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5-7 DECEMBRE 2017
ROCALIA
Damien LAPEYRONNIE - CTMNC
Retour sur l’instrumentation de la villa
YFS
5-7 DECEMBRE 2017
ROCALIA
Présentation de l’étude
• Etudier les impacts de l’inertie thermique de la pierre naturelle (déphasage, amortissement)
sur le confort thermique, en hiver comme en été
• Mesurer et comparer les propriétés thermiques de la pierre sur le cas réel d’une maison
instrumentée sur une durée de 3 ans
Valoriser l’inertie thermique de la pierre naturelle dans le domaine de
l’habitat
Objectifs
5-7 DECEMBRE 2017
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Présentation de l’étude
Instrumentation de la maison : de février 2014 à septembre 2017
Instrumentation réalisée par le LGCgE.
Données de l’étude :
- Villa située à Beauvoisin, dans la région de Nîmes
- Murs en pierre massive de Castillon
- Epaisseur des murs : 45 cm
- Isolation thermique : aucune
5-7 DECEMBRE 2017
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels échanges thermiques observe-t-on au niveau d’un bâtiment ?
Extérieur Intérieur
Paroi opaque
CONDUCTION
Convection
Rayonnement
La paroi interagit avec l’environnement extérieur et l’environnement intérieur.
VMC, mouvements
d’air de T° différentes
Rayonnement
Convection
5-7 DECEMBRE 2017
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La thermique, l’essentiel à savoir
La paroi conduit la chaleur : conductivité thermique l [W.m-1.°C-1]
C’est le flux de chaleur qui traverse 1 m de paroi pour 1 °C d’écart entre ses 2 faces.
Par exemple (valeurs RT 2012) :
Matériau l [W.m-1.°C-1] r [kg/m3]
Marbre 3.5 2600 à 2800
Béton plein 2 2300 à 2600
Pierre calcaire tendre 1.1 1600 à 1790
Plâtre gâché serré 0.56 1200 à 1500
Bois feuillu lourd 0.23 750 à 870
Polystyrene expansé 0.039 29 à 40
La conductivité thermique est théoriquement indépendante de l’épaisseur.
Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ?
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La thermique, l’essentiel à savoir
Conductivité thermique
La valeur de l est corrélée à celle de la masse volumique :
- Plus un matériau contient de matière, plus il est conducteur thermique
- Plus il contient d’air (porosité), plus il est isolant thermique
La résistance thermique est l’inverse de la conductivité thermique, à l’épaisseur près :
𝑅 =
𝑒
𝜆
[m².°C/W)]
Il est possible de compenser une mauvaise conductivité thermique par une forte épaisseur pour
obtenir une bonne résistance thermique.
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La thermique, l’essentiel à savoir
Conductivité thermique
Si on compare 2 matériaux de natures différentes, l’un en fibres naturelles, l’autre à base
minérale, on peut expliquer leurs conductivités thermiques :
Anas de lin l ≃ 0.065 [W.m-1.°C-1]
Pierre calcaire tendre l ≃ 0,78 [W.m-1.°C-1]
Granit l ≃ 3,36 [W.m-1.°C-1]
5-7 DECEMBRE 2017
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La thermique, l’essentiel à savoir
Conductivité thermique
La conductivité de l’air sec immobile à 20°C est de l’ordre de l = 0.024 [W.m-1.°C-1].
La conductivité de l’eau à 20°C est de l’ordre de l = 0.6 [W.m-1.°C-1], elle dégrade les qualités
isolantes des matériaux.
 La porosité du matériau a une grande influence sur les transferts de chaleur car ils
contiennent de l’air sec, de la vapeur d’eau, de l’eau liquide…
 Un matériau à forte porosité, donc pouvant contenir de l’air, aura une plus faible conductivité
thermique qu’un matériau contenant plus de matière solide.
5-7 DECEMBRE 2017
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ?
La chaleur massique
La paroi stocke de la chaleur : chaleur massique c [J.kg-1.°C-1]
C’est la quantité de chaleur stockée par 1 kg de matériau pour 1 °C d’écart imposé
Les matériaux isolants ont une chaleur massique plus élevée que les matériaux structurels
lourds !
Il ne faut pas confondre chaleur massique et quantité de chaleur stockée. La
quantité de chaleur stockée dépend de la chaleur massique mais aussi de la
masse volumique du matériau.
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ?
L’amortissement et le déphasage
La paroi amortit et décale dans le temps les sollicitations qui lui sont imposées.
Paroi opaque
CONDUCTION
f f
Flux mesuré sur la surface extérieure de la paroi Flux mesuré sur la surface intérieure de la paroi
t t
Extérieur Intérieur
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ?
En superposant les 2 courbes, en entrée et en sortie, un décalage en amplitude et en temps est
observé :
f
t
Déphasage temporel
Amortissement de
l’amplitude
Mesuré à l’extérieur
Mesuré à l’intérieur
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ?
