1. Les systèmes de chauffage

Chauffage à eau chaude

Circulation naturelle

Auparavant, le système de chauffage par circulation naturelle (par thermosiphon) était la seule solution, mais il n'est plus appliqué que rarement.

La circulation naturelle est provoquée par la différence de densité entre l'eau chauffée à 90° dans la chaudière (+ légère: 0,96552 kg/dm³) et l'eau plus froide (70°) venant des radiateurs (0,97787 kg/dm³).

La circulation par thermosiphon, qui ne demande pas d'apport d'énergie supplémentaire, présente 3 inconvénients:

Circulation forcée

        En plaçant une pompe de circulation dans un réseau hydraulique, on peut envoyer des volumes d'eau importants à travers des tuyauteries d'un diamètre limité.

        C'est ce qu'on appelle la circulation forcée.

Calcul des débits d'eau

    1. Débits dans une installation bitube
    2. Le débit d'eau qui traverse un corps de chauffe intégré dans une installation bitube se calcule à l'aide de la formule suivante:

       

      qrad = P x 3 600

      ou

      qrad =

      0,86 P
      C (q e - q s) D ° q

      qrad = débit d'eau traversant le radiateur en kg/h ou l/h

      P = puissance (flux thermique) réelle à fournir par le radiateur en W

      C = capacité thermique massique (chaleur massique)

      de l'eau pour une température moyenne de l'eau en J/kg K

      soit à 80 °C prendre C = ± 4 180 J/kg K

      q e = température de l'eau à l'entrée en °C

      q s = température de l'eau à la sortie en °C

      *

      Lors du dimensionnement des installations de chauffage on considère le plus souvent un écart de température de 20 K entre l'entrée et la sortie de l'eau pour un régime 90° - 70° ou 80° - 60°.

      1 chaudière

      2 circulateur

      3.vase d'expansion

      4 circuit de départ chauffage

      5. circuit de retour chauffage

      6 corps de chauffe

      Exemple 1 de calcul:

      Déperditions calorifiques: 2 790 W

      Régime d'eau 90° - 70°

      Capacité thermique massique C = 4 180 J/kg K

      Trouver le débit? q en l/h et l/min

      Formule de base:

      Exemple 2 de calcul:

      Débit d'eau: 100 l/h

      Régime d'eau 80° - 60°

      Trouver la puissance du radiateur?

    3. Débits dans une installation monotube

Le réseau le plus simple se compose d'une seule tuyauterie qui relie tous les radiateurs (système monotube).

L'eau chaude circule à travers chaque radiateur ou convecteur et poursuit ensuite son chemin. Cette application demande que la pression de refoulement de la pompe de circulation soit relativement élevée et d'autre part, la température de l'eau diminuant après chaque traversée des corps de chauffe impose un surdimensionnement des radiateurs les plus éloignés. En outre, ceux-ci ne peuvent pas être régulés séparément.

Pour les bâtiments assez grands, le même type de chauffage peut être employé, mais avec plus de circuits: chaque circuit n'alimente qu'une partie du bâtiment (chauffage à tuyauterie unique et circuits multiples).

Une vanne de régulation commandée par thermostat peut être installée en tête de boucle.

Le système monotube peut être sensiblement amélioré en plaçant les radiateurs en dérivation (by-pass) dans chaque circuit. De cette manière, chaque radiateur peut être équipé d'une vanne de régulation à 4 voies avec tête thermostatique, qui règle de débit de chaleur de l'appareil.

*

 

 

 

 

 

Un système à tuyauteries horizontales a les avantages suivants:

Un système à tuyauteries verticales se place plus rapidement.

Dans le chauffage monotube, différents corps de chauffe sont placés, dans une même boucle, aller et retour étant assurés par un SEUL tuyau.

Le débit d'eau dans la boucle:

qboucle = S P radiateur x 3 600

ou

qboucle =

S P x 0,86

C (q e - q s)

D ° q

S P = P1 + P2 + P ... max P5

5 radiateurs maximum

qboucle = l/h

P = W

Exemple:

P1 = 1 000 W P2 = 1 590 W P3 = 920 W

q e = 90 °C q s = 75 °C

Calculez le débit de la boucle.

