Transport de chaleur - Approche stationnaire
Un transport de chaleur se produit suite à des écarts de température. Afin d'étudier des phénomènes périodiques de longue durée (par exemple des déperditions énergétiques sur une saison de chauffe), une approche stationnaire du transport de chaleur est utilisée. A cet effet, des conditions marginales de températures moyennes sont considérées sur de plus longues périodes. Cette approche ne convient toutefois pas pour analyser des phénomènes périodiques de courte durée (par exemple la formation de condensation ou de verglas, ou des variations de la température d'une surface suite à un ensoleillement). Dans ces cas, une approche non stationnaire du transport de chaleur est utilisée.
Un transport de chaleur se produit suivant trois mécanismes de transport:
1. Conduction: transport de chaleur à travers un matériau
2. Convection: transport de chaleur par écoulement, par exemple par écoulement de l'air
3. Rayonnement: émission radiante de la chaleur d'un objet, par exemple un radiateur
La quantité de chaleur transportée dépend avant tout de l'écart de température et ce pour les trois mécanismes de transport. Pour chaque mécanisme de transport, il existe encore d'autres paramètres qui déterminent la grandeur ou l'ampleur du transport de chaleur.
1. Dans le cas de la conduction, la distance (ou l'épaisseur) sur laquelle le transport de chaleur se produit est un facteur important. Le coefficient de conductivité thermique, désigné par la lettre grecque λ (lambda), y joue également un rôle.
2. Dans le cas de la convection, la grandeur du coefficient de transmission thermique est déterminée par la nature de l'écoulement de l'air (turbulent ou laminaire), la force "motrice" (convection naturelle ou forcée) et le sens de transport de la chaleur (horizontal, vers le haut ou vers le bas).
3. Dans le cas du rayonnement, la transmission thermique dépend entre autres du facteur d'émission de la surface (l'émission est un rayonnement).
Un corps radiant de couleur noire présente un facteur d'émission de 1,0 soit la valeur la plus élevée possible. Beaucoup de matériaux (par exemple le béton, la maçonnerie, etc.) possèdent un facteur d'émission de l'ordre de 0,9. Des surfaces lisses polies peuvent avoir un facteur d'émission plus faible, de sorte que la transmission thermique par rayonnement se trouve limitée. Cette propriété est utilisée par exemple pour le verre HR, où un revêtement métallique transparent est appliqué sur la feuille de verre interne du coté du vide d'air et permet de diminuer fortement le transport de chaleur par rayonnement entre les surfaces des feuilles de verre dirigées vers le vide d'air. Le coefficient de transmission thermique du mécanisme de rayonnement dépend du facteur d'émission ainsi que des des écarts de température et des facteurs d'angles de surfaces voisines.
Les coefficients d’échange thermique des mécanismes de convection (hc ou coefficient par convection) et de rayonnement (hr ou coefficient par rayonnement) sont totalisés ensemble pour former h et exprimés en W/m².K (Watt par mètre carré par Kelvin). Un saut de température de 1 K correspond à celui de 1°C.
Ces mécanismes de transport se produisent conjointement dans le creux (lame d'air) d'un mur creux par exemple:
- La conduction a lieu par les crochets d'ancrage en métal (étant donné les bonnes propriétés de conduction de chaleur des métaux, il est nécessaire de tenir compte de ces déperditions thermiques dans les calculs);
- La convection se produit suite à l'apparition d'un flux d'air, de sorte que la chaleur est transportée depuis la face intérieure chaude vers le parement froid;
- La chaleur est également transportée par rayonnement de la face intérieure vers le parement, sans aucune influence de la couche d'air présente entre ceux-ci.
Les déperditions thermiques peuvent être limitées en réduisant l'écart de température, en limitant le transport de chaleur par rayonnement, en limitant les écoulements (flux) d'air et en utilisant des matériaux à faible conduction de chaleur. Toutes ces possibilités se présentent également dans la pratique:
- Diminution de l'écart de température par l'abaissement de la température intérieure;
- Limitation de la conduction de chaleur par l'utilisation d'un matériau isolant;
- Limitation de la convection par la non ventilation des murs creux;
- Limitation du rayonnement par l'application d'un revêtement à faible émission sur les feuilles de verre.
La grandeur caractérisant la conduction de chaleur dans des matériaux est le coefficient de conductivité thermique λ. Des valeurs de calcul et des valeurs déclarées du coefficient de conductivité thermique sont reprises dans les normes NBN B 62-002 et addenda (en cours de révision) et NBN EN 12524.
La base servant à la détermination de ces valeurs est la norme NBN EN ISO 10456 conjointement avec diverses normes européennes régissant les produits. L'Union Belge d'Agrément technique dans la construction (UBAtc) certifie par le biais d'un agrément de produit avec certification (ATG/H) la valeur déclarée du coefficient de conductivité thermique de matériaux d'isolation et par le biais d'un agrément technique avec certification (ATG) l'aptitude des produits à une utilisation pour des applications spécifiques (murs creux, toits, planchers).
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