Chapitre II Optimisation thermique et étude thermodynamique d’une paroi de bâtiment
II- 2 Revue bibliographique
Des études visant à optimiser l’isolation thermique des parois de bâtiments existent dans la littérature. Mahlia et al. [MAH. 2007] ont établi une corrélation entre la conductivité thermique de l’isolant et son épaisseur optimale sous la forme d’un polynôme de second ordre. Comakli and Yuksel [COM. 2003] ont déterminé l’épaisseur optimale de l’isolation d’un mur extérieur en se basant sur le cycle de vie des bâtiments dans les villes les plus froides de la Turquie. Al- Khawaja [AL-K. 2004] a déterminé pour chaque type d’isolant l’épaisseur optimale avec comme critère d’optimisation le coût total de l’énergie consommée et de l’isolant dans les pays chauds. Al-Sanea et al. [AL-S. 2005] ont déterminé par un modèle dynamique des transferts thermiques l’effet du tarif de l’électricité sur l’épaisseur optimale de l’isolation de l’enveloppe d’un bâtiment en Arabie Saoudite. Lollina et al. [LOL. 2006] ont entrepris une étude afin de déterminer le meilleur niveau d’isolation des bâtiments neufs d’un point de vue énergétique, économique et environnemental. Toutes les études citées plus haut se sont focalisées uniquement sur l’aspect isolation et ignorent l’aspect inertie thermique.
Le rôle de l’inertie thermique dans le bâtiment est un sujet largement étudié dans la littérature. Balaras [BAL. 1996] par exemple a mis en exergue le rôle de l’inertie thermique sur la charge de climatisation d’un bâtiment. Il a aussi fait dans cette étude une large revue et un classement des outils de simulations permettant le calcul de la charge thermique de climatisation et la température intérieure d’un bâtiment, et qui prennent en compte l’effet de l’inertie thermique. Asan et Sancaktar [ASA. 1998a] ont montré que les propriétés thermophysiques de la paroi ont des effets importants sur le déphasage et l’amortissement de l’onde thermique. K. Ulgen [ULG. 2002] a quant à lui entrepris une étude théorique et expérimentale sur l’effet des propriétés
thermophysiques des parois sur le déphasage et l’amortissement de la réponse du bâtiment. Il a suggéré d’utiliser des parois multicouches avec isolation pour les bâtiments occupés toute la journée et des parois monocouches pour les bâtiments occupés pendant des intervalles de temps spécifiques.
Pour caractériser la dynamique du bâtiment, Antonopoulos et Koronaki [ANT. 1998] ont défini une capacitance apparente et une capacitance effective. La capacitance apparente est déterminée en additionnant les capacités calorifiques des différents éléments du bâtiment. Ils proposent un modèle simple pour déterminer la température intérieure du bâtiment par :
Γ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛− Γ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ Γ − − − = int ef int ext int ext int Q t C exp Q T ) 0 ( T T ) t ( T (II-1) ext
T est la température moyenne extérieure ; Qint est la puissance interne par unité de surface.
Les deux paramètres du modèle sont le coefficient de déperditions totales Γ et le coefficient Cef. Le coefficient Γ est à déterminer. Par contre, la valeur du coefficient Cef qui permet d’approcher au mieux la variation de la température intérieure obtenue numériquement comme le montre la figure II-1 est appelée capacitance effective. Les mêmes auteurs dans une autre étude [ANT. 2000] proposent des corrélations permettant d’obtenir cette capacité effective ainsi que la constante de temps thermique et le déphasage.
Fig. II-1 : Comparaison des variations de la température intérieure obtenue numériquement et par le modèle de la capacité effective [ANT. 2000]
Entre autres caractéristiques dynamiques des parois, nous avons aussi la constante de temps thermique. Tsilingiris [TSI. 2004] a fait l’étude de cette constante de temps thermique des parois. Il en a déduit que la constante de temps thermique est une grandeur spécifique à une face de
paroi. Ainsi, pour une paroi donnée, deux constantes de temps ont été définies : la constante de temps relative à la surface intérieure de la paroi et celle liée à la surface extérieure. Il a mis en évidence l’influence de la position de la couche isolante dans une paroi de résistance thermique fixée sur les deux constantes de temps. Une des conclusions importantes de cette étude est qu’il est préférable d’utiliser des parois ayant une faible constante de temps relative à la surface intérieure pour des espaces chauffés ou climatisés par intermittence et peu occupés. Le même auteur [TSI. 2006a] a fait une analyse des déperditions à travers une paroi isolée soumise d’un côté à la variation des conditions météorologiques et de l’autre à un chauffage intermittent. Les effets de paramètres tels que la capacité apparente de la paroi, de la constante de temps thermique et de la position de la couche isolante sur les déperditions et sur les fluctuations de la température intérieure ont été mis en exergue. L’auteur a ainsi montré que l’isolation intérieure des parois est préférable d’un point de vue énergétique pour les espaces chauffés par intermittence. De même, il a montré que les déperditions journalières étaient proportionnelles à la capacité apparente des parois ayant la même constante de temps thermique relative au côté intérieur fixées. Tsilingiris dans un autre papier [TSI. 2006b] la même année a fait une étude paramétrique pour voir l’influence de la distribution de la masse thermique et de la résistance thermique sur le comportement dynamique de l’enveloppe du bâtiment. Pour cela, il a étudié trois groupes de parois ayant une même capacité thermique apparente représentées sur la figure II-2. La différence entre ces groupes de parois réside dans la position de la couche isolante.
