Elemente Neomogene Dupa Doua Directii

© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 1

Elemente neomogene după o singură Elemente neomogene după o singură direcţiedirecţie

Elemente alcătuite din straturi din materiale Elemente alcătuite din straturi din materiale diferite dispuse normal pe direcţia fluxului diferite dispuse normal pe direcţia fluxului

termictermic


Coeficient de transmisiCoeficient de transmisie e termitermicăcă

RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse

TRU

1 eiUq


Coeficient de transmisiCoeficient de transmisiee termi termicăcă

RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse dR

qRUq

Tei qRnnn 1


TTemperaturaemperatura su superficiperficiaallăă int inteeririoarăoară

i

si

e

eisisisii URqR


Gradul de izolareGradul de izolare

FactFactoor de tempr de tempeeraturraturăă superficisuperficiaallăă

ei

esiRsi

f

i

si

e

6© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004

Elemente Elemente neomogene după neomogene după ambele direcţii (cu punţi ambele direcţii (cu punţi

termice)termice)Cîmpul de temperaturiCîmpul de temperaturiRezistenţa termicăRezistenţa termicăConductanţa termicăConductanţa termică


PPunţiunţi termi termiccee

Zonele de discontinuitate fizică sau geometrică care Zonele de discontinuitate fizică sau geometrică care determină o intensificare a transferului de căldură şi implicit determină o intensificare a transferului de căldură şi implicit o scădere a valorii temperaturii superficiale. In aceste zone o scădere a valorii temperaturii superficiale. In aceste zone se produce o modificare a fluxului termic unidirecţional se produce o modificare a fluxului termic unidirecţional determinată de:determinată de:

prezenţa unor materiale de mare conductivitate termică pe prezenţa unor materiale de mare conductivitate termică pe zone reduse din structura elementului;zone reduse din structura elementului;

modificarea grosimii elementelor de închidere (retrageri, modificarea grosimii elementelor de închidere (retrageri, rezaliduri);rezaliduri);

existenţa unei diferenţe între ariile suprafeţelor interioare şi existenţa unei diferenţe între ariile suprafeţelor interioare şi exterioare prin care are loc transferul termic (colţuri şi exterioare prin care are loc transferul termic (colţuri şi intersecţii).intersecţii).


Căldura curge ca şi apaCăldura curge ca şi apa

Şi urmează drumul cel mai uşor

Curbe de nivel

Linii de curent


Exemple de punţi termice frecvent întâlnite.


Punte termicPunte termicăă g geeomomeetritricăcă


PPuuntntee termi termicăcă mat mateeririaallăă


EfeEfecctteleele p puunnţilorţilor termi termicece

Majorarea fluxului termic (pierderi de Majorarea fluxului termic (pierderi de căldură)căldură)

Scăderea valorii de temperatură pe Scăderea valorii de temperatură pe suprafaţa interioarăsuprafaţa interioară– CondensCondens– MMucegaiucegai ( (mirosuri, mirosuri, alergialergiii))– PetePete, , degradăridegradări– InconfortInconfort


Exemple de pExemple de punţiunţi termi termiccee

Tijă de fixare

Vată minérală

Placaj din cărămidă

Placă beton armat


Liniile de curent se concentrează spre punte

Izotermele se depărtează de punte


PPunteunte termi termicăcă lin lineeararăă


PPuuntntee termi termicăcă p puunctunctuaallăă


PiPierderderi de căldurăeri de căldură

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20Epaisseur d'isolant [cm]

Dép

erdi

tions

[W/m

] Sans pont thermique

Avec pont thermique


Stabilirea distribuţiei de temperaturi Stabilirea distribuţiei de temperaturi

Implică integrarea ecuaţiilor diferenţiale ale Implică integrarea ecuaţiilor diferenţiale ale conducţiei termice ce caracterizează fenomenul conducţiei termice ce caracterizează fenomenul plan sau spaţial de transfer termic.plan sau spaţial de transfer termic.

În majoritatea cazurilor, geometria sistemului şi În majoritatea cazurilor, geometria sistemului şi condiţiile la limită sunt atât de complexe încât nu condiţiile la limită sunt atât de complexe încât nu permit obţinerea unei soluţii exacte decât permit obţinerea unei soluţii exacte decât admiţând nişte simplificări ce îndepărtează mult admiţând nişte simplificări ce îndepărtează mult modelul analitic de fenomenul real. modelul analitic de fenomenul real.

Sunt de preferat valorile aproximative ale Sunt de preferat valorile aproximative ale câmpului de temperatură, rezultate prin modelare câmpului de temperatură, rezultate prin modelare analogică sau numerică, analogică sau numerică,


Modelarea analogicăModelarea analogică

Metodele analogice de studiu se bazează pe Metodele analogice de studiu se bazează pe legătura ce se poate stabili între fenomene legătura ce se poate stabili între fenomene de natură fizică diferită care pot fi de natură fizică diferită care pot fi caracterizate prin ecuaţii diferenţiale sau caracterizate prin ecuaţii diferenţiale sau algebrice de aceeaşi formă.algebrice de aceeaşi formă.

