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1 - Parois de locaux -1 Isolation interieure / Isolation exterieure La gure 1 represente la coupe transversale de la paroi d'un pavillon. Pour une etude simpliee, cette paroi est suposee ^etre constituee de 3 milieux dont les caracteristiques sont repertoriees dans le tableau 1. La surface exterieure de la paroi 3 est assimile a une surface noire. On noteTi= 293 K la temperature interieure du local ethsile coecient d'echange convection- rayonnement entre la surface du milieu 1 et l'interieur du local. On noteTe= 262 K la temperature exterieure ethsele coecient d'echange convection- rayonnement entre la surface 3 et le milieu exterieur. Les valeurs des coecientshsiethseseront prises en n de feuille de TD.

Figure1 { Coupe transversale de la paroiTable1 { Caracteristiques des milieux composant la paroiMilieu 1Milieu 2Milieu 3

PLATREISOLANTBETON

1= 0:5 W.m1.K1

2= 0:035 W.m1.K1

3= 2 W.m1.K1e

1= 2 cme

2= 10 cme

3= 20 cm1. Dans le cas d'une isolation par l'interieur :

(a) calculer les temperaturesT1aT4dans la paroi, (b) tracer le gradient de temperature dans la paroi.1. Polytech' Marseille, Semestre S9 1

2. Dans le cas d'une isolation par l'exterieur :

(a) calculer les temperaturesT1aT4dans la paroi, (b) tracer le gradient de temperature dans la paroi, (c) comparer ce prol de temperature a celui obtenu avec une isolation par l'interieur. 2

Etude de la paroi d'un local

On etudie la paroi decrite dans l'exercice 1, isolee par l'interieur. Calculer la temperatureT4de la paroi 3 (suposee noire) sachant que le ciel est vu comme une surface grise dont la temperature estTciel= 253 K et que le ux solaire incident sur la surface 4 ests= 785 W.m2. Le coecient d'echange par convection avec l'air exterieur est h e= 34 [W.m2.K1]. La temperature de l'air exterieur estTe= 262 [K].

3 Deperditons d'une salle de sejour

On etudie une salle de sejour dans un pavillon de plein pied sur vide sanitaire et avec combles perdues. La forme et les dimensions de cette salle sont illustrees sur la gure 2. Le mur donnant sur le jardin presente 2 portes-fen^etres en bois avec un simple vitrage (1:4 [m] de large et 2:05 [m] de haut), de coecient de deperdition globalUfenetre= 4:2 [W.m2.K1]. Les autres murs separent ce sejour, des autres pieces de la maison egalement chauees. Le mur de facade est constitue, de l'exterieur vers l'interieur, d'un enduit de mortier de 2 [cm] d'epaisseur, d'une couche de parpaings (202050 a 2 rangees d'alveoles, conformes a la norme NF P.14-301) et d'un enduit de pl^atre de 1:5 [cm]. Le plancher sur vide sanitaire est constitue d'une dalle en beton de 16 [cm] rev^etue en sous-face de 5 [cm] de bres vegetales agglomerees (= 0;12 [W.m1.K1]) servant a la fois de corage perdu et d'isolant et en surface d'un carrelage en gres calcarifere (= 1:9 [W.m1.K1]) de

1:5 [cm] dpaisseur.

Le plafond sous combles perdues non-chauees, est constitue de deux feuilles de pl^atre cartonnees (= 0;35 [W.m1.K1]) de 13 [mm] d'epaisseur chacune, accrochees aux fermes et recouvertes de 6 [cm] de laine de verre classe VA1 (= 0;047 [W.m1.K1]). Figure2 {Etude d'une salle de sejour avec :H= 2:63 m,P= 4:35 m,L= 6:15 m,F= 1:4 m eth= 2:05 m.1. Calculer le coecient de deperdition surfaciqueUmur([W.m2.K1]) du mur exterieur sur sa partie opaque. 2

2. Calculer le coecient de deperdition surfaciqueUplafond([W.m2.K1]) du plafond.

3. Calculer le coecient de deperdition surfaciqueUplancher([W.m2.K1]) du plancher.

4. Calculer les deperditions par les parois (hors ponts thermiques), quand la temperature

interieure (temperature de l'air) est maintenue a 18 [ oC], celle de l'air exterieur est a

5 [oC] et celle du vide sanitaire et des combles est a 5 [oC]. Determiner la part relative

de chaque element : mur (partie opaque, fen^etres, plancher et plafond).

