M1en-Chauffage Clim [PDF]

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CHAUFFAGE & CLIMATISATION MASTER 1 - GENIE ENERGETIQUE PR CHERIF BOUGRIOU Docteur en Transferts Thermiques INSA de Lyon et le Groupement de Recherche pour les Echangeurs Thermiques du Centre d'Etudes Nucléaires de Grenoble

[email protected] UNIVERSITE DE BATNA 2 FACULTE DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE MECANIQUE V1.0 - 2017

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Objectifs Application logique des cours de transferts thermiques et de la mécanique des fluides, dans ce cours, on apprendra à calculer les déperditions thermiques d’un bâtiment d’habitation suivant le Document Technique Réglementaire et en même temps à calculer une installation de chauffage central (réseau, radiateurs, chaudières, pompes, etc.). On essaye d’aborder suivant le temps disponible les différentes opérations effectuées sur l’air humide pour le conditionnement d’air.

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SOMMAIRE

1. INTRODUCTION 1.1. DEFINITIONS DE L’HABITAT 1.2. RAPPELS SUR LES MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR I.2.1. EXEMPLE DE LA CONDUCTION THERMIQUE A TRAVERS UNE PAROI PLANE 1.2.2. EXEMPLE DE LA CONVECTION THERMIQUE 1.2.3. ECHANGE DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT 2. CALCUL DES DEPERDITIONS THERMIQUES 2.1. OBJECTIFS DU CALCUL DES DEPERDITIONS 2.2. BASES DE CALCUL 2.2.1. PRINCIPE GENERAL : 2.2.2. EXPRESSION GENERALE DES DEPERDITIONS 2.2.2.1. DEPERDITIONS TOTALES D’UN LOGEMENT : 2.2.2.2. DEPERDITIONS TOTALES D’UN VOLUME 2.2.2.3. DEPERDITIONS PAR TRANSMISSION D’UN VOLUME : 2.2.2.4. DEPERDITIONS PAR RENOUVELLEMENT D’AIR D’UN VOLUME : 2.2.2.5. RELATION ENTRE LES DEPERDITIONS DE LOGEMENT ET LES DEPERDITIONS DES VOLUMES : 2.2.3. VERIFICATION ET DEPERDITIONS DE REFERENCE 2.2.3.1.VERIFICATION REGLEMENTAIRE : 2.2.3.2. CALCULS DES DEPERDITIONS DE REFERENCE : 2.2.4. DEPERDITIONS SURFACIQUES PAR TRANSMISSION A TRAVERS LES PAROIS 2.2.4.1. EXPRESSION GENERALE 2.2.4.1.1. PAROIS SEPARANT DEUX AMBIANCES A DES TEMPERATURES DIFFERENTES 2.2.4.1.2. PAROI SEPARANT DEUX AMBIANCES A LA MEME TEMPERATURE 2.2.5. LIMITES DE CALCUL 2.2.6. COEFFICIENT D’ECHANGE GLOBAL K DES PAROIS OPAQUES 2.2.6.1. PRINCIPES DE CALCUL 2.2.6.2. EXPRESSION GENERALE 2.2.6.3. RESISTANCE THERMIQUE D’UNE COUCHE HOMOGENE 2.2.6.4. RESISTANCE THERMIQUE D’UNE COUCHE HETEROGENE 2.2.6.5. RESISTANCE THERMIQUE D’UNE LAME D’AIR 2.2.7. COEFFICIENT K DES PAROIS VITREES 2.2.7.1. LIMITES DU CALCUL 2.2.7.2. EXPRESSION GENERALE 2.2.8 COEFFICIENT K DES PORTES 2.2.9. DEPERDITIONS A TRAVERS LES PONTS THERMIQUES : 2.2.10. DEPERDITIONS A TRAVERS LES PAROIS EN CONTACT AVEC DES LOCAUX NON CHAUFFES : 2.2.11. DEPERDITIONS PAR RENOUVELLEMENT D’AIR : 2.2.11.1. CALCUL DES DEPERDITIONS PAR RENOUVELLEMENT D’AIR : 2.2.11.2. DEBIT SPECIFIQUE DE VENTILATION : 2.2.11.3. DEBIT SUPPLEMENTAIRE PAR INFILTRATION DUE AU VENT : 2.2.12. DEPERDITIONS PAR TRANSMISSION A TRAVERS LES PAROIS EN CONTACT AVEC LE SOL 2.2.13. DEPERDITIONS PAR TRANSMISSION A TRAVERS LES PAROIS EN CONTACT AVEC LE SOL 2.2.14. CALCUL SIMPLIFIE DES DEPERDITIONS THERMIQUES 3. ISOLATION THERMIQUE DE L’HABITAT 3.1. NOTION DE CONFORT PAR L’ISOLATION THERMIQUE 3.2. CHOIX D’UN ISOLANT THERMIQUE 3.3. FABRICATION DES ISOLANTS THERMIQUES 3.4. CONDUCTIVITE THERMIQUE DES ISOLANTS 4. RADIATEURS 4.1. TYPE DE RADIATEURS 4.2. DIMENSIONNEMENT DES RADIATEURS 3

4.2.1. EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT DES RADIATEURS 4.2.2. DEUXIEME EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT DES RADIATEURS 5. TYPES DE CHAUFFAGE A EAU CHAUDE 5.1.CHAUFFAGE A EAU CHAUDE DISTRIBUTION PAR EN DESSUS 5.2. CHAUFFAGE A EAU CHAUDE DISTRIBUTION PAR EN DESSOUS 5.3. CHAUFFAGE A EAU CHAUDE DISTRIBUTION PAR EN DESSUS (SYSTEME A UN TUBE) 5.4 CHAUFFAGE A EAU CHAUDE : SYSTEME HORIZONTAL A UN TUBE 5.5 CHAUFFAGE D’ETAGE 6. DURETE DE L’EAU 6.1. ADOUCISSEUR 6.2. TRAITEMENT ELECTRONIQUE 7. CALCUL DES RESEAUX DE TUYAUTERIES 7.1. ETAPES DE CALCUL 7.2. PERTES DE CHARGES ADMISSIBLES 7.3. CALCUL DE LA HAUTEUR MANOMETRIQUE 7.3.1. DIAMETRE DE LA TUYAUTERIE AU DEPART DE LA CHAUDIERE 7.3.2. DIAMETRE DE LA TUYAUTERIE EN COURS DE CIRCUIT 7.3.3. CHOIX DE L’ACCELERATEUR 7.3.4. ROBINETS THERMOSTATIQUES 8.1. CHAUDIERES 8.1.1. GENERALITES 8.1.2. CLASSIFICATION DES CHAUDIERES 8.1.3. HISTORIQUE DES CHAUDIERES 8.1.4. FOYERS ET BRULEURS 8.1.5. CHOIX DE LA CHAUDIERE 8.1.6. RENDEMENT D’UNE CHAUDIERE 8.2. CHEMINEE 8.2.1. TIRAGE DE CHEMINEE 8.2.2. SECTION DE CHEMINEE 8.2.3. EXECUTION DE LA CHEMINEE 8.3. AMENAGEMENT DE LA CHAUFFERIE

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1. INTRODUCTION Le but de ce présent cours est le calcul des déperditions thermiques et le calcul de l'installation de chauffage central à eau (réseau, radiateurs, chaudières, pompes, etc.). Le chauffage et la climatisation servent à donner la sensation du confort à l’intérieur des locaux : d’habitations, d’administration, commerces, etc., pendant la saison hivernale et la saison estivale. La sensation du confort thermique à l’intérieur d’un local est généralement réalisée pour les grandeurs subjectives suivantes : - Température de l’air

15 °C ≤ T ≤ 25°C

- Humidité relative

35% ≤ ε ≤ 70%

- Vitesse de l’air

v ≤ 0,15 m/s

- Direction de l’air - Température moyenne des surfaces - Effort physique dépensé dans le travail - Habillement - Ionisation de l’air (2000 à 20000 ions/cm3) - Pollution de l’air par les poussières, gaz, vapeur - Pollution acoustique (bruit, musique, etc.) 1.1. DEFINITIONS DE L’HABITAT Les différents rappels et définitions sont tirés de la référence [1]. - Local : Un local est un volume totalement séparé de l'extérieur ou d'autres volumes par des parois fixes ou mobiles. Un local peut être divisé en plusieurs volumes thermiques. - Espace chauffé : Un espace est considéré comme local chauffé quand son volume fermé chauffé à une température supérieure à 12 °C en période d'occupation. - Volume thermique : C’est un volume d’air supposé homogène en température, susceptible d’être chauffé par un corps de chauffe dimensionné par cet effet. - Paroi opaque isolée : Paroi opaque dont le coefficient de transmission thermique K n'excède pas 0.5 W/ (m².°C) soit une résistance totale minimale égale à 2 (m².°C)/W. - Paroi transparente ou translucide : Paroi dont le facteur de transmission lumineux (hors protection mobile éventuelle) est égal ou supérieur à 0.05. Dans le cas contraire elle est dite opaque.

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- Paroi verticale ou horizontale : Une paroi est dite verticale lorsque l'angle de cette paroi avec le plan horizontal est supérieur ou égal à 60 degrés, elle est dite horizontale lorsque cet angle est inférieur à 60 degrés. - Conductivité thermique λ, en W/(m.K) : Flux thermique par mètre carré, traversant un mètre d'épaisseur de matériau pour une différence de température d'un kelvin entre les deux faces de ce matériau. - Coefficient de transmission surfacique K, en W/(m².K) : Flux thermique en régime stationnaire par unité de surface, pour une différence de température d'un Kelvin entre les milieux situés de part et d'autre d'un système. - Coefficient de transmission linéique K li, en W/(m.K) : Flux thermique en régime stationnaire par unité de longueur, pour une différence de température d'un Kelvin entre les milieux situés de part et d'autre d'un système. - Résistance thermique R, en m².K/W : Inverse du flux thermique à travers un mètre carré d'un système pour une différence de température d'un Kelvin entre les deux faces de ce système. - Pont thermique intégré : Elément intégré dans la paroi, donnant lieu à des déperditions thermiques supplémentaires. - Plancher bas : Paroi horizontale (angle < 60°) donnant sur un local chauffé uniquement sur sa face supérieure. - Plancher haut : Paroi horizontale (angle < 60°) donnant sur un local chauffé uniquement sur sa face inférieure. 1.2. RAPPELS SUR LES MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR La chaleur est transmise suivant trois modes différents. Ces modes sont : la conduction, la convection et le rayonnement thermique. i- Conduction thermique La conduction thermique est le transfert de chaleur effectué par vibration des atomes et par libération des électrons à l’intérieur d’un corps. Dans ce mode les particules restent immobiles. ii- Convection thermique Le transfert de chaleur par convection est le transfert de chaleur couplé avec le déplacement des molécules. Ce type de transfert est rencontré lorsqu’un fluide est met au contact d’un solide ou d’un fluide de température différente. Il existe deux types de

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convection thermique. La convection thermique naturelle et la convection thermique forcée. iii- Rayonnement thermique Le rayonnement thermique est le transfert de chaleur effectué entre deux corps sans contact physique et même dans le vide. L’échange de chaleur est réalisé par des rayons électromagnétiques. 1.2.1. EXEMPLE DE LA CONDUCTION THERMIQUE A TRAVERS UNE PAROI

PLANE

Le flux de chaleur échangé entre deux faces d’un mur d’épaisseur faible par rapport aux autres dimensions est donné par : en W

S Tc Tf

1.1

avec, S : surface de la paroi plane en m² : conductivité thermique en W/m.K : épaisseur du mur en m T: écart de température entre les deux faces du mur en °C. Les corps ayant > 12 W/(m.K) sont appelés conducteurs thermiques et ceux ayant < 0,25 W/m.K sont appelés isolants thermiques. On donne à titre d’exemple quelques valeurs de la conductivité thermique

en W/(m.K) (Tableau 1.1).

