Cour bilan thermique

ECOLE NATIONALE D’INGENIEURS DE MONASTIR

CLUB ENERGETIQUE ING.ENIM

PROJET BUREAU D’ETUDES ENERGETIQUES

Bilan thermique des bâtiments

Réalisé par : Khannous Aymen

2013/2014

Références bibliographiques

M. Lazreg Mohamed Salah ingénieur énergétique, bureau d’études énergétiques LMS

consulting

P.Dal Zotto, J.-M. Larre, A. Merlet, L. Picau, MEMOTECH génie énergétique «

collection A.Capliez » octobre 1996.

CARRIER, manuel de CARRIER tome 1 : bilan thermique ,1982.

Bilan thermique des bâtiments 2013/2014

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Introduction

Le calcul du bilan thermique de climatisation et de chauffage permet de déterminer la

puissance de l’installation qui pourra répondre aux critères demandés. Ce calcul s’effectuera à

partir des gains réels, c’est à dire au moment où les apports calorifiques et frigorifiques

atteignent leur maximum dans le local. On distinguera les apports internes qui se présentent

sous forme de dégagements de chaleur sensibles et / ou latents ayant leurs sources à l’intérieur

du local (occupants, éclairage et autres équipements) ainsi que les apports externes qui sont

les apports de chaleur sensible dus à l’ensoleillement et à la conduction à travers les parois

extérieures et les toits.

1. Calcul des déperditions

1.1.Déperdition par les parois

𝑫𝒑 = 𝑲𝒈 × 𝑺 × 𝑻𝒊 − 𝑻𝒆 (1)

𝑫𝒑 : Déperdition par les parois en W

𝑻𝒊 : Température de l’air intérieur en °C

𝑻𝒆 : Température de l’air extérieur en °C

𝑲𝒈 : Conductance globale de la paroi en W/m2°C

𝑲𝒈 : Aussi appelé coefficient da transmission surfacique : c’est le flux da chaleur passant

dans une paroi pour une différence de température de 1°C entre les deux ambiances séparées

par cette paroi. (Annexe 1)

𝑲𝒈 =𝟏

𝑹𝒈

(2)

𝑹𝒈 : Résistance thermique globale de la paroi en m2.K/W

𝑹𝒈 =𝟏

𝒉𝒊+

𝒆

𝝀+

𝟏

𝒉𝒆

(3)


3

𝑒

𝜆 : Somme des rapports des différentes e/λ des différentes couches de la paroi

1

ℎ𝑖 : Résistance thermique d’échanges superficiels intérieurs (m

2.k/W)

1

ℎ𝑒 : Résistance thermique d’échanges superficiels extérieurs (m

2.k/W)

e : épaisseur du matériaux en mètre (m)

λ : conductivité thermique du matériaux en watt par mètre et par kelvin (W/m.°C)

Tableau 1 : Résistances thermiques d’échanges superficielles

Position de

la paroi

Angle

formé avec

le plan

horizontal

Sens de

flux

Paroi en contact avec

L’extérieur

Un passage

couvert

Un local couvert

Un local chauffé

ou non

Un comble

Un vide sanitaire

1

ℎ𝑖

1

ℎ𝑒

1

ℎ𝑒 +

1

ℎ𝑖

1

ℎ𝑖

1

ℎ𝑒

1

ℎ𝑒 +

1

ℎ𝑖

Verticale >60° 0,11 0,06 0,17 0,11 0,11 0,22

Horizontale <60° 0,09 0,05 0,14 0,09 0,09 0,18

0,17 0,05 0,22 0,17 0,17 0,34

1.2.Déperdition par les liaisons

𝐷𝐿 = 𝐾 × 𝑙 × 𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 (4)

𝐷𝐿: Déperdition par les liaisons en W

𝐾 : Coefficient de liaison en W/m.k


4

𝑙 : Longueur de la liaison en m

𝑇𝑖 : Température de l’air intérieur en °C

𝑇𝑒 : Température de l’air extérieur en °C

Il ya liaison chaque fois qu’il y a disponibilité dans l’isolation thermique. Les principales

liaisons donnant à des déperditions sont :

Les liaisons entre mur et menuiserie ;

Les liaisons entre mur extérieur et paroi intérieure.

