Telechargé par Jeanne Tourtelier-Gallo

Confort Thermique

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CONFORT THERMIQUE
PARTIE 1
1. INTRODUCTION
2. COMPORTEMENT
PHYSIOLOGIQUE DE
L’HOMME
3. BILAN THERMIQUE SUR
L’HOMME
INTRODUCTION
Et l’occupant dans cet habitat ?
Possibilité d’ajuster son climat intérieur
mais, potentiellement, au détriment des
performances énergétiques du bâtiment
Le bâtiment doit aussi satisfaire les occupants en leur garantissant des
conditions intérieures confortables.
Problématique posée pour une multitude d’espaces intérieurs (logements,
bureaux, centres commerciaux, voiture etc…).
3
INTRODUCTION
Des conditions intérieures confortables ?
4
… l’occupant sait mieux parler des situations d’inconfort ou de confort dégradé
Inconfort : insatisfaction continue / répétitive, ne permettant pas à la nuisance
de se « faire oublier »
Confort dégradé : apparition épisodique ou locale d’un certain inconfort
Causes = hétérogénéités des conditions thermiques
INTRODUCTION
Situation d’inconfort et qualité du bâtiment
Mais aussi…
Indicateurs comparés des caractéristiques du bâtiment entre les ménages qui
déclarent avoir froid et l’ensemble des ménages français Source : INSEE, ENL 2006
L’inconfort thermique est la plupart du
temps étayé par des critères objectifs
relatifs à la mauvaise qualité du bâtiment
5
INTRODUCTION
6
Variables climatiques associées à l’habitat
Température sèche de l’air (°C)
Humidité relative de l’air (%)
Température de surface (°C)
Vitesse de l’air (m/s)
Humidification
Refroidissement
Chauffage
Déshumidification
•
•
•
•
INTRODUCTION
Manipulation du diagramme de l’air humide
Pourquoi un logement mal chauffé est-il plus humide ?
Argumentez avec l'exemple d'une pièce chauffée à 23°C au
taux d'humidité relative de 50 % dont la température
passerait à 15°C si l'on coupait le chauffage.
Verra-t-on apparaître de la condensation sur les vitres ?
7
INTRODUCTION
Température opérative1 (Norme ISO 7726:1998)
8
1 température
uniforme d’une enceinte noire isotherme dans laquelle un occupant échange la même quantité de chaleur
par rayonnement et convection que dans l’environnement réel non uniforme dans lequel il se trouve
Température perçue par l’occupant dans son environnement, fondée sur la convection
et le rayonnement
𝑇𝑜𝑝 =
ℎ𝑟𝑎𝑦 𝑇𝑚𝑟𝑝 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 𝑇𝑎
ℎ𝑟𝑎𝑦 + ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣
Tmrp est la température moyenne radiante des parois
hray et hc sont les coefficients de transmission thermique par rayonnement et par convection
INTRODUCTION
9
Température opérative simplifiée ou température ressentie
Vitesses
(m/s)
0-0,08
0,13
0,13-0,25
0,33
0,38
0,38-0,5
Réactions
Plaintes quant à la stagnation de l’air
Situation idéale
Situation agréable, à la limite pour les personnes assises en
permanence
Inconfortable, les papiers légers bougent sur les bureaux
Limite supérieure pour les personnes se déplaçant lentement
Sensation de déplacement d’air important
Impact
négligeable sur le
confort
Si 𝑉 a < 0,2 m.s-1 ou si 𝑇𝑚𝑟𝑝 - 𝑇𝑎 < 4°C
Température opérative simplifiée
ou température ressentie
𝑇𝑚𝑟𝑝 + 𝑇𝑎
𝑇𝑜𝑝 =
2
Pour Va > 0,2 m.s-1:
𝑇𝑜𝑝 = 𝑎𝑇𝑎 + 1 − 𝑎 𝑇𝑚𝑟𝑝
simplification utilisée
dans la RT2012
avec 𝑎 = 0,5 + 0,25Va
INTRODUCTION
Relation entre température opérative et confort
10
Dans une pièce "carrée" (cube à 6 faces, dont 2 vitrées) dont l'air est à 23°C grâce
à du chauffage, on relève une température de paroi de 18°C sur les parties
opaques et de 9°C sur les parties vitrées.
