- Thermique du bâtiment
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La thermique du bâtiment est une discipline de la thermique visant à étudier les besoins énergétiques des bâtiments. Elle aborde principalement les notions d'isolation thermique et de ventilation afin de limiter les échanges thermiques avec l'extérieur, de fourniture d'énergie pour le chauffage et de production d'eau chaude sanitaire.
L'ensemble des parties d'un bâtiment est soumis aux transferts thermiques, qui sont des échanges de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'extérieur. La connaissance et la maîtrise de ces transferts thermiques permet une gestion de la facture énergétique d'un bâtiment. La diminution de ces échanges thermiques permet de maintenir une température tempérée à l'intérieur du bâtiment en y apportant le moins d'énergie possible. Elle permet également d'orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire tout en visant un compromis entre coût énergétique et confort.
La thermique du bâtiment s'intéresse également à l'impact écologique en considérant l'impact sur l'environnement de l'énergie ayant fourni le chauffage : chauffage central fioul, gaz, bois, chauffage électrique, etc.
Une étude complète nécessite de distinguer les sources de chaleur internes et externes au bâtiment, c'est-à-dire les parties actives, des parties passives comme les surfaces extérieures, les vitres, la toiture par exemple.
Sommaire
Consommation énergétique d'un bâtiment
On appelle consommation énergétique du bâtiment ou indice énergétique la consommation annuelle d'énergie du bâtiment nécessaire au chauffage divisée par la surface chauffée[1].
- la consommation d'énergie est exprimée en kilowattheures par an (kWh/an), elle comptabilise les besoins de chauffage du bâtiment, et les besoins pour la production d'eau chaude sanitaire ;
- la surface de référence énergétique est exprimée en mètres carrés (m2).
La consommation énergétique, ou indice énergétique, est donc une puissance par unité de surface, exprimée en kilowattheures par mètre-carré et par an (kWh/(m2.an)).
La consommation énergétique d'un bâtiment dépend non seulement des performances thermiques du bâtiment (isolation, compacité, apports solaires passifs, etc.) mais aussi de la consigne de température souhaitée par les habitants. En effet, une hausse de température de consigne de 1°C peut engendrer, selon les bâtiments, une augmentation de la consommation d'énergie de 6% à 20%.
Cette définition n'est pas unique. Selon les pays, les usages peuvent varier. En particulier, la surface de référence retenue au dénominateur qui peut tenir compte ou non de l'épaisseur des murs, exclure ou non les pièces techniques (cages d'ascenseur, chaufferie), exclure une partie de l'espace au sol selon la hauteur du plafond, etc. D'autre part, le numérateur peut inclure, outre les consommations de chauffage, les consommation de climatisation, les consommations électriques etc. Il peut aussi ne représenter que les besoins de chauffage, c'est-à-dire sans tenir compte de la performance de l'équipement de chauffage effectivement mis en œuvre.
Enveloppe thermique du bâtiment
Déperditions thermiques d'un bâtiment.
L'enveloppe thermique d'un bâtiment est la surface qui sépare le volume intérieur chauffé du bâtiment de l'environnement extérieur. C'est au travers de cette enveloppe qu'interviennent les échanges de chaleur qui agissent sur les besoins de chauffage ou de rafraîchissement du bâtiment.
Le mur
- Conduction : le mur transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment.
- Convection : le vent accélère l'échange thermique à la surface extérieure du mur par convection.
- Rayonnement : le Soleil chauffe le mur par rayonnement. Le mur chaud rayonne aussi la nuit vers le ciel.
La vitre
Le Soleil, le vent, et la vitre elle-même participent aux échanges de chaleur.
- Conduction : la vitre transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment.
- Convection : le vent refroidit la vitre par convection.
- Rayonnement : le Soleil chauffe l'intérieur de la pièce à travers la surface transparente. L'intérieur de la pièce lui-même perd une partie de son énergie par rayonnement vers l'extérieur. Mais la vitre bloque une grande partie du rayonnement infrarouge émis (principe de l'effet de serre).
La toiture
- Rayonnement : le Soleil réchauffe le toit par rayonnement.
- Conduction : la chaleur du Soleil est transmise à travers le toit au reste du bâtiment.
- Convection : le vent refroidit le toit avec un vent frais.
La dalle
- Conduction : la chaleur est échangée entre le bâtiment et le sol à travers l'épaisseur de la dalle.
