Fiche de révision : Transferts et systèmes du bâtiment

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la physique du bâtiment
2. Transferts thermiques et confort
3. Déperditions et bilan thermique
4. Notions hygrothermiques et vapeur d’eau
5. Diffusion de vapeur dans les matériaux
6. Écoulements de Darcy et couplage chaleur-humidité
7. Prévention des risques d’humidité
8. Éclairage naturel et confort visuel
9. Systèmes de chauffage actifs
10. Production d’eau chaude sanitaire
11. Ventilation mécanique contrôlée
12. Climatisation et optimisation énergétique
13. Réglementation thermique marocaine
14. Approches performancielle et prescriptive
15. Facteurs solaires et protections architecturales
16. Efficacité énergétique des équipements CVC
17. Ondes sonores et grandeurs acoustiques
18. Bruit et perception sonore
19. Phénomènes acoustiques
20. Atténuation, propagation et indices d’isolation acoustique

📅 Repères chronologiques

1. 2011La loi-cadre n° 47-09 sur l’efficacité énergétique prévoit notamment des codes énergétiques pour les bâtiments, l’étiquetage des appareils, des normes de transport, l’évaluation énergétique des grands projets
2. 15 octobre 2014Le décret n° 2-13-874 a établi le Règlement Thermique de Construction au Maroc, entré en vigueur en novembre 2014, pour fixer des règles de performance énergétique des constructions.
3. 2015Le Maroc a soumis une contribution déterminée au niveau national visant une réduction de 13 % de ses émissions de gaz à effet de serre d’ici 2030, avec un objectif de 32 % sous réserve de financements internationaux.

📖 1. Fondements de la physique du bâtiment

🔑 Notions clés & Définitions

• Physique du bâtiment : Discipline qui étudie les phénomènes physiques influençant les constructions et vise à maîtriser les interactions entre le bâtiment, son environnement et ses occupants.

📝 Points essentiels

• La physique du bâtiment apporte des solutions pour : répondre aux exigences des zones climatiques chaudes, froides, humides ou arides, concevoir des bâtiments résilients aux changements climatiques, réduire la dépendance énergétique par l’efficacité énergétique et l’intégration des énergies renouvelables

📖 2. Transferts thermiques et confort

🔑 Notions clés & Définitions

• Transfert thermique : Échange d’énergie thermique entre deux systèmes à des températures différentes, qui se produit spontanément du plus chaud vers le plus froid jusqu’à l’équilibre thermique.
• Conduction : Transfert thermique par contact, possible dans les solides, les liquides et les gaz, où l’agitation thermique se diffuse de proche en proche sans déplacement global de matière.
• Convection : Transfert thermique propre aux fluides, qui accompagne les déplacements macroscopiques de matière.

• Rayonnement thermique : Transfert par ondes électromagnétiques, correspondant à une propagation de photons, qui ne nécessite pas de milieu matériel et peut donc se propager dans le vide.
• Confort thermique : ISO 7730 - État de satisfaction d’une personne vis-à-vis de son environnement thermique et résultat d’un équilibre entre la chaleur produite par le corps et celle échangée avec l’environnement par conduction, convection, rayonnement et évaporation.

💡 Astuce mémo

Conduction par contact, convection par mouvement, rayonnement par ondes : trois voies distinctes pour transférer la chaleur.

📖 3. Déperditions et bilan thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Déperditions thermiques : Pertes de chaleur d’un bâtiment vers l’extérieur ou vers des zones non chauffées et principale cause des besoins de chauffage en hiver.
• Pont thermique : Zone de l’enveloppe où la continuité de l’isolation est rompue, ce qui réduit la résistance thermique et favorise les pertes de chaleur, l’inconfort, la condensation ou les moisissures.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La résistance thermique d’une couche homogène vaut $R=\frac{e}{\lambda}$ et le coefficient de transmission thermique global d’une paroi vaut $U=\frac{1}{R}$.

• Le bilan thermique d’un bâtiment met en regard les apports de chaleur — rayonnement solaire, occupants, équipements et éclairage — et les pertes par les parois, la ventilation et les infiltrations ; l’excès de chaleur en été appelle un refroidissement, tandis que les pertes hivernales appellent un chauffage.

💡 Astuce mémo

Une enveloppe moins isolante → davantage de déperditions → des besoins de chauffage plus élevés.

📖 4. Notions hygrothermiques et vapeur d’eau

🔑 Notions clés & Définitions

• Comportement hygrothermique : Transferts simultanés de chaleur et d’humidité dans les matériaux et les parois d’un bâtiment.
• Humidité absolue : Masse réelle de vapeur d’eau contenue dans un volume d’air, exprimée en g/m³.

