Étude de l`effet de systèmes passifs sur la charge thermique d`une

Étude théorique et expérimentale de
l'effet de systèmes passifs sur la charge
thermique d'une maison type villa à
Marrakech
D. LAAOUINA 1, B. BENHAMOU 1,3 , A. BENNOUNA 2
1
LMFE, CNRST-URAC27, FS Semlalia, Université Cadi Ayyad Marrakech,
Email : [email protected]
2
Département de Physique, FS Semlalia, Université Cadi Ayyad Marrakech
3
Laboratoire EnR2E, Centre d’Études et de Recherches sur l’Eau et l’Énergie
(CNEREE), Université Cadi Ayyad, Marrakech, Maroc.
RÉSUMÉ Une modélisation dynamique multizone d’une maison type villa, constituée de
deux niveaux et située dans la banlieue de Marrakech, a été entreprise. La maison intègre
des systèmes passifs qui ne sont pas communément utilisés à Marrakech. L'objectif de ce
travail est de déterminer avec précision l'effet, sur la charge thermique de la maison, de
chacun de ces systèmes passifs sur une année climatique complète. Les résultats de la
modélisation montrent que certains systèmes sont très efficients en été alors que d'autre le
sont en hiver. Les premiers réduisent la température maximale et par conséquent la charge
de refroidissement; alors les seconds augmentent la température minimale et donc la charge
de chauffage. Un premier monitoring de la maison en Été a été réalisé et ses résultats
analysés.
ABSTRACT This paper deals with the modeling of a villa type house located in the
Marrakech (Morocco) suburb. The house is constituted of two floors and integrated some
passive techniques: overhangs, thermal insulation of the roof and the external walls. Most of
these systems are unusual in Marrakech; thus the objective of this work is to study their
effects on the house cooling and heating loads. The modeling of the house is a multi-zone one
and was carried out during one year using real meteorological data. The results show that
some of these systems reduce the cooling and heating loads, while some others act only on
the heating load by decreasing it. A monitoring of the house was carried out during the
cooling season of 2011 and the results are analyzed.
MOTS-CLÉS : systèmes passifs, modélisation dynamique multizone, bâtiment, charge
thermique, monitoring.
KEY WORDS:
monitoring.
passive systems, dynamic multi-zone modeling, building, thermal load,
XXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
1.
2
Introduction
Le bâtiment constitue un poste important dans la consommation de l’énergie à
travers le monde. C’est particulièrement le cas au Maroc, où la consommation du
secteur du bâtiment représente 29% de la consommation nationale totale de l’énergie
et 33% de la consommation électrique [ONE 10]. La climatisation, représente une
part non négligeable de cette consommation, essentiellement en été. En effet, le pic
éléctrique se produit au cours des mois les plus chauds (Juillet-Aout). La réduction
de la consommation de l’énergie dans le bâtiment est ainsi devenue une priorité dans
la stratégie nationale de l’énergie et un programme a été dédié à cela [PNE 09] avec
pour objectif la mise en place d’un code de l’énergie du bâtiment. Une des mesures
de ce programme est l’instauration d’une réglementation thermique à travers
l’introduction de systèmes passifs permettant de réduire la charge thermique du
bâtiment [PNE 09]. Notons que dans le mode de vie traditionnel marocain, les gens
ont développé des solutions empiriques, architecturales et comptementales, afin de
produire des maisons adaptées au climat avec un confort thermique minimal.
Cependant la modernisation du domaine de la construction et la tendance à négliger
ces solutions traditionnelles par les architectes, a fait que les bâtiments produits
depuis les cinquante dernières années ne sont pas thermiquement confortabes. Les
exigences de confort thermique sont alors satsfaites par l’intermédiare de systèmes
de climatisation électriques très consommateurs d’énergie. Il est connu que le
confort thermique acceptable peut être atteint dans un bâtiment par une conception
architecturale adaptée qui prend en considération le climat [GIV 76, SAN 05]. Pour
un climat chaud et aride, comme celui de Marrakech, profiter de l’avantage des
apports solaires gratuits en hiver tout en évitant les surchauffes estivales et prendre
avantage du refroidissement nocturne est la clef de voûte de l’efficacité énergétique
dans le bâtiment [GHR 05]. Il est ainsi évident que l’isolation thermique de
l’enveloppe réduit la charge de chauffage. Cependant, la température extérieure en
été est souvent plus basse que celle requise dans le bâtiment. L’isolation thermique
des murs empêchera donc l’évacuation nocturne de la chaleur stockée durant la
journée [MAN 07].
