Base de connaissances

Thermique

Cette partie rassemble les informations en lien avec la thermique du bâtiment

Effusivité thermique

(b) = ( ρ λ C)1/2 en J/m².K.s1/2  ou W.h1/2 / m².K

 

Le coefficient d’effusivité (b) précise combien de Joules (ou de W) ont pénétré sur 1 m² de surface du matériau, 1 seconde après qu’elle soit mise en contact avec une autre surface de 1 m² plus chaude de 1°C. Elle est égale à la racine carrée du produit de la conductivité thermique par la capacité thermique.

Un matériau absorbe davantage la puissance thermique si la chaleur peut facilement y être conduite (λ élevée) et il absorbe d’autant plus facilement cette puissance si sa température s’élève peu sous l’effet de la chaleur, autrement dit si sa possibilité de stocker l’énergie est importante (capacité thermique λ .C élevée).

 

Pour mieux comprendre :

L'effusivité exprime la capacité d'un matériau à absorber (ou restituer) une puissance thermique. C’est la manière dont le matériau transporte les flux thermiques. L'effusivité indique par conséquent la vitesse avec laquelle la température superficielle d’un matériau s'élève.

Plus l’effusivité d’un matériau est élevée, plus les flux thermiques sont transportés rapidement et conduits vers la quantité de matière qui le compose sans que la température ne s'élève notablement. Au contraire plus elle est faible et plus le matériau monte vite en température pour s'équilibrer avec celle de la surface de contact. 

Les matériaux faiblement effusifs donnent une impression de chaleur : ils sont subjectivement chauds. Ils adapteront leur température instantanément avec celle de la surface voisine et s’harmoniseront avec la température de l’environnement.

Plus l’effusivité s’élève et plus les matériaux tardent à élever et harmoniser leur température. En revanche ils constituent des "réservoirs" à chaleur l’hiver et permettent l’été de garder une sensation de fraicheur malgré l’élévation des températures environnantes.

 

 

Pour compléter :

Un point intéressant, la température de contact. La température de contact est indépendante du temps et est donnée par la moyenne des températures initiales des deux milieux, pondérées par les effusivités. On en déduit que le milieu qui a la plus forte effusivité tend à imposer sa température à l'autre.

La formule permettant de calculer cette température de contact est assez simple :

Tcontact = (T du matériaux 1 x b1effusivité du matériaux 1 + T2 du matériaux 2 x b2 effusivité du matériaux2)/ (b1 + b2)

 

Un exemple pour illustrer :

Comparons les températures de contact dans le cas où on pose la main sur du bois ou bien sur du métal (tous deux strictement à la même température de 20°C) :

Le modèle décrit ci-dessus permet de comprendre pourquoi, à température égale, certains matériaux semblent plus froids que d'autres au toucher. On peut estimer l'effusivité de la peau à environ 1200 J / m².K.s1/2. La température de surface de la main est d'environ 32°C.

L’effusivité du bois, en fonction de sa densité varie de 360 à 600 J / m².K.s1/2 , celle de l’acier est de 14 000 J / m².K.s1/2 et celle du cuivre est de 35 000 J / m².K.s1/2 . L’application de la formule permet de dire que dans ces trois situations la température de contact avec la main sera de :

  • Bois : (1 200 x 32 + 600 x 20)/ (1200 +600) = 28 °C
  • Acier : (1 200 x 32 + 14 000 x 20)/(1200 + 14000) = 20.9 °C
  • Cuivre : (1200 x 32 + 35 000 x 20)/ (1200 + 35 000) = 20.4°C

La sensation de chaud ou de froid n'est donc pas uniquement liée à la température des matériaux mais aussi à leurs caractéristiques physiques.

Pour le confort thermique nous devons nous rappeler que dans la plupart des cas nous cédons de la chaleur et que par conséquent les matériaux qui nous entourent auront une incidence sur la sensation ressentie. Dans l’exemple ci-dessus la main posée sur l’acier ou le cuivre sera fortement refroidie car elle va céder de la chaleur très rapidement sans que la surface de contact n’élève la température.

 

 

Application :

Connaissant le différentiel température de l’air/paroi, on tirera profit de l’effusivité des matériaux. Des parements fortement effusifs vont absorber beaucoup d’énergie et peu élever leur température, c’est l’inverse avec des matériaux faiblement effusifs.

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