Angle de deux parois :

Liaison avec un plancher enterré (terre plein) ou pas ;

Liaison avec un mur enterré.

Pour calculer ces déperditions, il faut exactement la réalisation de la liaison. (Annexe 2)

En avant-projet on prend pour ces déperditions 5% des déperditions surfaciques.

1.3.Déperdition par renouvellement d’air

1.3.1. Déperdition par infiltration

𝑫𝒊 = 𝟎, 𝟑𝟒 × 𝒒𝒗𝒊 × 𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 (5)

𝐷𝑖 : Déperdition par infiltration en W

0,34 : Chaleur volumique de l’air en Wh/m3K

𝑞𝑣𝑖 : Débit volumique d’infiltration en m3/h



Les principales causes d’infiltration sont :

Les fontes entre les ouvrants et les parties fixent,

La perméabilité des coffres de volets roulants.

Le calcul de ces différents débits est fastidieux et dépend d’un grand nombre de facteurs.


5

1.3.2. Déperdition par ventilation

𝑫𝒗 = 𝟎, 𝟑𝟒 × 𝒒𝒗𝒗 × 𝑇𝑖 − 𝑇𝑒 (6)

𝐷𝑣 : Déperdition par ventilation en W

0,34 : Chaleur volumique de l’air en Wh/m3K

𝑞𝑣𝑣 : Débit de ventilation en m3/h



Le débit de ventilation est dû soit à la ventilation naturelle s’opérant par les orifices prévus à

cet effet soit à la ventilation mécanique contrôlée.

2. Charges dues à l’environnement intérieur

2.1.Apports dus aux occupants

Le corps humain est le siège des transformations exothermiques assimilé à un générateur

thermique dont l’intensité est variable selon :

L’individu et l’activité déployée (métabolisme),

La température sèche de l’air du local,

Le degré hygrométrique.

Ainsi l’expression de ces apports est :

𝑸𝒐𝒄𝒄 = 𝑸𝒔 + 𝑸𝒍 (7)

𝑄𝑠 = 𝑵𝒑 × 𝑴𝒔 𝑸𝒍 = 𝑵𝒑 × 𝑴𝒍 (8)

Avec :

𝑄𝑠: Gain par chaleur sensible en W,

𝑸𝒍: Gain par chaleur latente en W,

𝑵𝒑: Nombre des occupants,


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𝑴𝒔: Gain par chaleur sensible en W par personne,

𝑴𝒍: Gain par chaleur latente en W par personne.

2.2.Apports dus à l’éclairage

Les appareils d’éclairage constituent une source de chaleur sensible. Cette chaleur est dégagée

par rayonnement, convection, et conduction. À titre d’exemple les lampes à incandescence

transforment en lumière environ 10% de l’énergie électrique absorbée, tandis que le reste est

transformé en chaleur dissipée par rayonnement, convection et conduction. Alors que les

tubes fluorescents transforment environ de 25% de l’énergie électrique en lumière et 75% en

chaleur échangée avec le milieu environnant. Dans notre cas cet apport est estime par 5

[W/m2].

2.3.Apports dus aux machines diverses

Tous les appareils électriques dégagent au cours de leurs fonctionnements de la chaleur, la

plupart de ces appareils constituent à la fois une source de chaleur latente et sensible. Les

appareils électriques dégagent de la chaleur latente uniquement en fonction de leurs utilisation

par exemple (cuisson, séchage, fer à repasser etc …) alors que, du fait de la combustion, les

appareils à gaz représentent une source supplémentaire en gain latent.

Ces apports sont évalués par la relation suivante :

𝑄𝑚 = 𝑛𝑖 × 𝑃𝑙 + 𝑃𝑠

𝑖

(9)

𝑄𝑚 : Gain par chaleur des machines en W,

𝑛𝑖 : Nombre des machines i,

𝑃𝑙 : Gain par chaleur sensible de la machine en W,

𝑃𝑠: Gain par chaleur latente de la machine en W.