Les paramètres thermiques qui jouent sur l’amortissement et le déphasage sont :
La diffusivité thermique :
a = l / (r.c) [m²/s] que l’on assimile à une vitesse de propagation
Le déphasage est donné par 𝜂 = 1.38 𝑒 1/𝑎
Une faible diffusivité améliore le déphasage
L’effusivité thermique :
b = 𝜆 . 𝜌 . 𝑐 [ J.(°C-1.m-2.s-1/2) ] que l’on assimile à la capacité d’absorber de la chaleur pour un
matériau
(La température de contact est pilotée par les matériaux à forte effusivité)
Une forte effusivité améliore l’inertie
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels sont les paramètres influant sur le confort intérieur ?
Les températures ressenties à l’intérieur des volumes habités sont directement liées aux
caractéristiques thermiques des matériaux utilisés.
5-7 DECEMBRE 2017
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La thermique, l’essentiel à savoir
Quels critères pour le matériau idéal ?
- Une conductivité thermique faible pour être isolant thermique
- Une chaleur massique élevée et une effusivité thermique élevée pour l’inertie thermique
- Une diffusivité thermique faible pour augmenter le déphasage
 C’est un matériau difficile à trouver car la masse volumique et la conductivité thermique sont
corrélées et évoluent dans le même sens.
5-7 DECEMBRE 2017
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Présentation de la villa YFS
Plan
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Longueur : 2,00m
Hauteur : 1,00m
Epaisseur : 0,45m
Présentation de la villa YFS
Dimensions des éléments courants
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Présentation de la villa YFS
La pose
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Présentation de la villa YFS
La villa terminée
5-7 DECEMBRE 2017
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Instrumentation de la villa YFS
Objectifs / Contraintes de l’instrumentation
Objectifs :
• Mesurer l’évolution de la conductivité thermique sur les façades Nord & Sud de la villa.
• Evaluation des conditions de confort thermique dans la villa.
Contraintes :
• Acquisition de différentes grandeurs physiques en différents points de la Villa.
• Eloignement du site de mesure.
• Autonomie et robustesse des acquisitions et des alimentations.
• Installation « propre » ayant un faible impact sur le bâti.
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Instrumentation de la villa YFS
Les capteurs utilisés
Les fluxmètres thermiques sont des capteur planaires destinés
à mesurer la densité de flux qui traverse leur surface.
• La tension de sortie est générée par ce flux et ne nécessite
pas d’alimentation extérieure.
• Ils produisent une tension positive ou négative dépendant
de l'orientation du flux thermique.
Les fluxmètres thermiques
Les Thermocouples
Enregistreur de données autonome des
mesures : Suivi des périodes de chauffage
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Instrumentation de la villa YFS
Les capteurs utilisés
Les enregistreurs portables de données Humidité / Température
Pistes
interdigitées
Substrat
Bornes
de
connexion
C%Hr erel
Humidité
relative
Permittivité
relative
Capacité
électrique
Vsortie
Tension
de Sortie
Thermistance
Résistance
Variable en
fonction de T
R Vsortie
Tension
de Sortie
Stockage
En Mémoire
USB
Visualisation
& Fichier texte
Enregistreur de données autonome peut mesurer et stocker jusqu'à 16.382 lectures d'humidité
relative et 16.382 lectures de température sur 0 à 100% d'humidité relative et -35 à +80°C. Les
données sont récupérables et visualisables facilement sur l’ordinateur.
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Instrumentation de la villa YFS
Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures
Centrale
Mur Sud
Centrale
Mur NordNord
Clim
Clim
Mesures température / Humidité
Mesures température
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Instrumentation de la villa YFS
Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures
La centrale de mesure est alimentée
par un panneau solaire qui recharge
une batterie.
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Instrumentation de la villa YFS
Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures
Fluxmètre à l’extérieur Fluxmètre à l’intérieur
Centrale d’acquisition intérieure
Les fluxmètres sont collés en vis-à-vis
de chaque côté de la paroi. Ils sont
connectés sur la centrale disposée
dans un rangement.
Façade Nord
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Instrumentation de la villa YFS
Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures
Façade Sud
Centrale d’acquisition autonome Fluxmètre sur mur intérieur
Les fluxmètres sont recouverts de granulats de pierre afin
d’assurer des propriétés radiatives de leur surface proches
de leur support.
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Instrumentation de la villa YFS
Méthodes d’évaluation des caractéristiques thermophysiques des parois
 Méthode de calcul prédictive
Plans existants
Forage - endoscope
Carottage
Base de données matériaux
 Mesures expérimentales en laboratoire
• Echantillons de matériaux
• Parois de tailles réduites
Stratigraphie de la paroi
Relevé des épaisseurs
&
Nature des matériaux
Exemple de
carottage
 Mesures expérimentales in situ
• Instrumentation de bâtiment
Exploitation des données :
Lecture des données brutes
Traitement statistique
Méthodes inverses
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Instrumentation de la villa YFS
Calcul de la résistance thermique
T°Fcond
Paroi
Rsi=1/hint Rse=1/hext
Rparoi
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 = 𝑅 𝑆𝐼 + 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅 𝑆𝐸
Tsurf.ext.Tsurf.int.Tamb.int. Tamb.ext.
