Chauffage, chauffe eau

Connaître les besoins annuel en chauffage.

Afin d'avoir une estimation approximative de consommation de combustible, ce qui peut être intéressant pour définir le volume de stockage du fuel, du gaz propane ou granulés de bois, il est nécessaire de connaître les besoins annuels en chauffage. Pour ceci, plusieurs paramètres sont utiles :

1) Le coefficient de déperditions thermiques H, en kW/K (voir Calcul de déperdition )

2) Les DJU (degrés jour unifiés) en base x. La base couramment utilisée est la base 18 c'est à dire 18 °C de température intérieure corrigée donc, sans prise en compte des apports gratuits qui est aussi la température extérieure de non chauffage (Tnc). Il est possible de calculer les DJU pour une autre température. Les DJU sont calculés de la manière suivante : 18 - (moyenne journalière des températures mini/maxi). Toutes ces températures sont ensuite ajoutées pour avoir les valeurs par mois.

3) L'intermittence ou facteur d'intermittence. Sur une période suffisamment longue, l'énergie thermique nécessaire au chauffage d'un local donné est, en première approximation, proportionnelle à l'aire comprise entre la courbe représentant l'évolution de la température intérieure, en fonction du temps, et celle représentant l'évolution de la température extérieure.

Lorsque le maintien du niveau thermique de confort devient inutile, essentiellement en période d'inoccupation (nuit, fin de semaine, période de congés), tout abaissement de la température intérieure se traduit par une diminution de l'énergie consommée par l'installation de chauffage.

Plus l'abaissement de la température est prononcé, plus cet abaissement est maintenu longtemps à l'intérieur de la période d'inoccupation et plus les économies d'énergie qui en résultent sont grandes.

La valeur du facteur d'intermittence est fonction de plusieurs paramètres, comme l'inertie du bâtiment, les plages d'abaissement de la régulation, la température choisie pour les plages d'abaissement, etc...Le coefficient souvent utilisé par défaut est de 0,85. Si les plages de marche réduite et normale sont identiques pour toute la semaine, il est possible de calculer les DJU de façon un peu plus précise.

4) Les pertes fatales (pertes quasi inévitables). Comme pour l'intermittence, il est assez difficile d'estimer ces pertes. Une partie d'entre elles, sont les pertes par les fumées et leur pourcentage est fonction du rendement de la chaudière. Les autres pertes sont assez diverses comme les déperditions de la chaudière qui sont fonction de son isolation. Il est difficile d'estimer ces pertes car on ne connaît pas dans quelle mesure elle contribuent au chauffage du logement. Par exemple, si la chaudière se trouve dans la cuisine, ses déperditions participent au chauffage du logement par contre si elle est à la cave et que celle-ci est non isolée, une partie de ses déperditions est cédée à l'extérieur et une partie contribue au chauffage du logement en réduisant légèrement le DeltaT (différence de température) entre la pièce où se trouve la chaudière et celle du dessus. Il en est de même pour les conduites alimentant les émetteurs. On va donc estimer un pourcentage de pertes fatales d'environ 20% donc un coefficient de 0,80.

- 5) En dernier lieu, si le logement est très bien situé, la prise en compte des apports thermiques externes (solaires). Il est assez difficile de définir le coefficient qui permet de prendre en compte ces apports car ces derniers sont fonction de bien trop de paramètres. Il est possible de prendre en première approximation une valeur pour A de 0,9.

      
 

BILAN THERMIQUE

           Un bilan thermique sert au calcul des besoins en chauffage. Il peut être simple ou très compliqué selon ce que l'on recherche. Le calcul des déperditions thermiques, même simplifié, d'une pièce est un bilan thermique, celui de la pièce. Le calcul des déperditions thermiques, malgré la complexité de certaines formules, est assez simple et précis car les données d'entrée sont connues avec assez de précision. Là où le problème se corse, c'est de connaître les différents apports gratuits ou non, internes ou externes. Les apports internes (occupants, lumières, appareils ménager et autres, etc...) sont fonction du nombre d'occupants, de leurs comportements et de leur mode de vie. Les apports externes sont principalement les apports solaires (qui sont comptés seulement sur les parties vitrées, menuiserie comprise). Ces apports sont difficiles à quantifier, c'est pour cette raison que l'on utilise des valeurs par défaut.

