elemente neomogene dupa doua directii
TRANSCRIPT
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 1
Elemente neomogene după o singură Elemente neomogene după o singură direcţiedirecţie
Elemente alcătuite din straturi din materiale Elemente alcătuite din straturi din materiale diferite dispuse normal pe direcţia fluxului diferite dispuse normal pe direcţia fluxului
termictermic
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 2
Coeficient de transmisiCoeficient de transmisie e termitermicăcă
RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse
TRU
1 eiUq
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 3
Coeficient de transmisiCoeficient de transmisiee termi termicăcă
RT = Rsi+R1+R2+R3+R4+Rse dR
qRUq
Tei qRnnn 1
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 4
TTemperaturaemperatura su superficiperficiaallăă int inteeririoarăoară
i
si
e
eisisisii URqR
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 5
Gradul de izolareGradul de izolare
FactFactoor de tempr de tempeeraturraturăă superficisuperficiaallăă
ei
esiRsi
f
i
si
e
6© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Elemente Elemente neomogene după neomogene după ambele direcţii (cu punţi ambele direcţii (cu punţi
termice)termice)Cîmpul de temperaturiCîmpul de temperaturiRezistenţa termicăRezistenţa termicăConductanţa termicăConductanţa termică
7© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
PPunţiunţi termi termiccee
Zonele de discontinuitate fizică sau geometrică care Zonele de discontinuitate fizică sau geometrică care determină o intensificare a transferului de căldură şi implicit determină o intensificare a transferului de căldură şi implicit o scădere a valorii temperaturii superficiale. In aceste zone o scădere a valorii temperaturii superficiale. In aceste zone se produce o modificare a fluxului termic unidirecţional se produce o modificare a fluxului termic unidirecţional determinată de:determinată de:
prezenţa unor materiale de mare conductivitate termică pe prezenţa unor materiale de mare conductivitate termică pe zone reduse din structura elementului;zone reduse din structura elementului;
modificarea grosimii elementelor de închidere (retrageri, modificarea grosimii elementelor de închidere (retrageri, rezaliduri);rezaliduri);
existenţa unei diferenţe între ariile suprafeţelor interioare şi existenţa unei diferenţe între ariile suprafeţelor interioare şi exterioare prin care are loc transferul termic (colţuri şi exterioare prin care are loc transferul termic (colţuri şi intersecţii).intersecţii).
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 8
Căldura curge ca şi apaCăldura curge ca şi apa
Şi urmează drumul cel mai uşor
Curbe de nivel
Linii de curent
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 9
Exemple de punţi termice frecvent întâlnite.
10© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Punte termicPunte termicăă g geeomomeetritricăcă
11© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
PPuuntntee termi termicăcă mat mateeririaallăă
12© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
EfeEfecctteleele p puunnţilorţilor termi termicece
Majorarea fluxului termic (pierderi de Majorarea fluxului termic (pierderi de căldură)căldură)
Scăderea valorii de temperatură pe Scăderea valorii de temperatură pe suprafaţa interioarăsuprafaţa interioară– CondensCondens– MMucegaiucegai ( (mirosuri, mirosuri, alergialergiii))– PetePete, , degradăridegradări– InconfortInconfort
13© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Exemple de pExemple de punţiunţi termi termiccee
Tijă de fixare
Vată minérală
Placaj din cărămidă
Placă beton armat
14© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Liniile de curent se concentrează spre punte
Izotermele se depărtează de punte
15© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
PPunteunte termi termicăcă lin lineeararăă
16© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
PPuuntntee termi termicăcă p puunctunctuaallăă
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 17
18© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
PiPierderderi de căldurăeri de căldură
0
20
40
60
80
100
120
140
0 5 10 15 20Epaisseur d'isolant [cm]
Dép
erdi
tions
[W/m
] Sans pont thermique
Avec pont thermique
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 19
Stabilirea distribuţiei de temperaturi Stabilirea distribuţiei de temperaturi
Implică integrarea ecuaţiilor diferenţiale ale Implică integrarea ecuaţiilor diferenţiale ale conducţiei termice ce caracterizează fenomenul conducţiei termice ce caracterizează fenomenul plan sau spaţial de transfer termic.plan sau spaţial de transfer termic.
În majoritatea cazurilor, geometria sistemului şi În majoritatea cazurilor, geometria sistemului şi condiţiile la limită sunt atât de complexe încât nu condiţiile la limită sunt atât de complexe încât nu permit obţinerea unei soluţii exacte decât permit obţinerea unei soluţii exacte decât admiţând nişte simplificări ce îndepărtează mult admiţând nişte simplificări ce îndepărtează mult modelul analitic de fenomenul real. modelul analitic de fenomenul real.
Sunt de preferat valorile aproximative ale Sunt de preferat valorile aproximative ale câmpului de temperatură, rezultate prin modelare câmpului de temperatură, rezultate prin modelare analogică sau numerică, analogică sau numerică,
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 20
Modelarea analogicăModelarea analogică
Metodele analogice de studiu se bazează pe Metodele analogice de studiu se bazează pe legătura ce se poate stabili între fenomene legătura ce se poate stabili între fenomene de natură fizică diferită care pot fi de natură fizică diferită care pot fi caracterizate prin ecuaţii diferenţiale sau caracterizate prin ecuaţii diferenţiale sau algebrice de aceeaşi formă.algebrice de aceeaşi formă.
