6/9/2017 Lathermiquedubtiment

La thermique du btiment
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Prambule:

Ce cours ralis avec lappui de Marc Delorme, thermicien Inter Fort Bois 42, a pour objectif de prsenter la
problmatique de la thermique du btiment et de ses implications.

Suite au Grenelle de lenvironnement, ce cours devient un point trs important de votre formation. Vous serez
amens tout au long de votre carrire professionnelle retravailler la thermique pour affiner vos connaissances et
amliorer votre matrise de cette problmatique.

Pour bien relativiser limportance du cours qui va suivre, vous devez comprendre que cest en fonction de la
performance thermique dsire que vous serez amens dterminer vos parois dossature et non linverse.

Il est noter qu la rdaction de ce cours, 50% des malfaons dans le btiment concernent le constructif bois
mais le constructif bois ne reprsente que 5 7% du btiment. Il est donc urgent de parvenir matriser cette
problmatique.

Problmatique

a - Les crises nergtiques

Plus de trente ans aprs le premier choc ptrolier, les perspectives dune crise nergtique se profilent de
nouveau lhorizon, les gisements dnergies fossiles se rarfient et les cots des nergies augmentent. Les conomies
dnergie sont de nouveau au cur de lactualit et des proccupations.

cet enjeu nergtique sajoute lenjeu environnemental, on constate que les climats la surface de la Terre
sont bouleverss sous leffet dune accumulation excessive de gaz effet de serre dans latmosphre.

Le btiment est au cur de cette problmatique nergtique et environnementale. En Europe, ce secteur

reprsente environ la moiti de la consommation nergtique totale (dont 60 % pour le chauffage et la climatisation) et
des rejets de CO2. On peut ds maintenant mettre en uvre des solutions pour rduire la consommation dnergie et les
missions de CO2. La division par quatre de ces missions est dores et dj techniquement faisable et conomiquement
viable.

Une condition incontournable de russite rside dans la conception du btiment et dans la qualit de son
enveloppe pour rduire le besoin de chauffage.

b - Do part-on,o va-t-on ?

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c - Les dperditions travers lenveloppe du btiment

Comme on peut le voir sur ce schma, les

dperditions travers lenveloppe dun btiment se
situent tous les niveaux. Il sera donc important
den tenir compte chaque instant de la
conception. .

d - Les apports dnergie dans le btiment

Apports intrieurs : le chauffage est une source

importante des apports intrieurs, on prendra un soin tout
particulier au rendement nergtique du systme de
chauffage. La respiration et le rayonnement humains,
llectromnager et le multimdia sont aussi des sources
potentielles dapport nergtique.

Apport extrieur : le rayonnement solaire est une

source importante dapport nergtique. Les choix de
lorientation et des menuiseries deviennent primordiales dans
la dynamique nergtique.

Quelques dfinitions
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a - La temprature

La temprature d'un systme est une fonction croissante du degr d'agitation thermique des particules, c'est--
dire de son nergie thermique. Elle est dfinie par l'quilibre de transfert de chaleur avec d'autres systmes.
Par exemple, quand l'agitation est faible, l'objet est froid au toucher. Cette sensation est due un transfert de
chaleur des doigts vers l'objet. Elle se mesure au moyen d'un thermomtre

b - Degrs Celsius / Kelvin

Un degr Celsius ou un Kelvin reprsente la mme quantit de chaleur. Le zro des degrs Celsius correspond au
point de conglation de leau. Le zro des Kelvins reprsente la valeur de la temprature la plus basse possible, cest
dire le zro absolu. Lchelle des Kelvins dmarre au zro absolu et se trouve dcale vers le bas denviron 273 units par
rapport lchelle des degrs Celsius.

Depuis 1967, on ne parle

plus de degr Kelvin mais
de Kelvin seulement.

Courbe saturation de l'eau

dans l'ai

Annexes

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c - La thermique

La thermique est la partie de la science qui traite de la production d'nergie, de l'utilisation de l'nergie pour la
production de chaleur ou de froid. Cest le mode de transfert de chaleur provoqu par une diffrence de temprature. La
temprature d'un systme est une fonction croissante du degr d'agitation thermique des particules. Un thermicien est
un spcialiste de la thermique.

d - Distinction nergie / puissance

Il faut distinguer lnergie qui caractrise la capacit produire des actions, modifier la temprature d'un corps
ou transformer la matire et qui se mesure en kWh de la puissance qui est l'nergie fournie un systme par un autre
par unit de temps qui elle se mesure en kW.

e - Energie / consommation dnergie

Dans la thermique du btiment, la priode de consommation dnergie est gnralement lanne. La quantit
dnergie consomme est mesure en kWh. On peut ramener cette mesure la combustion de X kg ou X m3 de
combustible.

