Les émetteurs de chaleur

Les émetteurs de chaleur
Étude comparée
Jean-Jacques BÉZIAN, Pierre BARLES,
Claude FRANçOIS et Christian INARD
sous la coordination de J-J BÉZIAN
du centre d’Énergétique de l’École des Mines de Paris
Les Presses de l’École des Mines
Paris
Cet ouvrage est le fruit d’un travail collectif coordonné par Jean-Jacques
Bézian du centre d’Énergétique de l’École des Mines de Paris, à Sophia
Antipolis.
Y ont participé :
Pierre Barles du département Ventilation et Climatisation du CETIAT à
Villeurbanne ;
Claude François du service Énergie, Environnement intérieur et
Automatismes du CSTB à Champs-sur-Marne ;
Christian Inard de l’équipe Équipement de l’Habitat du centre de
Thermique de l’INSA de Lyon, à Villeurbanne.
Il a été discuté, relu et corrigé par un comité de lecture, représentant
l’ensemble de la profession impliquée, tant dans le domaine de la
production d’énergie que de la climatique du bâtiment.
© École des Mines de Paris, 1996
60, Boulevard Saint-Michel, 75272 Paris cedex 06 FRANCE
email : [email protected]
http://www.ensmp.fr/Presses
ISBN : 2-911762-03-7
Dépôt légal : janvier 1997
Achevé d’imprimer en janvier 1997 (imprimerie Durand, Luisant)
Tous droits de reproduction, de traduction, d’adaptation et d’exécution
réservés pour tous les pays
AVANT PROPOS
UN TRAVAIL COLLECTIF
Cet ouvrage fait le point sur l’état des connaissances actuellement disponibles
au sujet des émetteurs de chaleur les plus répandus sur le marché du
bâtiment, tels que les convecteurs électriques, les radiateurs à eau, les
planchers et les plafonds chauffants...
Ces connaissances ont été acquises au sein du Groupe de Recherche sur les
Émetteurs de Chaleur (GREC) qui a agi, de manière concertée, pendant plus
de trois années, sous l’égide de l’Agence de l’Environnement et de la
Maîtrise de l’Énergie, (ADEME, ex AFME, Agence Française pour la
Maîtrise de l’Énergie).
Les résultats qui y sont présentés sont le fruit d’un travail collectif, mené par
8 équipes de recherche françaises, qui, à des titres divers, ont contribué, après
une analyse des informations disponibles, à développer des méthodes de
calculs et d’essais innovantes, à analyser le fonctionnement des systèmes, et à
émettre des recommandations d’usage.
Ces équipes dépendent d’organismes aux pôles d’intérêts parfois divergents,
représentant à la fois la recherche universitaire, des laboratoires, des centres
d’essais, des organismes professionnels ou gouvernementaux.
Il s’agit :
•
du CETIAT, Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques,
« Centre Technologique Industriel » selon la loi du 22 juillet 1948, dont
les ressortissants sont les entreprises qui construisent, en France, les
matériels de chauffage, ventilation... C’est le département Ventilation et
Climatisation, basé à Villeurbanne, qui a participé aux travaux du GREC.
•
du CoSTIC, Comité Scientifique et Technique des Industries Climatiques,
association selon la loi 1901, dépendant de la Fédération Nationale du
Bâtiment, qui regroupe l’ensemble des professions de ce domaine en
France. Son établissement de Digne les Bains a été acteur au sein du
GREC.
•
du CSTB, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, Établissement
Public à caractère Industriel et Commercial, qui mène, dans le domaine du
2
•
•
•
Les émetteurs de chaleur
bâtiment, trois types d’activité : la recherche, l’ingénierie de pointe et
l’évaluation de la qualité des produits de construction. Il assure aussi une
mission de diffusion des connaissances ainsi qu’une action de conseil
technique auprès des pouvoirs publics dans le domaine du bâtiment. Deux
de ses établissements, ont collaboré à ce travail, celui de Sophia Antipolis,
pendant les deux premières années, et de Champs sur Marne, tout au long
de la vie du GREC.
de l’École des Mines de Paris, École Nationale Supérieure d’Ingénieurs,
Établissement Public à caractère Administratif dépendant du ministère de
l’Industrie, dont la mission est de former des ingénieurs, dont une partie
de l’enseignement est enrichi par la recherche menée dans ses
laboratoires. C’est le centre d’Énergétique, par son établissement de
Sophia Antipolis, qui a été l’interlocuteur du GREC et en a coordonné les
actions.
de l’INSA de Lyon, Institut National des Sciences Appliquées, École
Nationale Supérieure d’Ingénieurs, dépendant du ministère de
l’Éducation Nationale, qui possède lui aussi de nombreux laboratoires
participant à la formation des étudiants par la recherche. Le centre de
Thermique de l’INSA de Lyon a participé, à travers son équipe
Équipement de l’Habitat, à l’ensemble des actions du GREC.
du LCIE, Laboratoire Central des Industries Électriques et du LNE,
Laboratoire National d’Essais, Établissements Publics à caractère
Industriel et Commercial ont, quant à eux, une mission principalement
axée sur la métrologie et les essais de sécurité, avec émission d’avis
normalisés sur la qualité des produits testés. Les interlocuteurs du GREC
étaient basés à Fontenay aux Roses (LCIE) et à Trappes (LNE).
Les actions de ces différents acteurs, définies de manière concertée,
approuvées par un comité scientifique, et un comité de suivi, ont été, pour la
plupart, cofinancées par l’AFME, puis par l’ADEME. Cependant, de
nombreux résultats utilisés, notamment sur les émetteurs électriques, sont
issus plus ou moins directement de travaux financés par la direction des
études et des recherches d’Électricité de France.
UNE ETAPE INDISPENSABLE
Cet ouvrage n’est pas le seul résultat concret des travaux du GREC. Ceux-ci
pourront aussi être valorisés par :
•
la mise à disposition d’un outil de conception permettant d’améliorer les
performances des divers émetteurs, tiré du modèle de simulation
développé ;
Avant propos
•
•
3
une information des milieux professionnels, grâce à des articles
spécialisés, des ouvrages didactiques pour les enseignants et les élèves ;
la révision de méthodes de calcul normatives ou réglementaires...
Il n’appartient pas aux laboratoires d’initier ces actions, qui devront être
prises en main par la profession, au sens large.
Cependant, cet ouvrage a été rédigé pour que tous les résultats capitalisés
après ces années de travail puissent être mis à la disposition de l’ensemble des
professionnels du bâtiment et du génie climatique, et, en particulier, des
bureaux d’études chargés de concevoir et de calculer les systèmes de
chauffage.
Il n’est pas définitif, car, dans un domaine aussi complexe et atypique qu’est
la thermique du bâtiment, on ne pourra jamais annoncer « la vérité
universelle ».
Par contre, il est indispensable, car de nombreux enseignements positifs ont
pu être tirés des trois années de recherche concertée, tant sur le
comportement des émetteurs eux-mêmes, que sur les interactions avec la
pièce et les écoulements d’air y régnant.
Si de nombreuses recommandations pratiques, à l’usage des concepteurs et
des installateurs, émaillent cet ouvrage, il n’est pas possible d’en tirer des
conclusions autres que celles qui y sont transcrites. Il faut notamment se
garder d’effectuer certaines comparaisons brutales, toujours réductrices, que
d’aucuns seraient tentés de faire entre tel et tel émetteur, en dehors du
contexte décrit ici.
De toutes façons, il n’existe pas, à l’heure actuelle, de critère pertinent et
universel de comparaison, mais le GREC, de la manière la plus objective
possible, dans la limite de ses moyens, a essayé de dégager des tendances, et
de « caractériser dans des conditions réalistes de fonctionnement,
l’efficacité énergétique de divers systèmes d’émission de chaleur ».
Ce document veut rester fidèle à cet objectif.
