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Auteur : les anciens

Eté 2008 : Brieuc.

Notes : 30.01.09

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Appareils de chauffage direct

Pour un appareil de chauffage direct, le dimensionnement est relativement simple : la puissance de chauffe P (kW) doit être au moins égale aux déperditions calorifiques Pn, déperditions normalisées calculées suivant la NBN B62-003.
On prévoit un léger surdimensionnement pour pouvoir atteindre plus rapidement la température de confort lors de la mise en température : P = 1,1 à 1,5 Pn, à moduler d’après le type de local. Par exemple : living 10 %, chambre à coucher 20 %, salle de bains 50 %.
Ce surdimensionnement n’entraîne que peu de conséquences énergétiques si la régulation de l’appareil est suffisamment précise et rapide.

Appareils de chauffage à accumulation

Un dimensionnement en puissance et en capacité de stockage.

Le dimensionnement présente un double aspect :

  • d’une part, il faut déterminer la puissance électrique des résistances Pe,
  • d’autre part, il faut choisir un noyau accumulateur capable d’accumuler et de restituer l’énergie calorifique Q nécessaire au cours de 24 heures.

Cette fois, le surdimensionnement de l’appareil peut porter à conséquence puisqu’une charge de nuit excessive entraînera des pertes par les parois supplémentaires. Sauf si une régulation précise limite cette charge. Le surdimensionnement entraîne alors seulement un investissement inutile.
Les besoins énergétiques Q [kWh] sont déterminés à partir des déperditions calorifiques du local, diminuées des gains thermiques gratuits provenant des apports énergétiques internes ou externes (éclairage, machines, soleil, … ). Pour un local du type « séjour », on démontrera plus loin que Q = 20 x Pn, [kWh].
La puissance électrique théorique des résistances PE [kW] doit être suffisante pour produire l’énergie requise Q en tenant compte du nombre d’heures de charge disponibles de nuit comme de jour : Q = PEx t (t = durée totale de charge).
La taille du noyau doit être adaptée à la quantité de chaleur à accumuler par cycle de 24 h et à la demande de chaleur (puissance calorifique à délivrer en fonction du schéma horaire de charge et de décharge de l’appareil).
En pratique, le dimensionnement des accumulateurs se fera de préférence suivant la méthode décrite dans la norme CEI, Publication 531, appendice B. Cette méthode est basée directement sur les mesures de performance d’accumulateurs décrites dans la même norme et effectuées au calorimètre.
Nous en reprenons ci-dessous la logique, car elle est suivie par les installateurs électriciens.

A. Informations préliminaires, comme données de base des calculs

  1. L’utilisateur donne un profil quotidien de la demande de chaleur.
  2. Les déperditions nettes résultantes Pr sont calculées comme égales à la Puissance normalisée Pn (suivant la NBN B62-003) diminuée des gains thermiques gratuits Pg.
  3. Le programme Journalier de charge est donné par le distributeur d’électricité.
  4. Le constructeur des appareils donne les caractéristiques de réponse de ses appareils (P)

B. Méthode de calcul

1. Profil journalier de la température du local concerné

Exemple pour le secteur de l’hébergement :

Diagramme de la température journalière.

2. Calcul de la demande de chaleur journalière

Les déperditions nettes résultantes Pr sont calculées comme égales à la Puissance normalisée Pn (suivant la NBN B62-003) diminuée des gains thermiques gratuits Pg
Exemple : Pn = 1 000 W, Pr = Pn – Pg

Demande de chaleur journalière.

A tout instant, la puissance de restitution P de l’appareil doit au moins être égale à Pr. Dans l’exemple, le cas le plus défavorable a été examiné, c-à-d. en supposant des gains thermiques Pg = 0 pendant la journée (d’où une puissance de chauffe P = 1 kW). Pendant la nuit, le facteur d’abaissement de Pr est de 0,56, dû aux diminutions des déperditions par abaissement de la température, fermeture des rideaux, stores, etc. ainsi que par diminution du taux de ventilation.
Du graphique de demande de chaleur, résulte la quantité totale journalière Q requise pour chauffer le local :

Q = Qjour + Qnuit = 15 [h] x Pn + 9 [h] x 0,56 x Pn

Q = 15 [h] x 1 [kW] + 9 [h] x 0,56 [kW]

Q = 20 kWh ou Q = 20 [h] x Pn

On parlera d’une durée nominale de chauffe tn égale à 20 heures.

