Module 357 – Fonctions de conditions ambiantes

Compétences

Paramétrer et optimiser les fonctions de commande et de régulation des conditions ambiantes (ou climat intérieur) en termes de confort et d’optimisation énergétique.

Objectifs opérationnels

• Déterminer les facteurs qui influencent le climat intérieur.
• Configurer les paramètres des principaux composants de l’installation sur la base de la documentation spécifiée.
• Mesurer et interpréter les données opérationnelles d’une pièce et démontrer les possibilités d’optimisation en matière de confort et de consommation d’énergie.

Notion de physique du bâtiment

Ressentir la température

L’être humain dispose de très bons capteurs de température. Ils sont en effet répartis sur la peau, sur presque la totalité du corps. En outre, l’être humain dispose également d’un excellent circuit de régulation de la température corporelle, capable de la maintenir à 37°C de manière constante, presque indépendamment de la température ambiante. Les questions auxquelles nous voulons maintenant répondre sont « Qu’est-ce que la capacité thermique d’un corps ? », « Comment la chaleur est-elle transmise ? » et « Comment peut-on caractériser le flux de chaleur ? ».

Capacité thermique d’un corps

La capacité thermique d’un corps est « l’énergie accumulée » par rapport à une température initiale (T_initiale). Si la température finale (T_finale) d’un corps est supérieure à sa température initiale (T_initiale), le corps a une capacité thermique positive, à l’inverse, si sa température finale est inférieure à sa température initiale, le corps a une capacité thermique négative. La valeur de cette énergie dépend des paramètres suivants :

• la masse du corps,
• la nature spécifique de la matière du corps (par ex. fer, brique, H₂O, …) et son état physique (solide, liquide, gazeux),
• la différence de température du corps entre sa température finale et sa température initiale.

Cette relation s’écrit comme suit :

ou, plus simplement, avec ΔT = T_finale – T_initiale :

où m [kg] est la masse du corps, c [J/kgK] est la capacité thermique spécifique du corps en fonction de l’état d’aggrégation (solide, liquide ou gazeux), ΔT [K] = T_finale – T_initiale est la différence de température du corps entre sa valeur finale et initiale, et ΔQ [J] ou [Ws] est l’apport énergétique nécessaire pour augmenter d’un écart de température ΔT un corps de masse m et de capacité thermique c.

Exemple

Quel est l’énergie nécessaire pour chauffer un litre d’eau de 20°C à 70°C ?

Solution :
Un litre d’eau à une masse m = 1kg.
La capacité thermique spécifique de l’eau est de c = 4.18 kJ/kgK (voir table ci-dessous).
L’écart de température est égal à ΔT = T_finale – T_initiale = 70°C – 20°C = 50°C = 50K.
L’énergie nécessaire est donc de :

ΔQ = 1kg * 4.18 kJ/kgK * 50K = 209 kJ = 58 Wh

Transition solide-liquide et liquide-gazeux dans l’eau

L’eau peut prendre les trois états physiques solide, liquide et gazeux sous forme de glace, d’eau et de vapeur. Il est possible que les trois états d’agrégation soient présents en même temps. Alors que la transition de l’état solide à l’état liquide se fait toujours dans nos conditions atmosphériques à 0 °C, la transition de l’état liquide à l’état gazeux dépend de la pression atmosphérique. Plus la pression est basse (point d’ébullition au niveau de la mer à 1013 hPa à 100 °C, point d’ébullition sur le mont Everest à 317 hPa à 70 °C), plus l’eau s’évapore rapidement.

Avec un peu de détail sur l’état solide l’eau, il y a glace et glace ^o^ :

La thermodynamique est la science qui s’occupe de la dépendance des corps à la température, des échanges thermiques et des transformations d’énergie.

