Masse thermique

La masse thermique est efficace pour améliorer le confort des bâtiments dans n’importe quel endroit qui subit ce type de fluctuations quotidiennes de température — à la fois en hiver et en été.Lorsqu’elle est bien utilisée et combinée à une conception solaire passive, la masse thermique peut jouer un rôle important dans les réductions importantes de la consommation d’énergie dans les systèmes de chauffage et de refroidissement actifs.L’utilisation de matériaux à masse thermique est plus avantageuse lorsqu’il y a une grande différence de températures extérieures du jour à la nuit (ou lorsque les températures nocturnes sont au moins 10 degrés plus froides que le point de consigne du thermostat).Les termes poids lourd et poids léger sont souvent utilisés pour décrire des bâtiments avec différentes stratégies de masse thermique, et affectent le choix des facteurs numériques utilisés dans les calculs ultérieurs pour décrire leur réponse thermique au chauffage et cooling.In ingénierie des services du bâtiment, l’utilisation d’un logiciel de modélisation informatique par simulation dynamique a permis de calculer avec précision la performance environnementale des bâtiments de différentes constructions et de différents ensembles de données climatiques annuelles. Cela permet à l’architecte ou à l’ingénieur d’explorer en détail la relation entre les constructions lourdes et légères, ainsi que les niveaux d’isolation, pour réduire la consommation d’énergie des systèmes mécaniques de chauffage ou de refroidissement, voire supprimer complètement le besoin de tels systèmes.

Propriétés requises pour une bonne masse thermiquedit

Les matériaux idéaux pour la masse thermique sont les matériaux qui ont:

• capacité thermique spécifique élevée,
• haute densité

Tout solide, liquide ou gaz ayant une masse aura une certaine masse thermique. Une idée fausse commune est que seul le sol en béton ou en terre a une masse thermique; même l’air a une masse thermique (bien que très peu).

Un tableau de la capacité thermique volumétrique des matériaux de construction est disponible, mais notez que leur définition de la masse thermique est légèrement différente.

Utilisation de la masse thermique dans différents climatsmodifier

L’utilisation et l’application correctes de la masse thermique dépendent du climat dominant dans un district.

Climats tempérés et tempérés froidsedit

Masse thermique exposée au solairedit

La masse thermique est idéalement placée dans le bâtiment et située là où elle peut encore être exposée à la lumière du soleil d’hiver à faible angle (via les fenêtres) mais isolée des pertes de chaleur. En été, la même masse thermique doit être masquée par la lumière du soleil d’été à angle plus élevé afin d’éviter une surchauffe de la structure.

La masse thermique est chauffée passivement par le soleil ou en plus par des systèmes de chauffage internes pendant la journée. L’énergie thermique stockée dans la masse est ensuite relâchée à l’intérieur pendant la nuit. Il est essentiel qu’il soit utilisé en conjonction avec les principes standard de la conception solaire passive.

Toute forme de masse thermique peut être utilisée. Une fondation en dalle de béton exposée ou recouverte de matériaux conducteurs, par exemple des carreaux, est une solution facile. Une autre méthode novatrice consiste à placer la façade en maçonnerie d’une maison à pans de bois à l’intérieur (« placage de brique inversée »). La masse thermique dans cette situation est mieux appliquée sur une grande surface plutôt que dans de grands volumes ou épaisseurs. 7.5-10 cm (3-4″) est souvent suffisant.

Comme la source d’énergie thermique la plus importante est le Soleil, le rapport du vitrage à la masse thermique est un facteur important à prendre en compte. Diverses formules ont été conçues pour le déterminer. En règle générale, une masse thermique supplémentaire exposée au soleil doit être appliquée dans un rapport de 6: 1 à 8: 1 pour toute surface de vitrage exposée au soleil (orientée au nord dans l’hémisphère Sud ou orientée au sud dans l’hémisphère Nord) supérieure à 7% de la surface de plancher totale. Par exemple, une maison de 200 m2 avec 20 m2 de vitrage exposé au soleil a 10% de vitrage par surface au sol totale; 6 m2 de ce vitrage nécessiteront une masse thermique supplémentaire. Par conséquent, en utilisant le rapport 6: 1 à 8: 1 ci-dessus, 36 à 48 m2 supplémentaires de masse thermique exposée au soleil sont nécessaires. Les exigences exactes varient d’un climat à l’autre.

Une salle de classe moderne avec ventilation naturelle par ouverture de fenêtres et masse thermique exposée à partir d’un soffite de sol en béton massif pour aider à contrôler les températures estivales

Masse thermique pour limiter la surchauffe en été

La masse thermique est idéalement placée dans un bâtiment où elle est protégée du gain solaire direct mais exposée aux occupants du bâtiment. Il est donc le plus souvent associé à des dalles de sol en béton massif dans des bâtiments ventilés naturellement ou à faible énergie ventilés mécaniquement où le soffite en béton est laissé exposé à l’espace occupé.

Pendant la journée, la chaleur provient du soleil, des occupants du bâtiment et de tout éclairage et équipement électrique, ce qui provoque une augmentation de la température de l’air dans l’espace, mais cette chaleur est absorbée par la dalle de béton exposée au-dessus, limitant ainsi l’élévation de la température dans l’espace à des niveaux acceptables pour le confort thermique humain. De plus, la température de surface inférieure de la dalle de béton absorbe également la chaleur rayonnante directement des occupants, ce qui profite également à leur confort thermique.

