Transferts thermiques dans le batiment

Thermique du bâtiment

La thermique du bâtiment est une discipline de la thermique visant à étudier les besoins énergétiques des bâtiments. Elle aborde principalement les notions d'isolation thermique et de ventilation afin de limiter les échanges thermiques avec l'extérieur, de fourniture d'énergie pour le chauffage et de production d'eau chaude sanitaire.

L'ensemble des parties d'un bâtiment est soumis aux transferts thermiques, qui sont des échanges de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'extérieur. La connaissance et la maîtrise de ces transferts thermiques permet une gestion de la facture énergétique d'un bâtiment. La diminution de ces échanges thermiques permet de maintenir une température tempérée à l'intérieur du bâtiment en y apportant le moins d'énergie possible. Elle permet également d'orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire tout en visant un compromis entre coût énergétique et confort.

La thermique du bâtiment s'intéresse également à l'impact écologique en considérant l'impact sur l'environnement de l'énergie ayant fourni le chauffage : chauffage central fioul, gaz, bois, chauffage électrique, etc.

Un étude complète nécessite de distinguer les sources de chaleur internes et externes au bâtiment, c'est-à-dire les parties actives, des parties passives comme les surfaces extérieures, les vitres, la toiture par exemple.

Consommation énergétique d'un bâtiment

On appelle consommation énergétique du bâtiment ou indice énergétique la consommation totale d'énergie du bâtiment nécessaire au chauffage divisée par la surface chauffée^[1].

$\mathrm{Indice~\acute energ\acute etique} = \frac{\mathrm{Consommation~d^\prime\acute energie}}{\mathrm{Surface~de~r\acute ef\acute erence~\acute energ\acute etique}}$

• la consommation d'énergie est exprimée en kilowattheures (kWh), elle comptabilise les besoins de chauffage du bâtiment, et les besoins pour la production d'eau chaude sanitaire ;
• la surface de référence énergétique est exprimée en mètres carrés (m²).

La consommation énergétique, ou indice énergétique, est donc une énergie par une surface exprimée en kilowattheures par mètre carré (kWh/m²).

Enveloppe thermique du bâtiment

Déperditions thermique d'un bâtiment.

L'enveloppe thermique d'un bâtiment est l'enveloppe qui sépare le volume chauffé de l'environnement extérieur. C'est au travers de cette enveloppe que passe la chaleur.

Le mur

• Conduction : le mur chauffe par conduction et perd de la chaleur vers l'extérieur.
• Convection : le vent accélère l'échange thermique en local sur le mur par convection.
• Rayonnement : le Soleil chauffe le mur par rayonnement.

La toiture

Le Soleil réchauffe le toit par rayonnement.

• Conduction : la chaleur du soleil est transmise à travers le toit au reste de la structure du bâtiment.
• Convection : le vent refroidit le toit avec un vent frais.

la vitre

Le Soleil, le vent, et la vitre elle-même participent aux échanges de chaleur.

• Convection : le vent refroidi la vitre par convection.
• Rayonnement : le Soleil chauffe l'intérieur de la pièce à travers la surface transparente. L'intérieur de la pièce lui-même perd une partie de son énergie par rayonnement vers l'extérieur.

Chauffage passif

Le chauffage passif consiste à utiliser le rayonnement solaire, le choix des matériaux et l'orientation des parois de l'enveloppe thermique afin de chauffer directement le bâtiment par le rayonnement solaire sans transformation énergétique. À l'heure actuelle, et compte tenu des besoins hivernaux des pays tempérés, le chauffage passif n'est pas suffisant pour couvrir l'intégralité des besoins de chauffage.

Le chauffage passif sert en général à faire diminuer les besoins. Un système de chauffage actif est donc utilisé en parallèle.

Sources de chaleur

Différents types d'énergies et différents systèmes de diffusion de chaleur sont utilisées pour chauffer les bâtiments. Ces choix sont réalisés selon les spécificités locales : dimensions du bâtiment, énergies disponibles sur place. On peut distinguer les agents énergétiques utilisés pour le chauffage selon qu'ils soient des énergies de réseau ou non.

Énergies de réseaux

Les énergies de réseaux sont celles qui sont disponibles via un réseau installé à proximité du bâtiment. Les énergies de réseau sont :

• le gaz, le chauffage est réalisé par la combustion du gaz dans une chaudière, un fluide caloporteur (généralement de l'eau) permet de diffuser la chaleur dans un réseau dédié à l'intérieur du bâtiment ;
• les réseaux de chaleur à distance. La chaleur est produite dans une usine proche, généralement par la combustion d'un agent énergétique (fioul, gaz, bois ...), elle dessert la zone environnante par une fluide caloporteur transporté dans des conduites souterraines. Un échangeur thermique fournit la chaleur à un réseau secondaire propre au bâtiment et la chaleur est ensuite diffusée dans les locaux ;
• l'électricité, le chauffage est réalisé par des convecteurs électriques disposés dans chaque pièce. L'effet joule permet de créer de la chaleur qui se propage par convection et rayonnement dans la pièce.