TABLE DES MATIERES
AVANT PROPOS...................................................................................... 1
Un travail collectif...................................................................................... 1
Une étape indispensable ............................................................................... 2
INTRODUCTION ...................................................................................... 5
Des objets mal connus................................................................................. 5
Quoi de plus répandu, de plus commun qu'un émetteur de chaleur ?.................. 5
Qu'est donc un émetteur ? ........................................................................ 6
Comment émet-il ?................................................................................. 6
Que savions nous, fin 1989, des émetteurs de chaleur ?.................................. 7
Un groupe de recherche spécifique .................................................................. 8
Quel plan de travail pour le GREC ?.......................................................... 8
Quels acteurs ont participé aux travaux ?................................................... 11
Quel fut l’environnement de travail ?........................................................ 12
LE CADRE DE L’ÉTUDE......................................................................... 13
Rappel des objectifs .................................................................................. 13
Un fonctionnement en régime dynamique................................................... 13
Un environnement plus proche de la réalité ................................................ 13
La notion d’efficacité énergétique.............................................................. 14
Les moyens expérimentaux......................................................................... 14
Le recalage des cellules d’essais................................................................ 15
La détermination du comportement des émetteurs ........................................ 15
Les essais de « validation » du modèle complet couplé................................ 15
Les émetteurs étudiés................................................................................. 16
Le convecteur électrique.......................................................................... 16
Le radiateur à eau .................................................................................. 16
Le panneau radiant................................................................................. 17
Le plafond rayonnant ............................................................................. 17
Le plancher chauffant............................................................................. 17
Le modèle de comportement........................................................................ 18
Modèle zonal........................................................................................ 18
Renouvellement d’air............................................................................. 19
Régime dynamique................................................................................ 19
Entrées, sorties du modèle....................................................................... 20
Les critères du confort................................................................................ 20
Qu’est le confort ?................................................................................ 20
Le profil GRES .................................................................................... 21
Les cas tests ............................................................................................ 22
Pourquoi des cas tests ? ......................................................................... 22
ii
Les émetteurs de chaleur
Les caractéristiques générales................................................................... 23
Les différents cas................................................................................... 24
La présentation des résultats........................................................................ 24
LE RADIATEUR À EAU .......................................................................... 27
Avertissement.......................................................................................... 27
Deux radiateurs à l’étude......................................................................... 27
Introduction............................................................................................. 27
Une grande famille ................................................................................ 27
Des formes variées ................................................................................ 27
Radiatif ou convectif ?........................................................................... 28
Une réglementation bien établie............................................................... 28
Un élément d’une boucle ........................................................................ 28
Toujours des évolutions... ...................................................................... 29
Le modèle de comportement........................................................................ 30
Les résultats du cas test pour le radiateur HT.................................................. 33
Les résultats du cas test pour le radiateur BT .................................................. 42
Conclusion : le radiateur à eau dans tous ses états........................................... 49
LE CONVECTEUR ÉLECTRIQUE ............................................................ 53
Introduction............................................................................................. 53
Simplicité dans le principe et l’emploi...................................................... 53
Différents types .................................................................................... 53
La sécurité........................................................................................... 54
Une régulation performante..................................................................... 54
Des évolutions sensibles ........................................................................ 55
Le modèle de comportement........................................................................ 55
Les résultats du cas test.............................................................................. 58
Conclusion : le convecteur électrique dans tous ses états................................. 68
LE PANNEAU RADIANT......................................................................... 71
Introduction............................................................................................. 71
Une définition très générale..................................................................... 71
Principes de fonctionnement.................................................................... 71
Les différents types ................................................................................... 72
Radiants/convecteurs, ou convecteurs radiants ?.......................................... 72
Radiants fermés : seule l’enveloppe chauffe ............................................... 72
Radiants ouverts : on voit la source chaude................................................ 72
Norme internationale et définitions........................................................... 73
Textes réglementaires............................................................................. 73
Tendances du marché ................................................................................. 74
Un produit « moderne » en fort développement.......................................... 74
Systèmes de régulation associés............................................................... 74
Table des matières
iii
Le modèle de comportement........................................................................ 74
Introduction ......................................................................................... 74
Le modèle statique................................................................................. 75
Le modèle dynamique............................................................................. 75
Le modèle zonal adapté........................................................................... 75
Les résultats du cas test.............................................................................. 76
Conclusion : le panneau chauffant dans tous ses états..................................... 85
LE PLAFOND CHAUFFANT.................................................................... 89
Introduction............................................................................................. 89
La chaleur qui vient d’en haut ! ............................................................... 89
Un principe de fonctionnement très rayonnant............................................. 89
Les différents types................................................................................ 90
Tout est prévu dans les textes réglementaires et normatifs............................. 90
Tendances du marché : plutôt pour le tertiaire............................................. 91
Régulation : une évolution vers des thermostats plus radiatifs....................... 91
Le MODÈLE DE COMPORTEMENT ......................................................... 91
Introduction ......................................................................................... 91
Le modèle statique................................................................................. 91
Le modèle dynamique............................................................................. 92
Le modèle zonal adapté........................................................................... 92
Les résultats du cas test.............................................................................. 94
Conclusion : le plafond chauffant dans tous ses états......................................102
LE PLANCHER CHAUFFANT ................................................................103
Introduction............................................................................................103
Un émetteur réparti...............................................................................103
Deux types de source de chaleur ..............................................................103
Une puissance disponible limitée ............................................................103
Le plancher chauffant électrique ..................................................................104
Un émetteur stockeur............................................................................104
Ou un émetteur « au fil de l’eau »..........................................................104
Une puissance souvent volontairement limitée...........................................104
Une mise en œuvre classique..................................................................105
Une régulation en boucle fermée .............................................................105
Un système en devenir ..........................................................................105
Le plancher chauffant à eau........................................................................106
Une réputation ternie ............................................................................106
Un chauffage basse température...............................................................106
Des matériaux innovants .......................................................................106
Plusieurs conceptions possibles..............................................................106
Un système en devenir ..........................................................................107
Le modèle de comportement.......................................................................108
iv
Les émetteurs de chaleur
Chaque plancher est unique ....................................................................108
Un modèle couplé en régime dynamique ...................................................108
Modèle zonal appliqué au plancher chauffant .................................................110
Renouvellement d’air............................................................................110
Le CAS TEST : définition, résultats, analyses..............................................111
Conclusion : le plancher chauffant dans tous ses états ....................................119
L’ÉTAT DES CONNAISSANCES APRÈS LE GREC..................................121
Les émetteurs localisés .............................................................................122
La consommation : quels écarts ?...........................................................123
La qualité d’ambiance, des comportements légèrement typés.........................126
Les émetteurs répartis...............................................................................132
La consommation : des résultats contrastés...............................................133
La qualité d’ambiance, une répartition confortable.......................................135
Les performances comparées des 6 émetteurs.................................................139
Les émetteurs en étage intermédiaire de bâtiments collectifs..........................140
Les émetteurs en bâtiments individuels à un niveau ....................................142
BIBLIOGRAPHIE ...................................................................................147
ANNEXE 1 : LES ACTEURS DU GREC...................................................149
ANNEXE 2 : LES CAS TESTS................................................................153
Généralités .............................................................................................153
Les sollicitations extérieures ..................................................................153
Le traitement du rayonnement visible.......................................................154
La sonde de régulation...........................................................................154
Les apports internes..............................................................................154
La ventilation......................................................................................155
Les occultations...................................................................................155
Le dimensionnement des émetteurs..........................................................155
Les dimensions des ouvrants ..................................................................155
Description des cas tests............................................................................155
Table des matières
v
INTRODUCTION
DES OBJETS MAL CONNUS
QUOI DE PLUS REPANDU,
DE PLUS COMMUN QU'UN EMETTEUR DE CHALEUR ?
Présents dans l'immense majorité des bâtiments, c'est par millions qu'ils
dispensent, en fonction de la météorologie, des besoins des usagers, et de la
source d'énergie disponible, la douce chaleur qui rend notre environnement
immédiat si douillet.
Au commencement était le feu, qui servait tant à chauffer nos lointains
ancêtres qu'à cuire leur alimentation et à les protéger contre les prédateurs
carnivores.
Alliée, très souvent, aux apports gratuits procurés par la proximité de
quelques têtes de bétail, cette technique fruste et grande consommatrice de
biomasse a perduré pendant plusieurs millénaires. La cheminée, parfois ornée
du blason de la caste, est restée pendant longtemps, et, même dans nos pays,
jusqu'à récemment, le centre de chaleur et de vie autour duquel on partageait
les longues soirées d'hiver, avant de rejoindre les chambres glacées.
Depuis, les progrès techniques apportent chaque jour, à chacun, du moins
dans la plupart des pays développés, plus de puissance énergétique
disponible. La demande permanente, en temps et en espace, de la continuité
dans le confort thermique peut être alors exaucée dans la plupart des
bâtiments.
La solution passe, le plus souvent, par un système de chauffage, interface
matérielle entre une énergie primaire (électricité, carburant) et notre propre
corps, qui a besoin d'un équilibre thermique pour son bien-être. Il est
composé, schématiquement, d'un générateur, d'un vecteur et d'un émetteur de
chaleur.
Nous avons ainsi, en entrée, une plus ou moins grande quantité d'énergie,
sous une forme ou sous une autre, et en sortie une ambiance plus ou moins
contrôlée, que l'on essaie de rendre toujours plus agréable à vivre. Pour un
6
Les émetteurs de chaleur
chauffage électrique indépendant par convecteur, les trois éléments sont
concentrés dans un même appareil, alors que pour un système à eau chaude,
l'émetteur vient en aval d'une chaudière et d'un tuyau. D'autres configurations
plus ou moins complexes existent sur le marché, mais globalement, on
retrouve toujours ces trois fonctions.
Énergie
Système de chauffage
Confort
Vecteur
Générateur
Émetteur
QU'EST DONC UN EMETTEUR ?
C'est l'élément d'un système de chauffage, qui, directement en contact avec
l'environnement à chauffer, permet au fluide caloporteur (eau ou air chaud,
électricité) de libérer l'énergie qu'il transporte. Il reçoit une certaine quantité
d'énergie, en distribue une partie vers sa zone d'influence (émission), en
utilise, en régime transitoire, une autre pour lui-même (inertie thermique), et
en laisse passer quelques quantités vers l'aval (efficacité d'échangeur).
COMMENT
EMET-IL ?
Tous les émetteurs de chaleur émettent par conduction, par rayonnement, et
par convection, les trois modes de transferts thermiques.
La conduction, directement par contact au sein d’un solide, gère localement
le transport à l'intérieur des émetteurs répartis (planchers, plafonds). Elle peut
aussi avoir lieu au travers de ponts thermiques, comme les supports de
radiateurs. Dans ces cas là, elle est souvent négligeable, toujours négligée. Par
contre, quand elle correspond aux pertes par l'arrière des émetteurs répartis,
elles-mêmes tributaires des conditions extérieures, elle est très fortement
combattue, par des isolations spécifiques.
Le rayonnement, qui se propage à la vitesse de la lumière, est le père
étymologique de familles entières d'émetteurs : la famille des rayonnants
(panneaux, plafonds...), la famille des radiants (ouverts, fermés...), et les
radiateurs eux-mêmes (à eau, à gaz, électriques...). Même si ces appellations
sont parfois abusives, car certains « radiateurs » n'émettent que pour 20 % par
rayonnement, ce mode d'échange peut constituer jusqu'à 60 %, voire plus, de
l'émission d'autres émetteurs. La caractéristique de ce type d'émission est qu'il
est « instantané », et que ce phénomène de surface s'instaure dès que deux
objets, en contact visuel, accusent le moindre écart de température.
Introduction
7
La convection est le mode de transfert privilégié de la plupart des émetteurs,
d'autant plus s’ils sont verticaux. Qu'elle soit forcée par un ventilateur ou
naturelle, elle agit directement sur la température de l'air, qui entraîne la
création de courants thermo aérauliques à l'intérieur de la zone à chauffer.
Les convecteurs lui doivent leur nom, mais elle est majoritaire dans la plupart
des bilans d'échange. Elle agit quand un fluide à une certaine température
(air) vient lécher une paroi plus chaude (émetteur). Ce n'est d'ailleurs qu'une
application pratique de la poussée d'Archimède, qui fait que l'air, échauffé au
contact de la paroi, plus léger, s'élève, et la pompe à convection est amorcée !
Qualitativement, on sait donc très bien comment fonctionne un émetteur de
chaleur, et cela a suffi aux quelques générations de chauffagistes qui séparent
le règne de la cheminée de l'avènement de celui du « chauffage central
délocalisé à régulation terminale optimisée thermostatiquement ». Dit
autrement, le « poids de la fonte » n'est plus une information suffisante pour
concevoir des installations modernes, capables de gérer en temps réel, avec le
meilleur rapport confort/coût, la demande d'usagers de plus en plus exigeants,
face à une météorologie toujours capricieuse, dans des bâtiments de plus en
plus variés.
