Termikus épület

Az épület hője a tudományága, amely tanulmányozza az épületek energiaigényét . Elsősorban a hőszigetelés és a szellőzés fogalmaival foglalkozik annak érdekében, hogy a legjobb hőkomfortot kínálja az utasoknak. Foglalkozik a fűtéshez vagy hűtéshez szükséges energiaellátás és a használati melegvíz előállításának problémáival is .

Az épület minden részét hőátadásnak vetik alá , amelyek hőcserék a meleg környezet és a hideg környezet között (általában belülről kifelé). Ezen transzferek ismerete és ellenőrzése lehetővé teszi az épület energiaszámlájának kezelését. Csökkentésük lehetővé teszi az épületen belüli mérsékelt hőmérséklet fenntartását, miközben a lehető legkevesebb energiát hozzák. Ez lehetővé teszi az épület tervezésének szabályozási kereten belüli orientálását is.

A teljes tanulmány megköveteli az épületen belüli és külső hőforrások, vagyis az aktív részek megkülönböztetését a passzív részektől, például a külső felületektől, az ablakoktól, a tetőtől.

Meghatározás

Az épület termikája leírja az épület és környezete közötti hőcserét. Ez az elemzés környezeti tényezők egész sorozatán fog alapulni:

funkcionális, lakossági vagy egyéb:

másrészt az épület építésénél használt anyagok és alkatrészek jellegéhez kapcsolódva:

Ezután az épület thermics figyelembe kell venni az ember, mint egy szubjektív mérőeszköz: a termikus komfortérzet alapuló komplex fogalom, a hőérzet , melyhez társítani fogalma hőmérséklet . Ideális környezetben a testnek soha nem szabad megtapasztalnia a kellemetlen hideg vagy túlzott hőérzetet (lásd a túlmelegedés fogalmát ).

A felhasznált anyagok többé-kevésbé hővezetők vagy szigetelők.

Az épülettermika ezt követően megvizsgálja a hőérzet elérése érdekében megvalósítandó eszközöket: mind az épület kialakítását (építészeti jellemzők, tájolás, expozíció, légzárás, napvédelem), mind pedig a kivitelezés szempontjából. szigetelés) és fűtési és légkondicionáló rendszerek, méretezés  stb.

A hővizsgálatot egy hőmérnök végzi, aki a helyi hőszabályozásokra, a hivatalos szervek, anyaggyártók, tanúsító szervek által kiadott adatokra támaszkodva olyan dokumentumot állít össze, amely igazolja, hogy az épület megfelel az ilyen hivatalos hőszigetelési osztálynak, vagy megfelel ezeknek energiacímke.

A hőmérnök számíthat olyan számítógépes eszközökre, amelyek statikus vagy dinamikus termikus szimulációt hajtanak végre .

Kapcsolat más állomásokkal

Meg fogjuk mérni a termikus parti jelentőségét azokban a kalóriákban, amelyeket hozzá kell adni vagy el kell távolítani a termikus kényelem elérése érdekében , azon azonnali vagy hosszú távú költségekkel, amelyeket ez a felhasznált technikákkal és anyagokkal együtt a fenntarthatósághoz fog létrehozni. . a fenntarthatóság ezek (az energia tartott, hogy a gyártás és szállítani őket (megtestesült energia ), az energia költségek, a szén-dioxid , újrahasznosítás lehetőségeit). Végül figyelni fogunk az erre a célra felhasznált anyagok, technikák és primer energiaforrások környezeti hatásaira .

Bár ezek a megfontolások nem tartoznak szigorúan a hőtanulmányok körébe, mégis egyes címkék vagy szabványok által okozott reflexió középpontjában állnak, és egyesek számára paraméterként integrálódnak a hőszimulációs programokba.

Az ember hőcseréje a környezetével

Az emberi test normális hőmérséklete 36,1  ° C és 37,8  ° C között van . A test sugárzás, konvekció, vezetés és párologtatás útján folyamatosan végzi a hőcserét azzal a környezettel, amelyben található. Kibocsátónak is minősíthetjük az embert, mivel hőmennyiséget bocsát ki, amelyet figyelembe kell vennünk, amikor méretezünk egy olyan szobát, amelyet sok ember foglal el, például egy osztálytermet . Becslések szerint egy nyugalmi test 60 W-ot bocsát ki  .

