Les bâtiments et l'entropie
1 Préambule11
1.1 Discussion sur l'énergie11
1.2 La thermodynamique13
1.3 Lavoisier et le malentendu de la consommation d'énergie17
2 Définitions et concepts21
2.1 Convention de signe21
2.2 La température (T)21
2.2.1 Echelles de température22
2.2.2 La température cinétique23
2.2.3 La température thermodynamique23
2.3 La matière et ses états24
2.4 La chaleur latente (L)25
2.5 La capacité thermique (c), (cv), (cp)26
2.6 La pression (P)27
2.7 L'énergie d'occupation (PV)27
2.8 Les fluides parfaits et réels28
2.8.1 Définitions28
2.8.2 Les gaz parfaits28
2.8.3 Les liquides réels29
2.9 L'énergie interne (U)30
2.10 L'enthalpie (H)32
2.11 L'échelle mésoscopique33
2.12 L'entropie (S) et la chaleur (Q)34
2.12.1 Transfert d'énergie ;34
2.12.2 Entropie34
2.12.3 Transferts de chaleur35
2.12.4 La température thermodynamique37
2.13 L'exergie (Ex)42
2.13.1 Définition de l'exergie42
2.13.2 Expression mathématique de l'exergie44
2.14 Exemples de calculs d'énergie, d'entropie et d'exergie48
2.14.1 Transformation de l'eau en glace et vice-versa48
2.14.2 Transfert de chaleur dans un mur54
3 L'entropie : grandeur centrale de la thermodynamique59
3.1 Expérience théorique : équilibre et déséquilibre60
3.2 Relation variation d'entropie - température63
3.3 Température logarithmique moyenne (TLM)64
3.4 Entropie des réservoirs67
3.4.1 Température d'équilibre67
3.4.2 Conversion entropie/énergie constante69
3.4.3 Exemple : maison individuelle dans son environnement atmosphérique69
3.4.4 Bâtiment : atmosphère et réservoir amont71
3.5 Description des transformations thermodynamiques72
3.5.1 Transformation isochore73
3.5.2 Transformation isobare73
3.5.3 Transformation isotherme73
3.5.4 Transformation adiabate74
3.6 Usage de l'excédent de conversion entropie/énergie74
3.6.1 De l'énergie libre au moteur74
3.6.2 Source chaude et source froide75
3.7 Destruction de l'excédent de potentiel en bâtiment76
3.8 Température-transfert (Tq)77
3.8.1 Définition77
3.8.2 Exemple d'un local chauffé78
3.8.3 Analyse graphique80
3.9 L'entropie et les principes de la thermodynamique80
3.9.1 Le principe zéro81
3.9.2 Le premier principe82
3.9.3 Le deuxième principe85
3.9.4 Le troisième principe87
4 Etude des systèmes fermés89
4.1 La conservation de l'énergie - stockage, déstockage89
4.2 Premier principe appliqué aux systèmes fermés90
4.2.1 Formulation classique90
4.2.2 Equation de transformation interne (ETI)91
4.3 Equation de transformation interne d'un gaz parfait fermé93
4.3.1 Transformation statique et isochore93
4.3.2 Transformation statique et isobare parfaite95
4.3.3 Transformation statique et isotherme98
4.3.4 Transformation statique et adiabate99
4.4 Equation de transformation interne (ETI) des gaz parfaits102
4.5 Equation de transformation interne des liquides et des solides103
4.6 Equation de transformation des changements de phase105
4.7 Exemple : transformation eau/glace et vice versa105
4.7.1 Refroidissement
4.7.2 Réchauffement110
4.7.3 Comparaison par la température-transfert114
4.8 Exemples d'applications aux bâtiments115
4.8.1 Chute de la température d'un local115
4.8.2 Chute de température d'une eau chaude sanitaire117
4.8.3 Transfert de chaleur entre deux réservoirs118
4.8.4 Conclusion123
5 Etude des systèmes ouverts
5.1 Variation d'enthalpie particulaire
5.1.1 Enthalpie particulaire126
5.1.2 Ecoulements unidirectionnels126
5.1.3 Enthalpie massique127
5.1.4 Entrée et sortie uniques conservatives127
5.2 Conservation de l'énergie dans les systèmes ouverts128
5.2.1 Formulation classique128
5.2.2 Formulation par l'énergie de transvasement d'un fluide129
5.2.3 Premier principe industriel (PPI)130
5.2.4 Enthalpie et surenthalpie131
5.2.5 Formulation entropique132
5.3 Bilan entropique d'un système ouvert144