Soutullo et al. [SOU 10] ont mené une étude expérimentale et théorique sur
plusieurs systèmes passifs dans 4 bâtiments situés dans différentes zones climatiques
en Espagne (continental, desertique, océanique et extrême continental). Ces systèmes
inclus l’isolation thermique, l’ombrage du toit, la ventilation naturelle par cheminée
solaire, le toit ombragé ventilé, le double vitrage, l’auvent horizontal sur la façade
Sud et la rupture des ponts thermiques. Les bâtiments sont soit de nouvelles
constructions soit rénovés. Ces bâtiments ont été monitorés afin d’évaluer
expérimentalement la réduction de leur consommations d’énergie due à l’intégration
des systèmes passifs. Une modélisation dynamique multizone sur TRNSYS a été
entreprise par les auteurs pour déterminer la réduction d’énergie par les stratégies
bioclimatiques considérées par compaison des résultats de la simulation avec ceux
issus de l’expérience. Une étude similaire théorique a été menée par Raeissi et al.
[RAE 96] sur trois configurations de toits passifs d’une maison en Iran: toit
Effets de systèmes passifs sur la charge thermique d'une maison type villa à Marrakech
3
ombragé, pond, pond ombragé. Les auteurs affirment que ces configurations
permettent une réduction de la charge de climatisation de 43%, 58% and 79%
respectivement.
L’étude dont les résultats sont présentés ici a pour objectif de mener une analyse
théorique et expérimentale afin de préciser la contribution des systèmes passifs, aussi
bien traditionnels que nouveaux, à la réduction de la charge thermique des bâtiments
à Marrakech, qui représente la zone climatique 5 [MET 10].
2.
Description de la maison
La maison étudiée, dite AMYS, est de type villa avec quatre façades et est
construite sur une surface au sol de 168m², sur un terrain nu (grand jardin dépourvu
d’arbres). Son plan architectural est donné en annexe. La maison se compose d’un
rez-de-chaussée (salle à manger, petit salon, grand salon, cuisine, buanderie, un
bureau et une salle de service) et d’un étage (4 chambres, 3 salles de bains et un
couloir). La façade SUD (photo sur la figure 1) est caractérisée par un grand
pourcentage de surface vitrée, soit 36% pour le rez-de-chaussée et 18% pour l’étage.
Un auvent horizontal surplombe l'étage sur toute la longueur de la façade SUD audessus d'une grande terrasse, sa profondeur est de 1.20m. Les murs externes et le toit
sont isolés thermiquement, Ainsi, les murs externes ont une épaisseur de 42.5cm. Ils
se composent de cinq couches : 1cm de plâtre, 15cm de Parpaing, 1cm de laine en
verre, 15cm de brique de terre cuite et 1.5cm de mortier de ciment. Sa résistance
thermique est calculée à partir des données standards des constituants, elle est de
2.55m².K.W-1. Le toit de la maison est composé de six couches : 1cm de plâtre,
16cm d’hourdi, 5cm de béton armé, 6cm de mousse de polyuréthane, 6cm de mortier
et 2cm de carrelage. La résistance thermique équivalente du toit a été estimée à 2.67
m².K.W-1. Nous remarquons que les murs extérieurs et le toit ont pratiquement la
même résistance thermique. La dalle du rez-de-chaussée est composée de cinq
couches : 1cm de plâtre, 16cm d’hourdi, 5cm de béton armé, 6cm de mortier et 2cm
de carrelage. La résistance thermique de cette dalle est estimée à 2.37m².K.W-1.
L’inertie des murs internes du RdC est renforcée par le remplissage des briques en
parpaing les constituants avec du sable (brique pleine). Par ailleurs, la maison est
connectée à un échangeur de chaleur sol-air (puits canadien) composé de 3 tubes en
PVC d’une longueur de 70m chacun. Cet échangeur est enterré à une profondeur de
2-3 m dans le jardin de la villa. Ce système n’est pas considéré dans la présente
étude.
