L’homme est un être homéotherme. Sa température interne doit être comprise entre 36,8 °C et 37,2°C (inconfort généralisé en dessous de 36,5 °C et au-dessus de 37.4°C) pour un individu au repos et elle doit être comprise entre 37,0 °C et 37,5 °C pour un individu au travail (> 2 met, 1 met étant équivalent à 58.2 W/m2) [Galeou et al. 1989].
Le corps humain tend à maintenir constante sa température interne à environ 37 °C, comme nous venons de le signaler, cependant on peut relever trois éléments qui peuvent faire varier cette valeur : une variation diurne d’environ 1 °C (cycle circadien du métabolisme basal), l’activité (variation linéaire de 37 °C au repos à 38,5 °C pour 500 W/m2 [Mc Intyre 1980]) et la température ambiante (l’amplitude de variation peut être de 1°C pour des changements de température compris entre 30 et 48 °C [Stolwijk et al. 1966]).
La température moyenne de la peau peut évoluer entre 33,5 °C et 3,5 °C chez l’homme dévêtu et au repos (inconfort généralisé en dessous de 32,5 °C et au-dessus de 35,5 °C), alors qu’elle peut varier entre 33,0 °C et 34.5 °C chez l’homme vêtu (inconfort généralisé en dessous de 32,5°C et au-dessus de 34,8°C). La température de la peau est fortement dépendante de la température ambiante et est quasi indépendante du métabolisme [Mc Intyre 1980]. La température de la peau peut être déterminée grâce à une équation empirique [Alvarez et al. 1992], dans laquelle la température de l’air (Ta), le métabolisme (M) et l’isolation des vêtements (Icl) interviennent :
Lorsque le corps est soumis à des conditions thermiques défavorables, des mécanismes de régulation apparaissent.
Ainsi, en condition froide, le corps peut lutter en générant un mécanisme thermoprotecteur qui est le frisson.
Les deux mécanismes de thermorégulation en situations chaudes sont la vasodilatation et la transpiration. La vasodilatation est un phénomène permettant une augmentation du transfert de chaleur entre la peau et l’extérieur. L’augmentation du débit sanguin, jusqu’à dix fois dans l’ensemble du corps et 30 fois dans les mains, entraîne une modification de la « conductivité apparente », pouvant aller jusqu’à 55 W/m2. °C [Stolwijk 1966]. Ce mécanisme a une faible efficacité, il ne peut compenser
La transpiration, grâce à l’évaporation de la sueur est le principal mécanisme de thermorégulation. Chez l'homme exposé à la chaleur la production et l'évaporation de la sueur représentent le mécanisme thermorégulateur le plus puissant et à la limite, le seul efficace pour lutter contre l'hyperthermie. L’évaporation fatigue l’organisme parce qu’elle entraîne une perte importante d’eau et d’électrolytes (Na+, K+ : désodification), alors que la perspiration n’engendre qu’une perte d’eau [Lemaire 1966].
I.2.2.2-Le métabolisme :
L’homme produit une certaine quantité de chaleur en fonction de son activité que l’on appelle production métabolique. Le métabolisme peut se décomposer en une partie purement thermique (Mth) et une partie « mécanique » (W) :
Le rendement mécanique (•w= W/M) n’excède pas 0,2. Des valeurs du métabolisme sont répertoriées pour différentes activités (Tableau I.1), pour un sujet standard (70 kg et surface de corps SD: 1,8 m2) [Depecker et al. 1989].
Activité M(W) Mth(W) W(W) Sommeil 75 75 0 Assis, au repos 105-110 105-110 0 Secrétariat 125 125 0 Danse slow 125 125 0 Assis, écriture 125 125 0 Debout, relax 125-130 125-130 0 Travail de laboratoire 170 170 0 Enseignement 170 170 0 Vente 210 200 10 Marche (1,6 Km/h) pente 5% 250 230 20
Travail sur machine outil 290 260 30
Marche rapide (4,8 km/h pente 5 %) 420 375 45
Travail de pelletage 460 390 70
Danse rock 460 460 0
Tennis 480 450 30
Creusement de tranchées 630 510 120
Marche forcée (6,4 km/h pente 5 %) 640 580 60
Squash 750 700 50
Basket ball 790 750 40
Tableau I.1 : Métabolisme thermique et énergie mécanique [Depecker et al. 1989]
On préfère rapporter les valeurs à l’unité de surface cutanée. Ainsi, on utilise la formule dite de « l’aire de Dubois » [Hofmann 1994] pour évaluer cette aire cutanée :
Avec,
P : poids de l’individu [kg]
H : taille de l’individu [m].