Tableau 1.1 : Conductivité thermique en W/m.K Cuivre Aluminium Fer Pierre naturelle Béton dense Béton poreux

348,8 197.7 à 232,5 34,9 à 58,1 1,7 à 2,3 0,9 à 2 0,3 à 0,8

Verre Isolant thermique Air Eau (10° à 100°C) Glycérine Huile

0,8 0,06 à 0,17 0,025 0,58 à 0,67 0,28 0,13 à 0,14

est appelée conductance thermique en W/m².K, est appelée résistance thermique en m².K/W. À titre d’exemple pour : - Briques pleines de 5,5 x 10,5 x 21,5 cm3 et une masse volumique =1700 à 2000 kg/m3. 7

(cm)

5,5

R(m².K/W) 0,05

10,5

21,5

0,09

0,20

- Bloc de béton perforé a

a R

7,50 0,07

10,00 0,09

12,50 0,10

cm (m².K)/W

Dans le cas d’une paroi composée, le flux de chaleur est donné par l’expression suivante :

Tc

S

Tc Tf n i 1

R

n i 1

1-2

i i

i i

Tf

avec n, nombre de couches. 1.2.2. EXEMPLE DE LA CONVECTION THERMIQUE Le coefficient d’échange de chaleur par convection est déterminé à partir de l’expression suivante : Tf Tp Fluide

Paroi

8

h Tf

1.3

Tp S

Le coefficient d’échange par convection h est très difficile à déterminer et les relations empiriques sont valables uniquement dans des intervalles précis et étroits. Le coefficient d’échange par convection h dépend des paramètres suivants : h= f(d ou , V, , Cp,

, etc.)

A titre d’exemple, on vous donne quelques valeurs du coefficient d’échange de chaleur par convection (Tableau 1.2). Tableau 1.2 : Coefficient d’échange de chaleur par convection Air pratiquement calme

3 à 23 W/m².K

Air en mouvement

12 à 120 W/m².K

Liquide en mouvement

232 à 11600 W/m².K

Liquide en ébullition

1160 à 23250 W/m².K

Vapeur d’eau se condense

7000 à 70000 W/m².K

L’expression du flux de chaleur d’une paroi composée séparant un fluide chaud et un fluide froid en fonction de trois résistances thermiques. Les différentes expressions du flux de chaleur sont : h i S T C T p,i →

S n i

T pi T pe

→

TC T p,i

hi S

Tp,i

hi

n

he

i

T pi T pe i

i

TC

i

S Tp,e

i

h e S Tpe Tf

→

Tpe Tf

Tf

he S i

En additionnant les trois équations, on trouve :

Tc T f

S

1

n

hi

i

i

1

i

he

Où, 9

S Tc T f n 1 1 i hi

i

1.4

K S Tc T f

he

i

Le coefficient global d’échange de chaleur est : K

1 1

n

hi

i

i

1

i

he

en W/(m².K)

1.5

1.2.3. ECHANGE DE CHALEUR PAR RAYONNEMENT Le rayonnement total de chaleur par unité de surface et de temps d’un corps noir est donné d’après la loi de Stefan-Boltzman par la relation suivante :

c

T 4 en W/m² 100

1.6

A titre d’exemple, on donne quelques valeurs du coefficient c dans le Tableau 1.3. Tableau 1.3 : Quelques valeurs de l’émissivité c Matière Corps noir Cuivre poli (20°C)

Kcal/m2hK4 4,960 0,150

W/m2K4 5,753 0,174

Cuivre oxydé (130°C) Aluminium brillant (170°C)

3,800 0,195

4,408 0,226

Bronze d’aluminium (100°C)

1à2

1,16 à 2,32

Matière Fer (20°C) Fer fortement rouillé (20°C) Vernis (100°C) Enduit, tuile, bois, feutre, bitumeux

Kcal/m2hK4 3,8 4,2

W/m2K4 4,408 4,872

4,6 4,6

5,336 5,336

On voit donc que tout corps destiné à émettre de la chaleur (convecteur, radiateur, etc.) ne doit pas avoir une couche claire (blanche). 1.2.4. ECHANGE DE CHALEUR PAR CONDUCTION CONVECTION

ET RAYONNEMENT

Le coefficient d’échange de chaleur couplé par convection et rayonnement peut s’écrire : h = hc + hr

1.7

Ainsi le coefficient global d’échange de chaleur par conduction convection et rayonnement est :

K

1 1 Se

Se

n

h i Si

Sm

i

i

1

i

he

1.8

10

2. CALCUL DES DEPERDITIONS THERMIQUES Les déperditions thermiques correspondent aux pertes thermiques par l'enveloppe d'une habitation pendant la saison hivernale. Le bilan thermique permet d’estimer la puissance de chauffe à installer pour combattre les déperditions d’un local, celle-ci est égale les déperditions à travers les parois et les déperditions par le flux d’air d’un local. Calculer les déperditions thermiques c'est déterminer la quantité de chaleur à fournir pour le chauffage d'une pièce à température donnée. Cette chaleur fournie compense les pertes par les parois et l'aération du local, on peut synthétiser les différentes déperditions thermiques d'une habitation : - par transmission à travers les murs et parois, - par les liaisons entre murs et parois, - par les sols et planchers, - par la ventilation naturelle ou forcée. 2.1. OBJECTIFS DU CALCUL DES DEPERDITIONS Le calcul des déperditions doit être effectué pour répondre à trois préoccupations : La plus évidente étant le dimensionnement : ce calcul nous fournira la puissance émise vers l’extérieur et donc la puissance des radiateurs nécessaire. Le calcul des déperditions est également un outil de vérification. En effet, il faut essayer de limiter les déperditions dans la mesure du possible (en choisissant des matériaux adaptés pour les parois), afin d’éviter le gaspillage d’énergie. Enfin, le calcul des déperditions nous permettra d’avoir accès au calcul des consommations d’énergie, celles-ci lui étant proportionnelles, et donc nous permettra de vérifier que ces consommations restent raisonnables et conformes à la Réglementation Thermique de (D.T.R C 3-2). Les calculs des déperditions thermiques sont réalisés uniquement dans le régime permanent. Les besoins calorifiques d’un bâtiment sont égaux à la somme des déperditions thermiques à travers l’enveloppe extérieure des locaux chauffés et les pertes de chaleur par ventilation. Les pertes de chaleur d’un bâtiment sont de deux genres : déperditions calorifiques par transmission et déperditions calorifiques par ventilation, voir DTR [1]. 11

2.2. BASES DE CALCUL Les bases de calcul des déperditions thermique reposent sur les éléments suivants : - Plan de situation du bâtiment - Plan du bâtiment - Coupes du bâtiment (hauteurs, étages, portes et fenêtres, etc.). - Données sur le type des murs, planchers, plafonds, etc. - Données sur les portes - Données sur les fenêtres - Données sur la destination des locaux - Données sur le mode d’exploitation 2.2.1. PRINCIPE GENERAL : Le calcul des déperditions d’une maison repose sur : - définir les volumes thermiques, - calculer pour chaque volume thermique les pertes par transmission et les pertes par renouvellement d’air, 2.2.2. EXPRESSION GENERALE DES DEPERDITIONS 2.2.2.1. DEPERDITIONS TOTALES D’UN LOGEMENT Les déperditions totales pour un logement, contenant plusieurs volumes thermiques, sont données par : 𝐃 = ∑ 𝐃𝐢

(W/°C)

2.1

Où (Di )représentent les déperditions totales du volume i. 2.2.2.2. DEPERDITIONS TOTALES D’UN VOLUME Les déperditions totales d’un volume i (Figure 2.1) sont données par : 𝐃𝐢 = (𝐃𝐓 )𝐢 + (𝐃𝐑 )𝐢

(W/°C)

2.2

Où : − (DT )i représente les déperditions par transmission du volume i. − (DR )i représente les déperditions par renouvellement d’air du volume i [1].

12

Aération ventilation

Toiture

Murs

Fenêtres

Ponts thermiques Plancher bas

Figure 2.1 : Répartition des déperditions dans une maison individuelle 2.2.2.3. DEPERDITIONS PAR TRANSMISSION D’UN VOLUME : Les déperditions thermiques par transmission (DT )i d’un volume i sont données par : (𝐃𝐓 )𝐢 = (𝐃𝐬 )𝐢 + (𝐃𝐥𝐢 )𝐢 + (𝐃𝐬𝐨𝐥 )𝐢 + (𝐃𝐥𝐧𝐜 )𝐢

(W/°C)

2.3

Où : - (Ds )i représente les déperditions surfaciques à travers les parties courantes des parois en contact avec l’extérieur. - (Dli )i représente les déperditions à travers les liaisons. - (Dsol )i représente les déperditions à travers les parois en contact avec le sol. - (Dlnc )i représente les déperditions à travers les parois en contact avec les locaux non chauffés. 2.2.2.4. DEPERDITIONS PAR RENOUVELLEMENT D’AIR D’UN VOLUME : Les déperditions par renouvellement d’air d’un volume i (DR )i sont données par : (𝐃𝐑 )𝐢 = (𝐃𝐑𝐯 )𝐢 + (𝐃𝐑𝐬 )𝐢

(W/°C)

2.4

Où : - (DRv )i représente les déperditions dues au fonctionnement normal des dispositifs de ventilation.

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- (DRs )i représente les déperditions supplémentaires dues au vent. 2.2.2.5. RELATION ENTRE LES DEPERDITIONS DE LOGEMENT ET LES DEPERDITIONS DES VOLUMES : Les déperditions par transmission du logement sont égales à la somme des déperditions par transmission des différents volumes i, soit DT = ∑(DT )i . Les déperditions par renouvellement d’air du logement sont égales à la somme des déperditions par renouvellement d’air des différents volumes i, soit DR = ∑(DR )i . 2.2.3. VERIFICATION ET DEPERDITIONS DE REFERENCE 2.2.3.1. VERIFICATION REGLEMENTAIRE : Les déperditions par transmission DT du logement doivent vérifier : 𝐃𝐓 ≤ 𝟏. 𝟎𝟓𝐃𝐫é𝐟

(W/°C)

2.5

- (DT ) représente les déperditions par transmission du logement. - (Dréf ) représente les déperditions de référence. 2.2.3.2. CALCULS DES DEPERDITIONS DE REFERENCE : Les déperditions de référence sont calculées par la formule suivante [1] : 𝐃𝐓𝐫é𝐟 = 𝐚 𝐒𝟏 + 𝐛 𝐒𝟐 + 𝐜 𝐒𝟑 + 𝐝 𝐒𝟒 + 𝐞 𝐒𝟓

(W/°C)

2.6

Où : Les Si en (m2 ), représente les surfaces des parois en contact avec l’extérieur, un comble, un vide sanitaire, un local non chauffé ou le sol, elles concernent respectivement : - S1 La toiture. - S2 Le plancher bas, y compris les planchers bas sur locaux non chauffés ou sur sols. - S3 Les murs. - S4 Les portes. - S5 Les fenêtres et les portes-fenêtres S1 , S2 et S3 Sont comptées de l’intérieur des locaux, S4 et S5 sont comptées en prenant les dimensions du pourtour de l’ouverture dans le mur. Les coefficients (a, b, c, d, e) (W/m2 °C) sont données dans le Tableau 2.1. Ils dépendent de la nature du logement et de la zone climatique [1].

