Le confort

2

Confort et Architecture

Le confort d'un bâtiment est un des aspects de son architecture. L'architecte doit en garder la maîtrise

Une sculpture peut être inconfortable, pas un bâtiment

3

Critères de confort

5

Confort thermique

Confort lié à une répartition de température et de flux de chaleur agréables.

6

Chaleur

Forme d'énergie correspondant à l'agitation aléatoire des molécules de la matière

7

Température = agitation

Basse température Haute température

8

Chaleur spécifique c

Quantité de chaleur nécessaire pour élever un kilogramme de matière de 1 degré.

12 TTcmQ

Pour beaucoup de matériaux, c 1000 J/(kg·K)Eau c= 4180 J/(kg·K)Neige c= 2000 J/(kg·K)Bois c= 2500 J/(kg·K)

9

La chaleur coule naturellement

du chaud vers le froid.

10

Modes de transfert de chaleur

Convection: transport de matière entre zones chaude et froide

Conduction: transfert de l'agitation par chocs intermoléculaires

Rayonnement:émission-absorption de rayonnement électromagnétique

Evapo-condensation: évaporation et condensation d'un fluide

11

Densité de flux de chaleur

12

Thermique du corps humain

Métabolisme = Puissance totale produite par le corps

Oxydationdes aliments

Energie + Eau + CO2

Fonctionsvitales

Activitémusculaire

+

1 met = 58 W/m2corps

Dégagementde chaleur

L’être humain est homéotherme: il cherche à maintenir constante sa température interne quelles que soient les conditions environnementales

13

Rayonnement

Convection

conduction

Evaporation

Condensation

14

Les échanges du corps humain

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36Température opérative [°C]

Flu

x de

cha

leur

[W

] .

Rayonnement ConductionConvection Evaporation

15

L’homme dispose de deux capteurspour réguler sa température interne :

Eléments de physiologie :Mécanismes régulateurs

Hypothalamus déclenche les fonctionsde rafraîchissement du corps lorsquela température interne dépasse 37°C

Les capteurs sensoriels de la peaudéclenchent les fonctions de protectioncontre le froid lorsque la températuresuperficielle descend en dessous de34°C

16

Sudation

Prélèvement de 2450J/geau

Passage du métabolismeà la valeur basale

Syncope

Vasodilatation+ fluidification du sang

Augmentation du flux sanguinvers la surface du corps

Augmentation de la températurede surface du corps

Augmentation des échangesconvectifs et radiatifs

Mécanismes régulateurs Quant il fait trop chaud:

17

Vasoconstriction+ épaississement du sang

Diminution du flux sanguinvers la surface du corps

Abaissement de la températurede surface du corps

Diminution des échangesconvectifs et radiatifs

Frisson

Augmentation du métabolismepar le déclenchement réflexed’une activité musculairecomplémentaire

Surconsommation desréserves alimentaires

Modification dumétabolisme

Mécanismes régulateurs Quant il fait trop froid:

18

Eléments de physiologieModes de transfert de chaleur du corps

Conduction: au contact de la peau, à travers les habits, avec des matériaux.

Convection: de la peau à l'air ambiant (ou l'eau), en mouvement ou non

Rayonnement: entre notre peau (ou habits) et les surfaces environnantes

Evapo-transpiration: poumons et glandes sudoripares de la peau.

19

Corps comporte deux zones : Zone interne à 37°C

Enveloppe à température variable

Eléments de physiologie

15

20

25

30

35

40

10 12 14 16 18 20 22 24Température ambiante [°C]

Tem

péra

tuer

de

peau

[°C

] .frontmainpied

20

Critères de confort

MétabolismeActivitéHabillementSanté

Propres au bâtimentPropres à l'individu

Environnement thermique

Vitesse de l'air et turbulence

Humidité de l'air

21

Confort thermique: facteurs

Facteurs principaux Activité Habillement Température opérative

Facteurs secondaires Vitesse de l'air Humidité relative

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Le confort thermique

DéfinitionsAbsence d’inconforts (FANGER)

Sensation de bien être physique et mental (European passive solar handbook)