𝑈 𝑝𝑎𝑟𝑜𝑖 =
1
𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒
=
1
𝑅 𝑆𝐼 + 𝑅𝑖 + 𝑅 𝑆𝐸
Coefficient de
transmission
R1 R2
R1+ R2
[𝑅]=m².K/W
[𝑈]=W/m².K
ExtérieurIntérieur
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Instrumentation de la villa YFS
Détermination de la conductivité thermique par la méthode fluxmétrique
(Méthode normalisée ISO 12667)
Un échantillon en forme de pavé
droit est placé entre deux plaques
dont la température est régulée.
Des capteurs placés de part et
d’autre de l’échantillon mesurent
simultanément et dans le même
plan, le flux et la température.
Tsup
Tinf
Fluxmètres
thermiques
φ Echantillon 𝑅𝑡ℎ =
𝑇𝑠𝑢𝑝 − 𝑇𝑖𝑛𝑓
f 𝑚𝑜𝑦
=
é𝑝𝑎𝑖𝑠𝑠𝑒𝑢𝑟
λ
Banc de caractérisation
thermophysiqueDétermination de Rth, l & Cp
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Instrumentation de la villa YFS
Quelles données peut-on attendre de l’instrumentation ?
Au niveau de la paroi :
• Mesures des flux et températures (transfert et stockage)
• Evaluation des caractéristiques thermophysiques de ses constituants
• Mise en évidence éventuelle des variations des propriétés thermiques en fonction du temps
• Atténuation des composantes dynamiques à travers la paroi
• Estimation du déphasage induit
Au niveau du confort ambiant :
• Mesure des températures d’air, de l’hygrométrie et du taux de CO2
5-7 DECEMBRE 2017
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Résultats de l’étude
Comparaison des mesures de température intérieur/extérieur
0
5
10
15
20
25
30
2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142
2015 2016
T(
semaines
Text
T(°C)
Tint
2014
2015 2016
T
semaines
T(°C)
2014
- Les évolutions moyennes de la température annuelle montrent les influences saisonnières sur la
température à l’intérieur du logement malgré la présence d’une climatisation réversible
- Les amplitudes à l’intérieur sont relativement importantes
- Influence des apports gratuits
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Résultats de l’étude
Mesures de flux surfaciques intérieur/extérieur
- On observe bien les sollicitations diurnes/nocturnes (période de 24 H) : courbe bleue côté extérieur
- La courbe rouge représente les mesures à l’intérieur : cycles de chauffage en hiver, pas de sollicitations
en été
- Les pics de flux (apports solaires) ont des intensités plus élevées en hiver
-400
-300
-200
-100
0
100
24/1 25/1 26/127/1 28/1 29/130/1 31/1 1/2 2/2 3/2 4/2 5/2 6/2 7/2
Hiver
-400
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
10/8 12/8 14/8 16/8 18/8 20/8 22/8 24/8
Eté
f (w/m²) f (w/m²)
Mur Sud
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Résultats de l’étude
Mesures de flux surfaciques intérieur/extérieur
Mur Sud (en hiver)
- En hiver le rayonnement solaire est proche de la perpendiculaire par rapport à la paroi
- La durée d’ensoleillement est plus faible
N
SO SE
Hauteur du
soleil : 20° à
12 h
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Résultats de l’étude
Mesures de flux surfaciques intérieur/extérieur
Mur Sud (en été)
- En été le rayonnement solaire est fortement incliné par rapport à une paroi verticale
- La course du soleil représente les ¾ de la rose des vents
Hauteur du
soleil : 70° à
12 h
N
NO NE
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Résultats de l’étude
Que penser de l’orientation du bâtiment ?
- Pour favoriser les apports gratuits en hiver, il faut valoriser les baies vitrées en façade sud
(réduction des apports artificiels de chauffage à l’intérieur)
- Pour se protéger des surchauffes dues au rayonnement solaire en été, il faut :
- Équiper les baies vitrées orientées sud d’avancées de toitures, casquettes solaires, volets
extérieurs (comme dans le cas de la villa YFS)
- Réduire les surfaces vitrées en orientation Est et Ouest, les équiper de protections
(casquettes solaires, volets extérieurs) contre le rayonnement solaire en début et en fin
de journée (rayonnement perpendiculaire à la paroi)
- Renforcer l’isolation de la toiture qui est fortement sollicitée par le rayonnement solaire,
favoriser l’isolation extérieure et l’adjonction de systèmes thermiques naturels
(évapotranspiration)
5-7 DECEMBRE 2017
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Résultats de l’étude
Le comportement thermique de la paroi
Mesures de températures de surface du mur sud :
0
5
10
15
20
25
30
35
7/4 8/4 9/4 10/4 11/4 12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4 20/4 21/4 22/4 23/4 24/4
T° surface int
T° surface ext
- On observe bien les variations des cycles jour/nuit
- L’amortissement des amplitudes entre l’extérieur et l’intérieur est évident
- Le décalage temporel entre les sollicitations mesurées à l’extérieur et celles mesurées à
l’intérieur est perceptible
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Résultats de l’étude
Le comportement thermique de la paroi : déphasage
- Le déphasage temporel de la sollicitation se traduit par un décalage dans le temps du pic de
température observé entre l’entrée de paroi (surface extérieure) et la sortie (surface
intérieure)
- La valeur observée graphiquement est de 11H30 pour une pierre de 45 cm (12H par le
calcul). C’est une valeur optimale en terme de gestion de flux.