Poate fi utilizată analogia electrică sau Poate fi utilizată analogia electrică sau analogia hidraulicăanalogia hidraulică


Metoda analogiei electriceMetoda analogiei electrice

analogie directă analogie directă în cazul când modelul în cazul când modelul păstrează asemănarea fizică cu domeniul păstrează asemănarea fizică cu domeniul modelat;modelat;

analogie indirectă analogie indirectă când nu se mai când nu se mai păstrează asemănarea fizică între model şi păstrează asemănarea fizică între model şi domeniul modelat.domeniul modelat.


Metoda analogiei electriceMetoda analogiei electrice

Analogia directă Analogia directă se bazează pe identitatea de formă între se bazează pe identitatea de formă între ecuaţia fluxului termic conductiv, legea lui Fourier şi cea a ecuaţia fluxului termic conductiv, legea lui Fourier şi cea a intensităţii curentului electric, legea lui Ohm (vezi 3.2.1 d) intensităţii curentului electric, legea lui Ohm (vezi 3.2.1 d) şi a fost utilizată cu rezultate foarte bune pentru şi a fost utilizată cu rezultate foarte bune pentru determinarea conductivităţii termice echivalente a unor determinarea conductivităţii termice echivalente a unor materiale cu structuri complexe cum sunt: corpurile materiale cu structuri complexe cum sunt: corpurile ceramice cu goluri, betonul armat etc.ceramice cu goluri, betonul armat etc.

Analogia indirectă Analogia indirectă modelează câmpul de temperatură modelează câmpul de temperatură staţionar sau nestaţionar printr-o reţea de rezistenţe staţionar sau nestaţionar printr-o reţea de rezistenţe electrice, respectiv rezistenţe şi capacităţi, supusă unei electrice, respectiv rezistenţe şi capacităţi, supusă unei diferenţe de potenţial. Reprezentarea analogică a ecuaţiei diferenţe de potenţial. Reprezentarea analogică a ecuaţiei cu diferenţe finite, în modelele indirecte, implică cu diferenţe finite, în modelele indirecte, implică respectarea legii lui Kirchoff:respectarea legii lui Kirchoff:


Analogie electrică indirectăAnalogie electrică indirectă


Modelarea numericăModelarea numerică

Prin modelare numerică se reproduce Prin modelare numerică se reproduce evoluţia unui proces pornind nu de la evoluţia unui proces pornind nu de la sistemul studiat ci de la modelul său sistemul studiat ci de la modelul său analitic, adaptat implementării pe analitic, adaptat implementării pe calculator. Impunând diferite condiţii calculator. Impunând diferite condiţii iniţiale şi la limită modelului numeric, se iniţiale şi la limită modelului numeric, se obţin variaţii ale parametrilor investigaţi, obţin variaţii ale parametrilor investigaţi, care pot fi utilizate în acelaşi mod cu seriile care pot fi utilizate în acelaşi mod cu seriile de date obţinute pe baza unor de date obţinute pe baza unor experimentări.experimentări.


Metoda diferenţelor finiteMetoda diferenţelor finite Concepută sub forma calculului manual încă de pe Concepută sub forma calculului manual încă de pe

vremea lui Euler, metoda diferenţelor finite vremea lui Euler, metoda diferenţelor finite transformă modelul diferenţial al fenomenului transformă modelul diferenţial al fenomenului analizat într-unul numeric, folosind procedeul de analizat într-unul numeric, folosind procedeul de aproximare locală punctiformă a variabilelor de aproximare locală punctiformă a variabilelor de câmp.câmp.

Pentru studiul câmpului termic plan sau spaţial, Pentru studiul câmpului termic plan sau spaţial, prin metoda diferenţelor finite, sistemul de ecuaţii prin metoda diferenţelor finite, sistemul de ecuaţii diferenţiale cu derivate parţiale valabil pentru diferenţiale cu derivate parţiale valabil pentru fiecare punct al domeniului de analiză este înlocuit fiecare punct al domeniului de analiză este înlocuit cu un sistem de ecuaţii algebrice valabil într-un cu un sistem de ecuaţii algebrice valabil într-un număr finit de puncte ce definesc reţeaua de număr finit de puncte ce definesc reţeaua de discretizare.discretizare.


Analiza unei probleme de transfer Analiza unei probleme de transfer termic cu metoda diferenţelor finitetermic cu metoda diferenţelor finite

descrierea domeniului de analizat;descrierea domeniului de analizat;

stabilirea reţelei de calcul;stabilirea reţelei de calcul;

scrierea sistemului de ecuaţii;scrierea sistemului de ecuaţii;

rezolvarea sistemului de ecuaţii;rezolvarea sistemului de ecuaţii;

prelucrarea rezultatelor.prelucrarea rezultatelor.