QUE SAVIONS NOUS, FIN 1989, DES EMETTEURS DE CHALEUR ?
Vis-à-vis des produits industriels, fabriqués par millions d'exemplaires mais
dispersés en sous ensembles disparates, on connaissait bien, généralement de
manière empirique, leurs caractéristiques de comportement en régime
permanent dans des conditions d'essais très rigoureusement normalisées.
Cela permettait, néanmoins, par un calcul de la puissance de déperditions,
toujours effectué en régime permanent, de choisir, dans telle gamme
d'émetteurs, lequel installer. Avec deux biais :
•
On ne tient aucun compte de la dynamique, parfois très variable, des
émetteurs et de l'ensemble du système de chauffage. Ce point acquiert
d'autant plus d'importance que l'on pratique de nos jours une
intermittence presque systématique.
•
On ne connaît pas le comportement de l'émetteur couplé à son
environnement, tant au niveau des répartitions de températures qu'il
génère, que de la part émise par rayonnement, de l'influence du taux de
renouvellement d'air...
De plus, si les essais normalisés permettent, avec l'application systématique
d'un bon coefficient de sécurité, de choisir une puissance dans une gamme
d'émetteurs, le choix de cette gamme est très souvent imposé à l'usager, ou au
maître d'ouvrage, par les goûts personnels de l'architecte, ou le talent de
8
Les émetteurs de chaleur
persuasion du commercial de l'installateur local, quand ce n'est pas tout
simplement le coût brut d'investissement du système.
Quant aux systèmes construits à l'unité (cheminées, planchers chauffants...)
l'expérience de l'installateur, associée à quelques règles de dimensionnement
(calcul des déperditions...), permet de concevoir des installations la plupart
du temps satisfaisantes, bien que souvent épaulées par un chauffage
d'appoint, pris comme une assurance, mais pas toujours utilisé.
Alors, quelles sont les qualités spécifiques d'un convecteur électrique, d'un
plancher chauffant... ? Comment réagissent-ils à une brusque variation de
consigne ?
C'est à ces simples questions que le Groupe de Recherche sur les Émetteurs
de Chaleur (GREC) a tenté de répondre au cours des années 1990-1993.
Cet ouvrage vous fait maintenant part des résultats de ses réflexions.
UN GROUPE DE RECHERCHE SPECIFIQUE
Lorsque, en 1989, une nouvelle demande d'aide pour la construction d'une
nouvelle cellule d'essais, dédiée aux émetteurs de chaleur, est arrivée au
Service Habitat et Tertiaire de l'Agence Française pour la Maîtrise de
l'Énergie (AFME), il a été décidé de regrouper l'ensemble des efforts menés
dans le domaine par ses divers partenaires.
Un appel à idées a été lancé, les différentes équipes ont répondu, et une
réunion constitutive s'est tenue fin 1989, pour adopter le programme du
Groupe de Recherche sur les Émetteurs de Chaleur (GREC).
QUEL PLAN DE TRAVAIL POUR LE GREC ?
La première des actions à mener a donc été de mettre au point en commun
un programme ambitieux, mais réaliste, qui devait permettre, à terme, de
« caractériser, dans des conditions réalistes de fonctionnement, l'efficacité
énergétique de divers systèmes d'émission de chaleur ». Le terme était
initialement fixé à 3 années, auxquelles devait s'ajouter une année de travail
consacrée à la diffusion des connaissances acquises.
La caractérisation sous-entendait une meilleure appréhension des
phénomènes physiques participant à l'émission de chaleur, en régime
dynamique, non seulement pour comprendre le fonctionnement des
Introduction
9
différents émetteurs, mais encore pour se donner les moyens, ultérieurement,
d'en améliorer la conception.
Les conditions réalistes devaient rapprocher les calculs d'une configuration
d'utilisation plus courante que celle correspondant à une chambre d'essais en
régime permanent, tant en environnement qu'en commande régulation. En
fait, on espérait reproduire plus fidèlement le comportement d'un émetteur
dans une pièce d'habitation « normale ».
L'efficacité énergétique est le vocable utilisé pour tenter d'approcher la
notion de rendement d'émission, terme difficile à définir correctement. Cela
sous-entend une approche des coûts en énergie, alliée à la notion de qualité
d'ambiance créée.
Enfin, nous n’avons étudié que certains systèmes, car, dans les temps impartis,
et avec la force de travail disponible, nous ne pouvions les regarder tous.
Notre choix s’est porté sur les plus répandus, dans le présent et l'avenir
prévisible.
Pour tenter d'arriver à cet objectif, une démarche de travail a donc été mise au
point. Elle était basée sur 3 grands axes :
1 . Connaissance des émetteurs dans leur environnement : cette partie
correspond à la phase de recherche, et contient les essais et modélisations.
C'est sur elle qu'a porté l'essentiel des efforts du GREC, et elle a permis,
après un état des lieux initial, l'acquisition des connaissances, au travers
d'actions concertées.
2. Application à des configurations typiques de bâtiments : le but de cette
partie est d'essayer de caractériser le comportement des différents
systèmes dans différents environnements, grâce aux connaissances
acquises en (1). C'est à ce stade que l'on peut mieux comprendre le
comportement couplé d'un émetteur et de son environnement, tant en
qualité d'ambiance créée qu'en coût énergétique.
3 . Enquêtes sur les pratiques du terrain : cette étude doit permettre de
modérer les résultats de (2), en y introduisant le facteur "terrain".
1. CONNAISSANCE DES EMETTEURS DANS LEUR ENVIRONNEMENT
1.1 Définition des objectifs
Dans un premier temps, on a listé les objectifs de chaque organisme impliqué. A partir
d'une synthèse de ces objectifs, le GREC a délimité son propre champ de travail.
1.2 Recensement, typologie
10
Les émetteurs de chaleur
Il s'agissait de faire un recensement de tous les systèmes d'émission de chaleur, et de faire
l'état
des connaissances
actuelles
le domaine,
de connaître
diffusion...
Le GREC,
à partir de cette
étude, dans
a déterminé
des sujets
d'étudesleur
prioritaires.
1.3 Définition et choix des modèles
Dans un premier temps, cette tâche a consisté en un inventaire des modèles existants,
présentés de façon détaillée et uniforme par des fiches normalisées. Cela a permis une
mise en relation de ces modèles et des objectifs définis au 1.1, y compris sur les
problèmes de confort.
Le GREC a alors choisi en fonction des divers objectifs :
•
d'adopter des modèles existants ;
•
de développer, ou de créer de nouveaux modèles.
1.4 Les protocoles expérimentaux
Comment mesure-t-on ? Quelles mesures faisons-nous ?
Pour répondre à ces questions, il a fallu faire le point sur les diverses pratiques
opératoires. A partir de là, on a décidé, en fonction des objectifs, de la nécessité (ou non)
de développer de nouvelles méthodologies de mesures, en fonction des modèles choisis.
De plus, on a défini une base commune (noyau dur) de mesures, nécessaire sur tous les
bancs d'essais à des fins de comparaison.
1.5 Recalage des bancs d'essais
Pour pouvoir utiliser les résultats des essais d'autres laboratoires, il est nécessaire de
recaler les bancs d'essais entre eux. Cette tâche a consisté en la définition d'un cas de
référence sur un (ou plusieurs) émetteur(s). Après réalisation des essais, une comparaison
et un bilan des résultats obtenus ont été présentés.
1.6 Acquisition des données expérimentales
C'est la partie expérimentale du travail. Il s'agissait d'engranger le plus de résultats
possibles, compatibles entre eux, afin qu'ils puissent être exploités par les autres équipes.
L'ensemble des résultats a permis l'élaboration d'un catalogue de connaissances, sous
forme d'une base de données, sur les divers émetteurs.
1.7 Validation des modèles
Cette opération s'est déroulée en deux temps.
Tout d'abord, les modèles d'émetteurs ont été comparés aux résultats des essais effectués
en cellule. Puis, ils ont été confrontés à des expérimentations, en régime dynamique,
dans une même cellule, la cellule CIRCE du CoSTIC à Digne, avec des conditions
d'essais plus proches de celles rencontrées dans les bâtiments réels.
Cette phase a permis de clore l'action recherche du GREC.
2. APPLICATION A DES CONFIGURATIONS TYPIQUES DE BATIMENTS
2.1 Définition des cas types
Nous avons proposé :
•
des types de bâtiments à tester (habitat, tertiaire de bureaux) ;
•
des systèmes à y installer ;
•
des modèles de comportement.
Introduction
11
Cela a donné 7 cas très précisément définis.
2.2 Simulation
A partir des choix effectués en 2.1, les modèles validés en (1) ont été appliqués, pour une
séquence météorologique réelle, correspondant à une semaine froide de janvier en région
parisienne.
2.3 Bilans
La synthèse des simulations effectuées en 2.2, après examen de la cohérence des résultats
obtenus, est donc éditée dans cet ouvrage sous la forme de recommandations à l'usage des
divers utilisateurs potentiels.
3. ENQUETES : QUELLES PRATIQUES SUR LE TERRAIN ?
En interrogeant toutes les parties prenantes du domaine (maîtres d'ouvrage, usagers,
maîtres d'œuvre, installateurs...), il a été déterminé un état de la pratique des émetteurs,
tant sur leur utilisation, leur installation, leur dimensionnement, leur vieillissement,
l'attente des usagers...
Les résultats en terme de comportement, de pratiques, de confort, viennent en parallèle
compléter les résultats « théoriques » obtenus en 2.3. Chaque sous chapitre a intéressé
une ou plusieurs équipes, et leurs actions furent coordonnées par l'une ou l'autre des
parties prenantes. De même, une coordination générale du groupe de recherche a été mise
en place, afin d'harmoniser l'ensemble des travaux, de faire le lien avec des partenaires
extérieurs, en bref, d'animer le tout.
QUELS ACTEURS ONT PARTICIPE AUX TRAVAUX ?
Au nombre de 8, dépendant de 7 organismes différents, ils étaient déjà des
partenaires de l'AFME, et travaillaient déjà dans le domaine des émetteurs de
chaleur. Certains, de plus, se rencontraient régulièrement, pour faire le point
de l'état d'avancement de leurs travaux respectifs.
