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  1. 1. Transfert thermique, Isolation. 1  Quelques rappels théoriques. Transfert thermique. Rayonnement Conduction Au travers du vide. Par extension : milieu transparent Grace à la présence de : matière immobile Convection Grace à la présence de : matière en déplacement Convection forcée Convection naturelle Isolation. Radiateur Echangeur de chaleur  Les 3 phénomènes.
  2. 2. Transfert thermique, Isolation. 2  Conduction. 0 e x J J Mur 1 2 Tp1 Tp2 T(x) l  Loi de Fourier ) ( 2 1 P P T T e J    l ) ( 2 1 p P th T T R S      Puissance thermique : l e Rth  Résistance thermique : Unité : m2 K  W-1 Tp1 Tp4 1 2 3 4 T2 T3 0 e1 x e2 e3 l1 l2 l3 J J Mur 3 Mur 2 2 3 3 4 Mur 1 1 2 J e e e T T p p              3 3 2 2 1 1 4 1 l l l J Flux par unité de surface Unité : Wm-2 (J > 0) Unité : W λ Conductivité thermique Unité : Wm-1 K-1 λor = 400 Wm-1 K-1 λair = 0.02 Wm-1 K-1 Coef. de transmission thermique : e Uth l  Unité : Wm-2 K-1
  3. 3. Transfert thermique, Isolation. 3  Convection. Tp Tm Fluide Paroi       S h J h T T m p  Loi de Newton Phénomène complexe liant mécanique des fluides et transferts thermiques On définit un coefficient d’échange thermique : h Unité : Wm-2 K-1 Tm : température moyenne du fluide au voisinage de la paroi Tp : température de la paroi hair calme : 3 Wm-2 K-1 hvapeur d’eau chaude : 5.104 Wm-2 K-1
  4. 4. Transfert thermique, Isolation. 4  Les matériaux et procédés.  Bilan des pertes.
  5. 5. Transfert thermique, Isolation. 5  Ou isoler?  Comment isoler ? - Par les matériaux - Par le choix des techniques  intérieur  extérieur  répartie  le type  l’épaisseur / la densité - Par un travail sur les ouvertures  simple vitrage  double / triple vitrage
  6. 6. Transfert thermique, Isolation. 6  Les matériaux.  La fiche technique. Norme incendie. Les classes A1 et A2, A2, A1fl et A2fls1 sont attribuées aux produits très peu combustibles. S(1,2,3) pour la production de fumées (s pour "smoke"). d(0,1,2) pour la chute de gouttes et de débris enflammés (d pour "drop"). Résistance thermique Résistance thermique Epaisseur de l’isolant
  7. 7. Transfert thermique, Isolation. 7  Les matériaux.  Qualités d’un isolant.  Conductivité thermique  Etanchéité à l'air  Résistance mécanique (traction et compression)  Résistance à la diffusion de vapeur d'eau  Faible absorption d'eau  Stabilité dimensionnelle  Comportement à la chaleur  Résistance au feu  Qualités acoustiques  Prix
  8. 8. Transfert thermique, Isolation. 8  Les matériaux.  L’épaisseur, la densité.
  9. 9. Transfert thermique, Isolation. 9 Isolant Sapin Eau Neige Brique Plot de ciment Plâtre Mortier Molasse Verre Acier Aluminium Béton Béton cellulaire 1 10 100 1 000 10 000 Conductivité par rapport à l'air  Les matériaux.  La conductibilité relative.
  10. 10. Transfert thermique, Isolation. 10  Les matériaux.  Les différents critères de qualité Applications Matériau Pouvoir isolant Densité Résistanmce au feu Résistance à la diffusion de vapeur d'eau  Résistance à l'eau Résistance à 10% de compression [kPa] Résistance à la traction [kPa] Étanchéité à l'air Résistance à la chaleur Absorption acoustique bruits de choc Absorption acoustique bruits aériens Laine minérale légère + -- ++ -- 0 -- -- -- + ++ Laine minérale dense ++ - ++ -- 0 0 - -- ++ ++ + Mousse de verre + + ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ -- Béton cellulaire ++* ++ ++ - - ++ + + ++ -- PUR ++ - 0 - 0 + + 0 ++ - -- Urée Formaldéhyde + -- + -- - -- -- -- 0 PS expansé + -- + + 0 + + 0 0 - -- PS extrudé ++ 0 + ++ + + ++ 0 0 - -- Fibres de bois 0 + 0 0 -- + -- - + + ++ Paille et ciment 0 ++ + 0 -- + 0 - + 0 + Liège + + + + - + 0 + ++ + - ++ : Très élevé +: élevé 0 : moyen, acceptable - : bas --: très bas Case vide: ne s'applique pas. D'après "Essais comparatifs", OFQC 1983. PUR : Polyuréthane PS :Polystyrène
  11. 11. Transfert thermique, Isolation. 11  Les matériaux.