Poate fi utilizată analogia electrică sau Poate fi utilizată analogia electrică sau analogia hidraulicăanalogia hidraulică
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 21
Metoda analogiei electriceMetoda analogiei electrice
analogie directă analogie directă în cazul când modelul în cazul când modelul păstrează asemănarea fizică cu domeniul păstrează asemănarea fizică cu domeniul modelat;modelat;
analogie indirectă analogie indirectă când nu se mai când nu se mai păstrează asemănarea fizică între model şi păstrează asemănarea fizică între model şi domeniul modelat.domeniul modelat.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 22
Metoda analogiei electriceMetoda analogiei electrice
Analogia directă Analogia directă se bazează pe identitatea de formă între se bazează pe identitatea de formă între ecuaţia fluxului termic conductiv, legea lui Fourier şi cea a ecuaţia fluxului termic conductiv, legea lui Fourier şi cea a intensităţii curentului electric, legea lui Ohm (vezi 3.2.1 d) intensităţii curentului electric, legea lui Ohm (vezi 3.2.1 d) şi a fost utilizată cu rezultate foarte bune pentru şi a fost utilizată cu rezultate foarte bune pentru determinarea conductivităţii termice echivalente a unor determinarea conductivităţii termice echivalente a unor materiale cu structuri complexe cum sunt: corpurile materiale cu structuri complexe cum sunt: corpurile ceramice cu goluri, betonul armat etc.ceramice cu goluri, betonul armat etc.
Analogia indirectă Analogia indirectă modelează câmpul de temperatură modelează câmpul de temperatură staţionar sau nestaţionar printr-o reţea de rezistenţe staţionar sau nestaţionar printr-o reţea de rezistenţe electrice, respectiv rezistenţe şi capacităţi, supusă unei electrice, respectiv rezistenţe şi capacităţi, supusă unei diferenţe de potenţial. Reprezentarea analogică a ecuaţiei diferenţe de potenţial. Reprezentarea analogică a ecuaţiei cu diferenţe finite, în modelele indirecte, implică cu diferenţe finite, în modelele indirecte, implică respectarea legii lui Kirchoff:respectarea legii lui Kirchoff:
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 23
Analogie electrică indirectăAnalogie electrică indirectă
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 24
Modelarea numericăModelarea numerică
Prin modelare numerică se reproduce Prin modelare numerică se reproduce evoluţia unui proces pornind nu de la evoluţia unui proces pornind nu de la sistemul studiat ci de la modelul său sistemul studiat ci de la modelul său analitic, adaptat implementării pe analitic, adaptat implementării pe calculator. Impunând diferite condiţii calculator. Impunând diferite condiţii iniţiale şi la limită modelului numeric, se iniţiale şi la limită modelului numeric, se obţin variaţii ale parametrilor investigaţi, obţin variaţii ale parametrilor investigaţi, care pot fi utilizate în acelaşi mod cu seriile care pot fi utilizate în acelaşi mod cu seriile de date obţinute pe baza unor de date obţinute pe baza unor experimentări.experimentări.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 25
Metoda diferenţelor finiteMetoda diferenţelor finite Concepută sub forma calculului manual încă de pe Concepută sub forma calculului manual încă de pe
vremea lui Euler, metoda diferenţelor finite vremea lui Euler, metoda diferenţelor finite transformă modelul diferenţial al fenomenului transformă modelul diferenţial al fenomenului analizat într-unul numeric, folosind procedeul de analizat într-unul numeric, folosind procedeul de aproximare locală punctiformă a variabilelor de aproximare locală punctiformă a variabilelor de câmp.câmp.
Pentru studiul câmpului termic plan sau spaţial, Pentru studiul câmpului termic plan sau spaţial, prin metoda diferenţelor finite, sistemul de ecuaţii prin metoda diferenţelor finite, sistemul de ecuaţii diferenţiale cu derivate parţiale valabil pentru diferenţiale cu derivate parţiale valabil pentru fiecare punct al domeniului de analiză este înlocuit fiecare punct al domeniului de analiză este înlocuit cu un sistem de ecuaţii algebrice valabil într-un cu un sistem de ecuaţii algebrice valabil într-un număr finit de puncte ce definesc reţeaua de număr finit de puncte ce definesc reţeaua de discretizare.discretizare.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 26
Analiza unei probleme de transfer Analiza unei probleme de transfer termic cu metoda diferenţelor finitetermic cu metoda diferenţelor finite
descrierea domeniului de analizat;descrierea domeniului de analizat;
stabilirea reţelei de calcul;stabilirea reţelei de calcul;
scrierea sistemului de ecuaţii;scrierea sistemului de ecuaţii;
rezolvarea sistemului de ecuaţii;rezolvarea sistemului de ecuaţii;
prelucrarea rezultatelor.prelucrarea rezultatelor.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 27
Stabilirea reţelei de calcul;Stabilirea reţelei de calcul;
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 28
Transfer de căldură după 3 direcţiiTransfer de căldură după 3 direcţii
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 29
Prelucrarea rezultatelorPrelucrarea rezultatelor
Prelucrarea rezultatelor sub forma valorilor de Prelucrarea rezultatelor sub forma valorilor de temperatură obţinute în urma rezolvării sistemului temperatură obţinute în urma rezolvării sistemului de ecuaţii permite:de ecuaţii permite:
trasarea liniilor sau suprafeţelor izoterme;trasarea liniilor sau suprafeţelor izoterme; evaluarea rezistenţei termice totale, R, a evaluarea rezistenţei termice totale, R, a
elementelor neomogene după una sau ambele elementelor neomogene după una sau ambele direcţii;direcţii;
studiul câmpului de temperaturi şi a fluxului de studiul câmpului de temperaturi şi a fluxului de căldură în zonele de discontinuitate fizică sau căldură în zonele de discontinuitate fizică sau geometrică.geometrică.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 30
Metoda elementelor finiteMetoda elementelor finite
A cunoscut o dezvoltare spectaculoasă începând din anii A cunoscut o dezvoltare spectaculoasă începând din anii '60, dezvoltare legată inseparabil de perfecţionarea '60, dezvoltare legată inseparabil de perfecţionarea mijloacelor de calcul automat.mijloacelor de calcul automat.
