Calcul thermique d'un bâtiment : spécificités et formules pour réaliser les calculs + exemples pratiques

Pendant le fonctionnement du bâtiment, la surchauffe et le gel sont indésirables.Les calculs d'ingénierie thermique, qui ne sont pas moins importants que le calcul de l'efficacité, de la résistance, de la résistance au feu et de la durabilité, vous permettront de déterminer le juste milieu.

Sur la base des normes d'ingénierie thermique, des caractéristiques climatiques, de la perméabilité à la vapeur et à l'humidité, les matériaux pour la construction des structures enveloppantes sont sélectionnés. Nous verrons comment effectuer ce calcul dans l'article.

Objectif du calcul d'ingénierie thermique

Beaucoup dépend des caractéristiques techniques thermiques des enceintes permanentes du bâtiment. Cela inclut l'humidité des éléments structurels et les indicateurs de température, qui affectent la présence ou l'absence de condensation sur les cloisons intérieures et les plafonds.

Le calcul montrera si les caractéristiques stables de température et d'humidité seront maintenues à des températures positives et négatives. La liste de ces caractéristiques comprend également un indicateur tel que la quantité de chaleur perdue par l'enveloppe du bâtiment pendant la période froide.

Vous ne pouvez pas commencer à concevoir sans disposer de toutes ces données. Sur cette base, l'épaisseur des murs et des plafonds et la séquence de couches sont choisies.

Selon la réglementation GOST 30494-96, valeurs de température​​à l'intérieur. En moyenne, il fait 21⁰. Dans le même temps, l'humidité relative doit rester dans une plage confortable, soit en moyenne 37 %. La vitesse la plus élevée de déplacement de la masse d'air est de 0,15 m/s.

Le calcul thermique vise à déterminer :

1. Les conceptions sont-elles identiques aux exigences énoncées en termes de protection thermique ?
2. Dans quelle mesure un microclimat confortable à l’intérieur du bâtiment est-il assuré ?
3. La protection thermique optimale des structures est-elle assurée ?

Le principe principal est de maintenir un équilibre entre les différences d'indicateurs de température de l'atmosphère des structures internes des clôtures et des locaux. Si cela n’est pas respecté, la chaleur sera absorbée par ces surfaces et la température à l’intérieur restera très basse.

La température interne ne devrait pas être affectée de manière significative par les changements de flux thermique. Cette caractéristique est appelée résistance à la chaleur.

En effectuant un calcul thermique, les limites optimales (minimales et maximales) des dimensions des murs et des épaisseurs de plafond sont déterminées. Cela garantit le fonctionnement du bâtiment sur une longue période, sans gel extrême des structures ni surchauffe.

Options pour effectuer des calculs

Pour effectuer des calculs thermiques, vous avez besoin de paramètres initiaux.

Ils dépendent d'un certain nombre de caractéristiques :

1. But du bâtiment et son type.
2. Orientations des structures verticales enveloppantes par rapport aux directions cardinales.
3. Paramètres géographiques de la future maison.
4. Le volume du bâtiment, son nombre d'étages, sa superficie.
5. Types et dimensions des ouvertures de portes et fenêtres.
6. Type de chauffage et ses paramètres techniques.
7. Nombre de résidents permanents.
8. Matériaux pour structures de clôtures verticales et horizontales.
9. Plafonds à l'étage supérieur.
10. Équipement d'alimentation en eau chaude.
11. Type de ventilation.

D'autres caractéristiques de conception de la structure sont également prises en compte lors du calcul. La perméabilité à l'air des structures enveloppantes ne doit pas contribuer à un refroidissement excessif à l'intérieur de la maison et réduire les caractéristiques de protection thermique des éléments.

Les pertes de chaleur sont également causées par l'engorgement des murs, ce qui entraîne en outre de l'humidité, ce qui affecte négativement la durabilité du bâtiment.

Lors du processus de calcul, les données techniques thermiques des matériaux de construction à partir desquels sont constitués les éléments d’enceinte du bâtiment sont tout d’abord déterminées. De plus, la résistance réduite au transfert de chaleur et le respect de sa valeur standard sont sujets à détermination.

Formules pour faire des calculs

Les déperditions thermiques d’une habitation peuvent être divisées en deux parties principales : les déperditions à travers l’enveloppe du bâtiment et les déperditions causées par l’exploitation du bâtiment. système de ventilation. De plus, de la chaleur est perdue lorsque l’eau chaude est évacuée dans le système d’égouts.

Pertes à travers les enveloppes des bâtiments

Pour les matériaux à partir desquels les structures enveloppantes sont construites, il est nécessaire de trouver la valeur de l'indice de conductivité thermique Kt (W/m x degré). Ils se trouvent dans les ouvrages de référence pertinents.

