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Comment calculer le bilan
thermique d’une maison ?
Il existe différentes manières de
calculer le bilan thermique d’un bâtiment. La plus courante consiste à faire le
calcul à partir du coefficient K. Ce dernier correspond notamment à la quantité
de chaleur transmise (en Watt) par mètre carré et par degré. Pour faire le
calcul, il faut multiplier ce coefficient par la surface des locaux et
convertir ensuite le résultat en Watt.
Une autre méthode de calcul est
aussi celle faite par coefficient G. Il s’agit du coefficient de déperdition
volumique du bâtiment. Le coefficient s’exprime encore ici en Watt, mais par
mètre cube et par degré (W/m3.°C).
La formule adoptée est notamment la
suivante : Bilan = G x V x ?T. Cette méthode de calcul a l’avantage d’être
facile et pratique à réaliser, bien qu’elle soit aujourd’hui remplacée par le
coefficient Ubat.
En ce qui concerne cette dernière, c’est une
méthode plus complète et elle est recommandée par le centre d’études et de
formation du génie climatique.
La formule à utiliser est la suivante : Déperditions= Dp x (19 – T ext base).
Le « Dp » se rapporte ici au coefficient de
déperditions du bâtiment.
Il se calcule comme suit : Dp
= Ubat x Sdép + R x Vh.
Ubat se rapporte à la déperdition thermique
totale moyenne du bâtiment,
Sdép représente
la somme des surfaces des parois,
Vh le volume
habitable
R le coefficient fonction du type de
ventilation.
Ce cours réalisé avec
l’appui de Marc Delorme, thermicien à Inter Forêt Bois 42, a
pour objectif de présenter la problématique de la thermique du bâtiment et de
ses implications.
Suite
au Grenelle de l’environnement, ce cours devient un point très important
de votre formation. Vous serez amenés tout au long de votre carrière professionnelle
à retravailler la thermique pour affiner vos connaissances et améliorer votre
maîtrise de cette problématique.
Pour
bien relativiser l’importance du cours qui va suivre, vous devez comprendre que
c’est en fonction de la performance thermique désirée que vous serez amenés à
déterminer vos parois d’ossature et non l’inverse.
Il
est à noter qu’à la rédaction de ce cours, 50% des malfaçons dans le bâtiment
concernent le constructif bois mais le constructif bois ne représente que 5 à
7% du bâtiment. Il est donc urgent de parvenir à maîtriser cette problématique.
Problématique
Les crises énergétiques
Plus
de trente ans après le premier choc pétrolier, les perspectives d’une crise
énergétique se profilent de nouveau à l’horizon, les gisements d’énergies
fossiles se raréfient et les coûts des énergies augmentent. Les économies
d’énergie sont de nouveau au cœur de l’actualité et des préoccupations.
À
cet enjeu énergétique s’ajoute l’enjeu environnemental, on constate que les
climats à la surface de la Terre
sont bouleversés sous l’effet d’une accumulation excessive de gaz à effet de
serre dans l’atmosphère.
Le
bâtiment est au cœur de cette problématique énergétique et environnementale. En
Europe, ce secteur représente environ la moitié de la consommation énergétique
totale (dont 60 % pour le chauffage et la climatisation) et des rejets de CO2.
On peut dès maintenant mettre en œuvre des solutions pour réduire la
consommation d’énergie et les émissions de CO2. La division par
quatre de ces émissions est d’ores et déjà techniquement faisable et
économiquement viable.
Une
condition incontournable de réussite réside dans la conception du
bâtiment et dans la qualité de son enveloppe pour réduire le besoin de
chauffage.