3.
Données météorologiques
La maison AMYS est située dans la banlieue de Marrakech (31°37’N en latitude
et 8°2’E en longitude et 468m d’altitude). Cette ville est caractérisée par un climat
continental sec et chaud en été et frais en hiver. Les données météorologiques
utilisées dans la présente étude sont celles relatives à l'année 2009, mesurées dans la
station métrologique de l’Agdal-Marrakech. Ces données ont été mesurées avec un
XXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
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pas de temps de 30mn et concernent : la température, l'humidité, le rayonnement
solaire global, la vitesse et la direction du vent.
Le tableau 1 présente quelques données caractéristiques du climat de Marrakech
en 2009. Il est à noter que la température minimale pour cette année a été enregistrée
en Janvier (-1.8°C) malgré que ce mois est plus ensoleillé que Décembre. En Février
et Décembre la température minimale avoisine 0°C. Ainsi, les mois les plus froids
sont Janvier, Février et Décembre. D’un autre côté, la température maximale a atteint
sa plus haute valeur en juillet (44°C) qui est le plus mois le plus ensoleillé. Le climat
de Marrakech en 2009 commence à devenir chaud à partir de Mars, avec des
températures de plus de 30°C. En effet la température moyenne de ce mois augmente
brusquement de 3.5°C par rapport à Février. Il est important de noter la grande
amplitude des oscillations de la température, qui est une caractéristique du climat
continental de Marrakech. L’amplitude mensuelle de ces oscillations atteint 14.4°C
(en juillet). Le minimum de cette amplitude est de 12.8°C et se produit en janvier,
février et septembre. Le tableau 1 montre que le rayonnement solaire global est
important. Sa valeur journalière moyenne varie entre 2.76kW.m-2/j et 6.92 kW.m-2/j.
Tableau 1. Quelques données météorologiques mesurées à Marrakech en 2009
(station météo Agdal-Marrakech).
Mois
Température
Maximale (°C)
Température
Minimale (°C)
Température
Moyenne (°C)
Janvier
Février
Mars
Avril
Mai
Juin
Juillet
Aout
Septembre
Octobre
Novembre
Décembre
21.4
25.0
30.9
33.9
34.7
40.9
44.0
42.5
36.0
34.6
30.4
24.3
-1.8
1.8
4.4
4.8
8.2
12.0
14.5
15.8
11.4
11.4
4.6
0.8
8.6
11.8
15.3
16.4
20.7
24.5
28.7
27.0
21.9
21.3
15.8
12.7
4.
Irradiation solaire
globale, plan
horizontal (kWh.m-²)
92.86
104.53
138.22
188.94
205.25
198.17
214.42
204.77
158.08
138.41
102.54
85.68
Modélisation
Le comportement dynamique de la maison est simulé à travers une modélisation
transitoire multizone par TRNSYS avec un pas de temps de 1h. La maison est ainsi
subdivisée en 12 zones; 6 au Rez-de-chaussée (Z1 à Z6) et 6 à l’étage (Z7 à Z12). La
distribution des zones a été faite en séparant les pièces avec différentes orientations:
3 zones orientées plein Nord (Z5, Z6 et Z12)., 3 zones orientées plein Sud (Z1, Z3 et
Z7), les autres zones sont constituées de pièces orientées Nord-Est (Z4 et Z8), NordOuest (Z2 et Z11), Sud-Ouest (Z10) ou Sud-Est (Z9).
Effets de systèmes passifs sur la charge thermique d'une maison type villa à Marrakech
5
La simulation consiste à calculer la température moyenne dans chaque zone. Les
besoins en refroidissement et en chauffage sont ensuite déduits sur la base d'une
température de consigne de 25°C et 20°C respectivement.
Les hypothèses suivantes ont été adoptées :
•
•
•
•
•
Il n’y a pas de génération interne de chaleur (maison inoccupée).
Toutes les fenêtres et les portes sont fermées tout le temps avec volets ouverts.
Les cadres des fenêtres et portes-fenêtres ne sont pas pris en compte.