Conceptul fundamental cu care operează metoda este cel Conceptul fundamental cu care operează metoda este cel de aproximare prin discretizare, concept utilizat în formele de aproximare prin discretizare, concept utilizat în formele lui elementare încă din antichitate. lui elementare încă din antichitate.
Aproximarea ariei cercului prin poligoane reegulate Aproximarea ariei cercului prin poligoane reegulate înscrise sau circumscrise, echivalent cu descompunerea înscrise sau circumscrise, echivalent cu descompunerea ariei cercului într-un număr de elemente finite ariei cercului într-un număr de elemente finite triunghiulare. Cu cât numărul de triunghiuri este mai mare, triunghiulare. Cu cât numărul de triunghiuri este mai mare, cu atât valoarea ariei cercului obţinută prin aproximare se cu atât valoarea ariei cercului obţinută prin aproximare se apropie de cea reală apropie de cea reală
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 31
Aproximarea ariei cercului prin Aproximarea ariei cercului prin poligoanepoligoane
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 32
Metoda elementelor finiteMetoda elementelor finite
Discretizarea domeniului de analizăDiscretizarea domeniului de analiză
30
3050
50
125
20
b.a. b.c.a.
interior Ti = + 22oC
exterior Te = - 15oC
10055
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 33
Modelul numeric cu elemente Modelul numeric cu elemente finitefinite
formularea modelului analitic de bază cu formularea modelului analitic de bază cu specificarea condiţiilor la limită adecvate specificarea condiţiilor la limită adecvate problemei de analizat;problemei de analizat;
scrierea ecuaţiilor elementale;scrierea ecuaţiilor elementale; asamblarea elementelor finite, respectiv a asamblarea elementelor finite, respectiv a
ecuaţiilor elementale în sistemul general, ecuaţiilor elementale în sistemul general, obţinându-se astfel modelul numeric global.obţinându-se astfel modelul numeric global.
Rezolvarea sistemului de ecuaţiiRezolvarea sistemului de ecuaţii
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 34
Linii izotermeLinii izoterme
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 35
Linii de curentLinii de curent
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 36
Metode bazate pe cunoaşterea câmpului Metode bazate pe cunoaşterea câmpului termictermicPe baza valorilor caracteristice ale Pe baza valorilor caracteristice ale câmpului de temperatură plan sau câmpului de temperatură plan sau spaţial, stabilite prin procedeele spaţial, stabilite prin procedeele prezentate anterior, poate fi determinată prezentate anterior, poate fi determinată rezistenţa termică specifică, R, pentru rezistenţa termică specifică, R, pentru orice structură constructivăorice structură constructivă
R =S. R =S. ΔΔT/T/ΦΦ
Rezistenţa termică a elementelor de Rezistenţa termică a elementelor de construcţii neomogene pe ambele construcţii neomogene pe ambele
direcţiidirecţii
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 37
Metoda coeficienţilor lineari şi Metoda coeficienţilor lineari şi punctuali de transfer termicpunctuali de transfer termic
Normele româneşti şi europene recomandă metoda Normele româneşti şi europene recomandă metoda coeficienţilor lineari, coeficienţilor lineari, , şi punctuali , , şi punctuali , , de , de transfer termic. Prin aceşti coeficienţi se aduce o transfer termic. Prin aceşti coeficienţi se aduce o corecţie calculului unidirecţional, ţinând seama de corecţie calculului unidirecţional, ţinând seama de prezenţa punţilor termice constructive care prezenţa punţilor termice constructive care determină un flux termic bi sau tridirecţional. determină un flux termic bi sau tridirecţional. Rezultă o valoare corectată a rezistenţei termice, Rezultă o valoare corectată a rezistenţei termice, R, şi a coeficientului de transfer termic corectat, R, şi a coeficientului de transfer termic corectat, U, oferind posibilitatea unei analize globale a unui U, oferind posibilitatea unei analize globale a unui element de anvelopă sau chiar a întregii anvelope.element de anvelopă sau chiar a întregii anvelope.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 38
CoeficienCoeficienţi lineari de transfer termic,ţi lineari de transfer termic,ΨΨ, , pentru situaţii frecvent întîlnitepentru situaţii frecvent întîlnite
39© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
PierderiPierderi p prinrin transmisi transmisiee
Δ
kk
jjj
iiiT lAU
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 40
ConductanConductanţţa (transmitana (transmitanţţa) termica) termică ă corectată Ucorectată U’’
ΦΦ= U’. A . = U’. A . ΔθΔθ
A =A =ΣΣAiAi
U’= 1/R’=U +U’= 1/R’=U +ΣΨΣΨj.lj/A+j.lj/A+ΣχΣχ/A/A
U’>U R’<RU’>U R’<R
41© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
CoefCoefiicientcientulul
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 5 10 15 20Epaisseur d'isolant [cm]
Coe
ffici
ent
linéi
que
[W/m
·K].
