Transfert de vapeur d’eau - jeanpaul.bousquet.free.frjeanpaul.bousquet.free.fr/cours pdf/BTS_FED/Cours04-Transfert... · BTS FED Transfert de vapeur d’eau -Diagramme de Mollier

BTS FED Transfert de vapeur d’eau

1. Problématique Humidité dans les logements

L’air contenu dans les logements contient toujours de la vapeur d’eau. A l’intérieur ceci est dû en partie par l’activité humaine et au nombre d’occupants :

• Cuisine : 1,4 à 6 l/jour • Salle de bains : 1,2 à 2,4 l/jour • personne : 1,7 à 4,4 l/jour

Mais aussi peut provenir de l’extérieur (pluie, neige, fuite ou courant d’air dans les joints ou fissures des murs, par capillarité,….)

La vapeur d'eau se déplace du milieu où elle est en forte concentration vers les milieux où elle est en faible concentration. La condensation de cette vapeur d'eau à l’intérieur des parois au travers de celles-ci peut provoquer des pathologies chez certaines personnes. Un des rôles de la ventilation est d'évacuer cette vapeur d'eau excédentaire.

Saturation de l’air en vapeur d’eau et condensation Lorsque de la vapeur d'eau traverse une paroi, en

hiver, sa température baisse progressivement de l'intérieur vers l'extérieur. À une certaine température, cette vapeur peut se condenser en eau liquide. C'est cette eau qui génère des pathologies.

2. Notions de base sur l’air humide : L’air ambiant contient une part plus ou moins importante de vapeur d’eau. L’air humide est défini comme l’assemblage d’une masse d’air sec et d’une masse de

vapeur d’eau. Ce mélange de deux gaz est généralement assimilé à un mélange de gaz parfaits. A une pression et à une température donnée, l’air peut contenir une quantité limitée de vapeur d’eau. (ex : salle de bain avant une douche) Une quantité d’eau supplémentaire, à la même température et à la même pression se traduira par la présence d’eau liquide en suspension dans l’air (brouillard, dépôt sur glace ou/et vitre).

S8-Transfert Hygrothermique

Transfert de vapeur d’eau

Air Ambiant

Masse Vapeur d'eau

Air sec


-Diagramme de Mollier

Les propriétés de l’air humide sont résumées par le diagramme de MOLLIER. L’observation de celui-ci permet d’observer les phénomènes suivants :

-Lorsque la température baisse, la teneur en vapeur d’eau diminue rapidement. -L’air a la capacité d’emmagasiner de l’eau sous forme de vapeur, plus l’air est chaud, plus cette capacité est grande.

- Pour une température donnée, lorsque l’air a emmagasiné le maximum possible de vapeur d’eau, on dit qu’il est saturé ou que son « Humidité Relative » (HR) est de 100%.

- Ainsi de l’air à 20°C est à 100% d’HR lorsqu’il contient 14,7 grammes d’eau sous forme de vapeur d’eau, par Kilogramme d’air sec.

- Si son humidité relative est de 60%, il ne contiendra que 8.8 grammes / kilo.

Pour utiliser le diagramme, il suffit de : -Repérer la température t° sur l’axe horizontal. -Lire la teneur en eau (g / Kg ) sur l’axe vertical en fonction du % HR. -Lire la pression exercée par la vapeur d’eau dans le mélange gazeux (exprimé en mm de mercure sur l’axe verticale à droite)

Autre abaque mais même information à en retirer !

8,8

P r e ss ion

Pour un air ambiant intérieur de 20° à 70% d’humidité :

1-Le point de rosée sur la surface

interne de la paroi apparaîtra si la température de la paroi est à 15°C.

2-Si la température de la paroi est >

15°C, il n’y a aucun phénomène de condensation.

3-La pression de vapeur d’eau partielle

: 12,5 mm de mercure est la pression de vapeur correspondant à une température de 20 °C et 70 % d’humidité relative.

4-Si cette humidité relative évoluait

jusqu’à 100 %, on atteindrait un niveau de pression dite saturante (17,5 mm de mercure) provoquant un point de rosée en surface.

Pour un air ambiant intérieur de 20° à 70% d’humidité : 1-Le point de rosée sur la surface interne de la paroi apparaîtra si la température de la paroi est 15 °C. 2-Si la température de la paroi est >15°C il n’y a aucun phénomène de condensation. 3-La pression de vapeur d’eau partielle de mercure est la pression de vapeur correspondant à une température de 20 °C et 70 % d’humidité relative ici 12,5mm. 4-Si cette humidité relative évoluait jusqu’à 100 %, on atteindrait un niveau de pression dite saturante (17,5 mm de mercure) provoquant un point de rosée en surface.

