La thermique du bâtiment, parfois aussi appelée physique du bâtiment par synecdoque, est une discipline de la thermique qui étudient les échanges thermiques survenant entre un bâtiment et son environnement ainsi que les apports de chaleur (ou de froid) pour maintenir le bâtiment à une température confortable pour l'occupation humaine.
La thermique du bâtiment aborde principalement les notions de transmission thermique, d'isolation thermique, de chauffage, d'eau chaude sanitaire, de renouvellement d'air, de ventilation, et d'humidité. La thermique du bâtiment permet de garantir le confort thermique des occupants et la santé du bâtiment en lui-même, tout en maitrisant les couts et l'énergie nécessaires au chauffage, au refroidissement, et à l'entretien. La thermique du bâtiment traite également la question de la production d'énergie renouvelable par le bâtiment, notamment par des installations solaires photovoltaïques ou thermiques. C'est donc un outil pour orienter la conception du bâtiment dans un cadre réglementaire donné.
Confort thermique des occupants et température Le confort thermique des occupants repose sur la notion complexe de sensation de chaleur ou de froid et est donc principalement subjective. Dans un environnement idéal, les occupants ne devraient en moyenne jamais éprouver de sentiment incommodant de froid ou de chaud excessif. Le confort thermique dépend de la température de l'air, de la température radiative moyenne, de l'humidité relative de l'air, de la vitesse l'air, de l'habillement, et de l'activité. La température cible de l'air varie donc selon les activités prévues dans les locaux et les conditions qui y prévalent. En Suisse, la température normative est de dans les logements, les bureaux, les commerces, et les écoles, de dans les hôpitaux, de dans les ateliers, les dépôts, et les salles de sport, et de dans les piscines.
Bilan thermique Quand une analyse thermique porte sur un bâtiment dans son entier, on parle alors généralement de bilan thermique du bâtiment. Le bilan thermique permet de déterminer les besoins de chaleur pour le chauffage ou de froid pour le rafraichissement.
L'analyse des échanges thermiques d'un bâtiment avec son environnement repose sur une série de facteurs qui sont d'ordre environnemental : l'emplacement géographique d'un bâtiment (longitude, latitude, altitude) et les données climatiques afférentes, notamment les degrés-jours ; l'implantation générale du bâtiment : relief accidenté, rase campagne, forêt, contexte urbain ou rural (voir aussi îlot de chaleur urbain) ; la nature du sol.
Elle repose également sur des aspects relatifs à l'usage et à la fonction du bâtiment : Deux bâtiments ne sont pas identiques par leur fonction. On ne chauffe, n'isole, ou ne ventile pas de la même manière un hôpital, une école, une habitation et un entrepôt. Certains établissements ont des plages d'utilisation journalières, des heures d'ouverture et de fermeture. La chaleur à délivrer, l'eau à chauffer, l'humidité à évacuer varient d'une affectation à l'autre. Dans le cas de bâtiment à usage collectif, la chaleur corporelle dégagée par les personnes présentes dans une même pièce n'est pas à négliger et varie suivant l'activité physique exercée, modérée ou intensive . Dans une usine, certains types d'activité menant à des dégagements toxiques obligent à renouveler l'air de manière intense, ce qui est source de déperdition thermique. Des profils d'utilisation types peuvent être dégagés pour chaque affectation.
