3.3 Matériel et méthode
3.3.1 Mesures des grandeurs physiques
Les grandeurs physiques sont d’une grande importance dans l’étude du comportement des occupants. En effet, le climat extérieur ainsi que l’ambiance intérieure ont un impact direct sur la façon dont nous nous comportons et nous interagissons avec notre habitat.
3.3.1.1 Données météorologiques
Les données météorologiques nous ont été fournies par l’observatoire de Midi-Pyrénées (OMP) grâce à une station météo située sur le toit du bâtiment 3R1 en aplomb du labo- ratoire PHASE. Malheureusement, l’ensemble des données n’ont pas pu être mesurées (environ 6% de données manquantes). Dans le but de compléter ces données manquantes, nous avons fait appel aux données de Météo France. Toutefois, l’emplacement relativement lointain de la station météo (plus de 10 km) occasionnait des écarts importants avec les données locales. Un exemple de ces écarts est montré en figure 3.3, où sont comparées les données de température extérieure sur une semaine.
Nous avons retenu les données suivantes au sein de la base de données de l’OMP : — la température d’air extérieure Text (◦C),
— l’humidité relative HRext(%),
— le rayonnement global descendant Rgd(W/m 2
), — la vitesse du vent Vext(m/s),
FIG. 3.3 – Comparaison des températures extérieures données par Météo France et par la
sation météo locale à l’UPS
3.3.1.2 Ambiance thermique intérieure
Les appareils et méthodes de mesures de l’ambiance thermique font l’objet de la norme ISO 7726 [195]. Il est important de suivre ses spécifications afin de recueillir des données pertinentes et exploitables.
3.3 Matériel et méthode
Selon cette norme, plusieurs grandeurs physiques fondamentales nécessitent d’être me- surées afin d’évaluer l’ambiance thermique :
— la température d’air Ta(◦C),
— la vitesse de l’air Va(m/s),
— la température moyenne de rayonnement Tmrt(◦C),
— l’humidité absolue de l’air HS en (kgeau/kgairsec).
La température d’air Ta ainsi que la vitesse de l’air Va peuvent être mesurées directe-
ment. Ce n’est pas le cas de Tmrt et HS. Il faut alors mesurer d’autres variables que l’on
appelle grandeurs physiques dérivées.
Dans les paragraphes suivants, nous détaillons chaque type de mesures ainsi que les cap- teurs qui ont été sélectionnés.
Notre choix du matériel s’est rapidement orienté vers la marque KIMO pour des raisons de compatibilité avec l’ensemble du matériel du laboratoire. Les sondes sont reliées à des boîtiers qui eux-mêmes ont des capteurs intégrés. Ces boîtiers envoient les données aux ordinateurs d’acquisition.
Température d’air (Ta)
Pour mesurer une température d’air, il convient d’éviter que le capteur de température soit soumis aux échanges radiatifs induits par les sources de chaleur environnantes. Les échanges convectifs, entre l’air et le capteur, doivent être prépondérants par rapport aux échanges par rayonnement. Plusieurs moyens existent pour minimiser ces échanges radia- tifs :
— réduire l’émissivité du capteur, ce qui conduit à utiliser un capteur avec un capot métallique ;
— réduire la différence de température entre le capteur et les parois voisines. On veille donc à le positionner minutieusement le plus loin possible des parois extérieures ou des émetteurs de chaleur ;
— réduire la taille du capteur (figure 3.4) ;
— augmenter la convection au niveau du capteur (ex : ajourage du capot, ventilation forcée).
FIG. 3.4 – Influence relative de la température de l’air sur la température du capteur pour
Dans le cas où ces précautions ne seraient pas appliquées, le capteur pourrait relever, non pas la température d’air, mais une température intermédiaire entre la température d’air et la température moyenne de rayonnement. Outre les problèmes engendrés par l’influence du rayonnement, l’inertie du capteur joue aussi un rôle important. La masse, la taille et la chaleur spécifique de celui-ci influent sur son temps de réponse. Bien que le boitier KH210- RF soit doté d’une sonde de température interne, nous avons choisi d’installer une sonde de température externe (figure 3.5) afin de respecter les préconisations de la norme. Elle est de petite taille et est équipée d’un écran en métal poli peu émissif ajouré qui diminue les échanges radiatifs et favorise les échanges convectifs. L’abréviation CTN signifie Coefficient de Température Négatif, c’est-à-dire que la résistance de la sonde diminue lorsque la tem- pérature augmente. Il s’agit d’un détail technique, toutefois nous emploierons le terme CTN pour désigner la sonde externe au boîtier.