 

 

 

extrait des prospectus techniques: http://www.heimeier.com/fr/PDF/Info_french/1.3.pdf

 

Chauffage à air chaud

 

    Circulation naturelle

Dans ce type d'installation, l'air est seulement mis en mouvement par la pression d'air qui naît du fait de la différence de poids volumique entre l'air chaud (plus léger) et l'air froid (plus lourd) de reprise (15 à 20 °C).

Le principe est le même que pour la circulation naturelle des circuits à eau chaude. La circulation naturelle a quelques grands désavantages.

Du fait de la faible pression d'air:

Afin de faire fonctionner le système, il est absolument nécessaire que la différence de hauteur entre le plan médian du générateur et celui des bouches d'aspiration d'air soit suffisamment grande. Le générateur doit donc être installé dans la cave et dans tous les cas aussi bas que possible dans le bâtiment à chauffer.

 

Air chaud pulsé

Bien que le chauffage à air chaud pulsé et le chauffage à circulation naturelle fonctionnent exactement suivant le même principe, c'est par le générateur qu'ils diffèrent principalement. Dans le cas du chauffage à air chaud pulsé, le générateur est en effet équipé d'un ventilateur qui est entraîné par un moteur électrique et grâce auquel l'arrivée d'air dans le réseau reste en permanence sous contrôle.

Cette solution offre des avantages importants par rapport à la circulation naturelle:

La chaleur de l'air pulsé peut être récupérée par un échangeur de chaleur et on peut distribuer de l'air frais en été (groupe à eau glacée). Ce système exige cependant nettement plus d'entretien et une consommation d'électricité supplémentaire pour le ventilateur.

Comprise entre 32 °C et 37 °C (maximum 40 °C), la température de l'air pulsé est nettement plus confortable.

Dans la mesure du possible, le générateur sera installé à la cave et les gaines d'air seront placées contre le plafond.

S'il n'y a pas de cave, le générateur de chaleur pourra être installé dans un local au rez-de-chaussée et raccordé à un réseau de gaines en dessous du plancher ou au grenier.

Le ventilateur ne doit pas seulement assurer une bonne circulation d'air, mais doit également fonctionner sans bruit.

Le choix de l'appareil doit prendre ce point en compte parce qu'un fonctionnement silencieux contribue fortement au confort. Il doit en outre être placé dans une enveloppe d'isolation et d'absorption acoustique. On peut également monter un silencieux dans la gaine de sortie.

        1. Les gaines de soufflage

Pour que la chaleur soit homogène, la section des gaines doit être beaucoup plus grande que pour les tuyauteries classiques (système à eau chaude).

Les gaines doivent être isolées thermiquement pour empêcher que la chaleur ne soit dissipée durant le trajet dans les gaines.

Chaque local chauffé possède une ou plusieurs bouches de pulsion de l'air chaud nécessaire pour obtenir une température confortable.

L'air du local chauffé est extrait soit via des grilles placées dans le bas de la portes, soit, ce qui est moins apparent, à travers une mince fente (1,5 cm de haut) située sous la porte, et est renvoyé vers l'aspiration centrale d'air.

Comme l'air passe toujours d'un local chaud vers un local plus froid, cela ne provoque aucun inconfort (pas de courant d'air froid).

Le générateur de chaleur doit se trouver en un point central.

L'air de la cuisine, de la salle de bains et des toilettes n'est pas recyclé, mais évacué vers l'extérieur.

Dans un bâtiment moderne, parfaitement isolé, on remplace automatiquement la moitié environ du volume d'air toutes les heures. Le débit total d'air en circulation assure un brassage de 3 à 5 fois par heure.