Az úgynevezett kényelmes légkör több változó tényező metszéspontjában lesz, köztük: a levegő hőmérséklete és a sugárzó hőmérséklet; a levegő relatív páratartalma; a levegő mozgása.

Klimatológiai adatok

Fizikai és energia fogalmak

Hőveszteség

Hőcsere akkor történik két közeg között, ha hőmérséklet-különbség van e két közeg között. A hő vezetés , sugárzás és konvekció útján meleg környezetből hideg környezetbe terjed .

Az   épület „ hőburkolata ” az a terület, amely elválasztja az épület fűtött belső térfogatát a külső környezettől. Az épület külső falai határozzák meg . Ezen a burkolat körül működnek a hőcserék, más néven hőátadások , amelyek befolyásolják az épület fűtési vagy hűtési igényeit.

Általánosságban elmondható, hogy a belső környezetből a kalóriák konvekcióval és sugárzással jutnak el a külső falakhoz , utóbbiakon vezetés útján haladnak át, majd konvekcióval és sugárzással jutnak el újra.

Az épület hőveszteségének meghatározása kiszámítja az épület falain áthaladó hozzáadott hőáramokat .

A falakhoz

A fal vastagságban vezetéssel adja át a hőt az épület belseje és külseje között. A szél konvekcióval gyorsítja a fal külső felületén a hőcserét. A Nap sugárzással melegíti a falat. A meleg fal éjjel is ég felé sugárzik.

Ablakokhoz

Az üveg vastagságban vezetéssel adja át a hőt az épület belseje és külseje között. A szél konvekcióval lehűti az ablakot. A Nap az átlátszó felületen keresztül melegíti a szoba belsejét. Maga a szoba belseje a külső sugárzással elveszíti energiájának egy részét. De az üveg blokkolja a kibocsátott infravörös sugárzás nagy részét (az üvegházhatás elve ).

A tetőre

A Nap sugárzással melegíti a tetőt. A Napból származó hőt a tetőn keresztül továbbítják az épület többi részére. A szél hűvös széllel hűti a tetőt.

A padlóra

A hő az épület és a talaj között a födém vastagságán keresztül vezetéssel történik. Konvektív cserék csak akkor fordulnak elő, ha a födém szellőző kúszótérben helyezkedik el. Sugárzás nem cserélhető.

Hővezető

Λ (vagy angolul k) jelöléssel a „  hővezetőképesség  ” vagy a „hővezetőképesség” olyan fizikai mennyiség, amely az anyagok viselkedését jellemzi a hővezetés általi hőátadás során . A hőáram az, amely áthalad az 1 méter vastag fal 1 négyzetméterén, ha a fal két oldala közötti hőmérsékletkülönbség 1 fok. A Nemzetközi Egységrendszerben a hővezetőképességet watt / méter-Kelvin- ben fejezik ki (W m -1 K -1 ).

Minél kisebb, annál szigetelőbb az anyag.

A λ elhanyagolható mértékben növekszik a hőmérséklettel, de különösen az anyagban lévő páratartalommal. A víz hővezetési tényezője 25-szer nagyobb, mint a levegőé: ha a víz helyettesíti a levegőt az anyag pórusaiban, annak teljesítménye komolyan csökken. A szigetelés beépítése a szakterület szabályaiba ezért gyakran együtt jár a vízszigetelés gondosságával és a hőszigetelés ismeretével, az építkezés szokásos nedvességproblémáinak ismeretében .

Mivel az anyag hővezetési együtthatója a hőmérséklet és a páratartalom függvényében változik, az anyagok műszaki és kereskedelmi dokumentációjában meg kell határozni a λ értékét és azokat a feltételeket, amelyek mellett ezt az értéket megkapják. Ezt a deklarált lambda értéket esetleg műszaki jóváhagyással kell igazolni.

Másrészt, a különbséget teszünk λi , a hővezető anyag egy belső falon, vagy külső fal, feltéve, hogy az anyagot védeni nedvesség eső miatt vagy kondenzációs, és d „másrészt -E , ugyanannak az anyagnak a hővezető képessége, amelyet az eső vagy a páralecsapódás nem véd a nedvességtől.