Une personne située au centre de la pièce sera-t-elle en situation de confort
avec un taux d'humidité de 60 % ?
Source: Éco-construction d'un bâtiment à énergie positive
INTRODUCTION
11
Evaluation de l’ambiance par ses occupants
Indicateurs utilisés conformément à la norme ISO 10551:1995: Evaluation de l’influence
des ambiances thermiques à l’aide d’échelles de jugements subjectifs
https://www.wooclap.com/QNFOIG
Indicateurs : la perception, le jugement et la préférence
Composante objective
Composante subjective
Les variables climatiques associées à l’habitat (Ta, HR, Va, Tmrp)
ne suffisent pas à caractériser le confort thermique !
Il faut prendre en compte l’occupant, son métabolisme, ses
habitudes socio-culturelles et son jugement évaluatif.
INTRODUCTION
Définition du confort thermique et méthodes d’évaluation
12
Le confort thermique est un état d’esprit qui exprime une satisfaction de son
environnement : le sujet ne peut pas dire s’il veut avoir plus chaud ou plus froid
(Norme ISO 7730:2005)
Pas de méthode de calcul du confort thermique !
Le confort se déduit :
• de l’absence exprimée d’insatisfaction
• ou de l’incapacité qu’ont les gens à s’exprimer sur leur état thermique
Comment prévoir le plus précisément possible la sensation
thermique de l’habitant dans l’habitat ?
En traduisant des facteurs physiques et physiologiques en indices/indicateurs de confort ou
jugements thermiques :
• Indices directs : température de l’air, humidité relative (slide 9) par ex
• Indices dérivés des précédents : température opérative ou température ressentie (slide 8 et 9),
•
température équivalente, draught risk par ex
Indices empiriques : PMV (vote moyen prévisible) et PPD (pourcentage prévisible d'insatisfaits),
température intérieure préférée, par ex
PARTIE 1
1. INTRODUCTION
2. COMPORTEMENT
PHYSIOLOGIQUE DE
L’HOMME
3. BILAN THERMIQUE SUR
L’HOMME
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Le métabolisme (M)
14
Métabolisme = processus par lequel la nourriture se
combine avec l’oxygène pour générer l’énergie requise
pour le fonctionnement des divers organes du corps et
la fabrication des tissus
Le métabolisme énergétique provient essentiellement de
l’oxydation du glucose.
𝑪𝟔𝑯𝟏𝟐𝑶𝟔 + 𝟔𝑶𝟐 → 𝟔𝑪𝑶𝟐 + 𝟔𝑯𝟐𝑶
La mesure de la consommation d’O2 permet d’évaluer le
métabolisme (M), exprimé en W/m2, comme suit :
M = 352 (0,23 QR + 0,77) (VO2/ADu)
avec :
• QR le quotient respiratoire (au repos QR = 0,83)
• VO2 la consommation d’O2 en litre/min dans les CNTP
• ADu l’aire de Dubois (m2) définie par :
ADu = 0,203 m0,425 H 0,725
où m représente le poids du sujet (kg) et h sa taille (m).
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Métabolisme net (Mnet)
15
La puissance thermique produite, également appelée métabolisme
net, est donnée par :
Mnet = M - W
Où W est le travail externe
Comme pour toutes les machines thermiques, le rendement
mécanique r, défini comme W / M, est faible et, au maximum, de
l’ordre de 20 à 25%.
Dans le domaine du bâtiment, on considère que W est suffisamment
faible pour être négligé, de sorte que :
Mnet ~ M
Autrement dit, on considère que la totalité du métabolisme est transformée en chaleur
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Unité de mesure du métabolisme (le MET)
16
Pour mesurer le métabolisme, on introduit le MET :
1 MET = 58,15 W/m2 de surface corporelle
1 MET correspond au métabolisme d’un individu assis au repos (métabolisme basal)
D’où ça vient ?
 Consommation d’oxygène : 0,31 L.min-1
 Exothermique : 5,57 Wh.L-1
Oxydation du glucose :
C6H12O6 + 6O2  6H2O + 6CO2 + 2860 kJ
 Surface cutanée : 1,8 m²
104 W
58 W.m-2
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
17
Paramètres influents
Le métabolisme est fonction de l’activité
(voir ISO 7730, pour un homme « standard »)
Activité
Repos, sommeil
0,7
Repos, allongé
0,8
Repos, assis
Le métabolisme basal dépend du poids,
de la taille et de l’âge du sujet. Il diminue
avec l’âge.