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 42
Etapele de calculEtapele de calcul
Stabilirea parametrilor geometrici şi fizici pentru nodurile Stabilirea parametrilor geometrici şi fizici pentru nodurile caracteristice ale elementelor ce compun anvelopa;caracteristice ale elementelor ce compun anvelopa;
Determinarea câmpurilor de temperatură bidimensionale Determinarea câmpurilor de temperatură bidimensionale sau tridimensionale sau tridimensionale prin simulare numerică, pentru zonele prin simulare numerică, pentru zonele de influenţă a punţilor termice;de influenţă a punţilor termice;
Calculul fluxului termic pe suprafeţele interioare cu Calculul fluxului termic pe suprafeţele interioare cu relaţiile:relaţiile:
câmp bidimensional =câmp bidimensional =i . l. (Ti – Tsi) [W/m] i . l. (Ti – Tsi) [W/m] câmp tridimensional =câmp tridimensional =i . A. (Ti – Tsi) [W] i . A. (Ti – Tsi) [W] Calculul coeficienţilor punctuali de transfer termic pornind Calculul coeficienţilor punctuali de transfer termic pornind
de la fluxul bidimensional cu relaţia:de la fluxul bidimensional cu relaţia:ΨΨ= = ФФ//ΔΔT- B/RT- B/R
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 43
Etapele de calculEtapele de calcul
Calculul coeficienţilor specifici punctuali de Calculul coeficienţilor specifici punctuali de transfer termic pentru agrafe şi ploturi, cunoscând transfer termic pentru agrafe şi ploturi, cunoscând valoarea de flux termic calculată in ipoteza valoarea de flux termic calculată in ipoteza transferului termic tridirecţional, cu relaţiatransferului termic tridirecţional, cu relaţia
χχ= = ФФ//ΔΔT- A/RT- A/R
Calculul coeficienţilor de transfer termic corectat, Calculul coeficienţilor de transfer termic corectat, U’, şi a rezistenţei termice specifice corectate, R’ U’, şi a rezistenţei termice specifice corectate, R’
44© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Gradul de izolareGradul de izolare
FactFactor de temperatură superficialăor de temperatură superficială
ei
esiRsi
f
i
si
e
45© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Răcirea suprafeţei interioareRăcirea suprafeţei interioare
46© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Grad de izolareGrad de izolare
93%
75%55%
15
20
10
47© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Izolaţie prin interiorIzolaţie prin interior Izolaţie exterioarăIzolaţie exterioară
Cum pot fi corectate punţile termiceCum pot fi corectate punţile termice??
48© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Cum se pot ameliora puntile termiceCum se pot ameliora puntile termice
Chaud
Froid
Fro
id
Chaud
Fro
id
Chaud
Alungire Încălzire Divizare
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 49
Metode experimentale de analiză a Metode experimentale de analiză a comportării elementelor de construcţii la comportării elementelor de construcţii la
transfer termictransfer termic Încercări în laboratoare specializateÎncercări în laboratoare specializate Funcţionarea acestor laboratoare sau sta ţii de încercări Funcţionarea acestor laboratoare sau sta ţii de încercări
se bazează pe simularea, în două încăperi separate prin se bazează pe simularea, în două încăperi separate prin elementul de probă, a condiţiilor climatice exterioare elementul de probă, a condiţiilor climatice exterioare respectiv interioare.respectiv interioare.
Răspunsul elementului de probă este înregistrat sub Răspunsul elementului de probă este înregistrat sub forma valorilor de câmp termic într-un număr forma valorilor de câmp termic într-un număr suficient de mare de puncte. Rezistenţa termică suficient de mare de puncte. Rezistenţa termică specifică precum şi traseul suprafeţelor sau liniilor de specifică precum şi traseul suprafeţelor sau liniilor de egală temperatură se obţine prin prelucrarea automată egală temperatură se obţine prin prelucrarea automată a datelor experimentale.a datelor experimentale.
