ISO 12241:2022
(Main)Thermal insulation for building equipment and industrial installations — Calculation rules
Thermal insulation for building equipment and industrial installations — Calculation rules
This document gives rules for the calculation of heat-transfer-related properties of building equipment and industrial installations, predominantly under steady-state conditions. This document also gives a simplified approach for the calculation of thermal bridges.
Isolation thermique des équipements de bâtiments et des installations industrielles — Méthodes de calcul
Le présent document donne des méthodes pour calculer les propriétés relatives au transfert de chaleur des équipements de bâtiments et des installations industrielles, principalement en régime stationnaire. Il fournit également une approche simplifiée du calcul des ponts thermiques.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 12241
Third edition
2022-06
Thermal insulation for building
equipment and industrial
installations — Calculation rules
Isolation thermique des équipements de bâtiments et des installations
industrielles — Méthodes de calcul
Reference number
ISO 12241:2022(E)
© ISO 2022
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Published in Switzerland
ii
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Symbols . 1
3.3 Subscripts . 3
4 Calculation rules and formulae of heat transfer . 4
4.1 Fundamental formulae for heat transfer . 4
4.1.1 General . 4
4.1.2 Thermal conduction . 4
4.1.3 Surface coefficient of heat transfer . 9
4.1.4 External surface resistance . 16
4.1.5 Thermal transmittance . 16
4.1.6 Heat flow rate . 18
4.1.7 Temperatures of the layer boundaries. 18
4.2 Determination of the influence of thermal bridges . 19
4.2.1 General . 19
4.2.2 Insulation system related thermal bridges . 19
4.2.3 Installation related thermal bridges . 19
4.3 Determination of total heat flow rate for plane walls, pipes and spheres .20
4.4 Surface temperature .20
4.5 Prevention of surface condensation . 21
5 Calculation of the temperature change in pipes, vessels, and containers .22
5.1 General .22
5.2 Longitudinal temperature change in a pipe . 23
5.3 Temperature change and cooling times in pipes, vessels, and containers .23
6 Calculation of cooling and freezing times of stationary liquids.24
6.1 Calculation of the cooling time to prevent the freezing of water in a pipe . 24
6.2 Calculation of the freezing time of water in a pipe . 25
7 Calculation of heat loss for underground pipelines .26
7.1 General . 26
7.2 Single line without channels . 26
7.2.1 Uninsulated pipe .26
7.2.2 Insulated pipe . 27
7.3 Other cases .28
Annex A (informative) Thermal bridges .29
Annex B (informative) Examples .43
Bibliography .52
iii
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ISO 12241:2022(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 163, Thermal performance and energy use
in the built environment, Subcommittee SC 2, Calculation methods, in collaboration with the European
Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 89, Thermal performance of
buildings and building components, in accordance with the Agreement on technical cooperation between
ISO and CEN (Vienna Agreement).
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 12241:2008), which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— how to calculate the convective part of the external surface coefficient of heat transfer;
— how to introduce thermal bridges in the general heat loss calculation;
— provides detailed data along with the method for calculating fittings (thermal bridges), only
informative.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
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ISO 12241:2022(E)
Introduction
Methods relating to conduction are direct mathematical derivations from Fourier’s law of heat
conduction, so no significant difference in the formulae used in the member countries exists. For
convection and radiation, however, there are no methods in practical use that are mathematically
traceable to Newton’s law of cooling or the Stefan-Boltzman law of thermal radiation, without some
empirical element. For convection in particular, many different formulae have been developed, based
on laboratory data. Different formulae have become popular in different countries, and no exact means
are available to select between these formulae.
Within the limitations given below, these methods can be applied to most types of industrial, thermal-
insulation, heat-transfer problems.
a) These methods do not take into account the permeation of air and the transmittance of thermal
radiation through transparent media.
b) The formulae in these methods require for their solution that some system variables be known,
given, assumed or measured. In all cases, the accuracy of the results depends on the accuracy of
the input variables. This document contains no guidelines for accurate measurement of any of the
variables. However, it does contain guides that have proven satisfactory for estimating some of the
variables for many industrial thermal systems.
c) When the steady-state calculations are used in a changing thermal environment (process
equipment operating year-round, outdoors, for example), it is necessary to use local weather data
based on yearly averages or yearly extremes of the weather variables (depending on the nature of
the particular calculation) for the calculations in this document.
d) In particular, the user should not infer from the methods of this document that either insulation
quality or avoidance of dew formation can be reliably assured based on minimal, simple
measurements and application of the basic calculation methods given here. For most industrial heat
flow surfaces, there is no isothermal state (no one, homogeneous temperature across the surface),
but rather a varying temperature profile. Furthermore, the heat flow through a surface at any point
is a function of several variables that are not directly related to insulation quality. Among others,
these variables include ambient temperature, movement of the air, roughness and emissivity of the
heat flow surface, and the radiation exchange with the surroundings (which often vary widely). For
calculation of dew formation, variability of the local humidity is an important factor.
e) Except inside buildings, the average temperature of the radiant background seldom corresponds
to the air temperature, and measurement of background temperatures, emissivity and exposure
areas is beyond the scope of this document. For these reasons, neither the surface temperature nor
the temperature difference between the surface and the air can be used as a reliable indicator of
insulation performance or avoidance of dew formation.
