M22 C > Planning Cours TD & Options (avec B. Burlat) M22 C ...

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École d’architecture de Grenoble > M22C > [email protected] > 2003-2004

M22 C > PlanningEnseignants : Nicolas REMY & Bruno Burlat

Cours• Cours 0 : lundi 16 Février 2004 de 8h à 10h• Cours 1 : Mardi 17 Février 2004 de 10h à 12h• Cours 2 : lundi 23 Fé vrier de 10h à 12h• Cours 3 : Mardi 24 Février 2004 de 16h à 18h• Cours 4 : Lundi 1er Mars 2004 de 8h à 10h• Journ ée de Visite à Lyon le 9 Mars : programme en cours : Cité Internationale(salle des maquettes ?), Jardins de poche (?), Lyon, la nuit - illuminations• Cours 5 : Lundi 22 Mars 2004 de 8h à 10h

TD & Options (avec B. Burlat)• TD : Maison individuelle ( planning en cours)

• Option Projets Urbains (1 par groupe)Lundi 19 AvrilMardi 27 AvrilLundi 4 Mai

Examen Lundi 29 Mars matin


M22 C > Maîtrise des ambiancesthermiques

Cours1- Rappels :. Les mouvements solaires et les protections d’été - Aspects thermiques. Définitions : λ, R, U, Φ, …. Stratégies thermiques. Inertie thermique2- Conductance totale d’un édifice3- RT 20004- Comportement dynamique d’un édifice5- Applications aux diff érents climats6- Thermique des espaces publics

TD - Options (avec B. Burlat)TD Maison individuelleOptions Projets Urbains

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M22 C > Maîtrise des ambiancesthermiques

Sources documentaires. références bibliographiques. Site web de l’EAG : www.grenoble.archi.fr. Sites internet (cf site web + références)


M22C > Cours 1 > Rappels

1 - Ensoleillement. aspects géométriques. aspects du rayonnement. aspects énergétiques

2- Modes de propagation de la chaleur. Définitions : Flux, λ, R,

conduction, U. Calculs de U et de R. Ponts thermiques. Convection

4- Stratégies du Chaud et du froid

5- Inertie thermique

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1 - Ensoleillement : Aspects Géométriques

Cf. Lavigne et al.



Fig 1 : courses du soleil - Hiver / Été Fig 2 : Position du soleildans le ciel

Saisons inversées sur les deux hémisphèresEté (Hémisphère Nord) quand la distance Terre / Soleil est la plus grande maisles rayons les + chauds

Cf.

Ene

rgy

Con

scio

us D

esig

n

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h ou γ : hauteur du soleilAngle le rayon solaire et saprojection sur le plan horizontal dulieu solaireα : azimutAngle entre l’axe NS et laprojection du rayon solaire sur leplan horizontal

=> Courbe apparente de la coursedu soleil selon la latitude(diagramme polaires et cylindriques)

Cf.

Ene

rgy

Con

scio

us D

esig

n


1 - Ensoleillement : Aspects du Rayonnement

λ en µm0,38 - 0,78 µm

U.V. I.R

VISIBLE

La lumièrelongueur d’onde d’un rayonnement électromagnétique

soleil

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1 - Ensoleillement : Aspects du Rayonnement

Solaire incident

1 Solaire direct

2 Solaire diffus

(émis par la voûte céleste)

3 Solaire réfléchi (« albedo »)

0,2 < λ < 2,6 µm

λ > 0,28 µmozone

- DiffusionMoléculaire- Absorptionpar aérosols- Absorptiongazeuse

6% UV51% Visible 43%

IR

Rayonnement Global

1 + 2 + 3


1 - Ensoleillement : Aspects Énergétiques

Ciel ClairTables d’ensoleillement maximal : densité de flux lumineux qui atteint unplan

Facteur de Link : Link ++ Clarté du Ciel -- Quantité d’énergie --Énergie effectivement reçue

1400 W.m2

(Cte solaire)

850 W.m-2

435 W.m2

Le 21 Juin à 12h [45°]

800

W.m-2

1000

W.m-2été

400

W.m-2

700

W.m-2hiver

Ciel

troubleCiel clair

Au sol, à 12h, perpendiculaire au soleilValeurs moyennes - Ordre de Grandeur

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Cf. Energy Conscious Design


Remarque :

En été, la quantité d’énergie solaire reçue est plusimportant sur une surface horizontale que verticalemême orientée Sud

En hiver, la quantité d’énergie solaire reçue estplus importante sur une surface verticale orientéeSud que horizontale


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. Orientation Nord : jamais de soleil direct

. Orientation Sud :Apports énergétiques importants pour les surfaces verticales en hiverMoins de risques de surchauffe en été car hauteur du soleil haute

(protection réduites)

R- des orientations Sud-Est et Sud-Ouest recevront un rayonnement réduit de20% pendant l’été.


