Consommation d’énergie : calcul des déperditions thermiques

Le problème de l’énergie est d’abord un problème de conservation et de dépense, si l’énergie solaire est abondante et presque infinie, nous ne pouvons en capter qu’une partie dont il s’agit toujours de conserver le plus longtemps possible. Comment l’énergie s’échappe-t-elle ? Combien d’énergie consomme un bâtiment ? Comment calculer son isolation ?

Si l’énergie ne disparaît jamais selon la première loi de thermo-physique, elle cherche constamment à fuir vers des contrées plus fraîches, à s’échapper des constructions dans lesquelles elle avait été piégée… les déperditions énergétiques d’un bâtiment partent dans l’espace, une partie est absorbée par l’atmosphère le reste rejoint le rayonnement de la terre dans l’espace infini.

Le calcul des déperditions consiste à déterminer la température extérieure minimum moyenne pour les périodes les plus froides de l’année et de faire le bilan du nombre de kWh qui s’échappent du bâtiment par conductivité et par ventilation. L’objectif d’un bâtiment performant énergétiquement étant de réduire ces pertes énergétiques jusqu’au minimum.

Calcul des déperditions

Le calcul des déperditions et des besoins annuels de chauffage et/ou de climatisation peut être fait à partir de la somme des degrés jour unifiés. Les degrés jours sont donnés par la différence entre la température intérieure souhaitée ti : 18-21 C et les températures extérieures moyennes tem relevées chaque jour : ti-tem pendant une période donnée

La somme de tous les degrés jour positif donne un paramètre utile pour le calcul de l’isolation. Plus cette somme est importante et plus l’isolation devra être importante :

  • Localisation | degrés jours
  • Bastia: 1340
  • Marseille: 1502
  • Nice: 1482
  • Perpignan: 1683
  • Strasbourg: 2887
  • Bordeaux: 2109
  • Paris: 2158
  • Nantes: 2437
  • Lyon: 2579
  • Lille: 2991
  • Belfort: 3106

Un autre moyen de calcul est de partir de la température extérieure de base (te), celle-ci est donnée par les enregistrements météorologiques pour un lieu donné et prend en compte d’un certain nombre de facteurs climatiques comme les moyennes diurnes et nocturnes, le refroidissement dû au vent, le rayonnement vers l’espace, la nébulosité, les apports et l’intensité du rayonnement solaire…

  • Localisation | température de base
  • Bastia: 0° C
  • Nice: 0°C
  • Perpignan: -2° C
  • Strasbourg: -15° C
  • Bordeaux: -4° C
  • Paris: -8°C
  • Nantes: -2° C
  • Lyon: -11° C
  • Lille: -10° C
  • Belfort: -15° C

La différence entre la température de base (te) extérieure et la température souhaitée à l’intérieur (ti) nous donne la valeur de Dt qui sert au calcul des déperditions des périodes les plus froides.

Déperdition par infiltration et par renouvellement d’air

Le renouvellement de l’air intérieur est important pour la santé et c’est une erreur grave de vouloir isoler un local et de limiter sa ventilation par économie d’énergie. Il existe plusieurs moyens de renouveler l’air en le tempérant avant qu’il ne pénètre un local ( puit canadien, façade double peau, VMC double flux… voir ‘air’ )

Les infiltrations se produisent à travers les fentes, fissures, l’ensemble des défauts d’étanchéité d’une construction par différence de pression et de température entre l’intérieur et l’extérieur. Pendant longtemps ce fut la méthode traditionnelle de ventilation ; aujourd’hui, les menuiseries et les méthodes de construction moderne tendent à les faire disparaître à renfort de joints d’étanchéité, de mastic, de calfeutrement dont seuls certains ne sont pas nuisibles pour la santé.

Les déperditions dues au renouvellement d’air concernent aussi l’ouverture des portes, de fenêtres, le fonctionnement des cheminées… Si la ventilation est importante, il est nécessaire qu’elle soit bien calculée et maîtrisée pour minimiser les pertes inutiles.

Une méthode de calcul de ces déperditions consiste à affecter un coefficient de déperdition Qa (en Wh) à chaque pièce et de l’additionner pour avoir la valeur totale :

  • On notera la chaleur spécifique de l’air ambiant a= 0,34wh/m³.°C
  • Pour le volume intérieur de V= 25m3
  • N est le taux de renouvellement d’air en une heure soit N= débit d’air par heure (m3/h) / volume V (m3) par exemple N=1 ( soit 25m3/heure)
  • Dt est la différence de température entre l’air entrant (de préférence tempérée) et l’air intérieur, par exemple :18°C
  • Qa = axVxDtxN

Soit Qa=0,34x25x18x1 = 153Wh

Déperdition des parois par transmission et Isolation: U

Chaque matériau possède une conductivité thermique λ (en W /m. C ) plus ou moins élevée. La conductivité donne le débit horaire d’un flux énergétique par conduction à travers une épaisseur donnée pour une surface donnée et à une différence de température donnée. Q est la chaleur transmise en W à travers un matériau sera donné par : Q= A x Dt x λ/e Où :

  • A est la surface du matériau en m²
  • λ est la conductivité d’un matériau en W /m. C
  • e est l’épaisseur en m
  • Dt est la différence de température

La page matériau donne la conductivité thermique des principaux isolants, tel que :

  • Laine : 0,06 W /m. C
  • Liège : 0,049 W /m. C
  • Cellulose : 0,042 W /m. C

La résistance thermique d’un matériau R pour une épaisseur donnée en m2. C / W se calcul par l’épaisseur du matériau divisé par sa conductivité : R= e/ λ

Pour obtenir le coefficient de déperdition d’une paroi composite U en W /m2. C, on additionne les résistances de chaque matériau formant une couche de la paroi, et U est donné par l’inverse de cette somme : U= 1/ R1+R2+R3

La performance des parois des bâtiments dépend de ce coefficient U…

À titre d’exemple, voici les coefficients U pour la réglementation thermique française ( RT2005), pour une construction basse énergie et une construction très basse énergie. Ces valeurs sont des moyennes qui doivent être adaptées à chaque région et de leurs températures les plus basses.

U en W/m2.°C

Parois RT2005 Basse Energie Très Basse Energie
Mur extérieur 0,4à 0,36 0,2 0,13
Plancher haut 0,25 à 0,2 0,13 0,1
Plancher bas 0,36 à 0,27 0,2 0,13
Baie vitrée 2,1 à 1,8 1,5 0,8

Déperditions d’une construction

On calcule les déperditions en régime permanent Qd en Wh par le produit du coefficient U par la surface de la paroi A par la différence de température Dt et la durée en heures h : Qd = UxAx Dtxh

Ce calcul peut ensuite se généraliser à toutes les parois extérieures d’une construction,

  • On peut aussi le faire par pièces et cela permettra de déterminer pour chaque pièce les apports nécessaires.
  • On peut le faire par type de paroi pour l’ensemble de l’enveloppe de la construction.
  • On peut enfin le faire séparément pour les façades, la toiture, et la dalle

L’addition de l’ensemble doit donner le même résultat.

L’évaluation des déperditions par les calculs précédant est relativement approximative et un certain nombre de paramètres supplémentaires peuvent être prix en compte pour les pondérer, notamment le calcul du comportement thermique par saison, l’orientation et le rayonnement solaire sur l’enveloppe du bâtiment, la température extérieure de l’air en fonction de l’heure et de la position du soleil, les caractéristiques des parois ( masse thermique, couleur, surface des matériaux, isolation amovible…) protection solaire, emplacement des ouvrants, dispositif d’isolation nocturne…

Sachant par exemple que les déperditions thermiques sont plus importantes la nuit, on peut simplement concevoir un système d’occultation isolant, amovible le jour et permettant d’améliorer pendant la nuit les performances du bâtiment.

L’isolation fournit par le système doit être prise en compte dans les calculs :

Si ce système apporte une isolation Unuit est fermé pendant 14h les nuits d’hiver on calculera le Q jour et le Qnuit pour Q= UxAx txh

  • Qjour = Ujour x A x t x 10
  • Qnuit = Unuit x A x t x 14

 

Pour compléter, voici une autre méthode de calcul plus précise : Calcul des déperditions

(Source)

 

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