            Les pertes thermiques par le système de distribution, de production et de stockage sanitaire sont elles aussi assez difficiles à estimer. De même que celles du système de chauffage. Sur les pertes de ces deux systèmes, il y a ce que l'on appelle les "pertes récupérables", pertes par distribution, production et stockage et qui peuvent éventuellement être récupérées quand elles se font dans des locaux chauffés ou des locaux non chauffés mais vers lesquels des locaux chauffés ont des déperditions thermiques. Les pertes des systèmes ECS et chauffage sont difficiles à quantifier car il n'est pas facile de savoir dans quelle proportion elles participent au chauffage du logement. Une chaudière dans une cave a des pertes thermiques vers l'air ambiant de la cave qui elle en a vers l'extérieur. Mais en ayant une température ambiante supérieure (ce qui est due à la présence de la chaudière), elle réduit les déperditions de la pièce située au dessus d'elle, donc une partie des pertes thermiques de la chaudière est, pour ainsi dire, récupérée.
            Un paramètre important entre aussi en ligne de compte, c'est l'inertie thermique du bâtiment. Cette inertie peut être de 5 classes, classe d'inertie très légère, légère, moyenne, lourde et très lourde. L'inertie joue surtout un rôle sur le confort des occupants. Avec une inertie lourde ou très lourde, si une pièce est équipée d'une grande baie vitrée ou d'une verrière tournée plein sud, l'énergie solaire captée par la surface vitrée va être absorbée par les planchers (haut et bas), les murs et le mobilier (les revêtements, planchers et murs jouent aussi un rôle non négligeable dans la capacité à absorber l'énergie). Ce stockage va éviter une montée rapide de la température ambiante de la pièce et donc un inconfort. Cette chaleur, stockée dans les parois, sera restituée sitôt que la température de la pièce commencera à être inférieure à celles des parois d'où une économie d'énergie par récupération de l'énergie solaire. Dans le cas d'une inertie légère, l'énergie ne pourra pas être stockée dans les parois, ce qui va provoquer un réchauffement rapide de l'air ambiant et causer un inconfort. L'occupant va alors ouvrir les fenêtres afin de limiter ce réchauffement ce qui va provoquer la perte de cette énergie gratuite.

Définitions.
- Local : Un local est un volume totalement séparé de l'extérieur ou d'autres volumes par des parois fixes ou mobiles.
- Espace chauffé : Est considéré comme local chauffé, un local ou volume fermé chauffé à une température supérieure à 12 °C en période d'occupation.
- Paroi opaque isolée : Paroi opaque dont le coefficient de transmission thermique U n'excède pas 0.5 W/(m².K) soit une résistance totale minimale égale à 2 m².K/W.
- Paroi transparente ou translucide : Paroi dont le facteur de transmission lumineux (hors protection mobile éventuelle) est égal ou supérieur à 0.05. Dans le cas contraire elle est dite opaque.
- Paroi verticale ou horizontale : Une paroi est dite verticale lorsque l'angle de cette paroi avec le plan horizontal est supérieur ou égal à 60 degrés, elle est dite horizontale lorsque cet angle est inférieur à 60 degrés.
- Liaisons périphériques : Liaisons situées au pourtour d'une paroi donnée.
- Liaisons intermédiaires : Liaisons situées à l'intérieur du pourtour d'une paroi donnée.
- Flux thermique en W : Quantité de chaleur transmise à (ou fournie par) un système, divisée par le temps.
- Conductivité thermique (Lambda, Lda), en W/(m.K) : Flux thermique par mètre carré, traversant un mètre d'épaisseur de matériau pour une différence de température d'un Kelvin entre les deux faces de ce matériau.
- Coefficient de déperdition par transmission H, en W/K : Flux thermique cédé par transmission entre l'espace chauffé et l'extérieur, pour une différence de température d'un Kelvin entre les deux ambiances. Les températures intérieure et extérieure, sont supposées uniformes.
- Coefficient de transmission surfacique U, en W/(m².K) : Flux thermique en régime stationnaire par unité de surface, pour une différence de température d'un kelvin entre les milieux situés de part et d'autre d'un système.
- Coefficient de transmission linéique Y, en W/(m.K) : Flux thermique en régime stationnaire par unité de longueur, pour une différence de température d'un kelvin entre les milieux situés de part et d'autre d'un système.
- Coefficient de transmission ponctuel X, en W/K : Flux thermique en régime stationnaire ramené à un point, pour une différence de température d'un kelvin entre les milieux situés de part et d'autre d'un système.
- Coefficient de transmission surfacique "équivalent" d'une paroi U_e, en W/(m².K) : Coefficient de transmission surfacique tenant compte à la fois des caractéristiques intrinsèques de la paroi et de son environnement (sol, vide sanitaire, sous-sol non chauffé ...)
- Résistance thermique R, en m².K/W : Inverse du flux thermique à travers un mètre carré d'un système pour une différence de température d'un kelvin entre les deux faces de ce système.
- Résistance superficielle R_s(R_siet R_se), en m².K/W : Inverse du flux thermique passant par mètre carré de paroi, de l'ambiance à la paroi pour une différence de température d'un kelvin entre celles-ci.