L’absorptivité des murs extérieurs est prise égale à 0.6.
Chaque zone est considérée comme un espace unique sans tenir compte de
l’effet des murs internes de séparation.
• La température et l’humidité initiales sont prises égales à 20°C et 50%
respectivement.
• Le coefficient de convection naturelle est pris égal 3.056 W/(m² .K).
• Les échanges thermiques entre la maison et le sol sont négligés.
5.
Résultats et Discussion
Dans le but d’étudier l’effet de chaque technique passive sur les besoins en
chauffage et refroidissement de la maison, nous avons modélisé 6 configurations de
cette maison. Le tableau 2 présente ces configurations. La première (#1) est la
maison réelle, la sixième (#6) est la maison standard moderne telle que construite
habituellement à Marrakech. Les autres configurations sont caractérisées par
l’absence d’un des 4 systèmes passifs étudiés.
Tableau 2 : Configurations étudiées.
Config.
#1
#2
#3
#4
#5
#6
Auvent horizontal
Avec
Sans
Avec
Avec
Avec
Sans
Toit
Murs extérieurs
Isolé
Isolé
Isolé
Isolé
Isolé
Non isolés
Non isolé
Isolé
Isolé
Isolé
Non isolé
Non isolés
Murs intérieurs
Brique pleine
Brique pleine
Brique pleine
Brique pleine
Brique creuse
Brique creuse
La figure 2 présente les besoins annuels de chauffage et de refroidissement de la
maison. En analysant cette figure, nous remarquons que, dans toutes les
configurations, la charge de refroidissement de la maison est prédominante. Les
besoins en chauffage en effet sont faibles.
La figure 2 montre que la configuration #4 (toit non isolé) exhibe une charge de
refroidissement importante comparativement à la maison réelle (#1). L’absence de
l’isolation du toit fait ainsi augmenter la charge de refroidissement de 75%. Il est en
effet connu que le toit participe largement aux échanges thermiques habitatenvironnement [GIV 76, SAN 05, MAN 07, SOU 10, RAE 96]. A Marrakech,
l’apport de chaleur à travers le toit, en été, est dû essentiellement au rayonnement
solaire direct important (table I) conjugué avec le fait que les rayons solaires y ont
XXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
6
une incidence pratiquement verticale. Notons que la charge de chauffage est très peu
affectée par l’absence de l’isolation du toit. Ce résultat est expliqué par l’isolation
des murs extérieurs, qui est adressée ci-après.
La comparaison des configurations #1 et #3 (absence de l’isolation des murs
extérieurs) permet d’identifier l’effet de l’isolation des murs extérieurs. Il apparait
sur la figure 2 que cette isolation permet de réduire nettement la charge de
chauffage, par contre son action sur la charge de refroidissement est négative. En
effet l’isolation des murs extérieurs augmente la charge de refroidissement de 13%.
Cette action, qui peu sembler curieuse, est attribuée à la rétention de la chaleur issue
du rayonnement solaire direct, à travers les baies vitrées. Le refroidissement
nocturne par les murs extérieurs est ainsi empêché par leur isolation thermique.
Rappelons que dans la modélisation présente, la ventilation naturelle n’est pas prise
en compte. Malgré l’action positive de l’isolation des murs sur la charge de
chauffage, nous pouvons affirmer que cette isolation semble inappropriée pour le
climat de Marrakech. La charge de chauffage est en effet très minime comparée à
celle de refroidissement. Ce résultat a été signalé par Ghrab-Morcos [6] pour un
climat tunisien semblable à celui de Marrakech. Ce point nécessite cependant une
investigation plus profonde, qui est en cours.
La comparaison des configurations #1 et #2 (absence de l’auvent) permet de
constater que l’auvent horizontal au 1er étage, diminue la charge de refroidissement
de 29%. Cet auvent arrête, en effet, le rayonnement direct dirigé sur les surfaces
vitrées de la façade Sud. Concernant la charge de chauffage, l’auvent l’augmente de
64%. Mais au vu de l’effet très largement positif de ce système passif sur la charge
de refroidissement, il est vivement recommandé. Une étude en cours sur la
comparaison de l’action des volets extérieurs et de l’auvent, permettra de mieux
préciser l’apport de ce dernier sur la charge thermique global du bâtiment.