À la fin de la journée, la dalle s’est à son tour réchauffée, et maintenant, à mesure que les températures extérieures diminuent, la chaleur peut être libérée et la dalle refroidie, prête pour le début du lendemain. Cependant, ce processus de « régénération » n’est efficace que si le système de ventilation du bâtiment est actionné la nuit pour évacuer la chaleur de la dalle. Dans les bâtiments ventilés naturellement, il est normal de prévoir des ouvertures de fenêtres automatisées pour faciliter ce processus automatiquement.

Climats chauds et arides (par ex. désert) Modifier

Un bâtiment clos en adobe à Santa Fe, au Nouveau-Mexique

C’est une utilisation classique de la masse thermique. Les exemples incluent les maisons en blocs d’adobe, de terre battue ou de calcaire. Sa fonction dépend fortement des variations de température diurnes marquées. Le mur agit principalement pour retarder le transfert de chaleur de l’extérieur vers l’intérieur pendant la journée. La capacité thermique volumétrique et l’épaisseur élevées empêchent l’énergie thermique d’atteindre la surface interne. Lorsque les températures baissent la nuit, les murs réémettent l’énergie thermique dans le ciel nocturne. Dans cette application, il est important que ces murs soient massifs pour empêcher le transfert de chaleur à l’intérieur.

Climats chauds et humides (par exemple subtropicaux et tropicaux) Modifier

L’utilisation de la masse thermique est la plus difficile dans cet environnement où les températures nocturnes restent élevées. Son utilisation est principalement comme dissipateur thermique temporaire. Cependant, il doit être stratégiquement situé pour éviter la surchauffe. Il doit être placé dans une zone qui n’est pas directement exposée au gain solaire et permet également une ventilation adéquate la nuit pour emporter l’énergie stockée sans augmenter davantage les températures internes. S’il doit être utilisé du tout, il doit être utilisé en quantités judicieuses et encore une fois pas en grandes épaisseurs.

Matériaux couramment utilisés pour la masse thermiquedit

• Eau: l’eau a la capacité thermique volumétrique la plus élevée de tous les matériaux couramment utilisés. Typiquement, il est placé dans de grands récipients, des tubes acryliques par exemple, dans une zone à la lumière directe du soleil. Il peut également être utilisé pour saturer d’autres types de matériaux tels que le sol pour augmenter la capacité thermique.
• Béton, briques d’argile et autres formes de maçonnerie: la conductivité thermique du béton dépend de sa composition et de sa technique de durcissement. Les bétons avec des pierres sont plus conducteurs thermiquement que les bétons avec des cendres, de la perlite, des fibres et d’autres agrégats isolants. Les propriétés de masse thermique du béton permettent d’économiser de 5 à 8% des coûts énergétiques annuels par rapport au bois d’œuvre résineux.
• Les panneaux de béton isolés sont constitués d’une couche interne de béton pour fournir le facteur de masse thermique. Celui-ci est isolé de l’extérieur par une isolation en mousse classique, puis recouvert à nouveau d’une couche extérieure de béton. L’effet est une enveloppe d’isolation de bâtiment très efficace.
• Les formes isolantes en béton sont couramment utilisées pour fournir une masse thermique aux structures du bâtiment. Les formes de béton isolantes fournissent la capacité thermique et la masse spécifiques du béton. L’inertie thermique de la structure est très élevée car la masse est isolée des deux côtés.
• Brique d’argile, brique d’adobe ou brique de boue : voir brique et adobe.
• Terre, boue et gazon: la capacité calorifique de la saleté dépend de sa densité, de sa teneur en humidité, de la forme des particules, de la température et de la composition. Les premiers colons du Nebraska ont construit des maisons aux murs épais en terre et en gazon car le bois, la pierre et les autres matériaux de construction étaient rares. L’épaisseur extrême des murs fournissait une certaine isolation, mais servait principalement de masse thermique, absorbant l’énergie thermique pendant la journée et la libérant pendant la nuit. De nos jours, les gens utilisent parfois la terre qui s’abrite autour de leurs maisons pour le même effet. Dans les abris en terre, la masse thermique provient non seulement des murs du bâtiment, mais de la terre environnante qui est en contact physique avec le bâtiment. Cela fournit une température modératrice assez constante qui réduit le flux de chaleur à travers la paroi adjacente.
• Terre battue: la terre battue fournit une excellente masse thermique en raison de sa densité élevée et de la capacité thermique spécifique élevée du sol utilisé dans sa construction.
• Roches et pierres naturelles : voir la maçonnerie.
• Les rondins sont utilisés comme matériau de construction pour créer les murs extérieurs, et peut-être aussi intérieurs, des maisons. Les maisons en rondins diffèrent de certains autres matériaux de construction énumérés ci-dessus parce que le bois massif a à la fois une valeur R modérée (isolation) et une masse thermique importante. En revanche, l’eau, la terre, les roches et le béton ont tous de faibles valeurs R. Cette masse thermique permet à une maison en rondins de mieux retenir la chaleur par temps plus froid et de mieux conserver sa température plus froide par temps plus chaud.
• Matériaux à changement de phase

Stockage saisonnier de l’énergie

Si une masse suffisante est utilisée, cela peut créer un avantage saisonnier. Autrement dit, il peut chauffer en hiver et refroidir en été. Ceci est parfois appelé stockage de chaleur annuel passif ou HAP. Le système de HAP a été utilisé avec succès à 7000 pieds. dans le Colorado et dans un certain nombre de maisons du Montana. Les Earthships du Nouveau-Mexique utilisent le chauffage et le refroidissement passifs ainsi que des pneus recyclés pour les murs de fondation produisant un maximum de HAP / STE. Il a également été utilisé avec succès au Royaume-Uni dans le cadre du projet de logement Hockerton.