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Méthode de calcul des charges
estivales.
Les charges totales estivales comprennent 5 types principaux de charges thermiques :
- Les charges thermiques par les parois vitrées, qui sont souvent prépondérantes.
- Les charges thermiques par les parois opaques.
- Les charges thermiques dues au renouvellement d'air.
- Les charges thermiques dues aux occupants.
- Les charges thermiques dues à l'éclairage et aux appareils électroménager.
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Charge thermiques par les parois vitrées.
Le calcul des charges thermiques dues aux parois vitrées peuvent être
scindées en deux parties :
- Les charges dues à l'ensoleillement (flux direct et diffus).
- Les charges dues à la transmission thermique (conduction et convection).
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Charges thermiques dues à
l'ensoleillement.
Lorsque le rayonnement solaire atteint une paroi vitrée, une partie du flux
solaire est réfléchi (fréfléchi) cette partie d'énergie n'est pas
transformée en chaleur et n'est pas prise en compte dans les calculs, une partie est absorbé par le
vitrage (fabsorbé), cette partie d'énergie se transforme en chaleur
et est transmise au local par convection au sein de la couche limite
superficielle intérieure (il en est de même pour le coté extérieur), et une partie est transmise au local (ftransmis).
Cette dernière partie atteint les éléments intérieurs comme les parois opaques
(murs, planchers) et le mobilier, à ce moment là, cette énergie est
dégradée en chaleur ce qui induit une augmentation de la température du local.
La charge thermique transmise au local par les parois vitrées peut être relativement importante voir
même prépondérante sur la charge totale. De ce fait, il est nécessaire de
l'estimer de la façon la plus précise possible. Selon l'inertie du local, la
prise en compte du flux solaire instantané n'est pas la plus adaptée car plus
l'inertie est grande, plus les apports thermiques sont amortis et différés
rendant la charge plus uniforme dans le temps. La prise en compte du flux
solaire instantané peut conduire à un surdimensionnement des charges qui va
forcément influer sur le dimensionnement du système de climatisation et sur son coût d'exploitation. La
méthode présentée ici donne des valeurs calculées qui prennent en compte le flux
solaire direct et diffus et ces valeurs intègrent le déphasage et l'amortissement des
apports thermiques effectifs par rapport aux apports thermiques instantanés.
Ceci demande donc de connaître l'inertie du local. C'est donc pour cette raison
et selon l'inertie du local, que des valeurs sont supérieures à zéro après le
couché du soleil. Ces valeurs traduisent donc bien l'effet de la transmission du
flux solaire par les parois vitrées sur le local et non la charge instantanée.
On trouvera ces valeurs calculées dans le classeur Excel "Bilan Clim.xls" sur la
feuille "Apports vitrages". Ces valeurs sont données pour 1 m² de surface
vitrée effective (surface en tableau diminuée de la surface de la menuiserie). Le
calcul des charges dues à l'ensoleillement sur les parois vitrées ne vont pas
tenir compte de la présence de stores, rideaux ou volets ni même des ombres
portées afin de prendre en
compte les valeurs les plus défavorables.
La menuiserie étant opaque elle devrait être traitée comme telle c'est à dire
séparément du vitrage car la partie de flux solaire transmis n'existe pas mais
afin de ne pas rajouter à la complexité des calculs, il est possible de
l'intégrer dans le calcul des parois vitrées comme expliqué ci-dessous.
La
valeur des charges thermiques totales dues au flux solaire transmises par les
parois vitrées (vitrage + menuiserie) au local pour une heure donnée est obtenue de la manière suivante
:
QS_V = (Ag x FSol x fg) + (Af x FSol x ff), en W
Ag est la plus petite surface visible du vitrage vue des deux
cotés de la paroi sans prise en compte des joints de débordement, en m²
FSol sont les apports solaires surfaciques (dans le classeur Excel
"Bilan Clim.xls", feuille "Apports vitrages"), en W/m²
fg est le facteur solaire du vitrage, vitrage non traité, fg
= 0,76, vitrage peu émissif une vitre teintée et une réfléchissante, fg = 0,52, vitrage peu émissif
deux vitres réfléchissantes, fg = 0,48
Afin de prendre en compte le flux solaire sur la menuiserie, les mêmes valeurs
vont être utilisées (FSol) et un coefficient en fonction du type de
menuiserie sera appliqué à ces valeurs.