Stabilirea reţelei de calcul;Stabilirea reţelei de calcul;


Transfer de căldură după 3 direcţiiTransfer de căldură după 3 direcţii


Prelucrarea rezultatelorPrelucrarea rezultatelor

Prelucrarea rezultatelor sub forma valorilor de Prelucrarea rezultatelor sub forma valorilor de temperatură obţinute în urma rezolvării sistemului temperatură obţinute în urma rezolvării sistemului de ecuaţii permite:de ecuaţii permite:

trasarea liniilor sau suprafeţelor izoterme;trasarea liniilor sau suprafeţelor izoterme; evaluarea rezistenţei termice totale, R, a evaluarea rezistenţei termice totale, R, a

elementelor neomogene după una sau ambele elementelor neomogene după una sau ambele direcţii;direcţii;

studiul câmpului de temperaturi şi a fluxului de studiul câmpului de temperaturi şi a fluxului de căldură în zonele de discontinuitate fizică sau căldură în zonele de discontinuitate fizică sau geometrică.geometrică.


Metoda elementelor finiteMetoda elementelor finite

A cunoscut o dezvoltare spectaculoasă începând din anii A cunoscut o dezvoltare spectaculoasă începând din anii '60, dezvoltare legată inseparabil de perfecţionarea '60, dezvoltare legată inseparabil de perfecţionarea mijloacelor de calcul automat.mijloacelor de calcul automat.

Conceptul fundamental cu care operează metoda este cel Conceptul fundamental cu care operează metoda este cel de aproximare prin discretizare, concept utilizat în formele de aproximare prin discretizare, concept utilizat în formele lui elementare încă din antichitate. lui elementare încă din antichitate.

Aproximarea ariei cercului prin poligoane reegulate Aproximarea ariei cercului prin poligoane reegulate înscrise sau circumscrise, echivalent cu descompunerea înscrise sau circumscrise, echivalent cu descompunerea ariei cercului într-un număr de elemente finite ariei cercului într-un număr de elemente finite triunghiulare. Cu cât numărul de triunghiuri este mai mare, triunghiulare. Cu cât numărul de triunghiuri este mai mare, cu atât valoarea ariei cercului obţinută prin aproximare se cu atât valoarea ariei cercului obţinută prin aproximare se apropie de cea reală apropie de cea reală


Aproximarea ariei cercului prin Aproximarea ariei cercului prin poligoanepoligoane


Metoda elementelor finiteMetoda elementelor finite

Discretizarea domeniului de analizăDiscretizarea domeniului de analiză

30

3050

50

125

20

b.a. b.c.a.

interior Ti = + 22oC

exterior Te = - 15oC

10055


Modelul numeric cu elemente Modelul numeric cu elemente finitefinite

formularea modelului analitic de bază cu formularea modelului analitic de bază cu specificarea condiţiilor la limită adecvate specificarea condiţiilor la limită adecvate problemei de analizat;problemei de analizat;

scrierea ecuaţiilor elementale;scrierea ecuaţiilor elementale; asamblarea elementelor finite, respectiv a asamblarea elementelor finite, respectiv a

ecuaţiilor elementale în sistemul general, ecuaţiilor elementale în sistemul general, obţinându-se astfel modelul numeric global.obţinându-se astfel modelul numeric global.

Rezolvarea sistemului de ecuaţiiRezolvarea sistemului de ecuaţii


Linii izotermeLinii izoterme


Linii de curentLinii de curent


Metode bazate pe cunoaşterea câmpului Metode bazate pe cunoaşterea câmpului termictermicPe baza valorilor caracteristice ale Pe baza valorilor caracteristice ale câmpului de temperatură plan sau câmpului de temperatură plan sau spaţial, stabilite prin procedeele spaţial, stabilite prin procedeele prezentate anterior, poate fi determinată prezentate anterior, poate fi determinată rezistenţa termică specifică, R, pentru rezistenţa termică specifică, R, pentru orice structură constructivăorice structură constructivă

R =S. R =S. ΔΔT/T/ΦΦ

Rezistenţa termică a elementelor de Rezistenţa termică a elementelor de construcţii neomogene pe ambele construcţii neomogene pe ambele

direcţiidirecţii


Metoda coeficienţilor lineari şi Metoda coeficienţilor lineari şi punctuali de transfer termicpunctuali de transfer termic

Normele româneşti şi europene recomandă metoda Normele româneşti şi europene recomandă metoda coeficienţilor lineari, coeficienţilor lineari, , şi punctuali , , şi punctuali , , de , de transfer termic. Prin aceşti coeficienţi se aduce o transfer termic. Prin aceşti coeficienţi se aduce o corecţie calculului unidirecţional, ţinând seama de corecţie calculului unidirecţional, ţinând seama de prezenţa punţilor termice constructive care prezenţa punţilor termice constructive care determină un flux termic bi sau tridirecţional. determină un flux termic bi sau tridirecţional. Rezultă o valoare corectată a rezistenţei termice, Rezultă o valoare corectată a rezistenţei termice, R, şi a coeficientului de transfer termic corectat, R, şi a coeficientului de transfer termic corectat, U, oferind posibilitatea unei analize globale a unui U, oferind posibilitatea unei analize globale a unui element de anvelopă sau chiar a întregii anvelope.element de anvelopă sau chiar a întregii anvelope.


