Formulation des lois de transfert de chaleur dans un bâtiment 

TRANSFERT THERMIQUE DANS UN HABITAT

Confort thermique

Le confort thermique est l’ambiance ou la sensation ressentie par l’occupant à l’intérieur de l’habitat. Il s’agit alors de la sensation de ne pas avoir trop chaud en été ou encore de se sentir froid en hiver. Selon l’Agence nationale de l’habitat (Anah) en France et aussi l’Institut bruxellois pour la gestion de l’environnement, le confort thermique est quelque chose de difficile à définir, [6] [7], car il existe plusieurs enjeux à considérer pour pouvoir établir le confort à l’intérieur d’un bâtiment, [8].
L’occupant est un enjeu à ne pas négliger, car dans une même ambiance, chacun peut avoir une sensation différente telle qu’il y a au moins 5% d’insatisfaits, [9]. En dehors des variables fondamentales du confort thermique, d’autres variables telles que les variables psychologiques, physiologiques et aussi sociologiques sont à considérer. Le fonctionnement du corps humain qui fait partie de l’aspect physiologique est important comme la thermorégulation et l’échange thermique avec l’environnement, [10].
Le corps humain échange de la chaleur avec le milieu occupé, la perception du froid ou du chaud dépend de la quantité de la chaleur Q échangée, [2] [8]. Elle s’exprime par la relation.

Paramètres du confort thermique

Selon le travail de Fanger, le confort thermique dépend généralement de six paramètres qui sont la base des échanges thermiques entre l’homme et son environnement, [6] : deux paramètres qui sont liés à l’occupant et quatre paramètres qui dépendent de l’architecture du bâtiment. Ces paramètres sont tous non-négligeables pour une bonne conception du confort thermique d’un habitat.
Le tableau 2 donne les paramètres du confort thermique, [8] [9].

Confort hygrométrique

L’hygrométrie est la mesure d’humidité de l’air intérieur d’une habitation, l’humidité relative de l’air étant la quantité de vapeur d’eau contenue dans 1 kg d’air sec.
L’hygrométrie varie de 0% c’est-à-dire de l’air parfaitement sec, à 100% où l’air est saturé.
L’humidité relative de l’air tient aussi une place importante dans la conception du confort.
Un bon taux d’humidité procure le confort des gens, assure la protection des matériaux dans un bâtiment et prévient contre le développement des micro-organismes dans
l’habitation. L’humidité intérieure d’un habitat dépend de plusieurs phénomènes et la mesure la plus simple à prendre pour avoir la tenue d’une bonne humidité dans l’habitat est d’y mettre en place un système d’évacuation d’humidité, c’est-à-dire des systèmes de ventilation. L’humidité relative est fonction de la température de l’air, plus la température monte, plus l’air devient humide [7], le taux idéal d’humidité est compris entre 30% et 70%, en dehors de ces limites, l’individu commence à avoir une sensation d’inconfort, [8][9].

Formulation des lois de transfert de chaleur dans un bâtiment

Les échanges thermiques dans un bâtiment se font suivant les trois types d’échange tels que les échanges thermiques par rayonnement, par conduction et par convection. Notamment, l’étude de ces différents types de transfert est basée sur le calcul des flux thermiques échangés entre deux systèmes de températures distinctes.

OpenStudio

OpenStudio est un logiciel multiplateforme (Windows, Mac et Linux) qui prend en charge la modélisation énergétique de l’ensemble du bâtiment à l’aide d’EnergyPlus. Les interfaces graphiques OpenStudio, Sketchup plug -in, Result viewer sont toutes des applications graphiques d’OpenStudio [20]. Avec OpenStudio, on peut créer rapidement la géométrie nécessaire pour EnergyPlus grâce à l’OpenStudio Sketchup plug-in qui fait partie de l’application graphique d’OpenStudio. L’OpenStudio Sketchup plug-in est en fait une extension du logiciel de modélisation 3D Sketchup. Un modèle OpenStudio ne se limite pas au modèle géométrique, dans l’application OpenStudio, on y insère le modèle de l’enveloppe c’est-à-dire les détails physiques au niveau de la construction, le fichier météo du site étudié, les charges existantes, l’horaire ou l’emploi du temps de chaque charge, le HVAC. Avec l’application Sketchup plug-in d’OpenStudio, nous associons à chaque espace créé une zone thermique.