L'ouverture d'aspiration d'air doit toujours être équipée d'un filtre afin d'éviter que des substances ne pénètrent dans les gaines de soufflage. Un filtre de reprise doit toujours être prévu sur la reprise d'air de manière à capter toute poussière susceptible d'être entraînée dans le réseau de pulsion placé en amont de l'échangeur de façon à éviter une carbonisation des poussières, il doit être régulièrement nettoyé.

  1. Le chauffage par le sol

La particularité du chauffage par le sol (chauffage par rayonnement) est qu'il est totalement invisible. Un système de tuyauteries est noyé dans la chape. L'eau qui circule dans cette tuyauterie a la température suffisante pour compenser les déperditions calorifiques.

    Les tuyaux de chauffage

Les tuyaux employés pour le chauffage par le sol se classent en deux catégories:

  • Les tuyaux souples:

Polypropylène (PP) avec un ? de 0,22 W/mk

Polybutène (PB) avec un ? de 0,22 W/mk

Polyéthylène réticulé (PEPEX) ? de 0,38 W/mk

Les tuyaux durs:

cuivre ou acier

Les tuyaux durs disparaissent du marché car plus difficile à mettre en œuvre

Habituellement, on emploie des tuyaux d'un diamètre extérieur compris entre 16 et 20 mm. Si le diamètre est trop petit, l'émission de chaleur est insuffisante. Si le diamètre est trop grand, le tuyau devient moins souple et le montage devient plus difficile.

    Les systèmes

    Le système humide

 

        Dans les systèmes humides (les plus répandus) le tuyau de chauffage est entièrement noyé dans la chape et celle-ci repose sur une couche d'isolation thermique.

        Le rendement de chaleur est très élevé (77 à 79%) et la perte vers la couche inférieure est relativement faible.

        L'émission de chaleur du plancher se situe généralement entre 92 et 104 W/m². Certains fabricants posent une plaque continue d'aluminium de 0,5 mm d'épaisseur sur l'isolant pour mieux répartir la chaleur. De cette manière, l'émission de chaleur est augmentée de ± 6 %

Le système sec

 

        Lorsque l'épaisseur de la chape est limitée ou si la dalle portante ne peut pas être trop lourde, le système sec constitue la seule solution.

        A cet effet, les tuyaux de chauffage se trouvent dans l'isolation de sorte que la chape doit avoir une épaisseur supplémentaire de 5 cm seulement.

        C'est la solution la plus utilisée dans les bâtiments en rénovation. L'espace disponible est parfois si petit que le revêtement de sol (parquet par exemple) est directement posé, sans chape, sur la couche d'isolation.

        L'émission de chaleur présente plus de difficultés pour les systèmes secs. En effet, le tuyau de chauffage est partiellement entouré par l'isolation et on doit par conséquent choisir un matériau à conductibilité thermique maximale (par exemple, le polyéthylène réticulé) et ajouter des plaques de répartition de la chaleur en acier ou en aluminium.

        Certains fabricants recommandent de recouvrir l'isolation de plaques d'acier ou d'aluminium. Cela favorise la répartition de la chaleur, mais le résultat final n'est pas idéal parce que la surface de contact avec le tuyau est limitée.

        En moyenne, on peut s'attendre à ce que les systèmes secs fournissent 15 % de chaleur en moins que les systèmes humides. Leur temps de réchauffement est cependant plus court.

         

        schéma de principe d'un système sec

        1 Revêtement de sol

        2 Chape

        3 Armature ou treillis de renforcement

        4 Film en polyéthylène

        5 Couche d'isolation

        6 Film en polyéthylène

        7 Tuyau de chauffage

        8 Dalle portante

         

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Le système sec-humide ou système semi-sec

Dans ce système, on essaie de combiner les avantages des deux systèmes précédents. Le tuyau de chauffage est posé sur des panneaux d'isolation spécialement étudiés et le tuyau est partiellement noyé dans la chape. Afin d'améliorer la répartition de la chaleur, on peut également placer une grille métallique. L'émission de chaleur n'est que de 5 % inférieure à celui d'un système humide.