D’où part-on, où va-t-on ?
c - Les
déperditions à travers l’enveloppe
Comme on peut le voir sur ce schéma, les déperditions à travers l’enveloppe
d’un bâtiment se situent à tous les niveaux. Il sera donc important d’en tenir
compte à chaque instant de la conception. .
d - Les apports d’énergie dans le bâtiment
Apports
intérieurs :
le chauffage est une source importante des apports intérieurs, on prendra un
soin tout particulier au rendement énergétique du système de chauffage. La
respiration et le rayonnement humains, l’électroménager et le multimédia sont
aussi des sources potentielles d’apport énergétique.
Apport
extérieur : le
rayonnement solaire est une source importante d’apport énergétique. Les choix
de l’orientation et des menuiseries deviennent primordiales dans la dynamique
énergétique.
·
Quelques définitions
La température d'un
système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des
particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définie par
l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres systèmes.
Par exemple, quand
l'agitation est faible, l'objet est froid au toucher. Cette sensation est due à
un transfert de chaleur des doigts vers l'objet. Elle se mesure au moyen d'un
thermomètre
Un degré Celsius ou un Kelvin représente la même
quantité de chaleur. Le zéro des degrés Celsius correspond au point de
congélation de l’eau. Le zéro des Kelvins représente la valeur de la
température la plus basse possible, c’est à dire le zéro absolu. L’échelle des
Kelvins démarre au zéro absolu et se trouve décalée vers le bas d’environ 273
unités par rapport à l’échelle des degrés Celsius.
Depuis 1967, on ne parle plus de degré Kelvin mais
de Kelvin seulement.
Courbe saturation de l'eau dans l'ai
La thermique est la partie
de la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de
l'énergie pour la production de chaleur ou de froid. C’est le mode de transfert
de chaleur provoqué par une différence de température. La température d'un
système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des
particules. Un thermicien est un spécialiste de la thermique.
Distinction énergie / puissance
Il
faut distinguer l’énergie qui caractérise la capacité à produire des
actions, à modifier la température d'un corps ou à transformer la matière et
qui se mesure en kWh de la puissance qui est l'énergie fournie à
un système par un autre par unité de temps qui elle se mesure en kW.
Energie / consommation d’énergie
Dans
la thermique du bâtiment, la période de consommation d’énergie est généralement
l’année. La quantité d’énergie consommée est mesurée en kWh. On peut ramener
cette mesure à la combustion de X kg ou X m3 de combustible.
•
Quelques ordres de grandeur à retenir :
–
1 litre
de fuel ?10 kWh
–
1 m3 de
gaz naturel?10 kWh
–
1 kg de
bois sec ?4,5 kWh
·
Différents
modes de transfert d’énergie thermique
Un corps chauffé émet de
l'énergie sous forme de rayonnement électro-magnétique. Une des particularités
de ce rayonnement dit "thermique" est qu'il peut se
propager dans le vide. Le rayonnement est caractérisé par une densité
d'énergie et un spectre (répartition de l'énergie suivant la longueur d'onde).
Le rayonnement thermique se déplace vers les courtes longueurs d'ondes quand la
température du corps augmente. C’est le cas de l’acier dont la variation de
température est visible à l’œil. Il peut suivant la température bleuir en
usinage (300°), rougir lors d’un traitement thermique (700°), jaunir vers 1100°
et blanchir avant la fusion (1500°).
La conduction thermique est le mode de
transfert de chaleur provoqué par une différence de température. La température
d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des
particules. C’est le mode de transfert de chaleur provoqué par une différence
de température entre deux régions d'un même milieu ou entre deux milieux en
contact sans déplacement. C'est l'agitation thermique qui se transmet de proche
en proche, une molécule ou un atome cédant une partie de son énergie cinétique
à son voisin et ainsi de suite. Au niveau microscopique, on retiendra comme
image que plus la température du corps est élevée, plus l'agitation thermique
responsable de l'émission est élevée.
La convection implique le transport de la
chaleur par une partie d'un fluide qui se mélange avec une autre partie. La
convection concerne exclusivement les fluides (gaz ou liquides) et prend sa
source dans un transport macroscopique de matière. Il y a convection
lorsque l'on chauffe une casserole d'eau. La variation thermique verticale est
croissante vers le bas, le point chaud est en bas le point froid est en haut.