Aussi, ils n'ont pas eu de difficultés à intégrer cette structure fédérative, et y
ont tous participé, dans la limite de leurs moyens, avec une rare efficacité et
une excellente prise en compte du fait collectif. Ils ont été cités dans l’avant
propos.
Une fiche détaillée par établissement est consultable en annexe 1.
QUEL FUT L’ENVIRONNEMENT DE TRAVAIL ?
Le GREC s'est, dès le début de ces travaux, entouré de personnalités
extérieures compétentes, réunies au sein de deux comités : le comité de suivi,
et le comité scientifique.
12
Les émetteurs de chaleur
Le comité de suivi, réuni en moyenne deux fois par an, était composé de
représentants de l'ensemble de la profession, c'est-à-dire aussi bien les
producteurs d'énergie (AFME, A.S. FIOUL, EDF, GDF) que les syndicats de
fabricants de matériels (CMC, GIFAM, COCHEBAT), les bureaux d'études
(AICVF), les exploitants (FG3E, FNB, CoSTIC)... Son rôle a été multiple,
mais il a surtout servi d'intermédiaire entre les demandes du terrain, et les
offres des chercheurs. Il a donc permis d'orienter un certain nombre de
choix, été parfois un appui technique quant à l'adoption de telle ou telle
règle, et il a dans son sein, désigné le comité de lecture du présent ouvrage,
afin que celui-ci profite, au mieux, à l'ensemble de son lectorat potentiel.
L'importance du travail mené au sein du GREC a eu comme meilleur écho la
présence active et toujours constructive de tous les membres du comité de
suivi, prouvant, s’il en était besoin, tout l'intérêt que portent les « industriels »
aux travaux des chercheurs.
Le comité scientifique, quant à lui, était formé de chercheurs du CNRS, et
d'ingénieurs de l'AFME, d'EDF et de GDF, qui, bénévolement, en liaison
permanente avec l'avancée des travaux, ont pris de leur temps de travail pour
conseiller, discuter, proposer, adopter, guider le travail scientifique entre les
écueils, d'une part d'un académisme superbe mais inapplicable, et d'autre part
des simplifications abusives ou inefficaces. Ils ont été à la fois une caution
morale pour l'ensemble des chercheurs, une somme d'expériences
immédiatement exploitable, et des conseillers incisifs et toujours disponibles.
Les émetteurs de chaleur, archétype du sujet de recherche appliquée, ont
permis d'aborder aussi bien les problèmes théoriques liés à la dynamique du
transport d'un fluide, à la caractérisation d'un panache…, que les questions
relatives au positionnement d'un émetteur, ou au réglage de son heure de
relance, en liaison avec des professionnels de terrain.
Cette structure, qui a très correctement fonctionné, a rempli sans dérive excessive la majorité des objectifs qu'elle avait fixés. Des résultats, intéressant tant
les scientifiques que les professionnels, sont donc maintenant disponibles et la
perspective d'améliorer encore les connaissances dans le domaine est ouverte.
La convivialité qui s'est instaurée au sein du Groupe a permis la création
durable d'un réseau de recherche, qui continuera, de façon formelle ou
institutionnalisée, à être un lieu d'échange et de réflexion.
Tous y avons trouvé notre compte, et, nous l'espérons, nos lecteurs aussi.
LE CADRE DE L’ETUDE
RAPPEL DES OBJECTIFS
« Caractériser, dans des conditions réalistes de fonctionnement, l’efficacité
énergétique de divers systèmes d’émission de chaleur »
Pour arriver à cet objectif ambitieux, il a fallu mieux définir les limites de la
recherche, et les apports vis-à-vis de l’état antérieur des connaissances.
UN FONCTIONNEMENT EN REGIME DYNAMIQUE
Les règles de l’art, en matière de calcul de la puissance à installer, sont l’outil
principal de l’installateur de systèmes de chauffage depuis des générations.
Sous forme de règles de calcul, d’abaques, et de « coefficients de sécurité »,
elles ont, pendant longtemps et avec une énergie peu chère, largement rempli
leur rôle.
Maintenant, on peut avoir un système de chauffage intelligent, qui s’adapte
aux évolutions météorologiques, aux besoins variables, qui reste en tout
temps invisible et confortable, tout en consommant le moins possible. Il faut
donc dimensionner autrement, prendre en compte l’inertie thermique de
l’émetteur, l’intermittence des besoins de chauffage, s’adapter à la régulation
tout en évitant les trains de chaleur et les hétérogénéités thermiques locales.
Le GREC s’est donc attaché à mieux connaître le couplage, en régime
dynamique, de l’émetteur de chaleur avec son environnement, tout en
étudiant l’évolution des consommations et la qualité de l’ambiance créée.
UN ENVIRONNEMENT PLUS PROCHE DE LA REALITE
Dans le bâtiment, chaque réalité est unique. Elle n’est donc pas accessible.
La connaissance de l’émission des différents systèmes de chauffage passait
par :
•
l’analyse précise de leur fonctionnement dans des conditions de
laboratoire normalisées, en régime permanent strict, donc très éloignées
du terrain ;
14
•
Les émetteurs de chaleur
l’analyse globale d’essais in situ, à peu près fidèles au cas particulier
traité, mais sans espoir d’une généralisation à d’autres configurations.
Le GREC a donc essayé de mettre au point une procédure d’essais plus
proche des conditions réelles, tout au moins au niveau des limites (scénarios
variables reproduisant des conditions extérieures changeantes), et du
comportement de l’émetteur, relié à un système de régulation.
Le modèle développé a donc, lui aussi, été adapté à la définition de scénarios
réalistes (en occupation, en météorologie...) sans pour autant tomber dans la
copie du terrain qui demanderait la prise en compte de divers phénomènes
difficiles à définir précisément (effets du mobilier, calculs précis de taches
solaires...), ce qui aurait alourdi inutilement la programmation, tout en
masquant les tendances spécifiques à chaque émetteur testé.
LA NOTION D’EFFICACITE ENERGETIQUE
La réglementation, issue de travaux datant du milieu des années 80, parle
d’un « rendement d’émission forfaitaire », d’ailleurs différent pour le
plancher et pour l’ensemble des autres émetteurs. Il paraît pourtant évident
qu’un émetteur sera d’autant plus efficace, que, à consommation énergétique
égale, le confort créé sera plus apprécié. Le GREC s’est donc attaché à mieux
définir cette notion d’efficacité énergétique, en précisant quantitativement,
aussi bien les notions de consommation énergétique, que de qualité
d’ambiance thermique.
LES MOYENS EXPERIMENTAUX
La connaissance scientifique, et notamment dans des domaines aussi
complexes que les échanges thermo aérauliques dans des volumes de la taille
d’une pièce d’habitation, ne peut être acquise sans observation de la réalité.
Cela entraîne obligatoirement le montage d’expérimentations, parfois très
longues à mettre en œuvre, avec des métrologies lourdes. Dans le domaine
des émetteurs, les essais phénoménologiques sur le terrain étant exclus, les
expérimentations s’effectuent dans des cellules climatiques, dédiées. Toutes
les équipes participant aux travaux du GREC étaient déjà dotées de tels
équipements. Deux nouvelles cellules ont été conçues plus spécialement pour
répondre aux besoins d’essais en régime dynamique. Une étude, menée par
Christian Inard, de l’INSA de Lyon [INA90], en a fait l’inventaire. Chaque
équipe ayant rempli un questionnaire élaboré à cette occasion, l’auteur en
présente les principales caractéristiques communes et les spécificités.
Le cadre de l’étude
15
L’ensemble des dispositifs expérimentaux à la disposition du GREC, et
d’autres demandeurs éventuels, offre ainsi une large palette de possibilités
d’essais.
Il serait donc tout à fait possible d’utiliser ce matériel pour mettre au point et
appliquer de nouvelles méthodologies d’essais, si le besoin s’en faisait sentir.
Un important travail expérimental a été mené tout au long du GREC. Il n’est
pas dans le sujet de cet ouvrage d’en faire une description exhaustive, mais
on peut cependant décrire brièvement les trois grandes classes d’essais
réalisés.
LE RECALAGE DES CELLULES D’ESSAIS
A partir d’un protocole d’essais, portant notamment sur la liste et le
positionnement des mesures à effectuer, défini par l’INSA, et adopté par
l’ensemble des expérimentateurs, un radiateur à eau a été testé, avec les
mêmes scénarios, dans quatre cellules différentes (RAD1, EREDIS, CIRCE et
ISO) par quatre expérimentateurs différents. La synthèse de Christian Inard
[INA92] conclut à la bonne cohérence des résultats dans pratiquement tous
les cas. Les rares différences que l’on a pu noter ont été facilement
expliquées : elles sont liées à des spécificités géométriques.
LA DETERMINATION DU COMPORTEMENT DES EMETTEURS
Une deuxième série d’essais, certains en régime permanent, mais la plupart
en régime dynamique, a été menée pour acquérir les connaissances
empiriques nécessaires à la compréhension des phénomènes thermo
aérauliques régnant dans une pièce en présence d’un émetteur actif.
Ces expérimentations ont permis le choix et la mise au point du modèle de
comportement des différents émetteurs, ainsi que du scénario des
écoulements des masses d’air à l’intérieur de la pièce chauffée.
Des essais avec renouvellement d’air ont par ailleurs permis de vérifier que
ces écoulements n’étaient que peu perturbés par l’entrée d’air froid en partie
haute.
LES ESSAIS DE "VALIDATION" DU MODELE COMPLET COUPLE
Le modèle global, complet, couplé du comportement thermique d’un
émetteur de chaleur dans une pièce devait, avant d’être appliqué à une série
16
Les émetteurs de chaleur
de configurations typiques, être confronté à une séquence d’essais adéquate.
Ceux-ci, menés sur une longue période (entre 9 et 10 jours), ont tous eu lieu
dans la cellule CIRCE, du CoSTIC, à Digne. La plupart des résultats des
nombreux essais réalisés a été conservée sur papier, ou sous forme
magnétique, et est disponible pour les équipes de recherche.
