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Energie, chaleur, qu'est-ce que c'est ?

  L’énergie et la chaleur sont les éléments que l’on doit économiser si l’on veut réduire nos émissions de gaz à effet de serre. Mais au fait, l’énergie et la chaleur, qu’est-ce que c’est ? Comment les représente-t ’on ? Comment calculer le besoin de chaleur d’un bâtiment ? Quels sont les postes où l’on consomme de l’énergie dans un bâtiment ? Nous pourrons grâce aux réponses à ces questions définir

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le rôle de l’expert en efficacité énergétique et son champ d’action.

 

  Le mot français « énergie » vient du latin  energia, lui-même issu du grec ancien  enérgeia. Ce terme grec originel signifie « force en action ». En physique, l'énergie, mesurée en joules, est une mesure de la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. Le travail est ainsi un transfert ordonné d'énergie entre un système et le milieu extérieur, tandis que la chaleur est un transfert désordonné d’énergie entre le système et le milieu extérieur. Un échange d'énergie est une manière d'exprimer l'intensité des phénomènes ; c'est de fait une quantité mesurable, et qui s'exprime de manière différente selon les transformations que subit un système (réaction chimique, choc, mouvement, réaction nucléaire, etc.). L’énergie suit un modèle de transformation avant d’être consommée. L’énergie primaire est l’ensemble des produits énergétiques non transformés exploités directement ou importés comme par exemple le pétrole brut, les schistes bitumeux, le gaz naturel, les combustibles minéraux solides, la biomasse, le rayonnement solaire, l’énergie hydraulique, l’énergie du vent, la géothermie, l’énergie tirée de la fission de l’uranium (nucléaire). L’énergie secondaire est l’énergie obtenue après la transformation en vue de l’utilisation finale (chaleur industrielle, éclairage, photovoltaïque…)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  L'énergie se définissant de manière différente selon les phénomènes, on peut donc définir diverses « formes d'énergie ». On distingue 3 types d’énergie : l’énergie cinétique, l’énergie thermique et l’énergie potentielle.  Le type d’énergie nous intéressant pour le logement, est l’énergie nécessaire pour produire de la chaleur, ou l’énergie thermique.

                                                      1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ

 

  Dans le langage courant, le terme de chaleur est employé pour qualifier la sensation que donne un corps chaud. Les physiciens qualifient la chaleur d'énergie thermique. Dans le système international, elle se mesure donc en joules. La chaleur correspond plus précisément à un transfert d'énergie. On la note Q, et donc mesurée en Joule J et est égale à la puissance (en Watt) par le temps (en seconde).

 

                                                                 Q= P x t

 

  Ainsi, un transfert de chaleur provoque généralement une variation de température (chaleur sensible). Lorsque deux corps sont mis au contact l'un de l'autre, le plus chaud cède de la chaleur au plus froid jusqu'à établir un équilibre.

 

  

 

                                                        

 

 

 

 

 

  En revanche, les changements d'état physique s'opèrent à température constante. Chauffez un glaçon : il restera à 0 °C ! Mais l'eau qui le compose passera de l'état solide à l'état liquide. Ce changement d'état consomme de l'énergie, de la chaleur, qui, de fait, ne pourra pas servir à faire monter la température de l'eau (chaleur latente).

 

 

  Il existe trois modes de transfert de la chaleur :

  • la conduction thermique, qui correspond à un échange d'énergie sans déplacement de matière. Elle a lieu dans tout matériau solide, lorsque ses molécules ne sont pas toutes à la même température. Les molécules les plus chaudes transmettent de l’énergie (chaleur) à la partie la plus froide du matériau. Par exemple, une cuillère placée dans une tasse à café chaud conduit la chaleur par sa poignée jusque dans la main qui la tient. De la même manière, la conduction de la chaleur dans les bâtiments passe généralement par les parois (murs, sols, plafonds, fenêtres, ponts thermiques).