La masse volumique du fluide situé en bas s'abaisse (car celui ci est plus
chaud) et le fluide s'élève pour être remplacé par du fluide plus lourd situé
plus haut. La convection tente de s'opposer à la variation thermique par un
mouvement de fluide. Si l'on chauffe par le haut, le fluide chaud se situe au
dessus du fluide froid et la convection est annihilée.
Performance énergétique d’un bâtiment Quantification des
principales déperditions énergétiques-
Les combles et la toiture
Les combles et la toiture constituent la
1ère zone de perte de chaleur (˜30%) et doivent être isolés en priorité, l'air
chaud monte et si la toiture ou les combles sont mal isolés, les pertes
énergétiques sont importantes.
De plus l’'isolation des combles et des
toits est souvent assez simple à réaliser notamment si elle peut se faire par
les combles, ce qui est le cas le plus fréquent.
Les parois verticales : le mur manteau
Pour éviter au maximum les déperditions de
chaleur, il est important que les murs soient bien isolés jusqu’à 25% des
pertes de chaleur peuvent s’échapper par les murs. Après le toit, les murs sont
la deuxième source de perte de chaleur (˜20-25%). Les murs exposés vers le Nord
sont prioritaires car peu ensoleillés. Les murs exposés vers l'Ouest
nécessitent également une protection contre l'humidité car ils sont fortement
victimes de pluie.
Le mur manteau
consiste à envelopper la structure verticale d’un bâtiment par un isolant placé
en continu à l’extérieur. De cette façon, les ponts thermiques sont supprimés
au droit des planchers d'étage
- La convection, néanmoins la gestion des ponts thermiques
au niveau des sols et des raccords de toitures restent des points sensibles.
Les menuiseries extérieures
Environ 13 à 15 % de la chaleur
s'échappe d'une fenêtre peu ou mal isolée. Isoler les fenêtres est une priorité
économique et écologique. La qualité de la structure de la menuiserie est très
importante, une fenêtre bas de gamme finit par mal fermer et mal isoler. Le
choix du matériau est moins déterminant sur des menuiseries de qualité, le PVC,
le bois ou l'aluminium sont très répandus.
Il s’agit d’une discontinuité dans
l’isolation qui est due à la structure du bâtiment et qui peut représenter
jusqu’à 5 à 7% des déperditions. Les ponts thermiques sont des points faibles
dans l'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment. A ces endroits, en
hiver, la température superficielle de l'enveloppe est plus basse que celle des
surfaces environnantes.
Les ponts thermiques découlent, en général
de contraintes constructives et géométriques, ils vont provoquer des dépenses
énergétiques, un inconfort sur le plan de l'hygiène et une détérioration
progressive des matériaux.
Contraintes constructives
Les matériaux isolants ont généralement des
capacités limitées en matière de résistance aux contraintes mécaniques. Le
principe de la continuité de la couche isolante n'a pas été respecté, ou n'a pu
l'être dans certains cas, à certains endroits.
Il s'agit par exemple
d'ancrages ou d'appuis entre d'éléments situés de part et d'autre de la couche
isolante de la paroi. L'isolant étant localement absent, le flux de chaleur est
sensiblement plus dense dans ces parties de la paroi.
Ce type de pont
thermique est dû à la forme de l'enveloppe. A cet endroit, la surface de
la face extérieure est beaucoup plus grande que la surface de la face
intérieure. La surface chauffée (intérieure) est plus petite que la surface de
refroidissement (extérieure).
Environ 7 à 10% des pertes de chaleur
peuvent s’effectuer par le sol. Un revêtement (plancher, moquette) est déjà un
isolant, mais il ne suffit pas. Il est nécessaire d’isoler en fonction du type
de sol.