Métabolisme (MET)
1
Travail mental, assis
1,1
Debout, relaxé
1,2
Activité légère, debout
1,6
Activité moyenne,
debout
2
Travail d’usine léger
2 à 2,4
Travail d’usine lourd
4
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Calcul de la puissance dissipée
18
Quelle est la puissance dissipée par votre groupe d’étudiants ?
 Travail mental, assis : 1,1 MET
 Nb de personnes : 24 « Hommes standards »
 « Homme standard » : 1m75 et 74kg => 1,9 m2
Pdégagée = 2916 W
Aire de Dubois (ADu ) en fonction du poids et de la taille du sujet
ADu = 0,203 m0,425 H 0,725
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Echanges Homme - Environnement
Rayonnement
solaire (Fsol)
19
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Mécanismes de thermorégulation
20
Il existe également des mécanismes physiologiques de thermorégulation :
• physiologique (inconscient) : vasodilatation, sudation, vasoconstriction, frissons
• comportementale (conscient) : modification de la tenue vestimentaire, variation
de l’activité, action sur l’environnement intérieur
Pourquoi ? Pour maintenir un équilibre thermique entre production et perte de chaleur,
quelles que soient les variations des conditions ambiantes et sa propre production de chaleur
•
Noyau central (cerveau et viscères) qui doit être maintenu à une
température proche de 36,7°C ;
•
Enveloppe (dont les membres) qui se trouve à des températures
variables, pouvant localement varier de 20 à 40°C.
Modèle à deux nœud de Gagge
L’organisme peut contrôler ses échanges de chaleur avec le
milieu, en modifiant les conditions dans lesquelles ils se
produisent (modification de la température de surface corporelle,
de la quantité de sueur, du métabolisme…)
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
modification de la température de surface corporelle
Température
Sensation
Interne
Cutanée
moyenne
Mains
Froid (alarme)
36°C
30°C
17°C
Neutre
37°C
34°C
32°C
Chaud (alarme)
38°C
36°C
45°C
Mécanismes régulateurs :
 Quand la température augmente : sudation 2250 J/geau
 Quand la température diminue : frisson (activité musculaire)
Exemple : Sudation en activité normale : 1 L/jour
2250 𝑘𝐽
= 0,625 𝑘𝑊ℎ
3600
625 𝑊ℎ
 Puissance de refroidissement :
≈ 26 𝑊
24ℎ
 Energie consommée :
21
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Boucle d’interaction entre l’Homme et son environnement
22
C’est l’amplitude et la fréquence des mécanismes de thermorégulation qui vont
être interprétées.
(3) Rétroaction si inconfort
(1) Bilan
thermique
(4) Elévation de l’amplitude des
réactions, si échec
(2) Réactions ?
L’habitat doit être conçu pour minimiser les réactions ressenties comme désagréables !
COMPORTEMENT PHYSIOLOGIQUE DE L’HOMME
Composantes à considérer pour évaluer le confort thermique
23
Plusieurs composantes :
• Bilan thermique du corps humain
• Sensation (jugement perceptif // composante objective) : Tpeau, wpeau, réactions
physiologiques
• Interprétation (jugement évaluatif // composante subjective)
Composante psycho-socio-affective fonction des
préférences de chaque individu
Pas de méthode de calcul
du « confort thermique »
On va rechercher une sensation presque neutre
PARTIE 1
1. INTRODUCTION
2. COMPORTEMENT
PHYSIOLOGIQUE DE
L’HOMME
3. BILAN THERMIQUE SUR
L’HOMME
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Charge thermique de l’individu (S)
S=mc
𝜕𝑇𝑚𝑐
𝜕𝑡
= 𝑀𝑛𝑒𝑡 ± F 𝑒𝑐ℎ
A l’équilibre thermique et en négligeant le travail extérieur :
𝑀 ± F 𝑒𝑐ℎ ≈ 0
avec 6 flux à quantifier :
Rayonnement
solaire (Fsol)
25
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
26
Coefficient d’isolation thermique vestimentaire
Les vêtements apportent une isolation thermique. On introduit Iclo le coefficient d’isolation
thermique vestimentaire (insulation of clothing). L’unité usuelle pour exprimer cette résistance
thermique est le clo.