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Tableau 2.1 : Les coefficients (a, b, c, d, e) en (W/m2 °C) [1] Pour le calcul des déperditions de référence, on ne prend pas en compte les déperditions de références par renouvellement d’air. Les coefficients (a, b, c, d, e) correspondent en fait à des coefficients K globaux bien entendus, ils ne représentent pas chacun une valeur limite intrinsèque à ne pas dépasser puisque seul le total de l’addition est caractéristique et que des compensations sont possibles. Cependant, au stade de l’avant-projet, il y a lieu de se tenir en dessous de ces valeurs indicatives chaque fois que cela est possible. 2.2.4. DEPERDITIONS SURFACIQUES PAR TRANSMISSION A TRAVERS LES PAROIS 2.2.4.1. EXPRESSION GENERALE 2.2.4.1.1. PAROIS SEPARANT DEUX AMBIANCES A DES TEMPERATURES DIFFERENTES Les déperditions surfaciques par transmission à travers une paroi, pour une différence de température de 1℃ entre les ambiances qui séparent ces parois, sont données par la formule [1] : 𝐃𝐬 = 𝐊 𝐱 𝐀

(W/°C)

2.7

Où : - K en W/m2 .°C est le coefficient de transmission surfacique (appelé aussi conductance). - A en m2 est la surface intérieure de la paroi. 2.2.4.1.2. PAROI SEPARANT DEUX AMBIANCES A LA MEME TEMPERATURE Dans le cas où une paroi sépare deux ambiances chauffées à la même température, les déperditions par transmission à travers cette paroi sont considérées nulles.

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Les flux de chaleur d’un volume à un autre, dans un logement, ne doivent pas être pris en compte, à condition que les pièces aient des températures différentes. 2.2.5. LIMITES DE CALCUL Pour les panneaux légers à parement et ossature conducteurs avec ou sans coupure isolante, pour les panneaux sandwichs, et d’une façon générale pour tous les procédés de construction non traditionnels, le coefficient K à utiliser dans les calculs est celui donné par le document d’avis technique. Ou à défaut celui fourni par le fabricant. 2.2.6. COEFFICIENT D’ECHANGE GLOBAL K DES PAROIS OPAQUES 2.2.6.1. PRINCIPES DE CALCUL Si la paroi est homogène sur toute sa surface, le coefficient K à utiliser est celui calculé pour la partie courante. 2.2.6.2. EXPRESSION GENERALE Le coefficient d’échange global K est donné par la formule [1] : 𝟏 𝐤

= ∑𝐑 +

𝟏 𝐡𝐞

+

𝟏 𝐡𝐢

m².°C/W

2.8

Où : - ∑ R représente la somme des résistances thermiques des différentes couches de matériaux constituant la paroi. La détermination de la résistance thermique d’une couche de matériau dépend de la nature du matériau, c'est-à-dire s’il est homogène ou non [1]. 1

-h + e

1 hi

représente la somme des coefficients d’échange superficiel, prise conformément

aux conventions adoptées, Tableau 2.2. Pour une toiture, les matériaux de protection placés au-dessus de l’étanchéité ne sont pas pris en compte dans le calcul du coefficient K [1]. 1

Les résistances thermiques d’échanges superficiels exterieur re = h 1 hi

e

et

intérieurs ri =

, sont données dans le tableau suivant :

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Tableau 2.2 : Résistances thermiques d’échanges superficiels 2.2.6.3. RESISTANCE THERMIQUE D’UNE COUCHE HOMOGENE La résistance thermique d’une couche est donnée par la formule suivante [1] : 𝐞

𝐑 𝐢 = 𝛌𝐢

𝐢

m².°C/W

2.9

- R i représente la résistance thermique de la couche i. - ei en m représente l’épaisseur de la couche de matériau. - λi en W/m. °C représente la conductivité thermique du matériau. 2.2.6.4. RESISTANCE THERMIQUE D’UNE COUCHE HETEROGENE La résistance thermique d’une couche hétérogène est donnée directement en fonction de l’épaisseur de la couche de matériau. Les valeurs des résistances thermiques sont soit tirées des tableaux donnés en annexe, soit fournies par le document d’avis techniques, ou à défaut par le fabricant. 2.2.6.5. RESISTANCE THERMIQUE D’UNE LAME D’AIR La résistance thermique d’une lame d’air est obtenue à partir du Tableau 2.3.

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Tableau 2.3 : Résistance thermique de la lame d’air [1] 2.2.7. COEFFICIENT K DES PAROIS VITREES 2.2.7.1. LIMITES DU CALCUL Les parois vitrées sont celles dont les menuiseries sont en bois, ou métallique, de fabrication courante. Pour tout autre type de menuiserie, on pourra se reporter aux avis techniques les concernant, ou à défaut se rapprocher du fabricant [1]. 2.2.7.2. EXPRESSION GENERALE Le coefficient K des parois vitrées est donné par la formule suivante [1] : 𝟏 𝐊

=

𝟏 𝐊𝐯𝐧

+ 𝐫𝐯 + 𝐫𝐫𝐢𝐝 + 𝐫𝐨𝐜𝐜

m².°C/W

2.10

Où : - K vn en (W/m². °C) représente le coefficient K du vitrage nu, voir Tableau 2.4. - rv en (m2 . °C/W) représente la résistance supplémentaire des voilages éventuels, on adapte : rv = 0.025. - rrid en (m2 . °C/W)représente la résistance supplémentaire des rideaux éventuels on adapte :

rrid = 0.030

- rocc (m2 . °C/W) represente la résistance supplémentaire des occultations. La résistance des occultations ou des systèmes associés aux vitrages dans le but de constituer une isolation thermique nocturne (volet, stores, …), rocc est donnée par la formule [1] : 𝐞

𝐫𝐨𝐜𝐜 = 𝟎. 𝟏𝟔 + 𝛌𝐨𝐜𝐜

𝐨𝐜𝐜

(m².°C/W)

2.11

Où : - eocc en (m) représente l’épaisseur de l’occultation. - λocc en (W/m. °C) la conductivité thermique du matériau constituant l’occultation.

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Tableau 2.4 : Coefficients K vn des vitrages [1] 2.2.8 COEFFICIENT K DES PORTES Les coefficients K des portes courantes sont donnés dans le tableau suivant :

Tableau 2.5 : Coefficients K des portes [1] 2.2.9. DEPERDITIONS A TRAVERS LES PONTS THERMIQUES : Les liaisons à la jonction des parois (entre deux parois extérieures, entre une paroi intérieure et une paroi extérieure) et les liaisons entre les murs et les menuiseries, appelées communément ponts thermiques (Figure 2.2), constituent des sources supplémentaires de déperditions. En autre ces liaisons, points faibles thermiques, sont souvent à l’origine de désordres dans la construction (dues à la condensation principalement).

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Les déperditions à travers les liaisons, ou pont thermique, Dli pour une différence de température de 1°C, sont données par la formule [1] : 𝐃𝐥𝐢 = 𝐤 𝐥 × 𝐋

W/°C

2.12

Où : k l en (W/m . °C) représente le coefficient de transmission linéique de la liaison. L en (m) représente la longueur intérieure de la liaison. Type des liaisons : On distingue trois types de liaisons : - Les liaisons entre un mur et une menuiserie extérieure. - Les liaisons de deux parois extérieures. - Les liaisons entre une paroi intérieure et une paroi extérieure Les parois extérieures sont soit imbriqué (harpage), soit liées par une ossature (en béton armé ou métallique), Tableau 2.6.

Figure 2.2 : Ponts thermiques [1]

20

Tableau 2.6 : Ponts thermiques [1] Sachant que : 𝐊=

𝐊𝟏 +𝐊𝟐 𝟐

-

R

-

R m : désigne la résistance moyenne

et 𝐞 =

𝐞𝟏 +𝐞𝟐 𝟐

: désigne la résistance de la paroi fictive

2.2.10. DEPERDITIONS

A TRAVERS LES PAROIS EN CONTACT AVEC DES LOCAUX NON

CHAUFFES

On entend par local non chauffé tout local pour lequel le chauffage n’existe pas ou risque d’être interrompu pendant de longues périodes, ainsi que tout local chauffé par intermittence. 21

Les déperditions à travers les parois en contact avec des locaux non chauffes sont pondérées par un coefficient τ, sans dimension, dit « coefficient de réduction de température », [1]. La valeur de τ est comprise entre 0 et 1. Les déperditions thermiques 𝐃𝐥𝐧𝐜 par transmission par degré d’écart à travers une paroi en contact avec un local non chauffé sont données par la formule suivante [1] : 𝐃𝐥𝐧𝐜 = 𝛕[∑(𝐊𝐱𝐀) + ∑(𝐊 𝐥 𝐱𝐋)]

W/°C

2.13

Où : - K en (W/m². °C) est le coefficient de transmission surfacique de chaque partie. - A en (m²) est la surface intérieure de chaque partie surfacique. - K l en (W/m². °C) est le coefficient de transmission linéique de chaque liaison. - L en (m) est la longueur intérieure de chaque liaison. - τ est le coefficient de réduction de température, il est soit : Calculé dans le cas général. Déterminé forfaitairement. Fixé par les pièces du marché. Calcul de τ dans le cas général : Le coefficient τ est obtenu en considérant le bilan énergétique du local non chauffé. Le coefficient τ est donné par la formule [1] : 𝐓 −𝐓

𝛕 = 𝐓𝐢 −𝐓𝐧 𝐢

𝐞

2.14

Où : - Ti en (°C) est la température intérieure. - Tn en (°C) est la température de l’espace non chauffé. - Te en (°C) est la température extérieure. 2.2.11. DEPERDITIONS PAR RENOUVELLEMENT D’AIR : Les déperditions par renouvellement d’air doivent être prises en compte seulement lors du dimensionnement des installations de chauffage des locaux d’habitation. Pa convention sont considérées, pour l’établissement du bilan thermique, les déperditions par renouvellement d’air moyennes, c'est-à-dire les plus probables. Les déperditions par renouvellement d’air tiennent compte :

22

- Des déperditions dues au fonctionnement des dispositifs de ventilation ; on associe à ces déperditions le débit spécifique de ventilation. - Des déperditions supplémentaires par infiltration dues à l’effet de vent. 2.2.11.1. CALCUL DES DEPERDITIONS PAR RENOUVELLEMENT D’AIR : Les déperditions par renouvellement d’air 𝐃𝐑 d’un logement ont pour expression : 𝐃𝐑 = 𝟎. 𝟑𝟒𝐱(𝐐𝐕 + 𝐐𝐒 )

W/°C

2.15

- 0.34 en (Wh/m3 . °C) est la chaleur volumique de l’air. - Q V en (m3 /h) en est le débit spécifique de ventilation. - Q S en (m3 /h) est le débit spécifique supplémentaire par infiltration dues au vent. - 0.34xQ V en (W/°C) représente les déperditions dues au fonctionnement normal des dispositifs de ventilation, notées 𝐃𝐑𝐯 . - 0.34xQ s en (W/°C) représente les déperditions supplémentaires dues au vent, notées 𝐃𝐑𝐬 . 2.2.11.2. DEBIT SPECIFIQUE DE VENTILATION : Le débit spécifique de ventilation 𝐐𝐕 est calculé par rapport au débit extrait de référence 𝐐𝐕𝐫é𝐟, qui est déterminé en considérant que la ventilation est générale et permanente. Une ventilation est dite générale (système de ventilation le plus courant) lorsque l’extraction de l’air vicié s’effectue dans les pièces de services (SDB, WC, salle d’eau et cuisine). L’aération est considérée permanente car l’enveloppe d’un bâtiment n’est jamais parfaitement étanche à l’air. La détermination de débit spécifique de ventilation s’effectue de la même manière quel que soit le système de ventilation. En effet, ce débit est lié principalement aux exigences d’hygiène.

