+ Bilan thermique LE CONFORT THERMIQUE « Ne pas avoir trop froid, ni trop chaud, ne pas sentir de courant d’air désagréables. » Il est plus facile de définir le confort thermique par la négative en précisant ce qui crée de l’inconfort : ambiance thermique gênante. Le confort thermique est plutôt un non-inconfort, largement inconscient. Le confort thermique est la résultante de plusieurs paramètres physiques : § température de l’air § température des parois § vitesse de l’air § taux d’humidité Bilan thermique d'un bâtiment Objectifs : maîtrise des charges énergétiques et du confort thermique - réduction des besoins de l’enveloppe du bâtiment - amélioration du confort saisonnier (hiver, été, mi-saison) - efficacité et impact des équipements (ventilation, éclairage…) Outils : logiciels § calculs thermiques : confirmer les performances vis à vis des exigences réglementaires. § simulation thermique : valider la pertinence des options de conception § simulation thermique dynamique : visualiser pour chaque zone, en fonction des besoins internes et du temps extérieur, les échanges thermiques du bâtiment Logiciel utilisé : Pléiades+Comfie, développé par Izuba Energies + Le bâtiment est un tonneau percé N i v e a u d e p r e s ta t io n s + Bilan thermique d'un bâtiment Apports d'énergie Déperditions par aération Déperditions par transmission Niveau de prestations Gains solaires et internes + Bilan thermique Déperditions n Transmission thermique n Aération n Eau chaude n n Chaleur stockée Pertes techniques Gains n Gains internes n Gains solaires passifs n Gains solaires actifs n Chaleur restituée Apports d'énergie onéreuse Total des déperditions = Total des gains + Délimitation du système Volume chauffé Isolation thermique + Délimitation temporelle Chauffage Refroidissement Année entière + Délimitation par utilisation § le système de chauffage § l'eau chaude § la cuisson § l'électroménager § l'éclairage § la climatisation § les transports et télécommunications § etc. + Délimitation par vecteur n les n n n n combustibles mazout, charbon, gaz, bois, etc n la chaleur à distance n l'électricité n le soleil n la chaleur humaine et animale n etc. Soleil + Les flux d'énergie dans le bâtiment Gains Production dechaleur Ventilation Transm ission Eauchaude + Utilité du bilan n Calcul de la consommation d'énergie n Détection des points faibles n Etude de variantes n Scénarios de rénovation n Mise à l'enquête + Bilan thermique La chaleur produite dans le bâtiment est n Soit perdue vers l'extérieur n Soit stockée dans la structure, augmentant ainsi sa température Calcul détaillé: n Résolution de l'équation de la chaleur pour la conduction n Equation de Navier Stokes pour la ventilation + Bilan thermique Déperditions n Envelloppe n Aération n Eau chaude sanitaire n n Chaleur stockée Pertes techniques Gains n Gains internes n Gains solaires passifs n Gains solaires actifs n Chaleur restituée n Apports d'énergie onéreuse Total des déperditions = Total des gains + Bilan Gain Solaire Puissance de chauffe Pc = Pt + Pv + Pw - [Ps+ Pi]+ PA Envelloppe Hd Gain Interne Hs Transmission directe Transmission sol Ventilation Hn Espaces non chauffés Eau Chaude Stock + Approximation quasi stationnaire Pc = Pt + Pv + Pw - [Ps+ Pi]+ PA Qc = Qt+ Qv +Qw-h [Qs+ Qi] + Coefficient de déperdition par transmission Pt Enveloppe Hd Hs Hn HD HN ventilation ECS Gains solaire HS Gains internes HT = HD + HS + HN Stock HD transmission directe vers l'extérieur, à travers l'enveloppe du bâtiment; HS déperditions par le sol; HN à travers les espaces non chauffés. + Déperditions par transmission Enveloppe Hd Hs Hn φT = (θ i − θ e )∑U j A j ventilation ECS Pour diminuer ces pertes Gains solaire Gains internes Stock n Isoler n Réduire les surfaces n Réduire les différences de température j + Résistance superficielle Enveloppe Hd Hs Hn ventilation q = (hr + hc)Δθ ECS Gains solaire Gains internes Stock € Δθ 1 Rs = = q hr + hc + Rayonnement Enveloppe Hd Hs Hn 4 qr = εσ (T ) ventilation 4 1 4 2 q1,2 = ε'σ (T − T ) ECS 1 ε' = 1 1 + −1 ε1 ε 2 Gains solaire Gains internes Stock € € € 