Symboles.

Note : le symbole a été remplacé afin d'éviter certains problèmes d'affichage de police à l'écran;
- le symbole "λ" qui représente le coefficient de conductivité thermique , devient "Lda",

Symbole	Grandeur	Unité
U	Coefficient de transmission surfacique	W/(m².K)
R	Résistance thermique	m².K/W
Lda (λ)	Coefficient de conductivité thermique (coefficient Lambda)	W/(m.K)
e	Épaisseur	m
A	Surface	m²
l, L	Largeur, Longueur	m
T	Température	K
HT	Coefficient de déperdition thermique par transmission entre le volume chauffé d'une part et l'extérieur,  le sol et les locaux non chauffés d'autre part.	W/K

Précisions sur R et U.
Petites précisions sur R (résistance thermique) et U (coefficient de transmission surfacique) afin de mieux appréhender ce qui suit.
Une résistance thermique s'exprime en m²-Kelvin par Watt. Exemple :
R = 2,5 m².K/W, ceci signifie que 2,5 m² de surface sont nécessaires au passage de 1 Watt quand la différence de température entre les deux ambiances que sépare le système (généralement une paroi) est de 1 Kelvin (ou 1 degré Celsius).
U = 1 / R (ou encore U = Lda / e), le coefficient U représente le flux thermique en Watt pour 1 m² du système quand la différence de température entre les deux ambiances que sépare le système est de 1 Kelvin. U s'exprime en Watt par m²-Kelvin.
Avec R = 2,5 m².K/W, pour avoir le flux de chaleur pour 1 m², il suffit de diviser 1 (m²) par 2,5 (m²). Ce flux, comme indiqué plus haut, est représenté par le coefficient U.
Si U = 1 / R alors R = 1 / U, exemple :
1 / 2,5 = 0,4 et 1 / 0,4 = 2,5.
R est donc l'inverse du flux thermique à travers 1 m² d'un système quand la température entre les deux ambiances que sépare ce système est de 1 Kelvin.

Résistance thermique d'un matériau.
           La résistance thermique d'un matériau est obtenue par la formule suivante :
R = e / Lda
(On peut connaître le coefficient Lambda si on connaît la résistance thermique, Lda = e / R ainsi que l'épaisseur si on connaît le coefficient Lambda et la résistance thermique, e = Lda x R).
La résistance thermique d'un composant de bâtiment constitué de plusieurs couches superposées, thermiquement homogènes et perpendiculaires au flux de chaleur, est la somme des résistances thermiques individuelles de toutes ces couches :
R = ∑ R_i

_{Calcul de déperdition}

          Le calcul des déperditions calorifiques peut être très complexe si l'on souhaite une assez bonne précision, car il nécessite l'emploi de nombreuses formules .

Ici je vais donner des formules simples pour déterminer les déperditions calorifiques d'une pièce ou d'un logement afin d'avoir une idée de ce qu'elles peuvent représenter.

            Je passe sur le calcul de déperdition des parois vitrées. Mais je vais vous donner, à titre indicative, sans aller plus loin dans les explications la formule permettant de calculer le coefficient (U_bât ) qui est le coefficient moyen caractérisant les déperditions par transmission à travers les parois, en W/(m².K).

Le coefficient U_bât se calcule de la façon suivante :
U_bât = H_T / A_T
A_T= la surface intérieure totale des parois qui séparent le volume chauffé de l'extérieur, du sol et des locaux non chauffés, en m².
H_T = est le coefficient de déperdition par transmission entre le volume chauffé d'une part et l'extérieur, le sol et les locaux non chauffés d'autre part en W/K. Il s'obtient avec la formule suivante :
H_T= H_D + H_S +H_U

ou :

H_D est la transmission directe vers l'extérieur.
H_D = ∑(A_i x U_i) + ∑(L_j x Y_j) + ∑(X_k)
A_i = surface intérieure de la paroi i de l'enveloppe du bâtiment, en m²
U_i = coefficient de transmission thermique de la paroi i de l'enveloppe du bâtiment.
l_j = longueur du pont thermique j, en m
Y_j = coefficient de transmission thermique linéique du pont thermique de la liaison j.
X = coefficient de transmission thermique ponctuel du pont thermique k.