5. Analyser l'incidence sur les deperditions des modications suivantes en calculant les deperditions

au travers chacune des parois : (a) portes fen^etres en bois avec double-vitrage (Ufenetre= 2:9 [W.m2.K1]), (b) couche supplementaire de 9 [cm] de laine de verre au dessus du plafond, (c) nouvelle constituation du mur de facade : 2 [cm] d'enduit de mortier, une couche en parpaings (152050 a 2 rangees d'alveoles conformes a la NF P. 14-30), d'une lame d'air de 4.5 [cm] (Rair= 0:18 [K.m2.W1]) et de carreaux de pl^atre (=

0:35 [W.m1.K1]) de 5 [cm],

(d) polystyrene expanse dans la lame d'air precedente.

6. Par5 [oC] exterieur, 5 [oC] en vide sanitaire ou en combles non chauees et 18 [oC],

calculer les temperatures sur les faces interieures des parois : (a) avant modications, (b) apres modications.

Donnees complementaires

Les coecients d'echange convection-rayonnement dependent de l'inclinaison des parois, du sens du ux et de l'ambiance en regard (interieur ou exterieur). La methode de calcul est donnee au paragraphe 2.11 du fascicule 4/5 "Parois opaques" des regles Th-U. Cependant en l'absence de donnees speciques sur les conditions locales, on adopte les valeurs conventionnelles de la g. 3 (Th-U 4/5, paragraphe 1.32) : 3 Figure3 { Valeurs conventionnelles des coecients d'echanges convection-rayonnement,hsiet h

se, selon les regles Th-U, fascicule4/5.Le fascicule 2/5 "Materiaux" des regles Th-U donnent les proprietes thermiques utiles des prin-

cipaux materiaux de construction. La gure 4 en donne quelques extraits : Figure4 { Proprietes de materiaux de construction, selon les regles Th-U, fascicule2/5.4

Resistances thermiques des materiaux alveoles

Pour alleger les maconneries, on utilise depuis longtemps des produits manufactures creux (par- paings, briques creuses ...). Ces produits comportent des poches d'air faiblement ventilees et sont assembles par des joints de nature dierente. Leur resistance surfacique ne peut ^etre calculee ni comme celle d'une lame d'air, ni comme celle d'une couche pleine. Le DTU donne la methode de calcul mais aussi les resultats de ces calculs pour les produits normalises les plus courants. A titre d'exemple, la gure 5 fournit la valeur des resistances ther- miques de blocs creux en beton, en [K.m

2.W1], conformement a la norme NF P 14.301. Les

valeurs des resistance prennent en compte l'in uence des joints. 5 Figure5 { Blocs en beton de granulats courants conformes a la norme NF P 14.301. Masse volumique apparente du beton constitutif : 1900 a 2150 [kg.m

3], pourcentage de vide : 45 a

55 %, epaisseur des parois exterieures : 17 a 19 [mm], epaisseur des parois interieures : 17 [mm].6

4 Corrections

4.1 Isolation interieure/ Isolation exterieure

Question 1.aCalcul du

ux surfacique

En regime permanent, le

ux entrant dans la paroi est egal au ux traversant la paroi, lui-m^eme egal au ux sortant et est note [W]. On noteSla surface de la paroi etudiee.