Latitude 45°


. Orientation Ouest : Le soleil donne en fin de journée sur une façadesurchauffée quand la température est élevée. Le soleil est dans un planperpendiculaire à la façade lorsque sa hauteur est d’environ 30°… risque desurchauffe

. Orientation Est : idem que «Ouest » le phénomène de surchauffe est moinsfort

- Toiture : Attention, c’est la partie la plus exposée en été : 2hrs à + de 55°


Latitude 45°

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Audience (CERMA) http://audience.cerma.archi.fr

- Info Solaire- Info Recepteur Solaire- Ecran Solaire- Lames parallèles Solaires- Diagramme Solaire

(Flash)


2 :Les 3 modes de propagation de la chaleur

Oliva J.P.

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2 - Les 3 modes de propagation de la chaleur

. Conductionsolides

pas de transport de matière. Convection

fluides (eau, air, gaz)transport de matière

. Rayonnement

Température exprime un état et un potentiel, cad une capacité à provoquer untransfert de quantité de chaleurC’est la chaleur qui pénètre, sort d’un édifice et qui intéresse l’architecture, onparle de quantité de chaleur

La chaleur se compte, se transfère et se facture (chaud vers le froid)La température se mesure mais ne saurait se vendre


2- Les 3 modes de propagation de la chaleur

Définitions

Flux thermique ou flux de chaleur : quantité de chaleur passant au travers de 1m2 de surfacependant 1s, notée :

. φ en Watt / m2 (densité de flux)

. Φ lorsqu’on considère l’ensemble d’une surface S en Watts.

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Conductivité thermique λ- Propriété des corps à transmettre lachaleur par conduction.- λ est exprimé en W/m.°C

− λ est grand, le matériau estconducteur- λ est petit le matériau est isolant

[λ augmente si Tpte augmente et sihumidité augmente]

J.P. Isola


Définitions


Conduction thermique

J.P. Isola


Définitions

φ = λ . ∆t / e en W/m.°C

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Résistance thermique R(capacité à résister à un flux)

- Caractérise la résistance d’uneparoi au passage d’un flux thermique(de la chaleur)- R dépend de λ et de l’épaisseur dumatériau− R s’exprime en m2.°C/W oum2.K/W

− Plus R est grand et plus le matériauest isolant

- r est utilisé pour une surface entièreen °C/W ou K/W

R = e / λen m2.°C/W

<- e ->

2 -Les 3 modes de propagation de la chaleur

Définitions


Conductance U(anciennement K - capacité à conduire un flux)

ŸPour caractériser une paroi, onutilise l’inverse de la Résistance R,c.a.d la conductance U

- U = 1/ R = λ / e- U s’exprime en W/ m2.°C ou W/m2.K

- Plus U est petit et plus le matériauest isolant- u est utilisé pour une surfaceentière en W/°C ou W/ K

2- Les 3 modes de propagation de la chaleur

Définitions

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Formules de Calculs

Matériaux disposés en « s é rie »(on ajoute les résistances)

Rtotale = Σ Ri1/Utotale = Σ (1/Ui)

Matériaux disposés en « parallèle »(on ajoute les conductances)

Utotale = Σ Ui1/Rtotale = Σ (1/Rii)


Les ponts thermiques

J.P. Oliva

Les flux thermiques traversent aussides singularités dans le bâtiments :tableaux des fenêtres, pontsthermiques, etc…

On définit alors ψ linéique, oucoefficient de transmission linéiquecar ces singularités sont présentessur une longueur spécifique et notéeln

ψt = Σ ψn . ln

en W/K ou W/°C

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Résistance thermique R exemple1 : paroi en contact avec l’extérieur