Simulations avec EnergyPlus

Après avoir créé le modèle OpenStudio contenant les informations sur la construction, les matériaux utilisés, les surfaces du bâtiment et après avoir inséré dans l’IDF les données météo ainsi que les journées types du milieu, nous avons continué la modélisation avec EnergyPlus. La programmation en EnergyPlus est basée sur des modèles de calculs des transferts thermiques et hygrométriques dans la cellule, les charges, les activités à l’intérieur et les horaires. En plus des informations insérées dans OpenStudio, EnergyPlus nécessite des détails à propos du site tels que : la localisation du site expérimental (longitude, latitude, élévation, orientation), le type de la zone : urbain, la température mensuelle du sol du site étudié.

RESULTATS ET INTERPRETATION

Présentation des résultats

Dans ce paragraphe, nous allons présenter les données météorologiques obtenues par expérimentation, ensuite nous allons comparer à l’aide des courbes les valeurs des températures obtenues expérimentalement et celles obtenues par les simulations en EnergyPlus.
Après avoir choisi les journées types (groupes d’horaire), les résultats respectifs sont présentés bien distinctement. Pour notre cas, nous avons choisi d’étudier les valeurs obtenues durant les 2ème et 4 ème jours de l’expérimentation. Par conséquent, les résultats sont subdivisés selon les groupes d’horaires que nous avons choisis.

Interprétation des résultats

Sollicitation climatiques

Irradiation solaire incidente

En observant la figure (21-a), nous nous apercevions qu’à partir de 8h30 jusqu’à 11h30, les valeurs obtenues étaient aléatoires car le ciel était couvert partiellement et la plupart de la puissance solaire reçue était de la puissance diffuse. Par contre, à partir de 12h jusqu’à la fin de l’après-midi, l’évolution de la courbe était normale c’est-à-dire que nous avons eu un ciel entièrement clair et dégagé.
La figure (21-b) nous montre que la courbe fluctuait le long de la journée à cause de l’alternance du soleil et des nuages. Cette fluctuation était due à l’arrivée d’un cyclone et l’éclairement du ciel a varié brusquement.

Température de l’air extérieur

Nous constatons que les courbes de la température de l’air extérieur étaient croissantes mais présentaient parfois des petites fluctuations à cause de la forte vitesse du vent et de la variation de l’éclairement énergétique global.

Température des surfaces internes

Les courbes présentant les résultats expérimentaux et les résultats obtenus à partir de la simulation suivaient, en général, la même allure.
En tenant compte de l’effet de la charge thermique reçu et l’influence de l’inertie thermique, [22], les températures intérieures des quatre murs verticaux ont augmenté et évoluaient avec la température extérieure. Les courbes des températures intérieures des différentes façades suivaient, en général, la même allure.
Pour la façade Est, la température a augmenté rapidement le matin à cause de la puissance solaire reçue. L’après-midi, la figure (22-a) montre que la température a augmenté aussi rapidement car le temps était ensoleillé, ceci était dû à la pénétration des rayonnements incidents à travers la fenêtre. Alors que la figure (22-b) montre que la température augmentait lentement pour un temps nuageux.
Pour la façade Ouest, nous avons des résultats contraires à ceux de la façade Est comme nous montrent les figures (23-a et 23-b). Le matin, la température augmentait lentement car la surface n’était pas éclairée par le soleil. L’après-midi, la température a augmenté en fonction de l’éclairement c’est-à-dire que pour un temps ensoleillé celle-ci a augmenté rapidement.
Quant à la façade Nord, à cause de l’inclinaison de 21° par rapport au Nord géographique, la façade Nord recevait aussi du rayonnement incident le matin ce qui a entrainé l’augmentation de la température. L’après-midi, l’augmentation de la température était due au rayonnement solaire qui pénétrait à travers la fenêtre.
De même pour la façade Sud, la figure (25-a) montre que pour un ciel limpide, la température a augmenté rapidement l’après-midi à cause de l’irradiation solaire incidente.
Grâce à l’isolation thermique du plancher par rapport au sol, la température du plancher variait très peu comme nous montrent les figures 26-a et 26-b.
Par contre, la température du plafond a varié instantanément avec la puissance solaire reçue. Ce phénomène s’explique par l’absence d’un isolant thermique entre le plafond et la couche externe de la toiture et alors la variation du rayonnement incident a eu un impact immédiat au niveau du plafond. En général, la température du plafond évoluait d’une manière croissante pendant la journée malgré les fluctuations en rapport avec la variation de l’éclairement.