📖 5. Diffusion de vapeur dans les matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion de vapeur : Transport microscopique où les molécules se déplacent spontanément sous l’effet d’un gradient de concentration ou de potentiel chimique, sans mouvement global du fluide.

💡 Astuce mémo

Diffusion → perméabilité → résistance μ → épaisseur équivalente Sd.

📖 6. Écoulements de Darcy et couplage chaleur-humidité

🔑 Notions clés & Définitions

• Couplage chaleur-humidité : Le couplage chaleur-humidité désigne le transport simultané d’humidité et d’énergie sous forme de chaleur sensible et latente par les déplacements de vapeur et d’eau liquide dans les pores.

📝 Points essentiels

• Dans un matériau poreux, l’air suit la loi de Darcy : son flux dépend de la perméabilité à l’air et du gradient de pression totale, et transporte aussi la vapeur d’eau.

📐 Formule - Le flux massique du constituant i transporté par advection gazeuse vérifie $g_{i,adv}=-\omega_i K_g\nabla p_g$, où $\omega_i$ est son titre massique, $K_g$ la perméabilité à l’air du milieu poreux et $p_g$ la pression totale du mélange gazeux.

• L’écoulement de l’eau liquide à travers les pores suit la loi de Darcy : le flux liquide est proportionnel à la perméabilité du matériau et au gradient de pression de l’eau.

📐 Formule - Le flux massique liquide par écoulement darcéen vérifie $g_l=-K_l\nabla p_l$, où $K_l$ est la perméabilité à l’eau liquide du milieu poreux et $p_l$ la pression de l’eau liquide.

💡 Astuce mémo

Le gaz suit le gradient de pression totale, l’eau liquide celui de la pression d’eau.

📖 7. Prévention des risques d’humidité

📝 Points essentiels

• La prévention des risques liés à l’humidité repose sur le choix de matériaux poreux pour tamponner l’humidité, la sensibilisation des occupants aux sources d’humidité, la limitation des ponts thermiques, la gestion des usages, une ventilation suffisante, une isolation continue et des barrières à vapeur contre la migration excessive de vapeur d’eau.

📖 8. Éclairage naturel et confort visuel

🔑 Notions clés & Définitions

• Éclairement : L’éclairement, exprimé en lux, mesure la quantité de lumière reçue par une surface ; un lux correspond à un lumen réparti uniformément sur un mètre carré.
• Facteur de lumière du jour : Le facteur de lumière du jour (FLJ) est le rapport entre la lumière disponible à l’intérieur et la lumière disponible à l’extérieur.

📝 Points essentiels

• Les critères de confort visuel indiqués sont 300–500 lux pour les bureaux et salles de classe, 750–1000 lux pour la lecture fine et le dessin technique, et 100–200 lux pour les circulations.

• Les critères complémentaires de confort visuel sont une uniformité lumineuse d’au moins 0,4–0,6, un UGR inférieur ou égal à 19 dans les bureaux et écoles, un IRC supérieur ou égal à 80 et un FLJ supérieur ou égal à 2 %.

📖 9. Systèmes de chauffage actifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Pompe à chaleur : Une pompe à chaleur est un système thermodynamique qui transfère et amplifie la chaleur sans combustion, en utilisant l’électricité pour faire circuler un fluide frigorigène ; son principe est celui d’un réfrigérateur inversé.

📝 Points essentiels

• Le chauffage compense les déperditions thermiques résiduelles de l’enveloppe et du renouvellement d’air ainsi que les faibles apports gratuits solaires et internes afin de maintenir une température de confort pendant la saison froide.

• Un convecteur électrique à effet Joule fournit 1 kWh de chaleur pour 1 kWh d’électricité consommé, sans amplification énergétique.

• Une chaudière à condensation récupère une partie de l’énergie perdue par une chaudière ancienne, ce qui lui permet de dépasser 100 % de rendement et de réduire sa consommation de combustible ; elle dépend toutefois du gaz ou du fioul et nécessite une évacuation des condensats acides vers les eaux usées.

• Une pompe à chaleur fournit généralement 3 à 5 kWh de chaleur pour 1 kWh d’électricité consommée, utilise les calories de l’air, du sol ou de l’eau comme source renouvelable et ne produit pas d’émissions locales de fumées.

💡 Astuce mémo

La chaudière brûle un combustible ; la PAC transfère et amplifie la chaleur.