14,7 g /kg

10,5 g /kg

17,5 mmHg

12,5 mmHg


EXEMPLE : Une paroi simple en béton de 14 cm. Le calcul de la résistance totale de la paroi permet de définir le profil de température pour deux hypothèses (méthode graphique selon proportions des résistances thermiques de chaque composant de la paroi) :

Dans les deux cas, Il y a condensation sur la Par contre ici il n’y a pas de condensation sur la surface du mur car les températures sont surface du mur car la température est > à 15°C

. < à 15°C .

-Diagramme PSYCHROMETRIQUE

Le « diagramme psychrométrique » encore appelé diagramme de l’air humide traduit lui aussi le lien entre température et humidité de l’air. Il se présente sous une autre forme mais donne les mêmes résultats.


Lorsque le point de rosée est supprimé sur la surface intérieure de la paroi, on peut imaginer que celui-ci a peut être été « repoussé » un peu plus loin à l’intérieur de la paroi. Il convient donc de faire une étude . La migration de la vapeur d’eau se fait de la pression la plus forte vers la pression la plus faible. Ces pressions dépendent des températures et des taux d’humidité.

Nota : si les 2 ambiances sont identiques il n’y a pas de migration de vapeur d’eau.

Définition de l’humidité relative:

Pour un mélange de gaz, la loi de Dalton énonce :

Pression absolue du mélange = des pressions partielles des différents gaz en mélange

Dans un mélange air sec + vapeur d’eau, on distinguera la pression partielle de vapeur d’eau.

L’humidité relative HR peut être exprimée par :

avec: Pv (en Pa): pression partielle de vapeur d’eau dans l’air humide. Pvs (en Pa): pression de vapeur saturante, à la température de l’air humide.

Notion de température de rosée:

La température de rosée correspond à la température en dessous de laquelle de l’air humide refroidi atteint la saturation. Une partie de la vapeur d’eau contenue dans l’air humide va être condensée, c’est-à-dire va se liquéfier.

Exemple à partir du diagramme de l’air humide : Soit de l’air humide à 25°C et 50% d’humidité relative. Déterminer sa température de rosée.

= HR = Pv / Pvs * 100


3. Débit de vapeur au travers d’une paroi plane :

3.1 Perméabilité à la vapeur d'eau :

Elle traduit la capacité d’un matériau à être traversé par la vapeur d’eau, exprimée en kg/m.s.Pa

Mais peut aussi être exprimée en g / m.h.mmHg (grammes par mètre et par heure et par millimètre de mercure)

Valeur particulière pour l'air : (air) = 1,85.10-10 kg / m.s.Pa = 0,09 g / m.h.mmHg 0,09 . = 1,85.10-10 kg / m.s.Pa 1000.3600.133,322

Nota : 1 mmHg = 133,322 Pa et 1Pa = 7,500615.10-3 mmHg

Règle de conversion : X g/(m.h.mmHg) = (X/133,322).103 mg/(m.h.Pa)

……

3.2 Coefficient de résistance à la diffusion de vapeur d'eau () : La résistance à la diffusion de la vapeur d’eau est la capacité à freiner la migration de la vapeur d’eau. On trouvera cette caractéristique du matériau homogène dans le DTU* Th-U

(réglementation thermique)

*( DTU : Document Technique Unifié).


3.3 Résistance à la diffusion de vapeur d'eau (Rd) : dépend de l'épaisseur du matériau

Nota : Pour les matériaux hétérogènes, on donne directement la valeur de Rd et non la perméabilité.

Les pare-vapeur sont caractérisés par leur aptitude à résister plus ou moins à la diffusion de vapeur d’eau. Le coefficient Sd, exprimé en mètres, représente la résistance d’un pare-vapeur par rapport à celle qui correspondrait à une épaisseur équivalente d’une couche d’air. Sd est donc défini comme l’épaisseur de la couche d’air ayant une diffusion équivalente en mètre.

Sd(m)= .e épaisseur du pare vapeur en m …

Plus la valeur de Sd est grande, moins le produit laisse passer la vapeur d’eau.

Règle de conversion : X g/m².h.mmHg = (X/133,322).103 mg/m².h.Pa

Rd =e

=

e.

(air ) en (m2. s. Pa)/kg)

= (air )

(sans unité)

Plus le coefficient est faible et plus la vapeur d’eau peut s’évacuer rapidement à travers le matériau.


3.4 Perméance

La perméance est la quantité de vapeur d'eau qui peut traverser une surface de paroi par unité de temps sous une différence de pression donnée.