10
15
20
25
30
35
7:12 8:38 10:04 11:31 12:57 14:24 15:50 17:16 18:43 20:09 21:36 23:02 0:28 1:55 3:21 4:48 6:14
T°C
Déphasage temporel
Température de surface ext
Température de surface int
5-7 DECEMBRE 2017
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Résultats de l’étude
Le comportement thermique de la paroi : amortissement
10
15
20
25
30
35
7:12 8:38 10:04 11:31 12:57 14:24 15:50 17:16 18:43 20:09 21:36 23:02 0:28 1:55 3:21 4:48 6:14
T°C
- L’amortissement est le rapport entre l’amplitude de la sollicitation en entrée et l’amplitude de
la sollicitation en sortie
- Dans le cas présent, il y a 20°C d’amplitude en entrée et 2°C d’amplitude en sortie, cette
amplitude de sollicitation a donc été divisée par 10. Cela caractérise une paroi performante.
Amplitude en
entrée
Amplitude en sortie
5-7 DECEMBRE 2017
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Résultats de l’étude
Le comportement thermique de la paroi : conductivité thermique équivalente
- La conductivité thermique équivalente est sensible aux variations saisonnières (humidité)
- Les valeurs obtenues pour la conductivité thermique équivalente sont dans la gamme de
celles que l’on peut trouver dans la littérature, entre 1 W/(m.°C) et 1.5 W/(m.°C) pour une
pierre calcaire sèche à humide
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
0 4 8 12 16 20 24 28 32
2014 2015 2016
W / (m.°C)
Mur nord
Mur sud
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat
Le confort dans l’habitat est principalement lié aux conditions de température et d’humidité,
mais également à la vitesse d’air (pas de VMC ici).
On utilise le diagramme de l’air humide (indice de satisfaction retenu pour une majorité
d’occupants)
5-7 DECEMBRE 2017
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat : cas du salon
- La courbe de température du salon et la courbe d’humidité relative suivent la même
dynamique que la température et l’humidité relative extérieure
- Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés, surtout en hiver
- La moyenne globale est stable
0
5
10
15
20
25
30
2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142
2015 2016
T(
semaines
Text
Tsalon
T(°C)
2014
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142
semaines
Hext
HsalonH (%)
2014 2015 2016
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat : cas du salon
- La courbe montre la corrélation entre le polygone de confort et les couples humidité/température
mesurés
- Sur les 3 années cumulées, le pourcentage de points situés dans le polygone de confort est de 53 %
- La moyenne de l’hygrométrie sur les 3 années pour le salon est de 65 %
0 gr/kg
2 gr/kg
4 gr/kg
6 gr/kg
8 gr/kg
10 gr/kg
12 gr/kg
14 gr/kg
16 gr/kg
18 gr/kg
20 gr/kg
-5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00
Humiditéabsolue(grd'eau/kgd'airsec)
Température (°C)
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat : cas du salon
- Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés en hiver (2014-2015)
- L’été 2016 (très chaud) semble faire paraître une tendance à la baisse de l’hygrométrie pour
le 2eme semestre 2016
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52
semaines
H(%) et T(°C)
H(%)
T(°C)
2015
2014
2016
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat : cas d’une chambre
- La courbe de température du salon et la courbe d’humidité relative suivent la même
dynamique que la température et l’humidité relative extérieure
- Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés, surtout en hiver
- La moyenne globale est stable
0
5
10
15
20
25
30
2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142
2015 2016
T(°C)
semaines
Text
Tcham1
2014
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142
H (%)
semaines2014 2015 2016
Hext
Hcham1
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat : cas d’une chambre
- La courbe montre la corrélation entre le polygone de confort et les couples humidité/température
mesurés
- Sur les 3 années cumulées, le pourcentage de points situés dans le polygone de confort est de 21 %
- La moyenne de l’hygrométrie sur les 3 années pour la chambre est de 71 %
0 gr/kg
2 gr/kg
4 gr/kg
6 gr/kg
8 gr/kg
10 gr/kg
12 gr/kg
14 gr/kg
16 gr/kg
18 gr/kg
20 gr/kg
-5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00
Humiditéabsolue(grd'eau/kgd'airsec)
Température (°C)
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Résultats de l’étude
Le confort thermique de l’habitat : cas d’une chambre
- Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés en 2014-2015
- L’été 2016 (très chaud) semble faire paraître une tendance à la baisse de l’hygrométrie à
partir du 2eme semestre 2016
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52
H(%) et T(°C)
semaines
H(%)
T(°C)
2014
2015
2016
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Conclusions…
… de l’instrumentation
- Les performances de la pierre en termes de déphasage de sollicitation et d’amortissement
