| TECHNOLOGIE | ORGANISATION | PRODUCTION | TOPOGRAPHIE | DESSIN |
CONDUCTIVITE |
| PAROIS | RENOUVELLEMENT AIR | GEOTECHNIQUE | INFORMATIQUE |
| LES PHENOMENES D'ECHANGES THERMIQUES | |
La mise en présence de deux corps à des températures différentes engendre un échange thermique: le plus chaud se refroidi et le plus froid se réchauffe jusqu'à ce que les températures soient identiques. D'une façon générale il est à retenir que le corps le plus chaud cède de sa chaleur au plus froid. Dans un bâtiment l'intérieur chaud cède sa chaleur à l'extérieur froid au travers les parois et les ouvertures. Ces échanges thermiques se décomposent selon trois phénomènes distincts. |
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Lorsque les corps sont en contact l'échange thermique se fait directement par les points de contact. C'est le phénomène de conduction. La pose d'une main sur un corps plus chaud montre que la main se réchauffe directement par le contact. |
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Mais sans contact la chaleur peut aussi se transmettre. L'échange thermique peut se faire indirectement par l'air ou un fluide. L'air circulant le long d'un corps plus chaud se charge de sa chaleur. Le corps chaud cède de sa chaleur à l'air. L'air va transporter et véhiculer la chaleur emmagasinée. Elle peut le céder à son tour à un autre corps. Ce phénomène est appelé convection. Une paroi de bâtiment se charge de la chaleur de l'air d'une pièce chaude en intérieur et se décharge de chaleur au passage de l'air en extérieur. Le phénomène de convection nécessite la présence d'air ou d'un fluide. L'air chaud monte et l'air froid descend. |
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Enfin un corps est capable de perdre de sa chaleur à distance. c'est le cas du soleil dont nous ressentons la chaleur sans pour autant le toucher et sans échange avec l'air. Ce phénomène d'échange thermique est appelé rayonnement. Ce rayonnement est une onde infra rouge. Un mur rayonne également sa chaleur. Nous pouvons ressentir aisément à distance la chaleur d'un mur chaud un soir d'été. De même en hiver, le mur cède sa chaleur en la rayonnent sur l'extérieur. |
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En somme une paroi de bâtiment se refroidi en cédant sa chaleur sur l'extérieur par une combinaison de trois phénomènes: la convection(1), le rayonnement(2) et la conduction(3). |
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A la surface intérieure de la paroi les phénomènes de convection et de rayonnement charges la paroi en chaleur. A l'intérieur de la paroi, cette chaleur circule par conduction. Enfin à la surface extérieure de la paroi la chaleur se transmet à l'extérieur par convection et par rayonnement. |
LA CONDUCTION DE LA CHALEUR |
La chaleur circule dans une paroi par conduction. De quoi dépend ce phénomène et qu'elle est son importance ? L'analogie avec le trafic routier. La chaleur circule dans le matériau, comme des voitures sur une route. La question consiste à savoir qu'elle est l'importance de ce trafic. Pour mesurer l'importance du trafic routier il est possible de compter le nombre de voiture circulant par heure à un point donné d'une route. De même pour la circulation de la chaleur il est possible de compter la quantité de chaleur qui circule par seconde dans un matériau. La quantité de chaleur est mesurée en joule (anciennement en calorie). La circulation de la chaleur, ou débit, flux de chaleur, peut être mesurée en J/s. Le J/s est une unité appelé le Watt (W). Ainsi la circulation de la chaleur dans un matériau peut être quantifié par la quantité de cette chaleur qui circule en une seconde et mesuré en Watt (débit ou flux de chaleur). Ce flux représente la quantité d'énergie calorique en circulation. De quoi dépend l'importance de cette circulation de chaleur? Comme la circulation automobile deux facteurs conditionnent l'importance de cette circulation. LA DIFFERENCE DE TEMPERATURE En premier lieu pour avoir une circulation de chaleur dans un matériau, il faut aussi avoir un déséquilibre de température: une différence de chaleur entre les deux faces de la paroi. C'est comme pour une route, quelle que soit sa capacité à faire circuler des voitures, il faut avant tout qu'il y ait des voitures qui cherchent à circuler. autrement la route reste vide, sans circulation. C'est ce que l'on appelle le potentiel de circulation. Pour la chaleur, plus la différence de température est grande entre les deux faces de la paroi, plus la chaleur cherche à circuler entre les deux pour se remettre en équilibre de température. Le Kelvin est l'unité retenue (Kelvin unité internationale de température). LES MATERIAUX: CONDUCTIVITE OU RESISTANCE THERMIQUE Selon le point de vue où l'on se place, le matériau conduit la chaleur d'une face à l'autre ou résiste à conduire la chaleur. La conductivité thermique est la capacité à transmettre la chaleur et inversement, la résistance thermique représente la capacité du matériau à freiner la transmission de la chaleur. La conductivité est notée: λ et la résistance thermique, R La nature du matériau influe énormément. Selon leur nature, les matériaux n'ont pas la même capacité à conduire la chaleur ou à la retenir. En effet un vitrage perd plus facilement la chaleur qu'un mur en bois. Une porte en acier perd plus facilement la chaleur qu'une porte en bois. Autrement dit la chaleur circule mieux dans l'acier que dans le bois. LA LOI DE FOURIER Cette loi établie la relation entre les facteurs intervenant dans le phénomène de conductivité thermique. De façon simplifiée à une paroi plane, cette relation s'écrit: Φ=λ.ΔT Avec Φ: la puissance en w (quantité d'énergie circulant par seconde dans la paroi) ou flux de chaleur. λ: Conductivité thermique du matériau. ΔT: écart de température entre les faces de la paroi. La conductivité d'une paroi est donc la quantité de chaleur qui circule dans la paroi par seconde. Cette circulation de chaleur, appelé aussi flux de chaleur dépend de la conductivité du matériau et de la différence de température.
