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Température du sol
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Etude ConfortThermique ConfortThermique.ppt
- 1.
- 2.
- 3. 3 Confort thermique Confort liéà une répartition de température et de flux de chaleur agréables.
- 4. 4 Chaleur Forme d'énergie correspondant à l'agitationaléatoire des molécules de la matière
- 5. 5 Température = agitation Bassetempérature Haute température
- 6. 6 La chaleur coulenaturellement du chaud vers le froid.
- 7. 7 Modes de transfertde chaleur Convection: transport de matière entre zones chaude et froide Conduction: transfert de l'agitation par chocs intermoléculaires Rayonnement:émission-absorption de rayonnement électromagnétique Evapo-condensation: évaporation et condensation d'un fluide
- 8. 8 Thermique du corpshumain Métabolisme = Puissance totale produite par le corps Oxydation des aliments Energie + Eau + CO2 Fonctions vitales Activité musculaire + 1 met = 58 W/m2 corps Dégagement de chaleur L’être humain est homéotherme: il cherche à maintenir constante sa température interne quelles que soient les conditions environnementales
- 9.
- 10. 10 L’homme dispose dedeux capteurs pour réguler sa température interne : Eléments de physiologie : Mécanismes régulateurs Hypothalamus déclenche les fonctions de rafraîchissement du corps lorsque la température interne dépasse 37°C Les capteurs sensoriels de la peau déclenchent les fonctions de protection contre le froid lorsque la température superficielle descend en dessous de 34°C
- 11. 11 Sudation Prélèvement de 2450J/geau Passagedu métabolisme à la valeur basale Syncope Vasodilatation + fluidification du sang Augmentation du flux sanguin vers la surface du corps Augmentation de la température de surface du corps Augmentation des échanges convectifs et radiatifs Mécanismes régulateurs Quant il fait trop chaud:
- 12. 12 Vasoconstriction + épaississement dusang Diminution du flux sanguin vers la surface du corps Abaissement de la température de surface du corps Diminution des échanges convectifs et radiatifs Frisson Augmentation du métabolisme par le déclenchement réflexe d’une activité musculaire complémentaire Surconsommation des réserves alimentaires Modification du métabolisme Mécanismes régulateurs Quant il fait trop froid:
- 13. 13 Eléments de physiologie Modesde transfert de chaleur du corps Conduction: au contact de la peau, à travers les habits, avec des matériaux. Convection: de la peau à l'air ambiant (ou l'eau), en mouvement ou non Rayonnement: entre notre peau (ou habits) et les surfaces environnantes Evapo-transpiration: poumons et glandes sudoripares de la peau.
- 14. 14 Critères de confortthermique Métabolisme Activité Habillement Santé Propres au bâtiment Propres à l'individu Environnement thermique Vitesse de l'air et turbulence Humidité de l'air
- 15. 15 Confort thermique: facteurs Facteursprincipaux Activité Habillement Température opérative Facteurs secondaires Vitesse de l'air Humidité relative
- 16. 16 Le confort thermique Définitions Absenced’inconforts (FANGER) Sensation de bien être physique et mental (European passive solar handbook) Conditions pour lesquelles les mécanismes d’autorégulation du corps sont à un niveau minimum d’activité (GIVONI)
- 17. 17 Le confort thermique cadreréglementaire D’après la norme EN ISO 7730, il y a situation de confort si deux conditions sont satisfaites : Le bilan thermique de l’individu est équilibré sans que ne soit trop sollicités ses mécanismes autorégulateurs 1 Il n’existe pas d’inconforts locaux dus : - à la sensation de courant d’air - à l’asymétrie du rayonnement - au gradient vertical de température - à la température du sol 2
- 18. 18 Mesure du confort:Predicted Mean Vote -3 très froid -2 froid -1 frais 0 confortable 1 tiède 2 chaud 3 très chaud insatisfait parce que trop chaud insatisfait parce que trop froid satisfait
- 19. 19 PMV et PPD 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% -3-2 -1 0 1 2 3 PMV PPD Satisfaction
- 20. 20 Recommandation de lanorme EN ISO 7730 : -0,5 < PMV < +0,5 PPD < 10 % Le confort thermique 1ère condition : Equilibre du bilan thermique
- 21. 21 Conduction (cond) Respiration (resp) = Echangessensibles et latents Convection avec l’air (conv) Transpiratio n (évap) Rayonnement avec les parois (ray) Bilan thermique du corps
- 22. 22 Evaluation à partirde la méthode PMV-PPD de FANGER Charge thermique de l’individu : resp évap conv ray M L ) ( Chaleur produite par le corps Chaleur dissipée par le corps Le confort thermique 1ère condition : Equilibre du bilan thermique
- 23. 23 GRADIENT VERT. DETEMP. SENSATION DE COURANT D’AIR ASYMETRIE DE RAYONNEMENT LA TEMPERATURE DU SOL Le confort thermique 2ième condition : Absence d’inconforts locaux
- 24. 24 Les inconforts locaux Asymétriedu rayonnement
- 25. 25 Parois froides Parois chaudes Vitrage Murextérieur mal isolé Plafond et/ou plancher rafraîchissant Vitrage ensoleillé Plafond et/ou plancher chauffant Emetteur de chaleur rayonnant (luminaires, chauffage, etc…) Les inconforts locaux Asymétrie du rayonnement
- 26. 26 Stratification thermique Plancher chauffantou rafraîchissant Proximité bouche de soufflage d’air chaud ou froid Les inconforts locaux Gradient vertical de température
- 27. 27 Température du sol 0 10 20 30 40 50 60 1020 30 40 Température du sol [K] Pourcentage d'insatisfaits .
