Le thermomètre

1. Notions de base

1.1. Le confort Thermique

Dans les conditions habituelles, l'homme assure le maintien de sa température corporelle autour de 36,7°C. Cette température est en permanence supérieure à la température d'ambiance, aussi un équilibre doit-il être trouvé afin d'assurer le bien-être de l'individu.

Graphique

La figure ci-contre considère le sentiment de confort thermique exprimé par les sujets eux-mêmes. Il s'agit de pourcentages prévisibles d'insatisfaits (PPD), exprimés sur l'axe vertical, pour des personnes au repos en position assise (celle qui font la sieste au bureau, par exemple !), ou pour des personnes effectuant un travail léger (= travail de bureau).

Il est impossible de définir une température qui convienne à tous : il reste au mieux 5 % d'insatisfaits !

Il est intéressant de constater que la courbe des sujets au repos est centrée sur 26°C, et qu'elle est plus resserrée : ces personnes sont plus sensibles à de faibles variations de température.

La courbe représentant le travail léger glisse vers les basses températures : les personnes ayant plus de chaleur à perdre préfèrent des températures plus basses.

La diffusion de chaleur entre l'individu et l'ambiance s'effectue selon divers mécanismes :

Echanges thermiques

Cette importance de nos échanges par rayonnement explique que nous sommes très sensibles à la température des parois qui nous environnent, ... et explique l'inconfort dans les anciennes églises, malgré l'allumage de l'aérotherme deux heures avant l'entrée des fidèles !

Le confort thermique dépend de 6 paramètres :

  1. Le métabolisme, qui est la production de chaleur interne au corps humain permettant de maintenir celui-ci autour de 36,7°C. Un métabolisme de travail correspondant à une activité particulière s’ajoute au métabolisme de base du corps au repos.
  2. L'habillement, qui représente une résistance thermique aux échanges de chaleur entre la surface de la peau et l'environnement.
  3. La température ambiante de l’air Ta.
  4. La température moyenne des parois Tp.
  5. L'humidité relative de l'air (HR), qui est le rapport exprimé en pourcentage entre la quantité d'eau contenue dans l'air à la température ta et la quantité maximale d'eau contenue à la même température.
    L’humidité a relativement peu d’impact sur la sensation de confort d’un individu dans un bâtiment. Ainsi, un individu peut difficilement ressentir s’il fait 40 % ou 60 % d’humidité relative dans son bureau.
    L’inconfort n’apparaît que dans des situations extrêmes :
    • soit une humidité relative inférieure à 30 %,
    • soit une humidité relative supérieure à 70 %
  6. La vitesse de l'air, qui influence les échanges de chaleur par convection. Dans le bâtiment, les vitesses de l'air ne dépassent généralement pas 0,2 m/s.

La vitesse de l’air (et plus précisément la vitesse relative de l’air par rapport à l’individu) est un paramètre à prendre en considération car elle influence les échanges de chaleur par convection et augmente l’évaporation à la surface de la peau.

A l'intérieur des bâtiments, on considère généralement que l'impact sur le confort des occupants est négligeable tant que la vitesse de l'air ne dépasse pas 0,2 m/s.

A titre de comparaison : se promener à la vitesse de 1 km/h produit sur le corps un déplacement de l'air de 0,3 m/s.

Le mouvement de l'air abaisse la température du corps, facteur recherché en été mais pouvant être gênant en hiver (courants d'air).

Évaluation simplifiée : température de l'air et température des parois définissent "la température opérative"

De façon simplifiée, on définit une température de confort ressentie (appelée aussi "température opérative" ou "température résultante sèche") :

T°opérative = (T°air + T°parois) / 2

Cette relation simple s'applique pour autant que la vitesse de l'air ne dépasse pas 0,2 m/s.

Ainsi, le lundi matin, la température des parois est encore basse et le confort thermique risque de ne pas être atteint malgré la température de l'air de 20 ou 21°C...

1.2. Isolation thermique des murs

1.2.1. La conduction thermique

La conduction thermique est le mode de propagation de l'énergie thermique à travers les matières.

Les éléments qui constituent les matières reçoivent et transmettent l'énergie aux éléments voisins par contact.

Toutes les matières ne transmettent pas l'énergie de la même façon. Certains, comme les métaux, sont de bons conducteurs thermiques. D'autres, comme le bois ou les matières synthétiques, sont de médiocres conducteurs.

Parmi ces matières, les matériaux de construction seront, eux aussi, plus ou moins conducteurs de l'énergie thermique.

On caractérisera les matériaux par les coefficients suivants :

1.2.2. La propagation de la chaleur à travers une paroi

Une paroi séparant deux ambiances de températures différentes, constitue un obstacle plus ou moins efficace, au flux de chaleur qui va s'établir de la chaude vers la froide.

La chaleur va devoir :

Propagation de la chaleur

Outre la résistance thermique des différents matériaux (R), les coefficients thermiques utilisés sont les suivants :

1.2.3. Calculer le niveau d'isolation lorsque la nature et l'épaisseur de l'isolant sont connues.

L'isolant thermique est la couche d’une paroi qui influence le plus ses qualités thermiques.

En première approximation, le calcul du niveau d'isolation peut se faire en ne tenant compte que de l'isolant sur base de la formule simplifiée :

U = /e,

Avec :

1.2.4. Calculer le niveau d'isolation lorsque la nature et l'épaisseur de l'isolant sont inconnues.

Il est aussi possible de mesurer la température de surface intérieure et d'en déduire le coefficient de transmission thermique U (anciennement "k") de la paroi. Il peut être estimé par la formule :

U = (Tint - Tsurf) / (0.125 x (Tint - Text)) EN RÉGIME STATIONNAIRE !