Anizotrop anyagok esetében , vagyis az irányoknak megfelelően eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek, mivel nem homogének (ez az üreges tömbök falazatára vonatkozik), nem lehet olyan hővezetési értéket megadni, amely a számításokban használt. Ezért laboratóriumi kísérlet eredményeként hőellenállási (RT) értéket kapnak.

Hőálló

A falanyagon áthaladó hőáram függ annak vastagságától és hővezető képességétől λ. A hőellenállás összeköti a vastagságot és a hővezető képességet  :

vagy:

Minél nagyobb, annál jobban szigeteli a fal.

Hőátadás

Az U hőátadási együttható , amelyet korábban k-nak hívtak, R inverze.

Minél gyengébb a fal, annál jobban szigeteli a falat.

Csak a számítás kényelme érdekében kell először meghatároznunk R-t, mielőtt U-t ismernénk.

Hőveszteség a falról

A fal hőveszteségének kiszámítása a rajta áthaladó hőáram kiszámítását jelenti.

A gyakorlatban egy fal több, különböző vastagságú és vezetőképességű anyagból áll. A fal teljes hőellenállása az egyes rétegek hőellenállásának összege, nevezetesen:

Így n rétegből álló fal esetén:

vagy:

Mindegyik négyzetméter-Kelvin / wattban kifejezve (m 2 .KW -1 ).

A fal hőátbocsátási együtthatóját a képlettel kapjuk meg

A watt / négyzetméterben kifejezett hőáram sűrűségét a következő képlettel kapjuk meg. A wattban kifejezett hőáramot a következő képlettel kapjuk meg:

Szigeteljen egy falat

A hőszigetelés célja a lehető legkisebb vezetőképességű anyag közbeiktatásával csökkenteni a belső és a külső hőcserét . A hőszigetelés célja az lehet, hogy télen tartsa az épületben a hőt, vagy megakadályozza a nyári melegítést.

Egy épület hőszigetelési szintje

Az épület hőszigetelésének szintje az a mennyiség, amely meghatározza az épület hőszigetelésének szintjét.

Termikus tehetetlenség

A hőtároló mennyiségileg két kulcsfontosságú fizikai paraméterek: a hődiffúziós és termikus kibocsájtást . Ezek a következőktől függenek:

Alkalmazott hogy egy épület anyag , egy fal , egy helyiség vagy egy épület, a termikus kapacitása képviseli azt a hőmennyiséget, hogy tárolja, amikor a hőmérséklet emelkedik egy fokkal. Ez a mennyiség általában a sűrűséggel függ össze .

Általánosságban: egy sűrű anyagnak jobb lesz a termikus tehetetlensége, míg a könnyű anyagnak kevesebb a hőhatása.

A belső térben szigetelőréteggel vagy könnyű béléssel ellátott falon a termikus tehetetlenség alacsony. Csak rövid időbe telik a helyiség levegőjének felmelegítése, ami előny. Másrészt nyáron a legkisebb napsugár miatt a hőmérséklet hirtelen megemelkedik, és a hőmérséklet olyan gyorsan csökken, mint emelkedett, amikor a nap eltűnt. A kellemetlen érzés egyértelmű.

A szilárd belső falak és a külső szigetelés használata növeli a hőtehetetlenséget és csökkenti a hőmérsékleti ingadozásokat.

A fajlagos hőkapacitást és sűrűséget az épületek építéséhez felhasznált anyagok műszaki specifikációi adják meg.

Egy épület energiafogyasztása

Az épület energiafogyasztása vagy energiaindexe az épület fűtéshez szükséges éves energiafogyasztása elosztva a fűtött területtel.

Az energiafogyasztás, vagyis az energiaindex tehát egységnyi területenkénti teljesítmény, kilowattórában / négyzetméter és év (kWh / (m 2 .év)) kifejezve .

Az épület energiafogyasztása nemcsak az épület hőteljesítményétől ( szigetelés , tömörség , passzív napelemek stb.), Hanem a lakók által kívánt hőmérsékleti alapértéktől is függ. Valójában az 1  ° C-os hőmérséklet-emelkedés az épülettől függően 6-20% -kal növelheti az energiafogyasztást.

