Analyse par Simulation Thermique Dynamique (STD) du Confort d'Été
Contexte : L'enjeu du confort d'étéCapacité d'un bâtiment à maintenir une température intérieure agréable pendant les périodes de forte chaleur, sans recourir à la climatisation active. dans les bâtiments neufs.
Avec le réchauffement climatique, la conception de bâtiments performants en hiver ne suffit plus. Il est crucial de garantir un confort thermique acceptable durant les vagues de chaleur estivales, tout en limitant la consommation énergétique. La Simulation Thermique Dynamique (STD)Outil de calcul qui simule heure par heure le comportement thermique d'un bâtiment sur une année complète, en tenant compte de tous les phénomènes physiques (soleil, vent, occupation, etc.). est l'outil de référence pour prédire les températures intérieures et valider les stratégies de conception passive.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à interpréter les résultats d'une STD pour évaluer le confort d'été d'un logement et à comprendre l'impact de paramètres clés comme les protections solaires et la ventilation.
Objectifs Pédagogiques
- Identifier les données d'entrée nécessaires à une STD.
- Analyser une courbe de température intérieure issue d'une simulation.
- Évaluer le respect d'un critère de confort d'été simple.
- Quantifier l'efficacité d'une protection solaire sur les apports énergétiques.
Données de l'étude
Caractéristiques du Bâtiment
| Caractéristique | Valeur |
|---|---|
| Localisation | Lyon, France |
| Type d'Inertie | Inertie thermiqueCapacité d'un matériau à stocker de la chaleur ou de la fraîcheur. Une forte inertie (murs en béton, pierre) aide à amortir les pics de température. moyenne (parpaing + isolation intérieure) |
| Orientation de la façade principale | Plein Sud |
Plan simplifié du séjour étudié
| Paramètre de Simulation | Description | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Surface vitrée Sud | Surface de la baie vitrée du séjour | 6.0 | m² |
| Facteur Solaire (g) | Facteur Solaire gProportion de l'énergie solaire qui traverse un vitrage. Un 'g' de 0,60 signifie que 60% de l'énergie solaire frapper la vitre entre dans la pièce. du vitrage (sans protection) | 0.58 | - |
| Irradiation solaire max | Énergie solaire maximale reçue sur la façade Sud | 750 | W/m² |
Questions à traiter
- Calculer l'apport solaire maximal (en kW) entrant dans le séjour par la baie vitrée.
- Le graphique ci-dessous montre la température opérativeTempérature ressentie par l'occupant, qui est une moyenne entre la température de l'air et la température des parois (murs, fenêtres, etc.). dans le séjour sur 3 jours de canicule. Quelle est la température maximale atteinte et à quel moment de la journée ?
- En considérant un seuil de confort de 28°C, le logement est-il confortable ? Justifiez.
- On décide d'installer un volet roulant. Fermé, il a un facteur de protection (S_w) de 0.15. Calculer le nouvel apport solaire maximal.
- Quelle conclusion générale pouvez-vous tirer sur la conception de ce logement ?
Résultats de la STD - Température Opérative du Séjour
Les bases de la thermique d'été
Pour assurer le confort d'été, il faut maîtriser le bilan thermique d'un local. L'objectif est de limiter les apports de chaleur (solaires, internes) et de maximiser les déperditions (par ventilation, vers les parois) pendant les périodes chaudes.
1. Bilan thermique simplifié d'un local
La température dans une pièce résulte de l'équilibre entre les gains et les pertes de chaleur. En été, les principaux gains sont :
- Apports solaires (\(\Phi_{\text{solaire}}\)) : Chaleur entrant par les fenêtres.
- Apports internes (\(\Phi_{\text{interne}}\)) : Chaleur dégagée par les occupants, l'éclairage, les appareils.
2. Calcul des apports solaires
L'apport solaire à travers une fenêtre est la principale source de surchauffe. Il se calcule avec la formule suivante, où l'irradiation est la puissance du soleil par m² :
\[ \Phi_{\text{solaire}} = A_{\text{vitrée}} \times g \times \text{Irradiation} \]
Le facteur `g` (ou SHGC) est une caractéristique du vitrage. Plus il est bas, plus le vitrage est performant contre la chaleur solaire.
