Physique du Bâtiment III – Cours 1

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1 Physique du Bâtiment III – Cours 1
Introduction Physique du Bâtiment III: Aspects administratifs Enseignant: Dr Jérôme Kämpf Physicien diplômé UNIL ‘01 - Physique des hautes énergies Informaticien licencié UNIL ‘03 - Optimisation par algorithmes évolutionnaires Enseignant diplômé HEP-VD ‘05 - Physique et informatique-bureautique (sec I & II) Doctorat ès sciences EPFL ’09 - Modélisation et optimisation de la performance environnementale en milieu urbain Post-Doctorat EPFL ‘11 - Développement Urbain Durable (CitySim) Lumière Naturelle (Geronimo) Chef du groupe « Développement Urbain Durable » au LESO-PB / EPFL Toujours les mêmes assistants Support de cours à choix Examination avec ou sans test bonus Bons résultats avec les tests bonus Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Introduction Physique du Bâtiment III: Aspects administratifs Assistants: André Kostro (responsable), informaticien EPFL Stefan Mertin, physicien Universität Heidelberg (D) Support de cours: Prise de notes Polycopié Moodle Examination: Examen écrit (1h45) 2 Mini-Tests (45’) Bonus Moyenne des tests et [1, 4[ → + 0 point Bonus sur l’examen: [4, 5] → point ]5, 6] → + 1 point Echelle linéaire par morceaux, moyenne à 75% des points Toujours les mêmes assistants Support de cours à choix Examination avec ou sans test bonus Bons résultats avec les tests bonus Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Introduction Physique du Bâtiment III: Aspects administratifs Situation du cours: I et II : Principes généraux de base III : Enveloppe du bâtiment : Partie opaque IV : Enveloppe du bâtiment : Partie transparente V et VI : Bilan énergétique / gestion et stockage de l’énergie • choisir les éléments de construction en fonction des sollicitations thermiques intérieures et extérieures • établir la répartition des températures et des pressions partielles de vapeur d'eau dans un mur multicouche • évaluer et améliorer les qualités acoustiques d'une salle • choisir un élément de construction en fonction du degré de nuisance sonore et de la sensibilité au bruit et calculer son pouvoir d'isolation phonique 1h cours / 1h exercices (variable) Objectifs du cours: Toujours les mêmes assistants Support de cours à choix Examination avec ou sans test bonus Bons résultats avec les tests bonus Organisation du cours: Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Planning du cours Physique du Bâtiment III: Les parties opaques de l’enveloppe Cours Date Matière du cours 1 ← 19 septembre Flux de chaleur, valeur U 2 26 septembre Isolation des murs, bilan thermique net 3 3 octobre Ponts thermiques, pertes vers le sol 4 10 octobre Condensation superficielle 5 17 octobre Flux de vapeur, méthode de Glaser 6 24 octobre Condensation / assèchement, méthode des pascal-jours 7 31 octobre Résumé/Questions & TEST 8 7 novembre Réflexion / absorption du son, isolation acoustique 9 14 novembre Protection contre les bruits extérieurs / intérieurs 10 21 novembre Protection contre les bruits de choc, installation techniques 11 28 novembre Thermocinétique 12 5 décembre Les 4 parties sont: Physique de la fenêtre Bilan énergétique Eclairage naturel Eclairage artificiel Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Mise en perspective – réchauffement climatique Modélisation physique vs mesures rose: modèles physiques bleu: sans activité humaine noir: mesure de la température Déjà vu au cours PB III: Valeur U, R’w (indice d’affaiblissement acoustique pondéré) Gains