L'éclairage, l'usage de machines et ordinateurs, les équipements électroménagers produisent plus ou moins de chaleur, qu'il faut ajouter au bilan thermique. Elle repose également sur des considérations liées à la nature des matériaux et composants employés dans la construction du bâtiment : Les parois extérieures, murs, planchers et toitures sont considérés comme des surfaces d'échange thermique que l'on doit considérer relativement à leur orientation, leurs dimensions physiques, les matériaux de construction employés considérés dans leur épaisseur, leurs propriétés thermiques, les surfaces extérieures considérées dans leur couleur, la texture de leur surface (rugosité), leur réflectivité (albédo). Lorsqu'il s'agit de surface vitrée, on doit tenir compte de la transmittance des vitres (facteur solaire). Pour chacune de ces parois, on doit envisager l'exposition au soleil, les protections éoliennes, les ombres portées sur le bâtiment par les éléments bâtis ou végétaux proches, et, dans le cas des baies vitrées, les protections solaires éventuelles. Ces parois sont plus ou moins étanches ou perméables à l'air, ce qui peut être source de déperdition thermique. Les parois intérieures sont considérées dans leur masse et contribuent à ce qu'on appelle l'inertie thermique et le déphasage thermique, la capacité à accumuler et d'autre part à restituer à court ou moyen terme la chaleur accumulée. Enveloppe thermique
L'enveloppe thermique d'un bâtiment est l'ensemble des parois (murs, planchers, et plafonds), ainsi que les éléments qui les composent (fenêtres, portes), séparant les locaux conditionnés (chauffés ou refroidis) du bâtiment de l'extérieur ou des locaux froids. De manière plus générique, on parle aussi souvent d'élément d'enveloppe plutôt que de paroi. Dans beaucoup de cas, l'enveloppe ne comprend pas l'entier du volume du bâtiment, les combles et les sous-sols froids étant souvent situés en dehors de celle-ci.
Les échanges de chaleur, appelés aussi transferts thermiques, entre les milieux chaud et froid s'opèrent au travers de l'enveloppe. Une paroi peut être déperditive quand elle sépare un espace chauffé d'un espace froid, comme par exemple l'extérieur en hiver. Dans ce cas, le bâtiment perd de la chaleur à travers la paroi. À l'inverse, une paroi peut être une interface de gain de chaleur (par exemple une fenêtre exposée au soleil en été). Enfin, une paroi peut aussi être non déperditive quand elle sépare deux espaces à la même température, par exemple deux bâtiments mitoyens. Dans ce cas, cette partie de l'enveloppe thermique n'est pas une interface d'échanges de chaleur.
Surface de référence énergétique La surface de référence énergétique est l'ensemble des surfaces brutes comprises à l'intérieur de l'enveloppe thermique est destinée à être conditionnée (chauffée ou refroidie). Elle est généralement abrégée SRE. La définition de la surface de référence énergétique peut varier d'un pays à l'autre. Elle comprend en générale toutes les surfaces utiles à la fonction du bâtiment, les surfaces habitables dans un logement, et les surfaces secondaires comme couloirs ou les salles-de-bains.
Apport solaire et apport interne
On parle d'apport (solaire ou interne) pour évoquer les apports de chaleur dans le bâtiment qui ne sont pas dus aux systèmes de chauffage. On distingue d'un coté les apports dus à l'occupation des locaux et ceux induits par le rayonnement solaire.
Un apport solaire est un apport de chaleur dû rayonnement solaire. Les apports solaires ont lieu principalement à travers les vitrages du bâtiment. Le choix des propriétés des fenêtres (vitrage, cadre, joint intercalaire) et l'orientation des parois permet d'optimiser les apports solaires. Une fenêtre moderne avec de bonnes performances thermiques et correctement orientée contribue de manière positive au bilan thermique du bâtiment, la fenêtre apportant plus de chaleur qu'elle n'en perd pendant la période de chauffage. Dans les zones tempérées, ces apports constituent un gain important de chaleur en hiver, mais peuvent être une source de surchauffe lors des épisodes caniculaires.
Les apports internes ont deux origines principales, l'occupation humaine et les équipements. Une personne dégage entre de chaleur selon sa corpulence et son degré d'activitéApport de chaleur d'une personne. L'apport de chaleur est pris en considération dans la modélisation thermique d'un bâtiment, et peut être critique dans le cas de locaux à fort taux d'occupation comme une salle de classe ou de spectacle. Les équipements électriques présents dans un bâtiment génèrent de la chaleur, soit de manière permanente comme un moteur de ventilation (20 à pour une maison individuelle) ou borne internet (environ ), soit ponctuellement comme four (environ à ) ou des luminaires.