Correction : Analyse par Simulation Thermique Dynamique (STD) du Confort d'Été
Question 1 : Calcul de l'apport solaire maximal
Principe
L'objectif est de calculer la puissance thermique maximale (en Watts, puis en kW) que le soleil apporte à la pièce à travers la baie vitrée au moment le plus chaud de la journée, c'est-à-dire quand l'ensoleillement est maximal.
Mini-Cours
Le rayonnement solaire qui atteint une fenêtre se compose de trois parties : directe, diffuse (réfléchie par le ciel) et réfléchie (par le sol ou les bâtiments voisins). Le facteur solaire `g` est une note globale qui indique quel pourcentage de toute cette énergie traverse le vitrage et se transforme en chaleur à l'intérieur.
Remarque Pédagogique
Pour évaluer le risque de surchauffe, on étudie toujours le "pire cas". Ici, cela signifie prendre l'irradiation solaire maximale possible sur la façade. C'est cette puissance instantanée qui va créer les pics de température.
Normes
Les méthodes de calcul des apports solaires et les données climatiques de référence (comme l'irradiation maximale) sont définies dans des normes internationales comme l'ISO 52016-1, qui sert de base aux réglementations thermiques nationales.
Formule(s)
Formule des apports solaires
Hypothèses
Pour ce calcul simplifié, nous posons les hypothèses suivantes :
- L'irradiation de 750 W/m² frappe l'entièreté de la surface vitrée.
- Le facteur solaire `g` du vitrage est constant et ne dépend pas de l'angle d'incidence du soleil.
Donnée(s)
On utilise les données suivantes pour le calcul :
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Aire de la baie vitrée | \(A_{\text{vitrée}}\) | 6.0 | m² |
| Facteur solaire | \(g\) | 0.58 | - |
| Irradiation maximale | \(I_{\text{max}}\) | 750 | W/m² |
Astuces
Pour avoir un ordre de grandeur rapide, on peut se dire qu'un mètre carré de vitrage standard non protégé plein sud en été peut laisser entrer autant de chaleur qu'un petit radiateur de 500W. C'est une image qui aide à visualiser l'impact.
Schéma (Avant les calculs)
Phénomène physique de l'apport solaire
Calcul(s)
Application numérique
Conversion du résultat
Schéma (Après les calculs)
Visualisation de l'Apport Solaire
Réflexions
Un apport de 2.61 kW est considérable. C'est l'équivalent de plus de deux radiateurs électriques de 1000W ou d'une vingtaine d'adultes réunis dans la même pièce. Il est évident que cet apport de chaleur, s'il n'est pas maîtrisé, conduira à une augmentation rapide de la température intérieure.
Points de vigilance
L'erreur la plus commune est l'oubli d'unités ou une mauvaise conversion. Assurez-vous que toutes vos données sont dans le Système International (mètres, Watts) avant de commencer le calcul. L'irradiation peut parfois être donnée en kWh/m²/jour, ce qui est une énergie et non une puissance ; il faut être vigilant à la nature de la donnée.
Points à retenir
Pour maîtriser cette question, retenez :
- La formule des apports solaires : \(\Phi_{\text{solaire}} = A_{\text{vitrée}} \times g \times I_{\text{solaire}}\).
- Le facteur 'g' est la clé de la performance d'un vitrage en été.
- Les apports solaires sont souvent le poste de chaleur le plus important en été.
Le saviez-vous ?
Il existe des vitrages dits "à contrôle solaire" avec un facteur `g` très bas (inférieur à 0.30). Ils possèdent une fine couche d'oxydes métalliques invisibles à l'œil nu qui réfléchit une grande partie du rayonnement infrarouge (la chaleur) tout en laissant passer la lumière visible. C'est une technologie clé pour les grands bâtiments tertiaires vitrés.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Recalculez l'apport solaire maximal si la baie vitrée avait une surface de 8 m² et un vitrage plus performant avec un facteur g de 0.40.
