Echange de chaleur entre l’homme et son environnement

Modélisation de la conductivité thermique

Le milieu poreux est considéré comme une juxtaposition de couches alternées entre solide et fluide. Ainsi, l’objectif de cette partie est de présenter d’une manière succincte diverses méthodes de mesures des propriétés thermiques, notamment de la conductivité thermique. De nombreuses méthodes de mesures de la conductivité thermique des milieux poreux ont été développées, faisant appel à des développements d’outils expérimentaux et de modélisations plusou moins complexes. Les méthodes proposées donnent de bons résultats, mais dépendent en général de certains paramètres (géométrie du milieu étudié, conditions aux limites) et donc se pose le problème de leurs champs d’application. La validité de chaque méthode dépend de sa fiabilité ainsi que de la marge d’erreur calculée à partir d’un modèle décrit.
Bien que la conductivité thermique apparente d’un milieu granulaire dépende de plusieurs paramètres structuraux, seule la porosité qui joue un rôle primordial, est prise en compte.
Certains modèles de calcul introduisent les surfaces de contact, qui jouent un rôle important surtout pour les milieux granulaires consolidés.
Il existe un panel important de modèles de calcul de la conductivité thermique apparente dans un milieu granulaire. Notre objectif étant ici de présenter succinctement quelques-uns. Cette famille de modèles recouvre en réalité deux grands types d’approches d’une part par analogie électrique, d’autre part par une résolution exacte de l’équation de chaleur.
La masse volumique d’un corps de volume V comprenant une masse de solide s m et une masse de fluide fm est donnée par :

Modèle série et parallèle

Lorsque le milieu est supposé périodique (alternance des phases solides et fluides), avec une structure bien définie, le calcul de la conductivité thermique peut se faire soit :
– par résolution de l’équation de la chaleur appliquée à la géométrie du milieu ou
– par analogie électrique en assimilant le milieu à un ensemble de résistances en série et en parallèle.
Le flux de chaleur est supposé de direction perpendiculairement aux couches disposées en série. Dans le cas d’un milieu poreux biphasique avec une phase solide et une phase fluide (figure 11), la conductivité thermique effective est donnée par :

ECHANGES THERMIQUES DANS L’HABITAT

Une étude du confort thermique permet de définir des conditions d’ambiance acceptables pour un sujet vivant dans une enveloppe d’un bâtiment.
L’enveloppe d’un bâtiment correspond à la notion de clos et de couvert tant en ce qui concerne la couverture que les façades ou les parties enterrées. C’est l’interface entre un espace qui doit satisfaire aux besoins de confort et de protection de ses occupants, et un environnement qui présente de l’inconfort et des risques. Elle est de ce fait, soumise à de multiples actions et la pérennité de ses performances doit être assurée. Le bâtiment se trouve donc dans un environnement où il interagit avec l’air extérieur, le ciel, les objets environnants et le soleil. Chacun de ces éléments cités a un effet sur le comportement thermique du bâtiment. Dans cette partie nous étudions les facteurs de ces éléments influençant la température intérieure d’un bâtiment.
Pour évaluer le rayonnement de la voûte célestre, on considère que la voûte céleste se comporte comme un corps noir à la température du ciel C T . La température du ciel CT estestimée à partir de la relation (I – 49), [9] :

Transferts conductifs

Généralités sur la conduction thermique

La conduction thermique est un processus d’échange dans lequel l’énergie cinétique moyenne des diverses particules tend à s’uniformiser par diffusion, des zones chaudes vers les zones froides. Ce processus se stabilise si les conditions imposées aux limites de l’élément sont maintenues constantes : cette stabilisation traduit le régime permanent. La période avant la stabilisation correspond au régime transitoire.
Les parois sont souvent constituées par la juxtaposition de matériaux de différentes natures.
Entre ces matériaux, le contact, qui n’est jamais parfait, crée une résistance thermique. Dans le cadre de notre travail on considère le contact entre les couches d’une paroi comme parfait par conséquent la résistance de contact est nulle.
Les paramètres thermo physiques évoluent en fonction du temps et cette variation provient des phénomènes cycliques comme les saisons qui mettent en jeu l’humidité.
La masse volumique et la capacité calorifique sont des paramètres qui dépendent directement des constituants du matériau et ne sont généralement pas sujets à des variations notables.
Les domaines de variation sont faibles dans le bâtiment et les conductivités varient peu. On se contente d’utiliser les valeurs moyennes qui donnent des résultats acceptables (tableau 4).
En réalité les conditions aux limites ne sont pas constantes, ce qui fait que nous ayons une succession de régimes transitoires et que le régime permanent est difficilement atteint. La conduction thermique dans une paroi est traduite par l’équation de la chaleur et nécessite laconnaissance des conditions initiales et aux limites.