- 28. 28 Influence du rayonnementsolaire 0 2 4 6 8 10 12 0 100 200 300 400 500 600 Rayonnement solaire [W/m²] Augmentation de température opérative 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Habits noirs Habits blancs
- 29. 29 Conséquences pour lebâti Prédire le confort qui règnera dans un bâtiment Concevoir des bâtiments offrant d'eux même un bon confort (bioclimatisme) Dimensionner et positionner les systèmes de refroidissement en fonction du confort à obtenir Influence de la ventilation naturelle dans les bâtiments
Notes de l'éditeur
- #2 Les conditions propres à l'individu, qui sont son métabolisme, son activité, son habillement et sa santé jouent un rôle primordial sur la perception que cette personne aura de son confort. Il convient donc de le reconnaître, même si l'architecte n'a aucune influence sur ces paramètres. D'autre part, les paramètres suivants, sur lesquels l'architecte peut avoir de l'influence, interviennent dans le confort:
- #3 Le confort thermique, comme son nom l'indique, est le confort lié à une répartition de température et de flux de chaleur agréables. On ne peut pas en discuter sans comprendre la nature de la chaleur et de la température.
- #4 La chaleur est la forme d'énergie liée à l'agitation (vibration) aléatoire des molécules constituant la matière. Cette agitation se mesure par la température, et la chaleur par l'augmentation de température obtenue dans un matériau donné.
- #5 La chaleur est la forme d'énergie liée à l'agitation (vibration) aléatoire des molécules constituant la matière. Cette agitation se mesure par la température, et la chaleur par l'augmentation de température obtenue dans un matériau donné. Au zéro absolu, l'agitation thermique est nulle, la plupart des matériaux sont sous forme solide, généralement cristalline. A moins basse température, l'agitation est telle que la structure cristalline bien ordonnée disparaît, les matériaux fondent ou s'évaporent, tout en gardant assez de liens entre atomes pour conserver la structure moléculaire (la composition chimique) malgré l'agitation. A plus haute température, les molécules se décomposent en atomes, puis, plus haut, les atomes eux-même se décomposent en ions et électrons: c'est l'état de plasma. Dans ce chapitre, nous resterons dans une gamme de température restreinte, relativement confortable, à savoir entre 10 et 40°C environ (280 à 310 K).
- #6 La chaleur passe ("coule") naturellement de zones chaudes aux zones froides, en utilisant essentiellement quatre modes de transport
- #7 La conduction est la transmission de proche en proche de l'agitation moléculaire par chocs entre molécules; La convection, transport de chaleur par transport (naturel ou forcé) de matière chaude vers une zone froide ou vice versa; Le rayonnement, ou transport de chaleur par émission et absorption de rayonnement électromagnétique par les surfaces des corps; L'évaporation-condensation: la chaleur cédée à un matériau pour l'évaporer est restituée à la surface sur laquelle la vapeur se condense.
- #8 L'activité métabolique consiste à transformer la nourriture consommée, d'une part en constituants du corps (protéines, tissus) et d'autre part en énergie. Cette transformation produit aussi de l'eau, du gaz carbonique et des déchets divers L'énergie ainsi produite nous permet d'une part de travailler, (au sens physique du terme, donc à nous mouvoir, à tirer et à pousser des objets) et d'autre part à maintenir la température interne de notre corps à 37°C, pour que les réactions bio-chimiques nécessaires puissent se faire dans de bonnes conditions. Le corps est homéotherme: il tend à maintenir une température constante. Pour cela, il faut impérativement éliminer la chaleur produite dans le corps. Cette élimination se fait au travers de la peau et par la respiration.