(a) (b) (c)
Fig. II-2 : Parois multicouches avec la couche isolante située respectivement (a) du côté intérieur, (b) du côté extérieur et (c) au milieu de la paroi [TSI. 2006b].
L’auteur présente ses résultats en termes de variation de la capacité thermique effective et de la constante de temps thermique en fonction de la résistance thermique comme le montre la figure II-3. Les courbes de cette figure montrent que la capacité thermique effective dépend de la
position de la couche isolante. Lorsque cette dernière est placée du côté intérieure, la capacité effective prend une valeur très faible qui est pratiquement indépendante de la résistance thermique. Pour des valeurs faibles de la résistance thermique, la position extérieure de la couche isolante donne des capacités thermiques effectives plus élevées que celles données par la position centrale de l’isolant. Cette différence diminue lorsque la résistance thermique augmente pour disparaitre quand cette dernière devient élevée. Ces graphes montrent aussi que la capacité thermique diminue lorsque la résistance augmente pour le cas où la couche isolante est placée à l’extérieur ou au milieu de la paroi. Les conclusions concernant la constante de temps thermique sont les mêmes que celles relatives à la capacité thermique effective.
Fig. II-3 : La capacité thermique effective (trait continu) et la constante de temps thermique (pointillés) en fonction de la résistance thermique [TSI. 2006b].
D’autres auteurs ont montré le rôle de la position de la couche isolante dans la paroi sur le comportement dynamique des bâtiments. On peut citer les études d’Asan [ASA. 1998b] et [ASA. 2000] et celle de Bojic et Loveday [BOJ. 1997]. Ces derniers ont analysé l’influence de la distribution isolant/maçonnerie d’un mur à trois couches sur la consommation d’énergie pour le chauffage ou la climatisation. Ces auteurs ont tiré les conclusions suivantes d’un point de vue énergétique :
lorsque le bâtiment est chauffé de manière intermittente, l’isolation par l’intérieur et l’isolation par l’intérieur et l’extérieur sont préférables à celle en sandwich,
lorsque le bâtiment est climatisé de manière intermittente, c’est l’isolation par l’extérieur et l’isolation en sandwich qui sont préférables,
et pour le cas d’une climatisation continue, la position de l’isolation est indifférente.
Kossecka et Kosny [KOS. 2002] ont analysé l’influence de la configuration d’un mur isolé sur la charge totale de chauffage et de climatisation d’un bâtiment continuellement occupé. Les six parois considérées dans cette étude ont la même résistance thermique et sont présentées sur la figure II-4.
Fig. II-4 : Configuration des parois étudiées par [KOS. 2002]
L’utilisation d’un modèle simple d’un bâtiment comportant une seule chambre soumis à des températures périodiques a permis de mettre en évidence l’influence de la configuration sur la stabilité thermique du bâtiment. Un bâtiment est dit stable thermiquement lorsque l’amplitude de variation de la température intérieure est faible. Pour faire l’analyse énergétique d’un bâtiment entier dont l’enveloppe extérieure est constituée des parois étudiées, les auteurs ont utilisé le code de calcul DOE-2.1E. L’analyse faite sur six climats différents des USA a montré que la meilleure performance est obtenue lorsque les couches massives sont situées du coté intérieur du bâtiment et exposées directement à l’espace intérieur.
Les études passées en revue montrent le rôle fondamental de l’isolation thermique et de l’inertie thermique des parois sur le comportement dynamique et la consommation énergétique du bâtiment. Le premier objectif de notre étude est d’optimiser l’isolation d’une paroi de bâtiment,
caractérisée par la résistance thermique, et l’inertie de cette même paroi, caractérisée par la capacité thermique. Cette optimisation sera faite sans discriminer un paramètre.