Le débit spécifique de la ventilation 𝐐𝐕 pour un logement est donné par la relation suivante [1] : 𝐐𝐕 = 𝐌𝐚𝐱 [𝟎. 𝟔 X 𝐕𝐡 ; 𝐐𝐯𝐫é𝐟 ]

(𝒎𝟑 /𝒉)

2.16

Où :

23

- Vh en (𝑚3 ) désigne le volume habitable. - Q V désigne le débit extrait de référence On admet qu’en hiver les dispositifs de ventilation calculés pour permettre un taux de ventilation de l’ordre de 0.6 fois le volume habitable par heure répondent aux exigences contradictoires de confort thermique, d’hygiène et d’économie d’énergie [1]. Le débit extrait de référence 𝐐𝐯𝐫é𝐟 est donné par la formule suivante : 𝐐𝐯𝐫é𝐟 =

𝟓𝐐𝐕𝐦𝐢𝐧 + 𝐐𝐕𝐦𝐚𝐱 𝟔

(𝒎𝟑 /𝒉)

2.17

Où : - Q Vmin est le débit extrait minimal de référence. - Q Vmax est le débit extrait maximal de référence. Le débit extrait de référence est égal à la valeur pondérée par rapport au temps d’un débit extrait maximum de référence établi 4h par jour, et d’un débit extrait maximal de référence établi le reste du temps [1]. Les valeurs du débit extrait minimal de référence 𝐐𝐕𝐦𝐢𝐧 en fonction du nombre du logement, sont données dans le tableau suivant :

Tableau 2.7 : Débit extrait minimal de référence [1] Le débit extrait maximum 𝐐𝐕𝐦𝐚𝐱 est la somme des débits extrait de chaque pièce de service de logement, dont les valeurs sont données dans le tableau suivant :

24

Tableau 2.8 : Débit extrait maximum [1] 2.2.11.3. DEBIT SUPPLEMENTAIRE PAR INFILTRATION DUE AU VENT : Le débit supplémentaire par infiltration due au vent est donné par la relation suivante : 𝐐𝐒 = ∑(𝐏𝐏𝐢 𝐱 𝐞𝐕𝐢 )

(𝒎𝟑 /𝒉)

2.18

Où : - PPi est la permeabilite à l’air de la paroi i sous une différence de pression ΔP=1 (Pa). - eVi est le coefficient adimensionnel d’exposition au vent affecté à la paroi i. La perméabilité d’une paroi i 𝐏𝐏𝐢 est donnée par la relation suivante : 𝐏𝐏𝐢 = ∑(𝐏𝟎𝐣 𝐱 𝐀𝐣 )

(𝒎𝟑 /𝒉)

2.19

Où : - P0j en (𝑚3 /ℎ. 𝑚2 ) sous ∆ P = 1(Pa) est la perméabilité surfacique à l’air de l’ouvrant j c'est-à-dire le débit d’air traversant 1(𝐦𝟐 ) de paroi sous une pression ∆ P = 1(Pa) ; les valeurs de P0 pour les ouvrant courant sont regroupées dans le tableau suivant :

25

Tableau 2.9 : Perméabilité surfacique à l’air [1] Le coefficient d’exposition au vent 𝐞𝐕 est tiré du tableau suivant :

Tableau 2.10: Coefficient d’exposition au vent [1] La hauteur H correspond à la moyenne de la distance entre le sol et la mi-hauteur des ouvrants de la paroi considérée. Les classes de rugosité du site d’implantation du bâtiment sont définies ci-dessous : - Rugosité de classe I : bord de mer. - Rugosité de classe II : rase campagne, aéroport. - Rugosité de classe III : zone rurales avec arbre, haies, zones faiblement urbanisées. - Rugosité de classe IV : zone urbaines ; zones industrielles ; forets. - Rugosité de classe V : centre des grandes villes.

26

Le coefficient d’exposition au vent caractérise le rapport entre de débit d’air pour la différence de pression due au vent, et le débit d’air dû aux infiltrations pour une différence de pression de 1 pascal [1]. 2.2.12. DEPERDITIONS PAR TRANSMISSION A TRAVERS LES PAROIS EN CONTACT AVEC LE SOL

Les déperditions Dsol pour un plancher, sont données par la formule : Dsol = k s xp

(W/°C)

2.20

Où : -

P

en

-

k s en

(m) est le périmètre intérieur (W/m.°C)

est le coefficient de transmission linéique dont les valeurs sont

données dans le tableau suivant :

Tableau 2.11 Les valeurs des coefficients k s sont données en fonction de la différence niveau, notée z (Figure 2.3).

Figure 2.3 : Ks La formule (II.20) tient compte des déperditions surfaciques à travers les parties courantes des parois en contact avec le sol, ainsi que déperdition à travers les ponts thermique.

27

2.2.13. CALCUL DE LA PUISSANCE DE CHAUFFAGE La puissance de chauffage nécessaire pour un logement est donnée par : 𝐐 = (𝐓𝐛𝐢 − 𝐓𝐛𝐞 ) × [(1+Max (𝐂𝐫 , 𝐂𝐢𝐧 )) × 𝐃𝐓 + (𝟏 + 𝐂𝐫 ) × 𝐃𝐑 ] (W)

2.21

Où : Q : Puissance de chauffage, (W) Tbi : Température intérieure de confort, (°C) Tbe :Température extérieure de base, (°C) Cr ∶ Ratio estimé des pertes calorifiques dues au réseau de tuyauteries. Cin : Coefficient de surpuissance. DR : Déperditions renouvellement d’air, (W/°C) DT : Déperditions par transmission, (W/°C) Le coefficient Cin prend les valeurs suivantes : - 0.10 en cas de chauffage continu, - 0.15 en cas de chauffage discontinu, et dans le cas d’une construction dont la classe d’inertie est « faible » ou « moyenne », - 0.20 en cas de chauffage discontinu, et dans le cas d’une construction dont la classe d’inertie est « forte ». Le coefficient Cr prend les valeurs suivantes : - 0 pour les installations de type « chauffage individuel », - 0.05 pour les installations de type « chauffage central » des lesquelles toutes les tuyauteries sont calorifugées, - 0.10 pour les installations de type « chauffage central » des lesquelles toutes les tuyauteries sont calorifugées seulement dans la zone non chauffée, - 0.20 pour les installations de type « chauffage central » dont le réseau de tuyauteries n’est pas calorifugé. 2.2.14. CALCUL SIMPLIFIE DES DEPERDITIONS THERMIQUES Les estimations de puissance de chauffage nécessaire sont données à titre estimatif [12]. Vous trouverez ici une méthode simple pour le calcul de la puissance nécessaire par m3 pour votre 28

logement, Tableau 2.12. Dans la pratique on installe entre 25 W/m3 (appartement entouré de voisins chauffés) à plus de 60 W/m3 pour un atelier à verrière mal isolée, le chiffre moyen est de 40 W/m3 [12] : Zone Méditerranéenne

Isolation forte W/m3 35

Isolation moyenne W/m3 40

Isolation faible W/m3 45

Tableau 2.12 : Puissance nécessaire par m3 [12] 1 Définissez le nombre de watt par mètre cube nécessaire pour votre habitation. 2 Pour chaque pièce mesurez son volume en mètres cube. 3 Multipliez le volume (m3) par le nombre retenu (Watt/m3) pour obtenir pour chaque pièce le nombre de watts nécessaires. 4 Appliquez un coefficient multiplicateur Retirer 20 % pour les appartements entourés de voisins chauffés. Retirer de 5 à 10 % pour les chambres et les pièces ensoleillées. Ajouter 10 % pour les salles de bains. Ajouter de 5 à 15 % pour les pièces à grandes surfaces vitrées ou les pièces situées au nord. Ajouter 10 % par tranche de 500 m d'altitude. Cette méthode est donnée à titre indicatif ! 3. ISOLATION THERMIQUE DE L’HABITAT L’isolation thermique sert à protéger les habitations de l’environnement extérieur en diminuant les déperditions thermiques et surtout la facture de chauffage. Les locaux peuvent être isolés thermiquement de l’environnement extérieur par l’installation de l’isolant thermique de l’intérieur ou de l’extérieur des parois en contact avec l’air extérieur. 3.1. NOTION DE CONFORT PAR L’ISOLATION THERMIQUE Il ne faut pas dire que pour des difficultés financières qu’après tout il est peut-être plus rentable de dépenser par petite dose, un peu plus de chauffage, que d’investir de gros frais dans une entreprise d’isolation thermique. Or il faut savoir que le meilleur confort ne peut obtenir que lorsque les plafonds ont moins de 2°C de différence avec l’atmosphère du local, et les murs moins de 3°C. Cela veut dire qu’une pièce chauffée à 24°C dont les murs sont à 10°C est beaucoup moins confortable qu’une pièce chauffée à 18°C dont les murs sont à 15°C, surtout lorsqu’on est assis, couché ou simplement inactif, Deutch [5], Figure 3.1. Il faut noter aussi que l’isolant thermique peut diminuer beaucoup la pollution acoustique. 29

Figure 3.1 : Emplacement de l’isolant thermique. L’isolation thermique par l’intérieur permet d’avoir une température constante. D’autre part l’isolant thermique reste chaud, ce qui supprime le phénomène de condensation à l’interface. Les inconvénients de ce type d’isolation sont la diminution du volume habitable et les travaux effectués à l’intérieur du bâtiment. L’avantage majeur de l’isolation thermique de l’habitat par l’extérieur réside dans le fait qu’elle nécessite aucune intervention à l’intérieur de l’habitat en ce qui concerne l’habitat déjà existant et surtout l’élimination des ponts thermiques (exemple : plancher avec l’extérieur), Figure 3.2.

Figure 3.2 : Elimination des ponts thermiques 3.2. CHOIX D’UN ISOLANT THERMIQUE Un isolant thermique est un matériau dont la première fonction est de permettre le maintien de température d’un milieu en limitant les pertes ou les apports thermiques avec l’extérieur. Un isolant thermique doit avoir une conductivité thermique

≤0,15kcal/m.h.°C (0.17W/m.°C).

