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Digeste de la construction au Canada, 1966-08
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Températures extrêmes à la surface extérieure des bâtiments
Stephenson, D. G.
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 47F
Températures extrêmes à la surface
extérieure des bâtiments
Publié à l'origine en août 1966 D. G. Stephenson
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
On prend quelquefois pour acquit que la variation de la température à la surface extérieure d'un mur ou d'un toit ne dépassera jamais la température de l'air extérieur. C'est ignorer l'influence du rayonnement et c'est gravement sous-estimer les températures maximales que les matériaux de construction doivent supporter. On considère dans le présent Digeste l'effet sur la température des surfaces extérieures du rayonnement solaire, des irradiations du type "onde longue", de la couleur des surfaces, de la position et de la couleur des surfaces environnantes, de la température de l'air à l'intérieur et à l'extérieur des bâtiments et des propriétés thermiques des matériaux utilisés pour construire les murs extérieurs des bâtiments. La façon la plus directe de déterminer les températures qui se produisent effectivement dans les bâtiments consiste à les mesurer. Toutefois, cette méthode est peu pratique lorsqu'il s'agit de trouver les températures extrêmes que tout mur ou toute toiture peut éprouver: elle exigerait une longue suite d'observations sur des bâtiments où seraient combinés de façon très différente les éléments suivants: types des murs et des toitures, couleur des surfaces, orientation et emplacement. Par contre, les échanges calorifiques se produisant à la surface extérieure d'un mur ou d'un toit peuvent être facilement analysés et les facteurs qui influencent la température superficielle peuvent être étudiés séparément. Ces données rendent possible la prévision des températures que l'on obtiendra dans n'importe quelles conditions données. Rayonnement thermique
Tous les objets émettent, d'une façon continue, un rayonnement et absorbent une partie des rayonnements émis par d'autres corps. L'émission et l'absorption des rayonnements jouent un rôle très important dans les échanges énergétiques qui se produisent à la surface extérieure des bâtiments. Les longueurs d'onde du rayonnement thermique dépendent de la température de la surface d'émission: plus la température est élevée plus courte est la longueur d'onde pour laquelle se produit un maximum d'énergie. La température absolue des couches extérieures de l'atmosphère solaire est environ vingt fois plus grande que la température de la surface de la terre et des objets comme les bâtiments qui se trouvent sur la terre. L'énergie accompagnant
le rayonnement solaire se trouve par conséquent concentrée et dans des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que celle liée aux rayonnements émis par des corps dont la température est plus basse. Le rayonnement solaire est donc généralement défini comme un rayonnement du type "onde courte" alors que celui des objets terrestres est du type "onde longue".
Le taux d'émission énergétique d'une surface unitaire d'une paroi dépend de la quatrième puissance de la température absolue de la paroi et de la nature de la surface, laquelle est définie par la valeur de l'émissivité e. La valeur de l'émissivité indique aussi la tendance qu'a la paroi d'absorber le rayonnement de longueur d'onde identique à celle qu'elle émet. L'absorptivité d'une surface pour un rayonnement du type "onde courte" a n'est pas, en général, égale à son absorptivité pour le rayonnement du type "onde longue". La variation de l'absorptivité en fonction de la longueur d'onde peut quelquefois être exploitée dans le but de réduire les maxima de température qui se produisent à la surface des corps exposés au soleil. Ce point est étudié plus loin dans le paragraphe relatif aux effets dus à la couleur.
Équilibre thermique d'une surface
À tout instant la chaleur totale émanant d'une surface doit être égale à la chaleur totale qui s'en approche. La figure 1 montre les diverses composantes accompagnant le flux calorifique dirigé vers une surface opaque ou s'éloignant de celle-ci. Dans le cas de la surface d'un bâtiment exposé au rayonnement solaire, les diverses flux calorifiques se produiront suivant les directions indiquées sur la figure. La température de la surface est toujours celle où les gains et pertes de chaleur sont en équilibre. Si le rayonnement solaire incident augmente, la température de la surface s'élève, d'où un accroissement de la conduction, de la convection et du rayonnement "onde longue", juste suffisant pour compenser l'augmentation du taux d'absorption.
Figure 1. Composantes de l'équilibre thermique sur une surface opaque.
Le calcul de la température de la surface et du flux calorifique peut être grandement simplifié au moyen de la notion "température Sol-Air" (T S A). La T S A est la température fictive de l'air extérieur qui produirait sur la surface, uniquement par convection, les mêmes échanges de chaleur qui ont lieu en réalité par l'effet combiné de la convection et des rayonnements à grandes et à Courtes longueurs d'onde. Donc
q = h (T S A - ts) ;
en combinant cette définition de la T S A avec l'équilibre énergétique de la surface on obtient S. A. T. = tA +
aS
+ eL -E Ts
4
h h h
La température de la surface extérieure d'un mur ou d'un toit de capacité thermique négligeable peut être déterminée par la méthode graphique décrite dans le Digeste No 36Fen
se servant de la T S A comme température extérieure et de Il comme conductibilité thermique de la surface extérieure. La figure 2 fournit les ordres de grandeur des diverses composantes de la T S A et montre comment la conductibilité thermique du toit et la température intérieure influencent la température de la surface extérieure. Les valeurs adoptées pour cet exemple conviennent pour un toit plat de couleur sombre dans une région définie par les parallèles de
latitude 40° et 50°N à l'instant où la température de la surface passe par un maximum. La température de 190°F indiquée sur le graphique représente la plus haute température qu'un toit sombre bien dégagé vers le ciel est susceptible d'atteindre dans n'importe quelle région du Canada.
