Confort thermique et diversité de la population

Confort thermique et diversité de la population

Le confort thermique traduit le bien-être procuré par un état thermiquement satisfaisant. Il est important de comprendre que le corps est un système homéostatique qui adapte ses systèmes régulateurs afin de maintenir sa température centrale en dépit de conditions environnementales contraintes. L’atteinte de l’équilibre du bilan thermique et son maintien avec une intervention minimale des mécanismes physiologiques de thermorégulation (sudation modérée, circulation sanguine stable, variations négligeables de la fréquence cardiaque, faibles différences de températures cutanées locales, etc.) est la condition nécessaire du confort thermique [7], [8].

Le jugement de confort est influencé par plusieurs paramètres comprenant des facteurs physiques, physiologiques et psychologiques [9]. C’est une sensation subjective qui apprécie en réalité l’inconfort et sa variation [10]. Ainsi, le confort stationnaire parfait correspond à l’absence de toute sensation, aussi bien positive que négative. Un confort détérioré génère une sensation négative d’inconfort. Mais ce ressenti est accentué en phase de dégradation, avant même que l’équilibre thermique ne soit significativement affecté. À l’inverse, le soulagement d’une situation d’inconfort peut provoquer une sensation de confort positive, véritable satisfaction, alors même que le stress thermique subsiste. De fait, un ressenti positif de confort ne se présente que transitoirement : il exprime non pas le confort mais un réconfort. Cette appréciation diffère selon les sociétés, et pour une même société selon les individus. Une prise en compte des dimensions culturelles, économiques, sociales et physiologiques dansl’évaluation du confort est primordiale afin d’éloigner  toute exagération dans la définition des besoins.

La réponse traditionnelle à une telle diversité a été d’effectuer des régressions linéaires entre votes de confort et les paramètres environnementaux pour déterminer une corrélation, puis de modéliser le confort thermique comme une relation linéaire avec une ou plusieurs variables indépendantes. Cependant, de cette manière, on se coupe de beaucoup d’informations utiles, et une telle diversité de réponses au sein de la population invite naturellement au développement de modèles statistiques plus complexes capables d’expliquer la variance observée.

La conception de systèmes qui délivrent un confort personnalisé nécessite des modèles capables de représenter les exigences de confort pour n’importe quelle personne à n’importe quel moment. Rohles [12] a souligné que l’environnement thermique souhaité dépend de la durée d’exposition, du moment du jour, de la période de l’année, de l’adaptation, de l’âge, du sexe, de l’activité mentale, les habitudes et de l’antécédent d’activité. Le développement d’un tel modèle nécessite une bonne compréhension de l’interaction entre la physiologie et la psychologie humaine et comment elles sont influencées par les environnements physiques et sociaux.

Paramètres physiques et physiologiques 

Parmi les six paramètres qu’utilise Fanger [15] dans sa formule d’évaluation du vote moyen prévisible (PMV), deux paramètres différencient les individus: le métabolisme et l’indice d’isolation des vêtements. Cependant, même si le niveau d’isolation des vêtements et le métabolisme ont été longtemps considérés comme des paramètres importants qui influencent le confort thermique, les méthodes pour mesurer ces deux paramètres n’ont pas beaucoup évolué durant les 30 dernières années [16]. À l’instar de Fanger, Huizenga, C. et al. [17] ont retenu le métabolisme et le niveau d’isolation des vêtements comme paramètres individuels pour la prédiction de la sensation thermique. De même, en étudiant l’effet des différentes conditions aux limites internes et externes du modèle Human Thermal Model (HTM) sur la sensation thermique, Holopaien [18] a trouvé que la température opérative, le métabolisme et les vêtements sont les plus dominants. Outre le métabolisme et les vêtements, d’autres paramètres physiques et physiologiques ont été identifiés comme justifiant les différences de ressenti de confort thermique entre les individus tels que les différences morphologiques, l’âge et le sexe.

Vêtements
Selon l’algorithme de Newsham [19] combiné au modèle informatique de prédiction des conditions thermiques d’un espace de bureau, l’adaptation de l’habillement est un moyen très efficace de maintenir le confort thermique. Elle permettait d’adopter un point de consigne de refroidissement plus élevé et un point de consigne de chauffage plus bas sans affecter le confort thermique, en réalisant d’importantes économies d’énergie. Ceci souligne l’importance de l’estimation correcte des vêtements portés qui s’avèrent l’un des paramètres ayant le plus d’influence sur le confort thermique, bien au-delà de toute différence physiologique, surtout dans les environnement froids.

Métabolisme basal
En parallèle de l’isolation des tissus, le taux de métabolisme de base est largement déterminé par la masse corporelle maigre. Ainsi, la composition du corps explique en grande partie les différences de métabolisme au repos entre les personnes (selon l’âge, le sexe…) [20]. L’analyse des données de Harris et Benedict [21] sur 223 personnes par Cunningham [20] a montré que la masse corporelle maigre est le seul indicateur du taux de métabolisme de base. En effet, avec l’âge, le taux de métabolisme de base diminue à cause de la diminution de la masse corporelle maigre et l’augmentation de la teneur en graisse. De même, Byrne et al. [22] ont montré que la valeur conventionnelle du métabolisme (1met) surestime la dépense énergétique d’environ 20%, et que la masse de graisse représentait l’essentiel (62%) de la variance.