Tout isolant thermique doit avoir : 1- conductivité thermique très petite 2- bonne résistance thermique 3- neutralité chimique 4- ininflammabilité 30

5- résistance aux insectes 6- masse volumique très petite (problème de charge sur les appuis) 7- perméabilité à la vapeur qui doit être mauvaise car la conductivité thermique augmente avec l’humidité. Il existe trois grandes familles d’isolants thermiques : a- Fibreux, tel que la laine de verre et les laines minérales ont la caractéristiques 1, 2, 3, 4 et 5 mais elles sont perméables à l’eau. Amiante a les caractéristiques 6 et 4 et il est un bon isolant thermique mais très dangereux à la santé. Fibres végétales sont très bons isolants thermique et phonique. b- Pulvérulents Perlite, vermiculite, silicate de calcium, magnésie et silice microporeuse ont la caractéristique 4. c- Cellulaire Liège qui très bon isolant Roche volcanique qui est bon isolant de 700 à 800°C, mais il présente un problème sérieux puisque son volume augmente de 20 fois quand il dévient chaud. Polystyrène, polyuréthane, sont des bons isolants thermiques. ils sont légers et inflammables et de faible résistance mécanique. 3.3. FABRICATION DES ISOLANTS THERMIQUES Les isolants thermiques sont des matériaux fibreux ou cellulaires. A l’intérieur des cellules se trouvent des gaz. Les gaz emprisonnés et immobiles ont de conductivités thermiques très faibles, Figure 3.3. A titre d’exemple, dans les conditions normales de température et de pression : air

= 0,023 W/(m.K)

fréon =

0,008 W/(m.K)

31

Figure 3.3 : Isolant thermique Un isolant thermique est fabriqué en effectuant une expansion du matériau de telle manière que ces cellules qui prennent naissance soient remplis de gaz (air, fréon, hydrogène sulfuré, etc.). Il est obligatoire d’avoir des pores fermés. Les conductivités thermique de quelques isolants sont données en kcal/(h.m.°C). Fibres minérales

0,035

Laine de verre

0,030

Liège expansé pur

0,037

Polystyrène

0,025 à 0,038 suivant la masse volumique

Polyuréthane

0,025 à 0,028 suivant

Phénolique

0,038

Mousse de verre

0,043 à 0,054

Matières plastiques alvéolées

0,023 à 0,036

4. RADIATEURS Le radiateur est un échangeur de chaleur air-eau, il compense les pertes thermiques perdues de local à l’extérieur. Dans le cas de chauffage à eau chaude, le radiateur transfert la plus grande partie de la chaleur par convection thermique. 4.1. TYPE DE RADIATEURS Cinq critères sont à retenir : économie, esthétique, confort, emplacement et enfin encombrement. L’acier chauffe vite, refroidit vite, mais n’est pas cher ; par contre la fonte est longue à chauffer, mais conserve la chaleur, le prix d’achat étant relativement plus onéreux. La fonte d’aluminium présente les mêmes avantages que l’acier et la fonte, sans en avoir les inconvénients, Deutsch 32

[5]. On choisira de préférence des radiateurs en acier, à la libération immédiate de chaleur, lorsque les lieux à chauffer sont occupés par intermittence. Le radiateur doit être situé, le plus près des endroits par où pénètre le froid. Autrefois, on considérait que le meilleur emplacement était toujours sous la fenêtre ; mais depuis, des études ont fait apparaître que, fixé sous une fenêtre non doublée (c'est-à-dire sans double vitrage), le rendement était moins bon que placé à côté. Nous vous conseillons donc, étant donné que c’est le plus souvent sous les fenêtres qu’un radiateur est le moins gênant, d’équiper celles-ci d’un double vitrage, ne serait-ce d’ailleurs que dans un souci louable d’économie d’énergie. Le dégagement de chaleur étant fonction, à parts égales, de la longueur, de la hauteur et de l’épaisseur, il est possible, selon l’emplacement disponible, de jouer sur ces trois dimensions. En outre, il est préférable de poser deux radiateurs dès que la surface d’une pièce dépasse 15 à 20 m², Deutsch [5]. Pour bien comprendre les dimensions d'un radiateur, voici un schéma descriptif, voir figure 4.1 [12]. A. Hauteur du radiateur pieds compris c'est toujours la valeur indiquée dans nos différents tableaux, pour les radiateurs sans pieds c'est la hauteur d'utilisation normale. B. Entre-axe, distance entre les orifices bas et haut C. Profondeur du radiateur, en centimètre ou en nombre de colonnes D. Largeur d'un élément de radiateur, de 5 cm à 8 cm selon les modèles et les gammes E. Bouchons ou réductions des radiateurs, c'est là qu'on disposent les robinets et la purge. F. Largeur ou longueur du radiateur, elle est égale au nombre d'éléments du radiateur multiplié par la largeur de chaque élément et à laquelle on ajoute la largeur des bouchons et réductions qui viennent fermé le radiateur.

33

Figure 4.1 : Radiateur en fonte [12] Il suffit d'adapter la taille des radiateurs à la température d'eau fournie par l'équipement, en effet la puissance effective d'un radiateur dépend de la température de l'eau qui y circule et certains types d'équipements économes fournissent une eau moins chaude. L'augmentation nécessaire de la taille des radiateurs va de 20 % à 50 % selon l'équipement. La longueur d’un radiateur doit être comprise entre 0.5 m et 3.0m. Les radiateurs doivent être posés à environ 50mm du mur et à 100 mm du plancher. L’emplacement du radiateur doit être comme il est indiqué sur la figure 4.2, sur cette figure on constate que le pourcentage de transfert thermique par rayonnement thermique est d’environ 15%.

Figure 4.2 : Emplacement du radiateur 4.2. DIMENSIONNEMENT DES RADIATEURS A titre d’exemple, on vous donne la puissance des radiateurs plats en acier en kcal/(h.m de longueur), cela pour une température intérieure des locaux égale à 20 °C, Tableau 4.1. Hauteur (mm) Un rang I Deux rangs II

140 198 ---

200 272 456

300 386 640

400 498 815

500 605 985

600 710 1150

700 810 1310

800 910 1470

900 1010 1630

1000 1110 1780

Tableau 4.1 : Puissance d’un radiateur Pour avoir la puissance de radiateur (Tableau 4.1) en W/m, il suffit de multiplier par 1.16. 34

En général, il n’y aura pas de radiateur correspondant exactement au besoin calculé pour une pièce déterminée. On choisira dans la gamme de ceux offerts par le fabricant celui dont la puissance est légèrement supérieure aux calculs. 4.2.1. EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT DES RADIATEURS A titre d’exemple, vous voulez installer 2 radiateurs situés au-dessous de fenêtres, la hauteur disponible est de 50 cm, la largeur maximale de l'encombrement du radiateur de 110 cm, la puissance nécessaire dans la pièce est de 2800 W, vous préférez le modèle "lisse" de de catalogue de constructeur, Tableau 4.2 [12]. Définir la hauteur des radiateurs Vous disposez de 50 cm le modèle de 46 cm de hauteur est le plus adapté. Les éléments font de 5 cm de largeur. Définir la largeur des radiateurs Vous avez 110 cm de disponible au maximum, compte tenu de la présence de toute une série d'accessoires aux extrémités des radiateurs (bouchons, purges, raccords, coudes et robinets) vous ne pourrez disposer que d'un radiateur de 90 à 95 cm. Comme les éléments du modèle de 46 cm de haut font 5 cm, vous aurez un radiateur de 18 ou 19 éléments au maximum, soit pour 2 radiateurs 36 ou 38 éléments au total. Définir l'épaisseur des radiateurs Vous avez le choix d’une épaisseur de 3 colonnes qui font 90 W. 2800/90 = 31,11 éléments, ce qui convient bien dans la largeur disponible. Vous allez installer 2 radiateurs du modèle 46/3, 46 cm de hauteur, 3 colonnes d'épaisseur (11 cm) de 16 éléments chacun (2880 W) et d'une largeur totale accessoires compris de 100 cm environ. Définir le prix des radiateurs 32 éléments au prix de 560 DA par élément soit 17920 DA HT les 2 radiateurs.

Tableau 4.2 : Puissance et prix d’un élément d’un radiateur lisse en fonte En rouge puissance en Watt - En noir prix en x 10 DA hors taxes En vert hauteur pieds compris - En bleu épaisseur/profondeur en nombre de colonnes 35

4.2.2. DEUXIEME EXEMPLE DE DIMENSIONNEMENT DES RADIATEURS Le tableaux 4.3 à 4.5 est une récapitulation des radiateurs généralement disponibles. Nous les avons établis à partir d’un catalogue de fabricant [12]. Tableau 4.3 : Radiateurs en fonte d'aluminium Emission calorifique par élément Modèle du fabricant R660 R500 R350 R200

Hauteur 690 590 440 290

Dimensions en mm Epaisseur Largeur 100 80 100 80 100 80 150 80

Emission calorifique par élément 234W 180W 151 W 128W

Pour une pièce présentant une déperdition de 1760 W, on pourra choisir parmi les radiateurs suivants, Deutsch [5] : un radiateur acier 440-120 de 36 éléments un radiateur acier 600-120 de 26 éléments un radiateur fonte d'aluminium R 600 de 8 éléments (soit 234 W par élément) un radiateur fonte d'aluminium R 350 de 12 éléments (soit 151 W par élément). Dans le cas particulier de notre exemple (déperdition de 2140 W dans la cuisine, notre choix s'étant porté sur un radiateur acier, on choisira un radiateur de 26 éléments de hauteur 800 mm et de 95 mm d'épaisseur (2046 W) On reportera cette décision sur la partie réservée en bas et à droite de la fiche de calculs Type de radiateur : acier Nombre d'éléments : 26 Puissance du radiateur 2046 W De la Référence du fabricant 800/95/26 (ou selon catalogue).

36

Tableau 4.4 : Radiateurs en Acier

Calcul 1. Avec chaudière classique température 90°C 2. Avec chaudière à condensation température 60°C 3. Avec pompe à chaleur ou pile thermique 55°C, 1. Avec chaudière classique fonctionnement à 90°C avec un retour à 70°C. la température moyenne est de 80°C. La température intérieure désirée de, 20°C, le ΔT sera de : 80 – 20 = 60°C. 2. Avec chaudière à condensation fonctionnant à 60°C avec un retour à 50°C, la température moyenne est de 55°C, La température intérieure désirée de, 20°C, le ΔT sera de 55 - 200 = 35°C, 3. Avec pompe à chaleur ou pile thermique fonctionnement à 55°C avec un retour à 45°C, la 37

température intérieure désirée de, 20°C, le ΔT sera 50 -20 =30°C Tableau 4.5 : Coefficients de correction ΔT(°C) 20 30 40 50 60 70

0 0,25 0,42 0,60 0,80 1,00 1,21

1 0,27 0,44 0,62 0,82 1,02 1,24

2 0,29 0,46 0,64 0,84 1,04 1,26

3 0,30 0,47 0,66 0,86 1,06 1,28

4 0,32 0,49 0,68 0,88 1,08 1,30

5 0,33 0,51 0,70 0,90 1,11 1,32

6 0,35 0,53 0,72 0,92 1,13 1,34

7 0,37 0,55 0,74 0,94 1,15 1,37

8 0,39 0,57 0,76 0,96 1,17 1,39

9 0,40 0,58 0,78 0,98 1,19 1,41

Exemple : Le radiateur de 26 éléments 800 dégageant 2046 W avec une chaudière classique dégagera - Avec une chaudière à condensation 2046 x 0.51 = 1043 W - Avec une pompe à chaleur 2 046 x 0,42 = 860 W

5. TYPES DE CHAUFFAGE A EAU CHAUDE Chauffage par gravité (50 à 500 mm H2O). Ici, on s’intéresse aux grandeurs suivantes : d

r

(masse volumique eau chaude retour), et

H (hauteur de l’installation). Chauffage par pompe (1 à 4 m H2O). 5.3. CHAUFFAGE A EAU CHAUDE DISTRIBUTION PAR EN DESSUS

