analyse de singularités thermiques de bâtiments par modélisation

Thermogram’ 2009 41
REIMS, 10 et 11 décembre 2009 Congrès National de Thermographie THERMOGRAM' 2009
ANALYSE DE SINGULARITÉS THERMIQUES DE
BÂTIMENTS PAR MODÉLISATION NUMÉRIQUE
Véronique LE SANT
Sylvain PIERRARD, Pascal RIDOUX, Jean-Baptiste HENRY
LNE – Laboratoire National de métrologie et d’Essais
Département Télédétection
29 rue Roger Hennequin
78197 Trappes Elancourt
[e-mail] 01 30 69 12 10
Résumé
Il est de plus en plus courant de détecter les singularités thermiques du bâtiment, en utilisant la
thermographie infrarouge qui offre l'avantage de fournir une image donc une représentation visuelle
du phénomène thermique.
L'objet de ce travail est d’analyser par une modélisation simple quelques singularités thermiques et
de montrer leur impact sur la répartition superficielle des températures de l’enveloppe du bâtiment
dans le but d'établir des corrélations plus fines avec les images thermiques obtenues par
thermographie infrarouge.
La première partie de cette communication sera donc consacrée à la présentation de modèles de
simulation de ponts thermiques. Cette partie consiste à décrire les hypothèses adoptées pour la
simulation, c’est à dire à préciser les principales conditions aux limites utilisées et le mode de calcul
des ponts thermiques étudiés. Dans la seconde partie, seront explicités les résultats obtenus pour un
certain nombre de ponts thermiques de liaison.

42 Thermogram’ 2009
REIMS, 10 et 11 décembre 2009 Congrès National de Thermographie THERMOGRAM' 2009
1 - INTRODUCTION
Les singularités thermiques dans le bâtiment correspondent aux endroits où l'hypothèse que le
transfert thermique a lieu uniquement dans l'épaisseur de la paroi, n'est plus acceptable. On peut
citer les raccordements de parois, les ponts thermiques en partie courante de parois, les liaisons avec
le sol. [3]
Il est de plus en plus courant de détecter les irrégularités de température de surface, engendrées
par ces singularités, en utilisant la thermographie infrarouge qui offre l'avantage de fournir une
image donc une représentation visuelle du phénomène thermique.
Le LNE utilise la thermographie infrarouge depuis une trentaine d'années comme outil d'investigation
pour des applications très différentes comme la recherche de pollutions marines, la détection de
cavités karstiques, le contrôle des d'ouvrages d'art. Dans le domaine de l'évaluation des
déperditions énergétiques, notre objectif est de mieux comprendre et interpréter les images
infrarouges en s'appuyant sur des images thermiques numériques plus "faciles" à obtenir en faisant
varier les hypothèses.
La première partie de ce travail est donc d’analyser par une modélisation simple, les singularités
thermiques, les plus usuelles dans un premier temps, et de montrer leur impact sur la répartition
superficielle des températures de l’enveloppe du bâtiment, en fonction de la géométrie du bâtiment,
de la nature des matériaux de construction employés (béton, parpaing, brique, bois, ..) et du type
d’isolation choisi (intérieure, extérieure, répartie)
Elle servira à établir des corrélations plus fines avec les images thermiques obtenues par
thermographie infrarouge.
Ce présent travail s’appuie sur un outil de calcul aux éléments finis (COMSOL).
2 - PRÉSENTATION DES MODÈLES DE SIMULATION
2.1. L’outil de calcul
Les modèles de ponts thermiques ont été simulés à l’aide du logiciel d’éléments finis COMSOL, en
régime stationnaire. Dans un premier temps, les calculs ont été réalisés en 2D afin d’analyser les
gradients thermiques provoqués par ces singularités thermiques, puis en 3D afin de visualiser leur
effet sur l’enveloppe du bâtiment.
L'ensemble des parties d'un bâtiment est soumis aux transferts thermiques, qui sont des échanges
de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'extérieur.
Les échanges thermiques se font de 3 manières.
- Par conduction à l’intérieur des parois du bâtiment : ces échanges dépendent de la conductivité
thermique λ (W/m.K) des matériaux constituants les parois et de leur épaisseur. Les valeurs
de λ utilisées pour les simulations sont issues principalement de la référence [2].
- Par convection avec l’environnement du bâtiment : ces échanges convectifs intérieurs et extérieurs
sont caractérisés par un coefficient d’échange « h » et la température ambiante intérieure du
bâtiment ou température du milieu extérieur.
Les valeurs retenues pour ces deux types d’échanges convectifs intérieur/extérieurs sont
issues de [3].