Clauses 4 and 5 of this document give the methods used for industrial thermal insulation calculations
not covered by more specific standards.
Clauses 6 and 7 of this document are adaptations of the general formula for specific applications of
calculating heat flow, temperature drop, and freezing times in pipes and other vessels. Thermal
insulation to heating/cooling systems such as a boiler and refrigerator are not dealt with by this
document.
Annexes A and B of this document are for information only.
v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 12241:2022(E)
Thermal insulation for building equipment and industrial
installations — Calculation rules
1 Scope
This document gives rules for the calculation of heat-transfer-related properties of building equipment
and industrial installations, predominantly under steady-state conditions. This document also gives a
simplified approach for the calculation of thermal bridges.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 7345, Thermal performance of buildings and building components — Physical quantities and definitions
ISO 9346, Hygrothermal performance of buildings and building materials — Physical quantities for mass
transfer — Vocabulary
ISO 13787, Thermal insulation products for building equipment and industrial installations —
Determination of declared thermal conductivity
ISO 13788, Hygrothermal performance of building components and building elements — Internal surface
temperature to avoid critical surface humidity and interstitial condensation — Calculation methods
ISO 23993, Thermal insulation products for building equipment and industrial installations —
Determination of design thermal conductivity
3 Terms, definitions and symbols
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 7345, ISO 9346, ISO 13787
and ISO 23993 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1.1
thermally separated end disc
end disc used so that the extremities and end caps are not in contact with the object
Note 1 to entry: This construction is used to avoid thermal bridges and the risk of damaging vapour retarders or
[15]
pipe tracing .
3.2 Symbols
Table 1 gives the definition and unit of symbols used in this document.
1
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ISO 12241:2022(E)
Table 1 — Definition and unit of symbol
Symbol Definition Unit
2
A area m
A solar absorption coefficient
s
a length of a rectangle m
3
a temperature factor K
r
b width of a rectangle m
2 4
C radiation coefficient W/(m ⋅K )
r
c specific heat capacity at constant pressure J/(kg⋅K)
p
D diameter m
d thickness m
d insulation layer thickness of the pipe m
R
F overall conversion factor for thermal conductivity
Gr Grashof number
H height m
2
h surface coefficient of heat transfer W/(m ⋅K)
2
J solar radiation W/m
s
K thermal bridge coefficient W/K
L length m
l characteristic length m
l insulation box inside length m
i
m mass kg
m mass flow rate kg/s
Nu Nusselt number
P perimeter m
p pressure Pa
p water vapour pressure Pa
a
Pr Prandtl number
2
q density of heat flow rate W/m or W/m
2
R thermal resistance m ⋅K/W or m⋅K/W or K/W
Re Reynolds number
S space inside the insulation box
T thermodynamic temperature K
t time s
2
W/(m ⋅K) or W/(m⋅K) or
U thermal transmittance
W/K
w velocity of the air or other fluid m/s
x Bolt length + 20 mm mm
-1
α coefficient of longitudinal temperature drop m
-1
α′ coefficient of cooling time s
Δh latent heat J/kg
ε emissivity
Φ heat flow rate W
λ thermal conductivity W/(m⋅K)
λ declared thermal conductivity W/(m⋅K)
d
λ design thermal conductivity W/(m⋅K)
D
2
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ISO 12241:2022(E)
Table 1 (continued)
Symbol Definition Unit
θ Celsius temperature °C
θ point of measurement of the temperature at the fin base °C
b
3
ρ density kg/m
φ relative humidity %
2 4
σ Stefan-Boltzmann constant (see Reference [8]) W/(m ⋅K )
2
v kinematic viscosity of air or other fluid m /s
Δ difference
2
ΔA equivalent area m
ΔL equivalent length m
extra conductivity due to regularly placed components in the
Δλ W/(m⋅K)
insulation system
3.3 Subscripts
Table 2 gives the definition of subscripts used in this document.
Table 2 — Definition of subscripts
A valve i interior (internal)
a ambient, in initial
anc anchor Ka insulation box
av average l linear
B thermal bridge lab laboratory
c cooling lam laminar flow
cv convection MRT mean radiant temperature
cr critical P pump
cs cross section p pipe
d duct r radiation
E soil ref reference
e exterior (external) s surface
ef effective sat saturated vapour
en entrance se exterior surface
ex exit si interior surface
f fluid sph spherical
fa frontal of the fin sq per square
fas fastener T total
FEM Finite Element Method tb insulation related thermal bridge
fi final tur turbulent flow
fin fin V vertical
fl flange v vessel
forced forced W wall
fr freezing w water
free free wp start freezing
H horizontal
3
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4 Calculation rules and formulae of heat transfer
4.1 Fundamental formulae for heat transfer
4.1.1 General
The formulae given in Clause 4 apply only to the case of heat transfer in steady state, i.e. to the case
where temperatures remain constant in time at any point of the medium considered. The design
thermal conductivity is temperature-dependent; see Figure 1, dashed line. However, in this document,
the design value for the mean temperature for each layer shall be used.