Question 2 : Analyse de la courbe de température
Principe
Il s'agit de lire et d'interpréter le graphique fourni, qui représente l'évolution de la température ressentie dans la pièce au cours du temps.
Mini-Cours
Une courbe de STD comme celle-ci est riche en informations. Le pic de température est souvent décalé par rapport au pic d'ensoleillement (midi solaire) à cause de l'inertie thermique du bâtiment : les murs et les planchers absorbent la chaleur pendant la journée et la restituent lentement, avec un certain retard. L'amplitude des variations (différence entre la température la plus haute et la plus basse) nous renseigne sur la capacité du bâtiment à "amortir" les vagues de chaleur.
Réflexions
En observant le graphique de la simulation :
- La température la plus élevée est atteinte le Jour 2.
- Le pic de température est de 30.5°C.
- Ce pic est atteint en fin d'après-midi, vers 17h00. Ce décalage par rapport au pic solaire (midi solaire) est dû à l'inertie thermique du bâtiment.
Points de vigilance
Faites attention à bien identifier le jour le plus critique, qui n'est pas forcément le premier jour de la canicule, car la chaleur peut s'accumuler dans le bâtiment. De plus, ne vous fiez pas uniquement à la valeur maximale : la durée pendant laquelle la température reste élevée (le "plateau" de la courbe) est tout aussi importante pour juger de l'inconfort.
Résultat Final
Question 3 : Évaluation du confort
Principe
On compare la température maximale simulée (30.5°C) au seuil de confort de référence (28°C) pour déterminer si la situation est acceptable pour les occupants.
Mini-Cours
Le confort thermique est une sensation subjective. Cependant, des modèles comme le "confort adaptatif" (norme ASHRAE 55) montrent que notre seuil de tolérance à la chaleur augmente légèrement lorsque la température extérieure moyenne augmente. Pour un exercice simplifié, on utilise un seuil fixe, mais une analyse réglementaire complète prend en compte cette adaptation.
Remarque Pédagogique
Regarder uniquement la température maximale est une simplification. Un ingénieur thermicien analyse surtout la *durée* du dépassement. La réglementation française RE2020 utilise l'indicateur "Degrés-Heures d'inconfort" (DH) qui cumule, pour chaque heure de l'année, l'écart de température au-dessus du seuil de confort.
Normes
La réglementation environnementale RE2020 impose un nombre maximal de Degrés-Heures d'inconfort (DH) à ne pas dépasser sur l'année, avec un seuil de base fixé à 26°C la nuit et 28°C le jour.
Formule(s)
Critère de confort
Hypothèses
Nous supposons que le seuil de 28°C est une limite stricte et représentative du confort pour des occupants ayant une activité sédentaire (par exemple, lire ou regarder la télévision).
Donnée(s)
On utilise les données suivantes pour la comparaison :
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Température opérative max. | \(T_{\text{op, max}}\) | 30.5 | °C |
| Seuil de confort | \(T_{\text{seuil}}\) | 28.0 | °C |
Astuces
En conception, une règle simple est de viser à ce que la température intérieure ne dépasse jamais la température extérieure de plus de 5°C sans climatisation. Si dehors il fait 33°C, atteindre 30.5°C dedans montre déjà un bon comportement, mais cela peut rester inconfortable.
Schéma (Avant les calculs)
Comparaison de la température au seuil de confort
Calcul(s)
Comparaison des températures
Calcul du dépassement
Schéma (Après les calculs)
Visualisation du dépassement de confort
Réflexions
Un dépassement de 2.5°C est significatif. Il indique que pendant les heures les plus chaudes de la journée caniculaire, le logement sera perçu comme étant trop chaud et inconfortable, pouvant potentiellement affecter le bien-être et la santé des occupants les plus fragiles.
Points de vigilance
Ne pas confondre la température de l'air et la température opérative. Une grande baie vitrée, même performante, aura une surface intérieure chaude en été. Cette paroi "chaude" rayonne vers vous et augmente votre sensation d'inconfort, ce que la température opérative prend en compte, contrairement à un simple thermomètre à air.
Points à retenir
Pour évaluer le confort :
- Comparer la température simulée à un seuil de référence.