3 q1,2 ≅ 4ε'σ T dT hr = 4ε'σ T 3 + Coefficients de transfert globaux Enveloppe Hd Hs Hn ventilation A l'intérieur hi = 8 W/(m²·K) Rsi = 0,13 m²K/W ECS Gains solaire Gains internes Stock A l'extérieur he = 25 W/(m²·K) Rsi = 0,04 m²K/W +Coefficient de transmission thermique Enveloppe Hd Hs Hn RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse ventilation q = U (θ i − θ e ) ECS Gains solaire Gains internes Stock Pt € 1 U= RT +Coefficient de transmission thermique Enveloppe Hd Hs Hn Pt RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse ventilation ECS e R= λ Gains solaire Gains internes Stock € (θn−θn+1)=Rnq q (θi−θe)=U =RT q +Coefficient de transmission thermique Enveloppe Hd Hs Hn RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse Pt ventilation ECS 0,13 m2K/W 0,04 m2K/W Gains solaire Gains internes Stock e3 + Transmission thermique au travers d'éléments non homogènes Enveloppe Hd Hs Hn Pt d1 ventilation d2 ECS Gains solaire Gains internes A1 A2 Stock Théories des resistances thermiques + Pont thermique Pt Enveloppe Hd Hs Hn n Discontinuité dans l'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment n Ponts thermiques géométriques ventilation ECS Gains solaire n Gains internes Stock n angles, coins Ponts thermiques matériels n balcons, fixations, cadres si isolation extérieure n dalles, murs intérieurs si isolation intérieure + Pont thermique géométrique Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock + Pont thermique matériel Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock +Pont thermique linéaire Pt +Pont thermique ponctuel Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock + Comment reconnaître un pont thermique? Enveloppe Pt Hd Hs Hn ventilation n Sur le plan ou la coupe des détails: interruption ou amincissement de la couche d'isolant n Sur un bâtiment existant: par les effets ECS Gains solaire n Gains internes n Stock n n Moisissures Condensation Zones froides ou chaudes (Thermographie) Certains types de construction + Exemple de détail Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Interruption de la couche isolante + Effets des ponts thermiques Pt n Déperditions d'énergie n Abaissement de la température superficielle intérieure n Condensations Moisissures (odeurs, allergies) n Taches, coulures n + Déperdition d'énergie Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock + Déperdition d'énergie Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock + Refroidissement intérieur Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock + Exemple de pont thermique Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Plot de ciment creux Dalle en béton armé Plaque d'isolant Laine minérale Doublage en brique + Exemple de pont thermique Enveloppe Hd Hs Hn ventilation Les lignes de flux de chaleur se concentrent vers le pont ECS Gains solaire Gains internes Stock Les isothermes s'écartent du pont Déperditions thermiques Enveloppe 140 Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Sans pont thermique 120 Déperditions [W/m] + Avec pont thermique 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 Epaisseur d'isolant [cm] 20 + Méthodes de calcul Enveloppe Hd Hs Hn n Calcul par éléments finis ventilation n Méthode simplifiée utilisant des catalogues ECS n Méthode simplifiée pour parois avec ponts thermiques répétitifs n Calcul des fenêtres et portes. Gains solaire Gains internes Stock + Transmission de chaleur Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS ∂θ Φ 2 = a∇ θ + ∂t ρc Gains solaire Gains internes En absence de source et en régime stationnaire Stock 2 ∇ θ =0 Eléments finis Pt Représentation Maillage Isothermes ©Physibel + Eléments finis à 3 dimensions Pt ©Physibel + + Méthode simplifiée Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock ⎡ ⎤ ΦT = ⎢∑U i Ai + ∑Ψ j l j + ∑ χ k ⎥ ΔT j k ⎣ i ⎦ + Isolation intérieure ou extérieure Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Hd Hs Hn ventilation ECS Stock Chaud Allonger Froid Gains internes û Chaud Gains solaire Chaud Froid Enveloppe Froid +Que faire d'un pont thermique? û Chauffer û Diviser + Ponts thermiques dans les fenêtres Enveloppe Raccord mur-cadre Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Cadre Bord des vitrages isolants + Coefficient U Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Vitrage Cadre doivent être pris en compte Bordure ' ACU C + l BU B AV UV + U= AV + AC + Types de vitrages Pt Vitrage simple Double vitrage Vitrage isolant Fenêtre double + Transferts au travers du vitrage Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Rtot = Rsi + Rv + Rse U = 1/ Rtot Pt Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS Gains solaire Gains internes Stock Flux de chaleur [W/m²] . Echange de chaleur entre deux plaques 1200 1000 800 600 400 Conduction Convection Rayonnement 200 0 0.2 0.4 1 2 4 10 20 Distance entre plaques [cm] 40 + Résistance superficielles Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS n Dépend des températures et du vent local n Valeurs conventionelles: n Intérieur: 0,13 [m² K/W] n Extérieur: 0,04 [m² K/W] Gains solaire Gains internes Stock + Coefficient U de vitrages Pt n Vitrage simple: 1 1 U= = = 5,7 [W/m2 K] 0,004 0,175 0,13 + 0,04 + 0,8 • Vitrage isolant double: 1 1 U= = = 3 [W/m2 K] 0,004 1 0,34 0,13 + 0,04 + 2 + 0,8 6 + Propriétés des cadres Pt + Enveloppe Hd Hs Hn QG HS = (θ i − θ e )Δt ventilation 20°C ECS Gains solaire Gains internes 10°C Stock Transfert de chaleur par le sol 0°C + Déperditions d'une dalle sur sol Enveloppe Hd Hs Hn ventilation ECS dm Rm Rf Gains solaire Gains internes Stock 2A B= P dt = dm + λ Rf Hs = A U0 + Espaces non chauffés Pv Enveloppe Hd Hs Hn Hne ventilation HN = Hin b ECS Gains solaire Gains internes H Stock in H ne b= H in + H ne + Aération Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock HV coefficient de déperditions par renouvellement d'air. + Mouvements d'air dans une pièce Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock + Déperditions par aération Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes ( )( Q = m c θ − θ 1 −η e r V a a i ) Stock € ma ca q hr masse d'air chauffé chaleur spécifique de l'air, à savoir environ 1000 J/(kg·K) température rendement de récupération de chaleur sur l'air évacué. + Ventilation mécanique Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Avantages n Qv ECS Gains solaire n Gains internes Stock n Contrôle du débit et du climat intérieur Utilisable en environnement pollué ou bruyant Récupération de chaleur. Inconvénients n Mal accepté n Coûteux n Occupe un grand volume n Consomme de l'énergie électrique n Parfois bruyant + 62 Ventilation naturelle Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Avantages n Bien acceptée n Coût très faible Gains solaire Gains internes Stock n Pas d’énergie pour le transport d’air Inconvénients n Récupération de chaleur difficile n Inutilisable en environnement pollué ou bruyant + Comment aérer? Enveloppe ventilation Hd Hs Hn n n Pour changer l'air après une activité polluante Pour oxygéner n Pour évacuer le gaz carbonique n Qv ECS Gains solaire Aérer fortement pendant quelques minutes: n Aérer continûment au débit convenable Gains internes n Pour évacuer la chaleur Stock n Pour évacuer les odeurs absorbées n Pour assécher les matériaux L'aération influence Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock 64 + 65 Si l'aération est trop forte Enveloppe ventilation Hd Hs Hn n Consommation d'énergie exagérée n Courants d'air, mauvais confort thermique n Condensation dans les fuites Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock + 66 Si l'aération est insuffisante Enveloppe ventilation Hd Hs Hn n Mauvaise qualité d'air, odeurs Qv n Condensation aux endroits froids n Trop haute température n Mauvaise combustion ECS Gains solaire Gains internes Stock + Moteurs de la ventilation Enveloppe ventilation Hd Hs Hn n Le vent n Les différences de densité d'air n Les ventilateurs Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock Ces trois moteurs sont souvent d'égale importance: Une pression de 4 Pa résulte aussi bien d'une différence de température de 10 K sur une hauteur de 10 m que de l'impact d'un vent de 3 m/s. + La