Calcul de la perte de chaleur d’une maison privée avec des exemples

Points d’article

• Physique des procédés de génie thermique
• Résistance au transfert de chaleur
• Facteurs affectant la perte de chaleur
• Schémas de calcul différenciés
• Exemple de calcul

Pour que votre maison ne se révèle pas être un gouffre sans fin pour les coûts de chauffage, nous vous proposons d’étudier les orientations de base de la recherche en génie thermique et la méthodologie de calcul. Sans un calcul préliminaire de la perméabilité thermique et de l’accumulation d’humidité, toute l’essence de la construction de logements est perdue.

Physique des procédés de génie thermique

Différents domaines de la physique ont beaucoup en commun dans la description des phénomènes qu’ils étudient. Il en va de même en génie thermique: les principes décrivant les systèmes thermodynamiques résonnent clairement avec les bases de l’électromagnétisme, de l’hydrodynamique et de la mécanique classique. Après tout, nous parlons de décrire le même monde, il n’est donc pas surprenant que les modèles de processus physiques soient caractérisés par certaines caractéristiques communes dans de nombreux domaines de recherche..

L’essence des phénomènes thermiques est facile à comprendre. La température d’un corps ou le degré de son échauffement n’est rien d’autre qu’une mesure de l’intensité des vibrations des particules élémentaires qui composent ce corps. De toute évidence, lorsque deux particules entrent en collision, celle avec le niveau d’énergie le plus élevé transférera de l’énergie à la particule avec une énergie plus faible, mais jamais l’inverse. Cependant, ce n’est pas le seul moyen d’échange d’énergie; la transmission est également possible au moyen de quanta de rayonnement thermique. Dans ce cas, le principe de base est nécessairement préservé: un quantum émis par un atome moins chauffé n’est pas capable de transférer de l’énergie vers une particule élémentaire plus chaude. Il en réfléchit simplement et disparaît sans laisser de trace, ou transfère son énergie à un autre atome avec moins d’énergie.

La thermodynamique est bonne car les processus qui s’y déroulent sont absolument visuels et peuvent être interprétés sous le couvert de divers modèles. L’essentiel est d’observer des postulats de base, tels que la loi du transfert d’énergie et l’équilibre thermodynamique. Donc, si votre idée est conforme à ces règles, vous pouvez facilement comprendre la technique des calculs de génie thermique de et vers.

Résistance au transfert de chaleur

La capacité d’un matériau à transférer la chaleur est appelée conductivité thermique. Dans le cas général, il est toujours plus élevé, plus la densité de la substance est grande et meilleure sa structure est adaptée pour transmettre des oscillations cinétiques.

Comparaison de l’efficacité énergétique de différents matériaux de construction

La résistance thermique est une grandeur inversement proportionnelle à la conductivité thermique. Pour chaque matériau, cette propriété prend des valeurs uniques en fonction de la structure, de la forme et d’un certain nombre d’autres facteurs. Par exemple, l’efficacité du transfert de chaleur dans l’épaisseur des matériaux et dans la zone de leur contact avec d’autres médias peut différer, surtout si entre les matériaux il y a au moins une couche intermédiaire minimale de matière dans un état d’agrégat différent. La résistance thermique est exprimée quantitativement comme la différence de température divisée par le débit thermique:

R_t = (T₂ – T₁) / P

Où:

• R_t – résistance thermique du site, K / W;
• T₂ – température du début de la section, K;
• T₁ – température de la fin de la section, K;
• P – flux thermique, W.

Dans le cadre du calcul des déperditions thermiques, la résistance thermique joue un rôle déterminant. Toute structure enveloppante peut être représentée comme un obstacle plan-parallèle au trajet du flux thermique. Sa résistance thermique totale est la somme des résistances de chaque couche, tandis que toutes les cloisons sont ajoutées à une structure spatiale, qui est, en fait, un bâtiment.

R_t = l / (? S)

Où:

• R_t – résistance thermique de la section de circuit, K / W;
• l est la longueur de la section du circuit thermique, m;
• ? – coefficient de conductivité thermique du matériau, W / (m · K);
• S – superficie en coupe transversale du site, m².

Facteurs affectant la perte de chaleur

Les processus thermiques sont bien corrélés aux processus électriques: la différence de température joue le rôle de tension, le flux thermique peut être considéré comme la force du courant, mais pour la résistance, vous n’avez même pas besoin d’inventer votre propre terme. En outre, le concept de moindre résistance, qui apparaît dans l’ingénierie du chauffage comme des ponts froids, est également pleinement valable..