Chaleur latente et sensible

La chaleur sensible est la quantité de chaleur qui est échangée, sans transition de phase physique, entre plusieurs corps formant un système isolé. Elle est qualifiée de « sensible » parce que ce transfert thermique sans changement de phase change la température du corps, effet qui peut être ressenti ou mesuré par un observateur. En cela, la chaleur sensible s’oppose à la « chaleur latente », qui, elle, est absorbée lors d’un changement de phase, sans changement de température.

La chaleur latente (ou enthalpie de changement d’état) d’un corps pur est par définition la variation d’enthalpie qui accompagne un changement d’état du corps rapportée à la quantité de matière mise en jeu lors de cette transformation. Par exemple pour le passage de l’état liquide à l’état de vapeur on parlera d’enthalpie de vaporisation.

Les constantes pour la chaleur spécifique de fusion (enthalpie) et la chaleur spécifique d’évaporation (enthalpie) de l’eau sont les suivantes :

1. Chaleur spécifique de fusion glace-eau : c_glace-eau = 335 kJ/kg
2. Chaleur spécifique d’évaporation eau-vapeur d’eau : c_eau-vapeur = 2260 kJ/kg

Remarque : Il faut à peu près autant d’énergie pour faire fondre un bloc de glace de 0°C avec une masse de 1 kg en eau de 0°C que pour chauffer de l’eau de 0 °C à 80 °C.

En résumé :

• La chaleur sensible change la température de l’eau sans changer son état physique.
• La chaleur latente change l’état physique de l’eau sans changer sa température.

Modes de transfert de chaleur

Notre expérience nous apprend que les températures des objets qui se trouvent dans une pièce à température constante s’ajustent au bout d’un certain temps à la même température que celle de la pièce. Nous allons maintenant essayer de comprendre les principaux mécanismes qui se cachent derrière ce transfert de chaleur. On peut distinguer trois modes de transfert de chaleur :

• le rayonnement thermique
• la convection thermique
• la conduction thermique

Rayonnement thermique

Ici, l’énergie est transmise sans aucun lien matériel. La base en est toujours le rayonnement électromagnétique, qui est également possible sans matière. Le spectre du rayonnement électromagnétique s’étend des ondes télégraphiques (longueur d’onde 1000 km), aux micro-ondes (10 cm à 1 mm), en passant par l’infrarouge, la lumière visible, l’ultraviolet, les rayons X, les rayonnement γ et le rayonnement cosmique. Ce que nous connaissons le mieux est probablement le soleil, qui émet une grande partie de son rayonnement dans le domaine visible vers la terre. Physiquement, un corps interagit avec son environnement de telle manière qu’il émet de l’énergie rayonnante et absorbe de l’énergie rayonnante. La différence est alors la puissance rayonnante absorbée ou émise. Celle-ci est calculée selon la loi de Stefan et Boltzmann :

Avec la puissance de rayonnement P (signe négatif = absorbée, signe positif = émise) en W, la constante de rayonnement σ = 5.670×10^-8 W/m²K⁴ (constante de Stefan Boltzmann), l’émissivité ε de la surface rayonnante (grandeur sans dimension 0..1), la surface rayonnante A du corps en m², la température du corps rayonnant T₁ et la température du corps rayonnant T₂, tous deux en Kelvin.

A noter : La puissance rayonnante augmente avec la 4^è puissance de la température ; donc une ampoule à incandescence (env. 2500°C) a une puissance de rayonnement beaucoup plus élevée qu’une LED (env. 100°C). Selon la nature d’un corps, la puissance absorbée, réfléchie ou transmise (par exemple dans le verre) est plus ou moins importante. La peau absorbe environ 95 à 99 % de la puissance de rayonnement, une surface en aluminium légèrement polie en absorbe environ 4 % et une surface en aluminium fortement oxydée en absorbe environ 30 %. Si nous nous trouvons dans une pièce aux murs très froids (p. ex. : sous-sol en béton à 5°C), la chaleur circule du corps vers le mur ; par rapport à un mur chaud (environ 20°C), pratiquement deux fois plus de chaleur circule des personnes vers le mur ; en conséquence, nous nous sentons mal à l’aise dans une telle pièce.