4.1.2 Thermal conduction
Thermal conduction normally describes molecular heat transfer in solids, liquids, and gases under the
effect of a temperature gradient.
It is assumed in the calculation that a temperature gradient exists in one direction only and that the
temperature is constant in planes perpendicular to it.
The density of heat flow rate, q, for a plane wall in the x-direction is given by Formula (1):
dθ
q=⋅λ (1)
D
dx
For a single layer, Formulae (2), (3) and (4) are given:
λ
D
q=⋅()θθ− (2)
si se
d
or
θθ−
si se
q= (3)
R
and
d
R= (4)
λ
D
where
λ is the design thermal conductivity of the insulation product or system, expressed in W/(m⋅K);
D
d is the thickness of the plane wall, expressed in m;
θ is the temperature of the internal surface, expressed in °C;
si
θ is the temperature of the external surface, expressed in °C;
se
2
R is the thermal resistance of the wall, expressed in m ⋅K/W.
4
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a) Temperature distribution in a b) Thermal conductivity as function of the
single-layer temperature
NOTE The dashed curve in Figure 1a), represents the temperature variation in a wall, considering that
the thermal conductivity depends on the temperature, such as the dashed curve in Figure 1b). In case that the
thermal conductivity is considered as temperature-independent (the solid line in Figure 1b), the variation of the
temperature inside a wall is represented by the straight line in Figure 1a).
Figure 1 — Temperature distribution
For a multi-layer wall (see Figure 2), q is calculated according to Formula (3), where R is the thermal
resistance of the multi-layer wall, as given in Formula (5):
n
d
j
R= (5)
∑
λ
D
j=1 j
Figure 2 — Temperature distribution in a multi-layer wall
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The linear density of heat flow rate, q , of a single-layer hollow cylinder (see Figure 3) is given in
l
Formula (6):
θθ−
si se
q = (6)
l
R
l
where R is the linear thermal resistance of a single-layer hollow cylinder [m⋅K/W], as given in
l
Formula (7):
De
ln
D
i
R = (7)
l
2⋅⋅π λ
D
where
D is the outer diameter of the layer, expressed in m;
e
D is the inner diameter of the layer, expressed in m.
i
a) Temperature distribution in a sin- b) Front view of a hollow cylinder
gle layer-hollow cylinder
Figure 3 — Temperature distribution in a single-layer hollow cylinder
For a multi-layer hollow cylinder (see Figure 4), the linear density of heat flow rate, q , is given in
l
Formula (6), where R is given by Formula (8)
l
n
D
1 1 e,j
R = ln (8)
l ∑
2⋅π λ D
D i,j
j=1
j
where
D = D
i,1 i
D = D
e,n e
6
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ISO 12241:2022(E)
Figure 4 — Temperature distribution in a multi-layer hollow cylinder
For curved surfaces with a diameter larger than 1 200 mm, it is recommended to use formulae for a
plane wall.
The heat flow rate of a sphere, Φ , of a single-layer hollow sphere (see Figure 5) is given by Formula (9):
sph
θθ−
si se
Φ = (9)
sph
R
sph
where R is the thermal resistance of a single-layer hollow sphere [K/W], as given in Formula (10):
sph
1 11
R = − (10)
sph
2⋅⋅π λ DD
D ie
Figure 5 — Temperature distribution in a single-layer hollow sphere
For a multi-layer hollow sphere (see Figure 6), the heat flow rate of a sphere, Φ , is given in Formula (9),
sph
where R is given by Formula (11):
sph
n
1 1 11
R = ⋅⋅ − (11)
sph ∑
2⋅π λ DD
D jj−1
j=1
j
7
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where
D = D
0 i
D = D
n e
Figure 6 — Temperature distribution in a multi-layer hollow sphere
The linear density of heat flow rate, q , through the wall of a duct with rectangular cross-section (see
l
Figure 7) is given by Formula (12):
θθ−
si se
q = (12)
l
R
l
The linear thermal resistance of a duct, R [m⋅K/W], of the wall of such a duct can be approximately
l
calculated by Formula (13):
2⋅d
R = (13)
l
λ ⋅+()PP
D ei
where
d is the thickness of the insulating layer, expressed in m;
P is the inner perimeter of the duct, expressed in m;
i
P is the external perimeter of the duct, expressed in m, as given in Formula (14):
e
P =+⋅Pd8 (14)
()
ei
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Figure 7 — Temperature distribution in a wall of a duct with rectangular cross-section
with temperature-dependent thermal conductivity
4.1.3 Surface coefficient of heat transfer
In general, the radiative and convective heat transfer at the surface area given by Formulae (15) and
(16) occurs at the surface:
q =⋅h ()θθ− (15)
rr 1 MRT
qh=⋅ θθ− (16)
()
cv cv 1a
where
2
q is the density of radiative heat flow, expressed in W/m ;
r
2
q is the density of convective heat flow, expressed in W/m ;
cv
2
h is the radiative part of the surface coefficient of heat transfer, expressed in W/(m ⋅K);
r
2
h is the convective part of the surface coefficient of heat transfer, expressed in W/(m ⋅K);
cv
θ is the surface temperature of surface 1, expressed in °C;
1
θ is the mean radiant temperature of the surrounding, expressed in °C;
MRT
θ is the ambient air temperature, expressed in °C.
