Plan de la séance

L5C : Environnement thermique et maîtrise énergétique
Cours n° 04 > Bases physiques (II)
Brises soleils coulissants
(Architecte Bruno Burlat)
[email protected]!
Les illustrations de ces cours ne sont utilisées qu’à des fins pédagogiques!
Plan de la séance
1. 
2. 
3. 
4. 
Quelques grandeurs physiques
La notion de flux thermique
Conductance, résistance
La conduction
5. 
6. 
7. 
La convection
Résistance (ou conductance) d’une paroi
Le rayonnement
Rappel : Les flux thermiques vont naturellement du chaud vers le froid
7. Le rayonnement
7.1. Définition
Principe :
Le rayonnement thermique se propage comme tous les rayonnements électromagnétiques,
mais les phénomènes énergétiques associés dépendent de leur domaine de fréquence.
L’ensemble des rayonnements électromagnétiques est très vaste. Il va des ondes
hertziennes jusqu’aux rayons X et aux rayons cosmiques, en passant par l’énergie solaire
et la lumière.
Image : http://www.comm.uqam.ca/~GRAM/A/illu/mul/muli44.html
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
Fernand Fragnaud, Thermique des ambiances, Polycopié, CERMA, Nantes
7. Le rayonnement
7.2. Spectre : en longueur d’onde
Image : http://osug.obs.ujf-grenoble.fr
7. Le rayonnement
7.2. Spectre : en longueur d’onde
Les rayonnements visibles et thermiques se situent entre 10-7 m et 10-3 m :
•  Les ultra-violets : entre 100 et 380 nanomètres - en grande partie absorbés par l’ozone de
la haute atmosphère. Certains sont nocifs pour les organismes vivants.
• 
Les UVA : absorbés par la couche inférieure de notre hypoderme, produisent
le bronzage.
• 
Les UVB : absorbés par la couche moyenne de la peau produisent des
liaisons aux chromosomes.
• 
Les UVC : absorbés par la couche superficielle de la peau, détruisent les
cellules.
•  Les rayonnements visibles : séparables en « couleurs » du violet au rouge, en fonction
de la sensation perçue par notre œil.
•  Les infra-rouges : Porteurs essentiels de l’énergie thermique.
La puissance produite (et l’intervalle de longueur d’onde) par un corps, un liquide ou un
gaz, dépend de la température du corps.
7. Le rayonnement
7.2. Spectre : en longueur d’onde
Tout corps émet un rayonnement, mais celui-ci peut être composés de
différentes proportions de longueurs d’ondes.
Le soleil (environ 6 000 °K) émet une grande proportion de visible.
Les murs de maisons, notre peau, les vêtements émettent aux températures
courantes (environ 300 °K).
Ce sont des émetteurs seulement d’Infra-Rouge (IR), alors qu’ils peuvent être
des récepteurs :
•  De rayonnements solaires : UV, visible et IR proche.
•  De rayonnement de l’éclairage
•  De rayonnement IR par l’entourage (objets, personnes…)
7. Le rayonnement
7.3. Comportement d’un corps récepteur
Principes : tout corps récepteur reçoit un rayonnement de flux incident qui se
décompose :
• 
En un flux réfléchi
(réflexion sur la surface S)
• 
En un flux transmis
(transmission à travers l’épaisseur e)
• 
En un flux absorbé
(absorption dans l’épaisseur e)
7. Le rayonnement
7.3. Comportement d’un corps récepteur
On définit alors trois rapports (sans dimension) :
Le facteur d’absorption ou absorptivité ou absorbance :
! = "a / "i
Le facteur de réflexion ou réflectivité ou réflectance :
# = "r / "i
Le facteur de transmission ou transmittivité ou transmittance :
$ = "t / "i
Comme
"i = "r + "a + "t
On peut donc définir pour un corps un !,
ensemble de longueurs d’ondes.
On a donc :
# et $
!+#+$=1
pour chaque longueur d’onde ou pour un
7. Le rayonnement
7.3. Comportement d’un corps récepteur
Par exemple, pour un verre de 3 mm recevant le rayonnement solaire, toute longueurs d’ondes
confondues, (donc du point de vue de l’énergie) on a :
! = 0,06
# = 0,07
$ = 0,87
Si on regarde le verre du point de vue de la lumière (en ne considérant que le rayonnement
visible), on a :
! = 0,01
# = 0,08
$ = 0,91
Si $ est important, le corps est transparent
Si $
= 0 le corps est opaque
Si ! est important, le corps est absorbant
Si # est important, le corps est réfléchissant
On définit un corps noir (théorique, absorbe totalement le rayonnement incident) quand !
=1
7. Le rayonnement
7.4. Comportement d’un corps émetteur
Chaque point P d’une surface émet un rayonnement
Dans dans un angle solide.