Maintenant, connaissant l'épaisseur des couches, d'après la formule : R = S/Kt, calculez la résistance thermique de chaque unité. Si la structure est multicouche, toutes les valeurs obtenues sont additionnées.

Le moyen le plus simple de déterminer l'ampleur des pertes de chaleur consiste à additionner les flux thermiques à travers les structures enveloppantes qui forment réellement ce bâtiment.

Guidés par cette méthodologie, ils prennent en compte le fait que les matériaux qui composent la structure ont une structure différente. Il est également pris en compte que le flux de chaleur qui les traverse a des spécificités différentes.

Pour chaque structure individuelle, la perte de chaleur est déterminée par la formule :

Q = (A/R)xdT

Ici:

• A est la superficie en m².
• R est la résistance de la structure au transfert de chaleur.
• dT est la différence de température entre l'extérieur et l'intérieur.Il doit être déterminé pour la période de 5 jours la plus froide.

En effectuant le calcul de cette manière, vous ne pouvez obtenir le résultat que pour la période de cinq jours la plus froide. La perte de chaleur totale pour toute la saison froide est déterminée en tenant compte du paramètre dT, en tenant compte non pas de la température la plus basse, mais de la température moyenne.

La mesure dans laquelle la chaleur est absorbée, ainsi que le transfert de chaleur, dépendent de l'humidité du climat de la région. C’est pour cette raison que les calculs utilisent des cartes d’humidité.

Ensuite, la quantité d'énergie nécessaire pour compenser les pertes de chaleur à travers l'enveloppe du bâtiment et par la ventilation est calculée. Il est désigné par le symbole W.

Il existe une formule pour cela :

W = ((Q + Qв) x 24 x N)/1000

Dans celui-ci, N est la durée de la période de chauffage en jours.

Inconvénients du calcul de la superficie

Le calcul basé sur l'indicateur de superficie n'est pas très précis. Ici, des paramètres tels que le climat, les indicateurs de température, minimale et maximale, et l'humidité ne sont pas pris en compte. En raison de l'ignorance de nombreux points importants, le calcul comporte des erreurs importantes.

Cherchant souvent à les couvrir, le projet intègre une « réserve ».

Si néanmoins cette méthode est choisie pour le calcul, les nuances suivantes doivent être prises en compte :

1. Si la hauteur des clôtures verticales peut atteindre trois mètres et qu'il n'y a pas plus de deux ouvertures sur une surface, il est préférable de multiplier le résultat par 100 W.
2. Si le projet comprend un balcon, deux fenêtres ou une loggia, multipliez par 125 W en moyenne.
3. Lorsque les locaux sont industriels ou entrepôts, un multiplicateur de 150 W est utilisé.
4. Si les radiateurs sont situés près des fenêtres, leur capacité nominale est augmentée de 25 %.

La formule pour la superficie est la suivante :

Q = S x 100 (150) W.

Ici Q est le niveau de chaleur confortable dans le bâtiment, S est la surface chauffée en m². Les nombres 100 ou 150 sont la quantité spécifique d'énergie thermique consommée pour chauffer 1 m².

Pertes de ventilation de la maison

Le paramètre clé dans ce cas est le taux de renouvellement de l'air. A condition que les murs de la maison soient perméables à la vapeur, cette valeur est égale à un.

La pénétration de l'air froid dans la maison s'effectue par ventilation de soufflage. La ventilation par aspiration aide l'air chaud à s'échapper. Le récupérateur-échangeur de chaleur réduit les pertes par ventilation. Il ne permet pas à la chaleur de s'échapper avec l'air sortant et réchauffe les flux d'air entrant.

Il est prévu que l'air à l'intérieur du bâtiment soit complètement renouvelé en une heure. Les bâtiments construits selon la norme DIN ont des murs avec pare-vapeur, donc ici le taux de renouvellement d'air est considéré comme égal à deux.

Il existe une formule qui détermine la perte de chaleur à travers le système de ventilation :

Qv = (V x Kv : 3 600) x P x C x dT

Ici, les symboles signifient ce qui suit :

1. Qв - perte de chaleur.
2. V est le volume de la pièce en mᶾ.
3. P est la densité de l'air. sa valeur est prise égale à 1,2047 kg/mᶾ.
4. Kv - taux de change d'air.
5. C est la capacité thermique spécifique. Elle est égale à 1005 J/kg x C.

Sur la base des résultats de ce calcul, il est possible de déterminer la puissance du générateur de chaleur du système de chauffage. Si la valeur de puissance est trop élevée, la solution à la situation peut être dispositif de ventilation avec récupérateur. Regardons quelques exemples de maisons faites de différents matériaux.

Exemple de calcul de génie thermique n°1

Calculons un immeuble résidentiel situé dans la région climatique 1 (Russie), sous-district 1B. Toutes les données sont extraites du tableau 1 du SNiP 23-01-99. La température la plus froide observée sur cinq jours avec une probabilité de 0,92 est tн = -22⁰С.