Si nous considérons un matériau arbitraire en coupe, il est assez facile d’établir le chemin du flux thermique aux niveaux micro et macro. Comme premier modèle, nous prendrons un mur en béton dans lequel, par nécessité technologique, des fixations sont réalisées avec des tiges d’acier d’une section arbitraire. L’acier conduit un peu mieux la chaleur que le béton, nous pouvons donc distinguer trois flux thermiques principaux:

• à travers l’épaisseur du béton
• à travers des tiges d’acier
• des barres d’acier au béton

Perte de chaleur par ponts froids dans le béton

Le dernier modèle de flux de chaleur est le plus intéressant. Étant donné que la barre d’acier chauffe plus rapidement, il y aura une différence de température entre les deux matériaux plus près de l’extérieur du mur. Ainsi, l’acier non seulement «pompe» la chaleur vers l’extérieur par lui-même, il augmente également la conductivité thermique des masses de béton adjacentes.

Dans les milieux poreux, les processus thermiques se déroulent de la même manière. Presque tous les matériaux de construction sont constitués d’une toile ramifiée de matière solide, dont l’espace est rempli d’air. Ainsi, un matériau solide et dense sert de conducteur principal de chaleur, mais en raison de sa structure complexe, le chemin le long duquel la chaleur se propage s’avère être plus grand que la section transversale. Ainsi, le deuxième facteur qui détermine la résistance thermique est l’hétérogénéité de chaque couche et de l’enveloppe du bâtiment dans son ensemble..

Réduction des pertes de chaleur et déplacement du point de rosée dans l’isolant grâce à l’isolation des murs extérieurs

Le troisième facteur affectant la conductivité thermique est l’accumulation d’humidité dans les pores. L’eau a une résistance thermique 20 à 25 fois inférieure à celle de l’air, donc si elle remplit les pores, la conductivité thermique globale du matériau devient encore plus élevée que s’il n’y avait pas du tout de pores. Lorsque l’eau gèle, la situation devient encore pire: la conductivité thermique peut augmenter jusqu’à 80 fois. La source d’humidité est généralement l’air ambiant et les précipitations atmosphériques. En conséquence, les trois principales méthodes pour faire face à ce phénomène sont l’étanchéité externe des murs, l’utilisation de la protection contre la vapeur et le calcul de l’accumulation d’humidité, qui est nécessairement effectué en parallèle avec la prévision des pertes de chaleur..

Schémas de calcul différenciés

Le moyen le plus simple d’établir la quantité de perte de chaleur dans un bâtiment consiste à additionner les valeurs du flux de chaleur à travers les structures qui constituent le bâtiment. Cette technique prend pleinement en compte la différence de structure des différents matériaux, ainsi que les spécificités du flux de chaleur à travers eux et dans les nœuds de la butée d’un plan à un autre. Une telle approche dichotomique simplifie considérablement la tâche, car différentes structures de confinement peuvent différer considérablement dans la conception des systèmes de protection thermique. En conséquence, avec une étude séparée, il est plus facile de déterminer la quantité de perte de chaleur, car pour cela, diverses méthodes de calcul sont fournies:

• Pour les murs, les fuites de chaleur sont quantitativement égales à la surface totale multipliée par le rapport entre la différence de température et la résistance thermique. Dans ce cas, l’orientation des murs par rapport aux points cardinaux doit être prise en compte pour prendre en compte leur échauffement pendant la journée, ainsi que la capacité de soufflage des structures du bâtiment.
• Pour les sols, la technique est la même, mais elle prend en compte la présence d’un grenier et son mode de fonctionnement. En outre, la température ambiante est prise comme une valeur supérieure de 3 à 5 ° C, l’humidité calculée est également augmentée de 5 à 10%.
• La perte de chaleur à travers le sol est calculée par zone, décrivant les ceintures le long du périmètre du bâtiment. Cela est dû au fait que la température du sol sous le sol est plus élevée au centre du bâtiment par rapport à la partie fondation.
• Le flux de chaleur à travers le vitrage est déterminé par les données de passeport des fenêtres, vous devez également prendre en compte le type de butée des fenêtres aux murs et la profondeur des pentes.

Q = S (?T / R_t)

Où:

• Q – perte de chaleur, W;
• S – surface du mur, m²;
• ?T – différence de température à l’intérieur et à l’extérieur de la pièce, ° С;
• R_t – résistance au transfert de chaleur, m²° С / W.

Exemple de calcul

Avant de passer à l’exemple de démonstration, répondons à la dernière question: comment calculer correctement la résistance thermique intégrale de structures multicouches complexes? Ceci, bien sûr, peut être fait à la main, car il n’y a pas beaucoup de types de bases porteuses et de systèmes d’isolation utilisés dans la construction moderne. Cependant, il est assez difficile de prendre en compte la présence de finitions décoratives, de plâtre intérieur et de façade, ainsi que l’influence de tous les transitoires et autres facteurs; il est préférable d’utiliser des calculs automatisés. L’une des meilleures ressources réseau pour de telles tâches est smartcalc.ru, qui dessine en outre un diagramme de décalage du point de rosée en fonction des conditions climatiques..