  12. 12. Transfert thermique, Isolation. 12  Les matériaux.  Les fibres minérales.  Fibre de verre (ISOVER)  Laine de roche (ROCKWOOL, FLUMROC)  Fibres obtenues par filage de verre plus ou moins pur, liée avec une colle (bakélite)  Bonne résistance au feu  Peu hygroscopique  Absorption acoustique  Résistance mécanique nulle à basse densité, moyenne à haute densité
  13. 13. Transfert thermique, Isolation. 13  Les matériaux.  Mousses minérales.  Mousse de verre (FOAMGLAS)  Cuisson d’un « cake » de verre  Bonne résistance à la compression  Etanche à l’eau et à la vapeur d’eau  Cher
  14. 14. Transfert thermique, Isolation. 14  Les matériaux.  Les polystyrènes.  Polystyrène expansé  Usage général  Résistance mécanique médiocre  Polystyrène extrudé  Usage spécifique pour toitures inversées et isolation enterrée  Bonne résistance aux intempéries, notamment à l’eau  Résistance mécanique supérieure  Plus cher que le PS expansé
  15. 15. Transfert thermique, Isolation. 15  Les matériaux.  Mousses minérales.  Béton cellulaire (YTONG)  Mortier à la poudre d’aluminium, autoclavé  Pouvoir isolant (épaisseur > 24cm)  Bonne résistance mécanique  Parois et dalles homogènes, éléments légers  Sensible à l’eau, au gel si humide
  16. 16. Transfert thermique, Isolation. 16  Les matériaux.  Les fibres naturelles.  Laine, coton, cellulose, paille, coco, chanvre, bois dense  Cellulose (papier recyclé) injectée  Emploi marginal, connotation écologique  Absorption acoustique  Faible résistance au feu, à l’humidité et aux agents biologiques
  17. 17. Transfert thermique, Isolation. 17  Les matériaux.  Fibre de bois léger  Isolants ligneux  Paille agglomérée  Bonne résistance mécanique  Faible résistance à l’humidité (pourriture)  Liège  Bonne résistance mécanique  Résistance à l’humidité médiocre  Certaine résistance au feu
  18. 18. Transfert thermique, Isolation. 18  Les techniques d’isolation.  Pour chaque type de construction : - plusieurs techniques  Pour chaque matériau : - des techniques différentes.  Des solutions multi-formes
  19. 19. Transfert thermique, Isolation. 19  Les techniques d’isolation.  Les grands principes : isolation intérieure. - Pas de modification extérieure - Coût relativement peu élevé - Diminution des surfaces habitables - Problème des ponts thermiques
  20. 20. Transfert thermique, Isolation. 20  Les techniques d’isolation.  Les grands principes : isolation intérieure. L’isolant est derrière une contre-cloison maçonnée ou sur ossature Les panneaux composites ou complexes de doublage
  21. 21. Transfert thermique, Isolation. 21  Les techniques d’isolation.  Les grands principes : isolation extérieure. - Traiter un grand nombre de ponts thermiques - Ne pas modifier les surfaces habitables - Protéger les murs contre les variations climatiques - Cout plus élevé que l’isolation intérieure - Modification de l’aspect extérieur déclaration de travaux / permis de construire
  22. 22. Transfert thermique, Isolation. 22  Les techniques d’isolation.  Les grands principes : isolation extérieure.  L’enduit mince sur isolant. - Isolant collé sur le mur - Un enduit spécifique est posé sur l’isolant. (Polystyrène expansé.)  L’enduit hydraulique sur isolant. - Isolant collé sur le mur - Un enduit hydraulique est projeté sur l’isolant. (Mortier)  Les parements sur isolants. - Isolant fixé au support - Sur l’isolant est fixé pierres minces, dalles…
  23. 23. Transfert thermique, Isolation. 23  Les techniques d’isolation.  Les grands principes : isolation répartie. - Gain de temps dans la mise en œuvre (1 seul produit) - Réduit les ponts thermiques - Améliore le confort thermique - Mono mur en terre cuite - Bloc et panneaux de béton célulaire
  24. 24. Transfert thermique, Isolation. 24  Les techniques d’isolation.  Le bilan. Isolation crépie Isolation intérieure Intérieur Paroi double Extérieur Panneau léger
  25. 25. Transfert thermique, Isolation. 25  Les techniques d’isolation.  Toiture, dalle, toit-terrasse. - Les combles perdus - Les combles habitables / aménageables - Les toitures-terrasses Cette isolation est la plus rentable.