CoeficienCoeficienţi lineari de transfer termic,ţi lineari de transfer termic,ΨΨ, , pentru situaţii frecvent întîlnitepentru situaţii frecvent întîlnite


PierderiPierderi p prinrin transmisi transmisiee

Δ

kk

jjj

iiiT lAU


ConductanConductanţţa (transmitana (transmitanţţa) termica) termică ă corectată Ucorectată U’’

ΦΦ= U’. A . = U’. A . ΔθΔθ

A =A =ΣΣAiAi

U’= 1/R’=U +U’= 1/R’=U +ΣΨΣΨj.lj/A+j.lj/A+ΣχΣχ/A/A

U’>U R’<RU’>U R’<R


CoefCoefiicientcientulul

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 5 10 15 20Epaisseur d'isolant [cm]

Coe

ffici

ent

linéi

que

[W/m

·K].


Etapele de calculEtapele de calcul

Stabilirea parametrilor geometrici şi fizici pentru nodurile Stabilirea parametrilor geometrici şi fizici pentru nodurile caracteristice ale elementelor ce compun anvelopa;caracteristice ale elementelor ce compun anvelopa;

Determinarea câmpurilor de temperatură bidimensionale Determinarea câmpurilor de temperatură bidimensionale sau tridimensionale sau tridimensionale prin simulare numerică, pentru zonele prin simulare numerică, pentru zonele de influenţă a punţilor termice;de influenţă a punţilor termice;

Calculul fluxului termic pe suprafeţele interioare cu Calculul fluxului termic pe suprafeţele interioare cu relaţiile:relaţiile:

câmp bidimensional =câmp bidimensional =i . l. (Ti – Tsi) [W/m] i . l. (Ti – Tsi) [W/m] câmp tridimensional =câmp tridimensional =i . A. (Ti – Tsi) [W] i . A. (Ti – Tsi) [W] Calculul coeficienţilor punctuali de transfer termic pornind Calculul coeficienţilor punctuali de transfer termic pornind

de la fluxul bidimensional cu relaţia:de la fluxul bidimensional cu relaţia:ΨΨ= = ФФ//ΔΔT- B/RT- B/R


Etapele de calculEtapele de calcul

Calculul coeficienţilor specifici punctuali de Calculul coeficienţilor specifici punctuali de transfer termic pentru agrafe şi ploturi, cunoscând transfer termic pentru agrafe şi ploturi, cunoscând valoarea de flux termic calculată in ipoteza valoarea de flux termic calculată in ipoteza transferului termic tridirecţional, cu relaţiatransferului termic tridirecţional, cu relaţia

χχ= = ФФ//ΔΔT- A/RT- A/R

Calculul coeficienţilor de transfer termic corectat, Calculul coeficienţilor de transfer termic corectat, U’, şi a rezistenţei termice specifice corectate, R’ U’, şi a rezistenţei termice specifice corectate, R’


Gradul de izolareGradul de izolare

FactFactor de temperatură superficialăor de temperatură superficială

ei

esiRsi

f

i

si

e


Răcirea suprafeţei interioareRăcirea suprafeţei interioare


Grad de izolareGrad de izolare

93%

75%55%

15

20

10


Izolaţie prin interiorIzolaţie prin interior Izolaţie exterioarăIzolaţie exterioară

Cum pot fi corectate punţile termiceCum pot fi corectate punţile termice??


Cum se pot ameliora puntile termiceCum se pot ameliora puntile termice

Chaud

Froid

Fro

id

Chaud

Fro

id

Chaud

Alungire Încălzire Divizare


Metode experimentale de analiză a Metode experimentale de analiză a comportării elementelor de construcţii la comportării elementelor de construcţii la

transfer termictransfer termic Încercări în laboratoare specializateÎncercări în laboratoare specializate Funcţionarea acestor laboratoare sau sta ţii de încercări Funcţionarea acestor laboratoare sau sta ţii de încercări

se bazează pe simularea, în două încăperi separate prin se bazează pe simularea, în două încăperi separate prin elementul de probă, a condiţiilor climatice exterioare elementul de probă, a condiţiilor climatice exterioare respectiv interioare.respectiv interioare.

Răspunsul elementului de probă este înregistrat sub Răspunsul elementului de probă este înregistrat sub forma valorilor de câmp termic într-un număr forma valorilor de câmp termic într-un număr suficient de mare de puncte. Rezistenţa termică suficient de mare de puncte. Rezistenţa termică specifică precum şi traseul suprafeţelor sau liniilor de specifică precum şi traseul suprafeţelor sau liniilor de egală temperatură se obţine prin prelucrarea automată egală temperatură se obţine prin prelucrarea automată a datelor experimentale.a datelor experimentale.

Încercările se pot face pe elemente la scară naturală Încercările se pot face pe elemente la scară naturală sau pe machete la scară redusă cu respectarea sau pe machete la scară redusă cu respectarea criteriilor de similitudine.criteriilor de similitudine.


