Amélioration du confort d'été dans des bâtiments à ossature par ventilation de l'enveloppe et stockage thermique

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ossature par ventilation de l’enveloppe et stockage

thermique

Adrien Brun

To cite this version:

Adrien Brun.

Amélioration du confort d’été dans des bâtiments à ossature par ventilation de

l’enveloppe et stockage thermique. Architecture, aménagement de l’espace. Université de Grenoble,

2011. Français. �NNT : 2011GRENA003�. �tel-00652449�

THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

Spécialité : Génie Civil et Science de l’Habitat

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Adrien BRUN

Thèse dirigée par « Etienne WURTZ » et

codirigée par « Daniel QUENARD »

préparée au sein du Laboratoire LOCIE

dans l'École Doctorale SISEO

Amélioration du confort d’été

dans des bâtiments à ossature

par ventilation de l’enveloppe et

stockage thermique

Thèse soutenue publiquement le « 26/01/2011 »,

devant le jury composé de :

Mr Jean-Jacques ROUX

Professeur, INSA Lyon, Président et Rapporteur

Mr François GARDE

Professeur, Université de la Réunion, Rapporteur

Mr Etienne WURTZ

Directeur de recherche CNRS, Directeur de thèse

Mr Daniel QUENARD

Chef de la division CPM, CSTB de Grenoble, Co-Directeur de thèse

Mr Pierre HOLLMULLER

Adjoint Scientifique, Université de Genève, Examinateur

Mme Samira KHERROUF

beautés magniquesetin essammentrenouvelées,unein omparable

émo-tion m'étreint. La vaste nature se reète en mon âme véridique et

hé-tive. Voi iles arbres aux bran hes remontées vers lermament,voi i les

eurs parfumées qui sourient dans la prairie, voi i la terre dou e

tapis-sée d'herbes folles ...Et, insensiblement, les mains prennent des poses

d'adoration ...Sentir à quels spe ta les troublants et souverains la

na-ture onvie ses éphémères et tremblants passagers, voilà e que j'appelle

prier.

Lestravaux présentés dans e rapportont étéréalisésau sein duLaboratoire

d'Op-timisation de la Con eption et Ingénierie de l'Environnement (LOCIE) dirigé par

MadameLingai Luo-Dong ainsiqu'au seinde ladivisionCara térisationPhysique

desMatériaux (CPM) duCentre S ientique etTe hnique duBâtiment (CSTB)de

Grenoble,établissement dirigé par ChristianCo het. Je tiens àles remer ierpour

leur a ueil.

Je remer ie Étienne Wurtz, Dire teur dere her he CNRSàl'Université deSavoie,

et Daniel Quenard, Dire teur de la division CPM du CSTB de Grenoble qui ont

été mes dire teur et o-dire teur de thèse.J'ai appré ié leur en adrement ainsi que

ladisponibilitéqu'ilsm'ont donnéemalgréleurs nombreusesa tivités.Leurs onseils

et leur soutienont été pour moi d'une grande ri hesse, tant sur le plan s ientique

qu'humain.J'aiappré iéla onan edontils m'ontfaitpart ettiens àlesremer ier

pourm'avoir donné lesmoyensné essairesà laréalisation d'expérimentations.

Je suis honoré que Jean-Ja ques Roux, Professeur à l'INSA de Lyon, et François

Garde, Professeur à l'Université de laRéunion, aient a epté de rapporter e

ma-nus ritetde fairepartie de monJury.

Jeremer ie trèsparti ulièrement, PierreHollmuller,AdjointS ientiqueà

l'Uni-versitédeGenèveetLaurentMora,Maitrede onféren eàl'É oleSupérieured'Arts

etMétierspourletempsqu'ilsm'onta ordéetlari hessedenosentretiens.Je suis

re onnaissant envers Samira Kherrouf, Ingénieur Do teur de l'Agen e de

l'Envi-ronnement etde laMaîtrise de l'Energie (ADEME),pourle suivide monévolution

au oursde estroisannées.

Je voudrais remer ier FabioSi urella pour sonaidedanslapartie dédiée à

l'éva-luationdu onfortthermique maisaussipour tousles momentspartagés.

J'en prote pour remer ier Pierre Tittelein, Louis Stephan, Layal Chahwane,

Paul Bourdoukan, Alain Bastide et Laurent Mora pour leur aide on ernant

l'utilisation du solveurd'équation SPARK.

Au ours de e travail nous avons onçu, réalisé puis instrumenté deux

expérimen-tations de tailles onséquentes. Cette aventure n'aurait été possible sans l'apport,

à ha unedes étapes, des ompéten esvariées et omplémentaires du personneldu

l'éla-Menneteau pour es onseils avisés et son aide, lorsque l'instabilité n'était pas

tropfavorable auvollibre!AAmandine PiotetXavierFaurequi m'ont faitpart

de leurs onnaissan es d'expérimentateurs. Sans oublier l'aide que m'ont apporté :

Hebert Sallée, Julien Champelovier, François Olive, Jean-François Buisson,

BrunoBageto, Matthieu Quenard etPierre Corroenne.

Cestravauxont étéréalisésauseinde l'é oled'IngénieurPolyte h Anne y

Cham-béry  dirigée par Laurent Foulloy, é ole dans laquelle j'ai réalisé mes études

d'ingénieur puis mes premiers pas dans l'enseignement. Je tiens à e titre à

remer- ier l'ensemble de l'équipe pédagogique et plus parti ulièrement Gilbert Ar hard

etGillesFraissequiontétémestuteurstoutaulongde etteexpérien e.J'adresse

unremer iementparti ulieràGilbertAr hardquim'atransmissapassionpourla

re her healorsquej'étaisétudiant.Jesouhaiteremer ierDominiqueChuard,Dario

Aiulfi, Pierre Jaboyedoff du bureaude onseil Sorane, pour les enseignements

qu'ilsm'ont donnésavant etau oursde mondo torat.

Ces travaux n'auraient pu être réalisés sans le soutien de l'ADEME et du CSTB

auxquelsj'adresse maprofonde re onnaissan e. Je tiens également àremer ier

l'en-treprise CRISPOPIA, liale du groupe CIAT pour la fourniture des nodules, et

l'entreprise SIPLASTpourlafournituredurevêtementàfaible émissivitéainsique

le onstru teur OSSABOISpour laréalisation dela ellule.

Il me reste à remer ier mes ollègues et amis her heurs de l'INES-LOCIE,

INES-CEA-LEB,du LOCIE,duCSTBetduPIMENTquim'ont entouré durant estrois

années.Pourn'en iterquequelques-uns(etparordrealphabétique),mer ià Clara,

Emmanuel, Fabio, Fabri e, Gianpierro, Hui, Jéronimo, Layal, Louis,Matthieu,

Oli-vier,Ouassila,Pierre,Romain,Virginie,Yu,sansoublierlesdo torantsquiprennent

larelève :Jeanne, Matthieu,Mi kaeletXavier.

Enn,jenepeuxterminersansavoirunepenséepourmafamilleetparti ulièrement

mesparents, mesdeuxsoeurs,Ali eetMarion, monfrère,Clémentetleurs onjoints

Depuisquelquesannées,d'importantseortsont étéréaliséssurl'améliorationde la

performan eénergétiquedesbâtimentsquireprésentent lepremierpostede

onsom-mationénergétiqueenFran e.Lesexigen esdelanouvelleréglementation thermique

2012 illustrent bien esévolutions ave une onsommation onventionnelle d'énergie

primaire omprenant l'ensemble despostes( hauage, limatisation,é lairage,

ven-tilation,eau haude sanitaire),dédu tion faitedel'éle tri ité produitesurpla e,qui

devra êtreinférieure à

50kW h.m

−2

_.an

−1

d'énergieprimaire.

Laréponseà ettenouvelle exigen e seferapar l'adoptiondete hnologies

onstru -tives onduisantàune onsommationpourle hauageéquivalenteaux onstru tions

dites  passives  (environ

15kW h.m

−2

_.an

−1

) et dont le re ours à la limatisation

est limité voir inexistant. Il s'agit pour ela de limiter toutes les ontributions à

l'é hauement dubâtiment etéventuellement de luiadjoindre unsystèmede

rafrai- hissement à oe ient de performan e élevé.