Bilan des échanges de chaleur

La température intérieure d’un bâtiment est donnée par le bilan de chaleur sensible. Ce bilan résulte de l’équation thermo-convective de la zone car le bâtiment doit être subdivisé en zone thermique. La zone thermique est caractérisée par une température uniforme.
Les apports de chaleur qui contribuent au bilan thermique sont les suivants :
– les transferts de chaleur par convection entre l’air et les surfaces intérieures des parois opaques qui forment la zone ;
– les transferts de chaleur à travers les parois sansinertie (vitrages) ;
– les transferts de chaleur à travers les ponts thermiques ;
– les transferts aérauliques entre la zone étudiée et les zones adjacentes de température différentes (y compris l’extérieur considéré comme zone thermique) ;
– et les flux internes dus aux occupants, à l’éclairage artificiel et aux différents processus.

Flux à travers les ponts thermiques

Un pont thermique est une zone ponctuelle ou linéaire qui, dans l’enveloppe d’un bâtiment, présente une variation de résistance thermique (à la jonction de deux parois en général). Un pont thermique est donc crée si :
– il y a changement de la géométrie de l’enveloppe ;
– il y a changement de matériaux et ou de résistance thermique.
Les ponts thermiques sont donc des singularités au niveau de l’enveloppe du bâtiment où le transfert n’est pas unidirectionnel. Un pont thermique est par conséquent un trou dans l’isolation thermique par lequel s’échappe la chaleur.
Les pertes de chaleur au niveau des ponts thermiques sont plus accentuées sur les parois thermiquement isolées.

Flux internes

Les apports calorifiques ayant leur source à l’intérieur d’un local prennent la forme de dégagement de chaleur sensible et de chaleur latente. Les principales sources de chaleur sont les suivantes :
– occupants (chaleur sensible et chaleur latente) ;
– apports électriques : éclairage, moteurs, appareilsélectriques (chaleur sensible) ;
– sources calorifiques diverses : cuisine (chaleur sensible et chaleur latente).
Les apports sensibles sont dissipés de manière convective et radiative dans des proportions variables selon leur origine.

Les Occupants

La chaleur dégagée par un individu est la somme d’une énergie sensible et d’une chaleur latente liée au métabolisme de la respiration et de l’évaporation cutanée (tableau 7). Cette chaleur dépend de l’habillement, de l’activité du sujet et de la température ambiante. La proportion de la part latente croît avec la température sèche de l’ambiance.

Appareillage électrique

L’éclairage constitue la principale source électrique dans les logements. Dans le tertiaire, les appareillages spécifiques contribuent également à la charge interne : Les machines à écrire, photocopieuses, moteurs, ventilateurs. Nous allons considérer pour l’habitat social les appareils comme :
– téléviseur ;
– lampe à incandescence ou lampe à néon. qui fonctionnent en moyenne six heures par jour.
Le scénario de fonctionnement des appareils électriques est le suivant :
– le téléviseur fonctionne de 18 heures à 00 heures ;
– les lampes sont allumées de 18 heures à 00 heures.

Rayonnement solaire courte longueur d’onde

Le flux par rayonnement courte longueur d’onde (CLO) arrivant sur l’enveloppe extérieur d’un bâtiment est évalué par la somme diffus, direct et réfléchi par le sol. Le rayonnement CLO ou rayonnement visible provient du soleil. Il arrive sur la paroi d’un bâtiment soit directement (on parle de rayonnement direct), soit après réflexion ou/et diffusion parl’atmosphère ou réflexion par les objets environnants (rayonnement diffus).
Une partie du rayonnement se réfléchit sur les parois sous forme diffuse. La partie réfléchie dépend du type de rayonnement incident, de la couleur et de l’état de surface de la paroi.

CONFORT THERMIQUE

Nous échangeons de la chaleur par conduction avec les matériaux en contact avec notre peau (vêtement serré, chaussures, siège, poignée, objet manipulé), par convection avec l’air ambiant, à la surface de la peau et dans les voies respiratoires et par rayonnement avec les différentes surfaces de l’environnement.
Un quatrième mode de transfert intervient : l’évaporation. Il correspond à une chaleur latente de changement d’état. Les déperditions de chaleur par évaporation s’effectuent :
– dans les voies respiratoires : quelle que soit la teneur en eau de l’air ambiant, à la sortie des voies respiratoires, l’air est saturé en vapeur d’eau ;
– à la surface de la peau : l’eau évaporée à la surface de la peau est produite par deux mécanismes bien distincts, soit elle diffuse à travers les cellules cutanées, soit elle est sécrétée par les glandes sudoripares.
L’organisme échange donc de la chaleur avec le milieu extérieur par l’intermédiaire de la peau et des voies respiratoires, par des mécanismes de conduction, convection, rayonnement et évaporation. La connaissance et la maîtrise de l’environnement passent par la caractérisation de ces différents mécanismes de transfert car la sensation thermique est souvent associéedirectement au confort.
De ce point de vue, le confort thermique peut être défini comme un état de satisfaction vis-à vis de l’environnement thermique. Il est déterminé par l’équilibre dynamique établi par échange thermique entre le corps et son environnement. Par conséquent, les phénomènes d’échanges de chaleur entre le corps et son environnement sont liés directement aux problèmes de confort.
L’homme peut avoir chaud ou froid dans des conditions extrêmes qui peuvent le plonger dans une hyperthermie ou hypothermie lors d’une exposition prolongée mettant en péril sa vie. La sensation thermique ainsi générée donne naissance ou non à l’inconfort. Si la zone sensorielle de ni chaud – ni froid permet, pour la majorité despersonnes, de garantir l’absence d’inconfort thermique marqué, elle ne peut prétendre garantir le confort thermique.
Ainsi, le confort thermique d’un individu dans une ambiance donnée dépend des six paramètres déterminants qui se repartissent comme suit :
– caractéristiques de l’individu et de son habillement :
– le métabolisme
– la résistance thermique du vêtement
– caractéristiques de l’ambiance :
– la température de l’air
– l’humidité relative de l’air
– la vitesse de l’air
– la température radiante moyenne

Le système régulateur de l’homme

L’homme est un endotherme c’est-à-dire une espèce vivante qui maintient sa température interne constante indépendante de celle du milieu externe grâce à des mécanismes de thermorégulation. Lorsqu’il est placé dans une ambiance thermique quelconque, il met en œuvre un mécanisme physiologique qui lui permet de lutter contre le froid ou la chaleur.
Ce processus automatique de régulation de la température interne est activé par les centres nerveux hypothalamiques (système nerveux central). Ces centres agissent sur les organes effecteurs tels que les vaisseaux sanguins, les muscles ou les glandes sudoripares afind’équilibrer en permanence les pertes et gains de chaleur entre l’organisme et le milieu ambiant. Les thermo-détecteurs répondent les uns à une stimulation froide, et les autres à une stimulation chaude.

Régulation thermique en ambiance froide

L’un des premiers mécanismes de régulation, chez un homme exposé au froid, consiste à réduire la perte de chaleur du corps vers le milieu ambiant grâce à la vasoconstriction des vaisseaux sanguins irriguant la peau. Ceci se traduit par une chute de transport de chaleur par le sang de l’intérieur du corps vers la peau. Au fur et à mesure que la température baisse,l’organisme met en jeu deux processus générant de la chaleur :
– production de chaleur métabolique en agissant sur les réactions chimiques produisant de la chaleur ;
– frisson musculaire pouvant produire une quantité de chaleur cinq fois supérieures à celle de métabolisme basal. Il se traduit par des contractions musculaires involontaires et non ordonnées des muscles du corps.

Régulation thermique en ambiance chaude

Exposé à la chaleur, l’organisme humain augmente le transport interne de chaleur par vasodilatation des vaisseaux sanguins irriguant la peau ce qui entraîne une augmentation de latempérature cutanée, facilitant ainsi les pertes de chaleur par convection, rayonnement et conduction, du corps vers le milieu ambiant. Lorsque la vasodilatation ne suffit pas à équilibrer le gain de chaleur, l’organisme humain met en jeu les mécanismes sudoraux. Lesglandes sudoripares situées au niveau de la peau vont sécréter puis excréter la sueur quis’étale sur la peau en s’évaporant.

Echange par convection

La convection correspond aux échanges de chaleur entre le corps et l’air. Elle dépend de la différence entre la température de l’air et celle de la surface exposée, peau ouvêtement en cas de convection naturelle. Si l’air est froid le corps se refroidit par le mouvement de l’air qui se réchauffe au contact du corps et s’élève pour former un contour de panache au dessus de la tête avant d’être dissipé dans l’environnement. Le mouvement de l’air peut aussi être imposé en cas de convection forcée ou mixte. En plus, il faut prendre en compte le mouvement relatif de l’air par rapport au corps en cas de certaines activités (marche, course…) qui s’ajoutent au mouvement effectif de l’air. Quand l’air est plus chaud que la surface en contact, la convection résulte par un réchauffement du corps.
Le corps dit moyen est assimilé à un cylindre vertical de diamètre D = 0,3 m (figure 23).

Table des matières
AVANT PROPOS
DEDICACES
SOMMAIRE
NOMENCLATURE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION
PARTIE I – ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. TRANSFERTS THERMIQUES ET DE MASSE DANS LES MATERIAUX
I.1.1. Porosité et compacité
I.1.2. Masse volumique
I.1.3. Humidité dans les matériaux poreux
I.1.4. Transfert thermique dans les matériaux poreux
I.1.5. Modélisation de la conduction thermique
I.2. ECHANGES THERMIQUES DANS L’HABITAT
I.2.1. Rayonnement
I.2.2. Transferts conductifs
I.2.3. Transferts convectifs
I.2.4. Transferts radiatifs
I.2.5. Bilan des échanges de chaleur
I.3. CONFORT THERMIQUE
I.3.1. Métabolisme
I.3.2. Système régulateur de l’homme
I.3.3. Echange de chaleur entre l’homme et son environnement
I.3.4. Appréciation du confort
I.4. METHODES DE MESURES
I.4.1. Méthodes de mesure des propriétés des matériaux de base utilisés
I.4.2. Méthodes de mesure de la résistance mécanique
I.4.3. Méthodes de mesure de la conductivité thermique
I.4.4. Méthodes de mesure de la diffusivité thermique
I.4.5. Mesures de la conductivité et de la diffusivité avec la méthode des boîtes
I.4.6. Mesure de la conductivité thermique par la méthode du plan chaud
PARTIE II – ETUDE EXPERIMENTALE
II.1. RESULTATS MECANIQUES
II.1.1. Granulométrie
II.1.2. Limite d’Atterberg
II.1.3. Poids spécifique ou masse volumique absolue
II.1.4. Résistance à la compression
II.2. RESULTATS THERMIQUES
II.2.1. Conductivité thermique
II.2.2. Résistance thermique
II.2.3. Diffusivité thermique
II.3. RESULTATS THERMOMECANIQUES
II.3.1. Les mélanges d’argile de Sébikotane et de paille de riz
II.3.2. Les mélanges d’argile Sébikotane, de paillede riz et de ciment
II.3.3. Les mélanges de latérite de Montrolland et de paille de riz
II.4. APPLICATION DES RESULTATS A UN BATIMENT
II.4.1. Cas du matériau constitué de : 95,8 % argile + 4,2 % paille
II.4.2. Cas du matériau constitué de : 97 % latérite + 3 % paille
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
Annexe A1 : Quelques résultats des mesures de la conductivité thermique des
mélanges de paille de riz et d’argile de Sébikotane
Annexe A2 : Quelques résultats des mesures de la conductivité thermique des
mélanges de paille de riz et de latérite de Monrolland
Annexe A3 : Résultats des mesures de la diffusivitéthermique

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