Conformément au SNiP, la période de chauffage (zop) dure 148 jours. La température moyenne pendant la période de chauffage avec la température quotidienne moyenne de l'air extérieur est de 8⁰ - tot = -2,3⁰. La température extérieure pendant la saison de chauffage est de = -4,4⁰.

Les déperditions thermiques d’une maison sont le point le plus important au stade de la conception. Le choix des matériaux de construction et de l'isolation dépend des résultats du calcul. Il n'y a pas de pertes nulles, mais vous devez vous efforcer de les rendre aussi rapides que possible.

La condition était stipulée que la température dans les pièces de la maison devait être de 22⁰. La maison a deux étages et des murs de 0,5 m d'épaisseur, sa hauteur est de 7 m et ses dimensions en plan sont de 10 x 10 m. Le matériau des structures d'enceinte verticales est de la céramique chaude. Pour cela, le coefficient de conductivité thermique est de 0,16 W/m x C.

De la laine minérale de 5 cm d'épaisseur a été utilisée comme isolant extérieur. La valeur Kt est de 0,04 W/m x C. Le nombre d'ouvertures de fenêtres dans la maison est de 15 pièces. 2,5 m² chacun.

Perte de chaleur à travers les murs

Tout d’abord, vous devez déterminer la résistance thermique du mur en céramique et de l’isolation. Dans le premier cas, R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 m². m x C/W. Dans le second - R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 m². m x C/W. En général, pour une enveloppe de bâtiment verticale : R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 m². m x C/W.

Puisque les déperditions de chaleur sont directement proportionnelles à la superficie des structures enveloppantes, nous calculons la superficie des murs :

A = 10 x 4 x 7 – 15 x 2,5 = 242,5 m²

Vous pouvez maintenant déterminer les pertes de chaleur à travers les murs :

Qс = (242,5 : 4,375) x (22 – (-22)) = 2438,9 W.

Les pertes de chaleur à travers les structures enveloppantes horizontales sont calculées de la même manière. Au final, tous les résultats sont résumés.

S'il y a un sous-sol, les pertes de chaleur à travers les fondations et le plancher seront moindres, puisque le calcul implique la température du sol et non celle de l'air extérieur.

Si le sous-sol sous le plancher du premier étage est chauffé, le plancher n'a pas besoin d'être isolé. Il est encore préférable de recouvrir les murs du sous-sol d'isolant afin que la chaleur ne s'échappe pas dans le sol.

Détermination des pertes par ventilation

Pour simplifier le calcul, ils ne prennent pas en compte l'épaisseur des murs, mais déterminent simplement le volume d'air à l'intérieur :

V = 10x10x7 = 700 mᶾ.

Avec un taux de renouvellement d'air de Kv = 2, la déperdition thermique sera :

Qв = (700 x 2) : 3 600) x 1,2047 x 1 005 x (22 – (-22)) = 20 776 W.

Si Kv = 1 :

Qв = (700 x 1) : 3 600) x 1,2047 x 1 005 x (22 – (-22)) = 10 358 W.

Les échangeurs de chaleur rotatifs et à plaques assurent une ventilation efficace des bâtiments résidentiels. Le rendement du premier est plus élevé, il atteint 90 %.

Exemple de calcul de génie thermique n°2

Il est nécessaire de calculer les pertes à travers un mur de briques de 51 cm d'épaisseur, isolé avec une couche de laine minérale de 10 cm. Extérieur - 18⁰, intérieur - 22⁰. Les dimensions du mur sont de 2,7 m de hauteur et 4 m de longueur. Le seul mur extérieur de la pièce est orienté au sud, il n'y a pas de portes extérieures.

Pour la brique, le coefficient de conductivité thermique Kt = 0,58 W/mºC, pour la laine minérale - 0,04 W/mºC. Résistance thermique:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 carré. m x C/W. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 m². m x C/W. En général, pour une enveloppe de bâtiment verticale : R = R1 + R2 = 0,879 + 2,5 = 3,379 m². m x C/W.

Surface du mur extérieur A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Perte de chaleur à travers le mur :

Qс = (10,8 : 3,379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Pour calculer les pertes à travers les fenêtres, la même formule est utilisée, mais leur résistance thermique est généralement indiquée dans le passeport et n'a pas besoin d'être calculée.

Dans l’isolation thermique d’une maison, les fenêtres sont le « maillon faible ». Une assez grande proportion de chaleur est perdue à travers eux. Les fenêtres multicouches à double vitrage, les films réfléchissant la chaleur et les doubles cadres réduiront les pertes, mais même cela ne contribuera pas à éviter complètement les pertes de chaleur.