L’aire est d’environ 1.8 m2pour un individu moyen (1,7 m et 70 kg).
Ainsi, il est possible de définir une unité, le met, qui correspond à 58,15 W/m2 (métabolisme moyen d’une personne assise au repos). L’activité lorsqu’elle est exprimée en met s’écrit parfois « act » dans les bilans.
I.2.2.3-Les vêtements :
Les difficultés à définir les caractéristiques thermiques des vêtements sont nombreuses et représentent un problème lors des prévisions de confort. La résistance thermique du vêtement aux transferts de chaleur (I ou R ) est souvent
d’un vêtement peut être soit mesurée, soit calculée en cumulant l’isolation des différentes parties du vêtement [Sprague et al. 1974] :
On retrouve une formule simplifiée dans la norme ASHRAE 55-81 :
Les valeurs des isolations thermiques de la plupart des vêtements sont données (Tableau I.2) ainsi que les valeurs moyennes de l’ensemble des vêtements dans des situations courantes (Tableau I.3) [Depecker et al. 1989].
Vêtements
d’hommes Icl. 104
Vêtements de
femmes Icl. 104
Maillot de corps 93 Slip 20
Tee shirt 140 Soutien-gorge 60
Slip 80 Combinaison courte 200
Tee shirt à manches 155 Combinaison longue 300
Caleçon long 155 Tee shirt à manches 310
Chemise légère / Blouse légère 310
manches courtes 220 Blouse chaude 450
manches longues 340 Robe légère 340
Chemise chaude / Robe chaude 1080
manches courtes 390 Jupe légère 155
manches longues 450 Jupe chaude 340
Veste légère 230 Pantalon léger 400
Veste chaude 450 Pantalon chaud 680
Pantalon chaud 500 Pull over chaud 570
Pull over léger 310 Cardigan léger 260
Pull over chaud 350 Cardigan chaud 570
Cardigan léger 340 Bas 16
Cardigan chaud 570 Collant 18
Chaussettes 60 Chaussures / Chaussettes montantes 155 sandales 30 Chaussures / escarpins 60 sandales 30 bottes 125 mocassins 60 / / bottes 125 / /
Tableau I.2 : Valeurs des résistances propres Iclde quelques vêtements [Depecker et
al. 1989]
Eté Rv (m2°C/W) Printemps – Automne Rv
(m2°C/W) Hiver Rv (m2°C/W)
0.08 0.109 0.158
0.166 0.213 0.225
Tableau I.3 : Valeurs moyennes (hommes et femmes) des Icl[Depecker et al. 1989]
Les vêtements non seulement influencent les échanges de chaleur sensible, mais en plus peuvent freiner la diffusion de l’humidité évaporée sur la peau. Ainsi, un coefficient d’efficacité de perméation de la vapeur d’eau, noté Fpcl, qui varie de 0 pour un vêtement étanche à 1 en l’absence de vêtement, permet de décrire la puissance dissipée par évaporation [Nishi et al. 1970] :
Notons que la valeur de 0,143 a été contestée par certains chercheurs [Candas et al. 1991] et que ce coefficient ne dépend pas du type de tissu, ce que l’expérience confirme à peu près.
On définit, le facteur Fcl, de manière à prendre en compte l’augmentation de la surface due au vêtement, à partir de la relation suivante [Fanger 1970] :
Enfin, signalons que le vêtement joue un rôle complexe en absorbant de la sueur. Celle-ci s’évapore ensuite dans son épaisseur, donc avec un moindre rendement pour le refroidissement du corps. Cependant ce phénomène est compensé au moins en partie par l’augmentation de la conductivité thermique du vêtement humide, de sorte que l’hypothèse selon laquelle on considère que la sueur s’évapore directement sur la peau, peut être adoptée en pratique [Nishi et al. 1970]. Berger en modélisant le vêtement a noté qu’un échange radiatif direct d’au moins 15% entre le