Choisir les corps de chauffe


Convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol ?

Les corps de chauffe se différencient par le mode d’émission de chaleur

  • convection pour les convecteurs,
  • rayonnement pour le chauffage par le sol,
  • convection et rayonnement pour les radiateurs.

Schéma convection et rayonnement.

Mode d’émission de chaleur des corps de chauffe.
Par exemple, un radiateur traditionnel à ailettes émet environ 70 % de sa chaleur par convection et 30 % par rayonnement. Ce rapport est de 50 % / 50 % pour un radiateur à panneaux sans ailettes.

Confort

Le « rayonnement doux » (c’est-à-dire à basse température) est le mode d’émission le plus confortable

  • sensation de confort globale la meilleure,
  • homogénéité des températures (peu de stratification des températures, pas de fort rayonnement sur une face du corps).

C’est ainsi que des grands radiateurs fonctionnant à basse température et le chauffage par le sol se démarquent légèrement des autres types de corps de chauffe.

Par exemple, une étude menée en France par le « GREC » (Groupe de recherche sur les émetteurs de chaleur) montre que faire fonctionner un radiateur en basse température (augmentant ainsi la part d’émission par rayonnement par rapport à la convection) diminue de 0,5 à 7,5 % le nombre d’insatisfaits. Un niveau plus bas de température de fonctionnement suppose un investissement et un encombrement supérieur. En contrepartie, la basse température d’émission présente aussi des avantages en terme de consommation de la chaudière.

Consommation

Convecteur ou radiateur ?

Un convecteur suppose une température de fonctionnement plus élevée que des radiateurs, ce qui implique des pertes de distribution et de production légèrement plus importantes (une chaudière à condensation est par exemple moins efficace avec des convecteurs).

Courbe de chauffe type pour des convecteurs, des radiateurs et du chauffage par le sol.

Cette différence de température de fonctionnement implique également que l’on ne peut raccorder des radiateurs et des convecteurs sur un même circuit de distribution. Chacun demande une régulation de température spécifique.  De plus, la transmission de chaleur via de l’air entraîne inévitablement une certaine stratification des températures.

Cela oblige d’augmenter la température moyenne de la pièce pour un même confort au niveau des occupants. L’impact est cependant faible pour les locaux d’une hauteur sous plafond de 2,5 .. 3 m. Il n’en va pas de même pour les locaux de plus grande hauteur. Surtout s’ils sont très mal isolés puisque pour fournir une puissance plus élevée, la température de l’air sera plus élevée.

Exemple. On observe un gradient vertical de :
  • Pour les radiateurs : 0°C/m (bâtiments très bien isolés) à 0,8°C/m (bâtiments anciens.
  • Pour les convecteurs : 0,5°C/m (bâtiments très bien isolés) à 1,2°C/m (bâtiments anciens).
  • Pour les planchers chauffants : 0°C/m (pour tout type de bâtiment).

Exemple de stratification des températures avec un chauffage par radiateur et un chauffage par convecteur, dans un local mal isolé (source : « Les émetteurs de chaleur » du Groupe de Recherche sur les Émetteurs de Chaleur de l’ADEME).

En conclusion, un convecteur n’est choisi par rapport à un radiateur que parce qu’il est moins cher et moins inerte. Il répond ainsi rapidement à une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion).

Lorsqu’il s’agit de locaux climatisés au moyen de ventilos-convecteurs (convecteurs avec ventilateur intégré), on ne dédouble évidemment pas les systèmes. L’émission de froid et de chaud est réalisée par le même appareil.

Chauffage par le sol

Par rapport aux radiateurs et aux convecteurs, le chauffage par le sol est plus difficile à situer. Il présente des grandes qualités et des grands défauts.

Sa consommation est fonction de sa situation :

  • Si le plancher chauffant est situé au-dessus d’une cave, d’un vide ventilé ou du sol, il présentera des pertes vers le bas qui peuvent devenir importantes cette perte peut rapidement dépasser 10 .. 20 % de la puissance émise, en fonction de l’isolation sous le plancher. Dans ce cas, le chauffage par le sol est clairement plus énergivore que le chauffage par radiateurs ou convecteurs.

Chauffage par le sol (au rez-de-chaussée) avec isolation insuffisante (seulement 2 cm de polystyrène expansé).

