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