a
NOTE 1 h is dependent on the temperature and the emissivity of the surface. Emissivity is defined as the ratio
r
between the radiation coefficient of the surface and the black body radiation constant (see ISO 9288).
NOTE 2 h is, in general, dependent on a variety of factors, such as air movement, temperature, the relative
cv
orientation of the surface, the material of the surface and other factors.
The combined surface heat transfer can be given by Formula (17):
qq=+qh=⋅ θθ− +⋅h θθ− (17)
() ()
rcvr 1MRT cv 1a
When the mean radiant temperature is almost equal to the ambient air temperature, the combined heat
transfer at the surface is given by Formula (18):
qh=⋅ θθ− +⋅hhθθ− =+hh⋅−θθ =⋅ θθ− (18)
() () () () ()
r1 acv1 ar cv 1a se se a
9
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ISO 12241:2022(E)
where
2
h is the external surface coefficient of heat transfer, expressed in W/(m ⋅K);
se
θ is the external surface temperature, expressed in °C.
se
In 4.1.4 and 4.1.5, the coefficient h = h + h is used to calculate the external surface resistance, R
se r cv se
and thermal transmittance, U, hence the approximation, mean radiant temperature equals the ambient
temperature, is considered.
NOTE 3 When a surface receives the solar radiation (e.g outdoor pipes, tank roofs), the total heat flow due to
radiant and convective heat transfer is calculated using the following Formula (19).
AJ⋅
ss
qq=+qh=⋅ θθ−− (19)
rcvses ea
h
se
where
2
J is the solar radiation, expressed in (W/m );
s
A is the absorption coefficient of solar radiation.
s
4.1.3.1 Radiative part of surface coefficient, h
r
The radiative part of surface coefficient between two surfaces at different temperatures, h , is given by
r
Formula (20):
ha=⋅C (20)
r rr
where
3
a is the temperature factor, expressed in K ;
r
2 4
C is the radiation coefficient, expressed in W/(m ⋅K ), as given by Formula (23).
r
The temperature factor, a , is given by Formula (21):
r
4 4
TT−
1 2
a = (21)
r
TT−
12
where
T is the absolute temperature of surface 1, expressed in K;
1
T is the absolute temperature of surface 2, expressed in K.
2
Formula (21) can be approximated as follows.
3
TT+
12 3
a ≈⋅4 =⋅4 T (22)
r av
2
where T is the arithmetic mean of the temperatures T and T , expressed in (K).
av 1 2
NOTE This approximation is only valid up to 200 K temperature difference between the component (surface
1) and the surroundings (surface 2).
When a component is surrounded by different surfaces at different temperatures, the temperature T
2
should be the mean radiant temperature of the surroundings.
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The radiation coefficient, C , is given by Formula (23):
r
C =⋅εσ (23)
r
where
−8 2 4
σ is the Stefan-Boltzmann constant [5,67×10 W/(m ·K )];
ε is the effective emissivity consisted of emissivity ε , ε and configuration factor as shown in
1 2
Figure 8.
a) Open system b) Closed system
Key
1 is surface 1;
2 is surface 2.
[8]
Figure 8 — Radiation exchange between two surfaces
When the mean radiant temperature is considered, the surface 2 is assumed as black (ε =1 ), and
2
εε= .
1
Usually, the surrounding surface consists of several surfaces, each of them has generally different
temperature, emissivity, and configuration factor. Here, we assume (approximate) that the surrounding
surface has hypothetical uniform temperature T and emissivity ε .
2 2
Table 3 gives some general values of emissivity for different surfaces. The emissivity value varies
significantly depending on external agents, e.g. dust, corrosion, surface finish.
