Inspectons les bâtiments

Pourquoi aller dans le détail ?

Savoir ou se trouve le problème est essentiel si on veut intervenir dessus. A vue de nez, impossible de tout maîtriser.

Lorsque je visite un bâtiment existant, quel qu’il soit, il y a des notions que je peux estimer, voir ou sont certaines pertes de chaleur. Passer la main devant une fenêtre pour vérifier l’étanchéité. Il est tout à fait possible d’utiliser une caméra thermique ou un anémomètre pour s’aider dans la tâche.

Plus nous avons de détail sur les caractéristiques réellement mis en œuvre, plus nous seront précis.

De retour au bureau, nous pouvons nous servir des outils logiciels. Ces outils nous servent pour définir correctement les hypothèses et la réalité du terrain. Il s’agit donc d’une assistance à l’interprétation d’un résultat. Or, dans un système parfait, l’outil de calcul estime au plus juste ce que l’on cherche à calculer. Finalement, dans la réalité, c’est souvent plus compliqué.

Savez vous qu’une fente provoquée par une fuite d’air de 1 millimètre dans un isolant dégrade la performance d’un facteur 5 par rapport à une mise en œuvre étanche. Cette fuite n’étant pas visible à l’œil nu, il est très difficile d’estimer cet écart.

Savoir quel outil utiliser pour quel résultat est donc la principale qualité d’un professionnel pour répondre de la bonne façon à un problème donné.

Une question de condition aux limites

Dans un système fermé, nous fixons des conditions répondant à notre besoin. Un calcul thermique n’est rien d’autre qu’un ensemble d’hypothèses fixés arbitrairement permettant d’estimer un flux de chaleur.

Un flux thermique s’exprime tout le temps du chaud vers le froid. S’il n’y a pas de différence de température alors, le flux est nul, il n’y a pas de transfert énergétique. Cela n’arrive jamais dans le monde réel.

L’exemple de la barre métallique est le cas le plus concret qui se rapprochant le plus de la réalité. Évidemment, il s’agit d’un modèle simplifié.

C’est ce qu’on étudie à l’école.

On chauffe à un bout de la barre de façon uniforme et on observe ce que ça fait à l’autre bout. Il existe donc des formules mathématiques, des équations physiques qui nous permettent de calculer correctement les transferts énergétiques au sein du matériau. On parle d’évolution dynamique, car ce que l’on observe, c’est bien une évolution temporelle de la conduction de chaleur à travers la barre.

Finalement, nous observons une élévation de la température au cours du temps de la face extérieure.

Dans le cas ou la barre se situe dans un environnement infini soumise seulement à ce flux énergétique uniforme et monodirectionnel. Pas de problème, le calcul se déroule tranquillement et se rapprochera de la température réellement obtenu.

A l’extrémité de cette barre, nous n’obtenons par le calcul qu’une estimation de la température finale obtenue. Bien souvent, le résultat dépend du temps d’exposition au flux initial.

Nous retrouvons cette forme de courbe qui semble se stabiliser au cours du temps. Le flux étant stabilisé, nous obtenons la température assez facilement par lecture direct.

Finalement, la courbe de température située au point de l’extrémité de la barre est de forme exponentielle et évolue au cours du temps.

Comme vous le savez, une forme exponentielle comporte une asymptote, c’est-à-dire une limite droite vers laquelle s’approche la fonction théorique mathématique, mais sans jamais l’atteindre.

Cette méthode est notamment utilisée en laboratoire pour déterminer la conduction propre d’un matériau.

Exponentielle

La barre soumise à flux convectif

Dans une idée de complexifier un peu la chose, il est possible d’imaginer un flux convectif à l’autre extrémité. Ce nouveau flux de chaleur aura des propriétés bien précises. Comme sa propre température, sa propre vitesse, sa propre humidité…

Dans ce cas plus réel, nous obtenons dans l’équation de la chaleur, un nouveau terme mathématique. Ce terme nous permet de calculer précisément la température obtenue. Une chute de la température est donc observée en premier lieu, puis elle évolue vers une stabilisation.