La meilleure solution est de créer un vide
sanitaire de 20 à 50 cm
de hauteur entre votre sol et la terre ventilé sous les sols. C’est une bonne
solution pour isoler parfaitement et éviter les éventuels problèmes d'humidité
(écoulements d'eau, etc.).
Le vide sanitaire permet de prévenir bon
nombre de problèmes d'humidité (écoulement d'eau etc.). Cependant, il est
impératif de bien le ventiler. Dans ce cas l'isolant doit être posé sous le
sol.
Dans le cas d'une dalle sans vide
sanitaire,
Le renouvellement de l’air
Le renouvellement de l’air doit être
suffisant du point de vue de l’hygiène, mais il doit être le plus réduit
possible pour éviter les déperdition énergétique dues à l’air chaud. Pour ce on
privilégiera les ventilations à double flux d’air qui sont munies d’un
échangeur thermique air/air.
Calcul du bilan énergétique d’un bâtiment
- La conductivité thermique : ?
La conductivité
thermique ? (lambda) est la puissance (en Watts) qui
traverse 1 m²
de paroi sur 1 mètre
d’épaisseur, lorsqu’elle est soumise à une différence de température de 1 °C. Elle se mesure en W/m °C
· Loi
de Fourier
Le transfert de chaleur spontané d'une région de
température élevée vers une région de température plus basse obéit à la loi
dite de Fourier. La densité de flux de chaleur est proportionnelle au gradient
(variation) de température.
La constante de proportionnalité est la
conductivité thermique ?. C’est une grandeur physique intrinsèque
d’un matériau caractérisant son comportement. Elle est toujours positive et
c’est une caractéristique indépendante de l’épaisseur du matériau.
Avec les unités du système international,
la conductivité thermique ? s'exprime en J.m-1.K-1.s-1 ou, soit
des W/m.K.
·
Ordres de grandeur
Remarques :
- L’air est un
très bon isolant mais à condition d’être immobilisé. L’air en mouvement évacue
la chaleur.
- Il y a un rapport
de
1 à 10 entre la conductivité thermique du bois et celle du béton.
de
1 à 37 entre la conductivité thermique d’un isolant et celle du béton,
de
1 à 1300 entre la conductivité thermique d’un isolant et celle de l’acier,
· Quelques
exemples choisis de conductivité thermique
La résistance thermique : R
La capacité d'un
matériau à résister au froid et au chaud est appelée « résistance thermique »
ou R. Cet indicateur exprime la capacité d'un matériau à résister au froid et
au chaud. Plus R est élevé, plus le produit est isolant.
Exprimé en m².K/W, l'indice R s'obtient par le
rapport de l'épaisseur en mètres sur la conductivité thermique du matériau.
 
R évalue la conductivité du matériau pour une
épaisseur donnée.
Attention, dans la pratique on ne
peut pas se contenter de comparer les résistances thermiques des différents
matériaux, car les R sont donnés pour une épaisseur égale.
Or ce que nous dit le R,
c'est que justement, vous n'aurez pas besoin de la même épaisseur de brique que
de laine de verre. Un mur de brique de 30 cm d'épaisseur a la même résistance
thermique que 1 cm
de laine de verre.
La résistance thermique d'échange superficiel (Rsi et Rse)
La
transmission de la chaleur de l'air ambiant à une paroi et vice versa se fait à
la fois par rayonnement et par convection.
le coefficient d'échange thermique superficiel
entre une ambiance intérieure et une paroi est la somme des quantités de chaleur
transmise entre une ambiance intérieure et la face intérieure d'une paroi, par
convection et par rayonnement, par unité de temps, par unité de surface de la
paroi et pour un écart de 1 K entre la température de la résultante sèche
de l'ambiance et la température de surface
m²K et Rsi, la résistance thermique
d'échange d'une surface intérieure est égale à l'inverse du coefficient
d'échange thermique de surface intérieure hi.