d’amplitude sont élevées
- La résistance thermique de la pierre est assez faible ce qui induit des températures de
surfaces de parois intérieures réduites par rapport à la température de confort ambiant
souhaitée
- L’humidité relative moyenne à l’intérieur du bâtiment est trop élevée au regard des taux de
satisfaction habituellement rencontrés
- Cette humidité résiduelle est sans doute due à l’humidité originelle de la pierre (eau de
carrière principalement)
- Un système de ventilation permanent devrait accélérer l’amélioration des conditions de
confort en début d’occupation
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Conclusions…
… du ressenti de l’occupante
- Habiter la villa au moment de la livraison n’était pas possible car l’humidité était trop
importante
- Au fil du temps, le ressenti de la villa s’est amélioré et celle-ci est tout à fait confortable à ce
jour
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Retour sur l'instrumentation de la villa YFS

  • 1. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Damien LAPEYRONNIE - CTMNC Retour sur l’instrumentation de la villa YFS
  • 2. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Présentation de l’étude • Etudier les impacts de l’inertie thermique de la pierre naturelle (déphasage, amortissement) sur le confort thermique, en hiver comme en été • Mesurer et comparer les propriétés thermiques de la pierre sur le cas réel d’une maison instrumentée sur une durée de 3 ans Valoriser l’inertie thermique de la pierre naturelle dans le domaine de l’habitat Objectifs
  • 3. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Présentation de l’étude Instrumentation de la maison : de février 2014 à septembre 2017 Instrumentation réalisée par le LGCgE. Données de l’étude : - Villa située à Beauvoisin, dans la région de Nîmes - Murs en pierre massive de Castillon - Epaisseur des murs : 45 cm - Isolation thermique : aucune
  • 4. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels échanges thermiques observe-t-on au niveau d’un bâtiment ? Extérieur Intérieur Paroi opaque CONDUCTION Convection Rayonnement La paroi interagit avec l’environnement extérieur et l’environnement intérieur. VMC, mouvements d’air de T° différentes Rayonnement Convection
  • 5. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir La paroi conduit la chaleur : conductivité thermique l [W.m-1.°C-1] C’est le flux de chaleur qui traverse 1 m de paroi pour 1 °C d’écart entre ses 2 faces. Par exemple (valeurs RT 2012) : Matériau l [W.m-1.°C-1] r [kg/m3] Marbre 3.5 2600 à 2800 Béton plein 2 2300 à 2600 Pierre calcaire tendre 1.1 1600 à 1790 Plâtre gâché serré 0.56 1200 à 1500 Bois feuillu lourd 0.23 750 à 870 Polystyrene expansé 0.039 29 à 40 La conductivité thermique est théoriquement indépendante de l’épaisseur. Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ?
  • 6. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Conductivité thermique La valeur de l est corrélée à celle de la masse volumique : - Plus un matériau contient de matière, plus il est conducteur thermique - Plus il contient d’air (porosité), plus il est isolant thermique La résistance thermique est l’inverse de la conductivité thermique, à l’épaisseur près : 𝑅 = 𝑒 𝜆 [m².°C/W)] Il est possible de compenser une mauvaise conductivité thermique par une forte épaisseur pour obtenir une bonne résistance thermique.
  • 7. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Conductivité thermique Si on compare 2 matériaux de natures différentes, l’un en fibres naturelles, l’autre à base minérale, on peut expliquer leurs conductivités thermiques : Anas de lin l ≃ 0.065 [W.m-1.°C-1] Pierre calcaire tendre l ≃ 0,78 [W.m-1.°C-1] Granit l ≃ 3,36 [W.m-1.°C-1]
  • 8. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Conductivité thermique La conductivité de l’air sec immobile à 20°C est de l’ordre de l = 0.024 [W.m-1.°C-1]. La conductivité de l’eau à 20°C est de l’ordre de l = 0.6 [W.m-1.°C-1], elle dégrade les qualités isolantes des matériaux.  La porosité du matériau a une grande influence sur les transferts de chaleur car ils contiennent de l’air sec, de la vapeur d’eau, de l’eau liquide…  Un matériau à forte porosité, donc pouvant contenir de l’air, aura une plus faible conductivité thermique qu’un matériau contenant plus de matière solide.
  • 9. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ? La chaleur massique La paroi stocke de la chaleur : chaleur massique c [J.kg-1.°C-1] C’est la quantité de chaleur stockée par 1 kg de matériau pour 1 °C d’écart imposé Les matériaux isolants ont une chaleur massique plus élevée que les matériaux structurels lourds ! Il ne faut pas confondre chaleur massique et quantité de chaleur stockée. La quantité de chaleur stockée dépend de la chaleur massique mais aussi de la masse volumique du matériau.