Af est la plus grande des surfaces projetées de la menuiserie
prise sans recouvrement vue des deux cotés de la paroi, en m²
ff est le facteur solaire de la menuiserie, menuiserie bois, ff
= 0,44, menuiserie PVC, ff = 0,42, menuiserie métal, ff =
0,46
Afin de simplifié les calculs, pour déterminer la surface vitrée à la surface en
tableau, un rapport de 0,7 (70%) peut être utilisé et par là, un rapport de 0,3
(30%) pour
la surface de menuiserie par rapport à la surface en tableau. La formule devient
alors :
QS_V = (Agf x 0,7 x FSol x fg) + (Agf
x 0,3 x FSol x ff), en W
Agf étant la surface en tableau de la paroi vitrée, en m²
Il est évident qu'un calcul du rapport réel permet une meilleure précision.
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Charges dues à la transmission
thermique.
Ces charges concernent principalement le rayonnement infrarouge. La transmission
thermique résulte du DeltaT extérieur / intérieur et ces charges peuvent être
prépondérantes si la paroi vitrée est la majeure partie du temps à l'ombre.
Comme elles sont fonction du DeltaT (en fonction de l'heure de la journée), des
résultats peuvent être négatifs ce qui signifie qu'il y a déperditions
thermiques du local par les parois vitrées et donc rafraîchissement.
Le flux thermique par transmission se calcule comme pour les déperditions
thermiques à la différence près que le calcul doit être fait pour chaque heure
de la journée et ceci afin de déterminer les charges maximales (toutes charges
confondues) pour une heure donnée. La formule est :
QT_V =
Uw x (Ag + Af) x (Te - Ti), en W
Uw est le coefficient de transmission thermique de la paroi vitrée,
en W/(m².K), défini comme expliqué à la partie "Calcul des déperditions" sur la page
"Calcul des déperditions (RT2000)" et au paragraphe "Méthode
de calcul des parois vitrées".
Te est la température de base en fonction de l'heure.
Ti est la température intérieure généralement prise égale à 25 °C.
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Charges thermiques par les
parois opaques.
Lorsque les rayons du soleil atteignent une paroi opaque, une partie du flux
solaire est réfléchi (fréfléchi) et une partie est absorbée (fabsorbé)
par les différents matériaux qui constituent la paroi opaque. Il n'y a pas de
flux transmis puisque la paroi est opaque au rayonnement. Ce flux absorbé
(l'énergie est dégradée en chaleur) est d'autant plus grand que la couleur du
parement de la paroi est sombre. L'inertie de la paroi conditionne le temps de
réponse (transmission de la chaleur au local). Plus l'inertie est grande, plus
les apports thermiques sont amortis et différés dans le temps.
Pour calculer les apports dus à l'ensoleillement des parois opaques et pour
prendre en compte l'inertie de ces dernières, la méthode de calcul présentée ici
utilise le concept de la température extérieure virtuelle (TeV) qui
intègre le flux solaire et les caractéristiques des parois opaques (capacité
d'absorption et inertie). La température extérieure virtuelle est en fait la
température extérieure fictive dont le DeltaT avec la température intérieure
occasionnerait le même flux de chaleur en régime permanant établi (donc sans
fluctuation des températures) que celui dû à l'ensoleillement et à l'inertie de
la paroi. Le calcul de cette température virtuelle intègre une température
extérieure équivalente (TeEqiv) (voir explication plus loin) mais
aussi le déphasage et l'amortissement de la paroi, ce qui caractérise heure par
heure le régime transitoire. La base de calcul pour la température virtuelle est
l'heure solaire (l'été, deux heures de moins que l'heure légale).
Le calcul de la température extérieure virtuelle est relativement complexe
puisqu'il est le résultat du produit de deux matrices (température équivalente
et réponse impulsionnelle de la paroi) et ceci pour chaque heure de la journée.
Pour cette raison et comme il est impossible ici de présenter les tableaux (plus
de 100)
prenant en compte les paramètres ayant servis à son calcul, le
classeur Excel "Bilan Clim.xls" à la feuille "Temp. virtuelle" permet le calcul
de cette température virtuelle après avoir défini les valeurs nécessaires
proposées dans les listes de choix.
La notion de température équivalente (TeEqiv) correspond à la
température extérieure produisant le même flux de chaleur à travers la paroi
opaque et ceci sans ensoleillement. Cette température traduit l'absorption de
chaleur par la paroi par une élévation de la température équivalente que l'on
obtient d'après la formule :
TeEqiv = Te + Cp x Fsi / he
Te est la température extérieure pour l'heure considérée
Cp est la capacité d'absorption du parement extérieur de la paroi. Cp dépend de
la couleur du parement et les valeurs sont données dans le tableau ci-dessous :
Couleur |
Blanche |
Claire |
Moyenne |
Sombre |
Cp |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,9 |
Fsi est le flux solaire
incident (direct et diffus), en W/m².
he est le coefficient d'échange superficiel extérieur, en W/(m².K). he est
l'inverse de la résistance thermique superficielle extérieure (Rse), en m².K/W.
