Le transfert de chaleur :

C'est un processus par lequel de l'énergie est échangée sous forme de chaleur entre des corps ou des milieux aux températures différentes. La chaleur peut être transmise par conduction, convection ou rayonnement. Bien que les trois processus puissent avoir lieu simultanément, l'un des mécanismes est généralement prépondérant. Par exemple, la chaleur est principalement

transmise par conduction à travers les murs en brique d'une maison ; [ W.C. Bond

1789-1859 ; Encarta 2005],

3.1.Transfert de chaleur par conduction

La conduction thermique est un moyen de transmission de chaleur à travers les parois opaques ; ce phénomène est ressenti lorsque l'on échauffe une des extrémités d'une barre métallique, la chaleur se transmet par conduction vers l'autre extrémité. Le mécanisme de transmission de chaleur par conduction est déclanché par l'énergie de vibration des molécules les plus chaudes (agitées) vers les molécules les plus froides.

Fig 3.2: La conduction thermique à travers les composant du mur (gains de chaleur). Source : Gérard Guyot ; 1999

En 1822; le français J. Fourier donna une définition mathématique précise de la conduction, cette dernière étant proportionnelle au gradient thermique (∆t = te - t_i) et au coefficient de conductibilité thermique.

3.1.1. La conductivité thermique (λ) : détermine le flux de chaleur qui par une

unité de temps traverse une unité d'épaisseur d’une unité de matériau soumis à une différence de température - graduant thermique- (∆t =1c°).

3.1.2. La conduction (c): Est le rapport entre le pouvoir de transmission d'un matériau (λ) et son épaisseur tel que :

C = e λ ……… (1) λ : (W/m.°C) ou (K cal/m.h.°C) e : épaisseur : mètre linaire (m)

3.1.3. La résistance d'un matériau :

C'est l'inverse de la conductance (R) et qui est définie comme le pouvoir d'un matériau de freiner le flux de chaleur :

R = C 1 = λ e ……… (2)

R : Résistance thermique en (m2.°C/W) ou (m2.h.°C/K cal) 3.1.4. La résistance d'une surface :

Dans un local chauffé, climatisé ou non, en observe généralement une différence entre la température de l'air interne et celle de la surface des parois. Cette

différence est due à la présence d'un film d'air mince immobilisé à la surface du mur, le flux de chaleur traversant ce film est caractérisé par un coefficient d’échange superficiel qui correspond à la résistance de ce film d'air. R = hi 1 ou R = h2 1

(selon la face considère – interne ou externe)

3.1.5. Le coefficient de transmission thermique K :

Est une caractéristique qui exprime le capacité de transmission d'un matériau entre deux milieux dont la température est différente. Dans le calcul des flux de chaleur, il est préférable d'utiliser le coefficient de transmission thermique que la résistance.

Le coefficient K de transmission est l'inverse de la résistance thermique :

K =

R

1

……… (3) Dans le cas d'une paroi composée :

K = 1 1 R + 2 1 R + ……… + Rn 1 + h_e + h_i K : est exprimé en (W/m². °C) ou (K cal/m².h.°C)

L’équation donnant la valeur du flux de chaleur transmis par conduction à travers les parois de la construction est :

Qc = K S ∆T ……… (1) K : est le coefficient de transmission.

S : la surface de la paroi.

∆T : est la différence de température, deux cas sont possibles :

3.2.

thermique à travers une paroi sous l’ombre

Qc₁ = K S ∆t

Qc₁ = Σ Kn S_n ∆t ……… (2)

K_n, S_n : surface et coefficient de transmission des parois sous l’ombre. t_e : température de l'air extérieur .

t_i : température de l'air intérieur.

3.3. Conduction thermique à travers une paroi ensoleillée:

(température air - soleil)

L'effet produit sur le bâtiment dans ce cas est combiné entre la

transmission de chaleur par conduction et rayonnement ; dans ce cas la paroi est exposée à une température qu'on appelle "La température équivalente" ou "Sol

- air température"

[Mackey et Wright ; 1981].