1 𝑐𝑙𝑜 = 0,155 𝐾. 𝑚2 . 𝑊 −1
D’où ça vient ?
 Maintien de l’équilibre thermique avec Tair = 21°C
 Température cutanée moyenne de 33,4°C
 Métabolisme au repos assis : 58 W.m-2
 Pertes respiration + sudation : 14 W.m-2
Pour conserver l’équilibre,
l’isolation doit conserver 44 W.m-2
 Coefficient de pertes convectives : 3,8 W.m-2.K-1
 Coefficient de pertes radiatives : 4,2 W.m-2.K-1
 D’où :
ΔT = 12,4 K
𝐼𝑎𝑖𝑟 =
Cela correspond à :
𝐼𝑡𝑜𝑡 =
12,4
= 0,28 𝐾. 𝑚2 . 𝑊 −1
44
= Isolation de la couche limite
d’air Iair et des habits Iclo
1
1
=
= 0,125 𝐾. 𝑚2 . 𝑊 −1
ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 + ℎ𝑟𝑎𝑦 3,8 + 4,2
𝐼𝑐𝑙𝑜 = 𝐼𝑡𝑜𝑡 − 𝐼𝑎𝑖𝑟 = 0,28 − 0,125 = 0,155 𝐾. 𝑚2 . 𝑊 −1
1 clo = isolement nécessaire au maintien de la balance
thermique de l’Homme sédentaire à 21°C en air calme
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Facteur d’habillement
27
Des valeurs de Iclo sont données dans la norme ISO 7730
pour des combinaisons de vêtements ou pour des pièces
de vêtements.
La présence de vêtement contribue à accroître la surface d’échange. On note Acl la surface
du corps vêtu et on définit le facteur d’habillement fcl :
Acl
fcl =
ADu
fcl = 1,05+0,1 Iclo
fcl = 1 + 0,2 Iclo
si Iclo > 0,5 clo
si Iclo ≤ 0,5 clo
Les vêtements limite également les échanges convectifs et radiatifs. On introduit un facteur
Fcl pour prendre en compte ces effets. Il s’exprime en fonction de l’isolation thermique
vestimentaire, comme suit :
1
Fcl =
1 + 0,155 ∗ ℎ𝑐𝑜𝑛𝑣 + ℎ𝑟𝑎𝑦 Iclo
Si l’isolement est nul alors Fcl = 1 ; s’il est grand alors Fcl -> 0
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Echanges par rayonnement infra-rouge et par convection
28
𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠 = Tpeau et 𝑓𝑐𝑙 = 1 si corps nu
𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠 = Tclo et 𝑓𝑐𝑙 > 1 si corps vêtu
F𝒓𝒂𝒚 ≈ ℎ𝑟 Fcl 𝑓𝑒𝑓𝑓 ADu 𝑇𝑚𝑟𝑝 − 𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠
Coefficient d’échanges radiatifs
𝑇𝑚𝑟𝑝 + 𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠
ℎ𝑟 = 4 𝜀𝑝𝑒𝑎𝑢 𝜎
2
𝜀𝑝𝑒𝑎𝑢 = 0,97
𝑇𝑚𝑟𝑝 la température moyenne de rayonnement
𝑗 𝑆𝑗 𝑇𝑆𝑗
𝑇𝑚𝑟𝑝 ≅
𝑗 𝑆𝑗
en 1ère approximation
3
𝜎 = 5,67 10−8
𝑓𝑒𝑓𝑓 = 0,5 𝑐𝑜𝑢𝑐ℎé ; 0,691 𝑎𝑠𝑠𝑖𝑠 ; 0,744 𝑑𝑒𝑏𝑜𝑢𝑡 (coefficient de posture)
F𝒄𝒐𝒏𝒗 = ℎ𝑐 Fcl Acl 𝑇𝑎 − 𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠
Coefficient d’échanges convectifs
Vitesse d’air résultante
ℎ𝑐 = 3,5 + 5,2𝑉𝑎𝑟 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑉𝑎 ≤ 1 𝑚. 𝑠 −1
𝑉𝑎𝑟 = 𝑉𝑎 + 0,0052 𝑀 − 58
0,6
ℎ𝑐 = 8,7 × 𝑉𝑎𝑟
𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑉𝑎 > 1 𝑚. 𝑠 −1
avec M = 200 W.m-2 max
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
29
Echanges par respiration et transpiration
𝑎𝑖𝑟
F𝒓𝒆𝒔𝒑 = 𝑎 𝑀 𝑇𝑎 − 34 + 𝑏 𝑀 𝑃𝑣𝑎𝑖𝑟 𝑇𝑎 − 𝑃𝑣,𝑠𝑎𝑡
𝑇𝑒𝑥𝑝
ADu
avec a = 0,0014 et b = 1,75.10−5
= échanges de chaleur au niveau des voies respiratoires par convection (partie sensible) et par évaporation
(partie latente), fonction de l’écart entre la pression partielle de vapeur d’eau dans l’air inspiré 𝑃𝑣𝑎𝑖𝑟 (𝑇𝑎 ) et
𝑎𝑖𝑟
dans l’air expiré, supposé saturé à Texp=34°C, (𝑃𝑣,𝑠𝑎𝑡