LES EMETTEURS ETUDIES
Une enquête, effectuée par le CoSTIC, a eu pour objet de recenser
l’ensemble des émetteurs de chaleur disponibles sur le marché [PP91]. À
partir de cette typologie, un long débat entre acteurs et membres du comité
de suivi a permis de dégager quels émetteurs il serait judicieux d’étudier en
priorité. Ce sont deux émetteurs « répartis », le plancher chauffant et le
plafond rayonnant, et trois émetteurs « localisés », le convecteur électrique, le
radiateur à eau (décliné dans les deux dimensionnements « classique » et
« chaleur douce ») ainsi que le panneau radiant à bain d’eau chaude.
Ci-dessous sont repris quelques arguments qui ont entraîné ces choix, avec
une description plus précise des types mêmes des émetteurs étudiés.
LE CONVECTEUR ELECTRIQUE
Incontournable dans le contexte énergétique français, il équipe, au début des
années 1990, plus de 60 % des logements neufs construits chaque année.
De taille et de dimension très variables, le principe reste d’une grande
simplicité : une résistance ailetée diffuse, par effet Joule, la puissance
consommée. Cette résistance est protégée par un habillage qui accentue
l’effet de cheminée. La puissance est modulée par une régulation, le plus
souvent électronique, aisément programmable et intégrée à l’émetteur.
Nous avons choisi d’en tester un de dimensions standard, à sortie frontale.
LE RADIATEUR A EAU
C’est le deuxième grand classique des émetteurs localisés. Avec encore plus
de déclinaisons, dans les matériaux, les formes et les dimensions, il a su suivre
les diverses modes, tout en étant capable, par le vecteur eau chaude, de
s’associer à toutes sortes d’énergies primaires.
Le cadre de l’étude
17
Nécessitant une installation hydraulique, il est associé à toutes sortes de
régulations, dont l’optimisation de la conception est toujours un sujet de
recherche d’actualité.
Parmi la multitude de produits disponibles, le GREC a choisi de tester deux
émetteurs de type panneau double à ailettes, l’un conçu pour une utilisation
classique, avec une entrée d’eau nominale à 80 ou 90 °C, l’autre pour une
utilisation plus moderne, avec une entrée d’eau à 55 °C.
LE PANNEAU RADIANT
Pour élargir leur gamme, et pour proposer des émetteurs un peu moins
convectifs, les fabricants mettent en avant ce compromis de la simplicité
électrique et du confort du rayonnement. Plusieurs types de panneaux
radiants sont disponibles, l’élément chauffant pouvant être visible ou non.
Le GREC a choisi d’étudier en priorité un panneau radiant fermé, à bain
d’eau chaude, encore appelé panneau chauffant. Proche, par sa géométrie et
ses caractéristiques d’émission, d’un radiateur à eau, avec, a priori, une part
rayonnante plus importante, il a donc été possible de garder pour lui
l’ensemble des hypothèses de calcul communes aux autres émetteurs
localisés.
LE PLAFOND RAYONNANT
Considérés comme des procédés de chauffage innovants, ils comportent des
éléments chauffants alimentés électriquement suspendus ou rapportés en
plafond. C’est, dans le cas général, l’émetteur le plus rayonnant, et il est
souvent adopté quand on veut rendre l’émission invisible, sans pour autant se
doter d’un système lourd tel que le plancher chauffant.
Le GREC a choisi d’étudier un des systèmes les plus installés à l’heure
actuelle, le film chauffant, dimensionné selon les règles admises dans la
profession.
LE PLANCHER CHAUFFANT
C’est l’émetteur réparti (à grande surface émettrice) qui est le plus utilisé à
l’heure actuelle. Il permet la diffusion de la chaleur à plus faible température,
et est donc, a priori, considéré comme très efficace.
18
Les émetteurs de chaleur
Chaque plancher chauffant est unique. Nous avons donc expérimenté celui
existant dans la cellule du CoSTIC à Digne, et modélisé un plancher à eau
issu des règles de calcul en vigueur dans les bureaux d’études.
Malgré les restrictions énoncées ci-dessus, force est de constater que le sujet
traité par le GREC reste très vaste, et englobe une grosse majorité des
configurations rencontrées dans les bâtiments tertiaires et d’habitation. Les
équipes du GREC, cependant, sont conscientes d’avoir exclu un certain
nombre d’émetteurs de la gamme de ces études, notamment les panneaux
radiants ouverts, les ventilo convecteurs, les systèmes de chauffage
aérauliques. Elles sont prêtes à en effectuer l’étude, suivant la trame déjà
utilisée au sein du GREC, si tant est qu’une demande spécifique voit le jour
chez les partenaires.
LE MODELE DE COMPORTEMENT
Le GREC s’est donné pour objet d’étude la caractérisation du comportement,
en régime dynamique, d’un émetteur de chaleur couplé à son environnement
immédiat, c’est-à-dire la pièce qu’il est censé chauffer.
Les nombreux essais réalisés, bien que d’une grande variété, ne représentent
que peu de configurations possibles de couple émetteur/bâtiment. Aussi, il a
été décidé d’élaborer un modèle de comportement numérique, qui après
« validation » par comparaison avec les résultats expérimentaux, permettra, à
l’infini, mais dans des bornes bien définies, de faire varier les différents
paramètres, soit de manière immédiate, soit moyennant quelques
modifications, qui devront de toutes façons rester compatibles avec les
hypothèses du modèle. En voici quelques-unes, brièvement rappelées ici mais
qui font l’objet d’un développement plus complet dans les chapitres qui leur
sont individuellement consacrés et dans la thèse de Hubert During [DUR94].
MODELE ZONAL
C’est la base de la modélisation. Les échanges convectifs entre les diverses
parois et l’émetteur sont traités par une méthode zonale. Celle-ci est un
compromis entre la trop grande simplicité d’un modèle à température d’air
isotherme, et la trop grande complexité d’un modèle par résolution des
équations fondamentales.
Le principe est initialement basé sur le découpage du volume de la pièce en
un nombre restreint de zones à comportement aéraulique constant, par
Le cadre de l’étude
19
exemple, la zone du panache au dessus de l’émetteur, la zone en contact avec
le plancher...
RENOUVELLEMENT D’AIR
ZONE PLAFOND
ECOULEMENT
PRINCIPAL
PAROI
FROIDE
z
ZONE
EMETTEUR
<<<<zz
AIR
EXTRAIT
ZONE PLANCHER
Les échanges conductifs ont été traités en mono dimensionnel dans les parois,
tandis que les échanges radiatifs sont pris en compte de façon très précise par
la méthode des éclairements - radiosités.
Dans le cadre des émetteurs répartis (planchers, plafonds), l’écoulement
principal se fait plutôt dans le sens inverse, généré par la paroi froide.
Ce modèle a été validé, tout d’abord, en régime permanent, pour tous les
émetteurs. Puis, les résultats des simulations ont été confrontés avec succès
aux mesures acquises lors d’essais spécifiques en régime dynamique.
RENOUVELLEMENT D’AIR
Dans la plupart des constructions récentes, un système de ventilation, naturel
ou mécanique, permet le renouvellement d’air. Divers essais spécifiques
effectués ont démontré que, dans la plupart des cas, l’introduction d’air neuf
ne perturbe pas la géométrie des écoulements régnant dans la pièce chauffée.
Il en a donc été tenu compte au niveau des bilans thermiques et massiques
des zones plafond (entrée d’air frais) et plancher (extraction).
REGIME DYNAMIQUE
Mis au point initialement pour l’étude des régimes permanents, le modèle
zonal s’est très bien adapté à la variable temps, ce qui a permis de mieux
différencier les émetteurs en fonction de leur inertie, en relation avec la
gestion de l’intermittence, l’inertie du bâtiment, la prise en compte des
apports internes et la variation des conditions extérieures.
20
Les émetteurs de chaleur
ENTREES, SORTIES DU MODELE
Les entrées du modèle sont essentiellement un ensemble de valeurs
descriptives de la pièce à modéliser, ainsi que du système de chauffage utilisé.
Viennent ensuite les scénarios de simulation, la température de consigne,
l’intermittence, l’occupation, la météorologie...
Les sorties du modèle sont des séquences de valeurs de certaines variables
physiques caractéristiques de l’évolution thermique de l’émetteur et de la
pièce modélisée. On a ainsi accès à environ 15 températures d’air, à près de
100 températures de surfaces... À partir de ces valeurs, tout type de traitement
numérique est disponible, notamment le calcul des besoins énergétiques, ou
encore un certain nombre de valeurs relatives à la qualité thermique de
l’ambiance.
Le modèle GREC, dont la mise au point finale a été réalisée à l’INSA de
Lyon, est actuellement un outil de recherche performant, validé sur un grand
nombre d’expériences diverses. Il reste la propriété de l’ADEME (ex AFME)
et des équipes qui ont participé aux travaux du GREC. Il a déjà été appliqué
aux cas tests décrits ci-après. Il pourra certainement être appliqué à un grand
nombre de configurations émetteur/bâtiment, dans la limite des restrictions
décrites ci-dessus, mais demandera de la part des opérateurs une bonne
connaissance des hypothèses sous-jacentes. Cependant, dans l’état actuel de
son développement, il s’agit d’un outil unique, qui est capable de prédire la
qualité de l’ambiance (le confort ?) à partir d’une description de la pièce, de
son émetteur, et d’une régulation à définir, en fonction de conditions
climatiques variées. Les équipes du GREC sont prêtes pour de nouveaux
développements, ou d’autres études paramétriques.
LES CRITERES DU CONFORT
L’émetteur de chaleur a pour mission de distribuer l’énergie qu’il reçoit de
façon à générer dans son environnement proche des conditions thermiques
confortables, à un certain coût énergétique.
QU’EST LE CONFORT ?
Le confort est une notion subjective difficile à quantifier. Elle dépend non
seulement des caractéristiques « météorologiques » de l’environnement (telles
que la température, l’humidité, la vitesse d’air...) mais aussi de facteurs liés à
l’activité de l’usager, à ses vêtements... C’est d’ailleurs plutôt l’inconfort que
l’on essaie de déterminer, à partir d’études statistiques menées empiri-
Le cadre de l’étude
21
quement sur un grand nombre de cobayes, dans un petit nombre de configurations. A partir de ces études, on peut définir un pourcentage de personnes insatisfaites dans telle ou telle condition.