Durant la période estivale, les températures des parois sont plus élevées que
durant la période hivernale, la vitesse du vent étant aussi en moyenne plus
basse, ceci induit un changement du coefficient he. La méthode de calcul de Rse
est indiquée dans la partie "calcul des déperditions" donc, ici l'obtention du
coefficient he n'entrera pas dans les détails.
Pour une température moyenne de 20 °C, hr = 5,13 W/(m².K)
Pour une vitesse de vent de 2 m/s, ha = 12 W/(m².K)
he = 12 + 5,13 = 17,13 W/(m².K)
Ce qui donne une résistance thermique de :
Rse = 1 / 17,13 = 0,058 m².K/W
La température extérieure équivalente n'est pas directement utilisée dans les
calculs des charges thermiques car elle est déterminée pour un régime permanent
établi alors que le calcul des charges thermiques nécessite de déterminer les
apports en régime transitoire (les températures changeant d'heure en heure comme
le flux solaire). Cette température extérieure équivalente entre malgré tout
dans le calcul de la température virtuelle et c'est pour cette raison qu'elle
est expliquée ici afin de permettre, pour qui le souhaite et au travers du
classeur Excel, de mieux comprendre l'obtention de la température virtuelle.
Pour obtenir les valeurs de température virtuelle, cinq configurations de base
on été définies :
Deux types de toitures :
- 1, toiture classique composée d'une couche de tuiles en terre cuite ou béton, 10 cm de
laine de verre et 13 mm de placo-plâtre ce qui correspond à des combles aménagés.
- 2, toiture terrasse composée d'une couche d'étanchéité (1 cm), d'une protection d'étanchéité (10 cm de
gravier ou 10 cm de béton ou 10 cm de gravier + dalle), 10 cm de laine de verre
compacte, 20 cm de dalle (terre cuite ou agglo de 15 cm + 5 cm de béton), 1 cm
de plâtre.
Trois types de murs :
- 1, mur léger, composé d'une couche de parement métallique ou autre, 6 cm
d'isolant et une autre couche de parement métallique ou autre.
- 2, mur classique, composé d'une couche de 2 cm d'enduit au mortier, d'une
brique ou agglo de 20 cm (avec ou sans isolant) et une couche de plâtre de 1 cm.
- 3, mur béton, composé d'une couche de 10 cm de béton, de 10 cm d'isolant et de
1 cm de plâtre.
Il est donc nécessaire de trouver la configuration la plus approchante à la
composition de la paroi étudiée.
La formule pour connaître la charge thermique par les parois opaques pour une
heure donnée est :
QT_O = Up x A x (TeV - Ti), en W
Up est le coefficient de transmission thermique surfacique de la paroi, en
W/(m².K), défini comme expliqué à la partie "Calcul des déperditions" sur la
page "Calcul des déperditions (RT2000)" et au paragraphe "Méthode
de calcul des parois opaques".
A est la surface de la paroi en m²
Note 1 : Les valeurs de flux solaire incident (direct et diffus) sont
calculées dans le classeur Excel sur la feuille "Rayonnement". Ces
valeurs sont fonction de plusieurs paramètres :
- de l'orientation de la paroi en degré (voir valeur dans le tableau ci-dessous)
Orientation |
angle (°) |
Orientation |
angle (°) |
nord |
(-+)180 |
sud |
0 |
nord-nord-est |
-157,5 |
sud-sud-ouest |
22,5 |
nord-est |
-135 |
sud-ouest |
45 |
est-nord-est |
-112,5 |
ouest-sud-ouest |
67,5 |
est |
-90 |
ouest |
90 |
est-sud-est |
-67,5 |
ouest-nord-ouest |
112,5 |
sud-est |
-45 |
nord-ouest |
135 |
sud-sud-est |
-22,5 |
nord-nord-ouest |
157,5 |
- de l'inclinaison de la paroi, 0°
pour une paroi horizontale, 90° pour une paroi verticale. Est considérée comme
paroi verticale une paroi dont l'angle avec l'horizontale est égal ou supérieur
à 60°.
- de la latitude du lieu (en France, de 42° Nord, la Corse, à 51° Nord,
Dunkerque). Pour simplifier, il est possible de prendre 45° N pour la moitié sud
et 49° N pour la moitié nord de la France sans commettre d'erreur appréciable.
- du mois (ici de juin à septembre)
- de l'heure
(ici de l'heure solaire, de 0 à 23 h).
- de l'azimut du soleil
- de la déclinaison
- et de bien d'autres paramètres qu'il est possible de voir dans le classeur.
Pour cette raison, il n'est pas possible ici, d'expliquer la méthode de calcul
complète mais en décortiquant le classeur il est tout à fait possible d'en
comprendre le mécanisme.