Calculs

Pour estimer la perte d’un chauffage par le sol situé au dessus d’une cave, en fonction du degré d’isolation : cliquez ici !
  • Si le plancher chauffant est situé entre 2 étages occupés, cette perte peut être négligée. Le chauffage par le sol peut alors être énergétiquement plus intéressant. Dans ce cas, les études du GREC le présentent comme 10 % moins consommateur. Cela s’explique par le fait que, puisque la température moyenne des parois (dont fait partie le sol) est plus élevée, la température de l’air ambiant pourra être plus basse, pour obtenir un confort équivalent.
  • Le chauffage par le sol sera alors d’autant plus intéressant s’il est associé à une chaudière à condensation. En effet la température de retour de l’eau dans un chauffage par le sol ne dépasse pas 40°C et permet donc la condensation toute l’année.

Nous tenons cependant à nuancer l’économie possible, présentée ci-dessus. Nous ne pouvons cependant pas quantifier cette nuance :

  • Par son inertie thermique importante, le chauffage par le sol peut conduire à des surchauffes (et donc des surconsommations) plus importantes que les autres systèmes. En effet, c’est l’entièreté de la dalle de sol qui est chaude. Celle-ci ne peut donc réagir instantanément à l’apparition d’apports de chaleur gratuits importants et, de plus, elle a perdu une bonne partie de sa capacité à absorber la chaleur excédentaire.
  • Ce phénomène est quelque peu contrecarré par les propriétés d’autorégulation du système : l’émission de chaleur du plancher diminue d’elle-même lorsque la température de l’air augmente et se rapproche de celle du sol (de l’ordre de 24°C). Mais avant que l’émission de chaleur devienne négligeable, la surchauffe se fera ressentir.
  • L’inertie thermique importante du système, réduit le gain que l’on pourrait réaliser en pratiquant une intermittence du chauffage en période d’inoccupation.
Exemple. La dalle de sol, au pied d’une baie vitrée est un régulateur de l’apport solaire : il emmagasine le rayonnement solaire durant la journée et le restitue (avec un déphasage) en soirée. C’est ce qui fait la différence entre un bâtiment massif et une caravane (ou une voiture).

Comparaison entre la chaleur instantanée due à l’ensoleillement et la chaleur réellement restituée au local, pour des bâtiments à forte et faible inertie.

Si ce « réservoir », ce « ballon tampon », est déjà en partie préchauffé par le système de chauffage, il ne peut guère remplir son rôle. Si encore, on pouvait prévoir l’arrivée du soleil … Mais le chauffage de la dalle devant être démarré 4 heures avant l’usage du local, il est impossible de prédire la présence du soleil. Un compromis ? Il est peut-être possible de diviser la dalle de sol en deux partie : un réseau alimentant la zone proche de la façade et un réseau plus intérieur au bâtiment. En mi-saison, seule la zone intérieure serait alimentée, gardant « au frais » le plancher susceptible d’être ensoleillé. Nous n’avons jamais rencontré une telle solution, qui reste donc théorique. On peut aussi dédoubler les systèmes : le chauffage par le sol peut assurer un chauffage de base et un chauffage par radiateurs ou convecteurs en complément, qui peut réagir rapidement à un apport de chaleur subit. Mais dans ce cas, on perd un des avantages du chauffage par le sol qui est l’absence d’encombrement (pas de corps de chauffe visible) et augmente les coûts déjà importants (le chauffage par le sol entraîne à lui seul un surcoût de 20 %).

Par exemple, le chauffage par le sol ne convient absolument pas pour une école dont le temps d’inoccupation et les apports de chaleur gratuits (élèves, ensoleillement) sont importants. Pas plus pour un restaurant. Il ne convient pas non plus pour tout local fortement ensoleillé.

Par contre, il convient tout à fait dans les locaux de grande hauteur (atrium, local avec mezzanine, …) pour lesquels la stratification des températures devient importante dans le cas d’un chauffage par convection.

Chauffage par le sol dans un grand hall.

En conclusion

Le chauffage par le sol est intéressant (tant au niveau du confort que de la consommation)

  • dans des locaux situés au-dessus de locaux chauffés,
  • non soumis à des apports de chaleur importants et variables (occupants, soleil, …),
  • à usage continu (de type hébergement).

Le chauffage par convecteur convient dans des locaux à une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion).

Dans tous les autres cas, le chauffage par radiateurs est le meilleur compromis confort/consommation.


Le chauffage par le plafond ?

Cela existe !

Photo chauffage par le plafond. Le principe de l’émission de chaleur est semblable à celui des planchers chauffants. Comme 90 % de la transmission de chaleur se fait par rayonnement, la stratification des températures dans le local reste réduite et les performances énergétiques bonnes.

