confort thermique et_construction_en_climat_chaud

Confort thermique et construction en climat chaud

Pr. Said MAZOUZ

14/05/2012 2Pr. Said MAZOUZ


14/05/2012 Pr. Said MAZOUZ 3

Vision simpliste du climat, prédominance de l’icônique, Evaluation négative de projets de stars internationales


Bâtiments anti-climatiques





• Ignorance du climat local

• Utilisation des HVAC

• Comportement saisonnier Statique

• Matériaux légers



Le patrimoine construit regorge de solutions « durables »



Des solutions innovantes ont pourtant été tirées de ces solutions

Évolution des concepts

Concepts Explication

Solaire photovoltaïque

Solaire passif

Bioclimatique

Durable/Écologique

Bâtiment à énergie positive

Bâtiment qui, sur une période donnée, produit plus d’énergie (électricité, chaleur ) qu’il n’en consomme pour son fonctionnement.

Bâtiment Basse Consommation (BBC)

Label officiel français qui a été créé par l’arrêté du 8 mai 2007 relatif au contenu et aux conditions d’attribution du label « haute performance énergétique ».

HPE Haute performance énergétique14/05/2012 9Pr. Said MAZOUZ



Source: Louafi S. & al. Laboratoire ABE, Univ. Constantine

La consommation énergétique du secteur du bâtiment en Algérie

Secteurs les plus énergivores: le résidentiel et le tertiaire; Résidentiel: 46% de consommation entre 2000 et 2006. La climatisation utilise 45% de la consommation d’énergie finale et

est responsable du quart des émissions de CO2.

Consommation de gaz et électricité des ménages en Algérie. Source: SONELGAZ, Constantine



Réglementation thermique en France

Consécutive au choc pétrolier de 1973; « l’économie d’énergie »; Réglementation thermique de 1975, actualisée tous les cinq ans; RT 2005 (bâtiments neufs); En attendant …2012

Objectifs: Isolation thermique; Optimisation du taux de vitrage; Orientation; Protection solaire des fenêtres; incitation à l’usage des

énergies renouvelables; Etc…..

Réglementation et labels


HQE (France) 1996





Réglementation thermique en Algérie Création de l’APRUE en 1985; Promulgation de la loi relative à l’énergie en 1999 (loi n° 99-09 du

28 juillet 1999) Réglementation thermique des bâtiments neufs (décret exécutif n°

2000-90) Promulgation des règles spécifiques à l’efficacité énergétique

applicables aux appareils (décret exécutif n° 05-16) de 2005.

Difficultés et entraves diverses

Législation algérienne sur le développement durable

Loi n°3-10 du 19 juillet 2003 relative à la protection de l’environnement dans le cadre du développement durable.

Loi 2004 sur la prévention des risques majeurs et la gestion des catastrophes dans le cadre du développement durable.

Réglementation et labelsConfort thermique et construction en climat chaud


Réglementation thermique dans le bâtiment (03 documents techniques réglementaires)

DTR C 3-2 intitulé « réglementation thermique des bâtiments d’habitation: règles de calcul des déperditions calorifiques » pour le problème d’hiver;

DTR C 3-4 intitulé « réglementation thermique des bâtiments d’habitation: règles de calcul des déperditions calorifiques » pour le problème d’été;

L’application de ces DTR induit un surcout de 10%, pouvant être amorti en 10 ans, mais permet une réduction de la consommation énergétique de près de 40%



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Climat

Microclimat

Enveloppe du bâtimentÉtendue du Confort

Définie par: Ethnie;Sexe;Métabolisme.

Confort mécanique optimal

Pr. Said MAZOUZ

Confort thermique



Le confort thermique dépend de 6 paramètres : 1. La température ambiante de l’air Ta.

2. La température moyenne des parois Trm.

3. L'humidité relative de l'air (HR), qui est le rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d'eau contenue dans l'air à la température ta et la quantité maximale d'eau contenue à la même température.

4. La vitesse de l'air, qui influence les échanges de chaleur par convection. Dans le bâtiment, les vitesses de l'air ne dépassent généralement pas 0,2 m/s

5. Le métabolisme, qui est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7°C. Un métabolisme de travail correspondant à une activité particulière s’ajoute au métabolisme de base du corps au repos.