Aprèsavoirmontréparl'exemplequ'unbâtimentàossatureàfaibleinertieen

métro-pole, par sa apa ité de sto kage thermique limitée, est prédisposéà des problèmes

de sur haue, nousavons onstruit ette thèse autour de deux axes d'amélioration,

dédiés aux onstru tions àossature, que sont:

 La limitation des harges solaires transmises au travers de l'enveloppe en faisant

appelà unespé i ité des onstru tionsàossature qu'estlaprésen ed'unespa e

naturellement ventiléen sous-fa eduparement extérieurquenousutiliserons an

d'extraire une partie des hargessolaires in identes;

 Le ouplage de es bâtiments  légers  à un é hangeur air/masse qui ontient

l'inertie né essaire au maintien des onditions de onfort estivales lorsque la

ré-du tion de température no turne lepermet.

Baséesuruneappro henumériqueetexpérimentaleenvraigrandeureten onditions

réelles,nousproposonsd'abordertouràtour ha unede esstratégiesd'amélioration

du onfort qui trouvent leurs appli ations aussi bien en limat haud et se qu'en

limat tropi al.

Mots lées : bâtiments à ossature, onfort d'été, déphasage, sto kage thermique,

Building se tor is the most important energy onsumer in Fran e, and one of the

eld where thereis thehighest potential for improvement. In re ent years, building

energy onsumptionhasbeenthesubje tof ontinuouslyup-datedregulationsaimed

at redu ing its impa t. As an example, the latest national thermal regulation (RT

2012) makes it ompulsory to respe t thelimits previously introdu ed by RT 2005

as a voluntary label, orresponding to the denition of Low energy onsumption

buildings  (BBC); in order to get su h a label, a building should have a primary

energy onsumptionlowerthan

50kW h.m

−2

_.year

−1

, al ulatedbymakingabalan e

between onsumptions (heating, ooling, domesti hot water, lighting, ventilation)

and lo alele tri ityprodu tion.

In order to respond to this new requirement, appropriate ar hite tural and

te h-nologi al solutions have to be used. As a results, heating needs should be limited

to approximately

15kW h.m

−2

_.year

−1

- by improving the building insulation or by

adoptingpassivesolar te hniques-and summerthermal omfortshould bea hieved

with aminimumprimary energy waste. Therefore,internal heatgains and external

solartransmissionmustbelimitedand,ifne essary,lowenergy oolingsystems ould

beused.

In the present work, we rstly studied the ase of a low thermal inertia building.

Thesimulationresults showthat this onstru tion typology issubje tto

un omfor-table temperature swing. Afterwards, two propositions leading to theimprovement

ofsummerthermal omfortweredeveloped.Therst,dedi atedtowarmandhumid

limates, onsists in limiting solar transmission through the wall by using a gap,

generally integrated in a timber frame stru ture, to eliminate part of theabsorbed

heat by means of natural ventilation. Then, the in rease of the building thermal

inertiathrough theasso iationofan air/massstoragesystemwasassessed,whi his

espe iallysuitable inwarm anddry limates.

Both propositions were based both on numeri al studies and on experimentation

performedonafull-s aletest riginstalledatCSTB(S ienti andTe hni al Centre

for Building resear h).

Keywords : wooden frame buildings, summer thermal omfort, thermal inertia,

Avant-Propos iii

Résumé v

Introdu tion 1

1 Confort d'été pour les bâtiments à faible inertie 3

1.1 Enjeuxde l'étudedu onfortd'été . . . 4

1.2 Cara térisation du onfort thermique . . . 5

1.2.1 Confortthermiqueselon Fanger . . . 6

1.2.2 Appro he adaptative . . . 9

1.2.3 Diagrammes de onfort . . . 12

1.2.4 Comparaisons desappro hessurlapériodeestivale . . . 15

1.3 Présentation duprin ipe onstru tif desbâtiments àossature bois. . 16

1.4 Stratégies passivesd'améliorationdu onfortd'été . . . 19

1.4.1 Enseignementsapportés par l'ar hite ture verna ulaire . . . . 19

1.4.2 Des ription du limat haud &humide et du limat méditer-ranéen . . . 21

1.4.3 Ventilation del'enveloppe . . . 21

1.4.4 Améliorationdu onfortparsto kagethermiquejournalierpour les bâtimentsà faible inertie . . . 24

1.5 Con lusion. . . 26

2 Modélisation de omposants pour le rafraî hissement passif 27 2.1 Présentation delaplateforme de simulation . . . 28

2.1.1 L'environnement SimSpark . . . 28

2.1.2 Études paramétriques,gestion desin ertitudesetoptimisation 28 2.1.3 Prise en ompte del'inertie dansles simulations. . . 32

2.1.4 Comparaison inter-modèles . . . 34

2.2 Limitation des harges solairespar avités ventilées . . . 37

2.2.4 Équation dedébit propre àune avitéouverte in linée . . . . 42

2.2.5 Corrélations en onve tion naturelle etfor ée . . . 43

2.2.6 Choix de orrélationsd'é hanges onve tifs adaptées . . . 50

2.2.7 Modélisationdestransfertsradiatifs dansla avité . . . 55

2.2.8 Transfertsde haleur ave l'environnement . . . 56

2.2.9 Transfert ondu tif . . . 60

2.2.10 Con lusion . . . 60

2.3 Inertie déportée par unsto kage d'énergie . . . 62

2.3.1 Des ription du problèmeetsolution analytique . . . 62

2.3.2 Le modèle numérique implémenté . . . 65

2.3.3 Validation de l'implémentation dumodèlenumérique . . . 65

2.3.4 Rédu tion dupasde temps desimulation . . . 66

2.3.5 Modi ationdesparamètres

Df

et

V

stk

dusystème. . . 68

2.3.6 Formulationdu oe ient deperforman e dusystème . . . . 75

2.3.7 Évaluationdu potentieldel'environnement . . . 78

2.3.8 Synthèse des résultatsobtenus . . . 81

2.4 Con lusion. . . 82

3 Des ription des plateformes d'expérimentation 83 3.1 Des ription desmoyens métrologiques . . . 84

3.1.1 Des ription de la hained'a quisition. . . 84

3.1.2 Traitement des vitessesde ventsdusite duCSTBde Grenoble 89 3.2 Enveloppes légèresnaturellement ventilées . . . 93

3.2.1 Présentation du supportexpérimental . . . 93

3.2.2 Comportement des avités ouvertes et avités fermées . . . . 97

3.2.3 Comportement des avités ouvertes et ontinument ouvertes . 103 3.2.4 Fa teursde transmissionsolaire expérimentaux . . . 104

3.2.5 Dé omposition duux é hangé ave l'environnement . . . 105

3.2.6 Température de surfa e etrafraî hissement radiatif . . . 107

3.2.7 Synthèse des résultatsexpérimentaux surles avités . . . 108

3.3 Système de sto kage déporté . . . 110

3.3.1 Présentation du supportexpérimental . . . 110

3.3.2 Résultats expérimentaux . . . 114

3.3.3 Synthèse des résultatsexpérimentaux issusdu déphaseur . . . 119

3.4 Con lusion. . . 120

4 Élementsdevalidation des omposantsetintégration dudéphaseur au bâtiment 121 4.1 Ventilation de l'enveloppe . . . 122

4.1.1 Résultats expérimentaux etnumériques . . . 122

4.1.2 Fa teursolaire al ulépour deuxparois . . . 125

4.1.3 Synthèse de l'étude omparative . . . 126

4.2 Sto kage thermique . . . 128

4.2.1 Calibrage etvalidation du modèle . . . 128

Con lusion 139

A Annexes 141

Annexe A.1 : Déphaseur : Comparaison entre le modèle implémenté et la solutionanalytique . . . 141

Annexe A.2 : Déphaseur : Réponsedu sto k en fon tion du volume et de laduréede fon tionnement pour destransmissions de

57 %

et

32 %

. 143

Lettres gre ques

λ

Coe ient de frottement

κ

Compa ité

( −)

λ

Condu tivité thermique

( W.m

−1

_.K

−1

₎

ζ

Coe ient de perte de harge

( −)

ϕ

Déphasage(unité de temps ou

rad

)

δ

eq

Épaisseuréquivalented'unmatériaux

( m)

