Exemple – Perte de chaleur à travers un mur
Les murs constituent une source majeure de perte de chaleur d’une maison. Calculez le taux de flux de chaleur à travers un mur de 3 mx 10 m (A = 30 m 2 ). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L 1 ) et est constitué de briques de conductivité thermique de k 1 = 1,0 W / mK (isolant thermique médiocre). Supposons que les températures intérieure et extérieure soient de 22 ° C à -8 ° C et que les coefficients de transfert de chaleur par convection sur les côtés intérieur et extérieur soient de h 1 = 10 W / m 2 K et h 2 = 30 W / m 2K, respectivement. Notez que ces coefficients de convection dépendent fortement des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).
- Calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers ce mur non isolé.
- Assumez maintenant l’ isolation thermique du côté extérieur de ce mur. Utilisez un isolant en polystyrène expansé d’ une épaisseur de 10 cm (L 2 ) avec une conductivité thermique de k 2 = 0,03 W / mK et calculez le flux de chaleur ( perte de chaleur ) à travers cette paroi composite.
Solution:
Comme il a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et de convection . Avec ces systèmes composites, il est souvent commode de travailler avec un coefficient global de transfert de chaleur , connu comme un facteur U . Le facteur U est défini par une expression analogue à la loi de Newton sur le refroidissement :
Le coefficient de transfert de chaleur global est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.
- mur nu
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient de transfert de chaleur global est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 3,53 [W / m 2 K] x 30 [K] = 105,9 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 105,9 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 3177 W
- mur composite avec isolation thermique
En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi composite plane, aucune résistance de contact thermique et sans tenir compte du rayonnement, le coefficient de transfert de chaleur global peut être calculé comme suit:
Le coefficient global de transfert de chaleur est alors:
U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m 2 K
Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme:
q = 0,276 [W / m 2 K] x 30 [K] = 8,28 W / m 2
La perte de chaleur totale à travers ce mur sera:
q perte = q. A = 8,28 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 248 W
Comme on peut le voir, un ajout d’isolant thermique entraîne une diminution importante des pertes de chaleur. Il faut l’ajouter, un ajout de la prochaine couche d’isolant thermique ne provoque pas de telles économies. Cela peut être mieux vu de la méthode de résistance thermique, qui peut être utilisée pour calculer le transfert de chaleur à travers les murs composites . Le taux de transfert thermique constant entre deux surfaces est égal à la différence de température divisée par la résistance thermique totale entre ces deux surfaces.
Pertes de chaleur – Isolation thermique
Afin de minimiser les pertes de chaleur dans l’industrie et également dans la construction de bâtiments, l’ isolation thermique est largement utilisée. L’isolation thermique a pour but de réduire le coefficient global de transfert de chaleur en ajoutant des matériaux à faible conductivité thermique . L’isolation thermique des bâtiments est un facteur important pour assurer le confort thermique de ses occupants. L’isolation thermique réduit les pertes de chaleur indésirables et réduit également les gains de chaleur indésirables . Par conséquent, l’isolation thermique peut réduire les besoins énergétiques des systèmes de chauffage et de refroidissement. Il faut l’ajouter, aucun matériau ne peut empêcher complètement les pertes de chaleur, les pertes de chaleur ne peuvent être que minimisées.
De même que pour les vêtements, l’isolation thermique est basée sur des matériaux à faible conductivité thermique et sur sa géométrie (par exemple les fenêtres à double vitrage). Les propriétés isolantes de ces matériaux proviennent des propriétés isolantes de l’air. De nombreux matériaux isolants (par exemple la laine de verre) fonctionnent simplement en ayant un grand nombre de poches remplies de gaz qui empêchent la convection à grande échelle . La géométrie de ces matériaux joue également un rôle crucial. Par exemple, l’augmentation de la largeur de la couche d’air, comme l’utilisation de deux vitres séparées par un entrefer, réduira la perte de chaleur plus qu’une simple augmentation de l’épaisseur du verre, car la conductivité thermique de l’air est bien inférieure à celle du verre .
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