Différences morphologiques

Les différences morphologiques expliquent en partie non seulement les différences des réponses entre hommes et femmes, mais aussi les différences observées entre les hommes ou entre les femmes. De ces paramètres nous pouvons citer la surface du corps et la composition du corps en graisse et en partie non graisseuse. La surface du corps influe sur les échanges thermiques entre l’homme et l’environnement et a donc également des incidences sur la régulation de la température [14]. En effet, la surface du corps détermine la surface d’échange de chaleur avec l’extérieur [23]. Une plus grande surface du corps implique une plus grande surface d’échange et donc une plus grande dissipation de chaleur.

Une autre caractéristique corporelle importante qui influe est la surface totale de la peau. La quantité de masse non graisseuse déterminera la quantité de chaleur produite. En revanche, la quantité de graisse déterminera le niveau d’isolation thermique du corps. Une plus grande quantité de graisse ralentirait le refroidissement du corps dans des environnement froids mais par contre accélèrerait le réchauffement du corps lors d’un exercice physique en empêchant la dissipation de la chaleur vers l’extérieur. Nishumura et al. [24] a cherché à déterminer si la graisse corporelle affecte l’évolution de la température de la peau du tronc et des extrémités. Cette étude a montré que la température de la peau au niveau du tronc diminue et la température de peau au niveau des extrémités augmente à mesure que le pourcentage de graisse corporelle augmente. En effet, pour une température de 28°C, la moyenne de la température de la peau du pied chez un groupe de personnes obèses est de 33°C et la température du tronc est de 33.2°C tandis qu’elles sont respectivement égales à 30°C et 34.2°C chez un groupe de personnes plus maigres .

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Table des matières

Table des Matières
Liste des Figures
Liste des Tableaux
Nomenclature
Contexte et Enjeux
Chapitre 1 État de l’art
1.1. Confort thermique et diversité de la population
1.1.1. Paramètres physiques et physiologiques
1.1.2. Facteurs socioculturels et psychologiques
1.1.3. Thermorégulation
1.1.4. Conditions médicales
1.1.5. Tableau récapitulatif
1.2. Analyse fonctionnelle de la modélisation du confort
1.2.1. Utilité d’un tel modèle dans le contexte automobile
1.3. Méthodologies d’évaluation du confort
1.3.1. Le testeur référent expérimenté
1.3.2. Les expériences sur l’être humain et les modèles statistiques
1.3.3. Les mannequins thermiques
1.3.4. La simulation numérique
1.4. Modélisation du confort
1.4.1. Modèles thermo-physiologiques
1.4.2. Approches d’individualisation
1.5. Conclusion et choix du modèle
Chapitre 2 Mise en place d’un modèle thermo-physiologique personnalisé, Étude de sensibilité
2.1. Modèle d’évaluation du confort thermique et définition de la précision requise par le modèle thermophysiologique
2.1.1. Définition du modèle de Zhang
2.1.2. Étude de sensibilité du modèle sensoriel
2.2. Description du modèle thermo-physiologique, validation numérique
2.2.1. Le système passif
2.2.2. Le système actif
2.2.3. Validation du modèle Fiala-FE avec le modèle UTCI-Fiala
2.2.4. Sensibilité des paramètres internes du modèle
2.3. Individualisation du modèle thermo-physiologique passif
2.3.1. Évaluation de la composition du corps
2.3.2. Longueur des segments
2.4.1. Adaptation des longueurs des segments
2.4.2. Adaptation de la composition par les rayons
2.4. Étude de sensibilité du modèle thermo-physiologique individualisé
2.5.1. Analyse de sensibilité par criblage de Morris
2.5.2. Analyse de sensibilité globale et calcul des indices de Sobol
2.5. Conclusion
Chapitre 3 Application numérique et validation expérimentale
3.1. Choix des testeurs
3.2. Protocole expérimentale
3.2.1. Le banc SITHER
3.2.2. Scénarios choisis
3.2.3. Mesure de l’environnement
3.2.4. Mesures sur la personne
3.3. Modèle numérique complet
3.3.1. Modèle du banc SITHER
3.3.2. Calcul couplé THESEUS-FLUENT
3.3.3. Validation expérimentale du banc à vide
3.3.4. Étude de sensibilité du modèle sensoriel et du modèle thermo-physiologique aux conditions ambiantes
3.3.5. Validation de la bonne représentation des conditions expérimentale dans les cas testés.
3.3.6. Résultats et discussion
3.3.6.1. Caractéristiques des personnes
3.3.7. Température de thermoneutralité
3.3.8. Température cutanée
3.3.9. Différence entre la température cutanée d’un élément et celle à la thermoneutralité ∆𝑻𝒔𝒌
3.3.10. Vote de sensation thermique
3.4. Conclusion
Conclusions
References
Annexes

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