Généralement, il s’agit de plafonds électriques. Mais il est également possible de combiner plafond refroidissant et plafond chauffant dans un même système. Cela permet d’éviter un dédoublement des systèmes et tout encombrement au sol lorsque l’on choisit une climatisation par plafond froid. A priori (nous ne disposons pas de résultats de mesure neutres), l’efficacité énergétique obtenue doit être semblable à celle des planchers chauffants (rayonnement, eau à basse température).

En pratique, une technique consiste à découper le plafond en plusieurs zones. Seule la bande de plafond proche de la façade sera alors alimentable en eau chaude. La puissance émise est suffisante pour chauffer des bureaux présentant des charges internes non négligeables.

D’après la littérature, le plafond chauffant donne des résultats semblables au chauffage par le sol, en ce qui concerne le confort et la consommation. Il présente, cependant une inertie moindre qui lui permet de réagir plus rapidement aux apports de chaleur gratuits. L’intermittence est également plus aisée, pour peu que l’on augmente la température de l’eau au moment de la relance, avant l’arrivée des occupants. Cela se justifie par le peu de surpuissance disponible par m² de plafond si on travaille à température de régime (puissance de l’ordre de 75 .. 90 W/m²).


Le chauffage par le système de ventilation mécanique ?

Dans les anciens immeubles de bureaux non isolés, la puissance nécessaire au chauffage est telle que le débit de ventilation hygiénique est insuffisant si on veut assurer avec celui-ci un chauffage aéraulique. La séparation des fonctions « ventilation hygiénique » et « chauffage » s’impose d’autant plus que le bâtiment est peu isolé et que les apports internes de chaleur (machines, éclairage, …) sont faibles.

Si on veut combiner ventilation et chauffage, un recyclage partiel de l’air doit être organisé pour augmenter les débits pulsés, ce qui surdimensionne les équipements de ventilation.

Par contre, dans les bâtiments de bureaux plus modernes, bien isolés, fortement équipés (ordinateur, imprimante personnelle), la puissance de chauffage nécessaire se réduit fortement, et avec elle, les débits d’air nécessaires pour un chauffage aéraulique. Dans ce cas, il peut être logique d’envisager la combinaison du chauffage et de la ventilation au sein d’un système double flux flux. Il n’y a plus alors d’autres sources de chauffage.

Exemple.

Prenons un bureau au sein d’un immeuble. La largeur de façade du bureau est de 4 m , pour une hauteur de 3 m. La profondeur du local est de 5 m. Le bureau est entouré (au-dessus, en dessous et sur les côtés d’autres bureaux. La façade est composée de vitrages sur une hauteur de 2 m et de maçonnerie pour le mètre restant. La température intérieure de consigne est de 20°C.

Le débit d’air neuf recommandé est de 2,9 m³/h.m², soit pour ce bureau de 60 m³, 58 m³/h ou un renouvellement d’air de 1 vol/h.

En imaginant que la température de l’air pulsé soit au maximum de 35°C, la puissance calorifique maximum transportée par l’air de ventilation est de :

0,34 [W/(m³/h).K] x 58 [m³/h] x (35 [°C] – 20 [°C]) = 296 [W]

Puissance et débit nécessaire pour assurer le chauffage par – 9°C extérieurs

Type de façade Puissance de chauffage Débit d’air nécessaire (température de pulsion = 35°C)
Mur non isolé, simple vitrage 1 682 [W] 330 [m³/h]
Mur isolé, double vitrage 673 [W] 132 [m³/h]
Mur isolé, double vitrage HR 394 [W] 77 [m³/h]
Mur isolé, double vitrage HR et 10 W/m² d’éclairage 194 [W] 38 [m³/h]

On voit que pour un bâtiment non isolé, il faut multiplier le débit d’air hygiénique par 5 si on veut combiner chauffage et ventilation. Cette majoration n’est plus nécessaire pour des bâtiments bien isolés avec un minimum d’apport de chaleur interne (éclairage, bureautique, ….).

Attention, si, pour assurer une puissance de chauffage suffisante, une majoration du taux de brassage d’air est nécessaire, elle doit se faire par recyclage d’une partie de l’air extrait. Le risque est de majorer le débit d’air neuf. C’est à proscrire car cela entraîne une augmente de la consommation non négligeable dans un bâtiment bien isolé.