  • 10. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ? L’amortissement et le déphasage La paroi amortit et décale dans le temps les sollicitations qui lui sont imposées. Paroi opaque CONDUCTION f f Flux mesuré sur la surface extérieure de la paroi Flux mesuré sur la surface intérieure de la paroi t t Extérieur Intérieur
  • 11. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ? En superposant les 2 courbes, en entrée et en sortie, un décalage en amplitude et en temps est observé : f t Déphasage temporel Amortissement de l’amplitude Mesuré à l’extérieur Mesuré à l’intérieur
  • 12. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels sont les paramètres thermiques caractérisant la paroi ? Les paramètres thermiques qui jouent sur l’amortissement et le déphasage sont : La diffusivité thermique : a = l / (r.c) [m²/s] que l’on assimile à une vitesse de propagation Le déphasage est donné par 𝜂 = 1.38 𝑒 1/𝑎 Une faible diffusivité améliore le déphasage L’effusivité thermique : b = 𝜆 . 𝜌 . 𝑐 [ J.(°C-1.m-2.s-1/2) ] que l’on assimile à la capacité d’absorber de la chaleur pour un matériau (La température de contact est pilotée par les matériaux à forte effusivité) Une forte effusivité améliore l’inertie
  • 13. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels sont les paramètres influant sur le confort intérieur ? Les températures ressenties à l’intérieur des volumes habités sont directement liées aux caractéristiques thermiques des matériaux utilisés.
  • 14. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA La thermique, l’essentiel à savoir Quels critères pour le matériau idéal ? - Une conductivité thermique faible pour être isolant thermique - Une chaleur massique élevée et une effusivité thermique élevée pour l’inertie thermique - Une diffusivité thermique faible pour augmenter le déphasage  C’est un matériau difficile à trouver car la masse volumique et la conductivité thermique sont corrélées et évoluent dans le même sens.
  • 16. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Longueur : 2,00m Hauteur : 1,00m Epaisseur : 0,45m Présentation de la villa YFS Dimensions des éléments courants
  • 17. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Présentation de la villa YFS La pose
  • 18. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Présentation de la villa YFS La villa terminée
  • 19. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Objectifs / Contraintes de l’instrumentation Objectifs : • Mesurer l’évolution de la conductivité thermique sur les façades Nord & Sud de la villa. • Evaluation des conditions de confort thermique dans la villa. Contraintes : • Acquisition de différentes grandeurs physiques en différents points de la Villa. • Eloignement du site de mesure. • Autonomie et robustesse des acquisitions et des alimentations. • Installation « propre » ayant un faible impact sur le bâti.
  • 20. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Les capteurs utilisés Les fluxmètres thermiques sont des capteur planaires destinés à mesurer la densité de flux qui traverse leur surface. • La tension de sortie est générée par ce flux et ne nécessite pas d’alimentation extérieure. • Ils produisent une tension positive ou négative dépendant de l'orientation du flux thermique. Les fluxmètres thermiques Les Thermocouples Enregistreur de données autonome des mesures : Suivi des périodes de chauffage
  • 21. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Les capteurs utilisés Les enregistreurs portables de données Humidité / Température Pistes interdigitées Substrat Bornes de connexion C%Hr erel Humidité relative Permittivité relative Capacité électrique Vsortie Tension de Sortie Thermistance Résistance Variable en fonction de T R Vsortie Tension de Sortie Stockage En Mémoire USB Visualisation & Fichier texte Enregistreur de données autonome peut mesurer et stocker jusqu'à 16.382 lectures d'humidité relative et 16.382 lectures de température sur 0 à 100% d'humidité relative et -35 à +80°C. Les données sont récupérables et visualisables facilement sur l’ordinateur.
  • 22. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures Centrale Mur Sud Centrale Mur NordNord Clim Clim Mesures température / Humidité Mesures température
  • 23. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures La centrale de mesure est alimentée par un panneau solaire qui recharge une batterie.
  • 24. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures Fluxmètre à l’extérieur Fluxmètre à l’intérieur Centrale d’acquisition intérieure Les fluxmètres sont collés en vis-à-vis de chaque côté de la paroi. Ils sont connectés sur la centrale disposée dans un rangement. Façade Nord
  • 25. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Implantation des capteurs / centrales d’acquisition des mesures Façade Sud Centrale d’acquisition autonome Fluxmètre sur mur intérieur Les fluxmètres sont recouverts de granulats de pierre afin d’assurer des propriétés radiatives de leur surface proches de leur support.
