Le système bâtiment
I.2 Confort thermique et optique
I.2.1 Le confort thermique
Comme la plupart des mammifères, l’être humain conserve sa température corpo-relle constante à environ 37°C en dépit des variations de température du milieu dans lequel il évolue. Pour cela, le corps humain est équipé d’un système de thermorégulation qui exploite les organes pour dissiper ou produire de la chaleur. La perte de chaleur (thermolyse) est assurée par l’hypothalamus dès que la température interne dépasse 37°C. La production de chaleur (thermogénèse) est quant à elle assurée par l’activité musculaire, le métabolisme et la peau dès que la température interne descend en des-sous de 34°C. D’un point de vue physique, le confort thermique est atteint lorsqu’il y a un équilibre thermique entre le corps humain et son environnement. C’est à dire lorsque le système de thermorégulation est à son activité la plus faible [Givoni, 1978]. Nous présentons dans ce chapitre les indices et les critères de confort thermique les plus connus présents dans la bibliographie.
I.2.1.1 Les indicateurs du confort thermique
Plusieurs grandeurs physiques impactent le confort thermique. Nous avons regroupé ici les principaux indicateurs trouvés dans la bibliographie.
La température de l’air La température de l’air (notée Ta, aussi appelée
tem-pérature ambiante sèche) est une grandeur physique exprimée en °C qui représente l’agitation thermique de l’air. Elle se mesure facilement avec un thermomètre. C’est l’indicateur le plus connu du grand public, cependant elle ne reflète pas parfaitement la sensation de confort.
La température radiative moyenne La température radiative moyenne (notée Tmr) est une température qui intègre tous les échanges thermiques par rayonnement avec l’environnement. Tmr = 4 s X j (Fh→jTj4) Avec :
– Fh→j le facteur de forme de l’homme vers la source radiative ; – Tj la température de la source radiative.
En pratique, elle est obtenue en calculant le bilan radiatif entre l’occupant et les diverses sources radiatives (soleil, murs, fenêtres, plafond, sol, radiateurs. . .).
La température opérative La température opérative (notée To, aussi appelée
tem-pérature résultante sèche) est un indicateur qui tient compte de la temtem-pérature de l’air et des températures radiatives. Elle s’exprime comme la moyenne entre la température radiative moyenne et la température ambiante sèche, pondérée respectivement par leur coefficient de transfert thermique.
To = hrT
r
m+ hcTa
hr+ hc
Avec les coefficents de transfert entre l’occupant et son environnement : – hr le coefficient de transfert thermique radiatif ;
– hc le coefficient de transfert thermique convectif.
A l’intérieur d’un bâtiment, les vitesses d’air sont faibles et la température opérative peut être simplifiée :
To = T
r m+ Ta
2
L’humidité relative L’humidité relative (notée ϕ[%], aussi appelée degré
d’hygro-métrie) est le rapport entre la pression de vapeur d’eau de l’air et la pression maximale dans les mêmes conditions. L’humidité relative de l’air ambiant influence l’évaporation de la sueur et par conséquent la thermorégulation du corps.
ϕ[%] = Pvap
Psat(T ) × 100 Avec :
– Pvap la pression de vapeur d’eau présente dans l’air ;
– Psat(T ) la pression saturante qui dépend de la température de l’air.
La charge thermique La charge thermique (notée L00, aussi appelée stress
ther-mique) correspond à l’écart entre la chaleur produite par le corps et la chaleur dissi-pée. Pour la calculer, on utilise le modèle de Fanger [Fanger, 1967] qui est le modèle
de confort thermique le plus utilisé car il intègre l’effet de l’aéraulique et de l’humidité sur le confort. Pour réduire l’activité de thermorégulation, il doit y avoir un équilibre entre les pertes de chaleur et la chaleur interne produite. Le modèle de Fanger s’appuie sur l’équation de cet équilibre thermique pour prédire la charge thermique nécessaire à la thermorégulation. On trouve de nombreuses descriptions de ce modèle dans la litté-rature [Jung,2009], nous ne nous attarderons pas sur la mise en équation de ce modèle mais nous nous limiterons à énoncer les différentes grandeurs physiques prises en consi-dération. Selon Fanger, il y a cinq modes d’échanges thermiques entre l’occupant et son environnement (voir Figure I.6).