📖 10. Production d’eau chaude sanitaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Eau chaude sanitaire : L’eau chaude sanitaire (ECS) est l’eau chaude destinée aux usages domestiques et corporels, tels que les douches, bains, robinets et lavages, par opposition à l’eau circulant uniquement dans le circuit fermé de chauffage.

📝 Points essentiels

• La production d’ECS par accumulation chauffe et maintient une réserve d’eau chaude dans un ballon isolé, assurant un débit stable et un meilleur confort pour les usages multiples, et facilitant l’intégration du solaire et des pompes à chaleur.

📌 La production instantanée chauffe l’eau à l’ouverture du robinet, économise de la place mais exige un générateur surdimensionné pour la puissance instantanée et peut entraîner des variations de température ou un temps d’attente.

💡 Astuce mémo

Accumulation : réserve disponible ; instantané : chauffe à la demande.

📖 11. Ventilation mécanique contrôlée

🔑 Notions clés & Définitions

• Ventilation mécanique contrôlée : La ventilation mécanique contrôlée (VMC) fait circuler l’air de manière contrôlée pour assurer son renouvellement constant, en introduisant de l’air neuf dans les pièces de vie et en extrayant l’air vicié des pièces de service.

📝 Points essentiels

• Dans une VMC simple flux autoréglable, l’air neuf entre par des bouches fixes dans les pièces sèches, circule sous les portes puis est extrait par un ventilateur central dans les pièces humides ; les débits restent constants quels que soient l’humidité et le besoin réel, ce qui entraîne des pertes de chaleur inutiles.

• Dans une VMC simple flux hygroréglable, des capteurs modulent automatiquement l’ouverture des entrées d’air et des bouches d’extraction selon l’humidité des pièces de service, ce qui réduit les pertes de chaleur par rapport à une VMC autoréglable sans récupérer les calories comme une VMC double flux.

• Une VMC double flux utilise deux réseaux séparés, l’un pour extraire l’air vicié et l’autre pour insuffler l’air neuf ; un échangeur thermique récupère jusqu’à 90 % des calories de l’air sortant pour préchauffer l’air entrant, réduisant les pertes énergétiques et les courants d’air froid.

💡 Astuce mémo

Autoréglable : débit constant ; hygroréglable : débit modulé selon l’humidité.

📖 12. Climatisation et optimisation énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Climatisation : La climatisation modifie, contrôle et maintient la température, l’humidité et la qualité de l’air d’un espace fermé afin d’assurer le confort thermique des occupants.
• Gestion technique du bâtiment : La gestion technique du bâtiment (GTB) est un système informatisé centralisé qui supervise, pilote et optimise les équipements techniques, notamment le chauffage, la VMC, l’éclairage et les protections solaires, selon des programmes et des seuils prédéfinis.

📖 13. Réglementation thermique marocaine

📝 Points essentiels

• Les objectifs du RTCM sont de réduire la consommation d’énergie primaire, limiter les émissions de gaz à effet de serre, améliorer le confort thermique des occupants et réduire leurs coûts énergétiques.

• Le zonage climatique du RTCM définit des zones homogènes afin d’adapter les exigences thermiques aux conditions régionales du Maroc.

📌 Les degrés-jours de chauffage sont calculés sur une base de 18 °C lorsque la température extérieure descend sous ce seuil, tandis que les degrés-jours de climatisation sont calculés sur une base de 21 °C lorsque la température extérieure le dépasse.

• Le territoire marocain est divisé en six zones climatiques homogènes selon les besoins de chauffage et de climatisation, et ce zonage sert de référence au RTCM pour fixer les niveaux de performance énergétique régionaux.

💡 Astuce mémo

Données climatiques → degrés-jours → six zones pour adapter les exigences.

📖 14. Approches performancielle et prescriptive

🔑 Notions clés & Définitions

• Approche performancielle : Fixe des exigences minimales de performance thermique en évaluant les besoins énergétiques annuels liés au confort, indépendamment des systèmes utilisés.
• Approche prescriptive : Impose des seuils précis à chaque élément de l’enveloppe du bâtiment plutôt que d’évaluer la consommation énergétique globale.

📝 Points essentiels

• Les conditions intérieures de confort retenues pour le calcul performanciel sont de 20 °C en hiver et de 26 °C en été.

📐 Formule - Le besoin énergétique spécifique annuel de confort thermique est $BECTh = \frac{BECh + BERef}{STC}$, en kWh/(m²·an).

📐 Formule - Le taux global de baies vitrées est $TGBV = \frac{S_{baies\ vitrées}}{S_{murs\ extérieurs}} \times 100$, où les surfaces concernent les espaces chauffés ou refroidis.