Conditions pour lesquelles les mécanismes d’autorégulation du corps sont à un niveau minimum d’activité (GIVONI)

23

Le confort thermiquecadre réglementaire

D’après la norme EN ISO 7730, il y a situation deconfort si deux conditions sont satisfaites :

Le bilan thermique de l’individu est équilibré sans quene soit trop sollicités ses mécanismes autorégulateurs

1

Il n’existe pas d’inconforts locaux dus :

- à la sensation de courant d’air

- à l’asymétrie du rayonnement

- au gradient vertical de température

- à la température du sol

2

24

Mesure du confort: Predicted Mean Vote

-3 très froid

-2 froid

-1 frais

0 confortable

1 tiède

2 chaud

3 très chaudinsatisfait parce que trop

chaud

insatisfait parce que trop froid

sati

sfai

t

25

PMV et PPD

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

-3 -2 -1 0 1 2 3PMV

PPD

Satisfaction

26

PMV et PPD

PPD = 1 - 0.95 · exp(- 0.03353 PMV4 - 0.2179 PMV2)

(attention: l'équation du cours, page 11,

comporte une erreur !)

27

Recommandation de la norme EN ISO 7730 :

-0,5 < PMV < +0,5 PPD < 10 %

Le confort thermique1ère condition : Equilibre du bilan thermique

28

Paramètres influant le confort thermique.

29

Conduction (cond)

Respiration (resp)=

Echanges sensibleset latents

Convectionavec l’air (conv)

Transpiration

(évap)

Rayonnement avec

les parois (ray)

Bilan thermique du corps

30

Evaluation à partir de la méthode PMV-PPD de FANGER

Charge thermiquede l’individu : respévapconvrayML )(

Chaleurproduite

par lecorps

Chaleurdissipée

par lecorps

Le confort thermique1ère condition : Equilibre du bilan thermique

31

aclcclrclclDu

rs TThfTTf

AA 44 273273

Eléments de physiologie :Bilan thermique du corps

ray

conv

Flux de chaleur convectif et radiatif à l’équilibre [W/m2]

de la température ambiante Ta

des caractéristiques du vêtement (Ar, , fcl, Tcl)

s dépend :

ray conv

de la température radiante moyenne rT

de la vitesse d’air Va (hc)

32

15,5842,099.6573310.05,3 3 MPW vaévap

Flux de chaleur évaporatif à l’équilibre thermique [W/m2]

évap

De la pression partielle de vapeur d’eaudans l’air ambiant Pva (humidité ambiante)

évap dépend :

De l’activité (métabolisme)

Eléments de physiologie :Bilan thermique du corps

33

vaaresp PMTM 586710.72,1340014,0 5

Sensible Latentresp

de la pression partielle de vapeur d’eaudans l’air ambiant Pva (humidité ambiante)

de la température ambiante Ta

de l’activité (métabolisme M)

Flux de chaleur respiratoire à l’équilibre thermique [W/m2]

resp dépend :

Eléments de physiologie :Bilan thermique du corps

34

Equation de Fanger

FTm

pmwm

pwmwm

mPMV

a3070014.0

5867000017.015.5842.0

99.6573300305.0

028.0036.0exp303.0

FRwmT

vTTh

TThfTTfF

cl

acl

aclmrtcl

028.09.308

06.12;38.2max

1096.34/1

448

35

Température opérative

Moyenne entre la température de l’air a et la température radiante r :

va

TaaTT raop

25,05,0

)1(

36

jj

jSjj

r S

TS

T

Température radiante moyenne:

Température radiante moyenne Tr

Ts1Ts2

Ts3

Ts4

Ts5 Tr

jj

jj

jSjj

jSjjr

f

TTfT

)41(

4

1

37

±1°C ±1,5°C ±2,5°C±2°C

±3°C

±4°C

±5°C

0.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.2

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Clo

Act

ivité

[M

et]

.