LE PROFIL GRES
Un des traitements qui semblait aux équipes du GREC parmi les plus
intéressants a été mis au point par le CSTB, sous forme d’une série de notes
portant sur la qualité thermique d’une ambiance : le profil UCRES. C’est
donc le CSTB qui a naturellement été choisi pour adapter ce critère aux
caractéristiques du modèle GREC. Il fallait tenter de garder la précision
d’UCRES, avec moins de points de mesure, en y ajoutant l’évolution au
cours du temps. Cela a donné le profil GRES [FM92].
Loin des critères « analytiques », mais plus fin que la simple température
d’air, le profil GRES nous semble en parfaite adéquation avec le niveau de
précision pragmatique qui a été une exigence de toute la démarche de
modélisation : simple, mais non simpliste.
Il est basé sur quatre notes principales, elles-mêmes subdivisées :
•
La note G, pour confort Global, est évaluée par G = 5 + 1,15 (TRSm - 20)
où TRSm est la moyenne sur 3 points, pour 15 verticales réparties dans la
zone d’occupation. G est subdivisée en 2 positions, assis et debout, et 2
inconforts, froid et chaud, soit 4 notes (Gaf, Gac, Gdf, Gdc, pourcentages
d’insatisfaits par le froid en position assise...)
•
La note R, pour Rayonnement, est subdivisée en 4 notes pour quantifier
l’asymétrie de rayonnement horizontale et verticale, en position assis et
debout (Rha, Rhd, Rva, Rvd). Elles sont décrites dans [FM92].
•
La note E, pour Écart tête-pied, est aussi subdivisée en 2 notes Ea et Ed,
pour les positions assis et debout. Elle est calculée par deux expressions
donnant le pourcentage d’insatisfaits, selon la valeur de l’écart (inférieur
ou non à 4 °C).
•
La note S, pour température de sol, considère la neutralité, soit 5 %
d’insatisfaits, à 23,5 °C. Elle est définie par deux exponentielles, pour les
sols chauds ou froids.
Avec ses 11 notes, calculées en plusieurs points de la zone d’occupation, le
profil GRES est pour nous un bon indicateur de l’efficacité énergétique, et
c’est, avec la consommation, une des sorties les plus synthétiques de ce que
nous ont donné les simulations des cas tests.
22
Les émetteurs de chaleur
LES CAS TESTS
Prévus dès la première réunion du GREC, ils sont l’illustration, par une série
d’exemples typiques d’installations en fonctionnement « normal », des
caractéristiques du comportement de tous les émetteurs étudiés. Ces cas tests
sont numériques, et montrent les possibilités offertes par tout
l’environnement logiciel mis au point au cours de ces trois années. Les
différents choix qui ont dû être effectués ont été l’objet de très nombreuses
discussions, qui sont résumées dans les paragraphes suivants. L’énoncé précis
de l’ensemble des simulations réalisées est reporté en annexe 2.
POURQUOI DES CAS TESTS ?
Le GREC a développé un modèle précis, complet, qui simule le
comportement couplé d’un émetteur de chaleur fonctionnant dans une pièce.
Cela aurait pu être un aboutissement du travail, libre aux différents
possesseurs du logiciel, membres du GREC ou acheteurs éventuels, d’en faire
une exploitation pour leurs besoins propres, ou sur commande. Cependant, il
eut pu être dangereux de laisser des résultats partiels, ou même partiaux, être
décrits avec une estampille, directe ou indirecte, GREC. De plus, quoi de plus
normal que de poursuivre l’étude, par une exploitation en commun des
potentialités du modèle ? Mais quelle type d’exploitation ? Quelles valeurs
adopter pour quels jeux de paramètres à faire varier ?
Nous avons étudié prioritairement 6 émetteurs. Ceux-ci sont adaptés à des
pièces de maisons individuelles, de logements collectifs, de bâtiments
tertiaires. Ces pièces peuvent être petites, grandes, de différentes hauteurs sous
plafond... Elles peuvent avoir une orientation Sud, Nord-Est, Ouest SudOuest... avec une ou plusieurs ouvertures vers l’extérieur, plus ou moins
grande, avec ou non occultation nocturne, protection solaire... Il est bien
évident que la liste des paramètres peut encore s’allonger quasiment
indéfiniment, et le nombre de leurs combinaisons devient incommensurable,
tout en restant dans les limites de l’utilisation normale du logiciel.
Nous avons donc choisi de ne définir que 7 pièces, ce qui, pour 6 émetteurs,
dont certains peuvent être positionnés en allège ou en opposition, fait
exactement 58 cas de simulation. C’est, et ce sera, la seule exploitation
« officielle » du modèle GREC.
Ces 7 cas, définis très précisément (voir annexe 2), tentent de décrire 7 pièces
« normales » de 7 bâtiments usuels, 5 bâtis selon les normes en vigueur
actuellement, 2 correspondant à des bâtiments anciens. Tous les choix prêtent
le flanc à des contestations, qui d’ailleurs seraient pour la plupart recevables.
Le cadre de l’étude
23
Mais ils ont déjà été l’objet de dizaines d’heures de réflexion, et ne seront
pas remis en cause au sein du GREC. Par contre, rien n’empêche les
différents possesseurs du logiciel, a priori conscients des limites du modèle,
de faire varier telle ou telle valeur, pour telle ou telle étude paramétrique.
Cela ne fera qu’enrichir les débats.
LES CARACTERISTIQUES GENERALES
Un certain nombre de paramètres a été volontairement bloqué. Beaucoup
pourraient varier, dans le cas d’études ultérieures, sans ou avec de très légères
modifications des algorithmes. En voici une synthèse qui ne se veut pas
exhaustive.
Les simulations ont été effectuées pour une période froide réelle enregistrée à
la station météorologique de Trappes, près de Paris, avec une température
extérieure moyenne de 0,5 °C. Seuls 8 jours seront analysés, après 3 jours
« d’initialisation ».
Les sollicitations extérieures à la pièce se limitent à :
•
la température extérieure ;
•
l’ensoleillement.
Les locaux adjacents évoluent de façon identique à la pièce simulée. Les
locaux simulés sont tous de 20 mètres carrés, un grand côté de 5 mètres de
long étant en contact avec l’extérieur. Les apports internes sont liés au
scénario d’occupation, alors que les apports solaires sont traités de manière
identique, tout en étant fonction de l’orientation. Les occultations sont
globalement prises en compte dans le Kjour-nuit du vitrage. Il n’y a ni
voilage, ni revêtement spécifique de sol. Les émetteurs, anonymes, mais dont
les caractéristiques sont issues de données constructeurs, et/ou de résultats
d’essais, ont été dimensionnés d’après un calcul des déperditions de base. La
ventilation est à débit constant, et égal à 1 volume par heure. La bouche
d’entrée d’air est toujours située au dessus du vitrage, l’extraction est faite
sous la porte, dans la zone plancher. Le système de régulation est en boucle
fermée pour les systèmes électriques. Pour les systèmes à eau chaude, la
régulation en boucle fermée, en tout ou rien sur le débit, est couplée à une loi
d’eau sur la température extérieure, elle-même déconnectée en période de
relance à pleine puissance. La sonde est simulée à 1,50 m du sol, dans la zone
centrale. Pour les émetteurs localisés, c’est la température d’air qui est prise
en compte, alors que pour les émetteurs répartis, c’est une température
résultante sèche.
24
Les émetteurs de chaleur
Ces principes généraux ont été appliqués à 7 configurations, décrites
sommairement ci-dessous.
LES DIFFERENTS CAS
•
•
•
•
•
•
•
Le cas n° 1 : c’est un séjour Sud d’une maison individuelle, à isolation
intérieure, avec une petite surface vitrée. Elle est chauffée en permanence,
par des émetteurs dimensionnés à 1 500 W.
Le cas n° 2 correspond au séjour Sud d’une maison individuelle, à
isolation extérieure, avec une grande surface vitrée. Son chauffage est
ralenti la nuit, avec relance à heure fixe. Les émetteurs sont dimensionnés
à 1 750 W.
Le cas n° 3 représente un séjour Nord d’un immeuble d’habitation
collectif, à isolation intérieure, avec une petite surface vitrée. Son
chauffage est ralenti la nuit, avec relance à heure fixe. Les émetteurs sont
de 1 750 W.
Le cas n° 4 simule un bureau Ouest, dans un immeuble tertiaire à isolation
intérieure, avec une grande surface vitrée. La consigne de chauffage est
abaissée la nuit à 17 °C, et le week-end à 12 °C, avec relances à heures
fixes (5 heures en semaine, 2 heures le lundi). Les émetteurs sont
dimensionnés à 1 750 W.
Le cas n° 5 représente un séjour Nord d’un habitat collectif ancien, de
grande hauteur sous plafond, aux murs massifs non isolés, avec une
grande surface vitrée. Son chauffage est ralenti la nuit, avec relance à
heure fixe. Les émetteurs sont dimensionnés à 3 000 W.
Le cas n° 6 représente un séjour Sud d’une maison individuelle ancienne,
aux murs de béton non isolés, avec une grande surface vitrée. Son
chauffage est ralenti la nuit, avec relance à heure fixe. Les émetteurs sont
de 3 000 W.
Le cas n° 7 correspond au séjour Sud d’une maison individuelle, à
isolation extérieure renforcée, avec une grande surface vitrée. Son
chauffage est ralenti la nuit, avec relance à heure fixe. 1 500 W ont été
installés.
LA PRESENTATION DES RESULTATS
Le GREC s’est occupé de plusieurs émetteurs, au comportement souvent
différent, aux caractéristiques bien spécifiques. Il a d’ailleurs travaillé en
parallèle les différents systèmes d’émission, au sein de sous groupes ayant
leur propre coordinateur, tout en respectant, bien entendu, la même démarche
globale.
Le cadre de l’étude
25
Aussi, nous avons décidé, dans un premier temps, de cloisonner les résultats
obtenus type d’émetteur par type d’émetteur. Chacun fera l’objet d’une
présentation autonome, selon un schéma commun identique. Les analyses qui
seront proposées, tant celles issues des essais que celles obtenues par examen
des résultats des cas tests ne seront pas directement comparables d’un
émetteur à un autre. Nous nous sommes efforcés de qualifier et quantifier le
comportement de chaque émetteur, avec des outils identiques, mais de façon
objective, sans référence aux « performances » de tel autre.
