Thermique du bâtiment

La thermique du bâtiment, parfois aussi appelée physique du bâtiment par synecdoque, est une discipline de la thermique qui étudient les échanges thermiques survenant entre un bâtiment et son environnement ainsi que les apports de chaleur (ou de froid) pour maintenir le bâtiment à une température confortable pour l'occupation humaine.

La thermique du bâtiment aborde principalement les notions de transmission thermique, d'isolation thermique, de chauffage, d'eau chaude sanitaire, de renouvellement d'air, de ventilation, et d'humidité. La thermique du bâtiment permet de garantir le confort thermique des occupants et la santé du bâtiment en lui-même, tout en maitrisant les couts et l'énergie nécessaires au chauffage, au refroidissement, et à l'entretien. La thermique du bâtiment traite également la question de la production d'énergie renouvelable par le bâtiment, notamment par des installations solaires photovoltaïques ou thermiques. C'est donc un outil pour orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire donné.

Échanges de chaleur de l'homme avec son environnement

La température corporelle humaine normale se situe entre 36,1 °C et 37,8 °C. Le corps réalise sans arrêts des échanges thermiques par rayonnement, convection, conduction et évapotranspiration avec l'environnement dans lequel il se trouve. On peut de même qualifier l'homme d'émetteur puisqu'il émet de la chaleur en quantité qu'on est amenée à considérer quand on dimensionne une pièce occupée par un nombre important de personnes telle une salle de classe.

La thermique du bâtiment considère l'homme comme un instrument de mesure subjectif : le confort thermique repose sur la notion complexe de sensation de chaud à laquelle nous associons la notion de température. Dans un environnement idéal, le corps ne doit jamais éprouver de sentiment incommodant de froid ou de chaud excessif. Une ambiance dite confortable sera à l'intersection de plusieurs facteurs changeants, avec parmi ceux-ci : la température de l'air et la température radiante ; l'humidité relative de l'air ; le mouvement de l'air.

Bilan thermique

Quand une analyse thermique porte sur un bâtiment dans son entier, on parle alors généralement de bilan thermique du bâtiment. Le bilan thermique permet de déterminer les besoins de chaleur pour le chauffage.

L'analyse des échanges thermiques d'un bâtiment avec son environnement repose sur une série de facteurs qui sont d'ordre environnemental :

• l'emplacement géographique d'un bâtiment (longitude, latitude, altitude) et les données climatiques afférentes, notamment les degrés-jours ;
• l'implantation générale du bâtiment : relief accidenté, rase campagne, forêt, contexte urbain ou rural (voir aussi îlot de chaleur urbain) ;
• la nature du sol.

Elle repose également sur des aspects relatifs à l'usage et à la fonction du bâtiment :

• Deux bâtiments ne sont pas identiques par leur fonction. On ne chauffe, n'isole, ou ne ventile pas de la même manière un hôpital, une école, une habitation et un entrepôt. Certains établissements ont des plages d'utilisation journalières, des heures d'ouverture et de fermeture. La chaleur à délivrer, l'eau à chauffer, l'humidité à évacuer varient d'une affectation à l'autre. Dans le cas de bâtiment à usage collectif, la chaleur corporelle dégagée par les personnes présentes dans une même pièce n'est pas à négliger et varie suivant l'activité physique exercée, modérée ou intensive . Dans une usine, certains types d'activité menant à des dégagements toxiques obligent à renouveler l'air de manière intense, ce qui est source de déperdition thermique. Des profils d'utilisation types peuvent être dégagés pour chaque affectation.

• L'éclairage, l'usage de machines et ordinateurs, les équipements électroménagers produisent plus ou moins de chaleur, qu'il faut ajouter au bilan thermique.