Table 3 — Emissivity values
Surface ε
Aluminium, bright rolled 0,05
Aluminium, oxidized 0,13
Galvanized sheet metal
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 12241
Troisième édition
2022-06
Isolation thermique des équipements
de bâtiments et des installations
industrielles — Méthodes de calcul
Thermal insulation for building equipment and industrial
installations — Calculation rules
Numéro de référence
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes, définitions et symboles . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Symboles . 2
3.3 Indices . 3
4 Règles et formules de calcul du transfert de chaleur . 4
4.1 Formules fondamentales pour le transfert de chaleur . 4
4.1.1 Généralités . 4
4.1.2 Conduction thermique . 4
4.1.3 Coefficient de transfert thermique surfacique . 10
4.1.4 Résistance superficielle extérieure . 18
4.1.5 Coefficient de transmission thermique . 18
4.1.6 Flux thermique . 19
4.1.7 Températures aux interfaces . 20
4.2 Détermination de l’influence des ponts thermiques. 21
4.2.1 Généralités . 21
4.2.2 Ponts thermiques liés au système d’isolation . 21
4.2.3 Ponts thermiques liés à l’installation . 21
4.3 Détermination du flux thermique total pour les parois planes, les conduits et les
sphères . 22
4.4 Température superficielle . 22
4.5 Prévention de la condensation superficielle . 23
5 Calcul des variations de température dans les conduits, réservoirs et capacités .24
5.1 Généralités . 24
5.2 Variation de température axiale dans un conduit . 25
5.3 Variation de température et temps de refroidissement dans les conduits,
réservoirs et capacités . .25
6 Calcul des temps nécessaires au refroidissement, puis à la congélation des liquides
au repos .26
6.1 Calcul du temps de refroidissement pour prévenir le gel de l’eau dans un conduit .26
6.2 Calcul du temps de congélation de l’eau dans un conduit. 27
7 Calcul de la déperdition thermique pour les canalisations enterrées .28
7.1 Généralités .28
7.2 Conduit seul enterré sans caniveau .28
7.2.1 Conduit non isolé .28
7.2.2 Conduit isolé .29
7.3 Autres cas . 30
Annexe A (informative) Ponts thermiques .31
Annexe B (informative) Exemples .45
Bibliographie .54
iii
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ISO 12241:2022(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. Le ISO ne saurait être tenu pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité ISO/TC 163, Performance thermique et utilisation de
l'énergie en environnement bâti, sous-comité SC 2, Méthodes de calcul, en collaboration avec le comité
technique CEN/TC 89, Performance thermique des bâtiments et des composants du bâtiment, du Comité
européen de normalisation (CEN), conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO et
le CEN (Accord de Vienne).
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 12241:2008), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— ajout de la méthode de calcul du terme convectif du coefficient de transfert thermique surfacique
extérieur;
— ajout de la méthode d’introduction de ponts thermiques dans le calcul général des déperditions
thermiques;
— ajout de données détaillées pour accompagner la méthode de calcul des accessoires (ponts
thermiques), uniquement à titre informatif.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/members.html.
iv
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ISO 12241:2022(F)
Introduction
Les méthodes de calcul relatives à la conduction découlent directement de la loi de Fourrier sur la
conduction thermique, de sorte qu’il n’existe pas de différence significative dans les formules utilisées
dans les pays membres. En revanche, pour la convection et le rayonnement, il n’existe pas de méthode,
en pratique, qui puisse être reliée mathématiquement à la loi de Newton sur le refroidissement ou à la
loi de Stefan-Boltzmann sur le rayonnement thermique, sans un quelconque élément empirique. Pour la
convection en particulier, de nombreuses formules différentes, fondées sur des données de laboratoire,
ont été élaborées. Différentes formules sont en usage dans divers pays et aucun moyen exact n’est
disponible pour opérer une sélection entre elles.
Dans les limites exposées ci-dessous, les présentes méthodes de calcul peuvent être appliquées à la
plupart des problèmes de transfert de chaleur relatifs à l’isolation thermique industrielle.
a) Ces méthodes ne tiennent pas compte des mouvements d’air et du coefficient de transmission
rayonnement thermique à travers des milieux transparents.
b) La résolution des formules propres à ces méthodes exige que certaines variables du système soient
connues, données, présumées ou mesurées. Dans tous les cas, l’exactitude des résultats dépend
de l’exactitude des variables d’entrée. Le présent document ne comporte pas de lignes directrices
relatives au mesurage exact de l’une quelconque de ces variables. Toutefois, elle contient des
indications qui se sont révélées satisfaisantes pour l’estimation de certaines des variables pour de
nombreux systèmes thermiques industriels.
c) Lorsque les calculs en régime stationnaire sont utilisés dans un environnement thermique
changeant (équipement industriel exploité toute l’année durant, à l’extérieur, par exemple), il est
nécessaire d’utiliser des données météorologiques locales fondées sur les moyennes annuelles ou
les extrêmes annuels des variables météorologiques (selon la nature du calcul considéré) pour
procéder aux calculs du présent document.