Cependant, à l’analyse des essais effectués, et des résultats obtenus par la
simulation des cas tests, il nous a semblé intéressant, malgré la taille un peu
faible de l’échantillon, de dégager des considérations générales sur le
comportement de tel ou tel émetteur par rapport à tel ou tel autre, tant pour
donner aux industriels des pistes pour l’amélioration de la qualité de leur
produit, qu’aux concepteurs des recommandations d’installation. C’est ce
que l’on peut lire dans la conclusion, présentée après les cinq chapitres
consacrés aux émetteurs.
LE RADIATEUR A EAU
AVERTISSEMENT
DEUX RADIATEURS A L’ETUDE
Pour mieux cerner l’influence de la taille de cet émetteur sur ses
performances, nous avons étudié en parallèle un radiateur de petites
dimensions, alimenté en eau à haute température, pouvant aller de 80 à 90 °C
suivant les cas, dans les conditions nominales, et le même type de radiateur,
de dimensions largement supérieures, alimenté en eau à température plus
faible (50 °C). Dans la suite de cet ouvrage, on appellera radiateur haute
température (ou RHT) le premier, et radiateur basse température (ou RBT) le
second.
INTRODUCTION
UNE GRANDE FAMILLE
Les radiateurs à eau font partie de la famille des corps de chauffe alimentés
en eau chaude ou, beaucoup plus rarement dans les bâtiments, en vapeur, qui
comptent essentiellement les radiateurs et les convecteurs.
Tous ces corps de chauffe sont des échangeurs thermiques alimentés en eau
chaude ou surchauffée, en vapeur d’eau à basse ou haute pression et émettant
de la chaleur par rayonnement et convection naturelle [BAR91].
DES FORMES VARIEES
Les principaux types de radiateurs à eau que l’on rencontre sont :
•
les panneaux simples, ou multiples, à circulation horizontale ou verticale ;
•
les panneaux à ailettes (ouvertes ou fermées) simples ou multiples ;
•
les panneaux à nervures ou « lamellés » (avec ailettes à circulation
interne) ;
•
les éléments à sections transversales à colonnes ;
28
•
Les émetteurs de chaleur
les éléments tubulaires, nus, à ailettes ou à persiennes, incorporées ou non
dans un carter.
En général, les matériaux qui constituent ces radiateurs sont soit de la fonte
coulée, soit de l’aluminium coulé sous pression ou extrudé, soit de l’acier.
RADIATIF OU CONVECTIF ?
Les radiateurs à eau sont des corps de chauffe émettant aussi bien par
rayonnement que par convection. Suivant le type de radiateur, 15 % (cas du
panneau triple à ailettes) à 50 % (cas du panneau simple) de la puissance
totale est émise par rayonnement. Les radiateurs installés dans les bâtiments
sont donc en général plus convectifs que radiatifs ! Ils sont, pour la plupart,
alimentés en eau chaude. Ce sont, comme les convecteurs électriques, des
émetteurs localisés, par opposition aux émetteurs répartis comme les
planchers ou les plafonds chauffants.
UNE REGLEMENTATION BIEN ETABLIE
Les caractéristiques des corps de chauffe alimentés en eau chaude ou en
vapeur sont précisées dans la norme NF P 52-012 (1987) : caractéristiques
dimensionnelles (corps de chauffe, raccordement, visserie) ; caractéristiques
de construction (matériaux et robustesse, assemblage et soudures, étanchéité,
tenue mécanique à la pression, fixation des ailettes, montage des éléments
amovibles) ; caractéristiques de fonctionnement (puissance thermique, perte
de charge dans le corps de chauffe).
La puissance thermique est mesurée selon la norme NF P 52-011 (1987).
Elle est exprimée, pour les radiateurs à eau, sous la forme : P = KΔTn avec :
•
K et n : coefficients de la loi d’émission ;
•
ΔΤ : écart entre la température moyenne du caloporteur et la température
de référence de l’air dans la chambre d’essais, au centre, à 0,75 m de
hauteur.
La puissance nominale correspond à un écart Δ T = 60 °C, pour des
dimensions classiques (RHT). Par contre, la tendance actuelle est à la
diminution de cet écart, et le radiateur « chaleur douce » est plutôt calculé
pour un écart de 30 °C.
UN ELEMENT D’UNE BOUCLE
Le radiateur à eau fait partie d’une boucle de chauffage comprenant la
Le radiateur à eau
29
plupart du temps une chaudière et un réseau de distribution formé de tubes et
alimentant plusieurs émetteurs.
En général, la boucle est régulée de façon centralisée (sonde de température
extérieure ou thermostat d’ambiance agissant sur la chaudière ou sur une
vanne mélangeuse en tête du réseau) et éventuellement complétée par des
régulations terminales disposées sur les radiateurs : robinets thermostatiques
(sauf dans la pièce où est placé le thermostat d’ambiance, s’il existe). S’ils ne
sont pas munis de tels robinets, qui sont obligatoires dans les bâtiments neufs,
les radiateurs sont simplement pourvus de robinets manuels.
TOUJOURS DES EVOLUTIONS...
Le bon vieux radiateur en fonte n’est pas mort... il s’est adapté aux modes,
aux tendances : forme, couleur, ailettes.
La variété des radiateurs est toujours grande : on a vu fleurir les « sèche
serviettes » radiateurs tubulaires en forme d’échelle destinés aux salles de
bains... certains sont d’ailleurs munis de résistances électriques, permettant un
chauffage local indépendant.
La tendance est aussi à la « chaleur douce » : radiateurs de plus grande
surface, fonctionnant à des températures plus basses que la « normale », de
l’ordre de 50 °C de température moyenne entrée - sortie (au lieu de 80 °C).
Un des avantages principaux est d’obtenir une meilleure homogénéité des
températures. Cela est d’ailleurs confirmé par les résultats donnés dans les
pages suivantes. De plus, en chauffage individuel centralisé, on bénéficie ainsi
d’une « réserve » de puissance pouvant compenser, par exemple, des
déperditions vers des locaux voisins inoccupés [IM89]. De même, cette
réserve de puissance permet une meilleure relance après un ralenti nocturne,
ou hebdomadaire dans les locaux tertiaires de bureaux. Soulignons au
passage que la future norme européenne EN 442 sur les « radiateurs,
convecteurs et appareils similaires » retiendra un écart de température de
50 °C avec l’ambiance au lieu de 60 °C actuellement (soit une température
moyenne de radiateur de 70 °C au lieu de 80 °C). Enfin, un phénomène
supplémentaire bénéficie de ce faible écart de température entre l’émetteur et
l’ambiante : l’auto régulation du système couplé. En effet, la puissance
émise, pour les systèmes à vecteur fluide, décroît avec l’augmentation de la
température ambiante, contrairement aux systèmes pilotés en puissance. Cela
est d’autant plus vrai que la température de l’émetteur est moins haute.
30
Les émetteurs de chaleur
LE MODELE DE COMPORTEMENT
Comme nous l’avons vu, il existe une très grande diversité de corps de
chauffe à eau. Les différences portent sur les matériaux, la forme, la taille et
le mode de circulation interne. Ces disparités se retrouvent, bien entendu, au
niveau du comportement dynamique et de l’émission thermique des
émetteurs.
Ainsi, les constantes de temps entre les différents radiateurs peuvent varier
dans un rapport de 1 à 3 (10 à 30 minutes), et, rappelons-le ici, la fraction
radiative de la puissance totale émise est comprise dans un intervalle de 15 %
à 50 %.
La réponse en régime dynamique des radiateurs à eau peut sommairement
être attribuée à deux phénomènes physiques qui sont d’une part les capacités
thermiques du métal et du fluide, et d’autre part le temps de transport du
fluide dans l’émetteur.
Dans le cadre du GREC, il a été décidé de traiter le second phénomène de
manière très simplifiée. L’écoulement du fluide dans l’émetteur est supposé
de type « piston » c’est-à-dire que l’émetteur est représenté à l’aide de
tranches à mélange couplées en série. Cela implique que tous les éléments
sont irrigués par le débit total du radiateur, et que la température d’entrée
d’une tranche est celle de la sortie de la tranche précédente. Ainsi, le régime
dynamique des radiateurs est simulé en utilisant la notion de nœuds capacitifs
auxquels nous attribuons les capacités thermiques du fluide et du métal.
L’émission thermique des radiateurs recouvre une combinaison de
phénomènes très différents. Il y a convection entre l’eau et l’enveloppe,
conduction à travers le métal et le transfert convecto radiatif de la surface
extérieure vers l’enceinte. Dans le cas où la température du fluide est proche
de la température de surface de l’émetteur, nous pouvons négliger la
convection entre l’eau et le métal ainsi que la conduction à travers ce dernier.
Cela limite donc l’étude aux cas où l’hypothèse émise est applicable.
Quant à la puissance totale émise par l’émetteur, nous avons opté pour un
découplage en une part radiative et une part convective. À partir des
températures de l’émetteur et de celles des parois du local, un calcul des
échanges radiatifs est effectué ce qui permet d’accéder aux puissances
radiatives émises vers l’avant et vers l’arrière. Pour la puissance convective,
nous utilisons pour chaque type d’émetteur des corrélations reliant la
puissance à l’écart de température entre le radiateur et l’air. Ces corrélations
ont été obtenues en régime statique à partir d’une étude réalisée
Le radiateur à eau
31
conjointement par le CETHIL et le CETIAT [INA88]. Elles concernent les
principaux types de radiateurs. Enfin, nous supposons que la température de
sortie du fluide d’un élément est sa température moyenne.
Grâce à ces hypothèses, chaque élément constituant l’émetteur est représenté
par un nœud capacitif qui échange à la fois une puissance radiative et
convective, irrigué par le débit total du fluide à la température du nœud
précédent. L’écriture du bilan thermique de chaque nœud donne accès aux
valeurs des températures du radiateur.
Les résultats de ce type de modèle ont été comparés à des expérimentations
en régime dynamique menées au CETIAT [INA92]. Lors de ces
manipulations, les sollicitations thermiques appliquées aux émetteurs étaient
de trois types :
•
des créneaux montants de la température d’entrée du fluide ;
•
des créneaux descendants de la température d’entrée du fluide ;
•
des coupures du débit pour différentes valeurs de la température d’entrée
du fluide.