Figure 2. Température en été pour un toit de couleur sombre bien dégagé vers le ciel. L'irradiation à onde courte S peut inclure le rayonnement incident provenant de surfaces environnantes et dépendant de la couleur de celles-ci, de leur proximité, de l'irradiation à laquelle elles sont elles-mêmes soumises et du rayonnement provenant directement du soleil et du ciel. La valeur du rayonnement du type "onde longue", L, est de la même manière fonction des surfaces environnantes que l'on peut apercevoir de la surface en cause. Par exemple, le toit d'un bâtiment peu élevé placé immédiatement au sud d'un autre bâtiment beaucoup plus haut recevra une quantité considérable de lumière solaire réfléchie, plus une fraction du rayonnement à onde longue émis par le mur du bâtiment le plus élevé. La température maximale d'un toit horizontal sombre situé très près du mur sud d'un très grand bâtiment peut atteindre 230°F.
L'insolation annuelle maximale est à peu près la même pour tous les murs faisant face vers sud sous un angle inférieur à 90° quelle que soit la latitude. L'heure et la date du maximum dépendent, cependant, de l'orientation du mur et de la latitude. Les murs faisant face à l'est et l'ouest reçoivent leur plus grande irradiation au milieu de l'été, environ quatre heures avant et après midi respectivement, alors que ceux faisant face au sud reçoivent leur irradiation maximale à midi vers la mi-novembre. Les murs faisant face à l'est et à l'ouest auront une température de surface plus élevée, les autres conditions étant semblables, que les murs faisant face au sud parce que leur irradiation maximale coïncide avec un maximum de la température de l'air ambiant.
Les murs reçoivent toujours un peu de rayonnement du type "onde courte" des objets qui les environnent. Ils reçoivent également une plus grande irradiation à grande onde que les toits plats parce qu'au moins la moitié de leur champ de vision est situé au-dessous de l'horizon là où l'intensité de l'irradiation à onde longue est toujours plus grande que celle du ciel. Ainsi le rayonnement total effleurant une surface verticale est à peu près le même que celui indiqué dans la figure 2 pour le cas d'un toit plat. Une température superficielle de 190°F est par conséquent la température maximale qu'un mur de couleur sombre est à même d'atteindre. Effet dû à la capacité d'emmagasinage de la chaleur
Il est couramment admis que la surface d'un mur de maçonnerie épaisse ne devienne pas aussi chaud durant une claire journée d'été que le revêtement extérieur d'un mur-rideau de faible épaisseur si les deux types de mur sont soumis à la même exposition. La différence réside dans la capacité qu'ont les murs d'emmagasiner la chaleur.
Quand le rayonnement effleurant un mur ou un toit change brusquement comme c'est le cas lorsqu'un nuage passe devant le soleil puis s'en éloigne, la T S A s'accroît brusquement, mais la température de la surface exposée n'atteint une nouvelle valeur d'équilibre qu'au bout d'un certain temps. Le temps requis dépend de la conductibilité thermique de la surface et de la capacité du mur ou du toit à emmagasiner la chaleur. Les murs légers atteignent un équilibre thermique en moins d'une heure; les murs très épais exigent plus d'une journée. Les températures représentées par la ligne droite de la figure 2 sont des valeurs d'équilibre. Même lors d'une journée sans nuage la T S A n'est jamais constante parce que le rayonnement solaire change continuellement du lever au coucher du soleil. Aux alentours de midi quand le rayonnement solaire affectant une surface horizontale atteint un maximum, la T S A varie très peu durant une période d'une heure de sorte que la surface d'un toit léger pourrait atteindre la température maximale de 190°F représentée sur la figure 2. La température maximale de la surface d'une dalle épaisse de résistance thermique totale identique serait un peu plus basse. Le calcul exact de la température de surface, compte tenu de la capacité d'emmagasinage de la chaleur, est très à difficile et une étude détaillée sort du cadre du présent Digeste. Cependant, il est tout à fait juste de dire que les températures en divers points des murs extérieurs d'un bâtiment ne dépasseront jamais les valeurs d'équilibre qu'on obtiendrait avec une T S A maximum. La ligne droite de la figure 2 représente donc les limites supérieures des températures en tous points du toit.