Conduction thermique

Si un corps possède des températures différentes sur deux surfaces, de l’énergie circule du côté le plus chaud vers le côté le plus froid par conduction thermique. La quantité d’énergie thermique dépend de la différence de température, du matériau et de la durée. Cela peut être exprimé sous la forme :

Conduction thermique représentée comme « énergie » : Q [J ou Ws] = quantité de chaleur transportée, λ [W/mK] = conductivité thermique du matériau, A [m²] = surface de la section transversale du matériau, t [s] = durée, T₁ [K] = température du côté le plus froid, T₂ [K] = température du côté le plus chaud, l [m] = longueur du matériau.

Conduction thermique représentée sous forme de « puissance » : P [W] = puissance thermique transportée, λ [W/mK] = conductivité thermique du matériau, A [m²] = surface de la section transversale du matériau, t = durée dans l’unité s, T₁ [K] = température du côté le plus froid, T₂ [K] = température du côté le plus chaud, l [m] = longueur du matériau.

Le processus s’arrête lorsque les deux côtés ont atteint la même température. Par analogie avec l’électrotechnique, où la loi d’Ohm s’applique avec R=U/I, on peut définir une résistance thermique :

La puissance thermique dépend uniquement de la résistance thermique et de la différence de température à travers le corps.

L’utilisation de la résistance thermique R_th est particulièrement intéressante lorsque, par exemple, deux matériaux ayant des conductivités thermiques différentes sont utilisés, comme c’est généralement le cas pour l’isolation des maisons. Il est alors possible, comme pour le montage en série de résistances électriques, d’additionner les résistances individuelles. Le courant I est remplacé par la puissance thermique P, la tension U par la différence de température.

Convection thermique

Si l’un des corps est solide et l’autre liquide (p. ex. l’eau) ou gazeux (p. ex. l’air), le transfert de chaleur s’effectue par convection. Il convient de distinguer les cas suivants :

• La convection naturelle, p. ex. surface d’un bâtiment éclairée par le soleil : la chaleur de la surface fait monter l’air et crée un courant. L’ébullition de l’eau sur la plaque de cuisson : comme l’eau est plus chaude en bas, la densité diminue et l’eau chaude monte ; il en résulte un mouvement de l’eau sans impulsion extérieure. Les surfaces froides des fenêtres font « couler » l’air et créent un courant d’air indésirable ; le radiateur crée un courant d’air ascendant car l’air chaud circule vers le haut et aspire l’air froid d’en bas ; c’est pourquoi, autrefois, les radiateurs étaient souvent installés directement sous les fenêtres, car cela compensait plus ou moins ces deux mouvements.
• La convection forcée signifie qu’un processus technique force l’écoulement d’un fluide ; dans les bâtiments, il s’agit typiquement d’air propulsé par un ventilateur et d’eau par une pompe.

Application pratique pour la climatisation des locaux

Dans la climatisation des locaux, le rayonnement, la conduction et la convection interviennent tous trois dans le transfert de chaleur. Heureusement, dans la pratique, nous n’avons pas besoin de nous pencher en détail sur les proportions de ces trois formes, car nous pouvons également recourir à une forme « agrégée ». Dans le cas d’un chauffage à eau normal ou d’un chauffage/refroidissement à air, nous pouvons déduire directement la puissance thermique en utilisant la formule suivante :

V^° [m³/s] = débit volumique, ρ [kg/m³] = densité, c [J/kgK] = capacité thermique spécifique, T₂ [K] = température de départ du fluide, T₁ [K] = température de retour du fluide.