On peut donc ecrire :

S =TiT11=hsi=T1T2e

1=1=T2T3e

2=2=T3T4e

3=3=T4Te1=hse(1)

Soit :

S =TiTe1=hsi+ 1=hse+e1=1+e2=2+e3=3;(2) avec la resistance thermiqueRth: R th= 1=hsi+ 1=hse+e1=1+e2=2+e3=3; R th= 0:13 + 0:04 + 0:02=0:5 + 0:1=0:035 + 0:2=2; R th= 3:17[K.m2:W1] Le ux surfacique traversant la paroi vaut alors : S =TiTeR th=2932623:17= 9:8[W/m2] (3)

Calcul de la temperatureT1On sait que :

S =TiT11=hsi; ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperature de la paroi interieure,T1: T 1=TiS 1h si; T

1= 2939:80:13;

T

1=291:7[K]

Calcul de la temperatureT2On sait que :

S =T1T2e 1=1; 7 ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperatureT2: T 2=T1S e1 1; T

2= 291:79:80:020:5;

T

2=291:3[K]

Calcul de la temperatureT3On sait que :

S =T2T3e 2=2; ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperatureT3: T 3=T2S e2 2; T

3= 291:39:80:10:035;

T

3=263:3[K]

Calcul de la temperatureT4On sait que :

S =T3T4e 3=3; ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperature de la paroi exterieure,T4: T 4=T3S e3 33;
T

4= 263:39:80:22

T

4=262:3[K]

RemarquesOn remarque que la temperature du mur est pr^oche de la temperature exterieure (en hiver comme en ete). L'isolation interieure ne permet donc pas de chauer les murs porteurs qui peuvent alors ^etre soumis a un risque de gel (ce qui est le cas ici). Par ailleurs, la plus grande variation de temperature est observee dans l'isolant; ceci est la raison pour laquelle en hiver, la mise en fonctionnement du chauage permet de rechauer rapidement l'air de la piece, tandis que l'arr^et du chauage conduit a une diminution rapide de sa temperature. On dit que les b^atiments isoles par l'interieur ont une faible inertie thermique. L'isolation interieure est choisie pour les cas de renovations dans les appartements (car il est dicile d'intervenir sur l'exterieur du b^atiment) et pour les residences secondaires. Dans ce der- nier cas, l'occupation intermittente ne permet pas de chauer durablement les murs. L'isolation interieure laisse donc le mur a l'exterieur de la zone isolee et permet une montee en chaue rapide, adaptee a un usage temporaire. La contrepartie de l'isolation interieure est une reduction de l'espace interieur et la presence de nombreux ponts thermiques qui restent a traiter. La qualite d'une isolation interieure peut diminuer avec le temps (tassement des laines derriere les plaques de pl^atre, trous de souris dans le polystyrene, etc.) 8 La mise en place d'une isolation interieure necessite la pose d'un pare-vapeur/coupe vent. La face interieure de l'isolation (c^ote chaud) doit ^etre munie d'un lm etanche a l'air qui remplit deux fonctions : celle de pare-vapeur et celle de coupe-vent. Ce lm etanche fonctionne donc dans les deux sens : { interdire a l'air chaud et charge de vapeur d'eau de penetrer dans l'isolant et d'y provoquer de la condensation, { emp^echer le vent de s'inltrer, au travers de l'isolation, dans le volume chaue. Idealement, entre la nition interieure et le pare-vapeur, on laisse un passage technique pour l'electricite et la plomberie, ainsi, on ne troue pas le pare-vapeur.

question 1.bFigure6 { Correction : Evolution de la temperature de la paroi isolee par l'interieur.question 2.a

La valeur du

ux surfacique n'est pas modiee par une isolation exterieure et =S= 9:8 [W]. De m^eme, la temperature de la paroi 1, c^ote interieur, n'est pas modiee.

Calcul de la temperatureT03On sait que :

S =T1T03e 1=1; ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperatureT03: T

03=T1S

e1 1; T

03= 291:79:80:020:5;

T

03=291:3[K]

Calcul de la temperatureT02On sait que :

S =T03T02e 3=3; 9 ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperatureT02: T

02=T03S

e3 33;
T

02= 291:39:80:22

T

02=290:2[K]

Calcul de la temperatureT04On sait que :

S =T02T04e 2=2; ce qui permet d'exprimer et de calculer la temperatureT04: T

04=T02S

e2 2; T

04= 290:29:80:10:035;

T

04=262:3[K]

question 2.bFigure7 { TD1 - Correction : Evolution de la temperature de la paroi isolee par l'exterieur.question 2.c