solaires: profiter de l’énergie gratuite du soleil en hiver -> implique protection solaire en été Eclairage naturel: économies d’électricité et un bien être accru Renouvellement d’air facilité par les ouvertures des fenêtres Source: Climate Press 30, Novembre 2011, «Que valent les modèles climatiques?», proclimweb.scnat.ch Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Mise en perspective – activité humaine Corrélation entre activité humaine (consommation d’énergie) et réchauffement climatique 2011 Réduire la consommation d’énergie fossile pour endiguer le réchauffement climatique Déjà vu au cours PB III: Valeur U, R’w (indice d’affaiblissement acoustique pondéré) Gains solaires: profiter de l’énergie gratuite du soleil en hiver -> implique protection solaire en été Eclairage naturel: économies d’électricité et un bien être accru Renouvellement d’air facilité par les ouvertures des fenêtres Source: Office Fédéral de l’Energie, «Statistique globale suisse de l’énergie 2011», Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Mise en perspective – activité humaine Ménages 27.2% Industrie Services Transport Déjà vu au cours PB III: Valeur U, R’w (indice d’affaiblissement acoustique pondéré) Gains solaires: profiter de l’énergie gratuite du soleil en hiver -> implique protection solaire en été Eclairage naturel: économies d’électricité et un bien être accru Renouvellement d’air facilité par les ouvertures des fenêtres Agriculture Source: Office Fédéral de l’Energie, «Statistique globale suisse de l’énergie 2011», Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Mise en perspective – activité de l’architecte Réduction de la consommation d’énergie des «ménages» par le choix d’éléments de construction pour: Rénovation des bâtiments Création de nouveaux bâtiments à faible consommation Thème du premier bloc: Détermination du flux de chaleur à travers les parties opaques de l’enveloppe (murs et toîts) – Valeur U Se concentrer là ou les pertes sont les plus grandes: Murs extérieurs, le toit et le sol (parties opaques) Physique du bâtiment IV on regardera: - Fenêtres, manque d’étanchéité (parties transparentes) «Où disparait l’énergie dans un maison familiale typique» Source: Office Fédéral de l’Energie, «Rénovation des bâtiments», Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique Un élément opaque de construction est souvent représenté en coupe: brique intérieur intérieur isolant extérieur extérieur ① ② ③ ④ Les couches sont généralement numérotées et indicées (par exemple 𝑗=1..4) Chacune des couches opaques possède une grandeur physique qui détermine son comportement thermique: La résistance thermique 𝑅 𝑗 (m 2 ⋅K) W La résistance thermique dépend du type de matériau: solide ou fluide. Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique La résistance thermique d’un solide → conduction uniquement 𝑅 𝑗 : résistance thermique de la couche 𝑗 (m 2 ⋅K) W 𝑑 𝑗 : épaisseur de la couche 𝑗 (m) 𝜆 𝑗 : conductivité thermique de la couche 𝑗 W (m⋅K) ou conductibilité 𝑅 𝑗 = 𝑑 𝑗 𝜆 𝑗 Question: Pour avoir la même résistance thermique que 20 cm d’isolant (laine de verre), quelle épaisseur faut-il de: brique ? granit? Indice: Chercher la conductivité de: l’isolant, de la brique et du granit sur internet (wikipédia ou autre). int. Réponse: ~ 4.2 m Réponse: ~ 11 m Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur ext. 20 cm Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique La résistance thermique d’un fluide → conduction, convection et radiation 𝑅 𝑗 = 1 ℎ 𝑗 ℎ 𝑗 : conductance thermique de la couche 