Nous disposons ainsi d’une forme simple permettant de déduire la puissance ou l’énergie. Ce point est très important, car dans le cas d’une régulation de la température ambiante, nous n’avons pas besoin de savoir comment la chaleur est transmise. Nous mesurons uniquement la température ambiante et augmentons ensuite la puissance du fluide en circulation (air ou eau). L’augmentation de la puissance peut alors se faire de deux manières : Augmentation du débit volumique (c’est typiquement le cas pour les systèmes de ventilation et de chauffage) ou augmentation de la température du fluide. L’augmentation de la température du fluide est beaucoup plus lente et n’est donc mise en œuvre qu’en deuxième priorité.

Regard particulier sur l’eau

L’eau – ou H₂O en termes chimiques – occupe une place prépondérante en ce qui concerne la vie sur Terre. Elle présente de nombreuses propriétés physiques que nous devons connaître.

Etats d’aggrégation

Comme nous le savons déjà, l’eau est naturellement présente sous forme de solide (glace), de liquide (eau) et de gaz (vapeur d’eau). Et tout cela dans une plage de température de 100 K, de 0 °C à 100 °C.

Anomalie de l’eau

Si l’on trace la densité de l’eau en fonction de la température, on constate que la densité la plus élevée est atteinte à +4°C ; tant en dessous qu’au-dessus de cette température, la densité diminue.

Cette anomalie offre un grand avantage : Comme l’eau à 4 °C est plus lourde que l’eau à 1 °C, l’eau plus chaude descend vers le bas. Si l’eau de 1 °C est encore refroidie, de sorte qu’elle finit par geler, une couche de glace se forme sur le dessus de l’eau, qui est encore plus légère que l’eau. En d’autres termes, la glace est plus légère : Lorsqu’un lac gèle en hiver, il reste toujours une couche d’eau en dessous, ce qui permet aux poissons de survivre même au plus fort de l’hiver.

Humidité, pression et température

Humidité relative et absolue

Notre atmosphère est un mélange de gaz dont la composition est approximativement la suivante :

• Azote N₂ : 78 %
• Oxygène O₂ : 20.95 %
• Argon Ar : 0.93 %
• CO₂ : 0.04 %

Les êtres vivants se sont adaptés de manière optimale à ce mélange de gaz. Nous avons besoin d’O₂ pour respirer et produire de l’énergie. Lors de ce processus, nous expirons à nouveau du CO₂. Les plantes utilisent à leur tour ce CO₂ pour produire de l’énergie lors de la photosynthèse. Elles restituent ensuite de l’O₂ à l’atmosphère. Il s’agit d’un cycle fermé. Si la teneur en CO₂ de l’atmosphère augmente, moins d’énergie est émise dans l’espace et la Terre se réchauffe. Cela signifie qu’un bilan équilibré entre les « processus de combustion » (combustion de pétrole, de gaz, de bois) et la teneur en CO₂ est important pour un climat stable sur la Terre.

Dans le mélange gazeux de l’atmosphère, il y a toujours une petite part de vapeur d’eau, qui n’a toutefois pas été prise en compte dans la répartition ci-dessus, car cette part peut varier fortement (de 0% à 4%).

La proportion de vapeur d’eau est maintenant indiquée sous deux formes : Sous la forme de la teneur absolue en eau de l’atmosphère avec la dimension en g/m³ d’air et sous la forme relative en %. La deuxième forme est plus commune et indique que pour une température (grande dépendance de la capacité d’absorption d’eau) et une pression (faible dépendance de la capacité d’absorption d’eau) ambiantes déterminées, l’air contient un pourcentage de la vapeur d’eau maximale possible. Si cette valeur est de 100%, l’air est dit saturé de vapeur d’eau (température du point de rosée), toutes les valeurs inférieures à 100% sont appelées vapeur d’eau non saturée.