Note 2 : Dans le cas où les parois intérieures (cloisons ou refends)
donnent sur un local non climatisé où la température d'ambiance est susceptible
d'être bien supérieure à celle de la pièce étudiée, le flux de chaleur venant de
ce local est considéré en régime permanant établi et donc, le calcul des charges
thermiques de ces parois est à faire comme pour le calcul des déperditions
thermiques soit :
QT_O_Int = Up x A x (Tu - Ti), en W
où Tu est la température moyenne du local adjacent et A la surface de la paroi.
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Charges thermiques dues au
renouvellement d'air.
Pour évacuer la pollution émise par les occupants, il est nécessaire de
renouveler l'air ambiant (pour les débits obligatoires, voir la page "Calcul des
déperditions (RT2000)" et au paragraphe "Déperditions
par renouvellement d'air"). L'air extérieur entrant dans les locaux crée une
charge thermique qui doit être prise en compte. En général, le logement n'est
pas totalement imperméable aux infiltrations d'air parasite, en hiver on
considère que le débit de fuite est de 1,3 m3 par m2 de
paroi, cette infiltration parasite est favorisée par le tirage thermique dû à la
différence de densité entre l'air intérieur et l'air extérieur. En été il en est
autrement car la température intérieure de l'air en pleine journée est la
plupart du temps inférieure à celle de l'air extérieur et de ce fait, le tirage
thermique est inexistant. Pour les moments où elle est supérieure à celle de
l'air extérieur, le tirage créé permet un rafraîchissement du logement. La nuit, comme la température de l'air extérieur est
souvent inférieure à celle de l'air intérieur une ouverture des fenêtres permet
de réduire les charges par un fort renouvellement d'air et selon l'inertie du
logement, ce rafraîchissement sera différé en journée. Conclusion, les entrées
d'air parasites peuvent être négligées dans le calcul des charges thermiques par
renouvellement d'air mais pour ceux qui le souhaite, rien ne les empêchent
d'appliquer un coefficient de majoration.
Dans le calcul des charges thermiques par renouvellement d'air, il y a un phénomène
qui est à prendre
en compte, c'est l'humidité de l'air. On peut dire que l'air contient deux types
de chaleur. La chaleur sensible, celle que nous percevons et dont on est capable
d'en évaluer la modification par nos sens (refroidissement ou réchauffement) et
la chaleur latente, chaleur qui fait changer l'état physique d'un corps sans en
modifier sa température. Exemple, quand on transforme 1kg de glace à 0°C en eau
à 0°C (à la pression atmosphérique), ceci demande une quantité de chaleur de
333,7 kJ, d'où une chaleur latente de 333,7 kJ. Pour faire passer ce litre d'eau
de 0°C à 100°C, ceci demande une fourniture de chaleur de : 4,1855 x 100 =
418,55 kJ, d'ou une chaleur sensible de 418,55 kJ. Chaleur sensible puisqu'il y
a augmentation de température. Il en est de même pour le passage de l'état
liquide à l'état gazeux (vapeur). Pour faire passer le litre d'eau à 100°C de
l'état liquide à l'état de vapeur à 100°C, ceci demande une quantité de chaleur
de 2258 kJ soit 2258 kJ de chaleur latente puisque le passage de l'état liquide
à l'état gazeux s'effectue à température constante (si on met un thermomètre
dans une casserole où de l'eau se vaporise, on peut constater que la température
n'augmente pas).
Le calcul des charges thermiques par renouvellement d'air doit alors être scindé en
deux parties :
- Les charges dues à la chaleur sensible de l'air.
- Les charges dues à la chaleur latente de l'air.
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Charges thermiques sensibles.
Les charges thermiques sensibles se calculent de façon simple en appliquant la
formule suivante :
QA_S = V x 0,34 x (Te - Ti), en W
V étant le débit volumique en m3
0,34 est la capacité thermique volumique de l'air en Wh/m3.K donnée
par le CSTB. En été, la valeur moyenne est plutôt 0,33 Wh/m3.K.
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Charges thermiques latentes.
Pour calculer les charges thermiques par chaleur latente, il est nécessaire de
procéder à une conversion entre le débit volumique (m3/h) et le débit
massique (kg/h) avec une des deux formules suivantes :
M = V / 0,84 ou M = V x 1,19, en kg/h
0,84 est le volume spécifique, en m3/kg et 1,19 est la masse
volumique en kg/m3, pour un air à 20
°C et une hygrométrie de 50% à une pression atmosphérique de 101325 Pa (pression
atmosphérique en Pascal au niveau 0).