Autres

Les bâtiments n'utilisant pas une énergie de réseau sont tous chauffés par un réseau basé sur un fluide caloporteur (généralement de l'eau). Différents solutions sont utilisées pour chauffer ce fluide à la température nécessaire.

Les panneaux solaires thermiques

L'énergie provient du Soleil. Ce dernier émet un rayonnement thermique qui, au contact du panneau solaire, fait monter en température le fluide caloporteur. Un panneau solaire thermique est constitué d'un tube dans lequel circule un fluide. Ce tube est situé dans entre une paroi noire qui absorbe l'énergie thermique et une paroi de verre. La paroi de verre est transparente au rayonnement solaire (principalement situé dans le visible) mais est opaque au rayonnement infrarouge (rayonnement du panneau). Il se constitue un effet de serre dans le panneau solaire.

L'utilisation de panneaux solaires thermiques convient à des bâtiments pour lesquels l'indice énergétique est faible. Cependant si les besoins énergétiques du bâtiment sont élevés, le solaire thermique peut-être utilisé en parallèle à une autre solution.

Chaudière à combustible

Une chaudière permet, par la combustion d'un agent énergétique, la production de chaleur. Le fluide caloporteur diffuse ensuite la chaleur à travers un réseau dédié, propre au bâtiment. Les différents combustibles qui sont utilisés par une chaudière pour le chauffage d'un bâtiment sont :

• le fioul ;
• le bois ;
• le gaz (dans des sites ne disposant pas du gaz comme d'une énergie de réseau des réservoirs individuels peuvent être utilisés).

Pompe à chaleur

Les pompes à chaleur, ou PAC, se basent sur le principe du cycle frigorifique que l'on trouve également dans les réfrigérateurs. La chaleur fournie par l'environnement extérieur permet de vaporiser le fluide de la pompe à chaleur, un compresseur généralement alimenté électriquement permet d'augmenter la pression du fluide alors à l'état gazeux. Le fluide circule ensuite dans un condenseur, libérant ainsi de l'énergie captée par le système de chauffage du bâtiment. Le fluide rejoint ensuite l'évaporateur par une soupape de détente^[2].

On distingue trois types de pompes à chaleur pour la thermique du bâtiment, selon le type d'environnement extérieur utilisé pour l'évaporateur :

• air ;
• sol ;
• eau.

Couplage chaleur-force

Le couplage chaleur-force est un système basé sur un moteur à combustion. La combustion de gaz ou de fioul par le moteur entraîne la production d'électricité par un alternateur, la chaleur émise par le moteur et par les gaz d'échappement est utilisée pour produire de la chaleur (fluide caloporteur). Ce système produit de l'électricité pour les besoins du bâtiment et de la chaleur pour le chauffage. Le rendement énergétique d'un tel système est compris entre 90 et 95 %^[3].

La cheminée

La production de chaleur est due à la combustion du bois dans le foyer de la cheminée. Les transferts thermiques sont les suivants :

• Conduction : la paroi de la cheminée est chaude et la chaleur est diffusée vers l'extérieur.
• Convection : l'air réchauffé à proximité du foyer est mis en mouvement et remplacé par de l'air frais.
• Rayonnement : devant la cheminée la chaleur est émise sous forme de rayonnement.

Diffusion de la chaleur dans le bâtiment

Radiateur : son principe repose sur l'émission d'un rayonnement thermique. L'eau chaude porte les ailettes du radiateur à une température supérieure à celle de la pièce. Ces ailettes émettent ensuite un rayonnement, essentiellement dans l'infra-rouge, qui en première approximation peut-être étudié comme celui du corps noir.

• Conduction lorsque la chaleur s'évacue par les parois du radiateur en contact avec un autre corps (mur, personne, ameublement).
• Convection lorsque l'air extérieur en contact avec le radiateur se réchauffe.

Contexte actuel

De nombreux pays industrialisés et densément peuplés se situent dans des zones géographiques où le climat est caractérisé par des hivers froids. Les besoins de chauffage dans ces pays sont importants au cours de ces périodes. Des mesures sont prises par certains pays afin de diminuer les besoins énergétiques des bâtiments, on peut citer le diagnostic de performance énergétique en France.

Notes et références

1. ↑ [pdf] Nouveaux bâtiments à faible consommation d'énergie, Office fédéral de l'énergie, SuisseEnergie, 2006
2. ↑ Principe d'une PAC, programme Suisseénergie, consulté le 17 juin 2008.
3. ↑ Couplage chaleur-force sur le site de l'Office fédéral de l'énergie, consulté le 17 juin 2008.

Sources

• Mémento technique du bâtiment, CNRS, consulté le 16 juin 2008

Voir aussi

Articles connexes

• Chaleur
• Économie d'énergie
• Empreinte écologique

Liens et documents externes

• http://garbure.org/~nenubat/transfert.html : Exemples de transferts thermiques dans le bâtiment

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