Dans les pays tempérés, les apports solaires et internes ne sont en général pas suffisants pour couvrir l'intégralité des besoins de chauffage, alors qu'ils peuvent l'être sous d'autres latitudes. Un système de chauffage actif est donc nécessaire en complément. Les apports solaires et internes permettent néanmoins de réduire les besoins de chauffage du bâtiment.
Déperdition thermique
La chaleur se propage d'un milieu chaud vers le milieu froid par trois modes différents la conduction, le rayonnement et la convection. Cet échange de chaleur peut se faire par l'un des trois modes ou par plusieurs modes de manière simultanée.
Dans un bâtiment chauffé, la chaleur intérieure s'échappe selon deux types de déperditions :
Déperditions par transmission : la chaleur atteint les parois, fenêtres, ou ponts thermiques par convection et rayonnement, passe au travers de ceux-ci par conduction, et s'échappe à nouveau par convection et rayonnement à l'extérieur. Déperditions dues au renouvèlement de l'air : l'air chaud s'échappe à travers les inétanchéités de l'enveloppe par convection, lors de l'aération par les fenêtres, ou par le système de ventilation. Le vent peut amplifier les infiltrations d'air par les inétanchéités du bâtiment.
Déterminer les déperditions thermiques d'un bâtiment revient à calculer et additionner toutes déperditions. Les fenêtres constituent le point le plus exposé aux déperditions par unité de surface, en raison de la combinaison de la conduction à travers le vitrage, de la convection au niveau du cadre, et des fuites d'air aux jonctions.
Les déperditions par transmission d'une paroi se calculent en déterminant le coefficient de transmission thermique , ou inversement la résistance thermique . Plus est faible, plus la paroi est isolante. Inversement, plus est grand, plus la paroi est isolante. En pratique, une paroi est constituée de plusieurs couches de matériaux d'épaisseurs et de conductivités thermiques différentesJean-Pierre Oliva, L'isolation écologique, conception, matériaux, mise en œuvre. Terre vivante 2001.. La résistance thermique totale d'une paroi est la somme des résistances thermiques de chacune de ses couches, la résistance superficielle intérieure et extérieure, et un éventuel facteur de correction lié à la mise en œuvre des matériaux.
Dans une maison individuelle non isolée, les valeurs moyennes des sources de déperdition de chaleur ou déperdition thermique sont les suivantesThierry Gallauziaux et David Fedullo, Le grand livre de l'isolation, Eyrolles, 2009 , .Isoler sa maison , guide pratique, Ademe, juin 2017 (consulté le 5 avril 2022). :
le toit 25 à 30 % ; les murs 20 à 25 % ; le renouvellement d’air 20 à 25 % ; les fenêtres et portes extérieures 10 à 15 % ; le plancher 7 à 10 % ; les ponts thermiques 5 à 10 %.
Dans une maison isolée selon la norme française RT 2005, la toiture et les murs ayant fait l'objet d'une isolation spécifique, et les vitrages étant systématiquement doublés, la part résiduelle des ponts thermiques devient beaucoup plus importante. Le bilan de déperdition thermique est alors typiquement le suivant:
le toit 10 % ; les murs 20 % ; le renouvellement d’air 15 % ; les fenêtres et portes extérieures 15 % ; le plancher 20 % ; les ponts thermiques 20 %. Pour les murs Le mur transmet la chaleur par conduction dans son épaisseur entre l'intérieur et l'extérieur du bâtiment. Le vent accélère l'échange thermique à la surface extérieure du mur par convection. Le soleil chauffe le mur par rayonnement. Le mur chaud rayonne aussi la nuit vers le ciel. Pour les fenêtres