Încercările se pot face pe elemente la scară naturală Încercările se pot face pe elemente la scară naturală sau pe machete la scară redusă cu respectarea sau pe machete la scară redusă cu respectarea criteriilor de similitudine.criteriilor de similitudine.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 50
Utilizarea termografiei în infraroşuUtilizarea termografiei în infraroşu
Corpurile cu temperaturi moderate, inclusiv Corpurile cu temperaturi moderate, inclusiv elementele de construcţii emit radiaţii cu lungimea de elementele de construcţii emit radiaţii cu lungimea de undă de 1..12 undă de 1..12 , în do meniul infraroşu. Intensitatea , în do meniul infraroşu. Intensitatea acestor radiaţii depinde de tem peratura suprafeţei şi acestor radiaţii depinde de tem peratura suprafeţei şi emisivitatea acesteia. emisivitatea acesteia.
Tehnica termografiei oferă posibilitatea măsurării Tehnica termografiei oferă posibilitatea măsurării temperaturii la distanţă şi se bazează pe transformarea temperaturii la distanţă şi se bazează pe transformarea impulsului radiaţiilor termice emise de diferite zone impulsului radiaţiilor termice emise de diferite zone ale elementului de construcţie în semnal electric. ale elementului de construcţie în semnal electric. Acesta este decodificat direct în grade de temperatură, Acesta este decodificat direct în grade de temperatură, pe ecranul monitorului obţinându-se o imagine a pe ecranul monitorului obţinându-se o imagine a câmpului termic pe o anumită suprafaţă.câmpului termic pe o anumită suprafaţă.
51© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Pierderi de energie
Pierderi de energie
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 52
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 53
Imagini termograficeImagini termografice
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 54
Efectuarea încercărilor termograficeEfectuarea încercărilor termografice
existenţa unei camere IR-termograf – care în existenţa unei camere IR-termograf – care în principiu este alcătuit din :principiu este alcătuit din :
senzor pentru radiaţia infraroşie care operează cu senzor pentru radiaţia infraroşie care operează cu lungimi de undă între 3 şi 12 μm care poate lungimi de undă între 3 şi 12 μm care poate detecta temperaturi radiante aparente în domeniul detecta temperaturi radiante aparente în domeniul care interesează cu o rezoluţie suficientă;care interesează cu o rezoluţie suficientă;
un dispozitiv care face vizibilă şi afişează sub un dispozitiv care face vizibilă şi afişează sub forma unei imagini termice temperatura radiantă forma unei imagini termice temperatura radiantă aparentă de pe suprafaţa examinatăaparentă de pe suprafaţa examinată
un dispozitiv care face posibilă înregistrarea unei un dispozitiv care face posibilă înregistrarea unei imagini termice şi dacă este relevantă, măsurarea imagini termice şi dacă este relevantă, măsurarea digitală a datelor (informadigitală a datelor (informa
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 55
Imaginea câmpului termic obţinută prin Imaginea câmpului termic obţinută prin termografie poate fi utilizată pentrutermografie poate fi utilizată pentru::
Analiza calitativă referitoare la omogenitatea structurală, Analiza calitativă referitoare la omogenitatea structurală, nivelul de umiditate şi pierderile de aer, facilitând nivelul de umiditate şi pierderile de aer, facilitând identificarea punţilor termice, depistarea fisurilor şi a identificarea punţilor termice, depistarea fisurilor şi a
zonelor umede, a imperfecţiunilor de execuţiezonelor umede, a imperfecţiunilor de execuţie..
Furnizarea de date referitoare la comportarea în timp a Furnizarea de date referitoare la comportarea în timp a materialelor termoizolante incluse în structura panourilor materialelor termoizolante incluse în structura panourilor
mari, starea termoizolaţiei din dreptul rosturilor,mari, starea termoizolaţiei din dreptul rosturilor, starea starea
îmbinărilor punct de vedere mecanicîmbinărilor punct de vedere mecanic etc etc
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 56
Isolation optimaleIsolation optimale
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 57
Bilan thermique d'une façade SudBilan thermique d'une façade Sud
Type de g Déperditions Gains Besoinsnorme Paroi Vitrage Vitrage kWh kWh kWh FacteurAncienne 0.8 5.6 0.84 3'578 2'002 1'643 1SIA 180:2000 0.6 3 0.7 2'024 1'668 544 3SIA 380/1:2001 0.3 1.7 0.6 1'122 1'430 110 15Optimal 0.2 0.7 0.5 510 1'191 6 250
U [W/m²·K]
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 58
Épaisseur optimaleÉpaisseur optimale
050
100150200250300
0.03 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3
Epaisseur [m]Coû
t tot
al [F
r/m²]
.