d) En particulier, il convient que l’utilisateur ne déduise pas des méthodes du présent document que la
qualité de l’isolation ou l’absence de condensation peut être assurée de manière fiable en se fondant
sur des mesurages simples minimaux et sur l’application des méthodes de calcul de base données
dans le présent document. Pour la plupart des surfaces d’échanges thermiques en milieu industriel,
il n’existe pas d’état isotherme, c’est-à-dire une température uniforme sur toute la surface, mais
plutôt un profil de température variable. En outre, le flux thermique à travers une surface, en
tout point de cette dernière, est fonction de plusieurs variables qui ne sont pas directement liées
à la qualité de l’isolation. Ces variables comprennent notamment la température ambiante, les
mouvements de l’air, la rugosité et l’émissivité de la surface d’échange thermique, ainsi que l’échange
par rayonnement avec l’environnement (souvent très variable). Pour le calcul des températures de
condensation, la variation de l’humidité locale constitue également un facteur important.
e) Sauf à l’intérieur des bâtiments, la température radiante moyenne résultante des milieux
correspond rarement à la température de l’air, et les mesurages des températures environnantes,
l’émissivité et les zones exposées ne relèvent pas du domaine d’application du présent document.
C’est pourquoi ni la température superficielle ni la différence de température entre la surface et
l’air ne peuvent être utilisées comme des indicateurs fiables de la performance de l’isolation ou de
l’absence de condensation.
Les Articles 4 et 5 du présent document présentent les méthodes utilisées pour les calculs thermiques
des isolations industrielles qui ne sont pas couverts par des normes spécifiques.
Les Articles 6 et 7 du présent document constituent des adaptations de la formule générale pour des
applications spécifiques de calcul de flux thermique, de chute de température, de temps de congélation
dans les conduits et dans d’autres réservoirs. L’isolation thermique des systèmes de chauffage/
refroidissement tels que les chaudières et les réfrigérateurs n’est pas traitée dans le présent document.
Les Annexes A et B du présent document sont fournies à titre informatif uniquement.
v
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NORME INTERNATIONALE ISO 12241:2022(F)
Isolation thermique des équipements de bâtiments et des
installations industrielles — Méthodes de calcul
1 Domaine d’application
Le présent document donne des méthodes pour calculer les propriétés relatives au transfert de chaleur
des équipements de bâtiments et des installations industrielles, principalement en régime stationnaire.
Il fournit également une approche simplifiée du calcul des ponts thermiques.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 7345, Performance thermique des bâtiments et des matériaux pour le bâtiment — Grandeurs physiques
et définitions
ISO 9346, Performance hygrothermique des bâtiments et des matériaux pour le bâtiment — Grandeurs
physiques pour le transfert de masse — Vocabulaire
ISO 13787, Produits isolants thermiques pour l'équipement du bâtiment et les installations industrielles —
Détermination de la conductivité thermique déclarée
ISO 13788, Performance hygrothermique des composants et parois de bâtiments — Température
superficielle intérieure permettant d'éviter l'humidité superficielle critique et la condensation dans la masse
— Méthodes de calcul
ISO 23993, Produits isolants thermiques pour l'équipement du bâtiment et les installations industrielles —
Détermination de la conductivité thermique utile
3 Termes, définitions et symboles
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de ISO 7345, ISO 9346, ISO 13787
et ISO 23993 ainsi que les suivants, s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/ .
3.1.1
disque d’extrémité séparé thermiquement
disque d’extrémité utilisé de sorte que les extrémités et les embouts ne soient pas en contact avec l’objet
Note 1 à l'article: Cette construction permet d’éviter les ponts thermiques et les risques de dégradation des pare-
[15]
vapeurs ou du tracé des conduits .
1
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ISO 12241:2022(F)
3.2 Symboles
Le Tableau 1 donne la définition et l’unité des symboles utilisés dans le présent document.
