Bilan thermique1

Bilan thermique
1
Le bâtiment est un tonneau percé
N iveau de
prestations
Le bâtiment est un tonneau : on maintient le confort grâce à un
flux d'énergie. A gauche, bâtiment mal isolé, à droite, bâtiment
correct.
2
Bilan thermique d'un bâtiment
Apports
d'énergie
Déperditions
par aération
Déperditions
par transmission
3
Niveau de
prestations
Gains solaires
et internes
Bilan thermique
Déperditions





Transmission thermique
Aération
Eau chaude
Chaleur stockée
Pertes techniques
Gains





Gains internes
Gains solaires passifs
Gains solaires actifs
Chaleur restituée
Apports d'énergie
onéreuse
Total des déperditions = Total des gains
4
Délimitation du système
Volume chauffé
5
Isolation thermique
Délimitation dans l’espace
Délimitation temporelle
Chauffage
Refroidissement
Année entière
6
Délimitation par utilisation
 le système de chauffage
 l'eau chaude
 la cuisson
 l'électroménager
 l'éclairage
 la climatisation
 les transports et télécommunications
 etc.
7
Délimitation par vecteur

les combustibles









8
mazout,
charbon,
gaz,
bois, etc
la chaleur à distance
l'électricité
le soleil
la chaleur humaine et animale
etc.
Soleil
Diagramme des flux d'énergie
Gains
Production
de chaleur
Ventilation
Transmission
Eau chaude
9
Utilité du bilan





10
Calcul de la consommation d'énergie
Détection des points faibles
Etude de variantes
Scénarios de rénovation
Mise à l'enquête
Bilan thermique instantané
A tout instant :
La chaleur produite dans le bâtiment est:
soit évacuée ou perdue à l'extérieur,
soit stockée momentanément dans
bâtiment.
11
le
Bilan thermique instantané
La puissance nécessaire pour le chauffage Pc est égale à la somme des
pertes (transmission et ventilation) moins les gains solaires et les gains
internes, plus la chaleur accumulée dans le bâtiment :
Pc = Pt + Pv - [Ps+ Pi]+ PA
La consommation d'énergie durant une période de temps donnée s'obtient
en principe en intégrant la puissance de chauffage sur toute la période.
Qc = 
12
>0
Pc dt
Déperditions
Ql = H (q i- qe) t
Ql
qi
qe
déperditions totales d'un bâtiment
est la température intérieure moyenne;
est la température extérieure moyenne;
t
est la durée de la période;
H
est le coefficient de déperditions du bâtiment :
13
Coefficient de déperditions
H = HT + HV
HT coefficient de
déperditions par
transmission
HV coefficient de
déperditions par
renouvellement d'air.
14
Coefficient de déperdition par transmission
HT = HD + HS + HN
HD
HN
HS
HD
transmission directe vers l'extérieur, à travers
l'enveloppe du bâtiment;
HS
déperditions par le sol;
HN
15
à travers les espaces non chauffés.
Transmission directe
H T   U i Ai   j l j    k
i
16
j
k
Déperditions par transmission
ΦT  θi  θe  U j A j
j
Pour diminuer ces pertes
 Isoler
 Réduire les surfaces
 Réduire les différences de température
17
Résistance superficielle
L'échange de chaleur entre une surface et son environnement
se fait d'une part par rayonnement vers les autres surfaces
environnantes et d'autre part par convection dans l'air.
q = (hr + hc)Dq
Dq
1
Rs 

q
hr hc
où hr et hc sont les coefficients de transfert de chaleur par
rayonnement et convection respectivement.
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Convection
Intérieur
Extérieur
 hc = 5,0 W/(m²·K)
 hc = 2,5 W/(m²·K)
 hc= 0,7 W/(m²·K)
hc = 4 + 4 v
v est la vitesse du vent près de la surface
19
Coefficients de transfert GLOBAUX
Dans les calculs de transfert de chaleur, on adopte souvent
les valeurs conventionnelles suivantes, incluant la convection
et le rayonnement, et valables quelle que soit l'orientation:
A l'intérieur
hi = 8 W/(m²·K)
Rsi = 0,13 m²K/W
A l'extérieur
he = 25 W/(m²·K) Rse = 0,04 m²K/W
20
L’inertie thermique du bâtiment
Dépend autant de sa
capacité thermique
que de son niveau
d’isolation
Capacité
thermique
Niveau
d’isolation
H
21
C
Capacités typiques [kJ/K]
Pièce de 20 m²
Type de construction
C
[kJ/K]
11'300
C/A
[kJ/m²K]
550
Dalles béton, parois brique
8500
425
Idem, sol avec moquette
7400
370
Tout en bois massif
4000
200
Tout en bois mince (20 mm)
2000
100
Lourd, tout béton
22
Constante de temps du bâtiment
Rapport entre la capacité thermique du
bâtiment et le coefficient de déperditions
C

H
23
 J 
 K
 WK 
H
C
Constantes de temps typiques
Piéce de 20 m², aération 30 m3/h
Lourd, tout béton, isolation U= 0,2 W/(m2K)
Lourd, tout béton, isolation U= 0,5 W/(m2K)
Lourd, tout béton, façade simple vitrage
Idem, sol avec moquette et faux plafond, U= 1 W/(m2K)
Tout en bois massif, façade vitrée U= 1 W/(m2K)
Tout en bois mince (20 mm) U= 1 W/(m2K)
Serre horticole
24
10 jours
8 jours
1½ jour
3 jours
2 jours
1 jour
8 heures
Déperditions par aération