Si la maison est équipée de fenêtres à économie d'énergie mesurant 1,5 x 1,5 m², orientées au Nord, et que la résistance thermique est de 0,87 m2°C/W, alors les pertes seront de :

Qо = (2,25 : 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 t.

Exemple de calcul de génie thermique n°3

Effectuons un calcul thermique d'un bâtiment en rondins de bois avec une façade construite en rondins de pin d'une couche de 0,22 m d'épaisseur. Le coefficient de ce matériau est K = 0,15. Dans cette situation, la perte de chaleur sera de :

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 m² x ⁰С/W.

La température la plus basse de la période de cinq jours est de -18⁰, pour le confort de la maison, la température est fixée à 21⁰. La différence sera de 39⁰. Sur la base d'une superficie de 120 m², le résultat sera :

Qс = 120 x 39 : 1,47 = 3184 W.

A titre de comparaison, déterminons les pertes d’une maison en brique. Le coefficient pour la brique silico-calcaire est de 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 m² x ⁰С/W.
Qс = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 W.

Dans les mêmes conditions, une maison en bois est plus économique. Ici, la brique silico-calcaire ne convient pas du tout à la construction de murs.

La structure en bois a une capacité thermique élevée. Ses structures enveloppantes maintiennent longtemps une température confortable. Pourtant, même une maison en rondins doit être isolée et il est préférable de le faire aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur.

Les constructeurs et les architectes vous recommandent de le faire calcul de la chaleur pour une installation de chauffage pour le bon choix des équipements et au stade de la conception de la maison pour choisir un système d'isolation approprié.

Exemple de calcul de chaleur n°4

La maison sera construite dans la région de Moscou. Pour le calcul, un mur constitué de blocs de mousse a été pris. Comment l'isolation est appliquée mousse de polystyrène extrudé. La finition de la structure est en plâtre des deux côtés. Sa structure est calcaire-sableuse.

Le polystyrène expansé a une densité de 24 kg/mᶾ.

L'humidité relative de l'air dans la pièce est de 55 % à une température moyenne de 20⁰. Épaisseur de couche :

• plâtre - 0,01 m;
• béton mousse - 0,2 m;
• polystyrène expansé - 0,065 m.

La tâche consiste à trouver la résistance au transfert de chaleur requise et réelle. Le Rtr requis est déterminé en remplaçant les valeurs dans l'expression :

Rtr=a x GSOP+b

où GOSP est le degré-jour de la saison de chauffage, a et b sont des coefficients tirés du tableau n° 3 du Code des règles 50.13330.2012. Puisque le bâtiment est résidentiel, a vaut 0,00035, b = 1,4.

Le GSOP est calculé à l'aide d'une formule tirée du même SP :

GOSP = (tv – tot) x zot.

Dans cette formule, tв = 20⁰, tot = -2,2⁰, zоt - 205 est la période de chauffage en jours. Ainsi:

GSOP = (20 – (-2,2)) x 205 = 4551⁰ C x jour ;

Rtr = 0,00035 x 4551 + 1,4 = 2,99 m2 x C/W.

A l'aide du tableau n°2 SP50.13330.2012, déterminer les coefficients de conductivité thermique pour chaque couche du mur :

• λb1 = 0,81 W/m ⁰С ;
• λb2 = 0,26 W/m ⁰С ;
• λb3 = 0,041 W/m ⁰С ;
• λb4 = 0,81 W/m ⁰С.

La résistance conditionnelle totale au transfert de chaleur Ro est égale à la somme des résistances de toutes les couches. Il est calculé à l'aide de la formule :

Cette formule est tirée du SP 50.13330.2012. Ici 1/av est la résistance à la perception thermique des surfaces internes. 1/an - identique à l'externe, δ / λ - résistance thermique de la couche

En remplaçant les valeurs, nous obtenons : Rо arb. = 2,54 m2°C/W. Rф est déterminé en multipliant Ro par un coefficient r égal à 0,9 :

Rf = 2,54 x 0,9 = 2,3 m2 x °C/W.

Le résultat nécessite de modifier la conception de l'élément d'enceinte, car la résistance thermique réelle est inférieure à celle calculée.

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Les calculs thermiques sont directement liés à la détermination point de rosée. Vous apprendrez ce que c'est et comment trouver sa signification grâce à l'article que nous vous recommandons.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Effectuer des calculs d'ingénierie thermique à l'aide d'un calculateur en ligne :

Calcul d'ingénierie thermique correct :

Un calcul thermotechnique compétent vous permettra d'évaluer l'efficacité de l'isolation des éléments extérieurs de la maison et de déterminer la puissance des équipements de chauffage nécessaires.

En conséquence, vous pouvez économiser de l'argent lors de l'achat de matériaux et d'appareils de chauffage. Il est préférable de savoir à l'avance si les équipements peuvent faire face au chauffage et à la climatisation du bâtiment plutôt que de tout acheter au hasard.

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