Coefficient de transfert thermique

Mathématiquement, on définit de la manière suivante le coefficient de transfert thermique (ici pour un cas de transfert thermique surfacique) :

${\displaystyle h={\frac {\Phi }{S\cdot \Delta T}}}$

avec :

• ${\displaystyle h}$ : coefficient de transfert thermique, exprimé en watts par mètre carré-kelvin (W·m⁻²·K⁻¹) ;
• ${\displaystyle \Phi }$ : flux thermique (puissance transférée), en watts (W) ;
• ${\displaystyle S}$ : surface d'échange, en mètres carrés (m²) ;
• ${\displaystyle \Delta T}$ : différence de température de part et d'autre de la surface d'échange, en kelvins ou en degrés Celsius (K ou °C).

Plus ce coefficient est grand, plus le transfert thermique est facile.

Dans le système SI, l'unité d'un coefficient de transmission thermique est :

• le watt par mètre carré-kelvin (W·m⁻²·K⁻¹) pour un transfert surfacique ;
• le watt par mètre-kelvin (W·m⁻¹·K⁻¹) pour un transfert linéique ;
• le watt par kelvin (W·K⁻¹) pour un transfert ponctuel.

Le coefficient de transmission thermique surfacique est l'inverse de la résistance thermique surfacique qui s'exprime en mètre carré-kelvins par watt (m²·K·W⁻¹).

Le coefficient de transfert thermique est le résultat de différents procédés de transfert de chaleur à une interface et dépend de nombreux paramètres. Comme il est difficile par le calcul de tenir compte de tous ces paramètres, la détermination du coefficient de transfert thermique se fait à l'aide du nombre de Nusselt (Nu) via la relation suivante :

${\displaystyle \mathrm {Nu} ={\frac {hL_{\text{c}}}{k}}}$

avec :

• h : coefficient de transfert thermique, en watts par mètre carré et par kelvin (W·m⁻²·K⁻¹) ;
• L_c : longueur caractéristique (distance moyenne entre la source chaude et la source froide), en mètres ;
• k : conductivité thermique du matériau, en W·m⁻¹·K⁻¹ (cette variable est souvent noté λ).

De nombreuses corrélations empiriques fournissent une équation pour calculer le nombre de Nusselt d'où il est possible d'extraire le coefficient de transfert thermique.

En thermique du bâtiment, il est de plus fréquent d'avoir à considérer des coefficients de transfert thermique globaux. Pour les menuiseries, on note « U_g » le coefficient thermique du vitrage seul (avec l'indice g pour « glass »), « U_f » celui du cadre de menuiserie (avec f pour « frame »), mais c'est généralement le coefficient global de la menuiserie « U_w » (avec w pour « window ») qui est retenu.

Pour les fenêtres, on dit parfois à tort « coefficient thermique » au lieu de coefficient de transmission thermique (U_w, U_f et U_g), une mesure de l'isolation des fenêtres[4] (ces coefficients s'expriment en W·m⁻²·K⁻¹).

De même, pour les parois, qu'il s'agisse de murs ou de planchers, on va chercher à déterminer un U_paroi, coefficient de transfert thermique global intégrant les apports des différentes couches constituant la paroi, principalement la partie porteuse — comme un mur en béton armé — et la partie isolante — fibre minérale ou matériau isolant de type polystyrène expansé ou extrudé.

En plus des parois, on va prendre en considération quelques cas particuliers. le coefficient de transmission thermique linéique est noté « ${\displaystyle {\psi }}$ ». Il s'agit d'un terme correctif pour l’effet linéaire d’un pont thermique, égal au flux thermique stationnaire divisé par la longueur et la différence de température entre les ambiances de part et d’autre du pont thermique linéaire.

Le coefficient de transmission thermique ponctuel ${\displaystyle {\chi }}$ est un terme correctif pour l’effet ponctuel d'un pont thermique, égal au flux thermique stationnaire divisé par la différence de température entre les ambiances de part et d’autre d'un pont thermique ponctuel.

Ces coefficients désignent la valeur qui doit être ajoutée au flux thermique obtenu à partir des valeurs U des parois[5].