Pour optimaliser la relance matinale du système de chauffage aéraulique, il faut prévoir la possibilité de travailler en tout air recyclé, l’apport d’air n’étant enclenché qu’à l’arrivée des occupants.


Dimensionnement des corps de chauffe

Actuellement les chaudières les plus performantes sur le marché sont les chaudières gaz à condensation.

La quantité de fumée condensée et donc, le rendement de celles-ci augmente lorsque la température de l’eau de l’installation diminue. Pour assurer une température d’eau minimale durant l’ensemble de la saison de chauffe, on a donc tout intérêt à dimensionner les radiateurs à un régime de température de 80/60 au lieu du 90/70 traditionnel, malgré une augmentation de la surface des radiateurs d’environ 26 % et un surcoût (sur le matériel) du même ordre.

Rappelons également que le chauffage par rayonnement à basse température est plus confortable.

Exemple.

Le coût global d’une installation de chauffage de 400 kW dans un nouveau bâtiment est de l’ordre de 120 000 .. 180 000 €.

Ce coût peut être comparé au surcoût de choisir des radiateurs dimensionnés en régime 70°/50° : environ 6 000 €.

> Quel est le gain réalisable sur le rendement de la chaudière à condensation ?

Lorsque les radiateurs sont dimensionnés en régime 90/70 (sans surdimensionnement), la température moyenne de retour des radiateurs sur l’ensemble de la saison de chauffe est de l’ordre de 43°C (avec une régulation en température glissante). Avec des radiateurs dimensionnés en régime 70/50, cette même température sera d’environ 33°C.

Pour une chaudière à condensation performante dans laquelle la température des fumées à la sortie est supérieure de 3°C à la température de retour de l’eau, le graphe suivant montre qu’en diminuant la température moyenne de l’eau de retour de 10°C, le rendement moyen de la chaudière à condensation augmente de 6 %.

Rendement utile d’une chaudière gaz en fonction de la température des fumées et de l’excès d’air (n = 1,3 équivaut à un excès d’air de 30 %). Pour un excès d’air de 20 %, une température de retour 43° C (équivalent à une température de fumée de 46°C) équivaut à un rendement utile de 97 %, une température de retour de 33°C (équivalent à une température de fumée de 36°C), à un rendement utile de 103 %.

Sur une consommation de l’ordre de 50 000 m³ de gaz, cela équivaut à une économie de l’ordre de 3 000 m³ de gaz par an ou environ 680 €/an.

Le même principe peut être appliqué aux autres utilisateurs comme les batteries à eau chaude dans les groupes de traitement d’air, les ventilos-convecteurs ou encore la production d’eau chaude sanitaire.

Ces équipements travaillent généralement à plus haute température. Il est conseillé de les surdimensionner pour diminuer leur température de fonctionnement, par exemple en leur appliquant un régime de fonctionnement 70°/40° (batteries à eau chaude, échangeurs à plaque  fonctionnant avec une température d’entrée de 70° et une température de sortie de 40°). Cette pratique qui, pour les batteries, n’est pas encore rentrée dans les habitudes, conduit à un surinvestissement rapidement rentabilisé en exploitation.

Raccordement hydraulique des corps de chauffe.

Dimensionnement des corps de chauffe.


Emplacement des corps de chauffe et rendement d’émission

Schéma sur l'emplacement des corps de chauffe.

Lorsque l’on place un radiateur le long d’une paroi extérieure, une partie de la chaleur émise est directement perdue vers l’extérieur :

  • le dos du radiateur rayonne directement vers la façade,
  • la température de l’air au dos du radiateur est plus élevée,
  • de l’air chaud lèche généralement les vitrages (radiateur en allège) ce qui augmente leur perte.

Anciennement, les corps de chauffe étaient, quand même, placés le long des façades pour compenser le rayonnement froid des murs extérieurs non isolés et des simples vitrages.

Ce choix ne se justifie plus aujourd’hui puisque l’isolation des murs et la présence des doubles vitrages (vitrages haut rendement) ont entraîné une augmentation

Il devient dès lors judicieux de placer les corps de chauffe le long des murs intérieurs, supprimant ainsi entièrement les pertes. Le gain réalisable est de l’ordre de 1 à 2 % sur le rendement d’émission et donc sur la consommation globale.

Photo de radiateurs devant des vitrages.

Il faut absolument éviter est le placement (malheureusement encore rencontré dans des bâtiments neufs) de radiateurs devant des vitrages (vitrages descendant jusqu’au plancher).

Emplacement des corps de chauffe.