillet 2003 Ministère de l'Équipement, des Transports, du Logement, du Tourisme et de la Mer. Centre d’études sur les réseaux, les transports, l’urbanisme et les constructions publiques. Certu SOMMAIRE I- LES ENJEUX ……………………………………………………………….….…………..5 II- LES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES EN JEU..…………………………....…………..5 III- LES PHÉNOMÈNES PHYSIOLOGIQUES EN JEU………………...…….………..9 IV- NOTIONS ÉLÉMENTAIRES APPLIQUÉES AU BÂTIMENT………….…………13 V- POINTS DE VIGILANCE…………………………………………………….…………15 VI- LA RÉGLEMENTATION ……………………………………………………….……..17 VII- GLOSSAIRE…………………………………………………………………………...18 VIII- BIBLIOGRAPHIE…………………………………………………………………….19 Mémentos techniques du bâtiment Certu - Juillet 2002 Thermique 5 I - LES ENJEUX Ils s’expriment principalement à travers : - le confort des occupants en toute saison, c’est-à-dire une ambiance adaptée aux usages prévues dans le bâtiment et permettant de satisfaire le confort d’hiver comme d’été - l’hygiène et la santé des occupants (par rapport aux besoins en oxygène, à l’éli- mination des odeurs, fumées et gaz nocifs divers) - la pérennité du bâtiment et des équipements (par rapport aux problèmes de condensation, de mise hors gel, ...) - l’économie liée aux consommations énergétiques (le poste «chauffage» repré- sente en moyenne 44 % dans les bâtiments autres que d’habitation) - la préservation de l’environnement, par rapport à l’utilisation de ressources non renouvelables et aux émissions de polluants dans l’atmosphère. D’autres enjeux peuvent encore être considérés en fonction de l’usage des bâti- ments ; le confort pourra par exemple être relié à la notion de productivité dans le secteur tertiaire. II - LES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES EN JEU Les échanges de chaleur entre le bâtiment et son environnement (comme pour le corps humain avec l’environnement) s’effectuent suivant trois modes : - le rayonnement : trans- fert d’un corps à un autre par ondes électromagné- tiques, donc sans contact direct. - la convection : transfert entre l’air et la matière so- lide résultant du déplace- ment des particules (de l’air) au niveau de l’interface. - la conduction : la cha- leur se propage à l’intérieur de la matière (un même corps solide ou un même fluide liquide ou gazeux), de particule à particule. Certu - Juillet 2002 Mémentos techniques du bâtiment 6 Thermique pour λ = 1,15 W/m.K R= e/λ = 0,3/1,15=0,26 m².K/W R exprime la résistance du matériau au passage de la chaleur. Pour un mur composé de plusieurs matériaux, la résistance thermique globale est la somme des résistances des différentes épaisseurs à laquelle s’ajoute les résistances d’échanges superficielles internes et externes 1/hi et 1/he (les coefficients hi et he étant dus à la convection respectivement interne et externe, c’est-à-dire de part et d’autre de la paroi). Pour un matériau homogène, on évalue sa résistance thermique R en considérant la conductivité du matériau λ λ et son épaisseur exprimée en mètre : Quelques valeurs de λ : béton de granulats plein ~ 1,75 W/mK béton cellulaire ~ 0,16 à 0,33 W/mK brique terre-cuite ~ 1,15 W/mK pierre lourde ~ 3 W/mK bois ~ 0,12 à 0,23 W/mK acier ~ 52 W/mK alu ~ 230 W/mK R = 1/hi + 1/he + Σe/λ En référence à la réglementation (cf § 6), les déperditions d’une paroi sont caracté- risées par le coefficient de transmission surfacique U (anciennement K) qui est l’inverse de la résistance thermique U = 1 / R (W/m².K) Ordres de grandeur de U : murs et planchers : U ~ 0,3 à 0,5 W/m².K baies : U ~ 3 W/m².K Afin d’accroître la résistance thermique d’une paroi, on utilise des isolants thermi- ques dont le principe est d’emprisonner l’air dans des alvéoles les plus petites pos- sibles pour réduire les mouvements de convection et les transferts par conduction. e Mémentos techniques du bâtiment Certu - Juillet 2002 Thermique 7 Un isolant thermique de qua- lité est donc un matériau de très faible densité comportant un grand nombre de cellules les plus petites possibles. Si l’eau vient à remplacer l’air dans les pores d’un matériau, par condensation ou par remontée capillaire par exemple, elle réduit considérablement sa résistance thermi- que. Aux phénomènes de transfert de chaleur par conduction, convection et rayonne- ment participent aussi les phénomènes liés aux changements d’état de l’eau (éva- poration, condensation, sublimation). Pour appréhender les risques de condensa- tion dans les bâtiments, on utilise le diagramme psychrométrique, ou diagramme de l’air humide. Exemple d’application : Pour une teneur en eau dans l’air donnée (w), si l’air est refroidi en passant du point A (à T1°C) au point B (à T2°C), on atteint le «point de rosée» à partir duquel il y a formation de condensation, notamment sur les parois dont la température en surface est inférieure ou égale à T2. 