6. L'habillement, qui représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l'environnement.

Confort thermique: paramètres


Confort thermique: modèles



Confort thermiqueConfort thermique et construction en climat chaud


Technologie conventionnelle (chauffage mécanique)

Confort thermique



Ventilation

Confort thermique



Rafraichissement par évaporation

Confort thermique



Masse thermique

Confort thermique



Masse thermique et ventilation nocturne

Confort thermique



Apports internes

Confort thermique



Humidification

Confort thermique



Solaire passif et actif

Confort thermique




Diagramme psychrométrique



Diagramme psychrométrique

Zone de confort

Grande inertie thermiqueavec ventilation nocturne

Données climatiques heure par heure de la ville de Biskra



Pourtant, construire économe en énergie et durable n’est pas très compliqué

Forme architecturale (Coefficient de forme, forme optimale); Orientation; Ouvertures (vitrages, protection); Caractéristiques des parois (matériaux, isolation, inertie…); Elimination des malfaçons (infiltrations, ponts thermiques); Stratégies de chauffage; Stratégies de rafraichissement; Equipements et systèmes économes en énergie (eau chaude

sanitaire, chauffage, ventilation)

Autres objectifs de durabilité (matériaux, ACV, chantiers durables, récupération de l’eau potable, toitures vegetalisées etc.




Stratégies d’hiver

Capter, stocker, distribuer, conserver



Stratégies d’hiver


Proteger, eviter, dissiper, rafraichir, minimiser

Stratégies d’été



A l’échelle du bâti et de sa parcelle, les performances énergétiques des bâtiments varient également en fonction de leur typologie, de leur compacité et orientation.

Les déperditions thermiques d'un bâtiment sont pour une grande part proportionnelles à la surface des parois en contact avec l'extérieur : 80 à 85 % des déperditions thermiques sont des déperditions surfaciques par les parois; les autres déperditions ont pour origine le renouvellement d'air et les "ponts thermiques.


Coefficient de forme


Par définition, le coefficient de forme est le rapport entre la surface des parois en contact avec l’extérieur sur le volume à chauffer.

Plus le coefficient de forme est faible, plus la forme est “compacte” et moins elle sera déperditrice.


Avec:Cf: Coefficient de forme;S: Surface;V: Volume.


Lorsqu'un bâtiment en équilibre thermique est soumis à un changement des conditions environnantes, il ne gagne un nouvel équilibre qu'au bout d'un certain temps. L'inertie thermique caractérise la lenteur de cette mise en équilibre.

L'inertie d'un bâtiment dépend notamment de la capacité thermique Qs des matériaux qui le composent, et de leur résistance R.

Elle dépend aussi de l'ordre dans lequel les couches de matériaux sont disposées. L'inertie thermique d'un bâtiment détermine sa capacité à stocker de la chaleur.

En hiver, la chaleur emmagasinée durant les heures ensoleillées sera restituée durant la soirée.

L'inertie thermique




L’inertie thermique est la capacité d’un matériau à stocker l’énergie, traduite par sa capacité thermique. Plus l’inertie est élevée et plus le matériau restitue des quantités importantes de chaleur (ou de fraicheur), en décalage par rapport aux variations thermiques extérieures. (le matériau mettant plus de temps à s’échauffer ou à se refroidir).

En général, plus un matériau est lourd et plus il a d’inertie.

Très utile pour atténuer les variations de température extérieure, elle n’est pas toujours adaptée aux locaux occupés et chauffés de manière intermittente.


L'inertie thermique



L'inertie thermique

La masse thermique et l’inertie thermique, deux termes qui recouvrent des réalités totalement différentes.

La masse thermique d’un élément est le produit de la masse de l’élément par sa chaleur massique.

L’inertie thermique d’un local est un terme conventionnel permettant une approche simplifiée de phénomènes non abordés en régime discontinu. La masse thermique pourrait éventuellement caractériser l'inertie si on ne tient pas compte de la variation du flux thermique. C'est à dire si on se rapproche des régimes permanents.

Masse thermique et inertie thermique :




Source: Amara, CNERIB, 2011


L'inertie thermique

La diffusivité thermique exprime la capacité d'un matériau atransmettre (rapidement) une variation de température. C’est

la vitesse a laquelle la chaleur se propage par conduction dans un corps.Elle s'exprime en m²/heure. Plus la valeur de la diffusivité thermique estfaible, plus le front de chaleur mettra du temps a traverser l‘épaisseur dumatériau, et donc, plus le temps entre le moment ou la chaleur parvient surune face d'un mur et le moment ou elle atteindra l'autre face estimportante. On parle également de déphasage.