3. Charges par rayonnement solaire

Le rayonnement solaire constitue une source de chaleur très importante au cours de la

journée, son influence est beaucoup plus remarquable dans le cas d’un vitrage que dans le cas

d’un mur. Vue la grande diversité des vitrages et des auxiliaires correspondantes (écran, store,

…), il est nécessaire de déterminer ces gains à travers une surface vitrée type, et d’établir les

corrections nécessaires pour les autres types de vitrages.


7

3.1.Apports dus à la chaleur provenant du rayonnement solaire sur les murs

Le rayonnement solaire dépend de l’orientation du mur et de l’heure pour lequel le calcul

a été effectué et, également, de le l’attitude sous laquelle le local se trouve. L’heure solaire

maximale est déterminée à l’aide de l’orientation du local et du tableau correspondant à

l’attitude 35° dans les annexes utilisés.

Le facteur de rayonnement indique la part de chaleur absorbée par la surface et transmise à

travers le mur du local.

Les apports dus à la chaleur provenant du rayonnement solaire sur les murs peuvent se

calculer par la formule suivante :

𝑅 𝑚𝑢𝑟 = 𝐼 𝑚𝑢𝑟 .𝐴. 𝑆 (10)

Avec :

I (mur) : rayonnement solaire absorbé sur la surface du mur [kg/m2] (Annexe 3)

A : Coefficient d’absorption de la paroi recevant le rayonnement

S : Facteur de rayonnement obtenu à partir de la courbe S=0.05*K

3.2.Apports dus à la chaleur provenant du rayonnement solaire sur les vitres

Le rayonnement solaire dépend de l’orientation de la vitre et de l’heure pour lequel le calcul a

été effectué et, également, de le l’attitude sous laquelle le local se trouve. L’heure solaire

maximale est déterminée à l’aide de l’orientation du local et du tableau correspondant à

l’attitude 35° dans les annexes utilisés.

Les apports dus à la chaleur provenant du rayonnement solaire sur les vitres peuvent se

calculer par la formule suivante :

𝑅 𝑣𝑖𝑡 = 𝐼 𝑣𝑖𝑡 . 𝐴. 𝑔 (11)

Avec :

I (vit) : rayonnement solaire absorbé sur la surface de la vitre [kg/m2] (Annexe 3)

A : Coefficient d’absorption du vitrage recevant le rayonnement


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g : Facteur de réduction est fonction du mode de protection de la fenêtre contre le

rayonnement solaire.

4. Bilan thermique

4.1.Bilan calorifique

Le calcul des bilans calorifique s’effectue pièce par pièce, puisque chaque pièce sera

alimentée par un circuit (ou plus) de chauffage indépendant(s), puis on fait la somme pour

déterminer le bilan total.

Le rôle d’une installation de chauffage consiste à composer ces pertes calorifiques en

fournissant une quantité de chaleur égale aux déperditions B :

𝑩 = 𝑫𝒑 + 𝑫𝑳 + 𝑫𝒊 + 𝑫𝒗 − (𝑸𝒐𝒄𝒄 + 𝑸𝒎 + 𝑸𝒆𝒄𝒍𝒂𝒊𝒓𝒂𝒈𝒆 + 𝑸𝒔𝒐𝒍𝒂𝒊𝒓𝒆) (12)

Remarque

Dans la pratique pour le cas de chauffage, on ne prend pas en considération les apports

internes et les apports solaires, puisqu’on prend toujours le cas le plus défavorable.

Par la suite on a :

𝑩 = 𝑫𝒑 + 𝑫𝑳 + 𝑫𝒊 + 𝑫𝒗 (13)

4.2.Bilan frigorifique

Contrairement au calcul des besoins de chauffage qui ne fait intervenir que les charges

externes, le bilan thermique de refroidissement tient compte des charges externes et internes

on a alors :

𝑩 = 𝑫𝒑 + 𝑫𝑳 + 𝑫𝒊 + 𝑫𝒗 + (𝑸𝒐𝒄𝒄 + 𝑸𝒎 + 𝑸𝒆𝒄𝒍𝒂𝒊𝒓𝒂𝒈𝒆 + 𝑸𝒔𝒐𝒍𝒂𝒊𝒓𝒆) (13)


9

Annexe 1


10


11


12


13


14


15

Annexe 2


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Annexe 3 : outils de calcul du bilan thermique


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