θ

Angle,in linaison

(

o

₎

ω

Pulsation

( rad.s

−1

₎

φ

↓

Fluxatmosphérique ( iel

→

sol)

( W.m

−2

₎

∆

Rugosité

( mm)

∆

Rugositérelative

( −)

σ

Constante de Boltzman :

5.67 × 10

−8

₍₎

τ

Constante de temps oupériode

( s)

ε

Transmission

( −)

ν

Vis osité inématique

( m

2

_.s

−1

₎

µ

Vis ositédynamique

( kg.m

−1

_.s

−1

₎

Lettres latines

C

c

Coe ient de ontra tion

( −)

Cp

Capa ité alorique

( kJ.K

−1

_.kg

−1

₎

C

d

Coe ient de dé harge

( −)

hc

Coe ient d'é hange onve tif

( W.m

D

h

Diamètrehydraulique

( m)

e

Épaisseur

( m)

g

A élérationde lapesanteur:

9.81 (ms

−2

₎

w

Largeur

( m)

L

Longueur

( m)

˙

m

Débit massique

( kg.s

−1

₎

Q

Débit volumique

( m

3

_h

−1

₎

r

Rayon

( m)

ρ

Masse volumique

( kg.m

−3

₎

A

Surfa e

(surf U )

E

T

y

T

x

F.e.m générée entre les points à température

T

x

et

T

y

par eet Seebe k :

(mV ouµV )

T

Température (

◦

_C

ou

K

)

t

Temps

( s)

U

Vitesse

( m.s

−1

₎

V

Volume

( m

3

₎

v

Volume par unitéde longueur

( m

3

_m

−1

₎

Indi es et exposants

abs

Absorbé

a

Air

b

Matériau

Air

Air ausein de la avité

ciel

Ciel

Inf

Surfa e inférieure dela avité

Sup

Surfa e supérieurede la avité

e

Entrée

ext

Extérieur

Gr

Nombre deGrashof

o

Se tion libre

o

Sur une se tionlibre soit horsdu milieu interstitiel

net

Net

P r

Nombrede Prandtl

Ra

Nombrede Rayleigh

Re

Nombrede Reynolds

sExt

Surfa een onta tave l'environnement extérieur

sInt

Surfa een onta tave l'intérieur dubâtiment

s

Sortie

air

Sour e

d

Diurne

j

Journalier

n

No turne

Notations mathématiques

δ

x

G

Dérivée partielle delagrandeur Gselon x

x

Valeurmoyenne

Notations pour les avités

( o) Cavité ontinue ouverte

( f) Cavitéfermée

( o) Cavitéouverte

Autres notations et abréviations

CLO

Courtes longueursd'ondes

COP

Coe ient de performan e

GLO

Grandeslongueurs d'ondes

OSB

OrientedStream Board

F.e.m

For eéle tro-motri e

lo Unité déniepar Fangerpourl'habillement

1.1 Signature énergétique pour le hauage et le refroidissement d'un bâ-timenttype RT2005enblo sdebétonetd'unbâtimentfortementisolé

enbois (Simulationshoraires). . . 4

1.2 Représentation des ve teurs de transfert de haleur entre l'homme et son environnement. . . 5

1.3 Cal uldeszonesrespe tantle ritère de onfortselonFangerpourun habillementd'hiveretd'étéainsiquepourunevitessedel'airaugmentée. 8

1.4 Température de onfort enfon tion de la température moyenne men-suelleextérieure pourdes bâtiments limatisésetnaturellement

venti-lés (sour e : [Hum78℄). . . 9

1.5 Plage de température de onfort en fon tion de la température

exté-rieure glissante ( al ul selonla norme NF-EN-15251).. . . 11

1.6 Zonede onfort al ulées selonlestandard adaptatifdela norme NF-EN-15251 surle diagramme psy hométrique. . . 11

1.7 Zones de onfort d'été etd'hiver établies par l'ASHRAE. . . 12

1.8 Diagramme bio- limatique d'Olgyay (illustration extraite de[Olg63℄). 13

1.9 Zones de onfort selon par GIVONI. . . 14

1.10 Comparaison des indi es et zones de onfort onsidérant des données

simulées d'un bâtiment à haute performan e en ossature bois pour le limatde Chambéry. . . 16

1.11 Étapesde onstru tiondubâtimentàossatureboissurlesitedel'INES, Te hnola . . . 17

1.12 Des ription dusystème onstru tif. . . 17

1.13 Photographies des nitions extérieures ourantes des bâtiments à os-sature. . . 18

1.14 Typologie de stru ture selon la zone limatique, d'après [ZP10℄. . . . 19

1.15 Zones limatiquesdumonde,simpli ationdela lassi ationde Kop-pen. . . 20

1.16 Exemplesde onstru tionsverna ulaires en limats haud ethumide 20

1.19 Paroisdoubles pourlimiter les transferts de haleur. . . 23

1.20 Exemples de onstru tions en limat méditerranéen et aride. . . 25

1.21 Exemples de travaux portant sur l'amélioration du onfort dans des bâtimentsà faible inertie. . . 26

2.1 Présentation duprin ipede ouplage desoutils pourl'analyse paramé-trique à deux variables. . . 29

2.2 Présentation du prin ipe de ouplage des outils pour la propagation d'in ertitude. . . 30

2.3 Présentation duprin ipede ouplage desoutils pourl'analyse paramé-trique à deux variables. . . 31

2.4 Présentation de diérents niveaux de nesse liés à la prise en ompte de l'inertie dans les outils de simulation. . . 33

2.5 Photo des bâtiments expérimentaux de l'INESet modèle géométrique simplié. . . 35

2.6 Évolution des températures durantla période estivalepourles 5 outils de simulation dynamique. . . 35

2.7 Représentation des diérents modes detransfertde haleur. . . 37

2.8 Diagramme de Moody . . . 40

2.9 Loi des ori es. . . 41

2.10 Représentation s hématique de la onguration modélisée. . . 42

2.11 É hanges de haleur pariétale en avité. . . 43

2.12 Coe ientsd'é hange onve tifenfon tiondunombre de Reynolds pourla géométriesuivante (

L = 4500, e = 95, w = 550

). . . 47

2.13 Coe ients d'é hange onve tif enfon tiondu nombre de Rayleigh (

Ra

L

, Ra

e

)pour la géométrie suivante (

L = 4500, e = 95, θ = 30

o

) et un

∆T

allantde

0.1

à

60

◦

_C

. . . 50

2.14 Solli itationsextérieures et vitesses del'air mesurées dans les avités ( o) et ( o) .. . . 51

2.15 ongurations ( o) et( o) . . . 52

2.16 Vitesse de l'air dans la avité ouverte ( o) en fon tion de

U

V ent

et

G

Hz

sur la période du 16au 25Juillet . . . 53

2.17 Vitessedel'airdans la avité ontinument ventilée ( o)enfon tion de

U

V ent

et

G

Hz

sur la période du 16au 25Juillet. . . 53

2.18 Évolutiondutype de onve tionpar al uldelagrandeur

Ra/Re

2

pour la période du16 au 25Juillet. . . 54

2.19 Liensentreles pressionsdynamiques(mesurées)etthermiques ( al u-lées) etla vitesse d'air (mesurée) pour la période du 16au 25 Juillet. 54 2.20 É hanges de haleur pariétale à l'interfa e ave l'extérieur.. . . 56

2.21 Rayonnement atmosphérique mesuré sur une séquen e de 5 journées 58 2.22 Flux atmosphérique, mesures et modèles . . . 59

2.23 Représentation des diérents modes detransfertde haleur. . . 62

2.24 Des ription du modèle detransferts du litde sphère. . . 63

2.25 Évolution du oe ient d'é hange

hc

pour undébit ompris entre 100 et

400 m

3

_h

−1

, indi ation du nombre de Reynolds orrespondant. . 66

2.27 In iden e du pas de temps de simulation sur les résultats (graphique degau he) etsur la durée desimulation (graphique de droite). . . . 67

2.28 Évolutiondelatempératureensortiedusto kthermiquelorsquela

du-rée de fon tionnementet le volume de sto kage sont modiés (Trans-mission pour unfon tionnementpermanent etun volume nominal de