Dans le cas d'une isolation par l'exterieur, la temperature du mur en beton est pr^oche de celle de l'air interieur (en hiver comme en ete). Dans ces conditions, le mur n'est ni soumis au risque de gel ni a celui de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air de la piece. L'isolation exterieure est plus adaptee a l'isolation des residences principales, car ces dernieres chauees en continu, montent en temperature lentement a l'interieur comme dans tout le mur en beton, 10 mais se refroidissement lentement lorsque le chauage est arr^ete. Ceci permet donc d'arr^eter le chauage la nuit, sans que la temperature du logement ne chute pendant cette periode. On dit que les logements isoles par l'exterieur presentent une forte inertie thermique. L'isolation exterieure peut ^etre dicile a mettre en oeuvre sur certains edices anciens (pierre apparente, facades ouvragees) et necessite presque toujours l'intervention de professionnels qua- lies. On choisit cette solution si les depenses de chauage sont importantes car l'isolation obtenue est forte. Une isolation exterieure est interessante car elle n'empiete pas sur le domaine habitable. Son epaisseur ne depasse guere 15 [cm], mais elle supprime facilement les ponts ther- miques (abouts de planchers,) sauf au niveau des fondations. Une epaisseur de 10 [cm] d'un isolant exterieur equivaut a 20 - 25 cm du m^eme isolant interieur. Enn, l'isolant doit ^etre protege des intemperies. 4.2

Etude de la paroi d'un local

Dans cet exercice, on cherche a exprimer et calculer la temperature sur la surface exterieure de la paroi 3. Pour cela, il convient de realiser un bilan thermique au niveau de la surface externe du mur de beton (section 4), en regime permanent. Le bilan sur la paroi s'ecrit alors de la maniere Figure8 { Bilan thermique sur la face externe de la paroi 3suivante : =cv+J4E4s(4)

On reconnait le

ux surfacique radiatif de la surface 4 :4=J4E4.

Expression du

ux surfacique provenant de l'interieur de la piece (oriente selon~x)Au niveau de la surface 3, il entre un

ux surfacique provenant de l'interieur de la piece qui est fonction de la composition de la paroi, des echanges convection-rayonnement a l'interieur de la piece et des temperaturesTietT4(temperature de surface de la paroi 4). Soit : [W.m2] =TiT41=hsi+e1=1+e2=2+e3=3;(5) avecSla surface de la paroi ethsile coecient d'echange convection-rayonnement interieur. On 11 peut exprimer la resistance thermique suivante : R th= 1=hsi+e1=1+e2=2+e3=3; R th= 0:13 + 0:02=0:5 + 0:1=0:035 + 0:2=2; R th= 3:13[K.m2:W1]

Ainsi, le

ux surfacique traversant la paroi en regime permanent est : =TiT4R th=TiT43:13= 93:610:319T4

Identication et expression des echanges entre la paroi 3 et son environnement exterieurC^ote exterieur, la face externe du mur de beton est soumise a :

{des echanges convectifs avec l'air exterieur aTe= 262[K]. Le ux surfacique associe est considere commesortant(oriente selon~x) et s'exprime alors :

4[W.m2] =he(T4Te) = 34(T4262) = 34T48908 (6)

{des echanges radiatifs avec le ciel.

Premiere methode pour l'exprimerLes echanges radiatifs entre la surface 4 et le ciel peuvent se representer par ce schema

electrique de la gure 9. Bien sur on remarque queSciel>> S4, donc on peut negliger le terme 1ciel cielScieldevant1F

4cielS4. De plus, on peut supposer queF4ciel= 1. Donc le

ux radiatif surfacique sur la face externe de la paroi s'ecrit :

R4[W.m2] =T44T4ciel= 5;67:108T44232:3 (7)

Figure9 { Schema electrique equivalentAutre methode possible pour exprimerR4Le ux radiatif, considere commesortant(oriente selon~x), peut s'exprimer comme :

R4[W.m2] =e4a4;(8)

Le ux emis par le mur est hemispherique, isotrope et independant de la longueur d'onde. On peut donc l'exprimer comme etant : e4=4T44=T44; car la surface est un corps noir, tel que4= 1. Le ux absorbe par le mur est uniquement le ux partant du ciel. Ce dernier est une surface grise, isotherme aTcielet dont la surface est tres superieure a celle de la paroi. On se retrouve dans le cadre d'un rayonnement d'equilibre a la temperatureTcielpour exprimer le ux partant du ciel : a4=4p ciel; a4=4T4ciel; a4=T4ciel:

Finalement, le

ux radiatif entre le mur et le ciel est :

R4[W.m2] =T44T4ciel= 5;67:108T44232:3 (9)

12 {un ux solaire incident,squi est considere commeentrant(oriente selon~x) : Bilan thermique sur la face externe du mur, en regime permanentT iT4R th=he(T4Te) +(T44T4ciel)s(10) Ceci permet d'etablir le polynome de degre 4 enT4: T4+ h e+1R th

T4=TiR

th+T4ciel+heTe+s;

5;67:108T4+

34 +13:13

T4=2933:13+ 5;67:1082534+ 34262 + 785;

5;67:108T4+ 34:32T4= 10018:9;

T

4=281:55[K] (11)

4.3 Deperditions d'une salle de sejour

Calcul du coecient de deperditions surfaciqueUmurLe mur est constitue : { d'un enduit de mortier d'epaisseurem= 2 [cm] et de conductivite thermiquem= 1:15 [W.m1.K1], { d'une couche de parpaings alveoles de 202050 a 2 rangees d'alveoles et de resistance thermiqueRparp= 0:23 [m2.K.W1], { d'une couche de pl^atre d'epaisseurepl= 1:5 [cm] et de conductivite thermiquepl= 0:35 [W.m1.K1] Par ailleurs, il faut prendre en compte les coecients d'echanges convection-rayonnement a l'interieur et a l'exterieur du sejour : { c^ote interieur : 1=hsi= 0:13 [m2.K.W1], { c^ote exterieur : 1=hse= 0:04 [m2.K.W1],

Le coecient d'echange surfaciqueUmurest donc :

U mur=11=hsi+epl=pl+Rparp+em=m+ 1=hse(12)

Soit :

U mur=10:13 + 0:015=0:35 + 0:23 + 0:02=1:15 + 0:04; U mur=2:17[W.m2.K1] Calcul du coecient de deperditions surfaciqueUplafondLe plafond est constitue de : { de 2 feuilles de pl^atre cartonnees d'epaisseurepl= 1:3 [cm] chacune et de conductivite ther- miquepl= 0:35 [W.m1.K1], { d'une couche de laine de verre d'epaisseureldv= 6 [cm] et de conductivite thermiqueldv=

0:047 [W.m1.K1]

Par ailleurs, il faut prendre en compte les coecients d'echanges convection-rayonnement a l'interieur et a l'exterieur du sejour : { c^ote interieur : 1=hsi= 0:1 [m2.K.W1], { c^ote exterieur : 1=hse= 0:1 [m2.K.W1], car le plafond donne sur des combles perdues non chauees (voir gure 3) 13 Le coecient d'echange surfaciqueUplafondest donc : U plafond=11=hsi+ 2:epl=pl+eldv=ldv+ 1=hsi(13)

Soit :

U plafond=10:1 + 0:026=0:35 + 0:06=0:047 + 0:1; U plafond=0:64[W.m2.K1] Calcul du coecient de deperditions surfaciqueUplancherLe plancher est constitue de : { d'une dalle de beton d'epaisseureb= 16 [cm] chacune et de conductivite thermiqueb=

1:75 [W.m1.K1],

{ d'une couche de bres vegetales agglomrees d'epaisseuref= 5 [cm] et de conductivite ther- miquef= 0:12 [W.m1.K1], { d'une couche de carrelage d'epaisseurec= 1:5 [cm] et de conductivite thermiquec=

1:9 [W.m1.K1]

Par ailleurs, il faut prendre en compte les coecients d'echanges convection-rayonnement a l'interieur et a l'exterieur du sejour : { c^ote interieur : 1=hsi= 0:17 [m2.K.W1], { c^ote exterieur : 1=hse= 0:17 [m2.K.W1], car le plancher donne sur un vide sanitaire (voir gure 3) Le coecient d'echange surfaciqueUplancherest donc : U plancher=11=hsi+eb=b+ef=f+ec=c+ 1=hse(14)