chauffage
matériel
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 59
Épaisseur optimaleÉpaisseur optimale
i
iopt R
pPe
ch
pTDJP
024,0
Conductivité thermiqueEpaisseur équivalente"Prix" de l'isolant"Prix" spécifique du chauffage
Degrés-joursDurée de vie"Prix" du kWhRendement du chauffage
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 60
Epaisseur optimaleEpaisseur optimale
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Laine de pierre
Laine de verre
Polystyrène
Polyuréthane
Bois de construction
Brique thermique
Brique module
Epaisseur optimale [m]
Energétique
Financière
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 61
Coût à l’épaisseur optimaleCoût à l’épaisseur optimale
0 50 100 150 200 250 300 350
Laine de pierre
Laine de verre
Polystyrène
Polyuréthane
Bois de construction
Brique thermique
Brique module
Coût [Fr/m²]
Construction
Entretien
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 62
Isolation cohérenteIsolation cohérente
Equivalent
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 63
Epaisseurs d’isolant Epaisseurs d’isolant financièrement cohérentesfinancièrement cohérentes
Type de vitrageK [W/(m²·K)](avec cadre)
Épaisseurcohérente [cm]
Simple 6 à 8 1 à 3
Double 2,5 à 3 6 à 10
Triple 2 à 3 10 à 15
Confort 1,6 à 2 15 à 20
Super 0,6 à 0,7 Optimale
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 64
Inertie thermiqueInertie thermique
Extérieur
Intérieur
Stockage de chaleur
Atténuation des
variations
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 65
L’inertie thermique du bâtimentL’inertie thermique du bâtimentDépend autant de sa capacité thermique que de son niveau d’isolation
HC
Capacité thermique
Niveau d’isolation
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 66
Capacité de stockageCapacité de stockagePour accumuler de la chaleur, il faut
•une grande chaleur spécifique c•une grande masse volumique
Pour que la chaleur pénètre, il faut•une grande conductibilité thermique
Capacité de stockage cρλ
Effusivité thermique b
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 67
Capacité de stockage et masse volumique
0
500
1000
1500
2000
2500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Masse volumique [kg/m³]
Eff
usiv
ité th
erm
ique
.
Isolants
Bois
Béton cellulaire
Neige
Eau
Plots cimentPlâtreBrique
MortierVerre
Béton, pierre
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 68
"Vitesse" de pénétration"Vitesse" de pénétrationPour que la chaleur pénètre, il faut•une grande conductibilité thermique
Pour qu'elle pénètre vite et loin, il faut •une faible chaleur spécifique c•une faible masse volumique
Diffusivité thermique smc
a ²
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 69
Diffusivité thermique Diffusivité thermique aa
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
0 500 1000 1500 2000 2500Masse volumique [kg/m³]
Dif
fusi
vité
ther
miq
ue [
mm
²/s]
.
Isolants
Béton, pierre
Neige Eau Torchis
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 70
Profondeur de pénétrationProfondeur de pénétration
tc
ta
²²
c
at 1 4 16
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 71
Profondeur de pénétrationProfondeur de pénétrationen régime périodiqueen régime périodique
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 1 2 3x/
Tem
péra
ture
rel
ativ
e .
π
PaP x/
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 72
Profondeur de pénétrationProfondeur de pénétration
0
1
2
3
4
5
0 500 1000 1500 2000 2500Masse volumique [kg/m³]
Pén
étra
tion
en u
n an
[m
] .
0
5
10
15
20
25
Pén
étra
tion
en u
n jo
ur [
cm]
.
IsolantsBéton, pierre
Bois Eau Torchis
Neige
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 73
Capacité thermiqueCapacité thermique
Couche mince si d < 0,5
Méthode générale complexe: EN ISO 13786
dc [J/(m2K)]
Couche épaisse si d > 2
22
Pb
Pc
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 74
Capacité thermiqueCapacité thermique
La plus petite des valeurs suivantes:1. la moitié de l'épaisseur totale du composant;2. l'épaisseur des matériaux compris entre la face
considérée et la première couche isolante, sans tenir compte des revêtements qui ne font pas partie du composant;
3. une épaisseur efficace maximale fonction de la période des variations
Epaisseur efficace: suppose a = 0,7 mm²/s
Période des variations 1 heure 1 jour 1 semaine
Épaisseur efficace maximale 2 cm 10 cm 25 cm
= i i di c avec i di = d*
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 75
Effet d’une résistance superficielleEffet d’une résistance superficielleCouche limite d’air, tapisserie, moquette, etc.
222
2
)(21'
sRRP
1
10
100
1 000
0.01 0.1 1 10R & Rs [m²K/W]
Cap
acité
ther
miq
ue a
ppar
ente
[kJ
/m²K
] .
Béton
Brique
Epicéa
Isolant
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 76
Capacités typiques [kJ/K]Capacités typiques [kJ/K]Pièce de 20 m²
Type de constructionType de construction C C [kJ/K][kJ/K]
C/A C/A [kJ/m²K][kJ/m²K]
Lourd, tout bétonLourd, tout béton 11'30011'300 550550
Dalles béton, parois briqueDalles béton, parois brique 85008500 425425
Idem, sol avec moquetteIdem, sol avec moquette 74007400 370370
do, plus faux plafonddo, plus faux plafond 53005300 275275
do, parois placoplâtredo, parois placoplâtre 24002400 120120
Tout en bois massifTout en bois massif 40004000 200200
Tout en bois mince (20 mm)Tout en bois mince (20 mm) 20002000 100100
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 77
KW
KJ
Constante de temps du bâtimentConstante de temps du bâtiment
Rapport entre la capacité thermique du bâtiment et le coefficient de déperditions
HC
HC
Ws
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 78
Constantes de temps typiquesConstantes de temps typiques
Lourd, tout béton, isolation U= 0,2 W/(m2K) 10 jours Lourd, tout béton, isolation U= 0,5 W/(m2K) 8 jours Lourd, tout béton, façade simple vitrage 1½ jour Idem, sol avec moquette et faux plafond, U= 1 W/(m2K) 3 jours Tout en bois massif, façade vitrée U= 1 W/(m2K) 2 jours Tout en bois mince (20 mm) U= 1 W/(m2K) 1 jour Serre horticole 8 heures
Piéce de 20 m², aération 30 m3/h
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 79
Chauffage solaire passifChauffage solaire passif
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 80
Corps noir à 5800 K
Rayonnement solaire aux confins de l'atmosphère
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Ene
rgie
[kW
/(m
²·µ)]
0
0,5
1,0
1,5
2,0
-
-
-
Longueur d'onde [µm]
visibleUV IR
Ciel serein, soleil à 30°au-dessus de l'horizon
Rayonnement solaireau niveau de la mer.