73 %

). . . 69

2.29 Méthode de al uldu potentiel defroid valorisable. . . 70

2.30 Sensibilité du volume et du temps de fon tionnement sur le servi e renduparlesystème(périodedu30Juinau02Juillet,météoGrenoble 2010). . . 71

2.31 Méthode de al uldu rendement énergétique de sto kage. . . 71 2.32 Modi ation du volume de sto kage pour un fon tionnement

perma-nent. . . 72

2.33 Rendement énergétique de sto kage et rédu tion de la durée de fon -tionnement. . . 73

2.34 Cara téristique omplètedurendementénergétiquedesto kageen fon -tion dela durée de fon tionnementet du volume de sto kage. . . 74

2.35 Intégration du sto k thermiqueau système de ventilationdu bâtiment. 75 2.36 Contraste thermique jour/nuit mensuelpourle site de Grenoble ainsi

que pourune année en Guadeloupe. . . 78 2.37 Potentielenvironnementalpondéré pourune journée (K)dela période

estivale,météo de Grenoble . . . 80 2.38 Données journalières (

T

ext

,PE et PEp) pour une période de3 mois. 81 3.1 Prin ipe de la mesure de température par thermo ouple . . . 84

3.2 Dispositif d'étalonnage entempérature (thermo ouples et uxmètres). 85 3.3 Représentations hématiquedu apteursuxmétriquestangentiels

Cap-te . . . 86 3.4 Lambdamètre pour la détermination dela sensibilité des uxmètres. . 87

3.5 Cara térisation des uxmètres, montage 2. . . 87

3.6 Anémomètre TSI 8475 . . . 88

3.7 Mesure des onditions aux limites extérieures, implantation de l'ins-trumentation . . . 89 3.8 S héma deprin ipe du systèmed'a quisition . . . 90

3.9 Fréquen e d'é hantillonnage etdonnées par intervallede 5 minutes . 91

3.10 Rosedesventsdu moisd'Avril2010 (provenan e(

∠

),fréquen e(

%

) etgamme de vitesse(

m.s

−1

)). . . 92

3.11 Vue enperspe tive de la ellule. . . 93

3.12 Compositiondes parois. . . 94 3.13 Photos dela ellule expérimentale. . . 96

3.14 Pland'instrumentationdu demi-volume Est . . . 98

3.15 Solli itations météorologiques pour la période du21 au 27Juin. . . . 99 3.16 Températures mesurées àune distan e de290 mdu pied dela toiture

(resp 240 m) pour la ( o) (resp ( f) )pour la période du 21au 27 Juin. . . 99

3.19 Flux surfa iques et températures mesurés (résolution 5 minutes) pour

la ( o) le 25Juin. . . 103

3.20 Flux surfa iquesmesurés pourla ( o) etla ( o)pour la périodedu 18 au 24Juillet. . . 104

3.21 Flux transmis en fon tiondu ux solaire in ident normal à la toiture. 105 3.22 Bilan de uxde la avité ventilée pour la période du 21au 27Juin. . 106

3.23 Contribution normalisée des modes de transferts au rafrai hissement de la peau extérieure pourla période du21 au 27Juin. . . 106

3.24 Cy les d'évolution journaliers

T = f (T

Ext

)

. . . 107 3.25 Rafraî hissement no turne radiatif. . . 108

3.26 Photographies de prototypes réalisés à l'UNIGE. . . 110 3.27 Présentation s hématique del'expérimentation. . . 111

3.28 Des ription géométrique des nodules CRISTOPIA. . . 112

3.29 Arrangement. . . 113

3.30 Photographies du prototype de sto kage de haleur. . . 113 3.31 Instrumentation dusto k thermique. . . 114

3.32 Instrumentation des diérentes se tions. . . 115

3.33 Solli itationsmétéorologiques pour la période du 16au 27Juillet. . . 115

3.34 Évolutiond'entréeetdesortiedel'airrelevéespourunfon tionnement permanent duventilateur . . . 116

3.35 Évolutions des températures d'air relevées pour un fon tionnement permanent du ventilateur sur une période de 3 jours (18, 19 et 20 Juillet). . . 117

3.36 Déphasage etamortissement en fon tionde la distan e par ourue . . 117

3.37 Diéren e detempératures au sein d'un nodule disposé enpartie en-trale, entre un nodule et l'air enpartie entrale et entre deuxnodules positionnés au entre eten périphérique dela se tion, pour la se tion

numéro 5. . . 118 3.38 Évolution des températures au sein des matériaux durant plusieurs

jours enl'absen e de ventilation. . . 119

3.39 Pertes de harges mesurées aux bornes du litde matériau. . . 119

4.1 Températures relevées expérimentalement et al ulées pour la avité

in linée ventilée ( o ). . . 123 4.2 Somme des omposantesradiativeset onve tives al ulées etsimulées

auniveaudesinterfa essupérieures etinférieures dela avitéin linée ventilée. . . 124

4.3 Compositiondesdeuxparoisétudiées etpré isiondes deuxparamètres que l'onmodie. . . 125

4.4 Courbes d'iso fa teur solaire obtenues par al ul après une étude pa-ramétrique relativeà l'épaisseurd'isolation(ordonnée) etde l'absorp-tivité du revêtement extérieur (abs isse) pour ha une des parois. . . 126

4.5 Fon tionnementpermanent,résultatsaprès alibrationdumodèlepour la période du 16Juillet au 27Juillet 2010 (

hc = 11.8 W.m

−2

_.K

−1

et

pour la période du 11Juin au21 Juin 2010. . . 130 4.7 Geométrie du bâtiment modélisé. . . 130 4.8 Des ription de la omposition des parois pour les ongurations bois

et béton. . . 131 4.9 Solli itations météorologiques de Chambéry et harges internes de la

zonesupérieure pour la période du 20au 27juin . . . 132

4.10 Température d'air enévolutionlibre etsans harges internes à l'étage pour les ongurations boiset béton. . . 132 4.11 Température d'air pour les onguration bois et béton pour divers

dé-bits de ventilationno turne (VN).. . . 133 4.12 Température à l'étage du bâtiment bois lorsque son entrée d'air a la

possibilité d'être onne tée à la sortie du système de déphasage

ther-mique. . . 134 4.13 Température à l'étage du bâtiment bois pour diverses ongurations

dontl'uneestle ouplage aubâtimentdusto kthermiquefon tionnant

par intermitten e (16 heures sur 24). . . 136 4.14 Comparaisondela onguration boisutilisantsto kthermiqueou

ven-tilationno turne à elled'une onguration béton ventilée la nuit. . . 137

4.15 Classement des températures intérieures relatives à la Figure 4.14. 137 A.1 Appli ationdelafon tiond'identi ationdesparamètres

ϕ, ε

( EqA.1)

pour un volume desto kage de

3 m

3

etun débit de

350 m

3

_h

−1

. . . . 141 A.2 Évolutiondelatempératureensortiedusto kthermiquelorsquela

du-rée de fon tionnementet le volume de sto kage sont modiés (Trans-missionpourunfon tionnementpermanentetunvolumenominalede

57 %

). . . 143

A.3 Évolutiondelatempératureensortiedusto kthermiquelorsquela du-rée de fon tionnementet le volume de sto kage sont modiés

(Trans-missionpourunfon tionnementpermanentetunvolumenominalede

2.1 Équations représentant le oe ient de frottement

λ

des onduites pour divers régimes d'é oulement et ara téristiques de onduite. . . . 40

2.2 Rappelde la nomen lature utilisée . . . 43

2.3 Dénition des nombres adimensionnels . . . 45

2.4 Cara téristiques du pyrgéomètre CGR4 . . . 57

2.5 Émissivité en ondition de iel lair, prin ipales formes proposées.. . 59

2.6 Rendement de sto kage pourun fon tionnement ontinu duventilateur. 68

3.1 Classes de toléran es des thermo ouples Type T(NFEN 60584). . 85

3.2 Cara téristiques de l'anémomètre 8475 TSI. . . 88

3.3 Cara téristiques de latêteVaisalaWXT510 . . . 89

3.4 Cara téristiques du matériel Campbell utilisé. . . 90

3.5 Conditionsde tri des données éoliennes. . . 91

3.6 Cara téristiques radiatives des matériaux utilisés en[

%

℄. . . 94 3.7 Dimensions

[ m]

etrapports de forme des avités. . . 95 3.8 Distan e du positionnemententre les apteurs etle pied dela toiture. 95