Pour pouvoir effectuer les calculs, il est nécessaire de connaître l'humidité
absolue de l'air extérieur et de l'air intérieur. C'est la différence d'humidité
absolue par le débit massique qui va donner la charge thermique latente. Pour
pouvoir déterminer l'humidité absolue d'un air en fonction de sa température et
de son hygrométrie un diagramme de l'air humide peut être utilisé ou alors,
passer par différentes formules. Pour ceci, il faut avoir la pression partielle
de vapeur (Pv) de l'air en fonction de son hygrométrie et ceci en partant de sa
pression de vapeur saturante (Pvs).
Une des formules (parmi les plus approchantes) permettant l'obtention étant la suivante :
Pvs = 611 x EXP(7,257 x 10-2 x T - 2,937 x 10-4 x T2
+ 9,81 x 10-7 x T3 - 1,901 x 10-9 x T4),
en Pa
Donc, la pression partielle de vapeur est :
Pv = Pvs x HR, en Pa
HR est le taux d'humidité relative de l'air (taux d'hygrométrie)
On arrive ensuite à la formule pour connaître l'humidité absolue en Kg d'eau / Kg d'air sec :
r = 0,6221 x Pv / (P0 - Pv), en Kge/Kgas
P0 étant la pression atmosphérique au niveau de la mer (niveau
zéro) prise égale à 101325 Pa
La formule pour la charge thermique latente est :
QA_L = 0,827 x V x (rairExt - rairInt), en W
rairExt et rairInt sont les humidité absolues de l'air
extérieur et intérieur, en gramme d'eau par kg d'air
sec (geau / Kgair_sec)
Exemple, admettons une température de l'air extérieur de 33 °C pour une
humidité relative de 40% et une température de l'air intérieur de 25 °C pour une
humidité relative de 50% avec un débit de 60 m3/h.
Pour l'air extérieur, la pression de vapeur saturante (à 100% d'humidité) est de :
Pvs = 611 x EXP(7,257 x 10-2 x 33 - 2,937 x 10-4 x
332 + 9,81 x 10-7 x 333 - 1,901 x 10-9
x 334) = 5029,46 Pa
Sa pression partielle de :
Pv = 5029,46 x 0,4 = 2011,78 Pa
Et de là, son humidité absolue :
r = 0,6221 x 2011,78 / (101325 - 2011,78) = 0,0126 Kgeau/Kgair_sec,
soit 12,6 geau/ Kgair_sec
Pour l'air intérieur :
Pvs = 611 x EXP(7,257 x 10-2 x 25 - 2,937 x 10-4 x
252 + 9,81 x 10-7 x 253 - 1,901 x 10-9
x 254) = 3166,46 Pa
Pression partielle :
Pv = 3166,46 x 0,5 = 1583,23 Pa
Humidité absolue :
r = 0,6221 x 1583,23 / (101325 - 1583,23) = 0,0099 Kgeau/Kgair_sec,
soit 9,9 geau/Kgair_sec
La charge thermique latente est alors de :
QA_L = 0,827 x 60 x (12,6 - 9,9) = 133,97 W
Note : dans le classeur Excel, le calcul est un peu plus complexe car il
prend en compte la pression atmosphérique en fonction de l'altitude du logement,
l'enthalpie massique du changement d'état de l'eau (eau > vapeur et vice versa),
le volume massique de l'air en fonction de la pression atmosphérique (qui elle
est, comme indiqué plus haut, fonction de l'altitude du logement). Certaines
valeurs peuvent être négatives selon l'heure de la journée, dans ce cas, l'air
extérieur apporte de la fraîcheur.
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Charges thermiques dues aux
occupants.
La méthode utilisée ici est issue de la norme EN ISO 7730 traitant du
confort des occupants dans des locaux à ambiance thermique modérée. Les
valeurs choisie et entrées manuellement dans les différents champs du
classeur Excel doivent aboutir à une situation de confort. La norme
stipule que les occupants sont en situation de confort quand le
pourcentage prévisible d'insatisfaits (PPD) est inférieur à 10% ce qui
correspond à un vote moyen prévisible (PMV) de -0,5 à 0,5 sur l'échelle
de satisfaction (voir tableau ci-dessous). On peut voir que pour un vote
neutre, le pourcentage d'insatisfait est encore de 5%, preuve qu'il est
impossible de satisfaire tout le monde.
PMV |
-3 |
-2 |
-1 |
-0,5 |
0 |
+0,5 |
+1 |
+2 |
+3 |
Sensation |
froid |
frais |
légèrement frais |
- |
neutre |
- |
légèrement chaud |
tiède |
chaud |
PPD |
90% |
75% |
25% |
10% |
5% |
10% |
25% |
75% |
90% |
Les situations de confort sont plus
nombreuses lorsque la température sèche de l'air est basse (20 °C) que
quand elle est élevée (30 °C). A 30 °C il n'y a guère plus qu'une
situation de confort. L'analyse des diverses situations (faire des
simulations avec le classeur) démontre que le métabolisme doit réduire
lorsque la température opératoire augmente. Donc, si le métabolisme
décroît, la quantité de chaleur, latente et sensible, à évacuer par
l'organisme décroît elle aussi ce qui donne un résultat qui peut
surprendre dans un premier temps et qui à priori peut paraître
paradoxal, car le flux de chaleur cédé par l'organisme à l'environnement
diminue quand la température ambiante augmente. Le classeur offre un
graphique en nuage de points qui permet de se rendre compte visuellement
de la situation de confort (un point se déplace sur la courbe PMV-PPD).
