Autres phénomènes thermiques Archives

Ponts thermiques

Généralités

Les ponts thermiques sont des points faibles dans l’isolation thermique de l’enveloppe du bâtiment.
À ces endroits, en hiver, la température superficielle de l’enveloppe est plus basse que celle des surfaces environnantes.

Ils découlent, en général de :

Contraintes constructives
Contraintes géométriques

Ils vont provoquer :

Des dépenses énergétiques
Un inconfort sur le plan de l’hygiène
La détérioration des matériaux

Pont thermique dû à des 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.

Pont thermique dû à des contraintes géométriques

Ce type de pont thermique est dû à la forme de l’enveloppe à un endroit.

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).

Dépenses énergétiques provoquées par les ponts thermiques

Dans le cas d’un bâtiment bien isolé, les ponts thermiques peuvent entraîner des déperditions de chaleur proportionnellement très importantes par rapport aux déperditions totales.

En outre, si on ne tient pas compte des déperditions dues aux ponts thermiques, l’installation de chauffage peut être sous-dimensionnée.
C’est surtout le cas lorsque le bâtiment est très bien isolé et lorsque les installations de chauffage sont dimensionnées de façon optimale.

Inconfort sur le plan de l’hygiène provoqué par les ponts thermiques

Les ponts thermiques provoquent une condensation en surface lorsque la température de celle-ci descend en dessous du point de rosée de l’air ambiant.

L’humidité de la paroi permet le développement de moisissures.

Celles-ci, outre leur aspect désagréable, dégagent des substances pouvant être odorantes et pouvant provoquer chez certaines personnes des phénomènes d’allergie.

Du point de vue hygiénique et confort les moisissures doivent donc être évitées.

Détérioration des matériaux provoquée par les ponts thermiques

Lorsque les quantités d’eau condensées sont importantes et ne peuvent être éliminées quotidiennement, elles pénètrent les revêtements et papiers peints, et provoquent leur détérioration.
Les carrelages, les revêtements plastiques, les peintures synthétiques à l’huile résistent mieux au détériorations.

Lorsque la condensation se fait dans le bois, celui-ci va pourrir plus ou moins vite en fonction de son essence et du traitement de protection dont il a bénéficié.

Si la condensation est importante, toute l’épaisseur de la paroi peut être fortement humide. La structure porteuse de la construction elle-même se dégrade sous l’effet de l’humidité permanente et éventuellement aussi du gel des matériaux.

Analyse des effets des ponts thermiques sur les flux de chaleur au travers d’une paroi

Isolation par l’extérieur d’un mur avec descente d’eau pluviale

Situation

Situation n°1	Situation °2

L’architecte refuse de déplacer la descente d’eau pluviale; l’isolation extérieure y est interrompue.	La descente d’eaux pluviales est déplacée, l’isolation extérieure est continue.

Dessin des isothermes

Situation n°1	Situation n°2

Les températures de paroi intérieures sont d’environ 15°C.	Les températures de paroi intérieures sont plus élevées : environ 17°C.

Ligne de flux de chaleur

Situation n°1	Situation n°2

La chaleur s’échappe de manière importante par la discontinuité dans l’isolant.	La chaleur s’échappe de manière relativement identique par toutes les parties du mur.

Isolation par l’extérieur – Pourtour de baie vitrée

Situation n°1	Situation n°2

L’isolant n’est pas prolongé à l’intérieur de la baie.	L’isolant est prolongé à l’intérieur de la baie.

Situation n°1	Situation n°2

Les températures de paroi intérieures sont d’environ 16°C.	Les températures de paroi intérieures sont plus élevées : environ 18°C.

Situation n°1	Situation n°2

La chaleur s’échappe de manière importante par le retour de baie non isolé.	La chaleur s’échappe de manière relativement identique par toutes les parties du mur.

Posted By : Sylvie 26 Oct, 2007

Condensation : généralités

La condensation se produit si, à un endroit, la pression partielle de vapeur devient égale à la pression de vapeur de saturation correspondant à la température régnant
à cet endroit.

Posted By : 25 Sep, 2007

Inertie thermique

Les matériaux lourds de la construction tels que béton, brique, pierre, etc. ont une grande capacité à stocker de la chaleur. Le rayonnement solaire irradiant une paroi de brique ou de béton est, en partie, absorbé par celui-ci, transformé en chaleur et accumulé en son sein.
Cette paroi peut aussi prendre de la chaleur à de l’air plus chaud qu’elle.
La chaleur sera restituée dès que la température de l’air environnant est plus basse que celle de la surface du matériau (par convection) ou/et dès que la température de surface d »objets avoisinants descend en-dessous de celle de la paroi en question (par rayonnement).