Utilizarea termografiei în infraroşuUtilizarea termografiei în infraroşu

Corpurile cu temperaturi moderate, inclusiv Corpurile cu temperaturi moderate, inclusiv elementele de construcţii emit radiaţii cu lungimea de elementele de construcţii emit radiaţii cu lungimea de undă de 1..12 undă de 1..12 , în do meniul infraroşu. Intensitatea , în do meniul infraroşu. Intensitatea acestor radiaţii depinde de tem peratura suprafeţei şi acestor radiaţii depinde de tem peratura suprafeţei şi emisivitatea acesteia. emisivitatea acesteia.

Tehnica termografiei oferă posibilitatea măsurării Tehnica termografiei oferă posibilitatea măsurării temperaturii la distanţă şi se bazează pe transformarea temperaturii la distanţă şi se bazează pe transformarea impulsului radiaţiilor termice emise de diferite zone impulsului radiaţiilor termice emise de diferite zone ale elementului de construcţie în semnal electric. ale elementului de construcţie în semnal electric. Acesta este decodificat direct în grade de temperatură, Acesta este decodificat direct în grade de temperatură, pe ecranul monitorului obţinându-se o imagine a pe ecranul monitorului obţinându-se o imagine a câmpului termic pe o anumită suprafaţă.câmpului termic pe o anumită suprafaţă.


Pierderi de energie

Pierderi de energie


Imagini termograficeImagini termografice


Efectuarea încercărilor termograficeEfectuarea încercărilor termografice

existenţa unei camere IR-termograf – care în existenţa unei camere IR-termograf – care în principiu este alcătuit din :principiu este alcătuit din :

senzor pentru radiaţia infraroşie care operează cu senzor pentru radiaţia infraroşie care operează cu lungimi de undă între 3 şi 12 μm care poate lungimi de undă între 3 şi 12 μm care poate detecta temperaturi radiante aparente în domeniul detecta temperaturi radiante aparente în domeniul care interesează cu o rezoluţie suficientă;care interesează cu o rezoluţie suficientă;

un dispozitiv care face vizibilă şi afişează sub un dispozitiv care face vizibilă şi afişează sub forma unei imagini termice temperatura radiantă forma unei imagini termice temperatura radiantă aparentă de pe suprafaţa examinatăaparentă de pe suprafaţa examinată

un dispozitiv care face posibilă înregistrarea unei un dispozitiv care face posibilă înregistrarea unei imagini termice şi dacă este relevantă, măsurarea imagini termice şi dacă este relevantă, măsurarea digitală a datelor (informadigitală a datelor (informa


Imaginea câmpului termic obţinută prin Imaginea câmpului termic obţinută prin termografie poate fi utilizată pentrutermografie poate fi utilizată pentru::

Analiza calitativă referitoare la omogenitatea structurală, Analiza calitativă referitoare la omogenitatea structurală, nivelul de umiditate şi pierderile de aer, facilitând nivelul de umiditate şi pierderile de aer, facilitând identificarea punţilor termice, depistarea fisurilor şi a identificarea punţilor termice, depistarea fisurilor şi a

zonelor umede, a imperfecţiunilor de execuţiezonelor umede, a imperfecţiunilor de execuţie..

Furnizarea de date referitoare la comportarea în timp a Furnizarea de date referitoare la comportarea în timp a materialelor termoizolante incluse în structura panourilor materialelor termoizolante incluse în structura panourilor

mari, starea termoizolaţiei din dreptul rosturilor,mari, starea termoizolaţiei din dreptul rosturilor, starea starea

îmbinărilor punct de vedere mecanicîmbinărilor punct de vedere mecanic etc etc


Isolation optimaleIsolation optimale


Bilan thermique d'une façade SudBilan thermique d'une façade Sud

Type de g Déperditions Gains Besoinsnorme Paroi Vitrage Vitrage kWh kWh kWh FacteurAncienne 0.8 5.6 0.84 3'578 2'002 1'643 1SIA 180:2000 0.6 3 0.7 2'024 1'668 544 3SIA 380/1:2001 0.3 1.7 0.6 1'122 1'430 110 15Optimal 0.2 0.7 0.5 510 1'191 6 250

U [W/m²·K]


Épaisseur optimaleÉpaisseur optimale

050

100150200250300

0.03 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3

Epaisseur [m]Coû

t tot

al [F

r/m²]

.

chauffage

matériel


Épaisseur optimaleÉpaisseur optimale

i

iopt R

pPe

ch

pTDJP

024,0

Conductivité thermiqueEpaisseur équivalente"Prix" de l'isolant"Prix" spécifique du chauffage

Degrés-joursDurée de vie"Prix" du kWhRendement du chauffage


Epaisseur optimaleEpaisseur optimale

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Laine de pierre

Laine de verre

Polystyrène

Polyuréthane

Bois de construction

Brique thermique

Brique module

Epaisseur optimale [m]

Energétique

Financière


Coût à l’épaisseur optimaleCoût à l’épaisseur optimale

0 50 100 150 200 250 300 350

Laine de pierre

Laine de verre

Polystyrène

Polyuréthane

Bois de construction

Brique thermique

Brique module

Coût [Fr/m²]