3.9 Nomen lature del'instrumentation mis enpla e pour une demi- ellule. 97

3.10 Ré apitulatifde l'origine des grandeurs utilisées. . . 105

3.11 Cara téristiques des prototypes déjàréalisées. . . 110

3.12 Matériaux expérimentés. . . 110

3.13 Critères de hoix des matériaux.. . . 112

4.1 Pré ision des paramètres retenus et de leur intervalle pour la propa-gationd'in ertitude. . . 122

4.2 Ré apitulatifdes onditions aux limites . . . 125

4.3 Variable d'ajustement du modèle. . . 128

4.4 Paramétrage du modèle. . . 128

4.5 Cara téristiques thermo-physiques des matériaux utilisés. . . 131

4.6 Volumedematériau desto kage pourun débit etun déphasagedonné

pour un bâtiment de

112 m

2

A.2 Tansmissionanalytique etnumérique, résidu en (

%

). . . 142 A.3 Déphasage obtenuanalytiquement (

hr

). . . 142 A.4 Déphasage analytiqueetnumérique,résidu (

hr : mn

). . . 142

Au oursdesdernièresdé ennies, plusieursévènementsontillustrélephénomènedu

ré hauement de laplanète :la ani ule 2003, en 50 ans, les surfa es enneigéesont

diminuéde10%etlesgla esdel'o éanAr tiqueontperdu40%deleurvolume.

De-puis10ans,lafréquen edesinondations,destempêtesetdessé heressesadoublé.Il

estdésormaisprouvéque eré hauementestdire tementliéàl'a tivitéhumaineau

traversdesémissions(dioxydede arbone,deméthaneetd'oxyded'azote)issuesdes

a tivités industrielles, dutra routier, deshabitations,de laprodu tion thermique

d'éle tri ité etdel'agri ulture.

La limatisation onventionnelle estune solution oûteuse en investissement omme

enfon tionnement,elleapporteun ertainbien-êtremaispeutengendrerle

dévelop-pementdepathologies.Elleestaussisour edepollutiondel'airetde onsommation

d'énergie. Les systèmes a tifs de traitement d'air sont installés pour garantir une

qualité del'air onforme àlaréglementation etunequalitéde l'ambian e thermique

ompatible ave les ritères de onfort des zones dans lesquels ils sont installés. Le

défaut majeurde es systèmes est qu'ils sont oûteux en fon tionnement en raison

de leur onsommation ex essive d'éle tri ité mais également ar ils né essitent des

maintenan es régulières onduites par despersonnes expérimentées.

Il s'agira au ours de es travaux de proposer des alternatives en s'inspirant des

formesd'habitatetd'urbanismes traditionnelsdespays haudsquis'appuient surla

ventilation naturelle, l'isolation, les prote tions solaires, les ombrages, le déphasage

et . En eet l'énergie la plus propre et la moins hère est, bien entendu, elle que

l'on ne onsomme pas. Que e soit sur le patrimoine individuel, privé ou publi , la

ressour ed'é onomied'énergievade20%à50%dela onsommation.Mêmesileprix

a tuel de l'éle tri ité n'in ite pasfor ément àl'é onomie, l'utilisation rationnellede

l'énergie est primordiale pour préserver notre environnement ar la onsommation

d'éle tri itéestenforte roissan eetadoubléenFran eenl'espa edevingtans.Une

partimportantedesé onomiesréalisables grâ eàlamaitrisede l'énergieproviendra

deseortsmenéssurlarédu tiondel'utilisationdela limatisationensaison haude

dansles bâtiments.

Eneet,àlasuite desimportantseortsréaliséspourlarédu tiondes harges

première va onsister à réduire l'impa t de l'ensoleillement dire ten étudiant

l'im-pa t d'une double toiture ventilée et dans un se ond temps à diuser l'impa t de

es harges enayant re oursà un systèmede déphasage.Pour haqueobje tif nous

présenterons toutàtourune démar henumériqueetexpérimentale.La présentation

destravauxseraarti ulée de lamanière suivante:

Dans le premier hapitre, nous poserons tout d'abord les bases de l'évaluation du

onfortthermiqueen omparantlesdiérentesappro hesexistantesetnousmettrons

enéviden e, enprenantl'exempled'unbâtimentenbois,lesproblèmes desur haue

lorsque au un système de rafraî hissement n'est asso iée. Une revue des stratégies

passivesd'amélioration du onfort d'été adaptées auxbâtimentsbois seraréalisée.

Ledeuxième hapitre sera onsa réàlaprésentation du modèled'enveloppe double

peau ventilée ainsi que du modèle de déphasage thermique, après avoir présenté

l'environnement de simulationutilisé. L'a ent sera mis sur le hoix de orrélations

adaptéesàl'évaluationdesé hanges onve tifsen avitéave omme onditionsaux

limitesleseetsduventetdurayonnementsolaire.En e qui on ernelesystèmede

déphasage thermique, l'impa t de la durée de fon tionnement ainsi que du volume

desto kage seraanalysé.

Letroisième hapitre sera onsa réauxrésultatsexpérimentaux ave une

omparai-son de la transmission thermique omprenant plusieurs ongurations d'enveloppe

doublepeau.Nousprésenterons également leprototype dedéphaseur ontenant des

nodules remplis d'eauenindiquant sonpotentielàdéphaser ettransmettre les

solli- itations entempérature.

Ennledernier hapitre orrespondà la omparaison entre lesrésultats

expérimen-tauxet euxissusdelasimulationnumérique.Nousproposeronsàtitred'appli ation

le ouplagedusystèmededéphasagethermiqueaubâtiment expérimentalenboisde

laplateforme bâtiment INCA de l'INES. Ce ouplage sera simulé et nous mettrons

1

Confort d'été pour les bâtiments

à faible inertie

L'adoption de modèles de onstru tions à haute performan e énergétique apporte

uneréponsein omplèteauxobje tifsd'optimisationde la on eptiondesbâtiments.

Eneet,on onstatequedans es onstru tions,aux on eptsmajoritairement

orien-tésàréduireles onsommationsde hauage,apparaissentdesproblèmesd'in onfort

d'été,parti ulièrement marqués lorsqueleur stru ture esten bois.

Nousproposonsdans e hapitre unerevue desméthodesetréglementations dédiées

à la ara térisation du onfort thermique selon Fanger, l'appro he adaptative, les

zonesde onfortde l'ASHRAEouen orelesdiagrammesbio- limatiquesd'Olgyay

etlediagrammede Givoni.Nousillustronslesindi ationsfourniespar esméthodes

ave les résultats d'unbâtiment bois à haute performan e énergétique dont au une

stratégie n'aétémise enoeuvre on ernant le onfortd'été.

En se basant sur une étude reçensant les typologies des onstru tions an estrales

selon les zones limatiques, nous présenterons la zonepour laquelle la majorité des

onstru tions sont en bois ainsi que les on epts énergétiques autour desquels ils

s'arti ulent.Uneétudebibliographique ibléesurl'amélioration du onfort d'étépar

ventilation de l'enveloppe etsto kage de l'énergie thermique onstituera

1.1 Enjeux de l'étude du onfort d'été

Les engagements pris an de réduire les dégagements de gaz à eet de serre se

traduisent dans le domaine du bâtiment par la mise en pla e de réglementations

thermiques plus ambitieuses. A partir de 2012 la onsommation de tous les

bâti-ments neufs devra être inférieure à

50 kW.h.m

−2

_.an

−1

d'énergie primaire in luant

lessour esde onsommationde hauage,derefroidissement,deventilation,de

pro-du tiond'eau haude sanitaire et d'é lairagedeslo aux.

En Fran e métropolitaine, une des réponses fa e à e dé onsiste à emprunter le

modèle des onstru tions des pays Nordiques dont la problématique prin ipale est

la rédu tion des besoins de hauage. La transposition de es modèles en Fran e

métropolitaine montre que la rupture te hnologique né essaire en Fran e ne peut

êtreune simple sur-isolationetamélioration de l'étan héité desédi es.