ventilation simple flux Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock + VMC Hydroréglable Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock + VMC Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire ( )( Q = m c θ − θ 1 −η e r V a a i Gains internes Stock ηr = 0 ) Récupération de chaleur Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv Soleil + ECS Gains solaire Gains Gains internes Stock Ventilation Production de chaleur Transmission Eau chaude +Echangeurs de chaleur Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock Zone ventilée + Échangeurs Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock Rendement global de récupération + Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock Chaleur récupérée ηG = Déperditions par ventilation + Quel débit d'air? Pv Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Pour apporter de l'oxygène? Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock Pour évacuer les polluants? + Débit d’air pour une personne Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv ECS Gains solaire Gains internes Stock Air inspiré Chaleur Vapeur d'eau CO² Odeur 0 Débit requis [m³/h] 10 20 30 + Quel débit d'air? Exemple Pv Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qv Que faut-il pour aérer une personne? ECS Polluant Odeur CO2 Vapeur Chaleur Gains solaire "Débit" 1 Olf 18 l/h 72 g/h 150 W Gains internes "Concentration" 0,1 Pol1500 ppm 8 g/kg 21 °C Stock Conc. ext. Débit d'air [m³/h] 0 Pol 360 ppm 36 16 4 g/kg 15 4 °C 26 + Plus on reduit les consommations de chauffage Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Gains internes Stock + Plus l’ECS devient importante Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Gains internes Stock + ECS + Apports de chaleur Qg Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qg = Qi + Qs Qw Gains solaire Qs Gains internes Qg apport total de chaleur "gratuite" Stock Qi apports internes Qs apports solaires + Le rayonnement solaire Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock Le rayonnement solaire Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock + Le soleil en chiffres Enveloppe ventilation Hd Hs Hn n A la surface du soleil: Hv n Aux confins de l'atmosphère ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock 64 MW/m² 1367 W/m² + Optimisation des gains solaires Excellente isolation thermique Grandes surfaces de captage Protections solaires efficaces, extérieures (et intérieures) Bon contrôle du chauffage Inertie thermique suffisante Bonne orientation du batiment +Protections solaires efficaces: à l’extérieur! a r t a g r t g + Protections solaires Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock n Doit être efficace, donc extérieure n Doit être modulable: éviter les vitrages réfléchissants ou teintés et les protections fixes. En investissant 1dans un store, on évite de recevoir 1 kW en pointe. Il faut plus de 2 pour un groupe de climatisation capable d’évacuer 1 kW. + Surfaces de captage Enveloppe ventilation Hd Hs Hn n Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Fenêtres et portes vitrées n Sol et murs des vérandas Stock n Parois opaques + Captage passif du rayonnement solaire Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Direct Direct et indirect Indirect Hybride Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock + Gains solaires Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Qs = ∑ Qsj = ∑ I sj ∑ Asnj j Hv j n ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock Isj irradiance = énergie du rayonnement solaire par mètre carré de surface de captage d'orientation j Asnj Aire réceptrice équivalente de type n et d'orientation j + Modélisation des éléments d'enveloppe transparents Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Apports d'énergie solaire de la surface j: Qsj = Asj I sj Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Stock Isj: Irradiance = énergie du rayonnement solaire par mètre carré de surface de captage Asj: Aire réceptrice équivalente. + 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. + Rayonnement solaire sur un vitrage