Les tuyaux de chauffage sont posés dans la chape suivant un plan bien déterminé. Plus les écartements sont grands, MOINS l'émission de chaleur est importante.

 

 

 

La bonne technique consiste à réaliser le moins de courbes possible, mais en les faisant les plus larges possibles.

On obtient ainsi deux modes de pose, une pose en spirale et une pose en parallèle.

Pour une distance égale entre les tuyaux, le dégagement total de chaleur est le même pour les deux systèmes. Pour la pose en spirale, la température de surface est cependant mieux répartie. Avec la pose en parallèle, on obtient inévitablement une zone plus chaude au début de la boucle.

On peut même poser une double spirale lorsqu'on veut travailler avec une température d'eau très basse (25 à 35 °C).

En principe, on pose une seule boucle de rayonnement dans chaque local. Afin d'éviter des pertes de pression exagérées, on limite le plus souvent la longueur des tubes en plastique à 120 m. Un tube de 20 mm de diamètre peut chauffer une surface de 17,5 m². Les grandes pièces doivent donc être équipées de plusieurs boucles adjacentes.

La chape en ciment autour du tube a une composition habituelle. On doit cependant ajouter un liquéfiant au ciment pour le rendre plus homogène et limiter la teneur en eau. Il sèche alors plus vite et il ne s'y forme pas de bulles d'air qui gêneraient fortement le transfert de chaleur.

Il est formellement déconseillé de combiner le chauffage par rayonnement avec un revêtement de sol relativement isolant (tapis de laine). La préférence va au sol carrelé en terre cuite ou en pierre naturelle. Les moquettes à base de jute, les dalles en PVC, les revêtements plastiques et le parquet peuvent être envisagés s'ils sont parfaitement collés (support exempt de bulles d'air).

Ils peuvent seulement être posés après que le chauffage a fonctionné pendant un certain nombre de jours.

Pour le parquet, il vaut mieux laisser reposer le bois pendant un certain temps dans les locaux chauffés (plusieurs semaines) afin qu'il puisse s'adapter à la température et à l'humidité du local. C'est nécessaire pour éviter des retraits et des fissures ultérieurs.

Certaines sortes de revêtement de sol sont tous simplement exclues: tous les matériaux avec couche bitumineuse ou traités avec des résines synthétiques et les moquettes à support épais en caoutchouc mousse. Ils n'ont pas leur place sur un planché chauffé.

Le tableau donne la diminution d'émission de chaleur en fonction du type de revêtement.

Diminution d'émission de chaleur

suivant le type de revêtement

Plancher non revêtu (chape nue)

0 %

Carrelage

20 %

Parquet

35 %

Moquette

45 %

 

    Le confort

Le confort dont jouit l'utilisateur dépend de la température ambiante et de la température des parois environnantes.

Dans le cas du rayonnement au sol, la température plus élevée de la dalle permet, à confort équivalent, de réduire la température ambiante de 1 à 2 °C.

Il en résulte une économie d'énergie de 5 à 10 %.

Sur le plan physiologique, la répartition de la température sur la hauteur du local doit idéalement être telle qu'à hauteur d'homme, la température est 2 °C plus basse qu'à la hauteur du sol.

Le chauffage par le sol est celui qui se rapproche le plus de cette répartition idéale sans qu'il y ait accumulation d'air chaud au plafond (dôme de chaleur).

Des expériences désagréables (jambes lourdes, mal de tête, mauvaise circulation sanguine) ont détourné beaucoup de gens du chauffage par le sol.

L'erreur qu'on faisait dans le passé était que la température du sol était beaucoup trop élevée. Maintenant , la température peut être maintenue plus basse en raison de la meilleure isolation des bâtiments. Par ailleurs, on a obtenu au cours des vingt dernières années une bien meilleure compréhension des critères de confort.

Ils sont triples:

Ces constatations ont conduit à la conclusion que la température du sol doit se situer entre 20 et 26 °C dans les locaux où de nombreuses personnes se tiennent debout ou marchent (dans des circonstances extrêmes 28 °C) et 2 °C plus haut dans les locaux où les gens sont assis et dans les salles de bains.