L’effusivité thermique des matériaux, parfois dénommée“chaleur subjective”, représente la rapidité avec laquelle latempérature superficielle d’un matériau se réchauffe. Plus lecoefficient E est bas, plus le matériau se réchauffe vite. Les

matériaux isolants ont un coefficient E faible et ont une bonne “chaleursubjective”, les matériaux dotes d’une inertie forte ont généralement uncoefficient E élevé.



L'inertie thermique: paramètres

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La diffusivité L’effusivité


L'inertie thermique: paramètres

Dans certains cas, il pourra être intéressant de disposer unmatériau a faible coefficient E devant une paroi a forte inertie.Cette solution permet de supprimer parfois l’effet de paroi froide,mais en revanche elle diminue de façon importante la capacité destockage des calories dans la paroi froide et donc l’effet derégulation des températures.

Par exemple, en hiver, pour une salle de bains ou le tempsd'occupation est souvent court, les revêtements a faible effusivitéthermique comme le bois augmenteront le confort de la piècepuisqu'elle se réchauffera rapidement. Au contraire, dans lesclimats chauds l'utilisation de matériaux a forte effusivité commele carrelage permet de maintenir un certain confort pluslongtemps malgré l‘échauffement de l'air de la pièce.



Recommandations pour climats chauds


Pays chauds

L'inertie thermique combinée à la sur-ventilation nocturne est le moyen le plus efficace, économique et écologique pour assurer la fraîcheur intérieure durant les mois chauds. L'effusivité élevée des matériaux lourds qui assureront l'inertie thermique ne fera qu'augmenter le confort.

Pays froids

L'inertie est surtout importante quand on a des sources de chaleur qu'on ne contrôle pas tout à fait, comme le soleil, ou un chauffage sans thermostat (poêle à bois).



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L’amplitude interne Ai, provoquée par une oscillation extérieure,diminue lorsque:

L’épaisseur des parois d’enveloppe augmente;

La diffusivité des parois d’enveloppe diminue;

L’effusivité des parois d’enveloppe augmente;

La conductivité des parois d’enveloppe diminue;

lorsque l’on maîtrise ces puissances à la source(protection solaire).


14/05/2012


Les types d’inertie (Source: C.S.T.B, 2004)




L’isolation par l’extérieur entraîne une forte inertie puisque la température intérieure évolue très lentement. Or l’isolation par l’intérieur fait baisser l’inertie.

Lorsque la ventilation est assurée de 22h à 7h du matin la fluctuation de la moyenne journalière de la température radiante (MRT) est minimisée.

L’application de l’isolation thermique du coté externe avec l’assurance de la ventilation nocturne, permet une faible et très stable température moyenne radiante (MRT ).




En climat chaud et aride, la masse thermique des murs et/ou des toitures et l‘isolation par l’extérieur procurent un effet considérable sur la performance thermique totale du bâtiment.

En terme de charges globales de chauffage et de climatisation, l’isolation thermique de 5-10 cm d’épaisseur localisée à l'extérieur de la masse du bâtiment donne les meilleurs résultats.

L’isolation par l’extérieur permet d’éliminer les ponts thermiques;

Pour circonscrire l’effet négatif pendant l'hiver, le rayonnement solaire capté à travers un dispositif particulier et stocké dans la masse thermique permet de chauffer gratuitement.

Pour un bâtiment climatisé à utilisation intermittente, il est bien entendu que le niveau standard du confort thermique sera plus vite atteint.





Source: Amara, CNERIB, 2011Combinaison des parois



Remplacer le béton de la forme de pente, composé traditionnellement de granulats lourds, de sable, de ciment et d'eau, par du béton allégé ou par du béton cellulaire peut donner d'excellents résultats en matière d'isolation.

Le béton allégé, composé de ciments, sables et de granulats légers (perles de polystyrène, généralement), peut contribuer d'une manière considérable à l'isolation thermique.

Le béton cellulaire : composé de sable, chaux, ciment mélangés à une petite quantité de poudre d'aluminium est également un excellent isolant car il sera fortement alvéolé.