Elle repose également sur des considérations liées à la nature des matériaux et composants employés dans la construction du bâtiment :

• Les parois extérieures, murs, planchers et toitures sont considérés comme des surfaces d'échange thermique que l'on doit considérer relativement à leur orientation, leurs dimensions physiques, les matériaux de construction employés considérés dans leur épaisseur, leurs propriétés thermiques, les surfaces extérieures considérées dans leur couleur, la texture de leur surface (rugosité), leur réflectivité (albédo). Lorsqu'il s'agit de surface vitrée, on doit tenir compte de la transmittance des vitres (facteur solaire). Pour chacune de ces parois, on doit envisager l'exposition au soleil, les protections éoliennes, les ombres portées sur le bâtiment par les éléments bâtis ou végétaux proches, etc., et, dans le cas des baies vitrées, les protections solaires éventuelles.
• Ces parois sont plus ou moins étanches ou perméables à l'air, ce qui peut être source de déperdition thermique.
• Les parois intérieures sont considérées dans leur masse et contribuent à ce qu'on appelle l'inertie thermique et le déphasage thermique, la capacité à accumuler et d'autre part à restituer à court ou moyen terme la chaleur accumulée.

Enveloppe thermique

L'enveloppe thermique d'un bâtiment est l'ensemble des parois (murs, planchers, et plafonds), ainsi que les éléments qui les composent (fenêtres, portes), séparant les locaux conditionnés (chauffés ou refroidis) du bâtiment de l'extérieur ou des locaux froids. De manière plus générique, on parle aussi souvent d'élément d'enveloppe plutôt que de paroi. Dans beaucoup de cas, l'enveloppe ne comprend pas l'entier du volume du bâtiment, les combles et les sous-sols froids étant souvent situés en dehors de celle-ci.

Les échanges de chaleur, appelés aussi transferts thermiques, entre les milieux chaud et froid s'opèrent au travers de l'enveloppe. Une paroi peut être déperditive quand elle sépare un espace chauffé d'un espace froid, comme par exemple l'extérieur en hiver. Dans ce cas, le bâtiment perd de la chaleur à travers la paroi. À l'inverse, une paroi peut être une interface de gain de chaleur (par exemple une fenêtre exposée au soleil en été). Enfin, une paroi peut aussi être non déperditive quand elle sépare deux espaces à la même température, par exemple deux bâtiments mitoyens. Dans ce cas, cette partie de l'enveloppe thermique n'est pas une interface d'échanges de chaleur.

Surface de référence énergétique

La surface de référence énergétique est l'ensemble des surfaces brutes comprises à l'intérieur de l'enveloppe thermique est destinée à être conditionnée (chauffée ou refroidie). Elle est généralement abrégée SRE. La définition de la surface de référence énergétique peut varier d'un pays à l'autre. Elle comprend en générale toutes les surfaces utiles à la fonction du bâtiment, p. ex. les surfaces habitables dans un logement, et les surfaces secondaires comme couloirs ou les salles-de-bains.

Apport solaire et apport interne

On parle d'apport (solaire ou interne) pour évoquer les apports de chaleur dans le bâtiment qui ne sont pas dus aux systèmes de chauffage. On distingue d'un coté les apports dus à l'occupation des locaux et ceux induits par le rayonnement solaire.

Un apport solaire est un apport de chaleur dû rayonnement solaire. Les apports solaires ont lieu principalement à travers les vitrages du bâtiment. Le choix des propriétés des fenêtres (vitrage, cadre, joint intercalaire) et l'orientation des parois permet d'optimiser les apports solaires. Une fenêtre moderne avec de bonnes performances thermiques et correctement orientée contribue de manière positive au bilan thermique du bâtiment, la fenêtre apportant plus de chaleur qu'elle n'en perd pendant la période de chauffage. Dans les zones tempérées, ces apports constituent un gain important de chaleur en hiver, mais peuvent être une source de surchauffe lors des épisodes caniculaires.

Les apports internes ont deux origines principales : l'occupation humaine d'une part, les équipements d'autre part. La température d'un humain est d'environ 37 °C, la température d'un logement est d'environ 20 °C ; la présence d'une personne dans un logement induit donc un apport de chaleur. Cet apport représente entre 80 et 120 W, selon les personnes et leurs activités. Les équipements électriques présents dans un bâtiment génèrent de la chaleur ; certains de manière permanente comme le moteur de la ventilation (20 à 30 Watt pour une maison individuelle), borne internet (environ 10 Watt) ; d'autres de manière ponctuelle : four (1000 Watt), luminaires, etc.).