Q  m c q q 1
r
V
a a i e


P  m c 1   q  q
r i e
V
a a


ma masse d'air chauffé
ca chaleur spécifique de l'air, à savoir environ 1000 J/(kg·K)
q température
r rendement de récupération de chaleur sur l'air évacué.
25
Apports de chaleur
Qg = Qi + Qs
Qg apport total de chaleur "gratuite"
Qi apports internes
Qs apports solaires
26
Apports internes appareils
Pa= Pel fe
Type de bâtiment Consommation annuelle
M J/m ²
Habitation
80-100
Commercial
80
Ecole
40
(fe tient compte du fait que les appareils ne se
trouvent pas tous dans la zone chauffée)
29
Facteur de correction
fe
0.7
0.9
0.9
Optimisation des gains solaires
Excellente isolation thermique
Grandes surfaces de captage
Protections solaires efficaces,
extérieures (et intérieures)
Bon contrôle du chauffage
Inertie thermique suffisante
30
Protections solaires efficaces:
à l’extérieur!
a
a
g
r

r

g
31
Surfaces de captage
32

Fenêtres et
portes vitrées

Sol et murs des
vérandas

Parois opaques
Gains solaires
Qs   Qsj   I sj  Asnj
j
Isj
Asnj
33
j
n
irradiance = énergie du rayonnement solaire
par mètre carré de surface de captage
d'orientation j
Aire réceptrice équivalente de type n et
d'orientation j
Modélisation des éléments
d'enveloppe transparents
Apports d'énergie solaire de la surface j:
Qsj  Asj I sj
Isj: Irradiance = énergie du rayonnement
solaire par mètre carré de surface de
captage
Asj: Aire réceptrice équivalente.
34
Aire réceptrice
équivalente
As = A Fo FF g
A aire de la surface réceptrice;
Fo facteur d'ombre sur la surface;
FF facteur de cadres;
g coefficient de transmission énergétique.
35
Rayonnement solaire sur un vitrage
Transmission
secondaire
Rayonnement
solaire incident
Angle
d'incidence
qs
Rayonnement
absorbé a q s
i
Rayonnement
réfléchi rq s
Rayonnement
global
gq
transmis
s
Rayonnement
 q s
transmis
directement
Le facteur solaire g est le rapport de la densité de flux thermique
traversant un élément de construction transparente (y compris la
transmission secondaire de chaleur) au rayonnement incident global.
Caractéristiques de vitrages
Type de vitrage
Vitrage simple VS
Vitrage simple VS, avec couche sélective IR
Double vitrage (DV) avec air sec
Double vitrage (DV) avec argon
Double fenêtre (2 SV)
DV avec couche sélective et air sec
DV avec couche sélective et argon
DV avec couche sélective et xénon
Double, double vitrage DV
Triple vitrage (TV) avec air sec
Triple vitrage (TV) avec argon
TV avec 2 couches sélectives et air sec
TV avec 2 couches sélectives et argon
TV avec 2 couches sélectives et xénon
Pavé de verre
37
Uv
5,6
4,3
2,9
2,7
2,7
1,6
1,3
0,9
1,5
2
1,9
1,1
0,9
0,4
3
gp
0,82
0,66
0,69
0,69
0,69
0,62
0,62
0,58
0,59
0,62
0,62
0,43
0,43
0,42
0,6
gg
0,84
0,69
0,75
0,75
0,75
0,67
0,67
0,63
0,53
0,7
0,7
0,5
0,5
0,48
0,65
τ
0,9
0,73
0,81
0,73
0,81
0,78
0,7
0,76
0,66
0,74
0,71
0,68
0,56
0,64
0,75
Uv: coefficient de transmission thermique pour un vitrage placé entre l'intérieur
chauffé et l'extérieur
gp: coefficient de transmission global pour le rayonnement solaire perpendiculaire au
vitrage
gg: idem, pour le rayonnement solaire global, climat européen.
Fr: facteur de réflexion.
Besoins en chauffage

Besoins: déperditions - gains utiles
Qh = Ql-·Qg

Facteur d'utilisation, , dépend :


Qg
du rapport gains/pertes
 
Ql
de l'inertie thermique du bâtiment,
caractérisé par une constante de temps
C

H
38
Facteur d'utilisation :
si  1

si  =1
1 
1 
a
a 1
a

a 1
Type de bâtiment
Bâtiments chauffés en continu (plus de 12 h/jour) tels que
logements, hôtels, hôpitaux, etc. Méthode de calcul menI suelle.
Méthode de calcul saisonnière
Bâtiments chauffés de jour seulement (moins de 12 h/jour) tels
II
que écoles, bureaux, locaux de réunion, magasins, etc.
 = rapport : gains/pertes)
39

a  a0 
0
a0
0 h
1
15
0,8
30
0,8
70
Exercices
Exercice n°1
Un bâtiment dont le coefficient de déperdition global H = 200 W/K a, pendant
le mois d’octobre, des gains solaires et internes de 5000 MJ. Sa capacité
thermique est de 100 MJ/K. Sachant que les températures moyennes
intérieures extérieures sont égales à 20°C et 10,8°C, quel est le taux
d'utilisation des gains?
Exercice n°2
Calculer la puissance nécessaire pour chauffer un débit d'air de 10 m³/h
(ρair = 1,2 kg.m-3 et cair = 1000 J.kg-1.K-1) de 0 à 20°C. Calculer l'énergie
nécessaire pour maintenir l'air intérieur à 20°C, toujours avec le même
débit, pendant la saison d'hiver (durée 7 mois).
40
FIN
41