La conductivité dépend principalement de la nature du matériau, et de sa géométrie. Pour une épaisseur de paroi, la conductivité est indiquée pour un matériau d'une surface de 1 m² par rapport à un écart de température de 1°C ou 1K. La conductivité de la paroi notée s'exprime alors en W/m².K Exemples: Un voile de béton de 20cm d'épaisseur a une conductivité thermique de 8.75w/m²/K. 10 cm d'épaisseur de laine de roche a une conductivité thermique de 0.38w/m²/K (c'est bien mois que le béton). Les fournisseurs de matériaux indiquent souvent la conductivité d'1m² de matériau d'une épaisseur de 1m et par rapport à un écart de température de 1°C ou 1K. La conductivité de la paroi est alors exprimée en W/m.K. Elle est définie pour matériau soumis à une température autour de 20°C et une hygrométrie correspondant à celle d'un bâtiment. Exemple La conductivité thermique d'un m de béton vaut 1.75w/mK. La conductivité thermique de 20cm d'épaisseur de voile vaut 1.75/0.2=8.75w/m²K. MATERIAUX CONDUCTEURS ET MATERIAUX RESISTANTS Un matériau laissant circuler facilement la chaleur est appelé un matériau conducteur. A l'inverse, un matériau rendant difficile la circulation de la chaleur est appelé matériau résistant. La résistance thermique d'un matériau noté R est donc l'inverse du flux thermique. R=1/λ STRATEGIE La stratégie de l'isolation thermique est l'inverse de celle du trafic routier. Si l'on cherche des solutions pour fluidifier le trafic routier, en isolation thermique, il sera recherché des solutions pour freiner le trafic de chaleur. Exemple: Détermination du flux de chaleur dans 20 cm d'épaisseur d'un voile de béton de 3m de long par 2.5 de hauteur, lorsqu'il fait 20°C d'un côté et -5°C de l'autre. Le flux de chaleur par conductivité de ce mur vaut 8.75x7.5x25= 1640w. LES PAROIS COMPOSITES Comment la conductivité ou la résistance thermique globale d'une paroi composite se détermine-t-elle? PAROI COMPOSITE SUR SON EPAISSEUR Le phénomène décrit par la loi de Fourier est analogue à celui de la circulation de flux d'électron dans une résistance électrique décrit par la loi d'Ohm: I=1/R.U En effet, le flux thermique est constant dans toute la paroi: Supposons une paroi constituée dans son épaisseur de deux matériaux de conductivité λ1 et λ2, (exemple un mur maçonné doublé d'un isolant thermique): Φ=λ1.(Ti-T1) et Φ= λ2.(T1-Te) avec Ti, température intérieure, T1 température à la jonction des deux matériaux et Te, température extérieure. ΔT=Ti-Te=(Ti-T1)+(T1-Te)=Φ/λ1+Φ/λ2=Φ.R1+Φ.R2=Φ.(R1+R2) avec R1 et R2 les résistances thermiques de chaque matériau. Dans ce cas chaque épaisseur de matériau résiste à son tour pour limiter le flux thermique. La résistance de chaque matériau s'additionne. C'est analogue au circuit électrique en série. Exemple: considérons un mur en béton banché de 20cm doublé de 10cm de laine de roche. La résistance thermique du mur vaut: 0.114+2.632=2.746Km²/w. PAROI COMPOSITE SUR SA SURFACE Des flux parallèles traverses la paroi. Supposons une paroi constituée dans sa surface de deux matériaux de conductivité λ1 et λ2, (exemple un mur comportant une fenètre). Φ1=λ1.ΔT et Φ2= λ2.ΔT avec Φ1, le flux traversant le volume de matériau 1 et Φ2, le flux traversant le volume de matériau 2. Le flux total traversant la paroi, Φ=Φ1+Φ2= λ1.ΔT+ λ2.ΔT=(λ1+λ2).ΔT La conductivité de chaque matériau s'additionne: c'est analogue au circuit électrique en parallèle. |
| LA CONVECTION | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Le flux de chaleur transmis par convection dépend de la nature du fluide de sa vitesse, de la surface de contact et de l’écart de température entre le fluide et le solide. Φ=h.S.ΔT h représente le transfert de chaleur unitaire du fluide (pour 1m² de surface de contact et 1K d’écart de température). h dépend du fluide et de sa vitesse de circulation. 1/h apparait en terme de comportement thermique comme une résistance sur la surface de la paroi. L’échange thermique total par convection ne donnerait aucune résistance, l’échange thermique de l’air en convection naturelle donne:
Ainsi en reprenant le mur de béton armé doublé de laine de roche sur 7.5m² et un écart de température de 25°C. Les résistances de chaque surface de la paroi dues à la convection et au rayonnement s'additionnent. |
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| LES DEPERDITIONS SURFACIQUES ET LINEIQUES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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