- Convection : les échanges convectifs n'interviennent que si la dalle est située sur un vide sanitaire ventilé. Il n'y a pas d'échange par rayonnement.
Chauffage passif
Le chauffage passif consiste à utiliser le rayonnement solaire, le choix des matériaux et l'orientation des parois de l'enveloppe thermique afin de chauffer directement le bâtiment par le rayonnement solaire sans transformation énergétique. À l'heure actuelle, dans les pays tempérés, le chauffage passif n'est pas suffisant pour couvrir l'intégralité des besoins de chauffage. Par contre, sous d'autres latitudes c'est tout à fait possible. Dans de nombreuses régions (p. ex. zones tropicales), la notion même de chauffage n'existe pas du fait du chauffage passif par l'air ou le soleil.
Le chauffage passif sert en général à réduire les besoins. Un système de chauffage actif est donc utilisé en complément.
Sources de chaleur
Différents types d'énergies et différents systèmes de diffusion de chaleur sont utilisées pour chauffer les bâtiments. Ces choix sont réalisés selon les spécificités locales : dimensions du bâtiment, énergies disponibles sur place. On peut distinguer les agents énergétiques utilisés pour le chauffage selon qu'ils soient des énergies de réseau ou non.
Énergies de réseaux
Les énergies de réseaux sont celles qui sont disponibles via un réseau auquel le bâtiment est connecté. Les énergies de réseau sont :
- le gaz, le chauffage est réalisé par la combustion du gaz dans une chaudière, un fluide caloporteur (généralement de l'eau) permet de diffuser la chaleur dans un réseau dédié à l'intérieur du bâtiment ;
- les réseaux de chaleur à distance. La chaleur est produite dans une usine proche, généralement par la combustion d'un agent énergétique (fioul, gaz, bois, déchets...). Le réseau distribue la chaleur par un le biais d'un fluide caloporteur circulant dans des conduites souterraines. Un échangeur thermique fournit la chaleur à un réseau secondaire propre au bâtiment et la chaleur est ensuite diffusée dans les locaux ;
- l'électricité, le chauffage est réalisé par des convecteurs, des radiateurs ou une pompe à chaleur qui peuvent diffuser la chaleur par convection ou rayonnement dans la pièce.
Autres
Les bâtiments n'utilisant pas une énergie de réseau sont tous chauffés par un réseau basé sur un fluide caloporteur (généralement de l'eau). Différentes solutions sont utilisées pour chauffer ce fluide à la température nécessaire.
Les panneaux solaires thermiques
L'énergie provient du Soleil. Ce dernier émet un rayonnement électromagnétique qui, au contact du panneau solaire, fait monter en température le fluide caloporteur. Un panneau solaire thermique est constitué d'un tube dans lequel circule un fluide. Ce tube est situé dans entre une paroi noire qui absorbe l'énergie thermique et une paroi de verre. La paroi de verre est transparente au rayonnement solaire (principalement situé dans le visible) mais est opaque au rayonnement infrarouge (rayonnement du panneau). Il se constitue un effet de serre dans le panneau solaire.
L'utilisation de panneaux solaires thermiques convient à des bâtiments pour lesquels l'indice énergétique est faible. Cependant si les besoins énergétiques du bâtiment sont élevés, le solaire thermique peut-être utilisé en parallèle à une autre solution.
Chaudière à combustible
Une chaudière permet, par la combustion d'un agent énergétique, la production de chaleur. Le fluide caloporteur diffuse ensuite la chaleur à travers un réseau dédié, propre au bâtiment. Les différents combustibles qui sont utilisés par une chaudière pour le chauffage d'un bâtiment sont :
- le fioul ;
- le bois ;
- le gaz (dans des sites ne disposant pas du gaz comme d'une énergie de réseau des réservoirs individuels peuvent être utilisés).
Pompe à chaleur
Les pompes à chaleur, ou PAC, se basent sur le principe du cycle frigorifique que l'on trouve également dans les réfrigérateurs. La chaleur fournie par l'environnement extérieur permet de vaporiser le fluide de la pompe à chaleur, un compresseur généralement alimenté électriquement permet d'augmenter la pression du fluide alors à l'état gazeux. Le fluide circule ensuite dans un condenseur, libérant ainsi de l'énergie captée par le système de chauffage du bâtiment. Le fluide rejoint ensuite l'évaporateur par une soupape de détente[2].