FIG. 3.5 – Thermo-hygromètre KH210-RF et sonde CTN externe
Vitesse d’air (Va)
La norme ISO 7726 préconise l’emploi d’instruments permettant de mesurer la vitesse de l’air quelle que soit sa direction. Nous avons donc choisi un anémomètre omnidirection- nel à boule chaude (figure 3.6).
FIG. 3.6 – Sonde de vitesse d’air omnidirectionnelle STV-OMNI branchée au capteur CTV- 310
3.3 Matériel et méthode
Température moyenne de rayonnement (Tmrt)et température de globe (Tg)
Pour déterminer la température moyenne de rayonnement, il faut au préalable mesurer la température de globe Tg. Elle se mesure par l’intermédiaire d’un globe noir, qui est une
sphère métallique peinte en noir. Une sonde de température d’air est placée à l’intérieur afin de relever la température au centre de la sphère. Le globe de 16 cm de diamètre peint en noir est conçu pour absorber ou émettre le plus de rayonnement possible afin d’amplifier les phénomènes radiatifs environnants.
Pour ensuite calculer Tmrt, la température moyenne de rayonnement, il faut connaître Ta
la température d’air et Vala vitesse de l’air, deux grandeurs que l’on mesure directement. Le
calcul de Tmrt est donné dans l’équation 3.5 dans la partie relative au traitement des don-
nées expérimentales (paragraphe 3.4). Pour relever la température de globe, nous avons opté pour un globe noir BN150 (conforme à la norme) et une sonde CTN (figure 3.7).
FIG. 3.7– Globe noir BN150
Le rayonnement, en plus d’être hétérogène dans un même local, est directionnel. C’est pourquoi la norme ISO 7726 demande de vérifier l’hypothèse d’homogénéité d’ambiance en terme d’échanges radiatifs. Pour cela, il faut mesurer l’asymétrie de rayonnement.
Cependant, une telle complexité dans le protocole expérimental est rarement nécessaire, et à moins que l’expérience ne concerne la distribution des échanges radiatifs au sein d’une pièce, la température moyenne de rayonnement est suffisante [196].
Humidité absolue (HS)
L’humidité relative n’est pas la grandeur pertinente lorsque l’on traite des transferts hygro-thermiques. Le principal problème réside au niveau du phénomène d’évaporation de l’eau à la surface de la peau, qui joue un rôle majeur dans le bilan thermique du corps. En effet, l’humidité relative seule ne permet pas de savoir s’il y a évapo-condensation ou la quantité d’eau présente à la surface de la peau qui s’évapore. Pour pouvoir effectuer un bilan thermique du corps humain, il faut utiliser l’humidité absolue ou la pression partielle de vapeur d’eau.
La plupart des instruments de mesure relèvent une humidité relative cependant il est très facile d’en tirer l’humidité absolue dès lors que l’on connaît aussi la température d’air. Dans le cas présent, l’humidité relative est mesurée grâce aux thermo-hygromètres KH210-RF (figure 3.5).
Par définition,
HR = pa
pa,s (3.1)
Pour calculer pa,s, nous pouvons utiliser la formule de Rankine,
pa,s= exp 23.3265 – 3802.7 Ta – 472.68 Ta 2! (3.2)
puis la formule de Nadeau Puiggali pour HS,
HS =
0.622× pa,s× HR
101325 – pa,s× RH (3.3) avec :
— HS, humidité spécifique (kgeau/kgairsec)
— pa, pression partielle de vapeur d’eau (Pa)
— pa,s, pression de vapeur saturante à température Ta (Pa)
— HR, l’humidité relative (%) — Ta, température de l’air en (K)
3.3.1.3 Ambiance visuelle
Étant donné que l’objectif de l’étude expérimentale est d’étudier le comportement de l’oc- cupant, il ne serait pas pertinent de se contenter des mesures liées à l’ambiance thermique. Des actions telles que l’allumage de l’éclairage ou les opérations sur les stores dépendent du confort visuel, comme il a été conclu au chapitre 1. Nous avons donc choisi d’installer des luxmètres LR 110 (figure 3.8).
3.3 Matériel et méthode
3.3.1.4 Incertitudes de mesures
La précision des capteurs est donnée dans le tableau 3.1.
TAB. 3.1– Précision des capteurs utilisés dans l’expérience
Capteur Variable physique Précision
KH210-RF
Température interne boîtier, Tia/g ± 0,5◦C
Humidité relative, HR ± 2% Température sonde CTN, Ta ± 0,3◦C
Température de globe, Tg ± 0,3◦C
STV-OMNI Vitesse d’air, Va de 0 à 3 m/s : ±3% de la lecture ±0,03 m/s
de 3 à 30 m/s : ±3% de la lecture ±0,1 m/s LR 110 Éclairement, E 3% de la lecture ±3 lux