-
-
Le rayonnement solaireLe rayonnement solaire
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 81
A la surface du soleil: A la surface du soleil: 64 MW/m²64 MW/m² Aux confins de l'atmosphèreAux confins de l'atmosphère 1367 W/m²1367 W/m² Rayonnement global annuel:Rayonnement global annuel:
– Sahara sudSahara sud 2000 kWh/m²2000 kWh/m²– ZermattZermatt 1480 kWh/m²1480 kWh/m²– LucerneLucerne 1109 kWh/m²1109 kWh/m²
Le soleil en chiffresLe soleil en chiffres
Total pour la terre: 70 1015 W = 5'000 x les besoins de l’humanité
7 milliards d'humains à 2 kW = 14 1012 W
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 82
Inertie thermique suffisante
Optimisation des gains Optimisation des gains solairessolaires
Excellente isolation thermique
Grandes surfaces de captage
Protections solaires efficaces, extérieures (et intérieures)
Bon contrôle du chauffage
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 83
Captage passif du rayonnement Captage passif du rayonnement solaire solaire
Direct Direct et indirect
Indirect Hybride
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 84
Sol et murs des Sol et murs des vérandasvérandas
Surfaces de captageSurfaces de captage
Fenêtres et portes Fenêtres et portes vitréesvitrées
Parois opaquesParois opaques
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 85
Les moyens légaux sont là!Les moyens légaux sont là!
""La municipalité La municipalité encourageencourage l'utilisation active ou passive de l'utilisation active ou passive de l'énergie solaire. Elle peut accorder l'énergie solaire. Elle peut accorder des dérogations...." des dérogations...." (LATC art. 99)(LATC art. 99)
"Les bâtiments nouveaux seront "Les bâtiments nouveaux seront conçus de manière à réduire les pertes conçus de manière à réduire les pertes thermiques et à augmenter les gains en thermiques et à augmenter les gains en énergie solaire...." énergie solaire...." (Ord. LATC, art 56)(Ord. LATC, art 56)
86© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Refroidissement passifRefroidissement passif
Tem
péra
ture
Temps
87© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Refroidissement passif Refroidissement passif
88© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Refroidissement passif Refroidissement passif Climat adéquatGrandes ouvertures, dont une en hautBonne isolation thermiqueEviter les sources de chaleurMasse thermique intérieureProtections solaires efficacesStratégie de ventilation
89© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Protections solaires efficaces: Protections solaires efficaces: à l’extérieur!à l’extérieur!
g
g
90© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Diagramme de fréquence cumuléesDiagramme de fréquence cumuléesTempérature avec et sans storesTempérature avec et sans stores
20
22
24
26
28
30
32
1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501
hours per year
roo
m a
ir t
emp
erat
ure
[°C
]
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 91
Protections solairesProtections solaires
(
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 92
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 93
Effet de l’inertie de la terreEffet de l’inertie de la terre
Une différence
de 9 degrés pour une
même hauteur du
soleil
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 94
Des protections différenciées selon les Des protections différenciées selon les orientationsorientations
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 95
Protection horizontale fixeProtection horizontale fixe
Utilisable pour une orientation sud ou proche du sud
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 96
Exemple de protection fixeExemple de protection fixe
Bureaux PPL
Allentown (PA)
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 97
Protection verticale fixeProtection verticale fixe
Réduction partielle des gains solaires à l’est et à l’ouest
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 98
ClaustraClaustra
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 99
Exemple: Office Nigérien de l’énergie solaire à NiameyExemple: Office Nigérien de l’énergie solaire à NiameyArchitecte: Laszlo MESTER de PARAJDArchitecte: Laszlo MESTER de PARAJD
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 100
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 101
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 102
Vitrages à protection solaireVitrages à protection solaire
26
26
40
8
Stopsol clair + glace claire (6/12/6 mm)
Stopsol bronze + glace claire (6/12/6 mm)
Transmission énergétique totale: 48 %
Transmission lumineuse: 38 %
Transmission énergétique totale: 21 %
Transmission lumineuse: 14 % !!
