Aspects énergétiques et Confort thermique du...
Transcript of Aspects énergétiques et Confort thermique du...
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Prof. Dr Jean-Louis ScartezziniLaboratoire d’Energie Solaireet de Physique du Bâtiment
Aspects énergétiqueset
Confort thermiquedu Béton
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Le béton : matériau de construction par excellence
Stresa, Lago Maggiore (Italia) Epalinges, Vaud (Suisse)
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Structure de la présentation
• Introduction
• Propriétés thermo-physiques du béton
• Conduction de la chaleur et résistance thermique
• Comportement thermique dynamique
• Influence de la masse et de l’inertie thermique
• Conclusion
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Camera Video
Matériaux deconstruction
Conductibilitéthermique λ[W/mK]
Aérogel 0.02
Laine de verre 0.04
Bois 0.15
Plâtre 0.2
Brique isolante 0.5Plot de cimentcreux 0.7
Verre 0.8
Béton 1.5
Matériaux de construction – Résistance thermique
RT = d ⁄ λ [m2K/W]
d [m] : épaisseur du matériauλ [W/mK] : conductibilité thermique
U = 1⁄ RT [W/m2K]
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Aérogel (10 cm)
Laine de verre (20 cm)Bois (75cm)
Plâtre (1 m)Brique isolante (2.5m)
Verre (4m) Béton (7.5 m)
Plot de ciment creux (3.5m)
Epaisseur de matériaux conduisant à une résistance de 5 m2K/W (U = 0.2 W/m2K)
Matériaux de construction – Résistance thermique
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Stockage de chaleur – Critères de qualité
• Quantité maximale de chaleur stockable par unité de volume
• Mécanismes d’échange de chaleur favorables
• Processus réversible sur un grand nombre de cycles
• Absence de toxicité et de risques d’incendie
• Matériau abondant à faible impact environnemental
• Matériau abordable d’un point de vue économique
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
2400 kg
2200 kg
1600 kg
500 kg
7800 kg
1000 kg
1 m3
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Dépend autant de la capacitéthermique du bâtiment que du
niveau d’isolation
HC
Capacité thermiquedu bâtiment
Niveaud’isolationthermique
Inertie thermique – Facteurs d’influence
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Rapport entre la capacité thermique C [kJ/K] et le coefficient de déperditions thermiques H [W/K] du bâtiment
!
"(t) = "0 # exp (- H/C # t)
HC
Inertie thermique – Constant de temps d’un bâtiment
!
" s[ ] =C J/K[ ]H W /K[ ]
!
d"
dt= #
H
C"
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Inertie thermique – Constante de temps d’unbâtiment
Type de constructionMasse
spécifiqueMs [kg/m2]
CapacitéthermiqueC [kJ/K]
Constantede temps
τ
Construction massiveTout béton, isolation 25 cm 500 11’300 10 jours
Construction massiveTout béton, isolation 8 cm 500 11’300 8 jours
Construction massiveTout béton, isolation 8 cm
Moquette, faux-plafond300 5’300 3 jours
Construction légèreBois massif, façade vitrée 200 4’000 2 jours
Construction légèreBois mince, façade vitrée 100 2’000 24 heures
Serre horticole 35 600 8 heures
Local de bureau, surface de 20 m2, débit d’air frais de 30 m3/h.
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
30 m2 CapteursBiPV
(3 kW-p)
Systèmes anidoliques(FLJAV = 3%)
Double vitrageisolant sélectif(U = 1.1 W/m2K)
Contre-cœurmélèze
(U = 0.85W/m2K)
Bâtiment solaire expérimental LESO – Rénovation 1999
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Bâtiment expérimental LESO – Gains solaires et internes
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Bâtiment expérimental LESO – Masse thermique
Local de bureau, surface de 18 m2 (ciel serein) Idem (ciel couvert)
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Bâtiment expérimental LESO – Accumulation enplafond
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Inertie thermique – Amortissement des variations
ExtérieurIntérieur
Stockage dechaleur
Amortissementdes variations
Variationsjournalières
detempérature
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Profondeur de pénétration – Facteurs d’influence
Pour que la chaleur pénètre dans un matériau, il faut :• une grande conductibilité thermique λ [W/m·K]
Pour qu'elle pénètre vite et loin dans un matériau, il faut:
• une faible chaleur thermique massique c [kJ/kg·K]• une faible masse volumique ρ [kg/m3]
Diffusivité thermique
!
a ="
#cm2! s[ ]
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
!