L’inertie thermique peut simplement être définie comme la capacité d’un matériau à stocker de la chaleur et à la restituer petit à petit. Cette caractéristique est très importante pour garantir un bon confort notamment en été, c’est-à-dire pour éviter les surchauffes.

Cette capacité permet de limiter les effets d’une variation « rapide » de la température extérieure sur le climat intérieur par un déphasage entre la température extérieure et la température de surface intérieure des murs et par amortissement de l’amplitude de cette variation. Un déphasage suffisant permettra par exemple que la chaleur extérieure « n’arrive » qu’en fin de journée dans l’habitat, période où il est plus facile de le rafraîchir grâce à une simple ouverture des fenêtres.

L’inertie thermique d’un matériau est évaluée à l’aide des deux paramètres suivants :

la diffusivité : α = λ / (ρ * c) [m²/s]
l’effusivité : E = √ (λ * ρ * c) [ J.K^-1.m^-2.s^-1/2]

où :

ρ la masse volumique du matériau en [kg.m^-3]
c la capacité thermique massique du matériau en [J.kg^-1.K^-1]

Physiquement, la diffusivité thermique détermine la vitesse avec laquelle la température d’un matériau va évoluer en fonction des sollicitations thermiques extérieures.

L’effusivité d’un matériau est sa capacité à échanger de l’énergie thermique avec son environnement. Lorsqu’on marche sur du sable chaud, on ressent une sensation de brûlure. Le sable impose sa température à notre corps, de manière plus importante que notre corps impose sa température au sable, car il possède une plus grande effusivité que le pied.

Pour garantir le confort d’été (éviter les surchauffes) on essaiera d’utiliser un matériau possédant les caractéristiques suivantes :

une faible diffusivité, pour que l’échange d’énergie thermique entre le climat extérieur et le climat intérieur se fasse le plus lentement possible (inertie en transmission).
une forte effusivité thermique pour que le mur stocke au maximum la fraîcheur dans les éléments en contact avec l’intérieur du bâtiment (inertie par absorption).

Exemple de l’évolution des températures intérieures lors d’une journée d’été dans un bâtiment à forte inertie et dans un bâtiment à faible inertie.

Posted By : 25 Sep, 2007

Casse thermique

Ce phénomène concerne essentiellement les vitrages absorbants et éventuellement les vitrages réfléchissants dont la température peut augmenter plus fort que celle des vitrages clairs.

Le verre en chauffant aura tendance à se dilater comme n’importe quel autre corps.
Cependant, pris dans la feuillure du châssis, les bords du vitrage se réchaufferont plus lentement et se dilateront donc moins.

Cette différence de dilatation peut induire des contraintes internes dans le vitrage et occasionner sa rupture : c’est ce que l’on appelle la casse thermique.

Une casse thermique se reconnaît généralement par le fait que les fissures démarrent perpendiculairement au bord du vitrage.

On dit qu’il y a risque de casse thermique lorsque les conditions d’utilisation ou de mise en œuvre du vitrage peuvent entraîner des différences de température supérieures à 30°C.

Lorsqu’un tel risque se présente, il est conseillé d’utiliser des verres trempés, dont la résistance aux chocs thermiques est quatre à cinq fois plus grande que celle du verre ordinaire. Ils peuvent en effet résister à un différentiel de température de 200°C.

Cependant d’autres précautions peuvent être prises pour éviter les chocs thermiques :

Éviter les ombres portées sur le vitrage.

Utiliser des châssis à coupure thermique isolés de la maçonnerie.

Permettre à l’air de circuler entre les stores intérieurs ou extérieurs et le vitrage.

On veillera à ne pas placer les bouches de chauffage ou de conditionnement d’air trop près du vitrage et ne pas diriger le flux d’air vers celui-ci.

Posted By : 25 Sep, 2007

Facteur de température

Le facteur de température τ d’une paroi

Définition

Le facteur de température τ d’une paroi d’un local détermine la différence entre la température intérieure de surface (η_oi) en un point quelconque de la surface intérieure et la température extérieure (η_e) lorsque la différence de température entre l’ambiance intérieure (η _i) et l’ambiance extérieure (η_e) du local est égale à 1 K.

(1)

Exemple :

Le facteur τ caractérise une paroi :

Soit,
R_m : la résistance thermique de la paroi entre ses deux faces.
R_T : la résistance thermique totale de la paroi (R_T= R_m+ R_e + R_i).

où,

R_e: la résistance thermique d’échange superficiel d’une surface extérieure.
R_i : la résistance thermique d’échange superficiel d’une surface intérieure.