Température de l’air intérieur

En confrontant les résultats de l’expérimentation avec ceux obtenus par simulation, nous constatons que les résultats coïncident et sont en bon accord. Nous pouvons alors dire que le modèle de la cellule expérimentale créée lors des simulations est valide. La température de l’air intérieur a augmenté du matin jusqu’à la fin de l’aprèsmidi avec une amplitude moyenne de 7°C à 9°C. D’après ces résultats, nous faisons remarquer que l’effet de la variation de la température extérieure est fortement ressenti à l’intérieur de la cellule expérimentale, ceci montre que la cellule est à faible inertiethermique. (I.e. faible diffusivité thermique)

Discussions

Pendant l’été, la température idéale se trouve en-dessous de 26°C. En regardant les figures présentant les températures intérieures des façades, nous constatons que pendant la matinée, les températures restent en-dessous de 26°C et ne présentent pas ainsi l’influence sur le confort. Pendant l’après-midi, vers 14h à 14h30 les températures des façades augmentent en-dessus de 26°C pour un temps ensoleillé et cela constitue une influence négative pour le confort. Pour un temps nuageux, elles varient au voisinage de 26°C et par conséquent ne présentent pas trop d’influence sur le confort.
Pour le plafond, si le temps est généralement ensoleillé, la température du plafond augmente en-dessus de 26°C dès le matin et arrive jusqu’à 32°C l’après-midi comme la figure 27-a nous montre. Celle-ci possède une grande influence négative sur le confort en été. Afin de résoudre ce problème, il est nécessaire de munir le plafond d’un isolant thermique ou encore d’utiliser des toits en tuile qui possèdent beaucoup plus d’inertie thermique par rapport à l’acier.
A cause de l’épaisseur importante du béton qui se trouve en-dessous du plancher, le plancher a une influence positive sur le confort, avec une amplitude de variation de 2°C.
En général, la température de l’air ne se trouve pas dans la zone de confort surtout si le temps est ensoleillé. En plus de la ventilation naturelle, on doit renforcer l’isolation des murs intérieurs et extérieurs afin de limiter les effets de la variation de la température extérieure surtout en été.

CONCLUSION

Grace à cette étude, nous avons pu tirer l’influence des températures des surfaces intérieures sur le confort thermique. Les températures des murs intérieurs jouent un rôle important sur l’établissement du confort à l’intérieur d’un bâtiment.
A défaut du manque d’isolation dans les murs, de l’utilisation des matériaux à faible inertie thermique ainsi que des matériaux à conductivité thermique élevée, les températures des parois peuvent avoir une influence négative sur le confort ainsi que sur la consommation énergétique.
Notre étude s’est limitée sur l’étude du confort dans une petite cellule expérimentale mais il reste à savoir si l’influence reste la même pour une maison de taille moyenne. De plus, nous n’avons pas pu tester les performances des autres matériaux en utilisant un mur amovible, mais nous nous sommes limités sur les matériaux typiquespour les maisons à Madagascar.

Table des matières

NOMENCLATURE 
LISTE DES ACRONYMES 
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX 
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : TRANSFERT THERMIQUE DANS UN HABITAT 
I-1 Confort thermique
I-1-1 Paramètres du confort thermique
I-1-2 Température de confort
I-1-3 Confort hygrométrique
I-2 Formulation des lois de transfert de chaleur dans un bâtiment
I-2-1 Transfert thermique par rayonnement
I-2-2 Transfert thermique par conduction
I-2-3 Transfert thermique par convection
Chapitre II : DISPOSITIF EXPERIMENTAL 
II-1 Présentation du site
II-1-1 Dimensions de la cellule expérimentale
II-1-2 Matériaux de construction de la cellule
II-1-3 Climat et environnement
II-2 Instrumentation de la cellule expérimentale
II-2-1 Types de mesure
II-2-2 Mise en place des appareils de mesure
a) Capteur de température de surface
b) Capteur de température de l’air
II-3 Acquisition des données
II-3-1 Prélèvement des données des capteurs
a) Méthode de prélèvement
b) Montage des ds18b20
c) Montage du DHT11
II-3-2 Prélèvement des données météorologiques
Chapitre III : MODELISATION DU TRANSFERT THERMIQUE 
III-1 Outils de modélisation
III-1-1 Sketchup
III-1-2 OpenStudio
III-1-3 EnergyPlus
III-2 Étapes des simulations
III-3 Simulations avec EnergyPlus
III-3-1 Modèles de calculs choisis
III-3-2 Horaire
III-3-3 Gain en chaleur
III-3-4 Infiltration d’air dans la cellule
Chapitre IV : RESULTATS ET INTERPRETATION 
IV-1 Présentation des résultats
IV-1-1 Données météorologiques
IV-1-2 Présentation des températures
IV-2 Interprétation des résultats
IV-2-1 Sollicitation climatiques
a) Irradiation solaire incidente
b) Température de l’air extérieur
IV-2-2 Température des surfaces internes
IV-2-3 Température de l’air intérieur
IV-3 Discussions
CONCLUSION 
REFERENCES 
ANNEXES