La Figure 1.1 illustre e fait en omparant les signatures énergétiques simulées pourune onstru tionréglementaire (RT2005)à elled'unbâtiment àossaturedont

les onsommations de hauagesontde

30 kW.h.m

−2

_.an

−1

.Pourl'exer i e,laplage

de température dansle bâtiment est maintenue par un système de hauage etde

limatisationentre

19

et

27

◦

_C

.

Figure 1.1 Signature énergétique pour le hauage et le refroidissement d'un

bâ-timent type RT2005 en blo s de béton et d'un bâtiment fortement isolé en bois

(Si-mulationshoraires).

La omparaison desbesoins énergétiques de es onstru tions montre quesi

l'utili-sation des modèles de onstru tions nordiques permet ee tivement de réduire les

puissan es né essaires au hauage elle induit une sur- onsommation pour ontenir

lahaussedestempératures 1

.Or, sil'on onsidèrequelerendement dessystèmesde

limatisationestbieninférieurà eluide laprodu tionde haleur,on omprend que

laquestion du onfort d'été est pour les bâtiments de nouvelle génération unenjeu

1 . Ilapparaitsurlessignaturesprésentéesunetroisièmebran hequel'onexpliqueparun dys-fon tionnementdelarégulationdurantlespériodesdemi-saison.

majeur.L'étude desméthodes deprévention delasur haueainsiquedessystèmes

de rafrai hissement àfaible oûténergétiqueest undé detaille pourla on eption

de bâtimentsà faible onsommationou à énergiepositive.

1.2 Cara térisation du onfort thermique

Ladénitiondu onforts'avèreêtred'unegrande omplexitéd'unepartparlavariété

desintera tionsentrel'hommeetsonenvironnement(eetsa oustique,visuels,

olfa -tifs...),etd'autrepartparlasubje tivitépropreà haqueindividu(fa teursd'ordre

psy hologiqueet ulturel).L'appro helaplusrépandue onsisteàne onsidérer que

l'aspe t thermique et à ne prendre en onsidération que les aspe ts physiologiques

qui,par laphysique,sont quantiables.

LATENT

Ex èsdevapeurd'eau expirée Respiration Sudation Ventilation pulmonaire Conve tion Rayonnement Pertesrespiratoires Pertes utanées Condu tion SENSIBLE M Transfertsde haleur

Produ tiond'untravailmé anique

Figure 1.2 Représentation des ve teurs de transfert de haleur entre l'homme et

son environnement.

Une des parti ularités du orps humain est de onserver, quelque soit

l'environne-ment,unetempérature orporelle onstante.Onditqu'ilesthoméothermepar

oppo-sition auxanimaux poïkilothermes dit à sangfroid  dont les dépla ements sont

organisésen fon tiondel'environnement.Lestransfertsde haleur entrel'homme et

l'environnement sont répertoriés sur la Figure 1.2. Sa masse orporelle implique une apa ité de sto kage thermique notée S, son a tivité appelée métabolisme se

transformeen grandepartie endégagement de haleur(lerendementde

transforma-tiondu orps humain estfaible).Onadmetquel'équilibrethermiqueentrel'homme

etsonenvironnement, appelé étatde neutralité thermique, estune ondition

né es-saire mais non susante à l'obtention du onfort. Le bilan thermique en (

W.m

−2

)

orrespondant estdé ritpar l' Eq1.1.

S

Sto kagedansl'organisme

M

Produ tionde haleurinterne(W+L)

E

rad

É hangesradiatifs

E

conv

É hanges onve tifs

E

cond

É hanges ondu tifs

E

sw

É hangesparévaporationdelasueur

E

dif

É hangespardiusiondelavapeurd'eau

E

res

É hangesparévaporationrespiratoire

R

res

É hangespar onve tionrespiratoire

Lesindi esdestinésàlades riptiondu onfortthermiquepeuventêtre lassiésselon

qu'ils soient basés sur une appro he physique ou empirique. L'appro he physique

la plus onnue est elle de Fanger sur laquelle la norme internationale ISO7730

[ISOb℄aétéélaborée.L'appro he empiriquelaplus onnue portelenomd'appro he

adaptative.

1.2.1 Confort thermique selon Fanger

En1982 Fangerpropose unmodèle de onfortbasésur l'expressiondu bilan

ther-mique ( Eq 1.1) portant le nom de PMV : Vote Moyen Prévisible (de l'anglais Predi ted Mean Vote ). Celui i détermine à partir du jeu des ara téristiques

thermiquesetpropres àlapersonne,lasensationthermiqueressentiesurl'é hellede

ASHRAE 2

allant de

−3

à

+3

:

−3

−2

−1

0

+1

+2

+3

Trèsfroid froid frais onfortable tiède haud très haud

Lesvariablesintervenantes dansle al uldu PMVsont les suivantes:

1

Latempératuredel'air

4

Lapressionpartielledevapeurd'eau

2

Latempératuremoyenneradiante

5

L'a tivitémétabolique

3

Lavitesserelativedel'air

6

Larésistan ethermiquedeshabits

Un grand nombre d'essais expérimentaux a été réalisé en hambre limatique. Ils

onsistaient à re ueillir les sensations thermiques individuelles d'ungroupe de

per-sonnespla édansune hambre limatiquedontlesparamètresétaientmodiéstoutes

lestroisheures. Cetteexpérien ea étérépétéeetlabase dedonnées obtenue a

per-mis à Fanger d'établir une relation Eq 1.2 liant la sensation thermique aux six grandeurs pré édemment mentionnées.

P M V = (0.303 exp(−0.036m) + 0.028)L

(1.2) Dans etteéquation

m

estl'a tivitémétaboliquespé ique(

W.m

−2

) et

L

estla dif-féren e entre la produ tion et les pertes de haleur. Elle est exprimée à partir des

variables pré édemment listées.Cetteéquationesta ompagnée dubilanthermique

réalisé sur la vêture ainsi que de l'expression du oe ient de transfert thermique

environnement-o upant. L'ensembledes équationsest résoluitérativement.

Le al uldu PMVest généralement asso ié auPPD dont il estl'unique variable. Il

s'agit du Pour entage Prévisible d'Insatisfaits (de l'anglais Predi ted Per entage

Dissatisfed ).Alavaleur orrespondanteaux onditionsde onfortidéal(PMV=0),

la satisfa tion n'est pas totale :

5 %

des personnes demeure insatisfaites. La norme proposequatre atégories pour lesquelleslenombre de personnes insatisfaites roît.

De un à quatre, le pour entage de personnes insatisfaites ainsi que l'intervalle de

PMV orrespondant est donné dansletableau suivant :

atégorie PPD PMV

I <

6 %

−0.2 < P MV < +0.2

II <

10 %

−0.5 < P MV < +0.5

III <

15 %

−0.7 < P MV < +0.7

IV >

15 %

P M V < −0.7

ou

P M V > −0.7

La norme NF-EN-15251[ISOa℄ proposed'asso ier à ha une des atégories l'usage

faitdes bâtiments:

atégorie des ription

I Espa eso upéspardespersonnestrèssensiblesetfragiles (Personneshandi apés, malades,personnesâgés...) II Niveaunormal,bâtimentneufetrénovation

III Niveaumodéréa eptabledanslesbâtimentsexistants IV Valeursendehorsdes atégoriespré édemmentmentionnées

Nousproposons dereprésenter leszones d'a eptabilité al ulées 3

selon FANGER

sur lediagramme psy hométrique ( Figure 1.3). Ellessont données pour un pour- entage d'insatisfa tion inférieur à

6 %

(resp inférieur à

15 %

) en traits ontinus (resp traits pointillés) e qui orrespond à la atégorie I (resp atégorie III). Nous

avons onsidéréles asd'unhabillage d'hiveretd'été ( lo=1et 0.5)ainsiquele as

où l'été ( lo=0.5) la vitesse de l'air est augmentée (

v = 0.5 m.s

−1

). Ces zones ont

étédéterminées ave lesvaleurssuivantes desparamètres :

1

Latempératuredel'air variable températuredebulbse dudiagramme

2

Latempératuremoyenneradiante variable égaleàlatempératuredel'air

3

Lavitesserelativedel'air onstante soit

0

soit

0.5 m.s

−1

4

Lapressionpartielledevapeurd'eau variable selonpositionsurlediagramme

5

L'a tivitémétabolique onstante met=1

6

Larésistan ethermiquedeshabits onstante lo=0.5été,1l'hiver

Sur e diagramme (Figure 1.3) nousavonsdisposélestempératureshoraires d'air intérieur issues d'une simulation annuelle réalisée sur un bâtiment en ossature bois

ne disposant pas de système de limatisation et dont les besoins de hauage sont

inférieurs à

30 kW.h.m

−2

_.an

−1

4

. La ouleur de ha un des points dépend de la

températureextérieuremoyenne journalière orrespondantàlasaison(bleu

→

hiver, vert

→

mi-saison etorange

→

l'été) :

 Bleu pour unetempérature moyenne journalière extérieure inférieureà

8

◦

_C

;

 Vertpourune température moyenne journalière extérieure omprise entre

8

◦

_C

et

18

◦

_C

;

3. Lors du al ul des zones, le ritère de pression partielle de vapeur maximum n'a été pris en ompte. Une fois appliquée, elle restreindra en ore la zone en éliminant elles pour lesquels l'humiditéesttropimportante.

