Master I: Architecture et Environnement

Matière: Sciences Pour L’architectureO

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COURS N° 01KRA

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COURS N° 01Deuxième partie

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PHYSIQUE DE LA CHALEUR

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SZOKOLAY S. V., Introduction to Architectural Science. The Basis of Sustainable Design.Architectural Press, AMSTERDAM, BOSTON, HEIDELBERG, LONDON, NEW YORK, OXFORD, PARIS,SAN DIEGO, SAN FRANCISCO, SINGAPORE, SYDNEY, TOKYO, 2008.

LIÉBARD A & DE HERDE A Ed Traité d'Architecture et d'Urbanisme Bioclimatiques Obser’ER OLO

GIE

LIÉBARD A. & DE HERDE A.,Ed. Traité d Architecture et d Urbanisme Bioclimatiques, Obser ER,Paris, 2005.

CHATELET Alain, FERNANDEZ Pierre, LAVIGNE Pierre, Architecture climatique, une contributionau développement durable, Edisud, Aix‐en‐Provence, 1998.

KRA

A TE

CHN

OEC

TURE

COURGEY Samuel, OLIVA Jean‐Pierre, La conception bioclimatique. Des maisons confortables etéconomes, Edition terre vivante, Mens, 2006/2007. (cote : AV4/99)

OLIVA J‐P., L’isolation écologique, conception, matériaux et mise en œuvre, Edition terrevivante Mens 2001 E

DE

BISK

ET D

E LA

’ARC

HIT

E

vivante, Mens, 2001.

GIVONI B., L’homme, l’architecture et le climat, Éditions du Moniteur, Paris, 1978.

CNAM Paris – Ergonomie – Cours B1 – M. Millanvoye ‐ 2002‐2003.

LIEBARD A & DE HERDE A G id d l’ hit t bi li ti Editi S tè l i

IVER

SITE

CIEN

CES

EMEN

T D

LIEBARD A. & DE HERDE A., Guide de l’architecture bioclimatique, Edition Systèmes solaires,Paris, 2002.

MOREL N. & GNANSOUNOU E., Energétique du bâtiment, nouvelle édition du coursprécédemment donné par Claude‐Alain Roulet et Arnaud Dauriat, Ecole polytechnique fédérale

UN

TE D

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EPAR

TE

de Lausanne, Lausanne, 2008.

TIXIER N., Bases physiques, Cours d’environnement thermique et maîtrise énergétique, Ecoled’architecture de Grenoble. (Disponible sur: www.grenoble.archi.fr/etudes/cours‐en‐ligne‐detail php?ref=tixier‐ambiances‐thermiques)

FACU

LT

detail.php?ref tixier ambiances thermiques)

TIXIER N., L’air en mouvement, Cours d’environnement thermique et maîtrise énergétique, Ecoled’architecture de Grenoble. (Disponible sur: www.grenoble.archi.fr/etudes/cours‐en‐ligne‐detail.php?ref=tixier‐ambiances‐thermiques)

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurConvection 

halissa

HAMEL K

: Melle H

paré par:

Prép

(Tiré du cours  de Xitier Nicola)

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurConvection 

t f t d h l t f ti d ffi i t d ti h ( W/ 2K)

Qv = A × hc × T

transfert de chaleur est fonction du coefficient de convection, hc (en W/m2K)

m2 ×W/m2K × K = W.

halissa

L'ampleur de HC dépend de la position de la surface, la direction du flux de chaleur et la vitesse du fluide. Par exemple:• pour les surfaces verticales (flux de chaleur horizontale): hc = 3W/m2K

HAMEL K

• pour les surfaces horizontales

: Melle H

paré par:

‐Flux de chaleur vers le haut (air au plafond, le plancher à l'air ambiant) 4.3W/m2KFl d h l l b (d l' i l l f d à l' i bi t) 1 5W/ 2K

Prép

‐ Flux de chaleur vers le bas (de l'air au sol, au plafond à l'air ambiant) 1.5W/m2K 

(l'air chaud monte, le transfert de chaleur vers le haut est plus fort)

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurConvection 

halissa

Dans ce qui a précédé le débit d'air est due au transfert dechaleur uniquement. Si la surface est exposée au vent, oumécaniquement à un mouvements d'air générés (convection H

AMEL K

mécaniquement à un mouvements d air générés (convectionforcée), alors le coefficient de convection sera beaucoup plusélevé:

: Melle H

hc = 5.8 + 4.1 v où v est la vitesse d'air en m / s.

paré par:

Prép

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

Le transfert de chaleur par rayonnement se produit entre deux corps non en contact,ayant une température différente. C'est d'ailleurs le seul mode naturel de ha

lissa

y ppropagation de chaleur au travers du vide. Contrairement à la convection, ce n'estpas l'air qui transporte l'énergie mais les rayons de chaleur.