  26. 26. Transfert thermique, Isolation. 26  Les techniques d’isolation.  Toiture, dalle, toit-terrasse.  Toiture plate : sans protection  Toiture plate : avec protection  Toiture inversée  Dalle, planchers
  27. 27. Transfert thermique, Isolation. 27  Parois ventilées  Les techniques d’isolation.  Toiture, dalle, toit-terrasse. I n t é r i e u r E x t é r i e u r I n t é r i e u r E x t é r i e u r
  28. 28. Transfert thermique, Isolation. 28  Le pont thermique  La cause :
  29. 29. Transfert thermique, Isolation. 29  Le pont thermique  La cause :  Discontinuité dans l'isolation thermique de l'enveloppe du bâtiment  Ponts thermiques géométriques angles, coins  Ponts thermiques matériels balcons, fixations, cadres si isolation extérieure dalles, murs intérieurs si isolation intérieure
  30. 30. Transfert thermique, Isolation. 30  Le pont thermique  Les effets :  Déperditions d'énergie  Abaissement de la température superficielle intérieure Condensations Moisissures (odeurs, allergies) Taches, coulures
  31. 31. Transfert thermique, Isolation. 31  Le pont thermique  Les effets : 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 Epaisseur d'isolant [cm] Déperditions [W/m] Sans pont thermique Avec pont thermique
  32. 32. Transfert thermique, Isolation. 32 Chaud Froid Froid Chaud Froid Chaud Allonger Chauffer Diviser     Le pont thermique  Les solutions :
  33. 33. Transfert thermique, Isolation. 33  Le cout. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Laine de pierre Laine de verre Polystyrène Polyuréthane Bois de construction Brique thermique Brique module Epaisseur optimale [m] Energétique Financière
  34. 34. Transfert thermique, Isolation. 34  Le cout. 0 50 100 150 200 250 300 350 Laine de pierre Laine de verre Polystyrène Polyuréthane Bois de construction Brique thermique Brique module Coût [Fr/m²] Construction Entretien [€/(1,40.m²)]
  35. 35. Transfert thermique, Isolation. 35  Les ouvertures en général. Cadre Raccord mur-cadre Bord des vitrages isolants Vitre Ouverture Cadre Vitrage Cadre : Châssis
  36. 36. Transfert thermique, Isolation. 36  Les ouvertures : le vitrage. Vitrage simple Double vitrage Vitrage isolant Fenêtre double
  37. 37. Transfert thermique, Isolation. 37  Les ouvertures : le vitrage, quels phénomènes ?  Conduction.  Convection.  Rayonnement
  38. 38. Transfert thermique, Isolation. 38  Le rayonnement. 4 T S         Puissance émise par une source : Unité : W Rayonnement global g q s transmis Rayonnement transmis  qs directement Rayonnement absorbé  qs Rayonnement solaire incident qs Angle d'incidence i Rayonnement réfléchi qs Transmission secondaire  Le rayonnement solaire sur un vitrage.
  39. 39. Transfert thermique, Isolation. 39  Technique . Type de vitrage Uv gp gg Fr Vitrage simple VS 5,6 0,82 0,84 0,9 Vitrage simple VS, avec couche sélective IR 4,3 0,66 0,69 0,73 Double vitrage (DV) avec air sec 2,9 0,69 0,75 0,81 Double vitrage (DV) avec argon 2,7 0,69 0,75 0,73 Double fenêtre (2 SV) 2,7 0,69 0,75 0,81 DV avec couche sélective et air sec 1,6 0,62 0,67 0,78 DV avec couche sélective et argon 1,3 0,62 0,67 0,7 DV avec couche sélective et xénon 0,9 0,58 0,63 0,76 Double, double vitrage DV 1,5 0,59 0,53 0,66 Triple vitrage (TV) avec air sec 2 0,62 0,7 0,74 Triple vitrage (TV) avec argon 1,9 0,62 0,7 0,71 TV avec 2 couches sélectives et air sec 1,1 0,43 0,5 0,68 TV avec 2 couches sélectives et argon 0,9 0,43 0,5 0,56 TV avec 2 couches sélectives et xénon 0,4 0,42 0,48 0,64 Pavé de verre 3 0,6 0,65 0,75 gp : coefficient de transmission global pour le rayonnement solaire perpendiculaire au vitrage gp : idem, pour le rayonnement solaire global, climat européen. Fr : facteur de réflexion.
  40. 40. Transfert thermique, Isolation. 40 Pour aller plus loin: Quelques notions théoriques.