𝑗 W ( m 2 ⋅K) Lame d’air Couche d’air limite int. couche ⑤ ℎ 𝑖 ≐ 𝛼 𝑖 = 8 W ( m 2 ⋅K) ℎ 𝑒 ≐ 𝛼 𝑒 = 25 W ( m 2 ⋅K) ℎ 3 ≐Λ=6 W ( m 2 ⋅K) Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur couche ⓪ ext. ① ② ③ ④ conduction 1/3 rayonnement 2/3 convection pouvant être importante à l’extérieur (vent) → valeurs standard pas de convection (air immobile) Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique La résistance thermique totale d’un élément opaque de construction 𝑅 𝑡𝑜𝑡 = 1 ℎ i + 𝑗=1 𝑛 𝑅 𝑗 ℎ e 𝑛: nombre de couches de l’élément opaque ℎ 𝑖/𝑒 : conductance thermique de la couche d’air limite intérieure / extérieure W ( m 2 ⋅K) Exemple: Mur simple Nous obtenons: int. 𝑅 𝑡𝑜𝑡 = 𝑗=1 4 𝑅 𝑗 ℎ 𝑖 = 8 W ( m 2 ⋅K) ℎ 𝑒 = 25 W ( m 2 ⋅K) Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur ext. (Exercice Série 1) ① ② ③ ④ Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Détermination de flux de chaleur – rappel sur le flux de chaleur spécifique 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 intérieur extérieur Le flux de chaleur spécifique 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 à travers un élément opaque de l’enveloppe se calcule de la manière suivante: 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 : flux de chaleur spécifique de l’intérieur vers l’extérieur 𝑊 𝑚 2 𝑈: valeur U ou conductance de l’élément 𝑊 𝑚 2 𝐾 𝜃 𝑖/𝑒 : température intérieure / extérieure (°C ou K) 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 =𝑈⋅( 𝜃 𝑖 − 𝜃 𝑒 ) ordre important 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 =− 𝐽 𝑠,𝑒→𝑖 Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur Interprétation: 𝑅 𝑡𝑜𝑡 ↗ ⟹𝑈↘ ⟹ 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 ↘ avec: 𝑈= 1 𝑅 𝑡𝑜𝑡 Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Résumé Le flux de chaleur 𝐽 𝑖→𝑒 donné en (W) se calcule: 𝐽 𝑖→𝑒 = 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 ⋅𝑆=𝑈⋅ 𝜃 𝑖 − 𝜃 𝑒 ⋅𝑆 𝑅 𝑡𝑜𝑡 = 1 ℎ i + 𝑗=1 𝑛 𝑅 𝑗 ℎ e avec: 𝑈= 1 𝑅 𝑡𝑜𝑡 et: où 𝐽 𝑠,𝑖→𝑒 est le flux de chaleur spécifique donné en (W/ m 2 ) Interprétation: Si 𝜃 𝑖 − 𝜃 𝑒 est importante (climat «froid» ou «chaud») → deux actions possibles pour minimiser 𝐽 𝑖→𝑒 : Diminuer 𝑈 ( 𝑅 𝑡𝑜𝑡 ↗ par isolation des bâtiments) – Exercice Série 1 Diminuer 𝑆 (forme compacte – minimisation de la surface en contact avec l’air/sol) Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Illustration – Minimisation de la Valeur U, exemple de rénovation Double mur avec une lame d’air isolé depuis l’extérieur 14 cm de Sagex EPS 15 Non rénové: 𝑈=1 W/( m 2 ⋅K) Economie d’énergie: 78 % Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur Note: il est d’usage de ne pas donner plus de deux décimales à une valeur U Source: Office Fédéral de l’Energie, «Catalogue d’éléments de construction avec calcul de la valeur U: Assainissement», Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF

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Flux de chaleur, Valeur U Illustration – Flux de chaleur pour 30 m2 Avant rénovation: 𝐽 𝑖→𝑒 =𝑈⋅ 𝜃 𝑖 − 𝜃 𝑒 ⋅𝑆=1⋅ 20−0 ⋅30=600 W Après rénovation: 𝐽 𝑖→𝑒 =𝑈⋅ 𝜃 𝑖 − 𝜃 𝑒 ⋅𝑆=0.22⋅ 20−0 ⋅30=132 W Illustration – Minimisation de la surface 𝑆 en contact avec l’extérieur La Ville Radieuse, Le Corbusier, 1924 Projet non-réalisé, idéalement pour optimiser la captation solaire Formes de radiateurs: 𝑆 ↗ ⟹ 𝐽 𝑖→𝑒 ↗ Les gains solaires à travers les vitres compenseraient-ils les pertes de nos jours ? Le flux de chaleur est donc proportionnel à 3 choses: Valeur U dépendant de l’enveloppe La surface exposée du mur Physique du Bâtiment III – Cours 1 Dr Jérôme KAEMPF