Transmission secondaire Rayonnement solaire incident Angle d'incidence qs Rayonnement absorbé αΕq s i Rayonnement réfléchi ρΕ q s Rayonnement τΕq transmis s directement Rayonnement gq global transmis s +Caractéristiques de vitrages + Gains solaires des serres His QSi Hse QSd QSi + Apports internes des personnes Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Qi Stock Ph Ph Ph = N =A 24 24 D où : N est le nombre d'habitants présents dans la zone chauffée P est la puissance dégagée par habitant h est le temps de présence par jour A est la surface brute de plancher chauffé occupée par les habitants D est la surface disponible par habitant. + Apports internes des personnes Puissance thermique dégagée par les habitants, selon SIA 380/1 Type de bâtiment Logement Occupation [m²/pers] 60 Présence [h/j] 12 Puissance [W] 70 Bureau 20 6 80 Ecole 10 4 70 Restaurant 5 3 100 + Apports internes - appareils Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Qw Gains solaire Qs Gains internes Qi Stock Pa= Pel fe Type de bâtiment Consommation annuelle MJ/m² Habitation 80-100 Commercial 80 Ecole 40 Facteur de correction fe 0.7 0.9 0.9 (fe tient compte du fait que les appareils ne se trouvent pas tous dans la zone chauffée) + Apports internes Qi = [Pih + (1-b) Piu]·t = Pi t où: Pih est la puissance moyenne des apports internes dans les espaces chauffés; Piu est la puissance moyenne des apports internes dans les espaces non chauffés; Pi est la puissance moyenne des apports internes; b est le facteur de déperditions par un espace non chauffé. +Inertie thermique Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Stockage de chaleur Hw Gains solaire Gains internes Stock Atténuation des variations Intérieur Extérieur + L’inertie thermique du bâtiment Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv Dépend autant de sa capacité thermique que de son niveau d’isolation Capacité thermique ECS Hw Gains solaire Gains internes Stock Niveau d’isolation H C + Capacité de stockage Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Pour accumuler de la chaleur, il faut •une grande chaleur spécifique c •une grande masse volumique ρ Pour que la chaleur pénètre, il faut •une grande conductibilité thermique λ Hw Gains solaire Gains internes Stock Capacité de stockage b = λ ρc Effusivité thermique b + "Vitesse" de diffusion Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Hw Gains solaire Pour que la chaleur pénètre, il faut • une grande conductibilité thermique λ Pour qu'elle pénètre vite et loin, il faut • une faible chaleur spécifique c • une faible masse volumique ρ Gains internes Stock Diffusivité thermique λ a= ρc [m² s] + Diffusivité thermique a Pa ventilation 1.60 Hd Hs Hn Hv ECS Hw Gains solaire Gains internes Stock Isolants 1.40 Diffusivité thermique [mm²/s] . Enveloppe 1.20 1.00 Béton, pierre 0.80 0.60 0.40 0.20 Neige Eau Torchis 0.00 0 500 1000 1500 Masse volumique [kg/m³] 2000 2500 Capacité de stockage et masse volumique Enveloppe ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Hw Gains solaire Gains internes Stock + Effet d’une résistance superficielle Couche limite d’air, tapisserie, moquette, etc. ventilation Hd Hs Hn Hv ECS Hw Gains solaire Gains internes Stock 1 000 Capacité thermique apparente [kJ/m²K] . Enveloppe Béton 100 Brique Epicéa 10 Isolant 1 0.01 0.1 R & Rs [m²K/W] 1 10 +Capacités typiques [kJ/K] Pa 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 do, plus faux plafond do, parois placoplâtre Tout en bois massif 5300 2400 4000 275 120 200 Tout en bois mince (20 mm) 2000 100 Lourd, tout béton + Constante de temps du bâtiment Pa Rapport entre la capacité thermique du bâtiment et le coefficient de déperditions C τ= H ⎡ J ⎤ ⎢ K ⎥ ⎢⎣ WK ⎥⎦ H C + Constantes de temps typiques Pa 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 10 jours 8 jours 1½ jour 3 jours 2 jours 1 jour 8 heures + n Besoins en chauffage Besoins: déperditions - gains utiles Qh = Ql-h·Qg n Facteur d'utilisation, h, dépend n n du rapport gains/pertes de l'inertie thermique du bâtiment, caractérisé par une constante de temps γ= Qg Ql C τ= H