35

60

85

110

135

160

Act

ivité

[W

/m²]

.10°C12°C

14°C16°C

20°C18°C

22°C

24°C

26°C

28°C

Température opérative optimale

38

Métabolisme et activité

39

Le métabolisme dépend de l’activité physique

Les valeurs proposées sont relativesà un homme de 70 kg de surfacede corps égale à 1,8 m2

Corrections pour d’autres individus :

- poids : +1 W/kg- femme : -20%- enfants : de -20 à -40%

Métabolisme et activité

40

Habillement

41

Domaine de validité du modèle de Fanger

métabolisme de 46 à 230 W/m² (0.8 à 4 met); habillement de 0 à 2 clo ; température de l'air de 10 à 30 °C; température radiante moyenne de 10 à 40 °C; vitesse relative de l'air inférieure à 1 m/s; pression partielle de vapeur d'eau de 0 à 2700

Pa.environnement conditionné

42

Confort: données pratiques

Administration et logement (1.1 met)

Eté (0.5 clo): 22 à 26 °C

Hiver (1 clo): 20 à 24 °C

43

GRADIENT VERT. DE TEMP.

SENSATION DE COURANT D’AIRASYMETRIE DE RAYONNEMENT

LA TEMPERATURE DU SOL

Le confort thermique2ième condition : Absence d’inconforts locaux

44

Les inconforts locauxAsymétrie du rayonnement

45

Parois froides

Parois chaudes

Vitrage

Mur extérieur mal isolé

Plafond et/ou plancher rafraîchissant

Vitrage ensoleillé

Plafond et/ou plancher chauffant

Emetteur de chaleur rayonnant(luminaires, chauffage, etc…)

Les inconforts locauxAsymétrie du rayonnement

46

Effet de l’assymétrie de rayonnement

1

10

100

0 10 20 30Assymétrie de température radiante [K]

Pou

rcen

tage

d'in

satis

faits Plafond chaud

Paroi froide

Plafond froid

Paroi chaude

47

Stratification thermique

Plancher chauffant ou rafraîchissant

Proximité bouche de soufflage d’air chaud ou froid

Les inconforts locauxGradient vertical de température

48

Gradient de température vertical

1

10

100

0 2 4 6 8 10Ecart de température tête-pieds [K]

Pou

rcen

tage

d'in

satis

faits

.

49

Température du sol

0

10

20

30

40

50

60

10 20 30 40Température du sol [K]

Pou

rcen

tage

d'in

satis

faits

.

50

Influence du rayonnement solaire

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500 600Rayonnement solaire [W/m²]

Aug

men

tatio

n de

tem

péra

ture

op

érat

ive

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Habits noirs

Habits blancs

51

Conséquences pour le bâti

Prédire le confort qui règnera dans un bâtiment de type nouveau

Concevoir des bâtiments offrant d'eux même un bon confort

Dimensionner et positionner les corps de chauffe et les systèmes de refroidissement en fonction du confort à obtenir

Tolérance accrue dans les bâtiments à ventilation naturelle

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Prédire le confort thermique

Température radiante dans une pièce avec fenêtre froide et radiateur

36°

17°

53

Exercice supplémentaire 2.1

Température opérative idéale pour une personne en tenue de travail légère faisant la cuisine ?

Température opérative idéale pour la marche en tenue de ville ?

Température opérative minimale pour le travail de bureau en tenue de ville ?

Température opérative minimale pour le travail de bureau en tenue d’été ?

54

Exercice supplémentaire 2.2

Température opérative moyenne au centre ?(pour Tair = 20 °C)

Température opérative moyenne approximative près de la paroi chaude ?(idem)

30°C

10°C

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Exercice supplémentaire 2.3

Température opérative obtenue au centre d’une pièce très grande mais pas très haute, avec de l’air à 26°C, plancher et parois à 26°C aussi, et plafond froid à 18°C ?

Asymétrie de température radiante approximative dans la même pièce et les mêmes conditions ?

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Exercice supplémentaire 2.4

Température opérative obtenue dans un jardin d’hiver où l’air est à 22°C et toutes les parois à 18°C ?

1. Lorsque les protections solaires sont déployées2. En absence de protection solaire, par temps

ensoleillé (rayonnement solaire incident 600 W/m2 sur la personne)

Quel est l’habillement idéal dans ce dernier cas ?