Dans ce cas, vous voyez bien là toute la difficulté à obtenir une estimation précise. Plus le temps sera long, plus la température se rapprochera du résultat, mais sans jamais l’atteindre.

Plus le flux convectif sera important, plus la température aura du mal à se stabiliser et résistera à l’atteinte du résultat final.

C’est bien là que se situe le problème, nous n’avons jamais des conditions de laboratoire dans la vie réelle. Il s’agit d’un système ouvert. Cependant, nous pouvons nous en rapprocher en étudiant au cas par cas, les différents systèmes. Un système ouvert n’est rien d’autre que plusieurs cas de systèmes fermés.

Qu'est ce la déperdition thermique d'un bâtiment

On évalue la performance des éléments constituant l’enveloppe du bâtiment via la norme EN 12831. Cette méthode de calcul détermine la puissance de chauffage à installer dans le bâtiment, en fonction des conditions de bases. Pour assurer une température de consigne donnée à l’intérieur du bâtiment. Comme pour la barre de métal, le calcul est donc effectué en régime permanent pour une température extérieure fixée.

Par exemple, nous souhaitons qu’il fasse 19°C pour une condition de -6°C extérieure dans un bureau.

Le but final est donc de dimensionner les émetteurs de chaleur dans chacune des pièces, ou éventuellement de dimensionner le système de génération de chaleur.

 

La transmission thermique, question de matériaux

Un bâtiment n’est rien d’autre qu’un ensemble de système technique permettant des transferts de flux énergétique.

Les règles TH-bât recueillent les méthodes qui permettent de visualiser les déperditions de base par transmission thermique de manière graphique via un diagramme de ce type (simplifié ou détaillé) :

Nous visualisons ainsi l’intégralité des déperditions et l’impact de chacun des paramètres sur l’enveloppe thermique. Les éléments les plus importants devront faire l’objet d’une attention particulière, car c’est là que se cache les gains potentiels de consommation énergétique.

La ventilation, des pertes dynamiques

La ventilation des bâtiments est nécessaire pour le bon fonctionnement du bâtiment, pour évacuer l’humidité relative liés aux usages, ou pour assurer le confort des occupants.

Dans un calcul de déperdition, un projet avec ou sans ventilation dois contenir des déperditions supplémentaires (mécaniquement ou par infiltration). Il sera introduit au moyen d’un débit de renouvellement d’air par pièce.

Dans les bâtiments très bien isolés, le renouvellement d’air devient un des paramètres le plus impactant du bilan thermique.

Un calcul statique

La norme de calcul des puissances de chauffage reste une norme, comme toutes les autres. Les paramètres sont fixés comme la température extérieure. Certains sont même fixés par défaut sans pour autant avoir la main dessus.

Dans tous les cas, ce n’est pas la réalité. Il s’agit de déterminer la puissance maximum que peut atteindre le bâtiment à une certaine période de l’année. Une période extrême qui n’arrive qu’une à deux fois dans l’année.

De plus, l’utilisation de cette norme, bien souvent, ne prend pas en compte les utilisations des différents locaux. Or, ceux-ci peuvent avoir un impact non-négligeable sur le dimensionnement.

Dans une politique de management environnemental, croyez-vous que ce raisonnement est pertinent ?

Pour ne pas gaspiller d’énergie, calculer au plus juste le besoin est donc essentiel. Il est donc possible d’accepter d’avoir quelques degrés en moins une à deux fois dans l’année pour réduire la consommation globale. Si ce n’est pas envisageable, il est aussi possible d’estimer les utilisations en les cumulant pour résonner au mieux. Seul l’outil de simulation dynamique permet de faire cela, mais je pense que nous aurons la possibilité d’y revenir dans un autre article. Comme son nom l’indique, il résonne en dynamique.

Résonner de cette façon est donc la meilleure option qui nous reste. Est-ce qu’un léger sous dimensionnement est acceptable une fois par an ? A nous d’interpréter les résultats pour dimensionner au mieux l’installation de chauffage.

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