La notion de flux thermique La convection

M21C : Confort thermique et énergétique - Cours n°3
La notion de flux thermique
La conductance
La résistance
La convection
Principe physique
L'effet thermosiphon
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Architectes > Lacaton & Vassal > Maison à Coutras
Photo Revue Verb architecture boogazine > octobre 2001
La notion de flux thermique
L'isolation : principe valable autant pour la stratégie du froid que pour celle du chaud
L'isolation empêche la chaleur de partir… ou de rentrer !
Les déperditions :
• Surfaciques (parois)
• Linéiques (ponts thermiques) [cf. Schéma]
• Par renouvellement d'air (infiltrations)
Flux :
Passage d'un certain nombre de "choses" pendant un temps donné
d'un endroit à un autre endroit.
Flux de chaleur :
La quantité de chaleur passant au travers de 1 m2 de paroi pendant 1 seconde
Noté ϕ - l'unité c'est le Watt / m2 (on parle de densité de flux)
Noté Φ - Quand il s'agit d'une surface S, l'unité est le Watt
[cf. Schéma]
Rappel :
La quantité de chaleur Q en Joule
Rapport Quantité / Puissance > P = Q / t en W / s ( idem W . s-1 )
La conductance / La résistance : définitions
La conductance exprime la capacité de conduire un flux Φ ou une densité de flux ϕ
La résistance exprime la capacité de résister au flux Φ ou à une densité de flux ϕ
La conductance :
• Pour un ensemble donné
• Pour 1 m2 donné
u ( anciennement k )
U ( anciennement K )
W / °C
W / m2.°C
idem
idem
W / °K
W / m2.°K
r
R
°C / W
°C. m2 / W
idem
idem
°K / W
°K.m2 / W
La résistance :
• Pour un ensemble donné
• Pour 1 m2 donné
Attention, il arrive souvent que l'on utilise qu'un seul signe : R et U pour désigner r et u …
La résistance est l'inverse de la conductance … et inversement !
R=1/U > U=1/R
&
r=1/u > u=1/r
Concernant la thermique, le flux est proportionnel à l'écart de température
Φ =u.
ϕ =U.
T (en Watt pour l'ensemble d'une paroi
> quantité de chaleur échangée par une paroi)
T (en Watt / m2
> quantité de chaleur échangée par une paroi de 1 m2)
La conductance / La résistance : opérations
2 cas sont à considérer. Lorsque les éléments sont en :
Parallèle : [cf. schéma]
• On additionne les conductances : Utotal
=
Un
>
u=U.S
Série : [cf. schéma]
• On additionne les résistances : Rtotal
=
Rn
>
r=R/S
Schémas in "L'isolation
écologique" de Jean-Pierre Oliva,
Ed. Terre vivante
La conductance / La résistance : application aux matériaux (I)
Évolution de la température dans un matériau homogène d'épaisseur e
(en régime thermique permanent : T entre les deux faces, avec une densité de flux ϕ)
On observe alors l'évolution de température suivante :
e
ϕ
T
T
x
dx
dT
T
Schéma repris de "Architecture
climatique" de Pierre Lavigne,
Edisud.
On observe que ϕ est :
• Proportionnel à T
• Inversement proportionnel à e ( x)
• Dépend du matériaux
On peut l'écrire sous la forme : ϕ =
T/e
est la conductivité thermique du matériau en W / m.°C
La conductance / La résistance : application aux matériaux (II)
ϕ=
T/e
On sait que :
ϕ=U.
T
Donc :
La conductance d'un ensemble solide est :
U=
La résistance d'un ensemble solide est :
R=e/
Avec
e en mètre
en W / m.°C
et
/e
en W / m2.°C
en °C. m2 / W
Le gradient de température est dT / dx.
En régime dynamique, il n'est pas constant, même si
est constant.
Application : On cherche à réaliser deux parois de même résistance thermique.
Une en béton courant ( = 1,7 W / m.°C )
l'autre avec un isolant courant ( = 0,04 W / m.°C )
Quel est l'épaisseur d'une paroi en béton pour un équivalent en terme d'isolation thermique d'une paroi
faisant 5 cm en isolant ?
> 2 m 12 d'épaisseur de béton !
La convection : Principe physique
La convection est le phénomène physique par lequel la chaleur est transmise en mettant en jeu des
déplacements de matière.
Elle s'oppose à cela à la conduction dans laquelle, il n'y a pas de déplacement de matière.
La convection ne peut pas exister entre deux solides, elle n'existe que grâce à un fluide : air, eau, etc.
Il y a deux sortes de convection : la convection libre et la convection forcée.
La convection libre (ou dite naturelle) :
C'est la forme la plus couramment observée : au contact d'un objet chaud, la température de l'air
augmente, sa masse volumique décroît. L'air chaud subit, de la part de l'air non chauffé, une poussée vers
le haut (poussée d'Archimède) qui crée un courant d'air ascendant. La masse d'air chaud emporte avec
elle une partie de la chaleur cédée par l'objet chaud.
Le processus se poursuit car de l'air froid se substitue à l'air chaud.
Le même phénomène se produit par refroidissement, mais en sens inverse (l'air froid descend) !
La convection forcée :
C'est quand une action extérieure contribue à faire circuler le fluide.
Cela peut-être un ventilateur, une pompe, un compresseur, ou simplement le vent ou la gravité…
L'écoulement correspondant se poursuit soit dans la masse même du fluide (agitation d'une pièce par un
ventilateur), soit dans des canalisations.
La convection : Application aux parois et plafonds
Lorsqu'il existe une différence de température entre un fluide (l'air pour nous) et une surface de paroi
en contact avec lui, il y a échange de chaleur (toujours de la température la plus haute, vers la
température la plus basse.
La densité de flux correspondante est égale ϕ = Uc T
ϕ
Uc est la conductance par convection pour 1 m2
Tparoi
Tair
T
ϕ
ϕ
T
T
T
T
Uc = 4,6 W / m2°C
Uc = 7 W / m2°C
T
ϕ
T
Uc = 1,2 W / m2°C
Schéma repris de
"Architecture climatique"
de Pierre Lavigne, Edisud.
La convection : l'effet thermosiphon (I)
Un effet thermosiphon correspond au fait qu'un fluide (air, eau, etc)
se mette en circulation de façon naturelle.
(il faut donc qu'il y ait un circuit)
Pour qu'un effet thermosiphon se produise (c'est-à-dire un écoulement) , il suffit que dans un circuit
présentant des différences de hauteurs, une différence de température se fasse afin de changer la
masse volumique du fluide.
Autrement dit, quand dans un circuit de fluide de la chaleur est fournie à un niveau plus bas qu'elle
est retirée, un thermosiphon a lieu. [cf. schéma]
La convection : l'effet thermosiphon (I)
Quelques applications liées à l'habitat
Schéma repris de "Architecture climatique" de Pierre Lavigne, Edisud.