 

  Grâce à cette notion, on peut donc dire qu’il y a un flux de chaleur. On a pu voir précédemment que l’énergie, ici, flux thermique, était notée Q = P x t. Mais pour quantifier ce qui passe à travers une paroi, on devra calculer le coefficient de transmission thermique de celle-ci. C’est la quantité de chaleur traversant cette paroi en régime permanent, par unité de temps, par une unité de surface et par unité de différence de température entre les ambiances situées de part et d’autre de la paroi. Le coefficient de transmission thermique, noté U, est l’inverse de la résistance thermique, notée R, de cette paroi.

                     

                                                    U = 1 / R   en W/m².K

  La densité de flux thermique  est quant à elle notée γ = P / S en W /m², c’est la puissance du flux par unité de surface pour une seconde de temps.

Il y a une proportionnalité entre cette densité de flux thermique et la variation des températures de part et d’autre d’une paroi.

                                                   

                                                        R  x   γ   =    Δ T

  La résistance thermique est exprimée en m².K/W. Plus celle-ci est grande, plus la paroi est isolante. Elle dépend également de l’épaisseur de la paroi et d’un coefficient de conductivité thermique, noté λ, propre à chaque matériau.       

                               

                                                       R = e / λ

  Pour tous les matériaux, la conductivité thermique  λ  dépend de plusieurs paramètres tels que la pression et la température, la présence d’humidité, la présence d’impuretés.

 

 

  La résistance thermique totale d’une paroi est égale à la somme de toutes les résistances thermiques des différents matériaux composant cette paroi. On va également identifier la résistance thermique surfacique d’une paroi, dû au phénomène de convection.

 

 

 

 

 

                     

  • la convection, résultat d'un déplacement de particules de températures différentes dans un fluide. Elle est le transfert d’énergie par le mouvement de fluides ou de gaz. L’air chaud monte et est remplacé par de l’air plus froid provenant de l’extérieur. Elle est régie

 
 

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       par la loi de Newton qui stipule que le flux de chaleur transmis est proportionnel           à l’écart entre la température Ts du corps solide qui reçoit ou transmet de la                   chaleur et la température Tf du fluide qui transmet ou reçoit cette chaleur. Le                 coefficient de transmission est appelé coefficient de convection thermique et est           noté hc en W/m².K.

 

                                                              Φ = hc.S.(Ts-Tf)


          Il y a deux modes de convection, la convection naturelle et la convection forcée.

 

  • le rayonnement thermique, qui est émis pour tous les corps, correspond au transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Contrairement aux autres modes de transferts de la chaleur, le rayonnement ne nécessite aucun support intermédiaire pour se propager. Le rayonnement dans le bâtiment a principalement lieu au niveau des fenêtres et des portes. Et on s’attachera donc à mesurer l’éclairement d’une surface, c’est-à-dire la puissance thermique reçue par la surface, donnée par :

                                          

     E = dφ / Ds         Eclairement = flux de chaleur reçu en W / surface réceptrice en m².

  Le rayonnement se calcule par trois facteurs : le facteur d’absorption, le facteur de réflexion et le facteur de transmission. Qui nous serviront à calculer les apports gratuits du soleil en hiver mais également à déterminer le besoin de climatisation ou non en été.

 

 

 

  Maintenant que nous savons que là où il y a écart de température, il y a transfert de chaleur, il paraît logique qu’il y ait des déperditions  obligatoires dans une habitation. Le but étant de les limiter au maximum. En augmentant la résistance thermique des matériaux, en installant des rupteurs de ponts thermiques, en gérant de manière optimal le renouvellement d’air et en profitant un maximum des apports gratuits extérieurs ainsi que des apports internes. Cette optimisation des déperditions nous permettra de diminuer le besoin en énergie et donc en chauffage ou climatisation afin de garantir une température de confort interne peu importe la température extérieure.

 

 

 

 

                     

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