- #10 L’homme dispose de deux capteurs pour réguler sa température interne: 1. l'hypothalamus déclenche les fonctions de rafraîchissement du corps lorsque la température interne dépasse 37°C, 2. les capteurs sensoriels de la peau déclenchent les fonctions de protection contre le froid lorsque la température superficielle descend en dessous de 34°C
- #11 Si la température monte, les échanges par rayonnement, convection et conduction, qui dépendent directement de la différence de température entre la peau et l'ambiance, diminuent. L'évacuation de chaleur a lieu essentiellement par évapotranspiration, ce mode de transport étant le seul possible si la température ambiante dépasse la température de la peau, à savoir environ 36°C. Le corps réagit de la façon suivante lorsque la température ambiante ou le métabolisme augmente: 1. les vaisseaux sanguins se dilatent et le sang devient plus fluide 2. l'irrigation de la peau et des poumons augmente 3. la température de la peau augmente, ce qui augmente les déperditions thermiques du corps. 4. les glandes sudoripares éjectent de la sueur, qui requiert 2500 J/g pour s'évaporer. L'évaporation de 0,7 g/h permet d'évacuer 1 W, ou 100 W. L'évaporation de 1 litre d'eau par jour permet d'évacuer près de 30 W. 5. Si la température est trop haute, le corps se met en syncope ("coup de chaleur") et se limite au métabolisme basal pour assurer la survie.
- #12 Si la température baisse au-dessous de la valeur de confort, les échanges par rayonnement, convection et conduction augmentent avec la différence de température, et l'organisme diminue l'évapotranspiration pour maintenir, autant que possible, les déperditions au niveau de la production de chaleur métabolique. Au-dessous de 16°C toutefois, les déperditions sont trop grandes et le métabolisme augmente. Lorsque la température baisse, le corps réagit de la manière suivante: 1. les vaisseaux sanguins se contractent et le sang devient plus épais, 2. de ce fait, l'irrigation de la peau et des poumons diminue, 3. la peau refroidit, ce qui diminue les déperditions thermiques du corps, 4. le métabolisme augmente: nous nous hérissons, nous frissonnons, et nous consommons les réserves de carburant (par ex. graisse). 5. Si la température est vraiment trop basse, nous nous endormons et la température interne du corps baisse. La survie est possible dans certaines limites.
- #13 Les échange de chaleur par conduction se font au contact de la peau (le cas échéant au travers des habits) avec des objets. Si l'objet est froid ou absorbe facilement la chaleur (métal, pierre) nous aurons un sentiment de matériau froid. Si au contraire il est chaud ou isolant thermique, nous aurons une sensation de chaud. La chaleur est transportée par convection (et conduction) entre notre peau et l'air ambiant (ou l'eau lorsque nous sommes immergés). S'il y a du vent ou si nous bougeons par rapport à l'air, ces échanges augmentent. La sensation de froid (ou de chaud si l'air est trop chaud) est aggravée par le vent relatif. Le transport de chaleur par rayonnement a lieu entre notre peau et les surfaces environnantes. Si ces surfaces sont froides, elles nous rafraîchissent (plafonds froids). Elles nous réchauffent dans le cas contraire (soleil, surface du calorifère, radiateur) L'évapotranspiration nous permet d'évacuer de la chaleur même si l'air ou les surfaces environnantes sont plus chauds que notre peau. Il faut toutefois que l'air ne soit pas trop humide, car l'évaporation devient alors impossible. C'est ce qui rend le climat tropical pénible à supporter. Si le point de rosée dépasse la température de la peau, c'est la vapeur qui s'y condense, en chauffant la peau. C'est ce qui arrive notamment dans le sauna ou le bain turc.
- #14 Les conditions propres à l'individu, qui sont son métabolisme, son activité, son habillement et sa santé jouent un rôle primordial sur la perception que cette personne aura de son confort. Il convient donc de le reconnaître, même si l'architecte n'a aucune influence sur ces paramètres.