  • 26. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Méthodes d’évaluation des caractéristiques thermophysiques des parois  Méthode de calcul prédictive Plans existants Forage - endoscope Carottage Base de données matériaux  Mesures expérimentales en laboratoire • Echantillons de matériaux • Parois de tailles réduites Stratigraphie de la paroi Relevé des épaisseurs & Nature des matériaux Exemple de carottage  Mesures expérimentales in situ • Instrumentation de bâtiment Exploitation des données : Lecture des données brutes Traitement statistique Méthodes inverses
  • 27. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Calcul de la résistance thermique T°Fcond Paroi Rsi=1/hint Rse=1/hext Rparoi 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 = 𝑅 𝑆𝐼 + 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅 𝑆𝐸 Tsurf.ext.Tsurf.int.Tamb.int. Tamb.ext. 𝑈 𝑝𝑎𝑟𝑜𝑖 = 1 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 = 1 𝑅 𝑆𝐼 + 𝑅𝑖 + 𝑅 𝑆𝐸 Coefficient de transmission R1 R2 R1+ R2 [𝑅]=m².K/W [𝑈]=W/m².K ExtérieurIntérieur
  • 28. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Détermination de la conductivité thermique par la méthode fluxmétrique (Méthode normalisée ISO 12667) Un échantillon en forme de pavé droit est placé entre deux plaques dont la température est régulée. Des capteurs placés de part et d’autre de l’échantillon mesurent simultanément et dans le même plan, le flux et la température. Tsup Tinf Fluxmètres thermiques φ Echantillon 𝑅𝑡ℎ = 𝑇𝑠𝑢𝑝 − 𝑇𝑖𝑛𝑓 f 𝑚𝑜𝑦 = é𝑝𝑎𝑖𝑠𝑠𝑒𝑢𝑟 λ Banc de caractérisation thermophysiqueDétermination de Rth, l & Cp
  • 29. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Instrumentation de la villa YFS Quelles données peut-on attendre de l’instrumentation ? Au niveau de la paroi : • Mesures des flux et températures (transfert et stockage) • Evaluation des caractéristiques thermophysiques de ses constituants • Mise en évidence éventuelle des variations des propriétés thermiques en fonction du temps • Atténuation des composantes dynamiques à travers la paroi • Estimation du déphasage induit Au niveau du confort ambiant : • Mesure des températures d’air, de l’hygrométrie et du taux de CO2
  • 30. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Comparaison des mesures de température intérieur/extérieur 0 5 10 15 20 25 30 2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142 2015 2016 T( semaines Text T(°C) Tint 2014 2015 2016 T semaines T(°C) 2014 - Les évolutions moyennes de la température annuelle montrent les influences saisonnières sur la température à l’intérieur du logement malgré la présence d’une climatisation réversible - Les amplitudes à l’intérieur sont relativement importantes - Influence des apports gratuits
  • 31. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Mesures de flux surfaciques intérieur/extérieur - On observe bien les sollicitations diurnes/nocturnes (période de 24 H) : courbe bleue côté extérieur - La courbe rouge représente les mesures à l’intérieur : cycles de chauffage en hiver, pas de sollicitations en été - Les pics de flux (apports solaires) ont des intensités plus élevées en hiver -400 -300 -200 -100 0 100 24/1 25/1 26/127/1 28/1 29/130/1 31/1 1/2 2/2 3/2 4/2 5/2 6/2 7/2 Hiver -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 10/8 12/8 14/8 16/8 18/8 20/8 22/8 24/8 Eté f (w/m²) f (w/m²) Mur Sud
  • 32. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Mesures de flux surfaciques intérieur/extérieur Mur Sud (en hiver) - En hiver le rayonnement solaire est proche de la perpendiculaire par rapport à la paroi - La durée d’ensoleillement est plus faible N SO SE Hauteur du soleil : 20° à 12 h
  • 33. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Mesures de flux surfaciques intérieur/extérieur Mur Sud (en été) - En été le rayonnement solaire est fortement incliné par rapport à une paroi verticale - La course du soleil représente les ¾ de la rose des vents Hauteur du soleil : 70° à 12 h N NO NE
  • 34. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Que penser de l’orientation du bâtiment ? - Pour favoriser les apports gratuits en hiver, il faut valoriser les baies vitrées en façade sud (réduction des apports artificiels de chauffage à l’intérieur) - Pour se protéger des surchauffes dues au rayonnement solaire en été, il faut : - Équiper les baies vitrées orientées sud d’avancées de toitures, casquettes solaires, volets extérieurs (comme dans le cas de la villa YFS) - Réduire les surfaces vitrées en orientation Est et Ouest, les équiper de protections (casquettes solaires, volets extérieurs) contre le rayonnement solaire en début et en fin de journée (rayonnement perpendiculaire à la paroi) - Renforcer l’isolation de la toiture qui est fortement sollicitée par le rayonnement solaire, favoriser l’isolation extérieure et l’adjonction de systèmes thermiques naturels (évapotranspiration)
  • 35. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le comportement thermique de la paroi Mesures de températures de surface du mur sud : 0 5 10 15 20 25 30 35 7/4 8/4 9/4 10/4 11/4 12/4 13/4 14/4 15/4 16/4 17/4 18/4 19/4 20/4 21/4 22/4 23/4 24/4 T° surface int T° surface ext - On observe bien les variations des cycles jour/nuit - L’amortissement des amplitudes entre l’extérieur et l’intérieur est évident - Le décalage temporel entre les sollicitations mesurées à l’extérieur et celles mesurées à l’intérieur est perceptible
  • 36. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le comportement thermique de la paroi : déphasage - Le déphasage temporel de la sollicitation se traduit par un décalage dans le temps du pic de température observé entre l’entrée de paroi (surface extérieure) et la sortie (surface intérieure) - La valeur observée graphiquement est de 11H30 pour une pierre de 45 cm (12H par le calcul). C’est une valeur optimale en terme de gestion de flux. 10 15 20 25 30 35 7:12 8:38 10:04 11:31 12:57 14:24 15:50 17:16 18:43 20:09 21:36 23:02 0:28 1:55 3:21 4:48 6:14 T°C Déphasage temporel Température de surface ext Température de surface int