5.4 Rapport au temps : énergie et puissance144
5.4.1 Puissance144
5.4.2 Puissance énergétique145
5.4.3 Bâtiments, réservoirs et puissances146
5.4.4 Unités d'énergie146
5.4.5 Grandeurs énergétiques146
5.4.6 Débit-masse, débit-volume147
5.5 Ballons et réserves : équation de conservation de l'énergie148
5.5.1 Cas général148
5.5.2 Primaire séparé et secondaire brassé149
5.5.3 Primaire brassé et secondaire brassé153
5.5.4 Constante de temps154
5.5.5 Processus complet154
5.6 Neutralité énergétique des systèmes ouverts stabilisés155
5.7 Exemple : ballon d'eau chaude sanitaire (ECBT)156
5.7.1 Description de l'étude156
5.7.2 Réchauffage sans puisage157
5.8 Exemple : ballon d'eau chaude sanitaire électrique167
5.8.1 Description de l'étude167
5.8.2 Réchauffage sans puisage167
5.9 Exemple : radiateur à eau chaude169
5.10 Température-transfert : bilan171
6 Rendement énergétique dans le bâtiment173
6.1 Définition173
6.2 Entropie des fuites d'énergie176
6.3 « Pertes » d'énergie versus fuites d'énergie176
6.4 Influence du rendement énergétique177
6.5 Economie des ressources énergétiques178
6.5.1 Réduire le besoin en énergie utile178
6.5.2 Recycler l'énergie disponible179
7 L'enveloppe des bâtiments181
7.1 Energétique du bâti et de l'enveloppe181
7.1.1 Le bâti181
7.1.2 Inconfort et consommation des ressources énergétiques181
7.1.3 Economie de ressources énergétiques et gain de confort182
7.2 Energie utile et conductance thermique des parois en régime permanent182
7.2.1 Equation de transfert-chaleur dans une paroi183
7.2.2 Conductance thermique d'une paroi186
7.2.3 Résistance thermique d'une paroi187
7.2.4 Physique de la séparation des fluides par une paroi193
7.2.5 Influence de l'isolation thermique sur la conductance194
7.2.6 Influence de l'isolation thermique sur les coûts195
8 Le renouvellement d'air des bâtiments199
8.1 Nécessité et conséquences de la ventilation199
8.2 Puissance-chaleur utile de ventilation199
8.3 Enthalpie de l'air humide200
8.3.1 Composition de l'air humide200
8.3.2 Les grandeurs spécifiques, w', h', v'200
8.3.3 L'humidité spécifique w'200
8.3.4 Pression partielle de vapeur P201
8.3.5 Relation w'-P,201
8.3.6 Pression de vapeur saturante Pvs201
8.3.7 Humidité relative (HR)202
8.3.8 L'enthalpie spécifique h'203
8.3.9 Le volume spécifique v'204
8.4 Exemple : puissance-chaleur due à la ventilation205
8.4.1 Données205
8.4.2 Enthalpies spécifiques205
8.4.3 Calcul du débit-masse206
8.4.4 Puissance-chaleur de ventilation207
8.4.5 Bilan entropique207
8.4.6 Chaleur volumique simplifiée de l'air humide208
9 Le deuxième principe de la thermodynamique211
9.1 L'irréversibilité212
9.2 Relation entre chaleur, travail et entropie214
9.2.1 Détente de Joule-Gay-Lussac214
9.2.2 Détente adiabatique215
9.2.3 Exemple
9.2.4 Equivalence chaleur-travail219
9.3 Etude d'un mouvement harmonique ressort-masse220
9.3.1 Description du système220
9.3.2 Hypothèses221
9.3.3 Problématique et résolution222
9.3.4 Stabilité du processus225
9.3.5 Réversibilité226
9.3.6 Mise au repos226
9.3.7 Paradoxe228
9.4 La perfection : la conservation228
9.4.1 L'énergie interne228
9.4.2 Le temps, l'histoire et la mémoire228
9.5 Description de l'entropie229
9.5.1 Approche microscopique230
9.5.2 Aspect mathématique de l'approche microscopique232
9.5.3 Approche macroscopique252
9.5.4 Analyse de qualité par la température-transfert254
9.5.5 Le question du désordre255
9.6 Enoncé du deuxième principe256
10 La puissance motrice du feu257
10.1 La machine de Carnot259
10.1.1 Etape 1 : expansion isotherme259
10.1.2 Etape 2 : expansion adiabate260
10.1.3 Remarque intermédiaire261
10.1.4 Etape 3 : contraction isotherme261
10.1.5 Etape 4 : contraction adiabate262
10.1.6 Remarque terminale262
10.1.7 Bilan entropique interne262
10.1.8 Bilan énergétique et entropique du processus263