📌 Si le TGBV est inférieur ou égal à 45 %, l’approche prescriptive ou performancielle est possible, tandis qu’au-dessus de 45 % l’approche performancielle est obligatoire.

💡 Astuce mémo

Performance : besoins énergétiques globaux ; prescription : seuils élément par élément.

📖 15. Facteurs solaires et protections architecturales

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteur solaire équivalent : Représente l’énergie solaire retrouvée derrière les baies vitrées associées à leurs protections solaires architecturales extérieures.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Le facteur solaire équivalent est calculé par $FS^* = \frac{\sum_i(FS_i \cdot BV_i \cdot F_{m,i})}{\sum_i BV_i}$, où FSᵢ est le facteur solaire, BVᵢ la surface de la baie et Fₘ,ᵢ le coefficient de masque architectural.

📖 16. Efficacité énergétique des équipements CVC

🔑 Notions clés & Définitions

• EER : L’EER est un indicateur de performance énergétique des équipements de climatisation égal au rapport entre la capacité de refroidissement et la consommation électrique, toutes deux exprimées en watts.
• Coefficient de performance : Le COP mesure l’efficacité énergétique d’un équipement de chauffage ou d’une pompe à chaleur comme le rapport entre l’énergie thermique fournie et l’énergie électrique consommée.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Le rapport d’efficacité énergétique est $EER = \frac{\text{capacité de refroidissement (W)}}{\text{consommation électrique (W)}}$.

📖 17. Ondes sonores et grandeurs acoustiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Son : Vibration produite par l’oscillation d’un système matériel après une excitation mécanique, qui crée une onde acoustique de compressions et de dilatations dans un milieu.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La période et la fréquence sont reliées par $T = \frac{1}{f}$.

📐 Formule - La célérité relie la longueur d’onde, la fréquence et la période par $c = \lambda f = \frac{\lambda}{T}$.

📌 La célérité c est la vitesse de propagation de l’onde dans le milieu, tandis que la vitesse acoustique v est la vitesse instantanée des particules qui oscillent autour de leur position d’équilibre.

💡 Astuce mémo

La célérité fait avancer l’onde ; la vitesse acoustique fait osciller les particules.

📖 18. Bruit et perception sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Bruit : Son indésirable ou perturbateur, généralement complexe et non harmonique, pouvant être continu ou impulsif.

📝 Points essentiels

• Dans une bande d’octave, la fréquence supérieure est le double de la fréquence inférieure, soit un rapport de 2:1.

📌 Les courbes isosoniques indiquent les niveaux de pression nécessaires selon la fréquence pour qu’un son pur soit perçu aussi fort qu’un son de référence à 1000 Hz.

📖 19. Phénomènes acoustiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Réverbération : La persistance du son dans une pièce fermée lorsque les réflexions successives sur les parois ne sont pas suffisamment absorbées.
• Résonance acoustique : L’amplification des vibrations d’un système lorsque la fréquence d’excitation est proche ou égale à sa fréquence propre.

📖 20. Atténuation, propagation et indices d’isolation acoustique

🔑 Notions clés & Définitions

• Indice d’affaiblissement acoustique : Caractérise la capacité d’un élément de construction à réduire le bruit aérien et se mesure par fréquence.

📝 Points essentiels

• L’isolation acoustique cherche à empêcher le son de traverser une paroi par réflexion, tandis que l’absorption réduit l’intensité sonore dans un local en dissipant l’énergie sous forme de chaleur.

📌 La transmission directe du bruit aérien traverse la paroi de séparation ou la dalle, tandis que la transmission latérale emprunte des voies indirectes comme les bords, les jonctions et les éléments adjacents.

📐 Formule - L’indice R vérifie $R = 10\log_{10}\left(\frac{W_1}{W_2}\right) = L_1 - L_2 + 10\log_{10}\left(\frac{S}{A_{s,eq}}\right)$.

📌 L’indice apparent R’ mesure l’isolation de la paroi réalisée sur chantier en tenant compte des transmissions latérales et reste inférieur ou égal à l’indice théorique R mesuré en laboratoire.

📐 Formule - L’isolement acoustique normalisé aérien est $D_{nT} = D + 10\log_{10}\left(\frac{T}{T_0}\right)$, avec $T_0 = 0{,}5\,\text{s}$.

💡 Astuce mémo

Isolation bloque le passage ; absorption dissipe l’énergie dans le local.

📊 Tableaux de synthèse

Mécanismes de transport d’humidité