Le calcul des charges thermiques dues
aux occupants étant assez complexe, elle ne sera pas expliqué ici pour le
moment. Il est malgré tout possible, pour qui le désire, de comprendre
cette méthode au travers du classeur Excel. A ce propos, la norme EN ISO
7730 fourni un programme en Fortran qui a été transformé en VBA (Visual
Basic pour Application) et disponible dans un module du VBE (Visual
Basic Editor) du classeur. Pour ouvrir le VBE, utiliser la combinaison
de touche Alt-F11, ensuite, cliquer sur le module "Mod_EN_ISO_7730" dans
la partie supérieure gauche de la fenêtre. Après avoir mis le curseur
dans la procédure, appuyer sur F5, la première boite de dialogue
s'affiche.
Comme pour le renouvellement
d'air, les charges thermiques dues aux occupants sont scindées en deux parties :
- Les charges dues à la chaleur sensible du corps humain.
- Les charges dues à la chaleur latente du corps humain.
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Charges thermiques sensibles.
Les charges thermiques sensibles (QOC_S), en W, sont calculées
dans le classeur Excel sur la feuille "Occupants" en fonction de
plusieurs paramètres qu'il est nécessaire de renseigner.
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Charges thermiques latentes.
Les charges thermiques latentes (QOC_L), en W, comme pour
les charges thermiques sensibles, sont calculées dans le classeur. |
Les charge thermiques sensibles et
latentes des occupants doivent être calculées pour une personne moyenne
représentative du groupe. Les valeurs indiquées ci-dessous peuvent être
utilisées :
- Pour une occupation mixte, taille = 1,70 m, poids = 70 kg
- Pour une occupation exclusivement féminine, taille = 1,65 m, poids =
65 kg
- pour une occupation exclusivement masculine, taille = 1,75 m, poids =
75 kg
Comme l'étude des charges thermiques ne concerne que la période
estivale, la tenue vestimentaire des occupants est une tenue plutôt légère
et dans ce cas, les valeurs disponibles dans la liste de choix du
classeur ne le sont que pour cette période.
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Charges thermiques dues à
l'éclairage et aux appareils électroménager.
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Charge dues à l'éclairage.
En ce qui concerne les charges dues à l'éclairage, une moyenne journalière ne
peut pas être utilisée car le calcul doit être fait
heure par heure afin de les inclure dans les charges totales et ceci afin de
définir l'heure où la charge est la plus grande. La difficulté réside
dans le fait qu'on ne sait pas à partir de quelle heure l'éclairage n'est plus
utile car il est fonction de la surface de clair des parois vitrées, de
l'orientation, de la latitude, de la hauteur du soleil et de l'activité. Afin de simplifier, on peut
admettre que l'éclairage n'est pas utile de 8 heures solaires (10 heures
légales) à 13 heures solaires (15 heures légales). Heures qui peuvent être
adaptées au cas par cas.
La tendance actuelle est de partir du principe que l'énergie électrique
consommée par l'éclairage est intégralement transformée en chaleur. De ce fait,
la charge due à l'éclairage est seulement une charge de chaleur sensible.
Les charges dues aux éclairages sont égales à la puissance installée en ce qui
concerne les lampes à incandescence (spots halogènes, ampoules classiques) :
QE = PEclairage, en W
Pour des locaux commerciaux et afin de simplifier,
PEclairage peut être pris pour 40 W/m²
et pour cela, la formule devient :
QE = S x PEclairage, en W
En ce qui concerne les lampes à fluorescence (tubes néons), on majore la
puissance installé de 15% :
QE = PEclairage x 1,15, en W
Pour des locaux commerciaux,
PEclairage peut être pris pour 10 W/m²
La formule est alors :
QE = S x PEclairage x 1,15, en W
S étant la surface du local, en m².
Pour les pièces d'habitations
PEclairage est la puissance installée.
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Charges dues aux appareils
électroménager.
La chaleur dégagée par les appareils électroménager est principalement de la
chaleur sensible. Comme pour l'éclairage, c'est la puissance électrique de
l'appareil qui est à prendre en compte en fonction de la durée de fonctionnement
par heure.