On suppose que la température au niveau du sol est de 34 °C dans les zones de faible circulation tels que le long des parois froides, des portes et des fenêtres.

 

La distribution hydraulique

La distribution d'eau de la chaudière aux boucles de chauffage par le sol se fait de la même manière que pour une installation classique.

Une colonne montante en acier amène l'eau chaude aux différents collecteurs principaux.

Sur chaque boucle de rayonnement doit être prévue: une vanne manuelle de réglage et d'arrêt, un robinet de compensation des pertes de charge (T réglable) et un purgeur d'air.

Les circuits de radiateurs peuvent être combinés avec le chauffage par le sol s'ils ont été calculés pour basse température.

Comme pour toute installation, le chauffage par le sol demande beaucoup de soin et de savoir-faire à la réalisation.

Un certain nombre de précautions sont à prendre pour ne pas provoquer de fissures ni de décollement du revêtement.

 

Avantages

Désavantages

 

Comparaison des divers systèmes de chauffage

Critères

Chauffage
individuel (poêles)

Chauffage
central (rad./conv.)

Chauffage
par le sol

Chauffage
par air chaud

Aptitude:

  • habitation mal isolée
  • habitation bien isolée
oui

oui

ou

oui

non

oui

non

oui

Faisabilité:

  • nouvelle construction
  • construction existante
oui

possible

oui

possible

possible

difficile

possible

très difficile

Confort thermique:

  • type de chaleur
  • répartition thermique
  • points faibles
ray. + convection

irrégulière

surchauffe

ray. + convection

homogène

---

ray. + convection

homogène

---

convection

homogène

courants d'air

Caractéristiques:

  • temps de relance
  • intermittence
  • sensible au gel
  • nuisance sonore
rapide

bien adaptée

non

aucune

(dilatation)

normal

adaptée

oui

parfois

(dilatation)

très lent

peu adaptée

oui

aucune

très rapide

bien adaptée

non

parfois

(air + ventilateur)

Rendements saisonniers:

  • production thermique
  • pertes de distribution
  • pertes d'émission
50 – 70 %

aucune

aucune

70 – 90 %

jusque 5 %

jusque 5 %

70 – 90 %

5 – 10 %

pertes vers le bas

? 10 %

70 – 90 %

5 – 10 %

aucune

Régulation:

  • centralisée
  • par pièce
  • horaire
possible

bonne

possible

bonne

moyenne

bonne

bonne

très mauvaise

difficile

bonne

mauvaise

moyenne

Coûts:

  • investissement
  • consommation
  • entretien

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$$

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Exercices

 

  1. Calculez le débit de la chaudière.
  2. Plaque signalétique : P chaudière 30 kW

  3. Un générateur de chaleur installé dans une maison unifamiliale a une puissance de 23,25 kW avec un écart de température de 20K. Calculez le flux volumique d'eau nécessaire dont on a besoin pour transporter la puissance calorifique de la chaudière aux radiateurs.
  4. Calculez le débit de la chaudière sachant que la puissance est de 35kW, T° sortie d'eau 90° et T° retour 70°. Trouver la puissance de sortie de la chaudière et la puissance "entrée" ainsi que la puissance de chauffe.
  5. Vous êtes chez un client et vous constatez qu'il faut remplacer la chaudière vieille de 30 ans. La puissance est exprimée en kcal/h. Aujourd'hui la puissance s'exprime en k
  6. kW, quelle puissance allez-vous proposer à votre client ou encore commander auprès de votre fournisseur en supposant que les besoins calorifiques soient restés identiques et que la plaque signalétique renseignait 20000 kcal/h

  7. Si les déperditions calorifiques totales d'une habitation sont de 16684 kcal/h, trouver la puissance de la chaudière appropriée. Exprimer votre réponse en kW
  8. Exemple d'application de chauffage par le sol avec compensation des déperditions plus importantes à proximité des baies de fenêtre