Ce type de chauffage a l’avantage d’avoir une charge motrice plus forte, une mise en service rapide et la cave reste froide. Par contre, cette installation a l’inconvénient d’avoir des pertes de charges élevées et l’installation très chère. 38

5.4. CHAUFFAGE A EAU CHAUDE DISTRIBUTION PAR EN DESSOUS Pour cette installation, le collecteur est posé à la cave.

5.3. CHAUFFAGE A EAU CHAUDE

DISTRIBUTION PAR EN DESSUS (SYSTEME A UN TUBE)

5.6 CHAUFFAGE A EAU CHAUDE : SYSTEME HORIZONTAL A UN TUBE

39

5.5. CHAUFFAGE D’ETAGE

6. DURETE DE L’EAU Les eaux de robinets tout en étant potables, sont souvent chargées en sels de Calcium et de Magnésium constituant la dureté de l’eau. La solubilité de ces sels diminue quand la température de l'eau augmente, et, au contact d’une paroi chaude, ils se déposent en formant une couche solide, adhérente, mauvaise conductrice de la chaleur : LE TARTRE, Deutsch [5]. La dureté de l'eau : c'est-à-dire la quantité de calcaire contenue dans celle-ci s’exprime en °TH (Titre Hydrotimétrique) 1 TH 10 mg/l de calcaire - si TH inférieur à 8°

eau douce = pas besoin de traitement

- si TH compris entre 8° et 15°

eau moyennement dure = besoin de traitement

- si TH compris entre 15° et 30°

eau dure = besoin de traitement

- si TH supérieur à 30°

eau très dure = besoin de traitement

Deux solutions : l'adoucisseur ou le traitement d'eau électronique. 6.1. ADOUCISSEUR Il a pour but, par un procédé dit (PERMUTATION SODIQUE) de retenir les sels de calcium et magnésium : c'est-à-dire d'éliminer la dureté de l'eau. Les ions calcium et magnésium (TH) sont fixés sur une résine échangeuse d'ions et permutés en ions sodium correspondants. REGENERATION : il s'agit de l'opération automatique réalisée périodiquement sur l’adoucisseur afin de la remettre en service, après épuration des résines (similaire à un dégivrage des résines). La fréquence de régénération, préréglable sur un adoucisseur automatique, varie en fonction de l'appareil choisi dans la gamme pour un problème donné, Deutsch [5]. 40

DETERMINATION : il est indispensable de connaître les éléments techniques suivants : - TH de l'eau brute ; - Consommation d'eau hebdomadaire ; - Débit instantané - Pression de service. 6.2. TRAITEMENT ELECTRONIQUE Cet appareil traite l'eau SANS MODIFICATION CHIMIQUE. Le taux de calcium et de Magnésium n'est pas modifié. L'eau ainsi traitée peut donc être consommée sans pue gardant intégralement tes sels minéraux. Cet appareil fonctionne uniquement avec de l'électricité donc sans consommation sel, Deutsch [5]. 7. CALCUL DES RESEAUX DE TUYAUTERIES La perte de charge dans un tronçon de tuyauterie est donnée par : P1 – P2 = R l +Z P1 – P2 : pertes de charge dans le tronçon L : longueur du tronçon R : Perte de charge au mètre courant

f v2 d 2

R f coefficient de frottement d : diamètre du tronçon v : vitesse d’écoulement masse volumique du fluide caloporteur

La perte de charge singulière notée z est donnée par la relation suivante : 2

v 2

Z

ζ : coefficient de forme de la résistance particulière La perte de charge par frottement est donnée par : R.l

m d

5

2

8 2

l

41

De l’équation précédente, on remarque que pour augmenter le débit d’une même conduite de 30%, il faut disposer d’une pression plus élevée de 69% ( P=f(m²)). On remarque aussi que l’influence du diamètre du tuyau est plus importante. La perte de pression varie avec la 5 ème puissance du diamètre (suivant l’importance de la perte de charge locale). 7.1. ETAPES DE CALCUL Il existe deux types pour le calcul du réseau de chauffage. Dans ce cas, le tracé du réseau est donné ; à savoir, les longueurs de tous les tronçons, les diamètres des tuyaux, le nombre et les caractéristiques des résistances particulières et la quantité de liquide à véhiculer par seconde. On cherche la perte de pression (calcul très simple). Dans ce type, on donne : le tracé du réseau, le nombre de résistances particulières, le débit et la chute de pression admissible P1 – P2 et on recherche les diamètres des tuyauteries. Le calcul ne peut se faire algébriquement en partant de l’inconnue « d ». la difficulté principale est que le coefficient de frottement f est fonction de la vitesse et de diamètre. 7.2. PERTES DE CHARGES ADMISSIBLES Genre d'installation réalisée Installation avec chaudière à combustion naturelle (charbon, bois, certaines chaudières à gaz ou à mazout). ou devant fonctionner partiellement en thermosiphon (1). Installation avec chaudière automatique et n 'ayant pratiquement aucun fonctionnement en thermosiphon.

Perte de charge admise en mm de CE/m de tube 2 à 5 6 à 16

1. En pratique, on installe plus de chauffage central fonctionnant uniquement par effet de thermosiphon. On adjoint toujours un accélérateur ou une pompe, plus ou moins puissant. Sans plus de précision, on choisira selon le cas des valeurs moyennes, soit 3,5 ou 4, soit 10. 7.3. CALCUL DE LA HAUTEUR MANOMETRIQUE La hauteur manométrique approximative d'une installation se détermine de la façon suivante : a) S'il y a par exemple 45 mètres de tuyauterie (aller et retour) jusqu'au radiateur le plus éloigné, car c'est en pratique, dans une installation simple, celui qui crée la perte de charge totale la plus élevée, Deutsch [5]. Les manuels de chauffage central vous diront qu'il faut prendre en considération le radiateur le plus «défavorisé». Pour une installation fonctionnant automatiquement au gaz, la perte de charge dans la tuyauterie sera égale à : 10 (valeur moyenne) x 45 = 450 mm 42

b) Pour tenir compte des pertes de charge dans la chaudière, les radiateurs, les coudes, les raccords, la robinetterie, on majore habituellement ce résultat de 50 %. Pour l'exemple, on obtient 450 + 50 % de 450 = 675 mm Cette hauteur manométrique devra être vaincue par l'accélérateur ou la pompe. 7.3.1. DIAMETRE DE LA TUYAUTERIE AU DEPART DE LA CHAUDIERE Il est bien évident que le diamètre des tuyaux devra être suffisant pour laisser circuler le volume d'eau chaude nécessaire pour pallier les déperditions d'énergie dans l'ensemble du local, et ce à une vitesse déterminée par la pression exercée par l'accélérateur et suffisante pour vaincre la perte de charge, Deutsch [5]. Pratiquement, les deux tableaux ci-après, utilisés successivement, permettent de déterminer le diamètre des tuyaux à utiliser au départ de la chaudière. On obtient la valeur de J de la perte de charge par mètre de tube, en fonction de la hauteur manométrique à vaincre et de la longueur de la tuyauterie. Ainsi, pour notre exemple : a) On cherche tout d'abord la colonne correspondant à la pression motrice nécessaire pour vaincre la hauteur manométrique, soit 0,8 m (colonne immédiatement supérieure à 0,675 m). b) En regard de 44 m (très proche de 45 m, longueur aller-retour de la tuyauterie jusqu'au radiateur le plus éloigné), on lit J = 12. Tableau 7.1 : Hauteur manométrique Hauteur manométrique (pression nécessaire en mètres de colonne d’eau) J

0,

0,3

0,4

0,5

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

10

13

16

20

26

0

3

7

0

5

67

89

11

13

0 83

1,8

2

17

22

26

3

8

2

7

10

13

16

0

3

80

2,2

2,4

2,6

20

23

26

7

0

4

7

10

13

16

18

21

24

26

7

3

0

7

3

0

7

89

11

13

15

17

19

1

3

2

2

95

11

13

4 10

2,8

21

22

24

26

1

0

8

8

7

15

17

19

21

22

24

26

3

2

2

1

0

8

8

7

11

13

15

16

18

20

21

22

3

3,5

2 2 3 4 5 6 7 8

67 45 34 27 23 19

50 40 33 29 25

67 53 45 38 33

67 56 48 42

67 57 50

76 67

83

25

43

1

20

27

33

40

53

66

0

7

3

0

7

4

0

7

3

0

80

93

10

12

13

14

16

17

18

20

23

7

0

3

7

0

3

6

0

3

89

10

11

12

13

14

15

16

19

0

1

3

3

5

5

7

4

86

95

10

11

12

13

14

16

5

4

4

3

3

7

92

10

10

11

12

14

0

8

7

5

6

89

96

10

11

13

3

1

0

0 1

22

28

33

44

56

67

78

2 1

24

29

38

48

57

67

76

4 1

21

25

33

42

50

58

67

75

84

6 1

22

30

37

45

52

59

67

74

82

8

Longueur réelle du circuit aller et retour en mètres alimentant le radiateur le plus éloigné de la chaudière

On obtient le diamètre de la tuyauterie (en cuivre) à choisir en fonction de la valeur J de la perte de charge obtenue par le tableau 7.1 (Hauteur manométrique) et du débit calorifique à assurer Tableau 7.2. Pour notre exemple a) Sur la ligne correspondant à 12, on choisit la colonne correspondant à 20580 W (valeur immédiatement supérieure aux 20000 W assurés par la chaudière). b) Dans la colonne correspondante, en haut, on lit 26/28 ; ce sera le diamètre de la tuyauterie en cuivre à utiliser (au départ de la chaudière). Vous remarquerez que le débit calorifique assurera une chute d'environ 15°C entre le départ et le retour de l'eau chaude. C'est la norme communément admise. Tableau 7.2 :Diamètre des tuyauteries en cuivre J

10/12

12/14

14/16

16/18

18/20

20/22

26/28

30/32

36/38

2

530

880

1360

1950

2650

3480

7320

10810

17440

3

690

1110

1740

2440

3360

4530

9420

13600

22320

4

800

1300

2050

2930

4010

5230

10890

15700

26160

5

900

1470

2300

3310

4710

6100

12210

17960

29650

6

1010

1650

2580

3570

4960

6620

13780

20060

32790

7

1110

1820

2790

4180

5580

6970

14820

22570

34890

8

1220

1910

2960

4360

6020

6680

16100

23840

39250

10

1390

2230

3390

4880

6620

8720

17960

26510

43720

12

1470

2440

3830

5230

7500

9590

20580

29300

47970

14

1620

2650

4260

6020

8190

10560

22320

31860

52330

16

1740

2930

4530

6450

8720

1l350

24070

34890

56690

18

I880

3140

4800

6970

9600

12210

25290

37560

61050

Débit calorifique maximal en watts pour une chute de 15°C entre départ et retour chaudière

A noter que :

44

Si J est compris entre 2 et 5, il y’a un léger effet de thermosiphon (nous l’avons déjà signalé) à une vitesse inférieure à 0,50 m/s. Si J est égal ou supérieur à 16, il y’a risque de bruit dans la tuyauterie ; on ne peut prendre de telles valeurs de J que si la chaudière est installée en chaufferie.