34°𝐶 )
𝑎𝑖𝑟
F𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔 = ℎ𝑒 𝑃𝑣,𝑠𝑎𝑡
(𝑇𝑝𝑒𝑎𝑢 ) − 𝑃𝑣𝑎𝑖𝑟 (𝑇𝑎 ) 𝜔 ADu Fpcl
Coefficient d’échanges évaporatifs
ℎ𝑒 = 𝐿𝑅 ℎ𝑐
avec LR =16,7 10-3 K.Pa-1
Facteur lié à la perméabilité des vêtements
Fpcl =
1
1 + 0,155 ℎ𝑒
𝐼𝑐𝑙𝑜
𝑖𝑚
im : indice de perméabilité (-)
w : pourcentage de surface mouillée ou mouillure cutanée (%)
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
30
Echanges par conduction thermique
Surface de contact souvent faible et/ou isolation vestimentaire importante.
Donc ce flux est souvent négligé.
𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠 = Tpeau
𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠 = Tclo
F𝒄𝒐𝒏𝒅 = ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 Acontact 𝑇𝑠,𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠 − 𝑇𝑠𝑢𝑟𝑓 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡
Rappel : Température de contact = température moyenne pondérée par les effusivités
(b) des matériaux. Un individu marchant pied nu sur un sol ressentira la température de
contact suivante :
bpeau Tpeau + bsol Tsol
𝑏𝑖 = √ l𝑖 𝜌𝑖 𝑐𝑖
Tcontact =
bpeau + bsol
en J.K-1 . m-2 . s-0,5
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Echanges par rayonnement solaire
31
Rayonnement
solaire (Fsol)
En été, le flux reçu par une personne exposée au soleil avoisine les 500 W
On considère qu’une personne, qui reste au soleil, le fait par choix si des systèmes d’occultation
lui sont proposés. Par conséquent, ce flux est très rarement pris en compte.
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Calcul de la contribution des différents flux au bilan global
32
Paramètres d’un cas en conditions standards hiver
Homme mesurant 1m70 et pesant 70 kg, en position assise et au repos, avec un niveau de
mouillure de 6%.
Tenue vestimentaire : Iclo = 1 clo ; im = 0,38
Température de surface corporelle : 33°C
Température ambiante de 21°C, humidité relative de 50% et air calme (𝑉𝑎 = 0,05 𝑚. 𝑠 −1 )
Température moyenne de rayonnement : 21°C
 Calculez les différents flux échangés avec l’environnement
 Comparez leurs contributions relatives
 Comparez le bilan obtenu avec la chaleur produite par l’organisme au repos
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Ajustement des conditions climatiques
33
L’individu ajuste son habillement à 0,38 clo et augmente son activité pour arriver à 6 met.
 Quel niveau de mouillure devrait-il atteindre pour réguler son bilan thermique par la
sudation ? Est-ce compatible avec une sensation de confort ?
 L’individu décide de réduire son activité pour arriver à 3 met. Quelle serait la vitesse de
l’air à atteindre pour demeurer dans une zone plus acceptable ?
 Comparez avec une estimation en ligne du respect de la norme EN 16798 (applicable
aux bâtiments avec ventilation naturelle) : https://comfort.cbe.berkeley.edu/EN
BILAN THERMIQUE DU CORPS HUMAIN
Température optimale en fonction de l’activité et de l’habillement
34
Exemple de valeurs
ISO 9920:2007
+ 1 pull
- 2°C
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