Figure I.6 – Echanges thermiques entre l’homme et son environnement
La charge thermique correspond à l’écart entre la situation de confort et la situa-tion observée. Cette charge s’exprime en foncsitua-tion de variables environnementales qui traduisent l’ambiance thermique de la pièce et de variables physiologiques qui décrivent la sensibilité de l’occupant. Les 4 variables environnementales sont :
– la température de l’air ;
– la température radiative moyenne ; – l’humidité de l’air ;
– la vitesse de l’air ;
et les 2 variables physiologiques sont (valeurs numériques tirées de [Roulet, 2008]) : – la véture qui représente une résistance thermique entre la surface de la peau et
l’environnement. Elle s’exprime en m2K/W ou en clo (pour clothing). La véture varie de 0 clo sans vétements à 3 clo pour une tenue d’hiver ;
– l’activité du métabolisme qui est rapportée à un taux conventionnel exprimé en met. Le met correspond à une puissance de 58W dissipée par mètre carré de surface du corps. Pour une morphologie classique (homme, 70kg, 1.8m2de surface de peau), l’activité du métabolisme est de 46W au repos, de 93W en activité de travail sur bureau et de 464W en course à pied.
I.2.1.2 L’évaluation du confort thermique
Maintenant que les différents critères de confort thermique sont énoncés, il faut pouvoir les comparer à une référence d’ambiance confortable. Pour la plupart, ces références de confort ont été obtenues à l’aide de statistiques sur des resultats d’études expérimentales effectuées sur un grand panel de sujets humains.
La zone de confort En faisant varier la température et l’humidité de l’air dans
une pièce d’étude, Fauconnier a proposé [Fauconnier, 1992] un diagramme de confort hygrothermique (voir Figure I.7). Nous y observons que pour créer une atmosphère confortable, la température de l’air doit être située entre 17 et 26°C et l’humidité relative entre 40 et 60%.
Figure I.7 – Zones à éviter (1,2,3) et à privilégier (4) pour le confort (source [Energie+,
2009])
Le PMV et le PPD Le Predicted Mean Vote (PMV) est une échelle de notation
du confort thermique allant de -3 (très froid) à +3 (très chaud). En effectuant un millier d’études expérimentales, Fanger a relié la charge thermique (calculée grâce à son modèle) aux votes des sujets (entre -3 et +3). Comme il est basé sur des statistiques, le PMV est un indice moyen qui n’intègre pas le niveau de dispersion des votes. Fanger a donc introduit le Predicted Percentage Dissatisfied (PPD) qui exprime le pourcentage d’occupant en situation d’inconfort. Le PPD est directement relié au PMV (voir Figure
I.8). L’approche statistique de ces travaux met en exergue la sensibilité des occupants. En effet, nous observons qu’au point de confort thermique optimal (PMV nul) il reste tout de même 5% d’insatisfaits.
−3 −2 −1 0 1 2 3 0 20 40 60 80 100 Evolution du PPD en fonction du PMV PMV PPD [%]
Figure I.8 – Evolution du PPD en fonction du PMV
L’ACA L’Algorithme de Confort Adaptatif (ACA) est un indice adaptatif,
c’est-à-dire qu’il prend en compte la réaction naturelle de l’occupant face à une situation thermique. L’ACA établit une relation entre température de confort et température extérieure. Le principe sous-jacent est que l’occupant s’adapte au climat (changement de véture, acclimatation. . .). L’ACA propose donc de définir la température de confort en fonction des températures moyennes des jours précédents. La température de confort Tc du jour j s’exprime donc :
Tcj = a n X i=1 (αiTextj−i) + b Avec :
– a et b des constantes déterminées empiriquement ; – αi les pondérations sur les jours précédents ;
– Textj−i la moyenne de la température extérieure du jour j − i.
Dans les bâtiments actuels, la régulation des systèmes de chauffage est basée uni-quement sur la mesure de la température de l’air. Il semblerait intéressant d’y intégrer l’influence des flux radiatifs pour un meilleur maintien du confort thermique. Parmi les différents modèles de confort, nous retiendrons évidemment le plus connus : le modèle de Fanger. Cependant, la température opérative est aussi un critère très intéressant car sa mise en œuvre est aisée tout en prenant en compte l’influence des flux radiatifs.