QAPP = PAppareil x Duréemn / 60, en W
Duréemn est la durée d'utilisation en minutes/heure
Dans le tableau ci-dessous sont indiqués quelques valeurs de puissance
d'appareils ainsi que la durée possible d'utilisation.
Appareils |
Puissance en W |
Durée de
fonctionnement en minutes |
Téléviseur |
175 |
60 |
Ordinateur |
100 |
60 |
Aspirateur |
1200 |
15 |
Four |
3000 |
60 |
Plaque de cuisson |
3000 |
60 |
Fer à repasser |
1000 |
60 |
Grille-pain |
500 |
10 |
Lave linge |
6000 |
60 |
Lave vaisselle |
5000 |
60 |
Réfrigérateur |
200 |
30* |
Robot |
1000 |
5 |
* La durée de fonctionnement est
en continue mais le fonctionnement du compresseur est géré par un thermostat qui
coupe le fonctionnement quand la consigne est atteinte.
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Mode opératoire des calculs
dans le classeur Excel "Bilan Clim.xls".
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Sécurité du classeur.
Le classeur "Bilan Clim.xls" contient des procédures et fonctions
personnalisées appelées macros qu'il est nécessaire d'activer à l'ouverture du
classeur. Si le niveau de sécurité est sur "Niveau de sécurité élevé", le
classeur sera inutilisable. Pour activer les macros, aller dans
"Outils|Macro|Sécurité..." onglet "Niveau de sécurité" cliquer sur "Niveau de
sécurité moyen". Fermer le classeur, puis le ré ouvrir en cliquant "Activer les
macros".
Les feuilles du classeur sont protégées afin d'éviter l'effacement des formules
dont certaines sont assez complexes, seules les cellules devant être renseignées
sont accessibles. La protection à été effectuée sans mot de passe, il est donc
facile de déprotéger les feuilles en allant dans le menu Outils|Protection et
"Ôter la protection de la feuille..."
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Mode opératoire.
- Pour la feuille "Feuille de calculs"
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Valeurs générales.
Il est nécessaire de se rendre en premier lieu sur la feuille "Feuille de
calculs" afin de renseigner les différents champs.
- N° de département, de lui dépend la température extérieure de base été ainsi
que le taux d'humidité relative de l'air extérieur.
- Altitude, afin de définir la pression atmosphérique du lieu considéré, en m.
- Latitude, entre dans le calcul pour définir le flux solaire, faire un choix
dans la liste.
- Type d'inertie, sert au calcul des charges à travers les parois vitrées, faire
un choix dans la liste.
- Mois du calcul, afin de trouver les charges maximales qui serviront au
dimensionnement du système de climatisation, le calcul doit être fait sur les
quatre mois d'été, c'est ce qui complique un peu la méthode de calcul, faire un
choix dans la liste.
- Position du Jour dans le mois, de 1 à 30 ou 31 selon le mois. Afin de trouver
les charges maximales pour chaque mois, le calcul devrait être fait pour chaque
jour mais dans ces conditions, il deviendrait vraiment très fastidieux. Donc,
pour simplifier, les calculs peuvent être fait pour le milieu de mois soit le 15
de chaque mois.
- Température intérieure, c'est la température souhaitée dans la pièce durant le
fonctionnement du système de climatisation. Généralement, la température
utilisée est de 25 °C.
- Humidité relative désirée, c'est l'humidité souhaitée qui permet un bon
confort dans la pièce. Si on n'installe pas de système qui règle le taux
d'humidité (humidificateur/déshumidificateur) l'humidité absolue de l'air
intérieur sera à quelque chose près celle de l'air extérieur (l'activité des
occupants génère de l'humidité mais on peut estimer qu'elle est évacuée par le
système de ventilation). Comme on admet alors que l'humidité absolue ne change
pas, l'humidité relative est fonction de la température de l'air. Si l'humidité
relative de l'air extérieur est de 40 % pour une température de 30 °C et que
l'on refroidisse cet air jusqu'à 25 °C, l'humidité relative passe à 53,6 % [40 x
Pvs(33 °C) / Pvs(25 °C)].
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Valeurs de parois.
- Orientation, c'est la position en degré de la paroi par rapport au sud (voir
tableau plus haut).
- Inclinaison, c'est l'angle en degré que fait la paroi avec l'horizontale.
- Type de paroi, le choix est à faire en fonction de la configuration la plus
approchante avec celles citées plus haut, faire un choix dans la liste.
- Surface brute, surface intérieure de la paroi, en m².
- Teinte de la paroi, il est nécessaire d'estimer la teinte du revêtement
extérieur de la paroi entre blanche, claire, moyenne et sombre, faire un choix
dans la liste.
- Coefficient Up, comme précisé plus haut, il doit être calculé avec la méthode
indiqué dans la partie "Calcul des déperditions", en W/(m².K).