Résistances- mur en blocs béton sable et gravillon, épaisseur 20cm 0,19-lame d’air de 5cm 0,16- mur brique creuses de 7,5cm 0,16- enduit ciment de 1cm sur blocs creux 0,008- enduit plâtre de 1cm sur briques creuses 0,03- résistance superficielle (1/hi) intérieure et extérieure (1/he) 0,17

R totale= 0,718 ° C.m2/W(U=1,39 W/m2.° C)

<- e ->


Définitions


Résistance thermique R(exemple2 : plafond structure bois)

Résistances- ensemble structure + isolant 3,212- parement plâtre cartonné 1,3 cm 0,03-résistance superficielle (1/hi) intérieure et extérieure (1/he) 0,18

R totale= 3,422 ° C.m2/W(U=0,29 W/m2.° C)

<- e ->


Définitions

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Résistance thermique Rexemple 3 : plancher surélevé ventilé au-dessous constitué de :

Résistances- dalle préfabriquée de hourdis béton épaisseur 16 0,13- dalle de répartition béton plein 4cm 0,02- isolant collé sous plancher λ = 0,04 épaisseur de 6 cm 1,5

(R= E/λ)- plâtre cartonné 1,3 cm de protection isolant 0,03- carrelage collé épaisseur 1cm 0,06-résistance superficielle (1/hi) intérieure et extérieure (1/he) 0,22

R totale= 1,96 ° C.m2/W(U=0,51 W/m2.° C)

<- e ->


Définitions


Conclusions- R importante ou U faible ssi présence d’isolant- les résistances superficielles ne sont pas négligeables- une lame d’air a une influence non négligeable mais tres faible par rapport à unecouche d’isolant- les couches minérales telles qu’enduits, placoplâtre, carrelage … ré sistancesnégligeables

- Les meilleures U pour des parois de faibles épaisseur s’obtiennentavec du bois intégrant un isolant (le bois est mauvais conducteur)

parois très isolées < U < paroi unique sans isolant0,15 W/m2.C < U < 3 W/m2.° C

<- e ->


Définitions

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ŸLorsqu’un fluide (air) est en contact avec une paroi, il existe unéchange de flux thermique (du plus chaud au plus froid)ŸLa densité de flux correspondante est donc :


Convection libre et (forcée)

φ = Uc . ∆t en W/m.°C

avec Uc = conduction par convection pour 1m2


3-Les stratégies thermiques

Stratégie du chaud > Hiver

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3-Les stratégies thermiques

Stratégie du Froid > Eté


4 - Isolation et Inertie Thermique

sans chauffage ni climatisation

La cave

sans chauffage ni climatisation

La serre- inertie thermique très grande- Variation grandes de T°C ext maisT°C int quasi constante

- inertie thermique presque nulle- Variation grandes de T°C extimplique des variations importantesde T°C int

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L’inertie thermique (d’absorption)

Forte inertie par une isolationplacée à l’extérieur (mur enmaçonnerie)

Faible inertie par une isolationplacée à l’intérieur



L’inertie thermique (d’absorption)- se définit comme la capacité d’un matériau à accumuler puis à restituer un fluxthermique (de la chaleur)- l’inertie thermique dépend de 3 facteurs

. La conductivité thermique «λ»

. La chaleur spécifique « c »

. La masse volumique du matériau «ρ »

Pour quantifier l’inertie, on introduit le paramètre de capacité thermique S

S = ρ.C en j/kg.°C Polystyrène 21Laine de verre 99Air 1256Liège 376-385Pierre Naturelle 2520-2790Béton 2400 - 2640Bois 960-216O

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4- Isolation et Inertie Thermique

L’inertie thermique (d’absorption)

. La capacité thermique d’une paroi est surtout utile que si elle est placée àl’intérieur du bâtiment et isolée des conditions climatiques extérieures

. Construire en forte inertie c’est donc utiliser des matériaux lourds à l’ intérieurde l’habitat afin de stocker la chaleur solaire et atténuer les variations detempérature interne

. A l’inverse une maison à faible inertie montera vite en température au moindrerayon de soleil sans la possibilité de stocker la chaleur solaire. Les écarts detempérature internes seront importants. Les risques de surchauffe élevés.

. Une forte inertie est surtout utilise en cas d’occupation permanente. Une faibleinertie peut-être intéressante pour des locaux à usages intermittents.

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