Dans les pays tempérés, les apports solaires et internes ne sont en général pas suffisants pour couvrir l'intégralité des besoins de chauffage, alors qu'ils le sont sous d'autres latitudes. Un système de chauffage actif est donc utilisé en complément. Les apports solaires et internes permettent néanmoins de réduire les besoins de chauffage du bâtiment.

Déperdition thermique

La chaleur se propage d'un milieu chaud vers le milieu froid par trois modes différents la conduction, le rayonnement et la convection. Cet échange de chaleur peut se faire par l'un des trois modes ou par plusieurs modes de manière simultanée.

Dans un bâtiment chauffé, la chaleur intérieure s'échappe selon deux types de déperditions :

• Déperditions par transmission : la chaleur atteint les parois, fenêtres, ou ponts thermiques par convection et rayonnement, passe au travers de ceux-ci par conduction, et s'échappe à nouveau par convection et rayonnement à l'extérieur.
• Déperditions dues au renouvèlement de l'air : l'air chaud s'échappe à travers les inétanchéités de l'enveloppe par convection, lors de l'aération par les fenêtres, ou par le système de ventilation. Le vent peut amplifier les infiltrations d'air par les inétanchéités du bâtiment.

Déterminer les déperditions thermiques d'un bâtiment revient à calculer et additionner toutes déperditions. Les fenêtres constituent le point le plus exposé aux déperditions par unité de surface, en raison de la combinaison de la conduction à travers le vitrage, de la convection au niveau du cadre, et des fuites d'air aux jonctions.

Les déperditions par transmission d'une paroi se calculent en déterminant le coefficient de transmission thermique $U$, ou inversement la résistance thermique $R_{T}$. Plus $U$ est faible, plus la paroi est isolante. Inversement, plus $R_{T}$ est grand, plus la paroi est isolante. En pratique, une paroi est constituée de plusieurs couches de matériaux d'épaisseurs et de conductivités thermiques $\lambda$ différentes. La résistance thermique totale d'une paroi est la somme des résistances thermiques de chacune de ses couches, la résistance superficielle intérieure et extérieure, et un éventuel facteur de correction lié à la mise en œuvre des matériaux.

Déperditions thermiques d'un bâtiment.

Dans une maison individuelle non isolée, les valeurs moyennes des sources de déperdition de chaleur ou déperdition thermique sont les suivantes :

• le toit 25 à 30 % ;
• les murs 20 à 25 % ;
• le renouvellement d’air 20 à 25 % ;
• les fenêtres et portes extérieures 10 à 15 % ;
• le plancher 7 à 10 % ;
• les ponts thermiques 5 à 10 %.

Dans une maison isolée selon la norme française RT 2005, la toiture et les murs ayant fait l'objet d'une isolation spécifique, et les vitrages étant systématiquement doublés, la part résiduelle des ponts thermiques devient beaucoup plus importante. Le bilan de déperdition thermique est alors typiquement le suivant:

• le toit 10 % ;
• les murs 20 % ;
• le renouvellement d’air 15 % ;
• les fenêtres et portes extérieures 15 % ;
• le plancher 20 % ;
• les ponts thermiques 20 %.

Pour les murs

Le mur transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Le vent accélère l'échange thermique à la surface extérieure du mur par convection. Le soleil chauffe le mur par rayonnement. Le mur chaud rayonne aussi la nuit vers le ciel.

Pour les fenêtres

La vitre transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Le vent refroidit la vitre par convection. Le soleil chauffe l'intérieur de la pièce à travers la surface transparente. L'intérieur de la pièce lui-même perd une partie de son énergie par rayonnement vers l'extérieur. Mais la vitre bloque une grande partie du rayonnement infrarouge émis (principe de l'effet de serre).

Pour la toiture

Le soleil réchauffe le toit par rayonnement. La chaleur du soleil est transmise à travers le toit au reste du bâtiment. Le vent refroidit le toit avec un vent frais.