10.1.9 Facteur de Carnot265
10.1.10 Sources à l'équilibre267
10.2 Température-transfert et facteur de Carnot267
10.3 Modélisation du travail par l'entropie268
10.4 Influence de la source de référence269
10.5 Fluides réels et machines réelles272
11 Les quatre principes environnementaux275
11.1 Le principe de destruction276
11.2 Le principe de puissance276
11.3 Le principe de valeur280
11.3.1 Valeur de l'énergie281
11.3.2 Valeur de l'entropie289
11.4 Le principe de déplacement300
11.5 Application aux bâtiments301
12 Exergétique des bâtiments305
12.1 L'exergie305
12.1.1 Description du référentiel atmosphérique306
12.1.2 Formulation de l'exergie307
12.2 Rendement exergétique335
12.3 Schéma entropie-exergie335
12.3.1 Principe336
12.3.2 Etage exergétique336
12.3.3 Rendement d'étage336
12.3.4 Utilité du schéma entropie-exergie337
12.4 Enveloppe de bâtiment338
12.4.1 Rendement d'étage338
12.4.2 Bilan énergétique en hiver338
12.4.3 Equation du transfert de chaleur339
12.4.4 Bilan entropique339
12.4.5 Bilan exergétique340
12.4.6 Exemple de calcul342
12.4.7 Economies d'exergie343
12.4.7 Economies d'exergie343
12.4.8 Précision des modèles de calcul346
12.5 Radiateurs347
12.5.1 Radiateur à eau chaude347
12.5.2 Radiateur électrique352
12.6 Chaudières356
12.6.1 Chaudières électriques356
12.6.2 Chaudières à combustible359
12.7 Performances comparées365
12.7.1 Classement selon la température-transfert366
12.7.2 Classement selon l'accroissement d'entropie et l'exergie perdue367
12.7.3 Classement environnemental369
12.8 Pompes à chaleur électriques370
12.8.1 Pompe à chaleur idéale371
12.8.2 Pompe à chaleur réelle373
12.8.3 Exemple 1 : PAC air/air379
12.8.4 Exemple 2 : PAC air/eau381
12.8.5 Impact exergétique du rendement énergétique des connexions383
12.9 Performances comparées - PAC/autres systèmes384
12.10 Variabilité des performances d'une pompe à chaleur réelle387
12.11 Rendement exergétique en fonction de Tc, Tf, Ta et de la source exploitée392
12.12 Machines frigorifiques393
12.12.1 Schéma entropie-exergie394
12.12.2 Coefficient d'efficacité énergétique réel - EER394
12.12.3 Bilan énergétique395
12.12.4 Bilan exergétique (et entropique)396
12.12.5 Rendement exergétique397
12.12.6 Température-transfert397
12.12.7 Exemple de calcul398
12.13 Echangeurs de chaleur399
12.13.1 Echangeur à contre courant399
12.13.2 Echangeur à courants parallèles407
12.13.3 Perte d'exergie à la fabrication409
13 Production d'énergie électrique413
13.1 Centrale thermique à vapeur413
13.1.1 Centrale idéale415
13.1.2 Etude d'une centrale thermique réelle421
13.1.3 Schéma entropie/exergie d'une centrale réelle425
13.1.4 Bilan d'usage en chauffage pour le bâtiment426
13.2 Barrage hydroélectrique432
13.2.1 Exégétique d'une chute libre433
13.2.2 Equation du mouvement de la chute libre438
13.2.3 Chute d'eau dans un barrage442
14 Des bâtiments à basse entropie et à basse exergie455
14.1 Basse entropie : définition455
14.2 Application des quatre principes environnementaux455
14.2.1 Le principe de destruction appliqué aux bâtiments à basse entropie456
14.2.2 Le principe de puissance appliqué aux bâtiments à basse entropie456
14.2.3 Le principe de valeur appliqué aux bâtiments à basse entropie457
14.2.4 Le principe de déplacement appliqué aux bâtiments à basse entropie458
14.3 Basse exergie : définition458
14.4 Concevoir des bâtiments à basse entropie et à basse exergie460
14.4.1 Distinction d'usage de l'électricité par le rendement exergétique461
14.4.2 Pas d'usage électrique pour le chauffage ou le rafraichissement461
14.4.3 Usage électrique à faible exergie (lumière, usage mécanique et électronique)461
14.4.4 Usage de la chaleur issue de sources à basse exergie461
14.5 Et la construction elle-même ?462
14.6 Conclusion462
Bibliographie
465
Index
467