Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Introduction

Enseignant: Dr Jérôme Kämpf

Physique du Bâtiment III: Aspects administratifs

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

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Introduction

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 pointBonus sur l’examen: [4, 5] → + 0.5 point

]5, 6] → + 1 point

Echelle linéaire par morceaux, moyenne à 75% des points

Physique du Bâtiment III: Aspects administratifs

[1,2[ [2,3[ [3,4[ [4,5[ [5,6[ 6

0 2

48

63

25

30 2

37

57

31

14

Physique du Bâtiment III ‘11Examen Semestre

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Introduction

Situation du cours:

I et II : Principes généraux de baseIII : Enveloppe du bâtiment : Partie opaqueIV : Enveloppe du bâtiment : Partie transparenteV et VI : Bilan énergétique / gestion et stockage de l’énergie

• choisir les éléments de construction en fonction des sollicitationsthermiques intérieures et extérieures• établir la répartition des températures et des pressions partielles devapeur d'eau dans un mur multicouche• évaluer et améliorer les qualités acoustiques d'une salle• choisir un élément de construction en fonction du degré denuisance sonore et de la sensibilité au bruit et calculer son pouvoird'isolation phonique

1h cours / 1h exercices (variable)

Physique du Bâtiment III: Aspects administratifs

Objectifs du cours:

Organisation du cours:

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Planning du coursPhysique 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 Résumé/Questions & TEST

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Flux de chaleur, Valeur UMise en perspective – réchauffement climatique

Modélisation physique vs mesures

rose: modèles physiquesbleu: sans activité humainenoir: mesure de la température

Source: Climate Press 30, Novembre 2011, «Que valent les modèles climatiques?», proclimweb.scnat.ch

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Mise en perspective – activité humaine

Source: Office Fédéral de l’Energie, «Statistique globale suisse de l’énergie 2011», www.bfe.admin.ch

Corrélation entre activité humaine (consommation d’énergie) et réchauffement climatique

2011

Réduire la consommation d’énergie fossile pour endiguer le réchauffement climatique

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Mise en perspective – activité humaine

Source: Office Fédéral de l’Energie, «Statistique globale suisse de l’énergie 2011», www.bfe.admin.ch

Ménages

Flux de chaleur, Valeur U

27.2%

Industrie

Services

Transport

Agriculture

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Mise en perspective – activité de l’architecte

Source: Office Fédéral de l’Energie, «Rénovation des bâtiments», www.bfe.admin.ch

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

«Où disparait l’énergie dans un maison familiale typique»

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique

Un élément opaque de construction est souvent représenté en coupe:

extérieur

intérieur

Les couches sont généralement numérotées et indicées (par exemple )

Chacune des couches opaques possède une grandeur physique qui détermine son comportement thermique: La résistance thermique

La résistance thermique dépend du type de matériau: solide ou fluide.

extérieur

intérieur brique

isolant

① ② ③ ④

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique

La résistance thermique d’un solide → conduction uniquement

ext.

int.

𝑅 𝑗=𝑑 𝑗

𝜆 𝑗

: résistance thermique de la couche : épaisseur de la couche : conductivité thermique de la couche ou conductibilité

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).20 cm

Réponse: 4.2 mRéponse: 11 m

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique

La résistance thermique d’un fluide → conduction, convection et radiation

𝑅 𝑗=1h 𝑗

: conductance thermique de la couche

Couche d’air limiteLame d’air

h3≐ Λ=6W /(m 2⋅K)

conduction 1/3 rayonnement 2/3

pas de convection (air immobile)

ext.

int.

convection pouvant être importante à l’extérieur (vent) → valeurs standard

couche ⓪

couche ⑤

① ② ③ ④

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Détermination de flux de chaleur – rappel sur la résistance thermique

La résistance thermique totale d’un élément opaque de construction

Exemple: Mur simple

ext.

int.

= =

𝑅𝑡𝑜𝑡=1hi

+∑𝑗=1

𝑛

𝑅 𝑗+1he

① ② ③ ④

: nombre de couches de l’élément opaque: conductance thermique de la couche d’air limite intérieure / extérieure

𝑅𝑡𝑜𝑡=18+∑

𝑗=1

4

𝑅 𝑗+125

Nous obtenons:

(Exercice Série 1)

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Détermination de flux de chaleur – rappel sur le flux de chaleur spécifique

Le flux de chaleur spécifique à travers un élément opaque de l’enveloppe se calcule de la manière suivante:

𝐽 𝑠 , 𝑖→𝑒=𝑈⋅(𝜃𝑖−𝜃𝑒)

: flux de chaleur spécifiquede l’intérieur vers l’extérieur

: valeur U ou conductance de l’élément : température intérieure / extérieure (°C ou K)

extérieurintérieur𝐽 𝑠 , 𝑖→𝑒

ordre important

avec: 𝑈=1 /𝑅𝑡𝑜𝑡𝑅𝑡𝑜𝑡↗⟹𝑈↘⟹ 𝐽 𝑠 ,𝑖→𝑒↘Interprétation:

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Résumé

Le flux de chaleur donné en (W) se calcule:

Interprétation: Si est importante (climat «froid» ou «chaud»)→ deux actions possibles pour minimiser :

• Diminuer ( par isolation des bâtiments) – Exercice Série 1

• Diminuer (forme compacte – minimisation de la surface en contact avec l’air/sol)

avec: 𝑈=1 /𝑅𝑡𝑜𝑡 et:

Flux de chaleur, Valeur U

où est le flux de chaleur spécifique donné en ()

𝑅𝑡𝑜𝑡=1hi

+∑𝑗=1

𝑛

𝑅 𝑗+1he

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Illustration – Minimisation de la Valeur U, exemple de rénovation

Note: il est d’usage de ne pas donner plus de deux décimales à une valeur U

Double mur avec une lame d’air isolé depuis l’extérieur

14 cm de Sagex EPS 15

Non rénové:

Economie d’énergie:78 %

Source: Office Fédéral de l’Energie, «Catalogue d’éléments de construction avec calcul de la valeur U: Assainissement», www.bfe.admin.ch

Flux de chaleur, Valeur U

Physique du Bâtiment III – Cours 1Dr Jérôme KAEMPF

Illustration – Flux de chaleur pour 30 m2

Avant rénovation:

Après rénovation:

Illustration – Minimisation de la surface en contact avec l’extérieur

La Ville Radieuse, Le Corbusier, 1924

Projet non-réalisé, idéalement pour optimiser la captation solaire

Formes de radiateurs:

Les gains solaires à travers les vitres compenseraient-ils les pertes de nos jours ?

Flux de chaleur, Valeur U