Pour le plancher

La chaleur est échangée entre le bâtiment et le sol à travers l'épaisseur de la dalle par conduction. Les échanges convectifs n'interviennent que si la dalle est située sur un vide sanitaire ventilé. Il n'y a pas d'échange par rayonnement.

L'inertie thermique

L'inertie thermique est quantifiée par deux grandeurs physiques essentielles : la diffusivité thermique et l'effusivité thermique. Celles-ci sont fonction de :

• la conductivité thermique du matériau (λ) ;
• la capacité thermique massique du matériau (c) ;
• la masse volumique (ρ) ;
• et, éventuellement, la capacité thermique volumique, produit des deux derniers.

Appliquée à un matériau de construction, une paroi, un local ou un bâtiment, la capacité thermique représente la quantité de chaleur que ceux-ci emmagasinent lorsque leur température augmente d'un degré. Cette quantité est généralement liée à la masse volumique.

D'une manière générale : un matériau dense aura une meilleure inertie thermique, tandis qu'un matériau léger aura une inertie thermique moindre.

Dans une pièce revêtue intérieurement d'une couche d'isolant ou une cloison de doublage légère, l'inertie thermique est faible. Il suffit de peu de temps pour réchauffer l'air de la pièce, ce qui est un avantage. Par contre, en été, le moindre rayon de soleil fait monter la température brutalement et cette dernière baisse aussi vite qu'elle a monté lorsque le soleil disparaît. La sensation d'inconfort est nette.

L'utilisation de murs massifs intérieurs et une isolation extérieure permettent d'augmenter l'inertie thermique et de réduire les variations de température.

La capacité thermique volumique et la masse volumique sont indiquées dans les spécifications techniques des matériaux entrant dans la construction des bâtiments.

Besoin de chaleur

Le besoin de chaleur pour le chauffage d'un bâtiment est l'énergie utile nécessaire au chauffage d'un bâtiment. Il est défini par :

$Q_{h}=(Q_{T}+Q_{v})-\eta _{g}(Q_{i}+Q_{s})$

où :

• $Q_{T}$ sont les déperditions par transmission à travers les éléments de l'enveloppe thermique.
• $Q_{v}$ sont les déperditions par renouvèlement de l'air.
• $\eta _{g}$ est le taux d'utilisation des apports de chaleurs.
• $Q_{i}$ sont les apports de chaleur internes.
• $Q_{s}$ sont les apports de chaleur solaires.

Le besoin de chaleur ainsi que les déperditions et apports mentionnés ci-dessus sont de l'énergie par unité de surface de référence énergétique (kWh/m²/an). Dans certains cas, on distingue le besoin de chaleur avec renouvèlement d'air standard $Q_{h}$ et le besoin de chaleur avec renouvèlement d'air effectif $Q_{h,eff}$. Le renouvèlement d'air effectif est calculé en tenant compte des inétanchéités de l'enveloppe du bâtiment et du système de ventilation disponible.

Consommation d'énergie d'un bâtiment

La consommation énergétique d'un bâtiment est l'énergie finale nécessaires au fonctionnement d'un bâtiment. L'énergie finale pour le chauffage peut être estimée à partir du besoin de chaleur du bâtiment, en tenant compte de la performance du système de chauffage. La consommation effective d'énergie finale d'un bâtiment dépend des performances thermiques du bâtiment, soit le besoin de chaleur calculé pour des conditions de température intérieure et d'aération standards, des performances du système de chauffage, et aussi du comportement des utilisateurs, notamment des habitudes en matière de température de chauffage et d'aération. Une hausse de température de consigne du chauffage de 1 °C peut engendrer, selon les bâtiments, une augmentation de la consommation d'énergie de 6 % à 20 %.

L'indice de dépense de chaleur (IDC) est calculé sur la base de la consommation effective d'énergie finale pour le chauffage et pour l'eau chaude sanitaire du bâtiment, selon le décompte du fournisseur, divisée par la surface de référence énergétique. Cette définition est susceptible de varier selon les usages de chaque pays.