Construction

Entretien


Isolation cohérenteIsolation cohérente

Equivalent


Epaisseurs d’isolant Epaisseurs d’isolant financièrement cohérentesfinancièrement cohérentes

Type de vitrageK [W/(m²·K)](avec cadre)

Épaisseurcohérente [cm]

Simple 6 à 8 1 à 3

Double 2,5 à 3 6 à 10

Triple 2 à 3 10 à 15

Confort 1,6 à 2 15 à 20

Super 0,6 à 0,7 Optimale


Inertie thermiqueInertie thermique

Extérieur

Intérieur

Stockage de chaleur

Atténuation des

variations


L’inertie thermique du bâtimentL’inertie thermique du bâtimentDépend autant de sa capacité thermique que de son niveau d’isolation

HC

Capacité thermique

Niveau d’isolation


Capacité de stockageCapacité de stockagePour accumuler de la chaleur, il faut

•une grande chaleur spécifique c•une grande masse volumique

Pour que la chaleur pénètre, il faut•une grande conductibilité thermique

Capacité de stockage cρλ

Effusivité thermique b


Capacité de stockage et masse volumique

0

500

1000

1500

2000

2500

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Masse volumique [kg/m³]

Eff

usiv

ité th

erm

ique

.

Isolants

Bois

Béton cellulaire

Neige

Eau

Plots cimentPlâtreBrique

MortierVerre

Béton, pierre


"Vitesse" de pénétration"Vitesse" de pénétrationPour que la chaleur pénètre, il faut•une grande conductibilité thermique

Pour qu'elle pénètre vite et loin, il faut •une faible chaleur spécifique c•une faible masse volumique

Diffusivité thermique smc

a ²


Diffusivité thermique Diffusivité thermique aa

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0 500 1000 1500 2000 2500Masse volumique [kg/m³]

Dif

fusi

vité

ther

miq

ue [

mm

²/s]

.

Isolants

Béton, pierre

Neige Eau Torchis


Profondeur de pénétrationProfondeur de pénétration

tc

ta

²²

c

at 1 4 16


Profondeur de pénétrationProfondeur de pénétrationen régime périodiqueen régime périodique

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

0 1 2 3x/

Tem

péra

ture

rel

ativ

e .

π

PaP x/


Profondeur de pénétrationProfondeur de pénétration

0

1

2

3

4

5

0 500 1000 1500 2000 2500Masse volumique [kg/m³]

Pén

étra

tion

en u

n an

[m

] .

0

5

10

15

20

25

Pén

étra

tion

en u

n jo

ur [

cm]

.

IsolantsBéton, pierre

Bois Eau Torchis

Neige


Capacité thermiqueCapacité thermique

Couche mince si d < 0,5

Méthode générale complexe: EN ISO 13786

dc [J/(m2K)]

Couche épaisse si d > 2

22

Pb

Pc


Capacité thermiqueCapacité thermique

La plus petite des valeurs suivantes:1. la moitié de l'épaisseur totale du composant;2. l'épaisseur des matériaux compris entre la face

considérée et la première couche isolante, sans tenir compte des revêtements qui ne font pas partie du composant;

3. une épaisseur efficace maximale fonction de la période des variations

Epaisseur efficace: suppose a = 0,7 mm²/s

Période des variations 1 heure 1 jour 1 semaine

Épaisseur efficace maximale 2 cm 10 cm 25 cm

= i i di c avec i di = d*


Effet d’une résistance superficielleEffet d’une résistance superficielleCouche limite d’air, tapisserie, moquette, etc.

222

2

)(21'

sRRP

1

10

100

1 000

0.01 0.1 1 10R & Rs [m²K/W]

Cap

acité

ther

miq

ue a

ppar

ente

[kJ

/m²K

] .

Béton

Brique

Epicéa

Isolant


Capacités typiques [kJ/K]Capacités typiques [kJ/K]Pièce de 20 m²

Type de constructionType de construction C C [kJ/K][kJ/K]

C/A C/A [kJ/m²K][kJ/m²K]

Lourd, tout bétonLourd, tout béton 11'30011'300 550550

Dalles béton, parois briqueDalles béton, parois brique 85008500 425425

Idem, sol avec moquetteIdem, sol avec moquette 74007400 370370

do, plus faux plafonddo, plus faux plafond 53005300 275275

do, parois placoplâtredo, parois placoplâtre 24002400 120120

Tout en bois massifTout en bois massif 40004000 200200

Tout en bois mince (20 mm)Tout en bois mince (20 mm) 20002000 100100


KW

KJ

Constante de temps du bâtimentConstante de temps du bâtiment

Rapport entre la capacité thermique du bâtiment et le coefficient de déperditions

HC

HC

Ws


Constantes de temps typiquesConstantes de temps typiques

Lourd, tout béton, isolation U= 0,2 W/(m2K) 10 jours Lourd, tout béton, isolation U= 0,5 W/(m2K) 8 jours Lourd, tout béton, façade simple vitrage 1½ jour Idem, sol avec moquette et faux plafond, U= 1 W/(m2K) 3 jours Tout en bois massif, façade vitrée U= 1 W/(m2K) 2 jours Tout en bois mince (20 mm) U= 1 W/(m2K) 1 jour Serre horticole 8 heures

Piéce de 20 m², aération 30 m3/h


Chauffage solaire passifChauffage solaire passif


Corps noir à 5800 K

Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Ene

rgie

[kW

/(m

²·µ)]

0

0,5

1,0

1,5

2,0

-

-

-

Longueur d'onde [µm]

visibleUV IR

Ciel serein, soleil à 30°au-dessus de l'horizon

Rayonnement solaireau niveau de la mer.