7.3.2. DIAMETRE DE LA TUYAUTERIE EN COURS DE CIRCUIT Les radiateurs étant successivement montés en parallèle sur le circuit (voir Figures 7.1 à 7.2), à chaque fois qu'un radiateur sera franchi, il y aura moins d’énergie à fournir aux radiateurs restant à alimenter. Moins d’eau circulant dans le circuit, le diamètre des tuyaux pourra être réduit, Deutsch [5]. La réduction à apporter se détermine avec facilité grâce au tableau (hauteur manométrique) en fonction de la même valeur J.

Figure 7.1 : Installation de chauffage dans un appartement ou un étage [12] Dans le cas d'un montage différent, en dérivation, il est tout aussi facile de calculer les diamètres en partant du dernier radiateur, en remontant vers le point de dérivation.

Figure 7.2 : Installation de chauffage dans une villa (RDC + Etage) à la sortie du premier : J = 12 20000 – 3000 = 17000 Ф = 26/28 (sans changement) à la sortie du deuxième J = 12 17000 – 2600 =144400 Ф = 26/28 (sans changement) à la sortie du troisième 45

J = 12 14400 – 3000 = 11400 Ф= 26/28 (sans changement) A partir de notre exemple (total 20 000 W), si le premier radiateur a une puissance de 3000 W, le second de 2600 W et le troisième de 3 000 W, nous devons utiliser : Ainsi avec R6 = 3000 W, R5 = 2500 W, on aura entre R5 etR6 : J=12 3000W Ф=14/16 Et entre R4 et R5 : J=12 3000+2500 W Ф=18/20 Nota : Il est bien évident qu'on aura intérêt à calorifuger tout ou partie des tuyaux, surtout s'ils traversent des pièces non chauffées. 7.3.3. CHOIX DE L’ACCELERATEUR Nous ne traiterons ici que du choix de l’accélérateur, l’emploi d’une pompe étant réservé, soit aux installations plus puissantes que celles que nous envisageons d’installer, soit aux installations comportant une pompe incorporée à la chaudière, Deutsch [5]. Le choix de l'accélérateur ou de la pompe est fonction du débit à obtenir et de la hauteur manométrique de l'installation (Figures 7.3. et 7.4). Le débit (en litres/heure) est égal au quotient de la puissance de la chaudière (exprimée en kilocalorie/heure) par la chute de température de l’eau entre le départ et le retour. Par exemple, pour une installation de 23.2 kW et une chute de température de 15°C, le débit doit être de 23,2 x 860 = 19952 = 1330 l/h 15

15

La hauteur manométrique, nous la connaissons pour l’avoir calculée pour la déamination du diamètre des tuyaux. La pression motrice exercée par l’accélérateur devra lui être au moins égale.

46

Figure 7.3 : Accélérateur

Figure 7.4 : Choix d’un accélérateur [12] Pour notre exemple, nous choisirons un accélérateur donnant 1330 l/h à 0.675 m environ. Vous multipliez par 860 pour transformer les kilowatts en kilocalories/heure. 7.3.4. ROBINETS THERMOSTATIQUES Les robinets thermostatiques sont des régulateurs individuels et autonomes de température ambiante. Un robinet thermostatique consiste en un élément thermostatique et un corps de vanne. A l'intérieur de l'élément il y a un soufflet contenant un liquide (Figure 7.5). En cas, par exemple, de température ambiante croissante, un peu du liquide s'évapore. La vapeur comprime le soufflet et la vanne réduit l’apport d'eau chaude du radiateur. Si la température de la pièce diminue, c'est le processus inverse qui a lieu. Un peu de la vapeur redevient liquide. Le soufflet 47

est alors repoussé par un ressort et la vanne s'ouvre, Deutsch [5]. Il existe deux types : modèle équerre 0 3/8, 0 1/2, 0 3/4 et modèle droit 0 3/8,0 1/2, 0 ¾. Le raccordement se fait par le filetage 3/8,1/2 et ¾ ou un adaptateur pour montage tube cuivre (ou plastique) sans soudure.

Figure 7.5 : Robinet thermostatique 8.1. CHAUDIERES 8.1.1. GENERALITES Une chaudière est un appareil thermique où on brûle le combustible pour chauffer un fluide. Elle se compose d’une part d’une chambre de combustion dans laquelle des brûleurs projettent le combustible et où l’air nécessaire à la combustion est également admis sous pression. D’autre part, elle contient un serpentin de tubes entourant la chambre de combustion pour chauffer le fluide qui circule à l’intérieur des tubes. En plus du brûleur et de l’échangeur (chambre de combustion plus le serpentin), la chaudière comporte un grand nombre d’accessoires. Parmi ces accessoires, on cite : pompes, robinets, cheminée, etc. 8.1.2. CLASSIFICATION DES CHAUDIERES Les chaudières sont classées suivant les caractéristiques suivantes : 1- chaudière par condensation ou non Pcs (pouvoir calorifique supérieur) et Pci (pouvoir calorifique inférieur). 2- chaudière pour production d’eau chaude sanitaire ou pour production de vapeur d’eau 3- chaudière à tubes d’eau ou à tubes de fumée 4- chaudière à basse pression ou à haute pression 5- chaudière en fonte ou en acier 6- chaudière à mazout, gaz, bois, charbon, polycombustibles, etc. 7- chaudière à combustion naturelle ou forcée. 48

8.1.3. HISTORIQUE DES CHAUDIERES L’homme a utilisé des braseros au premier siècle de notre ère. Les braseros sont fabriqués en briques ou en terre (Figure 8.1). Le combustible utilisé était du charbon, bois, déchets d’animaux, etc.

Figure 8.1 : Braseros vers le 1er siècle Aux premiers siècles de notre ère l’homme a utilisé aussi des foyers dont la partie supérieure est recouverte par une tapie ou une table basse pour filtrer les fumées (Figure 8.2).

Figure 8.2 : Foyer vers les 1er siècles Au moyen âge l’homme a utilisé des foculus à trépied supportant un foyer ouvert où brûlait le bois (Figure 8.3).

Figure 8.3 : Foculus En 1686 Dalsme a utilisé un poêle à flammes renversées (Figure 8.4). Le poêle de Dalsme fonctionne en chauffant la partie supérieure 3 de manière à créer dans l’appareil un appel d’air dans le sens des flèches. A ce moment, on mettait quelques morceaux du charbon en 1, le feu 49

se communiquait à toute la masse du combustible sans pour cela que le sens du tirage soit modifié. La combustion est quasiment complète.

Figure 8.4 : Poêle de Dalsme La cheminée du Louvre est créée vers 1624 (Figure 8.5). Le foyer de cette cheminée est isolé contre le mur. Il se crée un mouvement d’air dans le sens des flèches. L’air se chauffe au contact de la paroi du fond du foyer. Dans cette chaudière une partie seulement de la chaleur est transmise.

Figure 8.5 : Cheminée du Louvre Au début du 19ème siècle, on a découvert les poêles à parois métalliques enveloppés d’une garniture réfractaire en terre cuite ou en faïences (Figure 8.6). La clef de tirage de ces chaudières a causé des drames par intoxication au monoxyde de carbone.

50

Figure 8.6 : Poêle en fonte Au début du 20ème siècle l’homme a utilisé pour la première fois des chaudières pour le chauffage central (figure 8.7). Les chaudières de chauffage central sont à feu continu. Il s’agit d’un système de chauffage de plusieurs locaux à partir d’un foyer unique. Le plus souvent, la combustion est à flamme horizontale, le feu est réglé automatiquement par un thermostat agissant sur une chaînette qui actionne le registre d’entrée d’air.

Figue 8.7 : Chaudière du chauffage central En plus de la chaudière du chauffage central, l’homme utilise aussi des chaudières murales (Figure 8.8). Ces chaudière fonctionnent au gaz, mazout, électricité, etc.

Figure 8.8 : Chaudière murale 51

A la fin du vingtième siècle, l’homme a utilisé la chaudière à haut rendement gaz. La meilleure façon de contrôler sans appareillage compliqué le rendement d’une chaudière reste de mesurer la température des fumées : plus elle est haute, plus les calories partent « réchauffer les petits oiseaux ». La chaudière à haut rendement produit les températures de fumées les plus basses (sauf les chaudières à condensation) cela se sent même sans thermomètre ! environ 120°C. Ces chaudières ont un rendement utile supérieur à 90 %. Plusieurs conceptions de chaudière : Chaudière avec un corps de chauffe à récupération totale. Chaudière avec deux corps de chauffe. Les gaz brûlés circulent au long de deux échangeurs, l’eau du circuit de chauffage qui a déjà été réchauffée une première fois dans le premier corps de chauffe l’est une seconde fois dans ces deux échangeurs. Elle n’ira chauffer les radiateurs qu’après avoir en fait été réchauffée deux fois mais avec une seule dépense d’énergie. Ces chaudières ont une isolation renforcée. Enfin ; il a utilisé les chaudières à condensation à gaz. Ces chaudières ont les mêmes caractéristiques que les chaudières à haut rendement avec en plus un échangeur. C’est au passage de cet échangeur supplémentaire que les gaz brûlés vident leurs dernières calories, en passant de l’état de gaz brûlés à celui de condensation en eau. 8.1.4. FOYERS ET BRULEURS Le matériel destiné à brûler le combustible est appelé foyer. Les installations actuelles sont des foyers à grilles pour le combustible solide (charbon) ou des foyers à chambre pour les combustibles fluides (gaz). Il existe deux types de brûleurs : i- Brûleurs à flamme blanche où seules les molécules du gaz en contact avec l’air brûlent. ii- Brûleurs à flamme bleue où les gaz et l’air sont mélangés avant la combustion. 8.1.5. CHOIX DE LA CHAUDIERE Pour choisir une chaudière, il faut connaître tout d’abord : i- le besoin calorifique global pour le chauffage du bâtiment à chauffer (calcul des déperditions thermiques).

52

ii- la quantité nécessaire de chaleur nécessaire pour satisfaire les besoins en eau chaude sanitaire. Le besoin total en chaleur est donné par : T

=

ch +

ECS

en W ou en kcal/h

8.1

où ECS=

me Cpe (Tc – Tf)

en W

8.2

avec Tc ≈ 60°C et Tf ≈10°C Les besoins journaliers en eau chaude sanitaire sont donnés dans le Tableau 8.1. Tableau 8.1 : Besoins en eau chaude Postes à desservir

Nombre de personnes vivant au foyer

Evier

1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6 1 ou 2 3 ou 4 5 ou 6

Lavabo + bidet Evier + lavabo + bidet Lavabo + bidet + douche Evier + lavabo + bidet + douche Lavabo + bidet + petite baignoire Evier + lavabo + bidet + petite baignoire Lavabo + bidet + grande baignoire Evier + lavabo + bidet + grande baignoire

Besoins journaliers en litres Journée normale Journée de forte utilisation (eau à 60°C) (fin de semaine) (eau à 60°C) 30 40 50 35 60 80 65 100 130 45 80 100 75 120 150 50 80 115 80 120 165 60 110 145 90 150 195

30 40 60 40 70 90 80 120 150 55 100 130 95 150 190 75 120 175 115 170 235 150 190 280 150 240 340

En tenant compte des pertes de chaleur par la tuyauterie placée dans des endroits non chauffés ou en contact avec des murs extérieurs, les besoins réels en chaleur qui doivent être fournies par la chaudière s’obtiennent par la formule suivante : N

=

T

(1 + ZR)

en W

8.3

où ZR : majoration due aux pertes calorifiques du réseau de tuyauteries.