- #15 Le confort thermique ne dépend de loin pas que de la température de l'air. Il dépend d'abord de facteurs liés à l'individu, comme son activité (repos ou travail de force) et son habillement. L'environnement thermique intervient par une combinaison des températures de l'air et des surfaces environnantes: c'est la température opérative. A température d'air égale, la sensation de confort change beaucoup suivant que l'on se trouve près d'une surface froide ou chaude. La vitesse de l'air a un effet secondaire tant qu'elle reste faible. Avant d'être franchement refroidi par un courant d'air, l'occupant se plaint du courant lui même. Enfin, et ce tant que la température reste confortable et l'air propre, l'humidité relative de l'air n'a pratiquement aucun effet. Il faut qu'elle descende au-dessous de 30% pour qu'un dessèchement objectif intervienne, ou qu'elle monte au-dessus de 70 % pour être incommodante. L'impression de sécheresse ressentie provient plus souvent d'impuretés irritantes contenues dans l'air que d'un manque d'humidité.
- #16 Le confort peut être défini de diverses manières: L'absence de plaintes pour inconfort Une sensation de bien être général Les conditions pour lesquelles les mécanismes d’autorégulation du corps sont à un niveau minimum d’activité
- #18 Il est usuel de quantifier la sensation de confort en utilisant l'échelle normalisée selon EN ISO 7730. La moyenne des votes de nombreuses personnes mises dans le même environnement est le vote moyen. Si ce vote est calculé, on l'appelle vote moyen prévisible ou PMV.
- #19 Une autre méthode consiste à compter le pourcentage de personnes insatisfaites des conditions de confort. Ce pourcentage est directement lié au vote moyen d'une population donnée. On a ainsi deux paramètres permettant de mesurer le confort thermique: Le vote moyen prévisible, appelé PMV (Predicted Mean Vote), qui est l'appréciation moyenne d'une population dans un environnement donné, sur l'échelle de -3 à + 3. Le confort optimal correspond à un PMV nul. Le pourcentage prévisible d'insatisfaits, appelé PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) qui exprime la part des sujets insatisfaits dans une condition donnée. La Figure montre la relation entre le PPD et le PMV, qui peut être calculée par: PPD = 1 - 0.95 exp(-0.003353 PMV4 - 0.2179 PMV2 ) (1) A cause des différences physiologiques, il s'avère impossible de satisfaire tout le monde en réunissant des conditions "idéales". Par contre, il est possible de créer un environnement dans lequel le pourcentage de personnes satisfaites est maximum. Ainsi, avec un PMV nul, il reste 5 % d'insatisfaits. Ce nombre monte à 10 % pour un PMV = ± 0.5 et 20 % pour un PMV = ± 0.84.
- #21 Perceived comfort temperature results from the energy balance of the body, which includes heat loss by convection and conduction to the surrounding air, by evaporation, and by radiation to and from neighbouring surfaces. The healthy body always maintains an equilibrium between heat gains (metabolic heat and heat gains from external environment by convection, conduction, and radiation) and heat losses to the environment by convection, conduction, radiation and evaporation (or transpiration). This equilibrium is necessary to maintain the internal body temperature at a nearly constant 37°C. When too much heat is lost, the body perceives, through temperature sensors in the skin, a sensation of cold. When not enough heat is lost, the temperature of the skin rises and a sensation of warmth.
- #23 Facteurs d'inconfort supplémentaires L'équation de Fanger ne tient pas compte de certains facteurs d'inconfort supplémentaires tels que les gradients de température, les contacts avec les surfaces froides, l'effet désagréable de courants d'air ou les effets dynamiques.
- #26 Les figures suivantes sont basées sur des expériences portant sur un nombre relativement restreint d'individus (une centaine). Elles donnent une indication sur l'influence de divers paramètres sur la satisfaction des usagers [Fanger, 1983]. Pour les figures qui suivent, les paramètres de confort non mentionnés sont supposés "normaux", à savoir : vitesse de l'air nulle, gradients de température nuls, température radiante égale à la température de l'air et humidité relative "normale". De plus, les conditions thermiques étaient telles que le PMV soit nul. Par exemple, des surfaces chaudes sont compensées par des sur faces froides ou de l'air plus froid.. Le pourcentage d'insatisfaits donné par les figures s'ajoute donc au 5 % usuels pour un PMV nul. Ces diagrammes permettent de définir des conditions de confort acceptables, ou d'estimer le PMV ou le PPD dans une condition donnée, à un instant donné. Dans de nombreux pays ayant adopté la méthode de Fanger, on admet que l'habitation est satisfaisante si le PPD ne dépasse pas 20 % au total.
- #27 La température du sol est ressentie au travers des semelles des chaussures. Son effet est particulièrement important si l'on porte des chaussures légères.
- #28 L'influence du rayonnement solaire incident sur un occupant est importante. Il modifie sensiblement la température ressentie, comme on peut le voir sur la figure, qui représente l'augmentation de la température opérative due au rayonnement solaire incident et absorbé par les habits.