Quelques ordres de grandeur retenir :

1 litre de fuel 10 kWh

1 m3 de gaz naturel10 kWh
1 kg de bois sec 4,5 kWh

Diffrents modes de transfert dnergie thermique

a - Le rayonnement thermique

Un corps chauff met de l'nergie sous forme de rayonnement lectro-magntique. Une des particularits de ce
rayonnement dit "thermique" est qu'il peut se propager dans le vide. Le rayonnement est caractris par une densit
d'nergie et un spectre (rpartition de l'nergie suivant la longueur d'onde). Le rayonnement thermique se dplace vers
les courtes longueurs d'ondes quand la temprature du corps augmente. Cest le cas de lacier dont la variation de
temprature est visible lil. Il peut suivant la temprature bleuir en usinage (300), rougir lors dun traitement
thermique (700), jaunir vers 1100 et blanchir avant la fusion (1500).

b - La conduction thermique

La conduction thermique est le mode de transfert de chaleur provoqu par une diffrence de temprature. La
temprature d'un systme est une fonction croissante du degr d'agitation thermique des particules. Cest le mode de

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transfert de chaleur provoqu par une diffrence de temprature entre deux rgions d'un mme milieu ou entre deux
milieux en contact sans dplacement. C'est l'agitation thermique qui se transmet de proche en proche, une molcule ou un
atome cdant une partie de son nergie cintique son voisin et ainsi de suite. Au niveau microscopique, on retiendra
comme image que plus la temprature du corps est leve, plus l'agitation thermique responsable de l'mission est
leve.

c - La convection thermique

La convection implique le transport de la chaleur par une partie d'un fluide qui se mlange avec une autre partie. La
convection concerne exclusivement les fluides (gaz ou liquides) et prend sa source dans un transport macroscopique de
matire. 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 situ en bas s'abaisse (car celui
ci est plus chaud) et le fluide s'lve pour tre remplac par du fluide plus lourd situ plus haut. La convection tente de
s'opposer 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 annihile.

Performance nergtique dun btiment

a -Quantification des principales dperditions nergtiques

b - Les combles et la toiture

Les combles et la toiture constituent la 1re zone de perte de chaleur (30%) et doivent tre isols en priorit,
l'air chaud monte et si la toiture ou les combles sont mal isols, les pertes nergtiques sont importantes.

De plus l'isolation des combles et des toits est souvent assez simple raliser notamment si elle peut se faire par
les combles, ce qui est le cas le plus frquent.

c - Les parois verticales: le mur manteau

Pour viter au maximum les dperditions de chaleur, il est important que les murs soient bien isols jusqu 25% des
pertes de chaleur peuvent schapper par les murs. Aprs le toit, les murs sont la deuxime source de perte de chaleur
(20-25%). Les murs exposs vers le Nord sont prioritaires car peu ensoleills. Les murs exposs vers l'Ouest
ncessitent galement une protection contre l'humidit car ils sont fortement victimes de pluie.

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Le mur manteau consiste envelopper la structure verticale dun btiment par un isolant plac en continu
lextrieur. De cette faon, les ponts thermiques sont supprims au droit des planchers d'tage, nanmoins la gestion des
ponts thermiques au niveau des sols et des raccords de toitures restent des points sensibles.

d - Les menuiseries extrieures

Environ 13 15% de la chaleur s'chappe d'une

fentre peu ou mal isole. Isoler les fentres est une
priorit conomique et cologique. La qualit de la
structure de la menuiserie est trs importante, une
fentre bas de gamme finit par mal fermer et mal isoler.
Le choix du matriau est moins dterminant sur des
menuiseries de qualit, le PVC, le bois ou l'aluminium sont
trs rpandus.

e - Les ponts thermiques

Il sagit dune discontinuit dans lisolation qui est due la structure du btiment et qui peut reprsenter jusqu 5
7% des dperditions. Les ponts thermiques sont des points faibles dans l'isolation thermique de l'enveloppe du
btiment. A ces endroits, en hiver, la temprature superficielle de l'enveloppe est plus basse que celle des surfaces
environnantes.