-

-

Le rayonnement solaireLe rayonnement solaire


A la surface du soleil: A la surface du soleil: 64 MW/m²64 MW/m² Aux confins de l'atmosphèreAux confins de l'atmosphère 1367 W/m²1367 W/m² Rayonnement global annuel:Rayonnement global annuel:

– Sahara sudSahara sud 2000 kWh/m²2000 kWh/m²– ZermattZermatt 1480 kWh/m²1480 kWh/m²– LucerneLucerne 1109 kWh/m²1109 kWh/m²

Le soleil en chiffresLe soleil en chiffres

Total pour la terre: 70 1015 W = 5'000 x les besoins de l’humanité

7 milliards d'humains à 2 kW = 14 1012 W


Inertie thermique suffisante

Optimisation des gains Optimisation des gains solairessolaires

Excellente isolation thermique

Grandes surfaces de captage

Protections solaires efficaces, extérieures (et intérieures)

Bon contrôle du chauffage


Captage passif du rayonnement Captage passif du rayonnement solaire solaire

Direct Direct et indirect

Indirect Hybride


Sol et murs des Sol et murs des vérandasvérandas

Surfaces de captageSurfaces de captage

Fenêtres et portes Fenêtres et portes vitréesvitrées

Parois opaquesParois opaques


Les moyens légaux sont là!Les moyens légaux sont là!

""La municipalité La municipalité encourageencourage l'utilisation active ou passive de l'utilisation active ou passive de l'énergie solaire. Elle peut accorder l'énergie solaire. Elle peut accorder des dérogations...." des dérogations...." (LATC art. 99)(LATC art. 99)

"Les bâtiments nouveaux seront "Les bâtiments nouveaux seront conçus de manière à réduire les pertes conçus de manière à réduire les pertes thermiques et à augmenter les gains en thermiques et à augmenter les gains en énergie solaire...." énergie solaire...." (Ord. LATC, art 56)(Ord. LATC, art 56)


Refroidissement passifRefroidissement passif

Tem

péra

ture

Temps


Refroidissement passif Refroidissement passif


Refroidissement passif Refroidissement passif Climat adéquatGrandes ouvertures, dont une en hautBonne isolation thermiqueEviter les sources de chaleurMasse thermique intérieureProtections solaires efficacesStratégie de ventilation


Protections solaires efficaces: Protections solaires efficaces: à l’extérieur!à l’extérieur!

g

g


Diagramme de fréquence cumuléesDiagramme de fréquence cumuléesTempérature avec et sans storesTempérature avec et sans stores

20

22

24

26

28

30

32

1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501

hours per year

roo

m a

ir t

emp

erat

ure

[°C

]


Protections solairesProtections solaires

(


Effet de l’inertie de la terreEffet de l’inertie de la terre

Une différence

de 9 degrés pour une

même hauteur du

soleil


Des protections différenciées selon les Des protections différenciées selon les orientationsorientations


Protection horizontale fixeProtection horizontale fixe

Utilisable pour une orientation sud ou proche du sud


Exemple de protection fixeExemple de protection fixe

Bureaux PPL

Allentown (PA)


Protection verticale fixeProtection verticale fixe

Réduction partielle des gains solaires à l’est et à l’ouest


ClaustraClaustra


Exemple: Office Nigérien de l’énergie solaire à NiameyExemple: Office Nigérien de l’énergie solaire à NiameyArchitecte: Laszlo MESTER de PARAJDArchitecte: Laszlo MESTER de PARAJD


Vitrages à protection solaireVitrages à protection solaire

26

26

40

8

Stopsol clair + glace claire (6/12/6 mm)

Stopsol bronze + glace claire (6/12/6 mm)

Transmission énergétique totale: 48 %

Transmission lumineuse: 38 %

Transmission énergétique totale: 21 %

Transmission lumineuse: 14 % !!

31

48

12

9


Un éclairage naturel déficientUn éclairage naturel déficient


Limites des protections solaires fixesLimites des protections solaires fixes

Contrôle du climat à l’entre-saison.Contrôle du climat à l’entre-saison. Protection contre l’éblouissement pour Protection contre l’éblouissement pour

certaines positions du soleil.certaines positions du soleil. Adaptation de l’éclairage au type de tâche.Adaptation de l’éclairage au type de tâche. Forte réduction de l’éclairage naturel, tout Forte réduction de l’éclairage naturel, tout

spécialement avec les vitrages spécialement avec les vitrages réfléchissants.réfléchissants.