La configuration #5 permet d’identifier l’effet de l’inertie thermique des murs
intérieurs. La figure 2 montre que l’augmentation de cette inertie fait chuter la charge
de chauffage de 28% et celle de refroidissement de 4%. Par ailleurs, l’évolution
temporelle de la température de l’air dans la maison (non présentée ici faute
d’espace) montre que l’augmentation de l’inertie des murs internes (#5) amortie la
variation de la température ambiante dans la maison.
Finalement, la configuration #6 comparée à la maison réelle (#1) permet de
constater que la maison standard moderne, telle qu’elle se construit actuellement à
Marrakech, présente une charge de climatisation annuelle importante, aussi bien en
refroidissement qu’en chauffage. La charge de chauffage de cette maison exhibe la
valeur la plus grande comparée aux autres configurations. Par contre, ce n’est pas le
cas pour la charge de refroidissement. Celle-ci est effet plus faible que celle de la
configuration #4 (absence de l’isolation du toit). Ce résultat est explicable par
l’action de l’isolation des murs extérieurs, décrite ci-dessus. Il est donc manifeste
que la configuration #6 est mal adaptée au climat de Marrakech.
Effets de systèmes passifs sur la charge thermique d'une maison type villa à Marrakech
7
Un premier monitoring de la maison a été mené du 27 juillet au 2 Septembre
2011, soit 39jours, dans les mêmes conditions que la simulation (maison inoccupée,
fenêtres et volets fermés). En plus des sondes extérieures (station météorologique
locale, S0), quatre sondes température-humidité ont été placés à l’intérieur de la
maison : deux au RdC et deux à l’étage. Nous n’intéressons dans cette première
analyse qu’à la température dans les zones Z1 et Z9, considérées représentatives du
RdC et de l’étage. La figure 3 présente l’évolution de la température mesurée par
deux sondes S1 et S2 placés respectivement au RdC et à l’étage. L’emplacement
exact de ces deux sondes est indiqué sur le plan architectural (Annexe). La figure 3
révèle que :
- Pour ce qui est de la température extérieure, sa valeur minimale était 17.7°C
(enregistrée le 31 aout 2011 à 6:00) et sa valeur maximale était 46.2°C
(enregistrée le 31 juillet 2011 à 14:00). L’amplitude des oscillations journalières
de cette température varie entre 9.7°C (enregistrée le 2 sept) et 21.8°C (enregistrée
le 31 juillet).
- La température au RdC (S1) est toujours inférieure à celle à l’étage (S2). Cette
différence varie entre 0.6°C (enregistrée le 7 aout à 15 :00) et 2°C.
- La température au RdC (S1) présente une valeur moyenne de 29°C sur les 39 jours
avec une oscillation journalière ne dépassant pas 1°C.
- La valeur moyenne de la température à l’étage (S2), sur la période du monitoring,
est de 30.6°C avec une oscillation journalière ne dépassant pas 1°C.
Nous constatons ainsi que durant la période du monitoring, la température à
l’intérieur de la maison était quasi-constante et a rarement dépassé 30°C au RdC et
32°C à l’étage, alors que la température extérieure a atteint des pics au delà de 40°C
durant plusieurs jours. A la suite de la période de forte chaleur du 27 au 31 juillet
2011, la température dans la maison est restée en deçà de 29°C au RdC et 31°C à
l’étage durant 7 jours. Cette température n’a dépassé 31°C à l’étage et 29°C au RdC
que du 7 au 20 aout 2011 (soit 13jours) alors que la température extérieure a
enregistré des pics au-delà de 35°C du 2 au 30 aout 2011.
Notons, par ailleurs que des variations brusques de température ont été enregistrées
dans la maison à certaines heures. Ces chutes correspondent à des évènements
exceptionnels (présence humaine et ouverture des portes et fenêtres durant quelques
heures).
6.