Soit :

U plancher=10:17 + 0:16=1:75 + 0:05=0:12 + 0:015=1:9 + 0:17; U plancher=1:17[W.m2.K1] Deperditions par le murLa surface du mur exterieur estSmur=HL2Fh= 2:636:1521:42:05 = 10:43 [m2]. Les deprditions au travers la paroi opaque sont donc : mur=SmurUmur(TiTe) = 521[W] (15)

Deperditions par les fen^etresLa surface des fen^etres estSfen= 2Fh= 21:42:05 = 5:74 [m2]. Les deperditions au

travers les fen^etres sont donc : fen=SfenUfenetre(TiTe) = 554[W] (16)

Deperditions par le plancherLa surface du plancher estSplancher=PL= 4:356:15 = 26:75 [m2]. Les deperditions au

travers le plancher sont donc : plancher=SplancherUplancher(TiTvide) = 407[W] (17) 14

Deperditions par le plafond

La surface du plafond estSplafond=PL= 4:356:15 = 26:75 [m2]. Les deperditions au travers le plafond sont donc : plafond=SplafondUplafond(TiTcombles) = 222[W] (18) Deperditions dans le sejour :Les deperditions totales dans le sejour sont donc : total= mur+ fenetre+ plafond+ plancher(19) total= 521 + 554 + 222 + 407 = 1704[W] (20) Le pourcentage de deperditions de chaque paroi est donc : { pourcentage des pertes dues aumur : 30.5%, { pourcentage des pertes dues auxfen^etres : 32.5%, { pourcentage des pertes dues auplancher : 24%, { pourcentage des pertes par leplafond : 13%.

Deperditions par les baies vitrees, apres modicationsLes deperditions au travers les fen^etres se calculent par :

0fen=SfenUfenetre(TiTe) = 5:742:9(18 + 5) = 383[W] (21)

Deperditions par le plafond, apres modicationsL'isolation du plafond est renforcee par une couche suplementaire de laine de verre d'epaisseur

e

0ldv= 9 [cm] de condcutiviteldv= 0:047 [W.m1.K1]. Le coecient d'echange surfacique

pour le plafond est alors : U

0plafond=11=hsi+ 2:epl=pl+eldv=ldv+e0ldv=ldv+ 1=hse(22)

Soit :

U

0plafond=10:1 + 0:026=0:35 + 0:06=0:047 + 0:09=0:047 + 0:1;

U

0plafond=0:29[W.m2.K1]

Les deperditions au travers le plafond sont alors ( T comble= 5oC) :

0plafond=SplafondU0plafond(TiTcombles)100[W] (23)

Deperditions par le mur de facade, apres modications (question 5.c))Le mur est maintenant constitue de :

{ d'un enduit de mortier d'epaisseurem= 2 [cm] et de conductivite thermiquem= 1:15 [W.m1.K1], { d'une couche de parpaings alveoles de 152050 a 2 rangees d'alveoles et de resistance thermiqueR0parp= 0:18 [m2.K.W1], { d'une lame d'air deeair= 4:5 [cm] et de resistance thermiqueRair= 0:18 [m2.K.W1] { d'une couche de carreaux de pl^atre d'epaisseurepl= 5 [cm] et de conductivite thermique pl= 0:35 [W.m1.K1] 15 Par ailleurs, il faut prendre en compte les coecients d'echange convection-rayonnement a l'interieur et a l'exterieur du sejour : { c^ote interieur : 1=hsi= 0:13 [m2.K.W1], { c^ote exterieur : 1=hse= 0:04 [m2.K.W1],

Le coecient d'echange surfaciqueUmurest donc :

U

0mur=11=hsi+epl=pl+R0parp+Rair+em=m+ 1=hse(24)

Soit :

U

0mur=10:13 + 0:05=0:35 + 0:18 + 0:18 + 0:02=1:15 + 0:04;

U

0mur=1:45[W.m2.K1]

Avec cette nouvelle composition, les deperditions au travers la paroi opaque sont donc :

0mur=SmurU0mur(TiTe) = 348[W] (25)

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