Remarque pratique

En hiver, l’air extérieur a une température plus basse que l’air intérieur. Si l’air extérieur est amené à la température de l’air intérieur avec une humidité relative de 50%, l’humidité relative de l’air tombe par exemple à 30%. En raison de cet effet, l’humidité relative de l’air est souvent trop basse en hiver dans les pièces chauffées, ce qui est ressenti comme désagréable. C’est pourquoi les locaux climatisés ne régulent pas seulement la température, mais aussi l’humidité de l’air. En tant qu’êtres vivants, nous sommes tributaires d’un taux d’humidité minimal. Les valeurs agréables pour l’être humain se situent entre 40% et 60% d’humidité relative. Si la valeur est inférieure à 40%, les muqueuses se dessèchent, si elle est nettement supérieure à 60%, des moisissures apparaissent souvent à l’intérieur.

Pour les experts

La dépendance de la vapeur d’eau à la pression est faible, mais néanmoins mesurable. Les raisons en sont les suivantes :

• Les faibles interactions entre les gaz (forces de van der Waals) augmentent avec la pression.
• La distance entre les molécules d’eau dépend de la pression totale (effet Poynting).
• Les gaz atmosphériques dissous dans l’eau influencent également les forces de liaison et donc le taux d’évaporation. La quantité de gaz dissous dépend de leur pression partielle (loi de Raoult) et donc, en fin de compte, de la pression totale.

Ceux qui souhaitent mieux comprendre les relations entre la vapeur d’eau saturante dans l’air en fonction de la température peuvent étudier de manière plus approfondie le diagramme de Mollier-HX (enthalpique) ou diagramme psychrométrique.

Confort et climat intérieur

Quand l’être humain se sent-il bien ?

L’être humain ne se sent bien que dans certaines conditions ambiantes. Les quatre facteurs dominants sont la qualité thermique (chaleur), la qualité optique (lumière), la qualité acoustique (son) et la qualité de l’air. Nous allons examiner ces points de manière plus approfondie dans les paragraphes suivants.

Facteurs influençables pour un climat intérieur agréable

Dans les bâtiments simples, seuls deux facteurs sont pratiquement influencés : il s’agit d’une part de l’éclairage (voir à ce sujet le module 356) et d’autre part de la température. Dans les “bâtiments de haute qualité”, l’ombrage et la température de couleur, l’humidité, le mouvement de l’air, la qualité de l’air (CO₂, composé organique volatil ou COV), le son et la perception optique sont également influencés. Le son et la perception optique doivent être résolus dans la physique du bâtiment ou dans le concept architectural et ne font pas partie d’une influence active de la domotique. C’est pourquoi nous nous limitons ici aux critères de température, d’humidité, d’éclairement et d’ombrage (respectivement dans le module 356) et de qualité de l’air.

	Extérieur	Extérieur	Intérieur	Intérieur
Critère	min	max	min	max
Température	-50 °C	50 °C	10 °C	30 °C
Humidité	0 %	100 %	20 %	70 %
Vent	0 m/s	25 m/s	0 m/s	0.5 m/s
Intensité lumineuse	0 lx	500e3 lx	50 lx	10e3 lx
Eblouissement	–	–	UGR < 16	UGR < 28
Température de couleur	6500 K	6500 K	2500 K	6500 K
Indice de rendu des couleurs Ra	100	100	20, 80, 90	100
Optique des matériaux
Oxygène de l’air	7% (à 8000m)	21% (à 0m)	–	21%
Air CO2	400 ppm	400 ppm	400 ppm	2000 ppm
Air COV	0	–	0.2-0.3 mg/m3	3 mg/m3
Acoustique	20 dBA	120 dBA	30 dBA	60 dBA

Tout le monde se sent-il à l’aise dans toutes les conditions ?

Il existe certes des conditions limites techniques avec des plages acceptables qui doivent être respectées, mais chaque personne les ressent de manière très différente. En d’autres termes, bien que les conditions limites réglementaires soient respectées, il peut arriver que les utilisateurs de la pièce soient insatisfaits. Ou en formulant cela différemment, 5 % des utilisateurs de la pièce ne sont pas d’accord avec un paramètre quelconque de la pièce et se sentent mal à l’aise.