L’ACERMI détermine 5 catégories de perméance par ordre croissant :

E1 : P > 2.25 E2 : 0,045 > P > 2,25 E3 : 0,113 > P > 0,045 E4 : 0,113 > P > 0,0075 E5 : 0,0075 > P

Ce classement indique si l’isolant utilisé nécessite un frein vapeur selon l’endroit où il est placé.

3.5 Débit de vapeur traversant la paroi Qmv :

- pour un matériau de perméabilité (en kg/m.s.Pa) et d’épaisseur e (m).

avec : Pvi (en Pa) : pression partielle de vapeur du milieu i. Qmv (en kg/m2.s) : débit de vapeur d’eau

Rd (en 𝐦𝟐. 𝐬. 𝐏𝐚)/𝐤𝐠): Résistance à la diffusion de

la vapeur d’eau

- pour l’ensemble de la paroi constituée de plusieurs matériaux.

Rd = RMur +RIsolant + RCloison

QmV = (Pv1 − Pv2)

Rd

P =

e=

1

Rd en g/m². h. mmHg ou en (kg/m². s. Pa)

QmV = (Pv int − Pv ext )

Rd

Pv int pression partielle intérieure

de vapeur d’eau

Pv ext pression partielle extérieure

de vapeur d’eau

Qmv


avec

Calcul pratique (démarche) : 1- Déterminer l'évolution des températures dans la paroi.

2- Déterminer la pression partielle Pv int fonction de l’humidité relative HRint et Pvs int . De même pour Pv ext fonction de l’humidité relative HRext et Pvs ext . Voir sur le « Diagramme de l’air humide » Ex. : T° int = 20° - HR 70% -> PVint = 12,5 mmHg soit 12.5*133,32 =1665,5 Pa pour HR 100% ->Pvsint = 17,5 mmHg soit 17.5*133,32 =2333,1 Pa

3- Déterminer les valeurs de la pression de vapeur saturante Pvs (diagramme psychrométrique en fonction de l’évolution des températures dans la paroi, en Pa).

4- Calculer Qmv.

5- Déterminer les pressions de vapeur aux interfaces des couches.

6- Faire un graphique montrant l'évolution de PV dans la paroi.

7- Ajouter sur le graphique l'évolution de Pvs dans la paroi. Si les deux courbes se croisent, il y a risque de condensation interne. Il faudra donc utiliser un pare vapeur.

Exemples - Température extérieure de base : -10°C - Température intérieure : 21°C - Humidité relative extérieure : 70% - Humidité relative intérieure : 30%

Ces données d'entrée sont censées représenter les conditions extrêmes observées au cours d'une année. - Simulation 1 (fichier simulation 1)

Rd = ei

i

Sd


Commentaire : le graphique indique un risque de condensation au sein du panneau de bois du côté du pare-pluie. La vapeur d'eau est retenue par les propriétés de cette membrane dont le Sd est sensiblement équivalent à celui de l'épaisseur de laine de bois.

- Simulation 2 (fichier simulation 2)

- La membrane pare-pluie (Sd = 0,5) est remplacée par un pare pluie en fibre de bois de 6

centimètres d'épaisseur type Pavatex Diffutherme avec un Sd plus faible de 0,2 .

Pare pluie

Panneau bois

Frein vapeur

Plaque FERMACELL

Changement de matériau

Le phénomène de condensation se produit

dans la zone où les 2 courbes se croisent.


Commentaire : le graphique indique qu'il n'y a plus de risque de condensation au sein de la paroi.

Type de paroi Bonne ventilation (1) Mauvaise ventilation (1)

Risques limités et

faibles

Risque de condensation sur les murs, moisissures


Risque de condensation à l’intérieur des parois

Risques limités et faibles




Risques limités

et faibles




Risques limités

et faibles Risque de condensation sur les murs, moisissures



Pavatex

Panneau bois

Frein vapeur

Plaque FERMACELL


Risques limités et faibles


1) Température intérieure : température de référence de la RT (19 °C) (2) Dans le cas de travaux de rénovation, par pose d’une isolation thermique intérieure, il faut s’assurer que le parement extérieur ne constitue pas un frein à la migration de la vapeur d’eau.


Analogie entre thermique et hygrothermique

THERMIQUE HYGROTHERMIQUE Conductivité

W/m.K ou W/m.°C

Perméabilité

kg / m.s.Pa ou g / m.h.mmHg

Conductance

W.m-2

.K-1

ou W/m².K

Perméance

en g/m². h. mmHg ou en (kg/m². s. Pa)

Résistance thermique

Résistance à la diffusion

Avec

Flux thermique

Débit de vapeur traversante

Bibliographie : Agence qualité construction : Perméance des façades Nombreux extraits trouvés sur Internet

U =1

Rth

P = 1

Rd =

e

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