Si nous représentons en abscisse la résistance thermique des différentes partie de la paroi (au lieu de son épaisseur), l’évolution de la température est donnée par une droite reliant les points dont les coordonnées sont (0,η_e) et (R_T,η_i).

Evolution de la température dans une paroi de résistance thermique Rm pour une température intérieure η_i

Il résulte de la figure ci-dessus que :

Le facteur de température τ exprimé de cette façon est indépendant des condition réelles de température (η_i et η_e) et il est donc entièrement déterminé par une configuration (matériaux et épaisseur) de paroi.
Le facteur de température τ caractérise donc une paroi ou n’importe quel élément de construction !

Calcul du coefficient de transmission thermique U d’une paroi à partir des températures ambiantes et de surface

	=
	=>
	=
	=

0,125 U	=
	=
	=
	=

U =

Paramètres qui influencent la température intérieure de surface (η_oi) de la paroi :

Les deux schémas ci-dessous montrent que pour une température extérieure (η_e) donnée, la température intérieure de surface des parois (η_oi) augmente lorsque :

La température intérieure augmente.
On constate, en effet, que pour η_i2 >η_i1 :
η_{oi 2A} > η_{oi 1A}
et η_{oi 2B} > η_{oi 1B}

La résistance thermique de la paroi augmente.
On constate, en effet, que :
et η_{oi 1B} > η_{oi 1A} pour η_i1
et η_{oi 2B} > η_{oi 2A pour ηi2}

Evolution de la température dans les deux parois A et B de résistance thermique Rm différente (RmA < RmB) pour deux valeurs de température intérieure ηi (ηi2 >ηi1).

Le facteur de température t d’un élément de construction ou d’un pont thermique

Le facteur de température (τ) en un point d’un détail constructif ou d’un pont thermique est la différence entre la température intérieure de surface (η_oi) en ce point et la température extérieure (η_e) lorsque la différence de température entre l’ambiance intérieure (η_i) et l’ambiance extérieure (η_e) du local est égale à 1 K.

Or, comme montré ci-dessus, le facteur de température τ est indépendant des condition réelles de température (η_i et η_e) : il est entièrement déterminé par la configuration (matériaux et épaisseur) du détail constructif. La connaissance de la configuration précise d’un détail constructif nous suffit donc pour calculer le facteur τ en plusieurs points.

Exemple.

τ₁ = 0,585;
τ2 = 0,8;
τ3 = 0,91;
τ4 = 0,455;
τ5 = 0,61;
τ6 = 0,55;
τ7 = 0,6;
τ8 = 0,84.

Remarques.

Au droit d’éléments de construction ou de ponts thermiques complexes, il est difficile de calculer les facteurs de température manuellement. Ces calculs se font par programmes informatiques (basés, par exemple, sur la méthode des éléments finis ou des différences finies). Les facteurs de température ci-dessus ont été calculés à l’aide du programme KOBRU 82.

Pour les calculs des facteurs de température, comme condition limite supplémentaire, on a supposé que le pont thermique est caractérisé par une valeur de résistance d’échange thermique superficiel intérieur (R_i) d’environ 0,2 m²K/W (au lieu de R_i = 0,125 m²K/W), pour tenir compte du fait que les ponts thermiques les plus nuisibles se situent généralement dans les angles des locaux ou derrière des meubles où l’apport de chaleur venant du local peut se faire moins facilement.

De nombreux ponts thermiques tels que celui repris ci-dessus, ont été calculés. Les résultats sont sont repris dans la NIT 153.

Le facteur de température minimum (τ_min) d’un détail constructif ou d’un pont thermique est la différence entre la température intérieure de surface minimum (η_{oi min}) du détail constructif et la température extérieure (η_e) lorsque la différence de température entre l’ambiance intérieure (η_i) et l’ambiance extérieure (η_e) du local est égale à 1 K.

τ_min caratérise le détail constructif ou le pont thermique !

Exemple.

τmin = τ4 = 0,455

Posted By : 25 Sep, 2007

Désordres thermiques

Qu’est-ce qu’un désordre thermique ?

Sous l’effet de la chaleur, les matériaux utilisés dans les bâtiments se dilatent. En se refroidissant, ils se contractent.

L’ importance de la dilatation est proportionnelle à la température et varie d’un matériau à l’autre.

Si le matériau peut se dilater librement, il n’entraînera pas de contraintes internes dans les éléments constitutifs du bâtiment.