4. Des riptiondubâtiment onsidéré:Ils'agitdubâtimentexpérimentalboisdelaplateforme INCASde l'INES.L'enveloppe aétéoptimisée an deréduire les besoins de hauage ainsique la pénétration des harges solaires par le dimensionnement de prote tion solaire xes. Pour la simulation,au unestratégie "a tive" derafraî hissement n'aétémise enoeuvre.Unedes ription plus omplètedubâtimentestproposéedansla Se tion4.2.2,Page130.

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

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0.03

Hu

m

id

ite

ab

so

lu

e

[k

g

eau

.k

g

air

-1

]

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

Temperature operative [

o

C]

pour mean(T

ext

)

jour

< 8

o

C

pour 8

o

C < pour mean(T

ext

)

jour

< 18

o

C

pour mean(T

ext

)

jour

> 18

o

C

PPD < 6%, clo=1, v=0 m.s

-1

PPD < 15%, clo=1, v=0 m.s

-1

PPD < 6%, clo=0.5, v=0 m.s

-1

PPD < 15%, clo=0.5, v=0 m.s

-1

PPD < 6%, clo=0.5, v=0.5 m.s

-1

PPD < 15%, clo=0.5, v=0.5 m.s

-1

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Figure 1.3  Cal ul des zones respe tant le ritère de onfort selon Fanger pour

unhabillement d'hiver et d'été ainsi que pour une vitesse del'air augmentée.

 Rouge pour une température moyenne journalière extérieuresupérieure à

18

◦

_C

;

Lasuperposition desdiérentes zonesaux températures horairesintérieures permet

d'évaluer la satisfa tion du onfort suivant la saison. On admet que l'été

l'habille-mentpeutêtreallégé(

1 → 0.5 clo

) etlavitessedel'airaugmentée(

0 → 0.5 m.s

−1

).

Pourunesaisondonnée,sil'ensembledespointsest omprisdanslazone,l'ambian e

estjugée onfortable. Le asé héant,lediagramme pourraêtreutiliséandemettre

enoeuvre desa tionsde orre tion.

Voi i lades ription des évolutions de température du bâtiment ainsique des zones

de onfort al ulées :



L'hiver,latempératureintérieureestpro hedela onsignede hauage,i i

19

◦

_C

.

La température peut toutefois s'élever de

3

◦

_C

au-dessus de la onsigne sous

l'eetdesapportssolairesetdes harges internes.La simulation n'intègre pasles

dégagementsinternesd'humiditéetonremarquequel'humiditérelativeest,après

le hauagedel'air, trèsfaible.Latempératureintérieurede onfort préditéepar

lemodèledeFangerestbiensupérieureaux

19

◦

_C

de onsignede hauage.La

borne inférieure orrespondante à la satisfa tion de

85 %

des personnes évolue entre

22

et

20

◦

_C

selon ledegréd'humidité onsidéré;



A mi-saison,l'évolution destempératuresest bienplus ontrastée ave une tem-pérature intérieureévoluant entrela onsignede hauage et

30

◦

_C

.Cette plage

est trop étendue pour s'intégrer dans une unique zone de onfort. La zone de

satisfa tionà

85 %

permetunevariationdestempératuresde

4.5

◦

_C

lorsque

l'ha-billement estde

1 clo

etlavitesse de

0 m.s

−1

lavêture ou bienlorsque l'onaugmentelavitessede l'air;



L'été est la période durant laquelle la température intérieure présente la plus fortevariation(de

21

à36

◦

C).Alorsquelesamplitudessontmaximaleslaplage

d'a eptabilité estréduite.

Bienquelargementadoptée,ledomained'appli ationde ettethéorieestrestreint 5

.

Audelàdel'intervalledePMV

[−2; +2]

ilfaututiliserd'autresindi esspé iquement mis au point pourles onditions extrêmes.

Lathéoriesebasantsurunéquilibrethermique,ellemontreseslimiteslorsque

l'envi-ronnementdanslaquelleelle estappliquéen'estpasmaitrisé.Le asd'étudeprésenté

en estunexemple ave une variation delatempérature intérieure deprès de

16

◦

_C

.

1.2.2 Appro he adaptative

L'appro he adaptative deHumphreysetNi olaspé iquementétémiseaupoint

pourdesbâtimentsdont lesvariablesthermiquesn'étaient,sinonl'hiver,pas

maitri-sées.Elleestfondéesurl'intera tionentrel'environnement intérieuretseso upants

etsupposequelorsque ela estpossiblel'o upantmettraen oeuvre desa tionsan

d'établir des onditions onfortables. Laprise en ompte de es mé anismes

d'adap-tation (ouverture et fermeture des fenêtres, modi ation de la vêture) montre que

l'a eptabilité des personnes soumises à des températures élevées est supérieure à

elle déduite de l'appro he statique de Fanger. Des expérimentations ont permis

de montrer une bonne orrélationentre les onditions extérieures et latempérature

admissible lorsque lebâtiment n'étaitpas limatisé, Figure 1.4[Hum78℄.

Figure 1.4  Température de onfort enfon tion de la température moyenne

men-suelle extérieure pour des bâtiments limatisés et naturellement ventilés (sour e :

[Hum78℄).

5. Domaine de validité des PMV et PPD : Plage de variation de température

[10 − 30

◦

_C]

, températureradiante

[10 − 40

◦

_C]

,vitessedel'air

< 1 m.s

−1

,pressionpartielledevapeur

< 2700p

a

, métabolisme omprisentre0.8à4met,niveaud'isolationdesvêtements omprisentre0et2 lo.

Voi i deux extraits des normes Françaises et Européennes qui font référen e aux

onditionsd'appli ation etaux onséquen esde l'appro he adaptative :

  Les ambian es onsidérées omme a eptables peuvent être élargies, dans les

zones haudes et/ou pendant les périodes haudes de l'année, dans les espa es

ventilés naturellement par les o upants., extrait de l'annexe 10 de la

NF-EN-ISO 6

-7730;

 Les ritères d'ambian e thermique spé iés pour les bâtiments non limatisés

peuvent être ...diérents en saison haude de eux spé iés pour les bâtiments

limatisés en raison d'une diéren e dans les attentes des o upants du bâtiment

et dans leur adaptationà la haleur.,extrait de lanormeNF-EN-15251.

Danslanorme européennelatempérature supérieurede onfort estivaleest al ulée

en fon tion de la atégorie de l'ouvrage ( lassi ation identique à elle

pré édem-ment mentionnée) et d'une température moyenne extérieure glissante. Dans le as

d'unouvrage de atégorie II les limites haute etbasse sont al ulées de la manière

suivante:

θ

i

max

= 0.33 × θ

rm

+ 18.8 + 3

θ

i

min

= 0.33 × θ

rm

+ 18.8 − 3

si

θ

rm

> 10

◦

_C

limite inférieure onfort xée

si

θ

rm

< 15

◦

_C

limite supérieure onfort xée

(1.3)

Ave

θ

rm

, température extérieure moyenne journalière glissante. Son al ul est le suivant :

θ

rm

= (1 − α) θ

ed−1

+ αθ

ed−2

+ α

2

θ

ed−3

+ . . .

(1.4) danslaquelle

θ

ed−i

estlatempérature moyenne journalièredu

i

ime

jour pré édent et

α

estune onstante dont lavaleur onseillée est

0.8

. Cetteéquation indiqueque les expérien esthermiques les plusré entessont les plusinuentes.

