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2.2 Stockage de chaleur

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Les éléments d’enveloppe extérieurs sont soumis à de continuelles fluctuations de température et de flux thermique dues à l’influence du rayonnement et à l’évolution journalière de la température extérieure. Pour appréhender correctement les fluctuations temporelles de la température dans un élément, l’effet d’accumulation thermique doit être pris en compte. Chaque matériau a la capacité d’absorber de la chaleur et de la stocker:

(2.48)

2.2.1 Matériaux homogènes

La capacité d’accumulation de chaleur d’un matériau de construction homogène et d’épaisseur semi-infinie peut être caractérisée par son effusivité thermique b:

(2.49)

Quand deux corps de dimensions semi-infinies ayant des températures différentes (T1, T2) sont mis en contact thermique, la température T0 qui s’établit à la surface de contact dépend de l’effusivité thermique bj:

(2.50)

La diffusivité thermique a procure une mesure de la rapidité à laquelle une perturbation de la température se propage dans le matériau:

(2.51)

La profondeur de pénétration δ représente, pour un matériau de dimension semi-infinie, la profondeur à laquelle l’oscillation de la température de surface est réduite par un facteur 1/e :

(2.52)

Profondeur de pénétration et atténuation des oscillations de température
Fig. 2.34: Profondeur de pénétration et atténuation des oscillations de température

Transmission thermique périodique
Fig. 2.35: Transmission thermique périodique

La profondeur de pénétration dépend de la période T de l’oscillation de température. Ainsi, les courtes perturbations de température pénètrent moins profondément dans le matériau que les perturbations de plus longues durées.

Tab. 2.16: Caratéristiques thermiques de divers matériaux

A cause de la capacité d’accumulation thermique des matériaux d’un mur, les oscillations de la température extérieure parviennent par transmission jusqu’à la surface intérieure mais atténuées (amorties) et différées dans le temps. Dans le cas idéal des fluctuations périodiques de la température extérieure (par exemple à cause de l’alternance jour-nuit avec une période T = 24 h), on définit le rapport entre l’amplitude de l’oscillation de la température extérieure et celle de la température de surface du côté intérieur du mur comme amortissement de l’amplitude de température υ. Le décalage temporel entre l’apparition des valeurs extrêmes de température à l’extérieur et à l’intérieur (par exemple maxima/minima) est décrit comme déphasage η.

Répartition de la température dans un mur extérieur homogène soumis à une perturbation thermique périodique depuis l'extérieur
Fig. 2.36: Répartition de la température dans un mur extérieur homogène soumis à une perturbation thermique périodique depuis l’extérieur (pas de 4h; θi = θe; Δqi = 0) [2.27]

2.2.2 Elements multicouches

La transmission thermique au travers d’un mur multicouche peut être représentée de la manière suivante:

(2.53)

A l’aide d’une équation matricielle [2.18,2.29]

(2.54)

Influence de la masse et de l'ordonnancement des couches d'une paroi sur l'évolution journalière de la densité de flux thermique sur sa face intérieure
Fig. 2.37: Influence de la masse et de l’ordonnancement des couches d’une paroi sur l’évolution journalière de la densité de flux thermique sur sa face intérieure (U ≈ 0,4 W/(m2 K); orientation sud; θi ≈ 20 °C, θe ≈ 0 °C ± 2 °C; IS,max ≈ 700 W/m2)

Pour déterminer les paramètres caractéristiques instationnaires, les conditions aux limites des surfaces doivent être définies. Les paramètres suivants sont courants (voir Fig. 2.38):

Charges thermiques du côté extérieur: (conditions aux limites I et II)

  • amortissement de l’amplitude de température υ
  • déphasage η
  • valeur U dynamique UT

Charges thermiques du côté intérieur: (conditions aux limites III und IV)

  • admittance thermique Y
  • masse effective d’accumulation M ou capacité thermique surfacique κ

Pour les conditions aux limites I (voir Fig. 2.38), la densité maximale de flux thermique peut être déterminée en superposant une part stationnaire avec une part instationnaire:

(2.55)

Il faut rester prudent en utilisant les paramètres caratéristiques υ, η et UT car leurs valeurs ne réfèrent qu’à l’élément de construction concerné dans les conditions aux limites spécifiées qui sont, dans la réalité, généralement pas exactement satisfaites. Cependant, ces valeurs sont un outil précieux pour l’évaluation qualitative du comportement instationnaire d’un élément de construction (voir [2.20]).

L’hypothèse d’une température intérieure constante (cas I) correspond le mieux à un bâtiment climatisé ou un type de construction comportant des éléments intérieurs massifs.

Si l’on suppose un flux de chaleur constant (cas II) du côté intérieur, il s’agit soit d’un bâtiment soumis à un chauffage ou refroidissement constant, soit d’un type de construction comprenant des masses intérieures négligeables (construction intérieure légère).

Les conditions aux limites III et IV sont appliquées pour apprécier la capacité d’accumulation de chaleur quand une fluctuation de la température intérieure fait suite à des charges thermiques dans le local (par exemple: dégagement de chaleur par les personnes, éclairage, apports solaires par les surfaces de fenêtres, etc).

Conditions aux limites et paramètres caractéristiques pour la transmission thermique périodique selon EN ISO 13786
Fig. 2.38: Conditions aux limites et paramètres caractéristiques pour la transmission thermique périodique selon EN ISO 13786 [2.38]

Paramètres instationnaires caractéristiques de murs extérieurs typiques
Fig. 2.39: Paramètres instationnaires caractéristiques de murs extérieurs typiques (définitions des caractéristiques instantionnaires voir Fig. 2.38)

Pour des murs extérieurs typiques les paramètres instationnaires caractéristiques sont presentés aux Fig. 2.38. Les figures 2.40 et 2.41 présentent les masses effectives d’accumulation de différents types de murs et de plafonds (voir SIA 382 (6.3)).

Masse effective d'accumulation pour différents types de murs
Fig. 2.40: Masse effective d’accumulation pour différents types de murs (cas III)

Masse effective d'accumulation d'un plafond en béton en fonction de la résistance thermique du revêtement de sol
Fig. 2.41: Masse effective d’accumulation d’un plafond en béton en fonction de la résistance thermique du revêtement de sol (cas IV)

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2018-09-24T17:28:34+00:00
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