Outils de calcul

Évaluer les besoins annuels de chauffage ou de rafraîchissement d'un bâtiment requiert de disposer de très nombreuses données permettant de décrire précisément l'enveloppe du bâtiment, les conditions météorologiques et l'usage du bâtiment. À partir de ces éléments, il est possible d'appliquer les lois de la thermique propres aux différents types d'échanges thermiques (convection, conduction, rayonnement) pour en déduire les puissances instantanées mises en jeu à un instant donné. Pour obtenir un résultat pour une année, il existe des méthodes simplifiées annuelles ou mensuelles et des méthodes détaillées demandant beaucoup de calculs (pas de temps horaire ou de quelques minutes). Dans ce dernier cas on parle de simulation thermique dynamique du bâtiment.

Parmi les outils de calcul simplifié on peut citer :

• PHPP (Allemagne, spécifique aux bâtiments passifs)
• 3CL (France, méthode réglementaire)

Les outils de simulation thermique dynamique du bâtiment les plus répandus sont les suivants :

• TRNSYS (États-Unis d'Amérique, Allemagne, France)
• Design Builder + Energy Plus (États-Unis d'Amérique)
• Pleiades (France)
• ClimaWin (France)
• ESP-r (Écosse)
• DOE-2 (États-Unis d'Amérique)
• TAS (Royaume-Uni)
• CODYBA (France)
• IES (Virtual Environment - Écosse)
• WUFI (Allemagne)
• SISAL (Simulation de Systèmes Accessibles en Ligne - Belgique)
• Lesosai (Principalement Suisse, Luxembourg et présence croissante en France)

Certains logiciels intègrent également des indicateurs de construction durable, notamment des calculs d'émissions de gaz à effet de serre et d'énergie grise de la construction.

Exigences légales de performance thermique

Les exigences en matière de performance thermique des bâtiments varient selon les pays et États.

Normes européennes

La Directive sur la performance énergétique des bâtiments ou DPEB est une directive européenne de 2002, en vigueur depuis le 4 janvier 2006, traduite dans le droit national par les États membres de l'Union européenne. Elle tend à répondre (pour le secteur du bâtiment) aux engagements de l'Union dans le cadre du protocole de Kyoto. Elle implique pour les États membres d'adopter de nouvelles règles en matière d'isolation thermique et de ventilation.

La performance énergétique des bâtiments dans le cadre de la Directive pour la performance énergétique des bâtiments (PEB) est la quantité d'énergie effectivement consommée ou estimée pour répondre aux différents besoins liés à une utilisation standardisée du bâtiment.

Belgique

Niveau d'isolation thermique d'un bâtiment est déterminé par le niveau d'isolation globale k qui est le rapport relatif du coefficient de transmission thermique moyen d'un bâtiment et le coefficient de transmission de référence en tenant compte de la taille et de la forme du bâtiment.

Le niveau k est déterminé par la norme NBN B 62-301.

France

Ubât représente la déperdition thermique totale d'un bâtiment et additionne les déperditions thermiques de toutes les parois. La RT 2005 (Réglementation thermique 2005) impose à chaque bâtiment que sa déperdition thermique totale soit inférieure à une valeur maximale : Ubât_max.

Le Niveau E correspond à la quantité d'énergie d'un bâtiment par rapport à une consommation d'énergie de référence.

Suisse

Les exigences sont définies par le MoPEC.

Voir aussi

Bibliographie

 : document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• Mémento technique du bâtiment, CERTU, consulté le 16 juin 2008

Articles connexes

• Isolation thermique
• Transfert thermique
• Économie d'énergie
• Empreinte écologique
• Radiateur (échangeur de chaleur), réflecteur de radiateur

Liens externes

• http://garbure.org/~nenubat/transfert.html : Exemples de transferts thermiques dans le bâtiment
• Fiche de l'Ademe
• Animation sur l'isolation thermique et la rénovation énergétique
• Plan Bâtiment- Grenelle de l'environnement
• http://xtreme103.free.fr/jean.dupont : Explication de l'isolation par l'extérieur, notamment l'isolation des murs et des portes