Dans le cas contraire, et lorsque les variations de température sont importantes, lorsque les différences de températures entre éléments constitutifs sont importantes, ou lorsque les coefficients de dilatation varient fortement d’un matériau à l’autre, des contraintes excessives amèneront des désordres, sous forme de déformation ou de rupture.

La rupture ou la déformation peuvent apparaître :

soit dans le matériau lui-même,
soit au joint avec un autre matériau,
soit aussi dans un élément voisin dont la résistance mécanique est plus faible.

Coefficients de dilatation thermique des matériaux.

Le cas des toitures plates

Un toit plat sans isolation thermique est déjà fortement sollicité par les variations de la température en sa partie supérieure. Les tensions thermiques sont cependant tempérées par la chaleur provenant de l’intérieur du bâtiment.

Si la toiture est isolée, et que l’isolant est correctement placé sur la face extérieure de la toiture (toiture chaude ou toiture inversée), celle-ci bénéficie de la stabilité de température intérieure du bâtiment. Les contraintes thermiques deviennent alors négligeables.

Par contre, si l’isolant est placé sous la face intérieure de la toiture, les variations thermiques sont augmentée, et le support ou le béton de pente subissent donc des chocs thermiques importants et peuvent se fissurer. Il peuvent également entraîner des désordres dans les parois latérales contiguës et dans la membrane d’étanchéité.

Le cas des métaux

Certains accessoires de toiture comme les finitions de rives, les évacuations, etc., sont réalisés en métal.

Comme tous les matériaux, les métaux se dilatent à la chaleur.

Des joints de dilatation doivent donc être prévus lorsque les pièces dépassent certaines longueurs.

Posted By : 25 Sep, 2007

Echange thermique par rayonnement

Définitions

Le rayonnement thermique d’un corps est la quantité d’énergie qu’il cède sous forme d’ondes électromagnétiques comprises entre 0,04 et 800 μm. C’est dans le domaine de l’infrarouge (800 nm et 800 μm) que l’énergie calorifique sous forme de rayonnement est la plus importante.

La loi de Stefan-Boltzman exprime la quantité d’énergie rayonnée par une surface dans toutes les directions et pour toutes les longueurs d’onde :

E = C x (T/100)⁴ [W/m²]

avec :

E = émittance énergétique pour un corps noir;
C = coefficient de rayonnement du corps considéré [W/m².K⁴];
T = température absolue [K].

Cette formule n’est pas pratique et ne reflète pas la réalité. Pour les meubles frigorifiques notamment, ce qui est plus intéressant est l’échange de chaleur entre deux surfaces. Dans ce cas, la surface ouverte du meuble, où les températures des denrées sont fort différentes des températures des surfaces environnantes (plafond par rapport à la surface limite d’une gondole), échange de la chaleur rayonnante selon la formule suivante :

Q_ray = hro x A (t_paroi – t_i) x φ₁ x φ₂ [W]

avec :

hro = coefficient d’échange par rayonnement entre deux corps noirs[W/m².K]. (Ce coefficient en froid alimentaire est de l’ordre de 4-6 W/m².K) ;
A = la surface ouverte du meuble frigorifique [m²]
t_paroi = température des parois rayonnant vers les parois intérieures au meuble [°C];
t_i = température des parois recevant le rayonnement [°C];
φ₁ = facteur de correction d’émissivité mutuelle entre deux corps gris parallèles (qui n’absorbent pas 100 % du rayonnement contrairement aux corps noirs). 0,8 est une valeur courante;
φ₂ = facteur de correction d’angle lorsque les surfaces ne sont parallèles. φ₂ = 1 lorsque les surfaces sont parallèles et φ₂ = 0,65 pour des surfaces orthogonales.

Le coefficient d’émissivité

La capacité d’un matériau à émettre de la chaleur de manière radiative est appelée son émissivité. Ce coefficient d’émissivité ε varie en fonction de la longueur d’onde du signal émis.

Les matériaux que l’on trouve à l’intérieur d’un bâtiment, émettent typiquement des radiations sous forme de rayons infrarouges de très grande longueur d’onde.

A savoir aussi que pour une longueur d’onde donnée, le coefficient d’absorption d’un matériau est égal au coefficient d’émissivité.

Matériaux à basse émissivité

Les matériaux tels que les tôles d’aluminium ou les alliages à base d’aluminium dont les caractéristiques principales sont d’être de type poli et non anodisé ont un coefficient d’émissivité de l’ordre de :

0,1 à 0,15 pour les longueurs d’onde allant du visible à l’infrarouge lointain;

0,8 pour les longueurs d’onde dans l’infrarouge lointain. Pour ces longueurs d’onde, le matériau se comporte comme un corps noir (corps absorbant complètement la lumière visible avec ε=1).