- La température opérative est un meilleur indicateur que la simple température de l'air.
- Un dépassement, même ponctuel, signale un risque d'inconfort à analyser plus en détail (en durée).
Le saviez-vous ?
Le corps humain évacue sa chaleur par convection (avec l'air), radiation (vers les parois), évaporation (transpiration) et conduction. Le confort thermique est atteint lorsque le corps peut maintenir sa température interne de 37°C sans effort. Un ventilateur de plafond agit sur la convection (vitesse de l'air) et améliore le confort même sans baisser la température de l'air.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
La réglementation impose de ne pas dépasser 26°C la nuit. Si la simulation montrait une température minimale nocturne de 27°C, le logement serait-il confortable la nuit ?
Question 4 : Effet d'une protection solaire
Principe
Un volet roulant agit comme une barrière au rayonnement solaire. Son efficacité modifie le facteur solaire global de la fenêtre. Nous allons calculer le nouvel apport de chaleur avec cette protection pour quantifier son bénéfice.
Mini-Cours
Les protections solaires sont classées par leur position. Les protections extérieures (volets, brise-soleil orientables, stores bannes) sont les plus efficaces car elles bloquent la chaleur avant même qu'elle n'atteigne le vitrage. Les protections intérieures (rideaux, stores vénitiens) sont beaucoup moins performantes : le soleil traverse la vitre, chauffe le rideau, qui à son tour chauffe l'air de la pièce par convection et rayonnement.
Remarque Pédagogique
La gestion des apports solaires est la stratégie numéro 1 du confort d'été passif. Avant de penser à la ventilation ou à l'inertie, il faut d'abord "fermer le robinet" à chaleur qu'est une fenêtre non protégée en été.
Normes
Les caractéristiques des protections solaires (facteur S_w) sont standardisées. Les logiciels de STD intègrent des bibliothèques de produits certifiés pour permettre des calculs fiables et conformes aux réglementations.
Formule(s)
Facteur solaire total
Nouvel apport solaire
Hypothèses
Nous faisons l'hypothèse que l'occupant gère parfaitement les protections, c'est-à-dire que le volet roulant est complètement fermé pendant les heures d'ensoleillement de la façade.
Donnée(s)
On utilise l'ensemble des données nécessaires pour ce calcul :
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Aire de la baie vitrée | \(A_{\text{vitrée}}\) | 6.0 | m² |
| Facteur solaire du vitrage | \(g_{\text{vitrage}}\) | 0.58 | - |
| Irradiation maximale | \(I_{\text{max}}\) | 750 | W/m² |
| Facteur de protection du volet | \(S_{\text{w}}\) | 0.15 | - |
Astuces
Une bonne protection solaire extérieure divise les apports solaires par un facteur 5 à 10. C'est de loin l'action la plus impactante que l'on puisse mener pour améliorer le confort d'été.
Schéma (Avant les calculs)
Système avec protection extérieure
Calcul(s)
Étape 1 : Calcul du facteur solaire total
Étape 2 : Calcul du nouvel apport solaire maximal
Conversion du résultat
Schéma (Après les calculs)
Comparaison des Apports Solaires Maximaux
Réflexions
L'apport solaire passe de 2610 W à 391.5 W. La chaleur entrante est donc divisée par un facteur de :
Calcul du facteur de réduction
Cette réduction drastique des gains solaires en journée est la condition sine qua non pour espérer maintenir une température intérieure confortable.
Points de vigilance
Attention à ne pas confondre le facteur de la protection \(S_w\) avec le \(g_{\text{tot}}\) final. Le \(S_w\) est un multiplicateur qui s'applique au vitrage existant. Il est également crucial de bien spécifier s'il s'agit d'une protection intérieure ou extérieure, car leurs performances n'ont rien à voir.
Points à retenir
Les points clés sont :
- Le facteur solaire global est \(g_{\text{tot}} = g_{\text{vitrage}} \times S_{\text{w, protection}}\).
- Une protection solaire extérieure est extrêmement efficace pour réduire les apports solaires.
- La gestion des protections (les fermer au bon moment) est aussi importante que leur présence.