Effet dû à la couleur de la surface
La fraction d'irradiation solaire absorbée par une surface dépend en premier lieu de la couleur de cette dernière. Une surface blanche absorbe environ 40% du rayonnement, alors que les surfaces de couleur vert sombre, marron et noir en absorbe environ 90%. La figure 2 montre jusqu'à quel point la T S A dépend de la quantité du rayonnement "onde courte" absorbée. Si la surface du toit considéré à la figure 2 était blanche au lieu d'être noire (c'est-à-dire a = 0.4 au lieu de 0.9) la température superficielle serait de 130°F au lieu de 190°F. La différence entre les températures maximales des surfaces verticales noires et blanches est d'environ 50°F alors qu'elle est de 60°F dans le cas des surfaces horizontales.
Le fait que ces valeurs calculées sont tout à fait appropriées a été corroboré par des mesures effectuées sur un bâtiment à Ottawa. Les parties opaques du mur étaient des panneaux légers, noir d'un côté et blanc de l'autre. Ils furent installés tout d'abord le côté noir à l'extérieur, puis
dans le but d'effectuer une expérience deux panneaux situés au milieu du mur sud-ouest furent inversés ce qui amena leur côté blanc vers l'extérieur. Durant un été la température maximale observée à la surface extérieure noire était de 175°F, alors que celle du panneau adjacent blanc était de 130°F.
Les surfaces métalliques non peintes qui ne sont pas fortement oxydées réfléchissent à peu près la même partie du rayonnement incident à onde courte qu'une surface peinte en blanc mais leur émissivité n'atteint qu'un quart de la valeur de l'émissivité d'une surface peinte. Par conséquent, le rayonnement émis par une surface métallique non peinte est très inférieur à celui d'une surface peinte et sa température superficielle est donc plus élevée que celle d'une surface peinte en blanc exposée dans des conditions analogues. C'est précisément pour cette raison que la plupart des compagnies aériennes peignent en blanc la moitié supérieure du fuselage de leurs avions laissant la moitié inférieure non peinte. Un avion arrêté au sol et exposé au soleil est ainsi nettement plus frais que s'il était complètement peint ou complètement non peint.
Extrêmes des basses températures
Dans l'exposé ci-dessus on a seulement considéré le maximum annuel de la T S A et la résultante maximale de la température superficielle. Les constructeurs de bâtiments doivent également connaître la température minimale qui peut se produire afin qu'ils puissent prévoir les effets dûs à l'expansion thermique ainsi que la condensation susceptible de se produire dans les murs ou dans le toit. La température superficielle minimale se produit quand il n'y a pas de rayonnement solaire, quand l'air ambiant a une température minimale, quand il n'y a pas de vent et quand le ciel est dégagé. Dans ces conditions la T S A est très inférieure à la température de l'air ambiant et la surface d'un toit isolé peut être plus froide d'environ dix degrés que celle de l'air ambiant. Dans ce cas l'énergie quittant la surface sous forme d'un rayonnement "grande onde" est égale à la somme de la chaleur introduite par conduction dans le matériau de soutien, de celle amenée par convection de l'air extérieur à la surface et de celle de la fraction du rayonnement "onde longue" provenant du ciel et absorbée par la surface. La gelée qui se forme sur le pare-brise d'une voiture laissée dehors par une nuit claire et sans vent constitue un bon exemple pour démontrer que les surfaces exposées à un ciel clair atteignent en fait une température bien inférieure à celle de l'air. Comme les murs reçoivent une plus grande irradiation du type "onde longue" que les toits plats, leurs températures minimales superficielles et extérieures n'est que légèrement inférieure à celle de la température minimale de l'air. La couleur de la surface extérieure n'a aucun effet appréciable sur la température superficielle minimale parce que toutes les peintures ont a peu près la même émissivité. Les surfaces peintes auront toujours, cependant, une température plus faible que les surfaces métalliques non peintes exposées dans les mêmes conditions.
Conclusion
La température maximale de la surface extérieure de n'importe quel bâtiment dépend essentiellement de sa couleur et de son orientation. La couleur et la proximité de surfaces avoisinantes ont également un effet sensible sur la température de la surface considérée. L'analyse a montré que les surfaces des toitures sombres peuvent atteindre des températures de l'ordre de 230°F en été et, en hiver, des températures inférieures de quelques degrés à celle du minimum de la température de l'air. Il est donc important de s'assurer avant de la construire que toute toiture comportant une surface sombre peut donner satisfaction à des températures variant entre -50° et 230°F. Si une surface légèrement colorée est prévue pour réduire le maximum des températures il est important de s'assurer que la surface gardera une faible absorptivité "onde courte" durant toute sa durée d'emploi.
La température maximale superficielle d'un mur varie entre 140 et 190°F selon la couleur et la proximité des surfaces réfléchissantes. Si des dispositifs sont employés à l'extérieur pour faire de l'ombre ils doivent avoir une surface sombre qui absorbera le rayonnement incident plutôt que d'avoir une surface qui le réfléchirait sur un mur ou une fenêtre adjacents. Néanmoins il est important de ne pas rendre plus sombre la couleur d'une surface extérieure jusqu'à ce qu'il
soit établi que la nouvelle ombre ainsi créée ne causera pas une majoration excessive de la température prévue pour les matériaux du mur.