Les ponts thermiques dcoulent, en gnral de contraintes constructives et gomtriques, ils vont provoquer des
dpenses nergtiques, un inconfort sur le plan de l'hygine et une dtrioration progressive des matriaux.

Contraintes constructives

Les matriaux isolants ont gnralement des capacits limites

en matire de rsistance aux contraintes mcaniques. Le principe de la
continuit de la couche isolante n'a pas t respect, ou n'a pu l'tre
dans certains cas, certains endroits.

Il s'agit par exemple d'ancrages ou d'appuis entre d'lments

situs de part et d'autre de la couche isolante de la paroi. L'isolant
tant localement absent, le flux de chaleur est sensiblement plus
dense dans ces parties de la paroi.

Contraintes gomtriques

Ce type de pont thermique est d la forme de l'enveloppe. A cet endroit,

la surface de la face extrieure est beaucoup plus grande que la surface de la
face intrieure. La surface chauffe (intrieure) est plus petite que la surface
de refroidissement (extrieure).

f - Le sol

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Environ 7 10% des pertes de chaleur peuvent seffectuer par le sol. Un revtement (plancher, moquette) est dj
un isolant, mais il ne suffit pas. Il est ncessaire disoler en fonction du type de sol.

La meilleure solution est de crer un vide sanitaire de 20 50 cm de hauteur entre votre sol et la terre ventil
sous les sols. Cest une bonne solution pour isoler parfaitement et viter les ventuels problmes d'humidit
(coulements d'eau, etc.).

Le vide sanitaire permet de prvenir bon nombre de problmes d'humidit (coulement d'eau etc.). Cependant, il
est impratif de bien le ventiler. Dans ce cas l'isolant doit tre pos sous le sol.

Dans le cas d'une dalle sans vide sanitaire,

g - Le renouvellement de lair

Le renouvellement de lair doit tre suffisant du point de vue de lhygine, mais il doit tre le plus rduit possible
pour viter les dperdition nergtique dues lair chaud. Pour ce on privilgiera les ventilations double flux dair qui
sont munies dun changeur thermique air/air.

Calcul du bilan nergtique dun btiment

a - La conductivit thermique:

La conductivit thermique (lambda) est la puissance (en Watts) qui

traverse 1 m de paroi sur 1 mtre dpaisseur, lorsquelle est soumise
une diffrence de temprature de 1 C. Elle se mesure en W/m C

Loi de Fourier

Le transfert de chaleur spontan d'une rgion de temprature leve

vers une rgion de temprature plus basse obit la loi dite de Fourier. La densit
de flux de chaleur est proportionnelle au gradient (variation) de temprature.

La constante de proportionnalit est la conductivit thermique . Cest une grandeur physique intrinsque dun
matriau caractrisant son comportement. Elle est toujours positive et cest une caractristique indpendante de
lpaisseur du matriau.

Avec les units du systme international, la conductivit thermique s'exprime enJ.m-1.K-1.s-1 ou, soit des
W/m.K.

Ordres de grandeur

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Remarques:
- Lair est un trs bon isolant mais condition dtre immobilis. Lair en mouvement vacue la chaleur.
- Il y a un rapport
de 1 10 entre la conductivit thermique du bois et celle du bton.
de 1 37 entre la conductivit thermique dun isolant et celle du bton,
de 1 1300 entre la conductivit thermique dun isolant et celle de lacier,

Quelques exemples choisis de conductivit thermique

b - La rsistance thermique: R

La capacit d'un matriau rsister au froid et au chaud est

appele rsistance thermique ou R. Cet indicateur exprime la
capacit d'un matriau rsister au froid et au chaud. Plus R est
lev, plus le produit est isolant.

Exprim en m.K/W, l'indice R s'obtient par le rapport de

l'paisseur en mtres sur la conductivit thermique du matriau.

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R value la conductivit du matriau pour une paisseur donne.

Le nouveau refuge du goter 3885 mtres

daltitude au dessous du Mont-Blanc est construit
en ossature bois. Avec des vents pouvant aller
jusqu 150 km/heure et des tempratures pouvant
atteindre les 40 lpaisseur disolation ncessaire
pour rsister est de lordre de 50 cm.

Attention, dans la pratique on ne peut pas se contenter de comparer les rsistances thermiques des diffrents
matriaux, car les R sont donns pour une paisseur gale.