Il est à noter que ces sollicitations couvrent l’ensemble de celles qui seront
appliquées à l’émetteur lors de la simulation des cas tests.
Dans le cas d’un créneau montant de la température d’entrée d’eau, le
modèle reproduit de manière satisfaisante la température moyenne de
l’émetteur ainsi que la température de sortie du fluide, avec quatre éléments
couplés en série.
En ce qui concerne les créneaux descendants de la température d’entrée du
fluide, nous n’avons pas observé un comportement symétrique de la
température de l’émetteur par rapport au cas précédent alors que les
équations de comportement du radiateur le sont. En fait, dans ce cas,
l’écoulement réel du fluide dans le radiateur est totalement différent avec
notamment la présence d’une zone de court-circuit. Le radiateur ne se
refroidit pas par « remplissage » de type « piston » mais par entraînement du
fluide chaud au sein de l’écoulement de court-circuit qui le traverse de part
en part. Le modèle ne reproduit plus que de manière approximative les
températures de sortie du fluide et moyenne de l’émetteur [INA92].
Cependant, ce phénomène est à pondérer par la « rudesse » des sollicitations
appliquées. Ainsi, de meilleurs résultats ont été obtenus lors de la
comparaison des simulations avec les expérimentations menées dans la cellule
CIRCE du CoSTIC et comportant des sollicitations thermiques du même type
32
Les émetteurs de chaleur
mais plus proches de la réalité, c’est-à-dire avec des pentes plus douces
[DUR94].
Enfin, pour une annulation brusque du débit de sollicitation pour laquelle le
radiateur est dans une phase de relaxation thermique, le modèle reproduit de
manière satisfaisante la température moyenne du radiateur.
Pour plus de détails sur le modèle de radiateur à eau se reporter à [DUR94].
Pour ce type d’émetteur, le modèle zonal a été mis au point, en régime
statique, par le CETHIL [INA88]. Une représentation du scénario
d’écoulement d’air retenu est donnée figure n° 3.1.
RENOUVELLEMENT D’AIR
ZONE PLAFOND
PAROI
FROIDE
ECOULEMENT
PRINCIPAL
RADIATEU
R
z
AIR
EXTRAIT
ZONE PLANCHER
<<<<zz
Figure n° 3.1 : modèle zonal
pour le radiateur à eau
Le principe de ce modèle zonal est basé sur la connaissance de l’écoulement
ascendant donné par le panache thermique, issu de l’émetteur, qui s’étend
ensuite au plafond. L’entraînement de l’air ambiant dans le panache induit
un écoulement descendant très lent dans la partie centrale du volume d’air
intérieur. La détermination des températures d’air est faite en écrivant les
bilans massique et thermique de chaque zone.
Cependant, il apparaît un nombre d’inconnues supérieur au nombre
d’équations disponibles indépendantes. Afin d’assurer la fermeture du
problème, une étude expérimentale menée conjointement par le CETHIL et
le CETIAT sur le panache thermique issu des corps de chauffe a été effectuée
[IMA91]. Celle-ci a permis de dégager des lois générales, notamment au
niveau du débit massique et du flux convectif échangé le long de la paroi des
panaches thermiques induits par les radiateurs à eau.
La cohérence de ce type de démarche, en régime statique, a été vérifiée grâce
à des expérimentations menées au CETIAT [IM89]. L’application au régime
dynamique a été faite en introduisant à chaque nœud d’air une capacité
Le radiateur à eau
33
équivalente à la capacité thermique du volume d’air associé.
Une expérimentation spécifique menée au CETIAT qui a consisté à solliciter
thermiquement le volume d’air intérieur par un créneau de puissance
convective a permis de montrer que les résultats obtenus par le modèle zonal
en régime dynamique représentent correctement, à quelques minutes de
décalage près, les phénomènes convectifs observés [INA92].
Dans le cadre des cas tests, il a été décidé de simuler une entrée d’air neuf audessus de la paroi froide c’est-à-dire à un niveau proche du plafond avec un
débit imposé par la ventilation mécanique contrôlée (VMC). La reprise est
effectuée sous la porte, près du plancher. En réalité, la prise en compte du
renouvellement d’air est relativement complexe. En effet, suivant les endroits
où sont situées les bouches d’entrée et de sortie d’air, il peut coexister, au
sein du volume d’air, des zones où l’air neuf se mélange à l’air intérieur et
des zones peu affectées par le renouvellement d’air.
Toutefois, le débit induit par le taux de renouvellement d’air neuf, de l’ordre
de 1 volume par heure pour des locaux d’habitation, est généralement faible
par rapport au débit du panache de l’émetteur. Dans ces conditions, et
compte tenu des positions respectives des bouches d’entrée et de sortie
adoptées pour les cas tests, nous considérons que le débit de l’air neuf ne
perturbe pas le schéma des écoulements convectifs défini a priori. Ceci
revient à ajouter en parallèle aux débits initiaux un débit d’air de
renouvellement. Dans chaque zone, nous tenons donc compte du débit et de
la puissance supplémentaire dans les équations de bilans massique et
thermique.
Le modèle zonal couplé au modèle d’émetteur a tout d’abord été testé en
régime dynamique sur un essai mené dans la cellule CIRCE du CoSTIC ce
qui a permis de vérifier la pertinence des hypothèses simplificatrices. Il a
ensuite été adapté aux cas tests, déjà définis dans le chapitre 2 et en annexe 2.
Nous en avons extrait, pour chacun des deux radiateurs testés, une des
simulations qui, selon le principe de présentation de l’ensemble des résultats,
donne une bonne idée du comportement caractéristique de chaque émetteur.
LES RESULTATS DU CAS TEST POUR LE RADIATEUR HT
Le cas test choisi pour observer de manière fine le comportement du
radiateur à eau, pour les deux dimensionnements, est le cas test 1 (émetteur
placé en allège) qui correspond au séjour d’une maison individuelle
conforme à la réglementation thermique de 1988 (applicable en 1989).
34
Les émetteurs de chaleur
Nous avons, pour ce cas, décidé de ne pas faire varier la température de
consigne, qui reste, tout au long de la simulation, fixée à 20 °C. La régulation
est assurée par une action tout ou rien sur le débit, avec 0,4 °C de différentiel,
et une loi d’eau fonction de la température extérieure. La description précise
de l’ensemble des données qui caractérisent ce cas figure en annexe 2.
Courbe n° 3.1 : température d’air à 1,50 m
Ce cas est le seul pour lequel les émetteurs ont été testés en régime de
consigne constant. C’est pourquoi l’échelle des températures est très dilatée,
tandis que l’échelle des temps correspond à 8 jours de simulation. Cela
explique en partie l’aspect haché de l’évolution de la température d’air à
1,50 m (courbe n° 3.1). Cet effet visuel, subjectif, serait très atténué pour un
cas intermittent, ou avec une présentation sur 24 heures. L’analyse des
résultats chiffrés permet de noter quelques points importants. Tout d’abord,
le différentiel dynamique, lié au modèle utilisé, a un comportement en train
de débit, différent de celui d’un robinet thermostatique, plutôt proche d’un
régulateur proportionnel. Par ailleurs, en dehors des surchauffes entraînées
par les apports internes et solaires, ce différentiel dynamique est équivalent au
différentiel statique (19,9 °C +/- 0,2 °C), et la consigne est très bien suivie.
Enfin, les apports internes du soir, traités par l’ajout d’une puissance
convective sur les nœuds supérieurs, semblent avoir une plus grande
influence, que les apports solaires, essentiellement pris en compte au niveau
radiatif.
La courbe n° 3.2 correspond à l’évolution de la température dans la zone la
plus proche du plancher. Son allure globale, sur la semaine, est sensiblement
influencée par les conditions extérieures (pertes par le sol) avec des
minimales le 6e jour. Le différentiel dynamique est plus resserré (0,15 °C
environ), par la proximité d’une paroi inerte. Le flux solaire étant
« absorbé » par le plancher, son importance sur cette température devient
équivalente à celle des apports internes. Cette température n’est jamais
Le radiateur à eau
35
inférieure à 19 °C, même dans les conditions les plus sévères du test.
Courbe n° 3.2 : température d’air à 0,10 m
La température résultante sèche à 1,50 m (courbe n° 3.3) ajoute à
l’information température d’air le rayonnement directement issu des parois.
Ces dernières sont inertes et influencées préférentiellement par les apports
solaires. Cela explique donc les écarts de comportement observables par
rapport à la courbe n° 3.1, c’est-à-dire un différentiel dynamique légèrement
réduit (0,3 °C), une légère influence des apports solaires et une très légère
sous-chauffe de près de 0,2 °C.
Courbe n° 3.3 : température résultante sèche à 1,50 m
Il ne faut pas confondre la courbe de la puissance émise (courbe n° 3.4) avec
celle de la puissance appelée, fournie par le réseau. En effet, l’inertie de
l’émetteur entraîne une émission résiduelle (relaxation thermique) même si le
débit est arrêté (puissance appelée nulle). Ceci explique pourquoi, même en
cas de sur-chauffe, cette courbe ne s’annule jamais. On peut, de plus, en tirer
les enseignements suivants, avec une lecture à deux échelles de temps : d’une
36
Les émetteurs de chaleur
part, sur la période, la puissance est reliée aux besoins du bâtiment, liés, entre
autres, à la température extérieure, plus froide le 6 e jour. D’autre part, au
niveau d’une journée, on peut noter l’influence des apports, qui sont donc
nettement pris en compte par la régulation. Par ailleurs, l’analyse fine des
périodes de relance et de relaxation conduit à estimer une constante de temps
de l’émetteur d’environ 20 minutes en échelon montant, 30 minutes après un
arrêt de débit. Enfin, la puissance maximale émise, malgré des conditions
extérieures sévères, mais éloignées des conditions de base, ne dépasse pas
950 W, pour un dimensionnement de 1 500 W. On vérifie donc bien que, en
régime de chauffage à consigne constante, la sur-puissance est ici de 500 W.
Une des conséquences de ce « faible » niveau de puissance, compte tenu de la
régulation choisie, sera un fonctionnement à relativement basse température,
intéressant pour le confort et éventuellement pour les performances de
l’émetteur.
Courbe n° 3.4 : évolution de la puissance émise
Courbe n° 3.5 : température de la face avant de l’émetteur
On peut faire, sur l’évolution de la température de la face avant de l’émetteur