53

-

pour les conduites protégées ZR = 0,05

-

pour les conduites moins protégées (en contact avec des murs extérieurs ou non calorifugées) ZR =0,10

Pour une chaufferie, on doit choisir un nombre de chaudières compris entre deux et quatre. La surface d’échange de chaudière est calculée par :

Sch où

N

1,1 à 1,2

en m²

8.4

densité du flux de chaleur fourni par une chaudière.

Pour toutes les chaudières, la surface d’échange totale est :

Sch

N i 1

Si

en m²

8.5

8.1.6. RENDEMENT D’UNE CHAUDIERE Le rendement d’une chaudière est le rapport entre la chaleur utile recueillie par l’installation de chauffage et de l’eau chaude sanitaire ECS à la chaleur fournie à la chaudière par la combustion du combustible : u

8.9

f

où : puissance utile recueillie par l’installation de chauffage f : puissance fournie par la combustion du combustible à la chaudière u

8.2. CHEMINEE 8.2.1. TIRAGE DE CHEMINEE La force de tirage d’une cheminée est créé soit par une ventilation mécanique ou par la différence de densités de l’air entrant en 1 (entrée de la chaudière) et sortant en 2 (sortie de fumée). Dans le cas de tirage mécanique, le choix du ventilateur est fonction du débit et de pression que l’on détermine compte tenu de la puissance et des caractéristiques de la chaudière. Dans le cas d’un tirage naturel, le débit et la pression varient en fonction des facteurs extérieurs, notamment les températures des fumées et de l’air extérieur (Figure 8.9). H=(

a

– f) h

en mmCE

8.6

avec, a

: masse volumique de l’air en kg/m3 54

f

: masse volumique des fumées en kg/m3

h : hauteur de la cheminée en m.

Figure 8.9 : Cheminée On remarque quand (

a– f)

augmente, le tirage de la chaudière augmente et la hauteur de

la cheminée diminue, ce que correspond à une température de l’air Ta plus petite et une température de fumée Tf plus grande. 8.2.2. SECTION DE CHEMINEE La section de la cheminée est donnée en fonction de la puissance de la chaudière et de la hauteur de la cheminée. La formule donnant la section de la cheminée pour une chaudière fonctionnant avec du mazout ou du charbon est : Sf

400000 h

en m²

8.7

en m²

8.8

pour les foyers surpressés

Sf

1,16 106 h

8.2.3. EXECUTION DE LA CHEMINEE Les cheminées doivent évacuer la totalité des gaz de combustion et provoquer l’admission de l’air extérieur au foyer de la chaudière. A titre d’exemple, on vous donne quelques exemples d’exécution de la cheminée (Figures 8.10 et 8.11).

55

Figure 8.10 : Exécution de la cheminée

56

Figure 8.11 : Défauts à éviter dans une cheminée 8.3. AMENAGEMENT DE LA CHAUFFERIE La chaufferie est le lieu où sont installées les chaudières. L’aménagement d’une chaufferie doit se faire en respectant la réglementation en vigueur. Dans le cas des chaudières en fonte, la hauteur de la chaufferie doit être égale à au moins 3 m. Pour les chaudières en acier, la hauteur de la chaufferie est égale à la hauteur de la chaudière plus 1,5 m. Les portes de la chaufferie doivent s’ouvrir à l’extérieur (Figures 8.12 et 8.13).

57

Figure 8.12 : Chaufferie avec une seule chaudière

Figure 8.13 : Chaufferie avec plusieurs chaudières Si la puissance de la chaudière est inférieure à 50 kcal/h, on peut installer la chaudière en cuisine, antichambre ou dans le balcon. L’installation d’une chaudière dans la salle de bain est strictement interdite.

58

Références [1] Document Technique Règlementaire. "Règlement Thermique des Bâtiments d’Habitation Règles de Calcul des Déperditions Calorifiques - DTR C3-2", Fascicule 1. CNERIB, Alger, 1998. [2] G. MENGUY. Transmission de la chaleur. Université Claude Bernard Lyon-1, France [3] H. RIETSCHELL et W. RAISS. Traité de chauffage et de climatisation, Tomes I et II. Dunod Edition, 1974, 676 p [4] G. PORCHER. Cours de climatisation : Bases de calcul des installations de climatisation. 7ème édition, Les éditions parisiennes CFP, 1993. [5] G. DEUTSCH. Chauffage Central. Edition Chihab-Eyrolles, 1996, 219p. [6] J.M. GUILLOU. Plomberie. Edition Chihab-Eyrolles, 1996, 135 p. [7] Ch. PESSEY. Chauffage et Climatisation. Edition La Maison Rustique, Flammarion. 2000. 128 p. [8] A. MISSENARD. Chauffage central. Technique de l'Ingénieur. Référence B170A , 1970 . [9] Ph. Ménard, J. Bossard, J. Hrabovski. Pratique du chauffage. Dunod, 2014, 250p. [10] H. Herr. Génie énergétique et climatique. Dunod, 2013, 576 p. [11] H. Renaud. Eau chaude & chauffage au gaz. Eyrolles, 2010, 68 p. [12] Alphamétal Recyclage Sarl. 6, rue Michelet 93100 Montreuil, France, http://www.radiateurfonte.com/radiateur-fonte.php

59

ANNEXES A1. COEFFICIENTS GLOBAUX D’ECHANGE DE CHALEUR K Dans ce tableau, on vous donne des valeurs moyennes du coefficient d’échange de chaleur global. K W/(m².K) Planchers, plafonds Plancher d’étage Plancher sur porte cochère Plafond d’étage Plafond sous grenier Sol sur cave Sol ciment sur terre-plein Sol carrelé

1.2 2.9 1.4 1.7 1.2 1.7 1.7

K W/(m².K) Plancher sur lambourdes (sur terre-plein) Plancher sur lambourdes (avec couche d’air) plafond planches de 27 mm porte porte en bois

0.7 0.6 2.2 3.5

K W/(m².K) Toitures Sur lattis Avec plafond et couche d’air Tuiles plafonnées Ardoises jointives Ardoises sur plafonnage Zinc sur voilages Zinc doublé sapin Carton sur voilages Fibrociment de 6 mm

5.7 1.9 3.5 2.9 2.4 2.6 1.7 2.6 5

Tableau A1.1

Tableau A1.2

60

A2. VALEURS DES RESISTANCES THERMIQUES 1-1. BRIQUES CREUSES

Tableau A2-1 1-2. Entrevous en béton ou en terre cuite

Tableau A2-2

61

A3. CARACTERISTIQUES THERMOPHYSIQUES DES MATERIAUX HETEROGENES

Tableau AII.1

62

EXEMPLE DE CALCUL Calcul du coefficient K d’un mur extérieur composé d’un doublage en briques, d’une lame d’air, enduit aux deux faces.

Lame d’air

e

Enduit plâtre, λ1 = 0.35W/m.°C ….….r1 = λ1 =0.02/0.35=0.057 (annexe 2) 1

Brique creuses, e2 = 10 cm ………......r2 = 0.20

(annexe 1)

Lame d’air, e3 = 5 cm ………………..r3 = 0.16

(Tableau 1-3)

Brique creuses, e4 = 15 cm …………..r4 = 0.30

(annexe 1)

e

Enduit mortier, λ5 = 1.15W/m.°C ..... r5 = λ1 =0.02/1.15=0.017 (annexe 2) 1

1

1

Résistances superficielles ………………………. h + h = 0.17 (Tableau 1-3) i

e

∑ R = 0.73 1 K

= 0.90 K = 1.11 W/m2 . °C

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A4.1. VALEURS DE LA TEMPERATURE EXTERIEURE DE BASE

Tableau A4-1

A4.2. VALEUR DE LA TEMPERATURE INFERIEUR DE BASE Maison individuelle, immeuble d’habitation…………………21°C

A5. POUVOIR CALORIFIQUE DES COMBUSTIBLES PCS Carburant Butane Propane Butane Propane Bois Fioul domestique Gaz de ville (méthane)

unité kg kg m3 m3 kg L m3

kWh 13,72 13,83 33,48 25,95 5,46 10,74 11,45

PCI MJ 49 50 121 93 20 39 41

kWh 12,61 12,79 30,75 23,95 5,11 10,06 10,35

MJ 45 46 111 86 18 36 37

Tableau A5.1

A6. QUANTITES D’ENERGIE ET CONVERSIONS kWh kWh kWh kWh kWh

3600 kJ 860 kcal 0.86 th 3412.14 BTU 8,62069 10-05 tep

BTU : British thermal unit. kWh : kilowattheure. th : thermie. kcal : kilocalorie. tep : tonne équivalent pétrole. 64

A7 : Propriétés physiques de quelques solides. Métal Acier (1%C) Acier Inox 18/10 Cuivre Titane Monel (70%Ni/30%Cu) Nickel 330 Aluminium Isolant Laine de roche selon la densité

Laine de verre selon la densité

T °C 18 100 100 500 20 300 20 20 500 20 300 20 300 20 100 200 20 100 200 20 100 200 20 100 200

kg/m3 7800 7800 7900 7900 8900 8900 4500 8900 8900 8900 8900 2700 2700 40 à 45 100 à 110 35 à 45 65 à 70

Cp J/kg.K

W/m.K

460.46 502.32 502.32 627.90 418.60 418.60 544.18 544.18 544.18 460.46 544.18 879.06 1004.64

45.348 44.883 16.279 21.511 383.717 366.275 20.930 22.093 22.093 61.627 54.651 203.486 232.556

837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20 837.20

0.040 0.058 0.093 0.035 0.048 0.067 0.036 0.050 0.074 0.040 0.048 0.053

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A8. SYSTEME DE CONVERSION D'UNITES LEGALES EN UNITES INDUSTRIELLES. Système International (Légale) Unité Valeur MKH

Système MKH (Industriel) Unité

Valeur S.I

Mètre

1m

Mètre

1m

Kilogramme

1 kg

Kilogramme

1 kg

Seconde

2.78 10-4 h

Heure

3600 s

Degré K

1 °C

°C

1K

m/s

3600 m/h

m/h

1/3600 m/s

Newton

0.102 kgf

kg force

9.81 N

Pascal

10-5 Bar

Bar

105 Pascal

Poiseuille (Pa.s)

10 Poise

Poise

10-1 Poiseuille

m²/s

104 Stokes (cm²/s)

Stoke

10-4 m²/s

m3/s

3600 m3/h

m3/h

2.78 10-4 m3/s

kg/s

3600 kg/h

kg/h

2.78 10-4 kg/s

kg/m².s

3600 kg/m2 .h

kg/m².h

2.78 10-4 kg/m².s

Joule

2.39 10-4 kcal

Kilocalorie

4186 Joule

Watt

0.86 kcal/h

kcal/heure

1.163 Watt

Joule/kg

2.39 10-4 kcal/kg

kcal/kg

4186 J/kg

Joule/kg.K

2.39 10-4 kcal/kg C

kcal/kg.°C

4186 J/kg.°C

Watt/m²

0.86 kcal/m².h

kg/m².h

1.163 W/m²

W/m.K

0.86 kcal/m.h.°C

kcal/m.h.°C

1.163 W/m.°C

W/m².K

0.86 kcal/m².h.°C

kcal/m².h.°C

1.163 W/m².°C

Mètre Kilogramme Heure : MKH 1kgf/cm²=0.981 Bar = 9.81 104 Pa =1 atmosphère

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