31
48
12
9
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 103
Un éclairage naturel déficientUn éclairage naturel déficient
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 104
Limites des protections solaires fixesLimites des protections solaires fixes
Contrôle du climat à l’entre-saison.Contrôle du climat à l’entre-saison. Protection contre l’éblouissement pour Protection contre l’éblouissement pour
certaines positions du soleil.certaines positions du soleil. Adaptation de l’éclairage au type de tâche.Adaptation de l’éclairage au type de tâche. Forte réduction de l’éclairage naturel, tout Forte réduction de l’éclairage naturel, tout
spécialement avec les vitrages spécialement avec les vitrages réfléchissants.réfléchissants.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 105
Systèmes mobiles: types de protectionSystèmes mobiles: types de protection
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 106
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 107
Importance de la position de la protectionImportance de la position de la protection
Protection intérieure
Totalement inefficace en été
Gains solaires utiles en hiver
Protection entre les verres
Insuffisante en été
Protection extérieure
Efficace en été
Peu de gains en hiver
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 108
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 109
Pour être efficace, le store extérieur doit Pour être efficace, le store extérieur doit être correctement ventiléêtre correctement ventilé
40 à 45o en été
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 110
Autres types de protections: Films réfléchissantsAutres types de protections: Films réfléchissants
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 111
Toiles réfléchissantesToiles réfléchissantes
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 112
« KOOLSHADE »« KOOLSHADE »
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 113
« OKASOLAR »« OKASOLAR »
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 114
Problèmes particuliers: protection des serresProblèmes particuliers: protection des serres
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 115
Bâtiments de grande hauteurBâtiments de grande hauteur
Double-peau ventilée
Kommerzbank – Frankfurt am Main
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 116
Tour de l’OFS à NeuchâtelTour de l’OFS à Neuchâtel
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 117
Protection solaire détachée du bâtimentProtection solaire détachée du bâtiment
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 118
Principaux critères de choixPrincipaux critères de choix
Efficacité
Type Durabilité Adaptabilité Hiver Eté Eclairage Coût
Brise soleil *** o ** ** * $
Vitrage réfléchissant *** o ** * o $
KoolShade ** * *** *** * $$
Okasolar *** * *** *** ** $$$
Store intérieur *** *** *** o *** $
Films réfléchissants ** *** *** * *** $
Store entre verres ** *** *** o *** $$
Store extérieur * *** ** *** *** $$
Pro
tect
ion
s fi
xes
Pro
tect
ion
s m
ob
iles
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 119
Protections solaires: RésuméProtections solaires: Résumé
Les protections solaires ont deux fonctions distinctes:– En hiver elle doivent protéger l’occupant du
rayonnement direct (éblouissement).– En été elle doivent éviter que le rayonnement ne
conduise à des surchauffes. Les verres réfléchissants ou teintés constituent une
mauvaise protection solaire:– En hiver ils limitent les gains solaires– En été la protection est généralement insuffisante.– Tout au long de l’année ils pénalisent fortement
l’éclairage naturel. Les protections fixes réduisent l'éclairage naturel.
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 120
Protections solairesProtections solaires
)
121© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Inertie thermiqueInertie thermique
Grande capacité thermique interneGrande capacité thermique interne Matériaux lourds, > 10 cm d'épaisseurMatériaux lourds, > 10 cm d'épaisseur Grande surface de contact air-capacitéGrande surface de contact air-capacité Capacité thermique accessibleCapacité thermique accessible Isolation extérieureIsolation extérieure Locaux de nuit: faible capacité Locaux de nuit: faible capacité
envisageable.envisageable.
122© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Ouvertures et refroidissementOuvertures et refroidissement
Air chaudstationnaire
123© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
VentilationVentilation Monter le niveau neutreMonter le niveau neutre
– Une ouverture haute au minimumUne ouverture haute au minimum
– Grandes ouvertures en haut, cheminéeGrandes ouvertures en haut, cheminée
Entrées d'air au ventEntrées d'air au vent Sorties d'air sous le ventSorties d'air sous le vent Ventilateur mécanique Ventilateur mécanique
en extractionen extraction
124© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Ouvertures de ventilationOuvertures de ventilation
Deuxouvertures
Traversante
Une ouverture
Cheminée
© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004 125
126© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
SécuritéSécurité Protection contre Protection contre
les tempêtes, la pluieles tempêtes, la pluie
l'effractionl'effraction
l'incendiel'incendieles insectesles insectes
127© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
Calcule le potentiel de refroidissement, Calcule le potentiel de refroidissement, l'évolution de la température et du débit l'évolution de la température et du débit d'air dans un bâtiment ventilé naturellement d'air dans un bâtiment ventilé naturellement ou mécaniquement.ou mécaniquement.
LLESOESOCCOOLOOL
Simulation dynamique de la températureSimulation dynamique de la température Modèle simple et convivialModèle simple et convivial Validé par comparaison avec de Validé par comparaison avec de
nombreuses expériencesnombreuses expériences
128© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
LLESOESOCCOOLOOL
wRdyn
Rs
aT
T
129© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
LLESOESOCCOOLOOL
16
18
20
22
24
26
28
30
12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00
Tem
péra
ture
[°C
]
T extérieure
T mesurée
T simulée
130© Claude-A. Roulet, Lausanne, 2004
LESOCOOL: Problèmes résolusLESOCOOL: Problèmes résolus
Prédiction des surchauffesPrédiction des surchauffes
Propositions d’élimination de la surchauffe Propositions d’élimination de la surchauffe estivaleestivale
Démonstration du besoin de protections solairesDémonstration du besoin de protections solaires
Dimensionnement des ouvrants de ventilationDimensionnement des ouvrants de ventilation