Tableau 1 — Définition et unité des symboles
Symbole Définition Unité
2
A aire m
A coefficient d’absorption solaire
s
a longueur d’un rectangle m
3
a facteur de température K
r
b largeur d’un rectangle m
2 4
C coefficient de rayonnement W/(m ⋅K )
r
c capacité thermique massique à pression constante J/(kg⋅K)
p
D diamètre m
d épaisseur m
d épaisseur de la couche isolante du conduit m
R
F facteur de conversion global de la conductivité thermique
Gr nombre de Grashof
H hauteur m
h coefficient de transfert thermique surfacique W/K
2
J rayonnement solaire W/m
s
K coefficient de pont thermique W/K
L longueur m
l longueur caractéristique m
l longueur intérieure de la boîte d’isolation m
i
m masse kg
m débit massique kg/s
Nu nombre de Nusselt
P périmètre m
p pression Pa
p pression de vapeur d’eau Pa
a
Pr nombre de Prandtl
2
q densité de flux thermique W/m ou W/m
2
m ⋅K/W, m⋅K/W ou
R résistance thermique
K/W
Re nombre de Reynolds
S espace intérieur de la boîte d’isolation
T température thermodynamique K
t temps s
2
W/(m ⋅K), W/(m⋅K) ou
U coefficient de transmission thermique
W/K
w vitesse de l’air ou d’un autre fluide m/s
x longueur de boulon + 20 mm mm
−1
α coefficient de chute de température axiale m
−1
α′ coefficient de temps de refroidissement s
Δh chaleur latente J/kg
ε émissivité
2
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ISO 12241:2022(F)
Tableau 1 (suite)
Symbole Définition Unité
Φ flux thermique W
λ conductivité thermique W/(m⋅K)
λ conductivité thermique déclarée W/(m⋅K)
d
λ conductivité thermique utile W/(m⋅K)
D
θ température en degrés Celsius °C
θ point de mesure de la température à la base de la pièce saillante °C
b
3
ρ masse volumique kg/m
φ humidité relative %
2 4
σ constante de Stefan-Boltzmann (voir Référence [8]) W/(m ⋅K )
2
v viscosité cinématique de l’air ou d’un autre fluide m /s
Δ différence
2
ΔA aire équivalente m
ΔL longueur équivalente m
conductivité supplémentaire due aux composants régulièrement
Δλ W/(m⋅K)
disposés dans le système d’isolation
3.3 Indices
Le Tableau 2 donne la définition des indices utilisés dans le présent document.
Tableau 2 — Définition des indices
A vanne in initial
a ambiant Ka boîte d’isolation
anc ancrage l linéique
av moyen lab laboratoire
B pont thermique lam flux laminaire
c refroidissement MRT température radiante moyenne
cv convection nat. naturelle
cr critique P pompe
cs section transversale p conduit
d gaine r rayonnement
E sol ref référence
e extérieur (externe) s surface
ef efficace sat vapeur saturante
en entrée se surface extérieure
ex sortie si surface intérieure
f fluide sph sphérique
fa partie frontale de la pièce saillante sq par carré
fas fixation T total
FEM méthode des éléments finis tb pont thermique lié à l’isolation
fi final tur écoulement turbulent
fin pièce saillante V vertical
fl bride v réservoir
forcée forcée W paroi
fr congélation w eau
3
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ISO 12241:2022(F)
Tableau 2 (suite)
H horizontal wp début de la congélation
i intérieur (interne)
4 Règles et formules de calcul du transfert de chaleur
4.1 Formules fondamentales pour le transfert de chaleur
4.1.1 Généralités
Les formules données dans l’Article 4 ne s’appliquent que dans le cas du transfert de chaleur en régime
stationnaire, c’est-à-dire dans le cas où les températures restent constantes dans le temps en tout point
du fluide considéré. La valeur de la conductivité thermique utile dépend de la température, voir Figure 1,
courbe en pointillés. Néanmoins, pour les besoins du présent document, la valeur de la conductivité
thermique utile doit être utilisée à la température moyenne de chaque couche.
4.1.2 Conduction thermique
La conduction thermique décrit normalement le transfert de chaleur moléculaire dans les solides,
les liquides et les gaz sous l’effet d’un gradient de température.
Dans le calcul, il est présumé que le gradient de température n’existe que dans une seule direction et
que la température est constante dans les plans perpendiculaires à celui-ci.
La densité de flux thermique, q, pour une paroi plane dans la direction x est donnée par la Formule (1):
dθ
q=⋅λ (1)
D
dx
Pour une couche unique, les Formules (2), (3) et (4) sont données:
λ
D
q=⋅()θθ− (2)
si se
d
ou
()θθ−
si se
q= (3)
R
et
d
R= (4)
λ
D
où
λ est la conductivité thermique utile du produit isolant ou du système d’isolation, en W/
D
(m⋅K);
d est l’épaisseur de la paroi plane, en m;
θ est la température de la surface intérieure, en °C;
si
θ est la température de la surface extérieure, en °C;
se
2
R est la résistance thermique de la paroi, en m ⋅K/W.
4
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ISO 12241:2022(F)
a) Distribution de la température dans une b) Conductivité thermique en fonction de la
paroi monocouche température
NOTE La courbe en pointillés de la Figure 1a) représente la variation de température dans une paroi,
en supposant que la conductivité thermique dépend de la température, comme la courbe en pointillés de la
Figure 1b). Dans le cas où la conductivité thermique est considérée comme indépendante de la température
(droite pleine à la Figure 1b)), la variation de la température à l’intérieur d’une paroi est représentée par la ligne
droite à la Figure 1a).