Thermogram’ 2009 43
REIMS, 10 et 11 décembre 2009 Congrès National de Thermographie THERMOGRAM' 2009
Pour les échanges convectifs intérieurs, ce coefficient dépend de la position de la paroi
(verticale ou horizontale) et de la saison (hiver/été), ce qui permet de tenir compte de la
stratification horizontale des couches d’air, dont la température croit avec la hauteur. En
revanche, les échanges convectifs extérieurs dépendent fortement du vent. Les valeurs des
coefficients d’échange intérieurs sont indiquées pour la saison d’hiver. Le coefficient
d’échange extérieur est donné pour une vitesse de vent de 2m/s.
- Par rayonnement avec l’environnement du bâtiment : ces échanges sont caractérisés par un
coefficient d’échange radiatif qui nécessite de connaître l’émissivité ε des parois et une
température d’environnement. Les températures d’environnement sont prise égales aux
températures ambiantes. A noter comme hypothèse, que les échanges radiatifs dus au soleil,
aux appareils électriques et de chauffage ne sont pas pris en compte.
Les données utilisées pour simuler les pertes thermiques engendrées par les ponts thermiques
concernent les matériaux pris en compte dans la constitution des parois, les températures ambiante
et d’environnement du bâtiment, les coefficients d’échange avec l’environnement de type convectif et
radiatif. Ces données sont présentées dans les tableaux ci-dessous. Les matériaux alvéolaires
(briques, parpaings) sont modélisés comme des matériaux homogènes.
Paramètres conductifs
Parties du bâtiment Matériaux λ
λλ
λ (W/m.K)
béton 1.75
brique 0.53
granit 2.9
Refend
Plancher
Balcon
béton cellulaire (planelle) 0.094
parpaing 1.15
polystyrène 0.04
Façade
enduit 1.5
terre 1.3 Sol
Vide sanitaire 1
Paramètres convectifs
hc(W/m².K) T(°C)
Paroi
verticale
Plancher Plafond
intérieur 5.6 1.0 6.6 19
extérieur 10 - - 4
Paramètres radiatifs
Emissivité ε
εε
ε T (°K)
intérieur 0.9 277
extérieur 0.9 292

44 Thermogram’ 2009
REIMS, 10 et 11 décembre 2009 Congrès National de Thermographie THERMOGRAM' 2009
Pour toutes les simulations décrites ci-dessous, les murs de façade considérés sont en parpaing de 20
cm d’épaisseur, recouvert d’enduit ; l’isolant est du polystyrène de 5cm d’épaisseur. L’épaisseur des
refends et planchers est de 10 cm.
2.2. Ponts thermiques étudiés
Par définition [1], [4], un pont thermique est une partie de l’enveloppe du bâtiment où la résistance
thermique, par ailleurs uniforme, est sensiblement réduite par une absence ou une dégradation locale
de l’isolation et donnent lieu à d’importantes fuites de chaleur vers l’extérieur. Les ponts thermiques
d’un bâtiment se situent aux jonctions entre parois mais sont également présents au sein des parois
elles-mêmes.
Dans cette communication nous nous intéresserons exclusivement aux ponts thermiques de liaisons
(PTL). Les ponts thermiques de liaison les plus courants dans le bâtiment se situent aux jonctions des
façades et planchers, façades et refends, façades et toitures, façades et planchers bas, ainsi qu’à
tous les percements (portes, fenêtres, loggias…). Ces ponts thermiques sont plus ou moins importants
selon la constitution des parois (isolées ou non).
Les ponts thermiques principaux sont schématisés sur la figure ci-dessous :
1 - Liaisons courantes entre parois verticales.
Il s'agit de liaisons angles mur - mur ou mur - refend.
2 - Liaisons avec un plancher intermédiaire.
Il s'agit de liaisons entre un plancher intermédiaire et un mur donnant sur l'extérieur
ou entre un plancher intermédiaire et un mur et/ou un refend donnant sur l'extérieur.
3 - Liaisons avec un plancher bas sur terre plein ou vide sanitaire.
Il s'agit de liaisons entre un plancher bas sur terre plein et un mur donnant sur
l'extérieur ou sur un local non chauffé.
4 - Liaisons avec un balcon
5 - Liaisons courantes aux encadrements
Il s'agit de liaisons entre la menuiserie des fenêtres, portes, ou porte-fenêtres avec
les murs, les refends ou les toitures de l'enveloppe.
Ces liaisons ne sont pas traitées dans le cadre de cette présente étude.
1
5
4
22
3
11
5
4
22
3
1
Figure 1 – Ponts thermiques de liaison
(PTL)

Thermogram’ 2009 45
REIMS, 10 et 11 décembre 2009 Congrès National de Thermographie THERMOGRAM' 2009
3 - RÉSULTATS
3.1. Liaisons entre parois verticales
3.1.1. Liaisons angle mur-mur
Il existe deux types d’angle mur-mur : l’angle sortant et l’angle rentrant
La liaison angle sortant correspond par exemple à la liaison entre la façade d’un bâtiment et son
pignon.
Pour la liaison angle sortant, 4 configurations ont été simulées :
(a) - murs non isolés,
(b) - murs isolés par l’intérieur
(c) - murs isolés par l’extérieur
(d) - murs avec isolation mixte (un mur isolé par l’intérieur, un mur isolé par l ‘extérieur).
De la même façon, pour la liaison angle rentrant, 2 configurations ont été simulées :
(e) - murs isolés par l’intérieur
(f) - murs isolés par l’extérieur
Les simulations ont été réalisées dans un premier temps en bi-dimensionnel (2D), sur un angle sortant
ce qui permet de visualiser les gradients de température à l’intérieur de la paroi en fonction du type
d’isolation (figure 2).
Figure 2 : représentation 2D des gradients de température interne
Le graphique ci-dessous (figure 3) représente la répartition de température superficielle de la
façade extérieure.
Figure 3 : répartition de température superficielle externe
(a) (b) (c) (d) 4
19
14
10
T°C
intérieur
extérieur
(a) (b) (c) (d) 4
19
14
10
T°C
intérieur
extérieur
(a) (b) (c) (d) 4
19
14
10
T°C
(a) (b) (c) (d) 4
19
14
10
T°C
(a) (b) (c) (d) 4
19
14
10
T°C
intérieur
extérieur
Isolation façade ∆
∆∆
∆T(°C)
a Pas d’isolation 2.5
b extérieure 0.55
c intérieure 0.64
4
5
6
7
8
-0.7 -0.2 0.3 0.8
x(m)
T(°C)
a
b
c
4
5
6
7
8
-0.7 -0.2 0.3 0.8
x(m)
T(°C)
a
b
c