- Surface en tableau, dimension de l'ouverture dans la paroi opaque.
- Surface de la menuiserie, soit la mesure précise, soit appliquer un
coefficient de 0,3 (30%)
- Facteur solaire vitrage, vitrage non traité, fg
= 0,76, vitrage peu émissif une vitre teintée et une réfléchissante, fg = 0,52, vitrage peu émissif
deux vitres réfléchissantes, fg = 0,48, faire un choix dans la liste.
- facteur solaire menuiserie, menuiserie bois, ff
= 0,44, menuiserie PVC, ff = 0,42, menuiserie métal, ff =
0,46, faire un choix dans la liste.
- Coefficient Uw, comme pour le coefficient Up, en W/(m².K).
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Paroi étudiée
- Paroi étudiée, si on voulait calculer instantanément toutes les parois, il
faudrait autant de feuilles de calculs qu'il y a de parois, ce qui compliquerait
quelques peu la méthode. Pour cette raison, le calcul est fait paroi après paroi
avec report des valeurs obtenues (qui concerne seulement les charges par les
parois opaques et vitrées) sur la feuille "Résultats", c'est à dire qu'une fois
toutes les valeurs entrées, on choisi la paroi qui doit être calculée et ceci
fait, on se rend sur la feuille "Résultats" et puis on clique sur le bouton
correspondant afin de reporter les valeurs obtenues. Il suffit de faire la même
manoeuvre pour chaque paroi. Ceci est à faire pour chaque mois d'été.
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Charges thermiques dues aux
occupants.
- Nombre d'occupants, il faut indiquer le nombre d'occupants pour chaque heure
de la journée.
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Charges thermiques dues à
l'éclairage et aux appareils électroménager.
- QE_Class, indiquer la puissance des ampoules classique ou des spots
halogènes, en W pour chaque heure de la journée.
- QE_Fluo, puissance des néons, en W pour chaque heure de la journée.
- QAPP, puissance des appareils électroménager, en W pour chaque
heure de la journée.
Note : faire bien attention à utiliser les heures légales et non
solaires.
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- Pour la feuille "Occupants"
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Occupants.
- Taille, c'est la taille moyenne représentative du groupe d'occupants, en m.
- Poids, c'est le poids moyen représentatif du groupe d'occupants, en kg.
- Activité, faire un choix dans la liste.
- Tenue vestimentaire, faire un choix dans la liste.
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Pièce.
- Longueur, indiquer la longueur intérieure de la pièce, en m.
- Largeur, indiquer la largeur intérieure de la pièce, en m.
- Hauteur sous plafond, indiquer la hauteur du sol au plafond, en m.
- Vitesse de l'air, située en conditions normale entre 0,1 et 0,3 m/s, faire un
choix dans la liste.
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Températures.
- Temp. murs, en été, la température des murs est voisine de celle de l'air de
la pièce, il est donc possible d'indiquer la même température que celle désirée
dans la pièce.
- Temp. sol, si le sol a une fonction de plancher rafraîchissant, indiquer la
température superficielle, sinon, il est possible de prendre une température
inférieure de 2 °C par rapport à celle désirée dans la pièce.
- Temp. plafond, si le plafond a une fonction de plafond rafraîchissant,
indiquer la température superficielle, sinon, il est possible de prendre la même
température que celle désirée dans la pièce.
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- Pour la feuille "Résultats"
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Partie parois.
Le classeur permet de calculer jusqu'à six parois. Il y a donc six boutons
permettant de reporter les valeurs correspondantes pour les parois opaques et
vitrées. Les charges dues au renouvellement d'air, aux occupants et à
l'éclairage/appareils électroménager étant au niveau de la pièce, elles sont
reportées automatiquement.
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Partie mois.
Le calcul des charges maximales est fait sur les quatre mois d'été, soit juin,
juillet, août et septembre. Une fois toutes les parois calculées, il est
nécessaire de reporter les valeurs du mois considéré afin de pouvoir déterminer
les charges thermiques maximales qui vont servir au dimensionnement du système
de climatisation. Pour ce faire, la feuille "Résultats" possède quatre boutons
permettant de reporter les valeurs. Une fois les quatre mois calculés, la valeur
maximale est indiquée de deux façons, la première est une mise en forme de la
cellule contenant cette valeur (fond jaune avec fonte en gras et rouge), la
seconde est une cellule située au dessus du graphique représentant les valeur
des charges thermiques pour chaque mois et chaque heure solaire de la journée.
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Note : pour faire le calcul
d'une autre pièce ou pour la même pièce mais avec d'autres caractéristiques, il
est nécessaire de supprimer manuellement les valeurs reportées en ce qui
concerne les parois et les mois.
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