On distingue trois types de pompes à chaleur pour la thermique du bâtiment, selon le type d'environnement extérieur utilisé pour l'évaporateur :
- air ;
- sol ;
- eau.
Couplage chaleur-force
Le couplage chaleur-force (ou cogénération) est un système basé sur un moteur à combustion. La combustion de gaz ou de fioul par le moteur entraîne la production d'électricité par un alternateur, la chaleur émise par le moteur et par les gaz d'échappement est récupérée et sert à chauffer le bâtiment. Ce système produit de l'électricité pour les besoins du bâtiment et de la chaleur pour le chauffage. Le rendement énergétique d'un tel système est compris entre 90 et 95 %[3].
La cheminée
La production de chaleur est due à la combustion du bois dans le foyer de la cheminée. Les transferts thermiques sont les suivants :
- Conduction : la paroi de la cheminée est chaude et la chaleur est diffusée vers l'extérieur.
- Convection : l'air réchauffé à proximité du foyer est mis en mouvement et remplacé par de l'air frais.
- Rayonnement : devant la cheminée la chaleur est émise sous forme de rayonnement.
Dans le cas d'une cheminée à foyer ouvert, environ 90 % de la chaleur libérée par la combustion du bois est perdue avec les fumées par l'effet de tirage thermique de la cheminée elle-même. Pour un foyer fermé (insert), ces pertes sont réduites autour de 60 %.
Diffusion de la chaleur dans le bâtiment
Radiateur : son principe repose sur l'émission d'un rayonnement thermique. L'eau chaude porte les ailettes du radiateur à une température supérieure à celle de la pièce. Ces ailettes émettent ensuite un rayonnement, essentiellement dans l'infra-rouge, qui en première approximation peut-être étudié comme celui du corps noir.
- Conduction lorsque la chaleur s'évacue par les parois du radiateur en contact avec un autre corps (mur, personne, ameublement).
- Convection lorsque l'air extérieur en contact avec le radiateur se réchauffe.
Contexte actuel
De nombreux pays industrialisés et densément peuplés se situent dans des zones géographiques où le climat est caractérisé par des hivers froids. Les besoins de chauffage dans ces pays sont importants au cours de ces périodes. Des mesures réglementaire sont prises par certains pays afin de limiter les besoins énergétiques des bâtiments, on peut citer le diagnostic de performance énergétique en France.
Outils de calcul
Evaluer les besoins annuels de chauffage ou de rafraîchissement d'un bâtiment requiert de disposer de très nombreuses données permettant de décrire précisément l'enveloppe du bâtiment, les conditions météorologiques et l'usage du bâtiment. À partir de ces éléments, il est possible d'appliquer les lois de la thermique propres aux différents types d'échanges thermiques (convection, conduction, rayonnement) pour en déduire les puissances instantanées mises en jeu à un instant donné. Pour obtenir un résultat pour une année, il existe des méthodes simplifiées annuelles ou mensuelles et des méthodes détaillées demandant beaucoup de calculs (pas de temps horaire ou de quelques minutes). Dans ce dernier cas on parle de Simulation Thermique Dynamique du bâtiment.
Parmi les outils de calcul simplifié on peut citer :
- PHPP (Allemagne, spécifique aux bâtiments passifs)
- 3CL (France, méthode réglementaire)
Les outils de Simulation Thermiques Dynamique du bâtiment les plus répandus sont les suivants :
- Energy Plus (États-Unis d'Amérique)
- Design Builder + TRNSYS (États-Unis d'Amérique)
- Pléiades + COMFIE (France)
- ESP-R (Écosse)
- DOE-2 (États-Unis d'Amérique)
- TAS (Royaume-Uni)
- CODYBA (France)
- IES <Virtual Environment> (Écosse)
- WUFI (Allemagne)
- SISAL <Simulation de Systèmes Accessibles en Ligne> (Belgique)
Voir aussi
Sources
- Mémento technique du bâtiment, CERTU, consulté le 16 juin 2008
Notes et références
- [PDF] Nouveaux bâtiments à faible consommation d'énergie, Office fédéral de l'énergie, SuisseEnergie, 2006
- Principe d'une PAC, programme Suisseénergie, consulté le 17 juin 2008.
- Couplage chaleur-force sur le site de l'Office fédéral de l'énergie, consulté le 17 juin 2008.
Articles connexes
Liens et documents externes
- http://garbure.org/~nenubat/transfert.html : Exemples de transferts thermiques dans le bâtiment
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