"(x, t) = "0 # exp($%
a# T# x)# cos(
2%
T# t $
%
a# T# x)
= "0 # exp($x /&)# cos(2%
T# t $ x /&)
Conditions au bord :
• Q(0,t) = q0· cos(2π/T·t) - > Régime harmonique• Q(∞,t) = 0 - > Milieu semi-infini
Solution de l’équation :
!
d"
dt= a # $2" +
1
% cQ
Diffusion de la chaleur – Sollicitations harmoniques
Equation de la chaleur (Fourier, 1811) :
θ(r,t) [K] : Variation de température Q(r,t) [W/m3] : Source de chaleur
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
!
"P
=aT
#
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 1 2 3x/ !
Tem
pér
ature
rel
ativ
e .
x /δP
Profondeur de pénétration – Sollicitations harmoniques
Tem
péra
ture
norm
alis
ée
Amortissementd’un facteur égal à1/e = 0.37 pour x =
δP
Déphasagedans le temps
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Matériaux de construction – Profondeur de pénétration
0
1
2
3
4
5
0 500 1000 1500 2000 2500Masse volumique [kg/m?]
Pén
étra
tion e
n u
n a
n [
m]
.
0
5
10
15
20
25
Pén
étra
tion e
n u
n jour
[cm
] .
IsolantsBéton, pierre
Bois Eau Torchis
Neige
Masse volumique[kg/m3]
Pro
fond
eur d
e pé
nétra
tion
annu
elle
[m]
Pro
fond
eur d
e pé
nétra
tion
jour
naliè
re[c
m]
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
8
20
6
6
20
RT (STAT) RT (DYN) Amortissement
Déphasage
2.5 m2K/W 2.5 m2K/W 1.3 2.9 h
2.0 m2K/W 6.7 m2K/W 3.6 7.8 h
2.0 m2K/W 12.8 m2K/W 75.9 9.2 h
Comportement thermique - Régime stationnaire(hiver)
Régime dynamique (été)
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
!"
#$%
&'!"
#$%
&=!
"
#$%
&
1
1
2221
1211
2
2
qZZ
ZZ
q
((
Matrice de transfert thermique (couche n)
• Z11 : relation entre les variations de température sur les deux facesde l'élément (en absence de variations de q1)
• Z21 : variation du flux thermique sur la face 2 résultant d'unevariation de température sur la face 1 (en absence de variations deq1)
• Z12 : variation de température sur la face 2 résultant d'une variationdu flux thermique sur la face 1 (en absence de variation de θ1)
• Z22 : relation entre les variations de flux thermique sur les deuxfaces de l'élément (en absence de variation de θ1)
Mur multi-couches – Sollicitations harmoniques
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
23
Calcul de la matrice de transfert thermique d'un mur multi-couches(transmission de la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur) :
Z = Ze · Zn · Zn-1 · ... · Z1 · Zi
Zi : matrice de transfert de la couche limite intérieureZj : matrice de transfert de la couche n (n = 1 pour la couche
intérieure)Ze : matrice de transfert de la couche limite extérieure
!
" ext
qext
#
$ %
&
' ( =
Z11
Z12
Z21
Z22
#
$ %
&
' ( )
"int
qint
#
$ %
&
' (
Mur multi-couches – Sollicitations harmoniques
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Mur multi-couches – Capacités thermiquesdynamiques
ExtérieurIntérieur
Stockagedynamique de
chaleurimportant
Stockagedynamique de
chaleurfaible
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Conclusion
• L’inertie thermique importante du béton offre divers avantages :
- Meilleure utilisation des gains solaires (stockage de chaleur)
- Réduction de la puissance de chauffage (apport intermittent)
- Température intérieure plus stable (confort hivernal)
- Déphasage des pointes de température (confort estival)
- Possibilités de ventilation nocturne (stockage du froid)
• L’absence d’inertie thermique intérieure a pour inconvénients :
- Faible amortissement des variations de température extérieure
- Mauvaise utilisation des gains solaires (rejets de chaleur)
« Energie et Confort Thermique »Colloque Béton2010
Lausanne, le 3 Juin 2010.
Avez-vousdes
questions ?
Merci de
votre attention