Systèmes mobiles: types de protectionSystèmes mobiles: types de protection


Importance de la position de la protectionImportance de la position de la protection

Protection intérieure

Totalement inefficace en été

Gains solaires utiles en hiver

Protection entre les verres

Insuffisante en été

Protection extérieure

Efficace en été

Peu de gains en hiver


Pour être efficace, le store extérieur doit Pour être efficace, le store extérieur doit être correctement ventiléêtre correctement ventilé

40 à 45o en été


Autres types de protections: Films réfléchissantsAutres types de protections: Films réfléchissants


Toiles réfléchissantesToiles réfléchissantes


« KOOLSHADE »« KOOLSHADE »


« OKASOLAR »« OKASOLAR »


Problèmes particuliers: protection des serresProblèmes particuliers: protection des serres


Bâtiments de grande hauteurBâtiments de grande hauteur

Double-peau ventilée

Kommerzbank – Frankfurt am Main


Tour de l’OFS à NeuchâtelTour de l’OFS à Neuchâtel


Protection solaire détachée du bâtimentProtection solaire détachée du bâtiment


Principaux critères de choixPrincipaux critères de choix

Efficacité

Type Durabilité Adaptabilité Hiver Eté Eclairage Coût

Brise soleil *** o ** ** * $

Vitrage réfléchissant *** o ** * o $

KoolShade ** * *** *** * $$

Okasolar *** * *** *** ** $$$

Store intérieur *** *** *** o *** $

Films réfléchissants ** *** *** * *** $

Store entre verres ** *** *** o *** $$

Store extérieur * *** ** *** *** $$

Pro

tect

ion

s fi

xes

Pro

tect

ion

s m

ob

iles


Protections solaires: RésuméProtections solaires: Résumé

Les protections solaires ont deux fonctions distinctes:– En hiver elle doivent protéger l’occupant du

rayonnement direct (éblouissement).– En été elle doivent éviter que le rayonnement ne

conduise à des surchauffes. Les verres réfléchissants ou teintés constituent une

mauvaise protection solaire:– En hiver ils limitent les gains solaires– En été la protection est généralement insuffisante.– Tout au long de l’année ils pénalisent fortement

l’éclairage naturel. Les protections fixes réduisent l'éclairage naturel.


Protections solairesProtections solaires

)


Inertie thermiqueInertie thermique

Grande capacité thermique interneGrande capacité thermique interne Matériaux lourds, > 10 cm d'épaisseurMatériaux lourds, > 10 cm d'épaisseur Grande surface de contact air-capacitéGrande surface de contact air-capacité Capacité thermique accessibleCapacité thermique accessible Isolation extérieureIsolation extérieure Locaux de nuit: faible capacité Locaux de nuit: faible capacité

envisageable.envisageable.


Ouvertures et refroidissementOuvertures et refroidissement

Air chaudstationnaire


VentilationVentilation Monter le niveau neutreMonter le niveau neutre

– Une ouverture haute au minimumUne ouverture haute au minimum

– Grandes ouvertures en haut, cheminéeGrandes ouvertures en haut, cheminée

Entrées d'air au ventEntrées d'air au vent Sorties d'air sous le ventSorties d'air sous le vent Ventilateur mécanique Ventilateur mécanique

en extractionen extraction


Ouvertures de ventilationOuvertures de ventilation

Deuxouvertures

Traversante

Une ouverture

Cheminée


SécuritéSécurité Protection contre Protection contre

les tempêtes, la pluieles tempêtes, la pluie

l'effractionl'effraction

l'incendiel'incendieles insectesles insectes


Calcule le potentiel de refroidissement, Calcule le potentiel de refroidissement, l'évolution de la température et du débit l'évolution de la température et du débit d'air dans un bâtiment ventilé naturellement d'air dans un bâtiment ventilé naturellement ou mécaniquement.ou mécaniquement.

LLESOESOCCOOLOOL

Simulation dynamique de la températureSimulation dynamique de la température Modèle simple et convivialModèle simple et convivial Validé par comparaison avec de Validé par comparaison avec de

nombreuses expériencesnombreuses expériences


LLESOESOCCOOLOOL

wRdyn

Rs

aT

T


LLESOESOCCOOLOOL

16

18

20

22

24

26

28

30

12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00

Tem

péra

ture

[°C

]

T extérieure

T mesurée

T simulée


LESOCOOL: Problèmes résolusLESOCOOL: Problèmes résolus

Prédiction des surchauffesPrédiction des surchauffes

Propositions d’élimination de la surchauffe Propositions d’élimination de la surchauffe estivaleestivale

Démonstration du besoin de protections solairesDémonstration du besoin de protections solaires

Dimensionnement des ouvrants de ventilationDimensionnement des ouvrants de ventilation

Elemente Neomogene Dupa Doua Directii

Documents

Transcript of Elemente Neomogene Dupa Doua Directii