Où :

Pour que les valeurs obtenues soient valables, il faut que la paroi soit en régime thermique stationnaire (c'est à dire que les températures intérieures et extérieures ne subissent pratiquement pas de variation).

Il faut donc éviter de faire ces mesures sur des parois ensoleillées, tôt le matin ou en début de soirée.

Exemple 1

Exemple 1

Température extérieure nuit : - 5°C.

Température stable du local : 20°C.

Température du plafond : 16°C

  • Température moyenne extérieure : 0°C.
  • U = (20 - 16) / (0.125 (20 - 0)) = 1.6 W/m²K
  • la toiture n'est pas isolée !

Exemple 2

Exemple 2

Valeurs constatées :

Temps couvert.

Température extérieure jour : + 5°C.

Température extérieure nuit : - 5°C.

Température stable du local : 20°C.

Température du plafond : 19°C

  • Température moyenne extérieure : 0°C.
  • U = (20 - 19) / (0.125 (20 - 0)) = 0.4 W/m²K
  • la toiture est suffisamment isolée !

1.2.5. Valeurs de référence.

Le tableau ci-dessous présente les valeurs à atteindre pour respecter les dernières exigences en matière d’isolation de bâtiments en Région Wallonne et en Région Bruxelloise. Celles-ci dépendent du type de paroi et de leur environnement.

Valeurs de référence

1.2. Paramètres mesurés

La température est exprimée en degré. L'échelle de température la plus répandue est le degré Celsius, dans laquelle l'eau gèle à 0°C et bout à environ 100°C dans les conditions standard de pression. Dans les pays utilisant le système impérial (anglo-saxon) d'unités, on emploie le degré Fahrenheit (gel à 32°F et ébullition à 212°F). L'unité du système international d'unités, d'utilisation scientifique et définie à partir du zéro absolu, est le kelvin (Zéro absolu = 0°K = -273,15 °C). L’échelle Kelvin est un décalage de 273,15° de l’échelle Celsius. En conséquence, une unité de °K égale une unité de °C mais n’est pas égale à une unité de °F.

1.2.1. Température ambiante

La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre.

Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de chaleur entre le corps humain et son environnement.

En physique, elle se définit de plusieurs manières :

1.2.2. Température de paroi

Les thermomètres infrarouges permettent de mesurer la température d'une surface, sans contact. Ils conviennent particulièrement pour les mauvais conducteurs de chaleur (céramique, caoutchouc, matières synthétiques, ...), pour la mesure de la température de pièces en mouvement, zones inaccessibles au toucher (plafond), des pièces sous tension électrique, ...

Ces appareils ont un temps de réponse quasi instantané. Leur précision (+ ou - 2 °C) est dépendante :

1.2.3. Emissivité d’un matériau

L'émissivité d'un matériau (souvent écrite ou epsilon), est le rapport entre l'énergie qu'il rayonne et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température. C'est donc une mesure de la capacité d'un corps à absorber et à réémettre l'énergie rayonnée. Dans le cas du corps noir, qui absorbe et réémet toute l'énergie, . Et pour un corps quelconque, de température uniforme, on aura . Un objet d'émissivité faible, en particulier un objet ayant une surface métallique constitue un bon isolant au rayonnement thermique. En effet, de même qu'ils stoppent les rayonnements radiofréquences, les bons conducteurs stoppent le rayonnement infrarouge.

1.3. Mode d’utilisation du thermomètre

Le thermomètre Testo 810 présente 2 canaux pour mesure de température ambiante et de température superficielle avec visée laser (par infrarouge - IR). Il mesure simultanément la température ambiante et la température de surface sans contact.

Thermomètre

1.3.1. Prise en main

Insérer les piles :

  1. Ouvrez le compartiment pile : faites glisser le couvercle vers le bas.
  2. Insérez les piles (2 piles 1,5 V type AAA). Attention à la polarité !
  3. Fermez le compartiment pile : faites glisser le couvercle vers le haut.

1.3.2. Paramétrage (mode configuration) :

Fonctions paramétrables

  1. Fonction Auto Off : OFF (désactivée), ON (activée, l'appareil s'éteint automatiquement 10 min après le dernier actionnement de touche)
  2. Unité de mesure : °C (degré Celsius) ou °F (degré Fahrenheit).
  3. Température différentielle ∆t : OFF (désactivée), ON (activée). Cette fonction permet l’affichage automatique de la différence de température entre la température ambiante et la température de paroi.
  4. Facteur d’émission : Le facteur d’émission est paramétré sur 0.95 par défaut. Cette valeur est idéale pour la mesure des non-métaux, des plastiques et des produits alimentaires.
    Quelques valeurs d'émissivité
    En raison de leur facteur d’émission faible et/ou inégale, les métaux nus et les oxydes métalliques ne se prêtent que sous réserve à la mesure par infrarouge. Il est donc conseillé dans ce cas d’appliquer sur l’objet ou la zone à mesuré un revêtement qui augmente le facteur d’émission (une bande autocollante par exemple).
  5. Lors de l'allumage de l'appareil, maintenez la touche on enfoncée jusqu'à ce que ▲ et enter s'affichent (mode configuration).
    La fonction paramétrable est affichée. Le paramètre actuel clignote.
  6. Appuyez plusieurs fois sur ▲ jusqu'à ce que le paramètre désiré clignote.
  7. Appuyez sur mode (enter) pour confirmer la saisie.
  8. Répétez les étapes 2 et 3 pour toutes les fonctions.
    • L'appareil passe en mode mesure.

1.3.3. Utilisation :

1.3.4. Entretien du produit