  41. 41. Transfert thermique, Isolation. 41  La conduction. - Résultat de la différence d’énergie entre deux milieux en contact - La conduction s’effectue sans mouvement de matière. T grad J . l    J   Loi de Fourier J Flux par unité de surface Unité : Wm-2 λ Conductivité thermique Unité : Wm-1 K-1 T Température Unité : K (J > 0) - Pour une surface S, le flux transféré (puissance thermique) est par : S J     Puissance thermique. Unité : W dt dQ   Q Chaleur transférée. Unité : J λor = 400 Wm-1 K-1 λair = 0.02 Wm-1 K-1
  42. 42. Transfert thermique, Isolation. 42  Cas d’un mur simple. Hypothèses : - Pas de source interne de chaleur - Toute la surface à la même température - Régime permanent et propagation unidirectionnelle 0 e x J J Mur 1 2 Tp1 Tp2 T(x) l x T J      l  Loi de Fourier ) ( 2 1 P P T T e J    l J e T T p p    l 2 1  ) ( 2 1 p P th T T R S     Puissance thermique : l e Rth  On définit la résistance thermique par : Unité : m2 K  W-1
  43. 43. Transfert thermique, Isolation. 43  Cas de murs « multiples ». Hypothèses : - Pas de source interne de chaleur - Toute la surface à la même température - Régime permanent et propagation unidirectionnelle x T J      l  Loi de Fourier J e T Tp    1 1 2 1 l J e T T    2 2 3 2 l J e T T p    3 3 4 3 l Tp1 Tp4 1 2 3 4 T2 T3 0 e1 x e2 e3 l1 l2 l3 J J J e e e T T p p              3 3 2 2 1 1 4 1 l l l   J R R R T T th th th p p      3 2 1 4 1 Mur 3 Mur 2 2 3 3 4 Mur 1 1 2
  44. 44. Transfert thermique, Isolation. 44  Cas de murs « multiples ». Entre deux « solides », la frontière commune peut être : - A contact parfait.  Etude précédente. - A contact imparfait. L’interface se comporte comme un milieu isotrope. - Conductivité thermique Elle possède : - Résistance thermique C C e R l  Unité : m2 K  W-1 Unité : Wm-1 K-1 λC       S R J R T T C C ) ( 2 1    Tp1 Tp2 J J  0 e1 x e2
  45. 45. Transfert thermique, Isolation. 45  La convection. - Etude globale. Phénomène complexe liant mécanique des fluides et transferts thermiques On définit un coefficient d’échange thermique : h Unité : Wm-2 K-1 Tp Tm Fluide Paroi       S h J h T T m p Tm : température moyenne du fluide au voisinage de la paroi Tp : température de la paroi hair calme : 3 Wm-2 K-1 hvapeur d’eau chaude : 5.104 Wm-2 K-1  Loi de Newton
  46. 46. Transfert thermique, Isolation. 46  Bilan global pour un mur simple. Hypothèses : - Pas de source interne de chaleur - Toute la surface à la même température - Régime permanent et propagation unidirectionnelle J h T T p m    1 1 1 1 J e T T p p    2 2 2 1 l J h T T m p    2 2 2 1 J h e h T T m m              3 2 2 1 2 1 1 1 l   J R R R T T C th C m m      3 2 1 2 1 Rth2 RC1 RC2 0 e x J J Mur 1 2 Tp1 Tp2 T(x) l Tm1 Tm2 h1 h2 Fluide 1 Fluide 2 Conduction Convection Convection
  47. 47. Transfert thermique, Isolation. 47  Le rayonnement.  Flux d’une source :  Source de puissance émise par une source.  Emittance d’une source (monochromatique : λ) : S d d M l l    Unité : W  Puissance émise par la source.  Transfert de chaleur par rayonnement : 4 T M       Unité : Wm-2 Unité : Wm-2 - constante de Stefan-Boltzmann :  = 5,6703 . 10-8 Wm-2K-4 - ε : émissivité (facteur d’absorption ou d’émission de la surface émettrice) coefficient sans unité (1 pour un corps noir) - T : température du corps (K)
  48. 48. Transfert thermique, Isolation. 48 Corps noir à 5800 K Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Energie [kW/(m²·µ)] 0 0,5 1,0 1,5 2,0 - - - Longueur d'onde [µm] visible UV IR Ciel serein, soleil à 30° au-dessus de l'horizon Rayonnement solaire au niveau de la mer. - -  Le rayonnement solaire. Sahara sud 2000 kWhm-² Zermatt 1480 kWh m-²
  49. 49. Transfert thermique, Isolation. 49  Le rayonnement solaire sur un vitrage. Rayonnement global g q s transmis Rayonnement transmis  qs directement Rayonnement absorbé  qs Rayonnement solaire incident qs Angle d'incidence i Rayonnement réfléchi qs Transmission secondaire

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