Remarque

La température ressentie par l’être humain est une composition de rayonnement thermique et de convection. La conduction de la chaleur par l’air peut être considérée comme négligeable, car l’air a une très mauvaise conductivité. Dans le cas idéal, le capteur de température ambiante mesure environ 50% de rayonnement (par ex. mur) et environ 50% de convection (par ex. température de l’air). Si ce rapport n’est pas correct, des erreurs d’interprétation se produisent.

L’être humain comme source de chaleur

L’être humain transforme l’énergie stockée chimiquement en travail mécanique et en chaleur. Pour maintenir les fonctions corporelles, le corps est maintenu à une température d’environ 37 °C, ce qui le rend plus chaud que l’environnement. Le corps transmet ainsi de la chaleur à l’environnement par rayonnement, convection, évaporation (avec la chaleur spécifique d’évaporation) et conduction thermique (très faible).

Définition du met (métabolisme)

L’unité métabolique 1 met = 58 W/m² correspond à la puissance émise par une personne par m² de surface à une température d’environ 22 °C, habillée d’un pantalon et d’une veste et travaillant en position assise. Attention : pour obtenir la puissance d’émission par personne, il faut la multiplier par la surface réelle (environ 1,8 m²). Outre le degré d’habillement et l’activité physique, la puissance d’émission est également fonction de la température ambiante, de l’humidité de l’air et de la vitesse du vent. En d’autres termes, si la température augmente, la puissance d’émission du corps diminue également.

Activité	Puissance délivrée [W]	Métabolisme [met]
Dormir	83	0.8
Rester assis tranquillement	104	1.0
Travail assis	126	1.2
Debout	146	1.4
Travail moyennement pénible	167	1.6
Marcher, 5 km/h	313	3.0

Protection de l’être humain contre le refroidissement

Si la température ambiante est faible, l’être humain doit se protéger d’un refroidissement trop important. Cela se passe via une couche de protection sous forme de vêtements. Alors qu’en été, un short et T-shirt suffisent, en hiver, il faut une veste en duvet et une protection à plusieurs niveaux composée de différentes couches de vêtements. Ces couches ont pour fonction première de réduire la chaleur dégagée par l’être humain. Cela peut être comparé à l’isolation pour un bâtiment.

Résistance thermique de l’être humain

En fonction de l’habillement, l’être humain a une résistance thermique R plus ou moins grande ; la notion de clothing clo est introduite comme unité (1 clo = 0.155 m²K/W) ; la résistance thermique est l’inverse de la valeur U. La résistance thermique de l’être humain est déterminée par le nombre de mètres carrés de la surface du vêtement.

Vêtements	Clothing [clo]	R [m2K/W]
Nu	0.0	0.0
Short, T-shirt	0.3	0.045
Pantalon, chemise à manches courtes	0.5	0.08
Pantalon, chemise, pull	1.0	0.155

Outre la température, l’humidité de l’air joue également un rôle important. En d’autres termes, les vêtements doivent certes réduire l’échange de chaleur, mais l’échange d’humidité doit pouvoir avoir lieu.

Le bien-être de l’être humain en fonction de la température et de l’humidité

Il ne suffit pas d’amener la température d’une pièce à un certain niveau ; il faut également maintenir l’humidité de l’air dans une fourchette raisonnable. Si elle est trop basse, les muqueuses sont mises à rude épreuve, si elle est trop élevée, nous ne pouvons plus guère évacuer de chaleur par évaporation. La température doit donc être considérée en combinaison avec l’humidité de l’air. Cette relation peut être représentée dans un diagramme x-y.

Humidité relative de l’air

Plus l’humidité de l’air est élevée, plus la température ambiante doit être basse.

Les bases, qui reposent sur des essais pratiques, se trouvent dans la norme européenne EN16798 (Suisse romande SIA382.711:2019). Un outil pratique en ligne est disponible :

CBE Thermal Comfort Tool :        https://comfort.cbe.berkeley.edu/EN