Les émetteurs thermiques

Les radiateurs hydrauliques

Il y a environ 4 ans, lorsque l’on demandait assistance à un constructeur de radiateurs de vérifier si le dimensionnement des radiateurs existants est compatible avec l’implantation d’un chauffage thermodynamique, le fournisseur parlait de trouver une solution à < votre problématique > et votre problème n’était pas le sien. On comprenait très vite que les radiateurs étaient dans le temps dimensionnés pour fonctionner à environ 70 °C voire même à 90°C lorsqu’il fait très froid ce qui provoquait des taches noirâtres au plafond. La différence de température entre l’eau chaude circulant dans les radiateurs et l’ambiance de 20°C qui règne dans les pièces à chauffer était souvent supérieure à 50°C. Plusieurs organes conditionnent le bon fonctionnement d’un réseau de chauffage

Les radiateurs hydrauliques et leur T de réglage

Les radiateurs transmettent la chaleur par rayonnement et par convection.

Avec les radiateurs basse température, la différence de température entre la pièce à chauffer et la température moyenne du radiateur est plus faible. Pour fournir la même puissance la surface de chauffe du radiateur est plus importante  Les T de réglage des radiateurs et le robinet d'arrêt peuvent être avantageusement remplacés par une soupape thermostatique. On peut aussi adjoindre des T de réglage compensé en pression (PC) de telle sorte que le débit circulant dans le radiateur soit indépendant de la pression régnant dans le collecteur. 

Les radiateurs

P = S x DT1 x j avec

- P puissance thermique da radiateur en watt ,
- DT1 différence de température entre la pièce à chauffer et la température moyenne du radiateur en °C

- j coefficient de rayonnement 10 watt/m² et °C (cette valeur peut être augmentée

Les T de réglage

P = Q x DT2 x c avec

P en kW , DT2 en °C et c chaleur spécifique de l’eau 4,18 KJ/kg et °C

- S sa surface de chauffe du radiateur à ne pas confondre avec sa surface frontale

- DT2 la différence entre la température moyenne du radiateur et la température souhaitée dans la pièce

- c la chaleur spécifique de l’eau 4,18 kJ/kg et °C

Application numérique

Pour une puissance thermique P du radiateur prise égale à 2 kW à titre d’exemple on a :

A) Radiateur haute température

DT1 = 80 – 20 = 60°C

DT2 = 90 – 70 = 20°C

Surface de chauffe

S = P / (DT1 x j ) = 2000 / (60 x 10) = 3,3 m²

Débit dans le T de réglage

Q = P / (DT2 x c) = 2 / (20 x 4,18) = 0,024 kg/s ou 86 litres/heure

On trouve dans le commerce des T de réglage compensés en pression couvrant la plage de 40 à 150 l/h

B) Radiateur basse température

DT1 = 40 – 20 = 20°C

DT2 = 50 – 30 = 20°C

Surface de chauffe

S = P / (DT1 x j ) = 2000 / (20 x 10) = 10 m²

Débit dans le T de réglage

On trouve le même débit Q = P / (DT2 x c) = 2 / (20 x 4,18) = 0,024 kg/s ou 86 litres/heure

La pompe centrifuge

Les réseaux de tuyauteries alimentant les radiateurs hydrauliques des immeubles anciens sont très largement dimensionnés. Les pertes de charge linéaires dans les collecteurs horizontaux et dans les colonnes montantes et descendantes sont en pratique négligeables. La caractéristique débit-pression de la pompe centrifuge alimentant ces réseaux doit être telle que lorsque l’on additionne tous les débits unitaires de l’ensemble des radiateurs constituant le réseau, la pression de refoulement de cette pompe soit au moins égale à la hauteur de refoulement (Nombre d’étages x hauteur sous plafond), majoré de la pression différentielle du T de réglage.

Équilibrage thermique d'un immeuble

Il comporte deux postes :

A L'équilibrage du bâti

Il est important de prévoir des épaisseurs d'isolants homogènes de telle sorte que les déperditions soient comparables entre les différentes terrasses ou façades d'un immeuble. L'équilibrage hydraulique pour utile qu'il soit ne doit pas être réalisé lorsque l'isolation du bâti manque d'homogénéité et comprend des déséquilibres thermiques provoqués par des épaisseurs d'isolants hétérogènes avec des coefficients de déperditions différents entre les terrasses ou façades d'un immeuble.

B L'équilibrage hydraulique

La température de l’eau envoyée dans le réseau de chauffage est réglée par un professionnel de telle sorte qu'à une température extérieure corresponde une température de l’eau de chauffage au départ vers les radiateurs ou les planchers chauffants hydrauliques donnée. C'est une vanne à trois voies qui assure ce réglage en mélangeant plus ou moins l’eau chaude qui sort de la chaudière avec l’eau refroidie qui revient des appartements. Une seule valve par immeuble assure généralement ce réglage. L'immeuble peut aussi être victime d'une mauvaise réalisation lorsque qu'une seule valve alimente deux planchers chauffants connectés en // et coulés dans la même dalle en béton sans qu'il soit possible de les dissocier.

Cette régulation peut parfois être affinée lorsque le bâtiment peut être divisé en secteurs homogènes ayant des besoins en chauffage différents. : Dans l'immeuble d'habitation ci-dessus on constate par exemple la façade sud située côté jardin intérieur peut éventuellement faire l'objet d'une régulation distincte. On pourrait aussi décider de prévoir une régulation de ce type en face nord exposée au vent en agissant sur une valve 3 voies attenante au collecteur 4. On observe que la décision de s'engager dans cette voie complique la régulation de l'ensemble. Les valves d’isolation en pied de colonne peuvent avantageusement être remplacé par des valves dites TA. Ces valves TA présentent l’avantage de servir de valve d’arrêt permettant d’assurer un démontage des radiateurs ou autres organes hydrauliques alimentés par cette colnne sans que le réglage du débit en fonctionnement ne soit affecté (Ces valves sont de plus parfois compensées en pression)

La courbe de chauffe de la chaufferie

Cette courbe, en théorie une ∆droite, est affichée en chaufferie. Elle est tracée pour une température dans les appartements faisant l'objet d'un consensus des copropriétaires occupants. Elle permet de faire la relation entre la température de départ vers les radiateurs ou les planchers chauffants et la température extérieure mentionnée en abscisse. Sa connaissance est importante puisqu'elle fixe le besoin thermique de l’immeuble à chauffer. Elle permet aussi de définir la température à laquelle le système doit commuter du gaz vers le chauffage thermodynamique et inversement si la chaufferie est équipée d’un complément ENR de telle sorte que le COP soit le meilleur possible. En raison de l'inertie thermique du bâtiment, cette température de départ peut être baissée de quelques degrés pendant la nuit sans que la température dans les appartements ne chute de façon significative. La courbe de chauffe est souvent plus basse dans le cas des planchers chauffants. La connaissance d’un seul point P en hiver permet de tracer la droite de chauffe qui passe naturellement par le point 20 - 20°C.

Isolation et température de chauffe

En améliorant l’isolation des logements on ne fait pas qu’économiser de l’énergie, on améliore aussi les performances du chauffage thermodynamique. On baisse en effet la température requise dans les radiateurs pour assurer notre confort. On peut encore diminuer la température du circuit de chauffe en agissant sur le dimensionnement des émetteurs thermiques. Les planchers chauffants avec leur surface d’échange importante nécessitent des températures moins élevées que les radiateurs hydrauliques. Lorsque l’on souhaite installer un chauffage thermodynamique dans un immeuble équipé de radiateurs hydrauliques on a généralement intérêt à augmenter leur surface de chauffe pour améliorer les performances. On déduit ainsi d’une façon significative et à confort équivalent le besoin en énergie primaire (gaz, électricité, fioul.) Une pompe à chaleur haute température peut aussi être une solution à ce problème mais le circuit hydraulique est plus complexe..

Les radiateurs ACOVA en acier de cet appartement sont restés dans les configurations ouvertes (O) ou fermé (F) sans modification pendant la nuit :

Pièce	Taille (largeur/hauteur)	Surface frontale m²	Ouvert/fermé	RXD 50 75/65 kW	RXD20 55/45 kW
Salle de bain	300x900	0,27	O	0,8	Une température de 55°C au condenseur de la PAC conduit à un COP mini de 3 4 kW
Séjour	850x900	0,77	O	2
Chambre 1	600x900	0,54	F	1,4
Chambre 2	500x900	0,45	F	1,2
Cuisine	600x900	0,54	O	1,4
Surface frontale totale		2,57 m²		total 6,8 kW

Compte tenu de l'épaisseur de 9 cm et de l'espacement des ailettes 3 cm la surface totale de rayonnement de ces radiateurs est égale à la surface frontale x 4

Le calcul ci-dessus consistant à calculer la nouvelle puissance avec un Δθ de 30 au lieu de 50 entre la température du radiateur et l'air de la pièce proportionnellement à l'écart de température est grossier. Le calcul est un peu plus compliqué pour la raison qu'il faut tenir compte d'une variation exponentielle comme pour la plupart des phénomènes thermodynamiques. La puissance de 4 kW est donc ramenée à sensiblement 3,1 kW. Soit environ 220 kW pour l'ensemble de l'immeuble si l'on considère que l'appartement ci-dessus de 68 m² représente la valeur moyenne des 72 appartements constituant notre immeuble. On remarque donc que si l'on réalise l'isolation sans y inclure l’isolation totale des façades de l’immeuble pour des raisons de coût, les radiateurs peuvent être conservés en l'état puisque la puissance maximum à fournir par la PAC (150 kW) après isolation est inférieur à la possibilité des radiateurs existant de 223 kW

En cas de surchauffe dans un appartement la fermeture des robinets d’isolement à commande manuelle permet à l’occupant de baisser la température ambiante. Le fait de fermer le radiateur principal dans le séjour surchauffé à 23 °C d’un petit appartement de 70 m² situé au 1er étage a provoqué une chute de température très lente dans cette pièce de 1°,5 C au bout de deux heures. Lorsque la régulation d’un chauffage collectif est mal réglée le système asservi peut se comporter comme si l'on avait coupé la rétroaction le système allant en saturation. Il peut aussi être sujet à oscillation si le gain est trop élevé. Le personnel en charge du contrat de l'entretien de la chaufferie doit être capable de gérer ces problèmes. Le dispositif robinet simple et T de réglage non compensé en pression a le mérite de la simplicité mais n’est pas très intelligent dans la mesure où il est incapable de réguler automatiquement la température de la pièce. L’utilisation de robinets thermostatiques sur de petits radiateurs tel que ceux prévus dans les chambres ou les salles d’eau assure cette régulation automatiquement mais le circuit doit être propre et désemboué. Les soupapes thermostatiques ne sont pas recommandées dans les pièces de vie si l’on souhaite évolué vers le chauffage thermodynamique et il est préférable dans ce cas de prévoir des robinets d’isolement ordinaires dans les pièces de vie principales ces robinets restant toujours ouverts afin de garantir un débit suffisant dans le réseau. Ces points sont à discuter avec un chauffagiste expérimenté. Il y a quelques années, on s'assurait que le volume total d'eau contenu dans le circuit était compatible avec la puissance de la machine. Ce volume devait être supérieur à 15 litres/kW pour assurer un fonctionnement correcte de la pompe à chaleur avec la régulation tout ou rien du type on-off. Ceci de telle sorte que le cycle ne soit pas trop court (les démarrages et arrêts trop fréquents étaient néfastes à la longévité des compresseurs et à la performance du chauffage. Il fallait alors ajouter un ballon tampon monté en série dans le circuit si les volumes de fluide étaient insuffisants. Depuis l’arrivée des dispositifs à vitesse variable type « inverter » la taille du ballon tampon peut être notablement réduite.

Nota important concernant les radiateurs existants

Il est reconnu que les radiateurs des immeubles anciens et construits avant 1970 sont sensiblement surdimensionnés. Le calcul ci-dessus effectué pour un immeuble datant de 1968 équipé de radiateurs en acier le prouve. Toutefois on améliore notablement les systèmes de chauffage à énergie renouvelable telle que les PAC fonctionnent en baissant la température du circuit chauffage à 40 ou 45 °C au lieu des 60 à 80 °C d’une chaudière classique ancienne génération. En baissant la température au condenseur de 10°C on améliore le rendement de la PAC de 20% et la consommation électrique annuelle dans les mêmes proportions ce qui est loin d'être négligeable. Toutefois, pour peu que l’on procède à une isolation préalable de l'immeuble à minima, il peut être intéressant financièrement pour la copropriété de prévoir une chaufferie avec PAC en relève de chaudière à gaz en mi-saison sans changer les radiateurs d'origines. (La revue "Le particulier 1018 de novembre 2007 arrive à une conclusion comparable). Il pourrait être toutefois préférable dans le cas d'une copropriété ayant une courbe de chauffe plus défavorable de financer la pose de radiateurs de taille plus importante dans les pièces de vie plutôt que de passer à une PAC haute température à deux fluides caloporteurs plus complexe.

Le remplacement des radiateurs dans les pièces de vie (salon ou pièce de séjour) peut être une solution intéressante pour la copropriété dans le cas ou l’on envisage la mise en place d’une PAC eau-eau fonctionnant l’hiver en substitution de chaudière. Elle semble à nouveau préférable au circuit hydraulique plus complexe d'une PAC haute température

Les ventilo convecteurs hydrauliques

Les ventilo convecteurs hydrauliques ou aérotherme comprennent un ventilateur et un radiateur à ailette parcouru par un circuit d’eau chaude. Ils sont généralement utilisés pour chauffer de gros volumes tels que des dépôts d’usine. Peu encombrants, ils pourraient faire leur apparition dans le collectif pour le chauffage thermodynamique exigeant un circuit basse température

.

Ils améliorent les transferts thermiques par convection et font leur apparition dans le chauffage thermodynamique en raison de leur faible encombrement.

Ils sont peu bruyants malgré le dispositif de ventilation à vitesse variable située en partie basse (Type Aqualix2)

Le système de contrôle, indépendant de la régulation chaufferie, comprend un émetteur servant d’organe de réglage de la température ambiante disposé dans la pièce de vie et un récepteur monté à l’intérieur du ventilo convecteur (liaison non filaire) L’ensemble du dispositif doit être installé par des professionnels

Emetteur-récepteur Delta Dore

Les planchers chauffants hydrauliques

Ils sont la plupart du temps à basse température (40 ou 45 °C) et sont par nature mieux adaptés au chauffage thermodynamique que les radiateurs hydrauliques. Un inconvénient de cet émetteur est l'Intégration des tuyauteries dans la dalle. Contrairement aux tuyauteries d'alimentation des radiateurs généralement accessibles les tuyauteries d'alimentation des planchers chauffants sont en effet intégrées aux dalles en béton ce qui peut compliquer la mise en place de valves complémentaires.

Les convecteurs électriques

Les arguments utilisés pour commercialiser les radiateurs électriques à effet Joule constituent, selon les <Lutins thermiques> une arnaque commerciale intolérable. James Prescott et ses amis anglais, à l’origine de cette chaîne énergétique peu lumineuse qui lie la <petite calorie> au <Joule> *, doivent selon les Lutins se retourner dans leurs tombes lorsqu’ils constatent ce que l’homme a fait de leur découverte. L’opinion des Lutin thermiques est que la vente de ces produits est une indécence vis-à-vis de ceux qui ont froid et qui ont du mal à payer la note en fin de mois à l’EDF. Ils vont même jusqu’à estimer que cette maladroite prime individuelle de chauffage versée selon le < Magazine Capital > aux fonctionnaires du Sénat est moins grave de conséquence sur le plan social et environnemental que la non reconnaissance des erreurs passées de la RT 2005 ayant entraînée la mise en vente de ces « convecteurs électriques » au rendement déplorable sur le marché de l’habitation principale. Il est normal selon les Lutins que l’énergie profite à ceux qui la comprennent, certes, mais à condition que cela ne desserve pas à ce point ceux qui ne la comprenne pas, même si ce manque de compréhension relève de l’ignorance et d’une certaine paresse intellectuelle.

* L’équivalent électrique d’une petite calorie (quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’eau de 1°C) est de 4,18 joules