Le corps émet une densité de flux (W / m2) que l’on nomme émittance énergétique H
Première loi de Kirchhof :
L’émittance énergétique totale ou monochromatique d’un corps noir (H0) ne dépend
que de la température absolue T de ce dernier.
Seconde loi de Kirchhof :
L’émittance énergétique totale d’un corps quelconque dépend du facteur d’émission
% sans dimension) totale ou monochromatique (%& ) du corps :
H = %.H (W / m )
H& = %&.H & (W / m )
ou émissivité (
0
2
0
2
Il a été démontré (et c’est étonnant !) que l’émissivité d’un corps est égale à son
absorptivité
%=!
et donc que
%& = !&
7. Le rayonnement
7.4. Comportement d’un corps émetteur
Loi de Stefan-Boltmann :
Elle définit l’émittance totale d’un corps quelconque :
H=
%.'.T
4
(W / m2)
avec la constante de Stefan ' = 5,67.10-8 [ W/m2(°K)4 ]
L’émissivité d’un corps est mesurable, ainsi que sa température.
Par exemple, l’émissivité du béton aux températures courantes ( environ 300 °K ) est
% = 0,9
En conséquence à 20°C : 273 + 20 = 293°K
L’émittance énergétique du béton est
H = 0,9 x 5,67.10-8 x 2934 = 376 W / m2
Cette valeur est importante… On devrait être chauffé naturellement alors par la présence
de matériaux ! Mais c’est oublier que notre corps émet aussi et que seul le bilan de ce
qui est reçu et perdu compte pour notre confort…
7. Le rayonnement
7.5. Echanges par rayonnement entre deux corps à des T°C courantes
Simplification pour l’architecture aux échanges entre
deux corps, l’un de taille relativement faible étant
contenu dans l’autre de surface d’émissivité
interne élevée.
On peut simplifier les échanges de chaleurs en densité
de flux [ W / m2 ] pour des corps ayant des T°C proches :
(r = Kr . )T
[ W / m2 ] = [ W / m2 . °C ] [ °C ]
Kr étant la conductance par rayonnement égale à :
• Pour deux plans parallèles :
Kr = 4 ' (T13 / ( 1/ %1 + 1/ %2 -1 ))
• Pour un corps contenu dans un autre absorbant :
Kr = 4 ' %1 T13
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
T1 en [°K]
7. Le rayonnement
7.6. Rayonnement solaire
et rayonnement aux
températures courantes
Emittances spectrales
du soleil et des
matériaux aux
températures courantes
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.6. Rayonnement solaire et rayonnement aux températures courantes
Emittances spectrales du soleil et des matériaux aux températures courantes
permet de distinguer deux cas :
•  Le rayonnement solaire (RS) de courtes longueurs d’onde (1% UV, 53% visible, 46% IR
proche)
•  Le rayonnement infrarouge (RIR) de grandes longueurs d’onde émis par les corps aux
températures courantes.
Pour les échanges qui intéressent l’architecture (RS lors des périodes ensoleillées, RIR de
l’environnement) :
•  !RS
(%RX n’ayant pas d’intérêt pour nous)
•  !RIR = %RIR
(! = % étant toujours vrai)
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.6. Rayonnement solaire et rayonnement aux températures courantes
Les corps ont en général un comportement différent aux deux types de rayonnement (RS et RIR).
Ils sont dits sélectifs.
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.7. Propriétés radiatives
des matériaux
Point C : corps noir
Point A : anti-corps noir
Point B : corps sélectif froid
Point D : corps sélectif chaud
Pour les matériaux opaques :
! : Le facteur d’absorption
# = 1 - ! : Le facteur de réflexion
$ = 0 : Le facteur de transmission
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.7. Propriétés radiatives des matériaux (surface)
Pour en savoir plus :
7. Le rayonnement
7.7. Propriétés
radiatives
des matériaux
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.8. Cas des corps transparents : l’effet de serre
Si on observe la transmitivité de
certains matériaux dit transparents,
on voit que ces matériaux sont :
-  transparents pour les faibles
longueurs d’onde (RS)
-  quasiment opaque pour les grandes
longueurs d’onde (RIR)
Donc :
!RIR = %RIR grand
$RIR très faible
!RS grand
$RS grand
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.8. Cas des corps transparents : l’effet de serre
Cette propriété est à l’origine de ce que l’on appelle l’effet de serre.
Pour en savoir plus :
Pierre Lavigne, Architecture climatique, Tome 1, Edisud, 1994
7. Le rayonnement
7.8. Cas des corps transparents : l’effet de serre
Application, les murs trombes,les panneaux solaires, les serres, mais tout simplement aussi les
grandes ouvertures au sud l’hiver pour une maison.
Pour en savoir plus sur l’effet de serre et les changements climatiques :
Gérard Lambert, La terre chauffe-t-elle ?, Edition EDP Sciences, Les Ulis, 2001