La Figure 1.5présentelatempérature opérative intérieure al uléeen fon tion de latempérature moyenne extérieure glissante ( Eq 1.4) pour l'exemple du bâtiment bois pré édemment dé rit(Se tion 1.2.1,Page6).

Lesheuresdurantlesquellesles atégoriessontrespe téessont olorées:  enVertpourla atégorieI,

 enVert+Jaunepourla atégorieII,

 enVert+Jaune+Orangepourla atégorieIII,  enRougelorsqueau unesnesontrespe tées.

La Figure 1.6 présente les mêmes résultats que pré édemment mais les dispose sur le diagrammepsy hométrique.Les olorationsutiliséesontlesmêmessigni ations.

Lanorme Améri aine(ASHRAE Standard 55) sedistingue de lanorme internationale de part la méthode de al ul de la température extérieure de référen e. Au lieu d'être une température glissante, 'est la température extérieure moyenne mensuelle qui est utilisée (

T

om

).Voi il'équationpermettantle al uldelatempérature" entrale"de onfort.

18

20

22

24

26

28

30

32

34

T

empe

rature

ope

rati

v

e

[

o

C]

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Temperature glissante exterieure [

o

C]

Temperature de confort superieure : Categorie III

Temperature de confort inferieure : Categorie III

hors confort adaptatif (hiver)

batiment non-climatise : EN15261 respectee : cat I

batiment non-climatise : EN15261 respectee : cat II cat I

batiment non-climatise : EN15261 respectee : cat III (cat II

cat I)

batiment non-climatise : EN15261 non-respectee

Figure1.5Plagedetempératurede onfortenfon tiondelatempératureextérieure

glissante ( al ul selonla norme NF-EN-15251).

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Hu

m

id

ite

ab

so

lu

e

[k

g

ea

u

.k

g

air

-1

]

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

Temperature operative [

o

C]

hors confort adaptatif (hiver)

batiment non-climatise : EN15261 respectee : cat I

batiment non-climatise : EN15261 respectee : cat II cat I

batiment non-climatise : EN15261 respectee : cat III (cat II

cat I)

batiment non-climatise : EN15261 non-respectee

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Figure1.6Zone de onfort al ulées selon lestandardadaptatif dela norme

NF-EN-15251 sur lediagramme psy hométrique.

T

conf

= 0.31T

om

+ 17.8

(1.5)

Ces normes se distinguent également par la atégorie de bâtiments pour lesquelles elles s'appliquent.LanormeENestdestinéeauxbâtimentsdontl'évolutionestlibre(horssaison de hauage)alorsquelanormeASHRAEestdédiéeauxbâtimentsnaturellementventilés.

1.2.3 Diagrammes de onfort

Pourévaluerle onfortdansunbâtimentuneautreméthodeexiste.Elle onsisteàsuperposer dans un diagramme psy hométrique, des zones de onfort aux températures intérieures. Cetteméthodeestplussimpleàmettreenoeuvrepuisqu'ellenené essitepasdetraitement de donnée parti ulier, ni d'hypothèses relatives à l'habillement ou au métabolisme. Ces paramètressontprisen omptelorsdeladéterminationdesfrontièresdélimitant eszones. Onprésente les zonesde l'ASHRAE, lediagrammebio- limatiqued'Olgyay ainsi queles diagrammesdeGivoni.

DiagrammeASHRAE

Lazone de onfort proposée parl'ASHRAE dénit les intervalles de variationa eptables detempératureetd'humiditéquidoiventêtregarantisdanslesbâtimentstertiaireslorsque leso upantssont sédentaires.Une zonede onfortestivale ethivernale est déniean de prendreen ompte lamodi ationde vêture des o upantsainsi que dela vitessede l'air (vitesse de l'air onsidéréepour le al ul des zones de onfort de l'ASHRAE :

0.15m.s

−1

enhiveret

0.25m.s

−1

enpériodeestivale) e iande réaliserdesé onomiesd'énergie. On notequelatempératurelimitesupérieureestivalepeutêtredé aléesilavitessedel'airest augmentée. De

27

◦

_C

il est possibled'augmenter le seuil d'a eptabilité à

29, 7

◦

_C

si l'on onsidèreune vitessede

1.5 m.s

−1

.

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

0.0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Hu

m

id

ite

ab

so

lu

e

[k

g

eau

.k

g

air

-1

]

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

Temperature operative [

o

C]

pour mean(T

ext

)

jour

< 8

o

C

pour 8

o

C < pour mean(T

ext

)

jour

< 18

o

C

pour mean(T

ext

)

jour

> 18

o

C

Zone de confort Ete et hiver selon l’ASHRAE

si V=1.5m.s

-1

Figure 1.7 Zones de onfort d'été et d'hiver établies par l'ASHRAE.

Delamêmemanièrequ'ave Fanger,onremarqueque:



Latempératureinférieurede onfortestdel'ordrede

20

◦

_C

.Lamajoritédestempératures intérieuresn'estpas in lusedans lazone"hivernale"de onfort lorsquela température de onsigneestxéeà

19

◦

_C

;



L'intervalleau-seinduquellatempératurepeutu tuerestpro hede eluiissudeF an-gerpour

85 %

desatisfa tion.Lesbâtimentsdontlatempératureestivaleestdite en évolutionlibrenepourrontrépondreà ettedénitiondu onfort.

Diagramme bio- limatique d'Olgyay

Olgyaydans[Olg63℄futlepremieràproposerundiagrammebio- limatique bio- limatique hart en1963.Ilindiqueleszones onfortablesainsiquelesstratégiesàmettreenoeuvre lorsqueles ouplestempératuresè heethumiditérelativesesituentendehorsde ettezone. Lesstratégiesqu'ilproposean derétablir des onditionsde onfortsont:

 lorsqueles ouplessesituentendessousdelazonede onfortles onditionspeuventêtre équilibréesparunapportderayonnementGLOand'augmenterlatempératureradiante moyenne;

 lorsquequ'ilssontaudessus,uneaugmentationdelavitessedel'airouunrafrai hissement adiabatiquedel'airpermetd'abaisser latempératureressentie.

Sur e diagrammelesévolutionsmoyennesmensuellessontsuperposées.Ilpermet de diag-nostiquerlesa tionsàmettreenoeuvre surlabasedel'analysedes onditionsextérieures.

zonede onfort

augmentationdelavitessed'air

rayonnementGLO rafraî hissementadiabatique

21

o

_C

27.8

o

_C

humiditérelative T sé he

17 %

77 %

Figure1.8Diagrammebio- limatiqued'Olgyay(illustrationextraitede[Olg63℄).

Diagramme de Givoni

Givonidans[Giv98℄émetquelquesremarquessurl'appli abilitédudiagrammeded'Olgyay. Fondésuruneanalysedes onditionsextérieures, 'estuneméthodedestinéeauxbâtiments dontl'évolutiondetempératureintérieureestfortement orréléeàlatempératureextérieure. Unbonexempleest eluidesbâtimentsen limat haudethumidequisontgénéralementtrès ouvert sur l'extérieur et de stru turelégère. L'améliorationdu onfortdans es bâtiments fait appel àla rédu tionde lapénétrationdes harges solairesasso iées au brassaged'air ou àla ventilation naturelle diurne. Dans des limats hauds, en revan he, les diéren es entrelesévolutionsinternesetextérieuressontimportanteslorsquelebâtimentprésenteune forte inertie. Lesindi ations fournies surla base destempératuresextérieuresne sont par onséquentpaspertinentes.

Suiteà esremarques,ildéveloppeen1976undiagrammebio- limatiqueutilisantles tem-pératures intérieures du bâtiment plutt que les températures extérieures. L'obje tif sera également d'orienter les on epteurs dans le hoix de stratégie à mettre en oeuvre an d'améliorer le onfort d'été. Du point de vu de la représentation, il dière d'Olgyay en étantparsa onstru tionsurlediagrammepsy hométrique.Desfrontièresélargiessont pro-poséespourles limats hauds danslesquelles les personnes a limatées ont unemeilleure toléran e. Ilproposedes alternativesauxsystèmesde limatisation auxquellesest asso iée