3.3.1. La température équivalente : (température air - soleil) La température air – soleil comprend trois températures :

1- Température de l'air extérieur.

2- La fraction de rayonnement solaire absorbé par la surface. L'échange de chaleur radiante de grande longueur d'onde avec l'environnement. [Givoni V, 1968].

La formule générale de la température équivalente est de : t_sa = t_e + fe aI + (t_r - t_e) fe fr ……… (3) t_sa : température air - soleil.

t_e : température extérieur.

a : facteur d'absorption de la surface externe.

I : intensité du rayonnement solaire global reçue par la surface. f_e : coefficient total d'échange de surface externe.

t_r : température radiante moyenne de l'environnement. f_r : coefficient de rayonnement de surface externe.

Pour faciliter le calcul l'équation (3) est simplifiée tel que : t_sa = t_e + fe aI Qc₂ = K S (t_sa – t_i) = K S (t_e + fe aI - t_i) Qc₂ = K S ( fe aI +∆t) Qc₂ = Σ Kn S_n ( fe aI +∆t) ………(4)

I : intensité du rayonnement solaire directe, diffus et réfléchie incident sur l'unité de surface.

3.4. Le transfert de chaleur par rayonnement :

La température intérieure du bâtiment est généralement augmentée par les rayons solaires qui tombent sur l'enveloppe, selon deux manières :

3.4.1. Rayons solaires incidents sur les parois opaques (Murs, toits) : Les rayons solaires en tombant sur les surfaces externes augmentent la température de ces dernières et créent par la suite un flux de chaleur transmis à l'intérieur de l'enveloppe par l'intermédiaire des composants des murs et de la toiture.

Ce phénomène de transfert de chaleur est déjà expliqué dans la partie

"Conduction", et l'intensité du flux résultant est exprimée par l'équation (3) et (4).Notons que la quantité d’énergie reçue par une paroi est relative à son orientation et encore à son inclinaison [Capderou. M ; 1978]

Fig 3.4 : Energie reçue par des surfaces de différentes orientations Source : E. L. Harkness et Mehta ; 1987

3.4.2. Rayons solaires incidents sur les parois vitrées (Fenêtres) : A- Baie vitrée exposée au soleil :

Les rayons solaires incident sur les fenêtres (parois vitrées) passant

directement vers l'intérieur, ce qui apporte au bâtiment des quantités d'énergie disproportionnelles qui modifient l'équilibre thermique. Cette énergie apportée ne fait qu'aggraver l'inconfort des occupants par l'augmentation de la

température intérieure au dessus de la zone de confort, ce qui nous amène à dépenser de l'énergie (énergie = l'argent) pour refroidir l'ambiance intérieure et chasser la quantité de chaleur cumulée par l'effet de serre crée par le captage des baies[Chauliguet.Ch ; 1981]. La quantité du flux transmis par rayonnement (émission d'ondes électromagnétiques) est un phénomène expliqué par différentes théories :

* En 1900; le physicien Allemand Max Planck – La théorie quantique. * Loi de Stefan – La loi fondamentale du rayonnement.

* La théorie du physicien Allemand Wilhelm.

L'équation déduite directement des documents de la thermique de bâtiment est : Q_s = S I O [W] ……… (5)

Q_s : quantité de flux transmis par rayonnement. I : intensité de la radiation solaire.

O : facteur de gain solaire. S : surface de la baie (fenêtre).

* Le facteur de gain solaire diminue le rayonnement reçu, il dépend de la qualité du vitrage utilisé et de l'angle d'incidence.

* L'intensité de la radiation solaire dépend de l'altitude et de l'orientation des baies.

* Généralement l'effet du rayonnement est proportionnel à l'augmentation de la température. [Ludwuig. Bolizmann ; 1884].

* Le verre transmet de grandes quantités du rayonnement ultraviolet. [Wilhelm ; 1879].