Par exemple, prenons un bâtiment arbitraire, après avoir étudié la description dont le lecteur pourra juger l’ensemble des données initiales nécessaires au calcul. Il y a une maison à un étage de forme rectangulaire régulière avec des dimensions de 8,5×10 m et une hauteur sous plafond de 3,1 m, située dans la région de Leningrad. La maison a un sol non isolé au sol avec des planches sur des bûches avec une lame d’air, la hauteur du sol est de 0,15 m plus haute que la marque de planification au sol sur le site. Matériau de paroi – monolithe de laitier de 42 cm d’épaisseur avec enduit de ciment-chaux interne jusqu’à 30 mm d’épaisseur et enduit de laitier-ciment externe de type « manteau de fourrure » jusqu’à 50 mm d’épaisseur. Surface totale de vitrage – 9,5 m², une unité à double vitrage dans un profil d’économie de chaleur avec une résistance thermique moyenne de 0,32 m a été utilisée comme fenêtres²° С / W. Le chevauchement était fait sur des poutres en bois: le fond était enduit le long des bardeaux, rempli de laitier de haut fourneau et recouvert d’une chape d’argile sur le dessus, au-dessus du plafond il y avait un grenier de type froid. La tâche de calcul de la perte de chaleur est la formation d’un système de protection thermique des murs.

Sol

La première étape consiste à déterminer la perte de chaleur à travers le sol. Étant donné que leur part dans le flux total de chaleur est la plus faible, et également en raison d’un grand nombre de variables (densité et type de sol, profondeur de gel, massivité de la fondation, etc.), le calcul de la déperdition thermique est effectué selon une méthode simplifiée utilisant la résistance de transfert thermique réduite. Le long du périmètre du bâtiment, à partir de la ligne de contact avec la surface du sol, quatre zones sont décrites – entourant des bandes de 2 mètres de large. Pour chacune des zones, sa propre valeur de résistance réduite au transfert thermique est prise. Dans notre cas, il y a trois zones d’une superficie de 74, 26 et 1 m². Ne vous laissez pas confondre par la somme totale des superficies des zones, qui est supérieure à la superficie du bâtiment de 16 m², la raison en est le double recalcul des bandes qui se croisent de la première zone dans les coins, où la perte de chaleur est beaucoup plus élevée par rapport aux sections le long des murs. Application de valeurs de résistance au transfert de chaleur de 2,1, 4,3 et 8,6 m²° С / W pour les zones un à trois, nous déterminons le flux de chaleur à travers chaque zone: 1,23, 0,21 et 0,05 kW, respectivement.

Des murs

En utilisant les données de terrain, ainsi que les matériaux et l’épaisseur des couches qui forment les murs, vous devez remplir les champs appropriés sur le service smartcalc.ru mentionné ci-dessus. Selon les résultats du calcul, la résistance au transfert de chaleur s’avère égale à 1,13 m²° С / W, et le flux de chaleur à travers le mur est de 18,48 W par mètre carré. Avec une surface totale de mur (hors vitrage) de 105,2 m² la perte totale de chaleur à travers les murs est de 1,95 kW / h. Dans ce cas, la perte de chaleur par les fenêtres sera de 1,05 kW.

Chevauchement et toit

Le calcul de la perte de chaleur à travers le plancher du grenier peut également être effectué dans le calculateur en ligne en sélectionnant le type souhaité de structures d’enceinte. En conséquence, la résistance du sol au transfert de chaleur est de 0,66 m²° С / W, et la perte de chaleur est de 31,6 W par mètre carré, soit 2,7 kW de toute la surface de la structure enveloppante.

La perte totale de chaleur selon les calculs est de 7,2 kWh. Avec une qualité des structures de bâtiment suffisamment faible, cet indicateur est évidemment bien inférieur au réel. En fait, un tel calcul est idéalisé, il ne prend pas en compte les coefficients spéciaux, le débit d’air, la composante de convection du transfert de chaleur, les pertes par ventilation et les portes d’entrée. En effet, en raison d’une installation de fenêtres de mauvaise qualité, d’un manque de protection au niveau de la culée de la toiture au Mauerlat et d’une mauvaise étanchéité des murs depuis la fondation, la perte de chaleur réelle peut être 2 voire 3 fois supérieure à celle calculée. Néanmoins, même des études élémentaires de génie thermique aident à déterminer si les structures d’une maison en construction répondront aux normes sanitaires au moins dans la première approximation..

Perte de chaleur à la maison

Enfin, nous donnerons une recommandation importante: si vous voulez vraiment avoir une compréhension complète de la physique thermique d’un bâtiment particulier, vous devez utiliser une compréhension des principes décrits dans cette revue et la littérature spécialisée. Par exemple, le livre de référence d’Elena Malyavina «La perte de chaleur d’un bâtiment» peut être une très bonne aide en la matière, où la spécificité des procédés de génie thermique est expliquée en détail, des liens vers les documents réglementaires nécessaires sont fournis, ainsi que des exemples de calculs et toutes les informations de référence nécessaires.

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