Remarques

  • La valeur de 0,56 est arbitraire, elle arrondit simplement les calculs et d’obtenir un stockage égal à 20 h de fonctionnement à la puissance nominale (c.-à-d. la puissance par – 10°C extérieurs).
  • Le même raisonnement, appliqué au secteur tertiaire (bureaux) génère un stockage égal à 18 heures de puissance nominale (TN = 18 h).
  • Le choix d’annuler les gains gratuits de la journée va surdimensionner l’appareil.
  • Pour un local présentant des déperditions calorifiques de 1 000 W par une température extérieure de – 10°C et une température intérieure de 20°C, tout en tenant compte de 5 K de chaleur gratuite (base des calculs de consommation par la méthode des degrés-jours 15/15), Q se calcule comme suit :

Q = 24 [h] x 1 [kW] x ((20 – 5) – (- 10) / (20 – (10))

Q = 20 kWh

3. Diagramme journalier de charge ou de mise à disposition de l’alimentation des accumulateurs

Supposons les indices suivants :

  • 1 = tarif de nuit
  • 2 = tarif jour hors-pointes
  • 0 = pas de charge autorisée

Appelons :

  • durée totale nuit = t1
  • durée totale jour hors-pointes = t2

> Exemple 1 : 9 heures de charges (accumulation classique).

Accumulation classique.

> Exemple 2 : 8 h + 1 h de charges (accumulation classique avec relance).

Accumulation classique avec relance.

> Exemple 3 : 7 h + 9 h de charges (accumulation hors-pointes).

Accumulation hors-pointes.

4. Calcul de la puissance électrique théorique des résistances PE

PE = Q / (t1 + t2)

Pour l’exemple 1 : Pe1 = 20 kWh / 9 h = 2,22 kW
Pour l’exemple 2 : Pe2 = 20 kWh / 9 h = 2,22 kW
Pour l’exemple 3 : Pe3 = 20 kWh / 16 h = 1,25 kW

5. Détermination du facteur accumulateur fs

Pour comprendre ce que signifie ce facteur accumulateur, partons d’un cas imaginaire : le noyau se charge totalement, puis se décharge pendant 20 heures (hébergement) ou 18 heures (bureaux). La capacité d’accumulation devrait être égale à Q.
En réalité, la charge se fait en parallèle avec la décharge : à peine l’accumulateur monte en température, que déjà il se décharge partiellement par ses parois. En pratique, il ne devra donc stocker qu’une fraction de Q. Cette fraction est appelée FS.
Notre appareil imaginaire avait un FS = 1 et un appareil direct aura un FS = 0, puisqu’il se décharge aussi vite qu’il se charge.
Les facteurs accumulateurs standard en Belgique sont déterminés par les distributeurs d’énergie électrique :

  • exclusif nuit (9 h de charge) –> FS = 0,75
  • exclusif nuit + relance diurne (8 h + 1 h de charge) –> FS = 0,67
  • trihoraire (7 h + 9 h de charge hors pointe) –> FS = 0,35

6. Sélection de l’appareil dans le catalogue des fournisseurs

Le constructeur donne la réponse de ses appareils, pour un facteur accumulateur et un type de noyau donnés.
Exemple 1 : Accumulation classique 9 h (FS = 0,75)

Type de Noyau Résistance Pr [kW] Puissance normalisée couverte Pn,
si TN = 18 h
Puissance normalisée couverte Pn,
si TN = 20 h

A

2 1,0 0,9

B

3 1,5 1,35

C

4 2,0 1,8

Exemple 2 : Accumulation hors-pointes 7 h + 9 h (FS = 0,35)

Type de Noyau Résistance Pr [kW] Puissance normalisée couverte Pn,
si TN = 18 h
Puissance normalisée couverte Pn,
si TN = 20 h

A

1,3 1,15 1,05
1,6 1,30 1,20

B

1,8 1,60 1,44
2,4 2,10 2,07

C

2,7 2,40 2,16
3,2 2,75 2,45

Application : supposons que le local à chauffer présente des déperditions Pn (parois + ventilation) calculée à 1,15 kW. Il s’agit d’une occupation permanente (hébergement) donc TN = 20 h.
En raccordement exclusif nuit, l’appareil choisi sera un noyau de type B, équipé d’une puissance électrique réelle de 3 kW.
En raccordement hors-pointes, l’appareil choisi sera un noyau de type A, équipé d’une puissance électrique réelle de 1,6 kW.

Accumulation dans le sol

Concevoir

Le chauffage par accumulation électrique de nuit dans le sol nous paraît tellement inadapté dans la construction d’aujourd’hui qu’il ne nous paraît pas utile d’en décrire ici le dimensionnement.

Nous renvoyons cependant le lecteur intéressé à l’ouvrage cité ci-dessous, qui décrit très précisément la méthode de dimensionnement.
(Source : d’après « Le code de bonne pratique pour la réalisation des installations de chauffage électrique » – Communauté de l’Electricité – CEG).