Un matériau dont le coefficient d’émissivité est de 0.1 émettra seulement 10 % de l’énergie possible à cette température, donc absorbera seulement 10 % du rayonnement de grande longueur d’onde qui l’atteint. Autrement dit, il réfléchira 96 % du rayonnement infrarouge de grande longueur d’onde venant des plafonds ou des murs auxquels il fait face.

Attention que ce type de matériau recouvert par un vernis voit son coefficient d’émissivité augmenter en fonction de l’épaisseur. Selon les vernis et le mode de pose, l’émissivité peut varier de 0,3 à 0,96.

Il existe des matières telles que les revêtements argentés et dorés qui présentent des surfaces possédant des coefficients d’émissivité intéressants du même ordre de grandeur que les aluminiums polis non anodisés. Attention à l’état de surface et d’empoussièrement.

Matériaux à émissivité élevée

Les parois laquées (en tôle d’aluminium, d’acier, …) de couleur blanche ou grise ont un coefficient d’émissivité pouvant atteindre 0,8.

Posted By : 25 Sep, 2007

Sur-refroidissement

Par temps clair, la voûte céleste présente une température pouvant être jusqu’à 50 K plus faible que celle de l’ambiance terrestre. Une onde infrarouge quitte alors tous les corps « chauds » de la terre vers le ciel. La température de ces matériaux descend jusqu’à 10 K sous la température ambiante. L’humidité de l’air risque alors de condenser au contact de ces corps.

C’est l’origine de la rosée du matin, du givre sur la voiture.

Posted By : 25 Sep, 2007

Infiltration d’air au travers de l’enveloppe

Infiltration d'air au travers de l'enveloppe

Pourquoi l’air s’infiltre-t-il au travers d’un bâtiment ?

L’air se déplace des zones de haute pression vers les zones de basse pression, tout comme la chaleur se déplace des zones à température plus élevée vers les zones à température plus faible.
Dans un bâtiment, deux causes peuvent être à l’origine d’une différence de pression entre l’extérieur et l’intérieur :

Le vent exerce une pression sur les façades exposées et une dépression sur les façades opposées.

Le chauffage dilate l’air ambiant à l’intérieur du bâtiment et crée ainsi une surpression par rapport à l’extérieur.

La différence de pression entre l’extérieur et l’intérieur est, en général, comprise entre 0 et 100 Pa.

Trois modes de transport de l’air au travers de l’enveloppe d’un bâtiment

Le transport de l’air au travers de l’enveloppe du bâtiment se réalise de 3 manières ci-dessous :

L’air passe au travers des matériaux poreux dont les pores sont en liaison les uns avec les autres et relient l’intérieur du bâtiment à l’extérieur via des chemins tortueux.
L’air passe à travers les défauts de construction (joints de maçonnerie mal fermés, joints d’étanchéité entre la maçonnerie et les châssis défectueux, etc.).
Ce transport d’air est, en général, plus important que celui au travers des matériaux même.
L’air passe par les fuites des châssis de portes et de fenêtres (entre l’ouvrant et le dormant).
Ce transport d’air est, en général, également important même dans le cas de châssis fermant bien.

Energie Plus Le Site

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Ponts thermiques

Généralités

Pont thermique dû à des contraintes constructives

Pont thermique dû à des contraintes géométriques

Dépenses énergétiques provoquées par les ponts thermiques

Inconfort sur le plan de l’hygiène provoqué par les ponts thermiques

Détérioration des matériaux provoquée par les ponts thermiques

Analyse des effets des ponts thermiques sur les flux de chaleur au travers d’une paroi

Isolation par l’extérieur d’un mur avec descente d’eau pluviale

Situation

Dessin des isothermes

Ligne de flux de chaleur

Isolation par l’extérieur – Pourtour de baie vitrée

Condensation : généralités

Inertie thermique

Casse thermique

Facteur de température

Le facteur de température τ d’une paroi

Définition

Calcul du coefficient de transmission thermique U d’une paroi à partir des températures ambiantes et de surface

Le facteur de température t d’un élément de construction ou d’un pont thermique

Désordres thermiques

Qu’est-ce qu’un désordre thermique ?

Le cas des toitures plates

Le cas des métaux

Echange thermique par rayonnement

Définitions

Le coefficient d’émissivité

Matériaux à basse émissivité

Matériaux à émissivité élevée

Sur-refroidissement

Infiltration d’air au travers de l’enveloppe

Pourquoi l’air s’infiltre-t-il au travers d’un bâtiment ?

Trois modes de transport de l’air au travers de l’enveloppe d’un bâtiment

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