Ez a meghatározás nem egyedi. Országtól függően a felhasználás változhat. Nevezetesen megtartott referenciafelület, amely figyelembe veheti vagy nem veszi figyelembe a falak vastagságát, vagy kizárja a műszaki részeket (liftaknák, kazánház), vagy kizárja az alapterület egy részét attól függően, hogy milyen magasságú mennyezet stb. Másrészt a számláló tartalmazhatja a fűtésfogyasztás mellett a légkondicionálás, az áramfogyasztást stb. Kizárólag a fűtési igényeket képviselheti , vagyis a ténylegesen használt fűtőberendezések teljesítményének figyelembevétele nélkül.

Az épület hőszigetelése

Az épület hőszigetelése leírja azokat az eszközöket, amelyek az épület burkolatának hőszigetelését biztosítják .

Fűtés

Passzív fűtés

A passzív fűtés a napsugárzás felhasználásából , az anyagok megválasztásából és a hőkeret falainak tájolásából áll annak érdekében, hogy az épületet közvetlenül napsugárzás útján melegítsék fel energiaátalakítás nélkül. Jelenleg a mérsékelt éghajlatú országokban a passzív fűtés nem elegendő az összes fűtési igény kielégítésére, míg más szélességi fokokon lehetséges. Sok régióban (pl. Trópusi területeken) a fűtés fogalma nem létezik a passzív levegő- vagy napfűtés miatt. Ezután felmerül a helyiségek hűtésének kérdése.

A passzív fűtést általában a kereslet csökkentésére használják. Ezért aktív fűtési rendszert használnak ezen felül.

Hőforrások

Az épületek fűtésére különböző típusú energiákat és különböző hő diffúziós rendszereket használnak. Ezeket a döntéseket a helyi sajátosságok szerint hozzák meg: az épület méretei, a helyszínen rendelkezésre álló energiák. Megkülönböztethetjük a fűtésre használt energiahordozókat aszerint, hogy hálózati energiák-e vagy sem.

Hálózati energiák

A hálózati energiák olyanok, amelyek elérhetők egy olyan hálózaton keresztül, amelyhez az épület csatlakozik. A hálózati energiák a következők:

Egyéb energiák

A hálózati energiát nem használó épületeket mind hőátadó folyadékon (általában víz) alapuló hálózat fűtik . Különböző megoldásokat alkalmaznak a folyadék hőkezeléséhez a szükséges hőmérsékletre.

Termikus napelemek

Az energia a napból származik . Ez utóbbi elektromágneses sugárzást bocsát ki, amely a napelemmel érintkezve a hőátadó folyadék hőmérsékletének emelkedését idézi elő . A termikus napelem egy csőből áll, amelyben folyadék kering. Ez a cső a hőenergiát elnyelő fekete fal és az üvegfal között helyezkedik el. Az üvegfal átlátszó a napsugárzással szemben (főleg a látható helyen helyezkedik el ), de átlátszatlan az infravörös sugárzással (panel sugárzással) szemben. Van egy üvegházhatás a napelem.

A termikus napelemek használata olyan épületek számára alkalmas, amelyeknél az energia index alacsony. Ha azonban az épület energiaigénye magas, akkor a napenergiát egy másik megoldással párhuzamosan is fel lehet használni.

Üzemanyag kazán

A kazán lehetővé teszi egy energiatermelő anyag égetésével a hőtermelést. A hőátadó folyadék ezt követően egy, az épületre jellemző hálózaton keresztül szórja a hőt. A kazán által az épület fűtésére használt különböző tüzelőanyagok:

Hő pumpa

A hőszivattyúk vagy CAP a hűtési ciklus elvén alapszik, amely a hűtőszekrényekben is megtalálható . A külső környezet által szolgáltatott hő lehetővé teszi a hőszivattyú folyadékának elpárologtatását , egy általában villamos energiával ellátott kompresszor pedig lehetővé teszi a folyadék nyomásának növelését gáz halmazállapotban. Ezután a folyadék egy kondenzátorban kering, így felszabadítva az épület fűtési rendszerével elfogott energiát. Ezután a folyadék egy tágulási szelepen keresztül csatlakozik az elpárologtatóhoz.