Le saviez-vous ?
Les brise-soleil orientables (BSO) sont une solution très performante. Leurs lames horizontales peuvent être inclinées pour bloquer le rayonnement solaire direct (surtout quand le soleil est haut en été) tout en laissant passer la lumière naturelle diffuse, ce qui évite de plonger la pièce dans le noir complet, contrairement à un volet roulant.
FAQ
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle serait la puissance solaire maximale (en kW) si on utilisait un simple store intérieur de facteur S_w = 0.6 ?
Question 5 : Conclusion générale
Principe
Il s'agit de synthétiser les résultats de l'analyse pour porter un jugement global sur la conception du bâtiment vis-à-vis du confort d'été.
Mini-Cours
La conclusion d'une étude thermique doit hiérarchiser les actions à mener. En conception passive pour le confort d'été, la démarche est toujours la même :
- Se protéger du soleil : C'est l'action la plus efficace. Bloquer le rayonnement avant qu'il ne traverse le vitrage est la priorité (protections extérieures).
- Évacuer la chaleur : Une fois les apports limités, il faut évacuer la chaleur résiduelle (occupants, appareils) grâce à une ventilation nocturne efficace.
- Utiliser l'inertie : Une bonne inertie thermique permet de stocker la chaleur de la journée et de la "décharger" la nuit grâce à la ventilation, lissant ainsi les pics de température.
Réflexions
L'analyse a montré que :
- Le logement, dans sa conception initiale, est sujet à la surchauffe en été, principalement à cause des apports solaires importants par la grande baie vitrée au Sud.
- L'absence de protections solaires efficaces est un défaut de conception majeur pour un bâtiment situé à Lyon.
- L'ajout d'une protection solaire performante (volet roulant) est une solution très efficace pour résoudre le problème, en divisant les apports solaires par un facteur 7.
Points à retenir
Le confort d'été doit être intégré dès les premières phases de la conception. De grandes surfaces vitrées, même sur un bâtiment bien isolé, imposent la mise en place de protections solaires extérieures pour éviter la surchauffe.
Résultat Final
Outil Interactif : Impact des paramètres sur le confort
Utilisez les curseurs pour voir comment le facteur solaire du vitrage et la ventilation nocturne influencent la température maximale dans le séjour.
Paramètres d'Entrée
Résultats Estimés
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Qu'est-ce que la Simulation Thermique Dynamique (STD) ?
2. Pour réduire la surchauffe estivale, il est préférable d'avoir un facteur solaire (g) :
3. Dans cet exercice, pourquoi la température maximale est-elle atteinte à 17h et non à midi ?
4. Quelle est la solution la plus efficace pour se protéger des apports solaires en été ?
5. La ventilation nocturne est une stratégie efficace pour :
Glossaire
- Simulation Thermique Dynamique (STD)
- Outil de calcul qui simule heure par heure le comportement thermique d'un bâtiment sur une année complète, en tenant compte des conditions météorologiques, de l'occupation, et des caractéristiques du bâtiment pour prédire les températures et les consommations énergétiques.
- Confort d'été
- Capacité d'un bâtiment à maintenir une température intérieure agréable pendant les périodes de forte chaleur, sans recourir à la climatisation active. Il est souvent évalué par le nombre d'heures où la température dépasse un certain seuil.
- Facteur Solaire (g)
- Aussi appelé SHGC (Solar Heat Gain Coefficient), c'est la proportion de l'énergie solaire incidente qui traverse un vitrage et se transforme en chaleur à l'intérieur de la pièce. Une valeur de 0.58 signifie que 58% de l'énergie solaire passe.
- Inertie Thermique
- Capacité d'un matériau ou d'un bâtiment à stocker de la chaleur ou de la fraîcheur. Une forte inertie (murs lourds en béton, pierre) permet d'amortir les variations de température et de décaler les pics de chaleur.
- Température Opérative
- Indicateur de confort qui représente la température réellement ressentie par une personne. C'est une moyenne pondérée entre la température de l'air ambiant et la température moyenne des surfaces environnantes (murs, fenêtres, plafond, sol).
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