  • 37. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le comportement thermique de la paroi : amortissement 10 15 20 25 30 35 7:12 8:38 10:04 11:31 12:57 14:24 15:50 17:16 18:43 20:09 21:36 23:02 0:28 1:55 3:21 4:48 6:14 T°C - L’amortissement est le rapport entre l’amplitude de la sollicitation en entrée et l’amplitude de la sollicitation en sortie - Dans le cas présent, il y a 20°C d’amplitude en entrée et 2°C d’amplitude en sortie, cette amplitude de sollicitation a donc été divisée par 10. Cela caractérise une paroi performante. Amplitude en entrée Amplitude en sortie
  • 38. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le comportement thermique de la paroi : conductivité thermique équivalente - La conductivité thermique équivalente est sensible aux variations saisonnières (humidité) - Les valeurs obtenues pour la conductivité thermique équivalente sont dans la gamme de celles que l’on peut trouver dans la littérature, entre 1 W/(m.°C) et 1.5 W/(m.°C) pour une pierre calcaire sèche à humide 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 0 4 8 12 16 20 24 28 32 2014 2015 2016 W / (m.°C) Mur nord Mur sud
  • 39. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat Le confort dans l’habitat est principalement lié aux conditions de température et d’humidité, mais également à la vitesse d’air (pas de VMC ici). On utilise le diagramme de l’air humide (indice de satisfaction retenu pour une majorité d’occupants)
  • 40. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat : cas du salon - La courbe de température du salon et la courbe d’humidité relative suivent la même dynamique que la température et l’humidité relative extérieure - Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés, surtout en hiver - La moyenne globale est stable 0 5 10 15 20 25 30 2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142 2015 2016 T( semaines Text Tsalon T(°C) 2014 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142 semaines Hext HsalonH (%) 2014 2015 2016
  • 41. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat : cas du salon - La courbe montre la corrélation entre le polygone de confort et les couples humidité/température mesurés - Sur les 3 années cumulées, le pourcentage de points situés dans le polygone de confort est de 53 % - La moyenne de l’hygrométrie sur les 3 années pour le salon est de 65 % 0 gr/kg 2 gr/kg 4 gr/kg 6 gr/kg 8 gr/kg 10 gr/kg 12 gr/kg 14 gr/kg 16 gr/kg 18 gr/kg 20 gr/kg -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Humiditéabsolue(grd'eau/kgd'airsec) Température (°C)
  • 42. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat : cas du salon - Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés en hiver (2014-2015) - L’été 2016 (très chaud) semble faire paraître une tendance à la baisse de l’hygrométrie pour le 2eme semestre 2016 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 semaines H(%) et T(°C) H(%) T(°C) 2015 2014 2016
  • 43. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat : cas d’une chambre - La courbe de température du salon et la courbe d’humidité relative suivent la même dynamique que la température et l’humidité relative extérieure - Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés, surtout en hiver - La moyenne globale est stable 0 5 10 15 20 25 30 2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142 2015 2016 T(°C) semaines Text Tcham1 2014 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 142 H (%) semaines2014 2015 2016 Hext Hcham1
  • 44. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat : cas d’une chambre - La courbe montre la corrélation entre le polygone de confort et les couples humidité/température mesurés - Sur les 3 années cumulées, le pourcentage de points situés dans le polygone de confort est de 21 % - La moyenne de l’hygrométrie sur les 3 années pour la chambre est de 71 % 0 gr/kg 2 gr/kg 4 gr/kg 6 gr/kg 8 gr/kg 10 gr/kg 12 gr/kg 14 gr/kg 16 gr/kg 18 gr/kg 20 gr/kg -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 Humiditéabsolue(grd'eau/kgd'airsec) Température (°C)
  • 45. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Résultats de l’étude Le confort thermique de l’habitat : cas d’une chambre - Les niveaux d’humidité relative sont assez élevés en 2014-2015 - L’été 2016 (très chaud) semble faire paraître une tendance à la baisse de l’hygrométrie à partir du 2eme semestre 2016 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 H(%) et T(°C) semaines H(%) T(°C) 2014 2015 2016
  • 46. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Conclusions… … de l’instrumentation - Les performances de la pierre en termes de déphasage de sollicitation et d’amortissement d’amplitude sont élevées - La résistance thermique de la pierre est assez faible ce qui induit des températures de surfaces de parois intérieures réduites par rapport à la température de confort ambiant souhaitée - L’humidité relative moyenne à l’intérieur du bâtiment est trop élevée au regard des taux de satisfaction habituellement rencontrés - Cette humidité résiduelle est sans doute due à l’humidité originelle de la pierre (eau de carrière principalement) - Un système de ventilation permanent devrait accélérer l’amélioration des conditions de confort en début d’occupation
  • 47. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Conclusions… … du ressenti de l’occupante - Habiter la villa au moment de la livraison n’était pas possible car l’humidité était trop importante - Au fil du temps, le ressenti de la villa s’est amélioré et celle-ci est tout à fait confortable à ce jour
  • 48. 5-7 DECEMBRE 2017 ROCALIA Merci de votre attention www.ctmnc.fr