Forme de pente de la toiture:

Mise en œuvre, ponts thermiques, malfaçons


Tour à vent dans la maison

pharaonique du Bout-Amun en EgypteTour à vent dans une maison à YAZD Tour à vent dans une mosquée

Tour à vent dans une résidence en IRAN


L’inertie thermique combinée à La ventilation


Figure 12: Tour à vent centré : effet attrape vent Figure 15 : Tour à vent centrée : effet cheminée




Circulation d’air dans une maison équipée de

tour à vent Malqaf


Simulation informatique du cheminement de l’air dans une tour à vent à Dubai : le flux principal du vent (en rouge)

crée une dépression dans la pièce, aspirant l’air frais des fenêtres (en jaune). Source : Fluent



Discontinuités induisant des zones de résistance

thermique plus faibles que celle des parties courantes.

Les ponts thermiques



On les appelle des ponts thermiques, puisqu'elles se laissent traverser par la chaleur plus facilement que les autres parties.




On distingue deux types de ponts thermiques :

Les ponts thermiques dus aux matériaux

Les ponts thermiques dus à la géométrie.


Les ponts thermiques: comment y remédier


1. Isolation par l’extérieurDans la construction neuve, l'isolation extérieure est beaucoup plus intéressante que l'isolation intérieure car : Elle permet de profiter de la capacité thermique des

matériaux pour stocker l'excès de calories ou de «frigories», Elle permet d'éviter les ponts thermiques.

2. Isolation répartieEn construction neuve, les ponts thermiques les plus complexes, tels ceux aux jonctions murs – dalles, seront évités par un choix de matériaux spécifiques (béton cellulaire ou argile expansée, verre cellulaire, isolants haute densité).



En rénovation, il s’agit de réaliser une étude spécifique de cette problématique, incluant une recherche exhaustive des ponts thermiques existants par des outils adéquats (thermographie, thermomètres de surface, etc.)

Des joints mal exécutés


Les malfaçons

Des briques disposées transversalement par rapport aux autres créent des infiltrations d'eau et des ponts thermiques avec des risques de condensation.



Simulations: variation des matériaux

Source: Medjelakh, 2006.



Simulations: variation des matériaux




Simulations: variation de l’épaisseur de la paroi




Simulations: parois hétérogènes


Ce résultat de la paroi hétérogène suggère que la construction théoriquement idéale du mur externe, impliquerait la double paroi brique creuse/ vide/ béton plein. Dans lequel la paroi externe aurait une faible absorptivité pour les gains solaires et la radiation de grande longueur d'onde, une grande résistance contre le flux de chaleur interne et une faible capacité de stockage de chaleur. Celle-ci pourrait être composée en briques de cavité légère. La paroi du coté interne aurait une capacité de refroidissement rapide et une grande capacité de stockage de chaleur, composée en béton plein.






Simulations: parois avec isolants




Simulations: emplacement de l’isolant




Simulations: variation de l’épaisseur de l’isolant



Béton et durabilitéComptabiliser l’énergie griseL’énergie grise est l’énergie qui a été consommée pour l’extraction, la production, le transport et le traitement en fin de vie.




Béton et durabilitéComptabiliser l’énergie grise


Trop souvent il y a confusion entre une tonne de ciment etune tonne de béton !

Evaluer l’énergie grise d’un béton (ciment – sable etgranulats – coffrage – transport et mise en œuvre –démolition et traitement des déchets).

Ainsi l’énergie grise d’un béton normal non armé in situpouvait être estimée à approximativement 2,89 GJ/m3, soit1,31 MJ/kg en considérant une masse volumique de 2200kg/m3. Si ce béton est armé, il fallait rajouterapproximativement 2,25 GJ/m3, soit un total de 5,14 GJ parm3 (ou 2,14 MJ/kg) de béton (ou 2,14 MJ/kg en considérantune masse volumique de 2400 kg/m3).






Exemples de constructions et climat chaud

La tour à vent de l'immeuble académique principal




Lycée français de Damas




Exemple du village solaire de Ain Lahnech près de Bousaada (wilaya de

M’sila)


Eléments capteurs d’énergie solaire: serre, fenêtre capteur


L’expérience algérienne

Etat actuel



M’sila)




M’sila)


Fenêtre capteur et intérieur de serre




M’sila)


dispositifs de ventilation




M’sila)


Panneaux thermiques pour la production d’eau chaude sanitaire


Merci de votre attention


Laboratoire de Conception et de modélisation des formes architecturales et urbaines

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