Or ce que nous dit le R, c'est que justement, vous n'aurez pas besoin de la mme paisseur de brique que de laine de
verre. Un mur de brique de 30 cm d'paisseur a la mme rsistance thermique que 1 cm de laine de verre.

c - La rsistance thermique d'change superficiel (Rsi et Rse)

La transmission de la chaleur de l'air ambiant une paroi et vice versa se fait la fois par rayonnement et par
convection.

hi, le coefficient d'change thermique superficiel entre une

ambiance intrieure et une paroi est la somme des quantits de
chaleur transmise entre une ambiance intrieure et la face
intrieure d'une paroi, par convection et par rayonnement, par unit
de temps, par unit de surface de la paroi et pour un cart de 1K
entre la temprature de la rsultante sche de l'ambiance et la
temprature de surface.

hi s'exprime en W/mK et Rsi, la rsistance thermique d'change d'une surface intrieure est gale l'inverse du
coefficient d'change thermique de surface intrieure hi.

Rsi= 1/hi et de la mme faon on dtermine Rse = 1/he

Quelques exemples de rsistance thermique d'change superficiel

Rsi Rse
Valeurs de Ri et Re Rsi+Rse
mK/W mK/W
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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

d - Rsistance thermique totale: Rt

La rsistance thermique totale est gale la somme des rsistances des parois et des rsistances superficielles.

RT = Rsi + R1 + R2 + R3 + Rse

e - Coefficient de dperdition thermique: Up

La dperdition thermique surfacique d'une paroi reprsente linverse de la rsistance thermique totale.

Up = 1/ Rt.

Up est le symbole de la dperdition thermique surfacique d'une paroi. Cest la puissance qui traverse 1m de
surface pour une diffrence de temprature de 1C entre lintrieur et lextrieur (W/mK).

Elle se mesure en prenant en compte la rsistance thermique de la paroi et la somme des rsistances
superficielles intrieures et extrieures.

Up s'exprime en W/m2.K. Plus la dperdition thermique Up est faible, plus la paroi est performante
thermiquement.

Les dperditions par transmission sont proportionnelles au coefficient Up, diviser Up par 2 divise par 2 les
dperditions.

Quelques exemples:

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f - Le degr jour / degr jour unifi

Pour un lieu donn, le degr jour (DJ) est une valeur reprsentative de lcart entre la temprature dune journe
donne et un seuil de temprature prtabli.

Il sert valuer les dpenses en nergie pour le chauffage ou la climatisation. Les cumuls de degrs jour
sobtiennent de faon simple en additionnant les degrs jour quotidiens, sur la priode de cumul souhaite : semaine, mois
ou priode quelconque. La dfinition des Degrs Jours la plus simple est celle du Costic (Centre dEtude et de Formation
Gnie Climatique):

"Pour un lieu donn , le Degr Jour est une valeur reprsentative de lcart entre la temprature dune journe
donne et un seuil de temprature prtabli."

Degr jour = 18 (Tmoyen)

On utilise les degrs-jours-unifis (DJU) pour calculer les consommations de chauffage dune anne sur lautre
ce qui permet de connaitre le degr de svrit d'un hiver dans un lieu donn et de raliser des estimations de
consommations d'nergie thermique en proportion de la rigueur de l'hiver. Les DJU sont additionns sur une priode de
chauffe de 232 jours allant du 1er octobre au 20 mai. Les degrs-jours sont calculs a partir de relevs de tempratures
extrieures tablies par Mto France sous forme de bases de donne annuelle ou trentenaire gnralement sur une
base de 18C (d'o l'appellation DJU-base 18).

DJU = DJU18 = (18-temprature moyenne)

Lorsque la temprature moyenne du jour est suprieure ou gale 18C, l'cart est compt comme nul.

En France, le total annuel moyen va de 1400 DJU pour la cte Corse 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 mtropolitain.

Exemples: Saint Etienne une altitude de 500 m les DJU = 2900 degrs jours. Laugmentation des degrs-jours est
denviron 125 pour 100 m de dnivel.

g - Bilan thermique dun btiment

Besoin de chauffage

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Remarque, le total des dperditions est gal au total des apports.

Consommation de chauffage

La consommation pour les besoins de chauffage dpendra du rendement du systme de chauffage.

Dperditions sur une priode (nergie)

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