20% 50% 100% 0 5 10 15 20 25 30 -5 0 5 10 15 20 25 30 température de l'air (°C) humidité spécifique (g eau/kg air) AIR HUMIDE + EAU AIR HUMIDE + GLACE AIR HUMIDE w A B T1 T2 enthalpie constante Sur ce graphe l’humidité spécifique, c’est-à-dire la teneur en eau (en g par kg d’air) est représentée en fonction de la température de l’air. Des lignes obliques représen- tent une enthalpie donnée (= quantité de chaleur totale contenue dans la masse), et des courbes indiquent les humidités relatives de l’air (ou degré hygrométrique). La courbe où l’humidité est de 100 % marque la limite au-delà de laquelle on est en présence d’air saturé en humidité et d’eau à l’état liquide (ou solide si T°< 0°C). Certu - Juillet 2002 Mémentos techniques du bâtiment 8 Thermique Les «points de rosée», à partir desquels apparaît de la condensation, sont ceux de la courbe où l’humi- dité relative est de 100 %. Ce diagramme permet donc de connaître la température des parois à partir de laquelle il y a formation de condensation superficielle (avec une humidité absolue donnée). Trois solutions existent alors pour éviter les condensations : augmenter la température des parois (en isolant), évacuer l’humidité de l’air intérieur par apport d’air neuf, et augmenter la température de l’air intérieur (en chauffant). Remarques : - l’air froid peut contenir beaucoup moins d’humidité qu’un air chaud avant d’être saturé. - la formation de condensation s’accompagne d’un léger dégagement de chaleur. L’inertie thermique est la capacité d’un matériau à stocker l’énergie, traduite par sa capacité thermique. Plus l’inertie est élevée et plus le matériau restitue des quanti- tés importantes de chaleur (ou de fraîcheur), en décalage par rapport aux varia- tions thermiques extérieures (le matériau mettant plus de temps à s’échauffer ou à se refroidir). En général, plus un matériau est lourd et plus il a d’inertie. L’inertie thermique est utilisée en construction pour atténuer les variations de température extérieure, et permet de limiter un refroidissement ou une surchauffe trop importante à l’intérieur. Elle n’est toutefois pas toujours adaptée aux locaux occupés et chauffés de manière intermittente. Pour bien utiliser l’inertie d’un bâtiment, il faut considérer la vitesse de réponse des matériaux pour transmettre une variation de température, traduite par la diffusivité thermique. En effet, l’inertie permet de tempérer les amplitudes journaliè- res de températures intérieures face aux variations de températures extérieures, ce qui est générateur de confort et d’économie pour les locaux chauffés en perma- nence. Quelques ordres de grandeur de diffusivité thermique : béton ~ 3.10-3 m²/h béton cellulaire ~ 1,6.10-3 m²/h pierre ~ 5 à 6.10-3 m²/h bois ~ 0,5.10-3 m²/h acier ~ 50.10-3 m²/h alu ~ 330.10-3 m²/h Béton 15cm Brique terre cuite 15cm Plâtre 15 cm Brique silico-calcaire 15 cm Bois 2,5 cm + isolant 10 cm + bois 2,5 cm 0 5 10 15 20 25 30 kW/hm².K Mémentos techniques du bâtiment Certu - Juillet 2002 Thermique 9 L’effusivité thermique caractérise la rapidité avec laquelle la température superfi- cielle d’un matériau s’élève. Plus elle est grande et plus le matériau absorbe rapide- ment les apports de chaleur (internes ou solaires) sans que la température du local s’élève notablement. Dans un climat tempéré à froid, les revêtements à effusivité faible sont plus appré- ciés (bois par exemple). C’est l’inverse dans un climat chaud, où les revêtements à effusivité forte sont pré- férés (grès, faïence, …). Quelques ordres de grandeur d’effusivité thermique : béton plein ~ 30 W.h0.5 /m².K béton cellulaire ~ 4 à 8 W.h0.5 /m².K pierre ~ 35 à 40 W.h0.5 /m².K bois ~ 6 à 10 W.h0.5 /m².K acier ~ 233 W.h0.5 /m².K alu ~ 400 W.h0.5 /m².K III . LES PHÉNOMÈNES PHYSIOLOGIQUES Pour entretenir la vie, un corps humain transforme de l’énergie. Alors que la tempé- rature du corps est maintenue constante à 37±0,8°C, celle de la peau est de l’ordre de 32 à 33°C (mais au niveau des pieds, elle peut descendre à 15 - 20° si la tempéra- ture ambiante est faible, c’est-à-dire inférieure à 15°C). La régulation physique de la température du corps s’effectue suivant différents modes : principalement par convection, rayonnement, et évaporation, et dans une moindre mesure par conduction, respiration et sécrétion. La perte de chaleur est de l’ordre de 120 W dans des conditions de température de 18-30°C, uploads/Ingenierie_Lourd/ confort-thermique-pdf.pdf