HAMEL K

Tous les matériaux rayonnent sans arrêt de l'énergie dans toutes les directions, à lasuite du mouvement continuel de vibration de leurs molécules situées en surface.Alors que le rayonnement solaire comporte essentiellement des radiations de : M

elle H

q y pcourtes longueurs d'onde émises à très hautes températures, le rayonnementthermique terrestre que nous ressentons comme échange radiatif de chaleur estprincipalement constitué de grandes longueurs d'onde et de l'infrarouge lointain, pa

ré par:

émises à une température bien inférieure.

Prép

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2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

Comportement d’un corps récepteur

halissa

Principes : tout corps récepteur reçoit un rayonnement de flux incident qui sedécompose:• En un flux réfléchi (réflexion sur la surface S)E fl t i (t i i à t l’é i ) H

AMEL K

• En un flux transmis (transmission à travers l’épaisseur e)• En un flux absorbé (absorption dans l’épaisseur e)

: Melle H

paré par:

Prép

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

C t t d’ é t

On définit alors trois rapports (sans dimension) :

Le facteur d’absorption ou absorptivité ou absorbance : α = φa / φi

Comportement d’un corps récepteur

halissa

Le facteur d absorption ou absorptivité ou absorbance : α = φa / φi

Le facteur de réflexion ou réflectivité ou réflectance : ρ = φr / φi

Le facteur de transmission ou transmittivité ou transmittance : τ = φt / φi HAMEL K

Le facteur de transmission ou transmittivité ou transmittance : τ   φt / φi

: Melle H

paré par:

Prép

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

C t t d’ é t

Comme:  φ i =   φ r +   φ a +   φ tφ i =   φ r +   φ a +   φ t

Comportement d’un corps récepteur

halissa

On a donc : α + ρ + τ = 1

HAMEL K

On peut donc définir pour un corps un α, ρ et τ pour chaque longueur d’onde ou pour un ensemble de longueurs d’ondes.

: Melle H

ρ

paré par:

α

Prép

τ

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)ρ

α

τ

P l d 3 t l t l i t t l

Comportement d’un corps récepteur

halissa

Par exemple, pour un verre de 3 mm recevant le rayonnement solaire, toute longueurs d’ondes confondues, (donc du point de vue de l’énergie) on a :

α = 0,06  ρ = 0,07  τ = 0,87Si on regarde le verre du point de vue de la lumière (en ne considérant que le H

AMEL K

Si on regarde le verre du point de vue de la lumière (en ne considérant que le rayonnement visible), on a :

α = 0,01 ρ = 0,08 τ = 0,91

Si i l : Melle H

Si τ est important, le corps est transparent

Si τ = 0 le corps est opaque

Si α est important le corps est absorbant paré par:

Si α est important, le corps est absorbant

Si ρ est important, le corps est réfléchissant

On définit un corps noir (théorique absorbe totalement le rayonnement incident)

Prép

On définit un corps noir (théorique, absorbe totalement le rayonnement incident) 

quand α = 1

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2. Le flux de chaleurR di ti

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

halissa

HAMEL K

: Melle H

paré par:

Prép

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2. Le flux de chaleurR di ti

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

halissa

HAMEL K

: Melle H

paré par:

Prép

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

C t t d’ é tt

Chaque point P d’une surface émet un rayonnement.Le corps émet une densité de flux (W / m2) que l’on nomme

Comportement d’un corps émetteur

halissa

p ( ) qémittance énergétique H.

L’émittance énergétique totale d’un corps quelconque dépend du facteur d’émission ou émissivité ( ε sans dimension) H

AMEL K

du facteur d émission ou émissivité ( ε sans dimension)

Il a été démontré (et c’est étonnant !) que l’émissivité d’un corps est égale à sonabsorptivité: : M

elle H

absorptivité:ε = α

paré par:

Prép

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

C t t d’ é ttComportement d’un corps émetteur

halissa

HAMEL K

: Melle H

paré par:

Prép

(Tiré du cours  de Xitier Nicola)

PHYS IQUE    DE     LA    CHAL EURCOURS N° 01

2 Le flux de chaleur2. Le flux de chaleur

Modes de transfert de chaleurRadiation 

(rayonnement)

Le calcul de l'échange de chaleur rayonnante est compliqué mais il est assez simple halissa

Le calcul de l échange de chaleur rayonnante est compliqué, mais il est assez simple pour l'effet qui est plus important pour les bâtiments: le rayonnement solaire. Si la densité du flux de rayonnement incident est connu (dénommé rayonnement global, G) alors le taux de chaleur radiante (solaire) entrée (input) serait: H

AMEL K

alors le taux de chaleur radiante (solaire) entrée (input) serait:

Q A G : Melle H

Qs = A × G × α               m2 ×W/m2 × sans unité = W

paré par:

Prép