Figure 1 — Distribution de la température
Pour une paroi multicouche (voir Figure 2), q est calculé selon la Formule (3), où R est la résistance
thermique de la paroi multicouche, selon la Formule (5):
n
d
j
R= (5)
∑
λ
D
j=1 j
5
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Figure 2 — Distribution de la température dans une paroi multicouche
La densité linéique de flux thermique, q , d’un cylindre creux monocouche (voir Figure 3) est donnée par
l
la Formule (6):
θθ−
si se
q = (6)
l
R
l
où R est la résistance thermique linéique d’un cylindre creux monocouche [m⋅K/W], selon la Formule (7):
l
D
e
ln
D
i
R = (7)
l
2⋅⋅π λ
D
où
D est le diamètre extérieur de la couche, en m;
e
D est le diamètre intérieur de la couche, en m.
i
a) Distribution de la température dans un b) Vue de face d’un cylindre creux
cylindre creux monocouche
6
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Figure 3 — Distribution de la température dans un cylindre creux monocouche
Pour un cylindre creux multicouche (voir Figure 4), la densité linéique de flux thermique, q , est donnée
l
par la Formule (6), où R est donnée par la Formule (8)
l
n
D
1 1
e,j
R = ln (8)
l ∑
2⋅π λ D
D i,j
j=1 j
où
D = D
i,1 i
D = D
e,n e
Figure 4 — Distribution de la température dans un cylindre creux multicouche
Pour les surfaces incurvées de diamètre supérieur à 1 200 mm, il est recommandé d’utiliser les formules
relatives aux parois planes.
Le flux thermique d’une sphère, Φsph, pour une sphère creuse monocouche (voir Figure 5) est donné
par la Formule (9):
θθ−
si se
Φ = (9)
sph
R
sph
où R est la résistance thermique d’une sphère creuse monocouche [K/W], selon la Formule (10):
sph
1 11
R = − (10)
sph
2⋅⋅π λ DD
D ie
7
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Figure 5 — Distribution de la température dans une sphère creuse monocouche
Pour une sphère creuse multicouche (voir Figure 6), le flux thermique de la sphère, Φ , est donné
sph
par la Formule (9), où R est donnée par la Formule (11):
sph
n
1 11 1
R = ⋅− (11)
sph ∑
2⋅π λ DD
D j-1j
j=1
j
où
D = D
0 i
D = D
n e
8
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ISO 12241:2022(F)
Figure 6 — Distribution de la température dans une sphère creuse multicouche
La densité linéique de flux thermique, q, à travers la paroi d’une gaine de section rectangulaire
l
(voir Figure 7) est donnée par la Formule (12):
θθ−
si se
q = (12)
l
R
l
La résistance thermique linéique, R [m⋅K/W], de la paroi d’une gaine de ce type peut être calculée
l
approximativement selon la Formule (13):
2⋅d
R = (13)
l
λ ⋅+()PP
D ei
où
d est l’épaisseur de la couche isolante, en m;
P est le périmètre intérieur de la gaine, en m;
i
P est le périmètre extérieur de la gaine, en m, selon la Formule (14):
e
PP=+⋅8 d (14)
()
ei
9
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ISO 12241:2022(F)
Figure 7 — Distribution de la température dans la paroi d’une gaine de section rectangulaire
à conductivité thermique dépendant de la température
4.1.3 Coefficient de transfert thermique surfacique
En règle générale, le transfert de chaleur par rayonnement et le transfert de chaleur par convection
surviennent à la surface et sont donnés par les Formules (15) et (16):
qh=⋅()θθ− (15)
rr 1MRT
qh=⋅ θθ− (16)
()
cv cv 1a
où
2
q est la densité du flux thermique par rayonnement, en W/m ;
r
2
q est la densité du flux thermique par convection, en W/m ;
cv
2
h est le terme radiatif du coefficient de transfert thermique surfacique, en W/(m ⋅K);
r
2
h est le terme convectif du coefficient de transfert thermique surfacique, en W/(m ⋅K);
cv
θ est la température superficielle de la surface 1, en °C;
1
θ est la température radiante moyenne de l’environnement, en °C;
MRT
θ est la température de l’air ambiant, en °C.
a
NOTE 1 h dépend de la température et de l’émissivité de la surface. L’émissivité est définie comme le quotient
r
entre le coefficient de rayonnement de la surface et la constante de rayonnement du corps noir (voir ISO 9288).
NOTE 2 h dépend généralement de divers facteurs, comme les mouvements de l’air, la température,
cv
l’orientation relative de la surface, le matériau de la surface, etc.
Le transfert thermique surfacique combiné peut être obtenu selon la Formule (17):
qq=+qh=⋅ θθ− +⋅h θθ− (17)
() ()
rcvr 1MRT cv 1a
Lorsque la température radiante moyenne est presque égale à la température de l’air ambiant, le
transfert thermique surfacique combiné est donné par la Formule (18):
qh=⋅ θθ− +⋅hhθθ− =+hh⋅−θθ =⋅ θθ− (18)
() () () () ()
r1 acv1 ar cv 1a se se a
où
10
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ISO 12241:2022(F)
2
h est le coefficient de transfert thermique surfacique extérieur, en W/(m ⋅K);
se
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.