Az épület hőenergiájának háromféle hőszivattyúja van, a párologtatóhoz használt külső környezet típusától függően: levegő; talaj ; víz.

Hőerő-kapcsolás

A kapcsolt hő és energia ( CHP ) egy égésű motoron alapuló rendszer . A gáz vagy fűtőolaj motor általi elégetése azt eredményezi, hogy a generátor villamos energiát termel, a motor és a kipufogógázok által kibocsátott hőt visszanyerik és felhasználják az épület fűtésére. Ez a rendszer az épület igényeinek megfelelő villamos energiát és fűtéshez hőt termel. Egy ilyen rendszer energiahatékonysága 90 és 95% között van.

A kandalló esete

A hőtermelés a fa égésének köszönhető a kandalló kandallójában . A hőátadások a következők:

Nyitott kandalló esetén a fa égése során felszabaduló hő körülbelül 90% -a elvész a füstökkel együtt maga a kandalló huzat hatása révén. Zárt kandalló ( betét ) esetében ezek a veszteségek körülbelül 60% -ra csökkennek.

Hő diffúzió az épületben

Radiátor  : elve a hősugárzás kibocsátásán alapul. A forró víz magasabb hőmérsékletre hozza a radiátor bordáit, mint a szoba. Ezek az uszonyok ekkor sugárzást bocsátanak ki, főleg az infravörösben, amelyet első megközelítésként a fekete testéhez hasonlóan tanulmányozhatunk .

Forró víz

Légkondicionálás és hűtés

Jelenlegi kontextus

Számos iparosodott és sűrűn lakott ország olyan földrajzi területeken található, ahol az éghajlatot hideg tél jellemzi. Ezekben az országokban fontos ezekben az időszakokban a fűtési igény. Ezzel szemben azokban az országokban, ahol magas hőmérséklet vagy meleg évszak van, szükség lehet napvédő vagy akár hűtőberendezések felállítására. Egyes országok szabályozási intézkedéseket hoznak az épületek energiaigényének korlátozására; idézhetjük hőszigetelési előírások és energia teljesítmény diagnosztika a Franciaországban .

Számítási eszközök

Az épület éves fűtési vagy hűtési igényének kiértékeléséhez sok olyan adat rendelkezésre állása szükséges, amely lehetővé teszi az épület burkolatának, az időjárási viszonyoknak és az épület használatának pontos leírását. Ezekből az elemekből a hőcserék különféle típusaira (konvekció, vezetés, sugárzás) jellemző termikus törvények alkalmazhatók az adott pillanatban játékba hozott pillanatnyi erők levezetésére. Egy év eredményének eléréséhez egyszerűsített éves vagy havi módszerek és részletes módszerek szükségesek, amelyek sok számítást igényelnek (nincs óránkénti idő vagy néhány perc). Ez utóbbi esetben az épület dinamikus termikus szimulációjáról beszélünk .

Az egyszerűsített számítási eszközök közül megemlíthetjük:

Az épületek számára a legszélesebb körben használt dinamikus termikus szimulációs eszközök :

Megjegyzések és hivatkozások

  1. (in) A fizika tankönyv , egy egészséges ember hőmérséklete (testhőmérséklet), szerkesztette Glenn Elert, tanítványai írták
  2. Jean-Pierre Oliva, Ökológiai szigetelés, tervezés, anyagok, kivitelezés. Élő Föld 2001.
  3. "  A hőátbocsátási tényező (U) meghatározása  " , az Actu-Environnement készüléken (hozzáférés : 2020. január 30. )
  4. [PDF] Új, alacsony energiafogyasztású épületek , Szövetségi Energiaügyi Hivatal , SuisseEnergie, 2006
  5. A PAC , Suisseenergy program elve , konzultáció 2008. június 17-én.
  6. Hőerő-összekapcsolás a Szövetségi Energiaügyi Hivatal honlapján , konzultáció 2008. június 17-én.

Lásd is

Bibliográfia

A cikk írásához használt dokumentum : a cikk forrásaként használt dokumentum.

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek