Dimensionnement des installations de chauffage

TERM
10/20/2003
Dimensionnement des installations de chauffage
Jean-Marie SEYNHAEVE
• Estimation de la puissance thermique à installer
Logique de dimensionnement
Déperditions calorifiques (Norme NBN 62-003) (« K55 »)
Approche globale par ratios
• Besoins annuels d’énergie de chauffage
• Dimensionnement des corps de chauffe
Radiateurs - convecteurs
Chauffage par rayonnement (sol – plafond)
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
1
Estimation de la puissance thermique à installer
Logique de dimensionnement
-10 °C
20 °C
P+
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
Les écoulement de fluide dans l'industrie
P-
2
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Estimation de la puissance thermique à installer
Déperditions calorifiques : NBN 62-003
• Déperditions calorifiques totales
Qn = (Qt + Qv )(1 + M 0 + M cw ) W
Qt : déperditions par transmission d’un local
Qv : déperditions par ventilation (infiltration)
M0 : facteur de majoration « orientation du local »
Mcw : facteur de majoration « parois froides »
• Températures de référence
Température extérieure de base
Température intérieure souhaitée (20, 22-24, 16-18, 16, 5 °C)
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
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Estimation de la puissance thermique à installer
Déperditions calorifiques : NBN 62-003
Évaluation sur base du niveau « K55 » du bâtiment : NBN 62-003
At =
∑
i= parois
Ai


Ak =  ∑ ai ki Ai  + Ponts Thermiques
i= parois

Coefficient moyen de transmission
Compacité du bâtiment :
=
V
At
ks =
Ak
At
W/K
W/K/m2
⇒ Détermination du « K » du bâtiment (voir diagramme)
voir exemple de calcul NBN 62 - 301
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Estimation de la puissance thermique à installer
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
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Estimation de la puissance thermique à installer
Déperditions calorifiques : NBN 62-003
⇒ Détermination de Qt :
Qt = Ak (ti − te )
⇒ Détermination de Qv : Qv = 0.34 βV (ti − te )
Où
0.34 : capacité thermique de l’air en Wh/m3/K
β : taux de renouvellement (h-1) =…1…
V : volume intérieur chauffé du bâtiment
ti : température intérieure moyenne du bâtiment (°C)
te : température extérieure de base (°C)
⇒ Détermination de la puissance chaudière :
1.27 pour les bâtiments tertiaires …
Approche globale par ratios
Qchaudière ≅ ...1,20...Qn
Ratio au m3 : 30 W/m3 … 70 W/m3
Exemple : 500 m3 à 40 W/m3 = 20 kW
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Besoins annuels en énergie de chauffage
Qn = (Qt + Qv )(1 + M 0 + M cw ) GV (ti − teb )
ti : température intérieure moyenne en °C
teb : température extérieure de base en °C
G : coefficient volumique des déperditions du bâtiment (W/m3/°C)
V : volume du bâtiment en m3
365
24
GV ti − te ( j ) kWh
j =1 1000
Eannuel = ∑
365
D15,15 = ∑ ti − te ( j ) ≅ 2100 degré-jours
Degré-jour ?
j =1
Nombre de jours : 254 jours
Différence moyenne annuelle : 8.25 °C
Puissance moyenne : 8.25/30 = 0.275 Puissance Nominale
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Dimensionnement des corps de chauffe
Radiateurs
Chauffage par convection naturelle :
1
Nu ( Ra )4
⇒
+ Chauffage par rayonnement :
Norme NBN D 13-001
 tmoy eau − tamb 

f1 = 


60


⇒ E60
1.3
f2 : coefficient de placement
Voir exemple
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Qray (Tr4 − Ta4 )
Température ambiante de 20 °C
Température moyenne eau de 80 °C (90 - 70)
Débit d’eau constant (en régime)
Puissance totale émise :
Qréel = f1 f 2 E60
1.25
Qconv ( ∆t )
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Dimensionnement des corps de chauffe
Convecteurs
• Chauffage par convection forcée :
tout
Pth = qm c p (tout − tin )
• Exemple de calcul :
Pth
Électrique
ou
Eau chaude
Ventilateur
Pth = 1 kW
tin = 20 °C
tout = 40 °C
cp = 1 kJ/kg/°C
qm
tin
⇒
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qm = 0.05 kg/s
qv = 200 m3/h
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Chauffage par rayonnement
systèmes classiques
corps de chauffe - aire réduite
- température élevée
chauffage par rayonnement
• sol/plafond = surface de chauffe
• aire élevée
• température faible
• pas de corps de chauffe
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Spécificités du chauffage par rayonnement
• chauffage à basse température
• rayonnement du sol
vers
- autres parois
- mobilier
- occupants
• effets convectifs faibles
(par transfert avec parois)
• bonne uniformité de la t° air
• excellent confort thermique
• grande inertie
• inaccessibilité des éléments chauffants
• coût
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Uniformité de température
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Réalisation
1. Systèmes à tubes d’eau
Documents TA-GOLV
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
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Réalisation
1. Systèmes à tubes d’eau
Documents TA-GOLV
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
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TERM
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Réalisation
1. Systèmes à tubes d’eau
Document TA-GOLV
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
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Réalisation
1. Systèmes à tubes d’eau
Document BRIOTHERM
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Réalisation
2. Systèmes électriques
Document CSTB
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Calcul thermique simplifié
Modèle 1.D
Plan chauffant (T0)
Ru = ∑  e  + 1
hu
k 
e
Rd = ∑   + 1
hd
 k d
T0 − Tau
Ru
T0 − Tad
=
Rd
qu =
u
qd
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upwards
downwards
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Coefficients de transfert
qc ≈ ∆T 5/4
qr ≈ T p4 − Ta4
qu = qc + qr
= hu (T pu − Ta )
Nu ≈ Ra1/4
Nu = hc L
k
g L3 β ∆T
Ra = ν
α
q
c
hc =
∆T
AMCO 2363 - Transfert de chaleur
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Exemple de calcul de puissance thermique
d’un chauffage par le sol
hu = 12 W/m2/K
tu = 20 °C
e = 0.06 m k = 1.2 W/m/K
e = 0.08 m k = 0.15 W/m/K
e = 0.12 m k = 1.2 W/m/K
hd = 8 W/m2/K
Ru =
td = 14 °C
0.08 0.12 1
0.06
1
+
+ = 0.758 m 2 K / W
+ = 0.133 m 2 K / W Rd =
0.15 1.2 8
1.2 12
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10
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Exemple de calcul de puissance thermique
d’un chauffage par le sol
q u =
t0 − tu
Ru
q d =
t0 − td
Rd
t p ,u = tu +
q u
hu
t p ,d = td +
q d
hd
Chauffage par rayonnement
Influence de la température de l'eau de chauffage
40.00
Up
Down
Up
Down
150.00
30.00
100.00
20.00
50.00
10.00
0.00
Températures de paroi (°C)
Puissance thermique (W/m2)
200.00
0.00
25
27.5
30
32.5
35
37.5
40
42.5
45
Température de l'eau (°C)
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Inertie thermique
• Température t0 : 35 °C
• Puissance : 112.5 W/m2
• Température paroi « up » : 29.38 °C
• Température moyenne : 32.19 °C
• Masse volumique : 2000 kg/m3
• Chaleur massique : 0.88 kJ/kg/°C
• Épaisseur : 6 cm
• Température initiale : 20 °C
E = Vρc∆t = 0.06 ⋅ 2000 ⋅ 880 ⋅ 12.19 ≅ 1.3 106 J
Temps =
E
≅ 3.2 h
3600Pth
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