Conclusion
Dans cette communication nous avons présenté les résultats d’une étude de l’effet
thermique de quelque techniques passives simples, non communément utilisée à
Marrakech, sur la charge de climatisation d’une maison type villa. Cette étude a été
réalisée au moyen d’une modélisation dynamique multizone de la maison sur une
XXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
8
année à travers le logiciel TRNSYS. La comparaison de différentes configurations
de la maison, nous a permis de préciser l’effet de chaque technique.
Cette étude montre que l’isolation thermique du toit est nécessaire pour le climat
de Marrakech. En effet, cette isolation diminue le besoin en climatisation de 42%
pour le refroidissement et de 18% pour le chauffage. L’auvent horizontal en façade
Sud diminue conséquemment la charge thermique en été mais l’augmente légèrement
en hiver. L’augmentation de la capacité thermique des murs intérieurs réduit les
besoins aussi bien en chauffage qu’en refroidissement. Par contre, l’isolation
thermique des murs extérieurs présente un effet mitigé. Cette isolation a un effet
bénéfique en hiver mais présente un effet opposé en été.
Des mesures expérimentales de température dans la maison ont été entreprises
durant aout 2011 sans occupation humaine et sans ventilation naturelle. Les résultats
de ce monitoring montrent que la température dans la maison reste quasi-constante et
a rarement dépassé 31°C à l’étage et 29°C au RdC, alors que la température
extérieure a enregistré des pics au-delà de 35°C durant la majeure partie de la
période du monitoring. La température dans la maison aurait été plus agréable avec
une ventilation nocturne, étant donné que la température externe présente des
minimas en dessous de 25°C durant toutes les nuits du monitoring.
Par ailleurs, les effets aérauliques, les échanges sol-bâtiment ainsi que
l’occupation humaine sont sous étude afin de les prendre en considération. La
comparaison des résultats de la modélisation et ceux expérimentaux nécessite la
prise en compte de ces effets.
Remerciements :
Ce travail est supporté financièrement par l’Académie Hassan II des Sciences et
Techniques à travers le projet RafriBAT (2012-2015)
7.
Bibliographie
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www.one.org.ma.
[PNE 09] Programme National de l’Efficacité Energétique dans le Bâtiment, Agence de
Développement des Energies Renouvelables et de l’Efficacité Energétique, ADEREE,
2011 (www.ceeb.ma)
[MET 10] Zonages climatiques du Maroc destinés à la réglementation de l’efficacité
énergétique dans le bâtiment, DIRECTION DE LA METEOROLOGIE NATIONALE,
2011 (www.ceeb.ma)
[GIV 76] GIVONI, B.. Man, Climate and Architecture, 2nd Edition. Harvard University
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[SAN 05] SANTAMOURIS M., Passive Cooling of Buildings , Chapiter in ‘Advances of
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9
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[GHR 05] GHRAB-MORCOS N., CHEOPS: a simplified tool for thermal assessment of
Mediterranean buildings in both hot and cold seasons, Energy and Buildings, 37 (2005)
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[MAN 07] MANOJ Kumar Singh, Sadhan Mahapatra, S.K. Atreya, Development of bioclimatic zones in north-east India, Energy and Buildings, 2007;39:1250–1257
[SOU 10] SOUTULLO, Silvia; Enriquez, Ricardo; San Juan, Cristina; Ferrer, Jose Antonio;
Heras, Mª Rosario. Energy balances of four office buildings in different locations in
Spain. Proceedings of the IBPSA-Canada’s Biennial Conference. Winnipeg, Manitoba
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[RAE 96] RAESSI, S. and TAHRI M., Cooling Load Reduction of Buildings using Passive
Roof Options, Renewable Energy, 1996;2: 301-313.
Figure 1: Photos de la maison AMYS (à gauche: vue SUD et à droite: vue NORD)
MWh
Figure 2: Besoins annuels de climatisation pour différentes configurations.
T(°C)
S0
S2
S1
Figure 3: Monitoring de la maison AMYS (27 juillet – 2 Septembre 2011)
S0 : Sonde extérieure, S1 : Sonde interne RdC, S2 : Sonde interne Étage.
XXe Rencontres Universitaires de Génie Civil. Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
10
Annexe : Plan architectural de la maison étudiée et délimitation des zones
thermiques. Les étoiles indiquent les positions des sondes pour le monitoring.