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. 18 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 rq 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