Rsi =
1/hi et de la même façon on détermine Rse = 1/he
· Quelques exemples de résistance thermique d'échange superficiel
|
Valeurs de Ri et Re
|
Rsi
m²K/W
|
Rse
m²K/W
|
Rsi+Rse
| |
Paroi verticale flux de chaleur
horizontal
|
0,13
|
0,04
|
0.17
| |
Paroi horizontale flux de chaleur vers le
haut
|
0,10
|
0,04
|
0.14
| |
Paroi horizontale flux de chaleur vers le
bas
|
0,17
|
0,04
|
0.21
|
- Résistance thermique totale : Rt
La
résistance thermique totale est égale à la somme des résistances des parois et
des résistances superficielles.
RT
= Rsi + R1 + R2 + R3 + Rse
Coefficient de
déperdition thermique : Up
La déperdition thermique
surfacique d'une paroi représente l’inverse de la résistance thermique totale.
Up = 1/ Rt.
Up
est le symbole de la déperdition thermique surfacique d'une paroi. C’est la
puissance qui traverse 1m² de surface pour une différence de température de 1°C entre l’intérieur et
l’extérieur (W/m²K).
Elle
se mesure en prenant en compte la résistance thermique de la paroi et la somme
des résistances superficielles intérieures et extérieures.
Up
s'exprime en W/m2.K. Plus la déperdition thermique Up
est faible, plus la paroi est performante thermiquement.
Les
déperditions par transmission sont proportionnelles au coefficient Up, diviser
Up par 2 divise par 2 les déperditions.
· Quelques exemples :
s'exprime en W/
- Le degré jour / degré jour unifié
Pour
un lieu donné, le degré jour (DJ) est une valeur représentative de l’écart entre la température
d’une journée donnée et un seuil de température préétabli.
Il sert à évaluer les
dépenses en énergie pour le chauffage ou la climatisation. Les cumuls de degrés
jour s’obtiennent de façon simple en additionnant les degrés jour quotidiens,
sur la période de cumul souhaitée : semaine, mois ou période quelconque. La
définition des Degrés Jours la plus simple est celle du Costic (Centre
d’Etude et de Formation Génie Climatique):
"Pour un lieu donné , le Degré Jour est une
valeur représentative de l’écart entre la température d’une journée donnée et
un seuil de température préétabli."
Degré
jour = 18 – (Tmoyen)
On utilise les degrés-jours-unifiés
(DJU) pour
calculer les consommations de chauffage d’une année sur l’autre ce qui permet
de connaitre le degré de sévérité d'un hiver dans un lieu donné et de réaliser
des estimations de consommations d'énergie thermique en proportion de la
rigueur de l'hiver. Les DJU sont additionnés sur une période de chauffe de 232
jours allant du 1er octobre au 20 mai. Les degrés-jours sont
calculés a partir de relevés de températures extérieures établies par Météo
France sous forme de bases de donnée annuelle ou trentenaire généralement
sur une base de 18°C
(d'où l'appellation DJU-base 18).
DJU = DJU18 = S (18-température moyenne)
Lorsque la température moyenne du jour est supérieure
ou égale à 18°C,
l'écart est compté comme nul.
En
France, le total annuel moyen va de 1400 DJU pour la côte Corse à 3800 DJU dans
le Jura. Pour un hiver de rigueur moyenne le nombre de DJU se situe entre 2000
et 3000 pour la majeure partie du territoire métropolitain.
Exemples : à
Saint Etienne à une altitude de 500
m les DJU = 2900 degrés jours. L’augmentation des
degrés-jours est d’environ 125 pour 100 m de dénivelé.
- Bilan thermique d’un bâtiment
· Besoin
de chauffage
Remarque, le total des déperditions est égal au
total des apports.
· Consommation
de chauffage
La consommation pour les besoins de chauffage
dépendra du rendement du système de chauffage.
·
Déperditions sur une période (énergie)
| 