H_Sest la transmission à travers le sol, un vide sanitaire, un sous-sol.
1- En contact direct avec le sol :

H_S = ∑(A_i x U_ei) + ∑(A_j x U_ej) x b_j
A_i est la surface intérieure de la paroi en contact avec le sol donnant sur l'extérieur, en m²
A_j est la surface intérieure de la paroi en contact avec le sol donnant sur le local non chauffé, en m²
U_ei est le coefficient de transmission thermique surfacique équivalent de la paroi A_i, en W/(m².K)
U_ej est le coefficient de transmission thermique surfacique équivalent de la paroi A_j, en W/(m².K)
b_j est un coefficient réducteur pour prendre en compte le local non chauffé situé entre le local chauffé et l'extérieur. (voir ci-dessous, coefficient b)
Le plancher doit être partagé en deux zones de dimensions respectives L_i et L_j servant au calcul de A_i et A_j avec :
L_j = min(L_u ; L_t / 2)
L_u est la dimension intérieure du local non chauffé (longueur ou largeur)
L_t est la dimension intérieure totale du plancher bas en contact avec le sol (L_t = L_i + L_j)

2- Donnant sur un vide sanitaire ou un sous-sol :

H_S = ∑(A_i x U_i)
A_i = surface intérieure de la paroi i en contact avec un vide sanitaire ou un sous-sol, en m²
U_i = coefficient de transmission thermique surfacique de la paroi i en contact avec un vide sanitaire ou un sous-sol, en W/(m².K).

H_Uest la transmission à travers les locaux non chauffés,.
H_U= ∑(H_iu x b_j)
H_iu = coefficient de déperdition par transmission (surfaciques, linéiques et ponctuelles) du local chauffé vers le local non chauffé j dont la température est supposée égale à la température extérieure, en W/K.
H_iu se calcule d'après la formule donnée pour H_D.
b_j est le coefficient de réduction de température (relatif au local non chauffé j).

Coefficient b.

             Le coefficient b est un coefficient de réduction relatif à un local non chauffé quelconque.
La valeur de b est obtenue en considérant que la température du local non chauffé (Lnc) résulte d'un équilibre entre les apports de chaleur venant du ou des locaux chauffés (Lc) et les déperditions du local non chauffé vers l'extérieur ou vers un autre local non chauffé. Ceci conduit à la formule suivante :
b = D_ue / (D_ue + D_iu)
D_ue est le coefficient de déperdition du local non chauffé vers l'extérieur ou un autre local non chauffé en W/K.
D_ue = H_ue + D_vue
H_ue est la somme de tous les coefficients de déperditions des différentes parois du local non chauffé donnant sur l'extérieur ou sur un autre local non chauffé.
H_ue = (voir H_D)

D_vue est le coefficient de déperdition par renouvellement d'air (air venant de l'extérieur dans le local non chauffé). D_vue = U_vue x A
A est la surface totale des différentes parois du local non chauffé donnant sur l'extérieur ou un autre local non chauffé
U_vue est l'équivalent d'un coefficient surfacique de la paroi située entre le local non chauffé et l'extérieur ou un autre local non chauffé, en W/(m².K). U_vue se calcule de la manière suivante :
U_vue = q_ue x 0,34, où q_ue est le débit d'air par m² de paroi exprimé en (m³/h)/m².
En l'absence de toutes valeurs précises du coefficient U_vue, les valeurs par défaut du tableau ci-dessous peuvent être utilisées :

Locaux non chauffés	Uvue en W/(m².K)
Garage, Cellier, Véranda	3
Comble fortement ventilé	9
Comble faiblement ventilé	3
Comble très faiblement ventilé	0,3

D_iu est le coefficient de déperdition du local chauffé vers le local non chauffé en W/K.
D_iu = H_iu + D_viu
D_viu représente le coefficient de déperdition dû au débit d'air entrant dans le local chauffé en provenance du local non chauffé. Ce débit étant généralement nul, D_viu = 0 de ce fait, D_iu = H_iu
H_iu = A x U_p + L x Y + ∑(X)

Calculs simplifiés des déperditions.

1ère méthode.
Pour avoir une idée des déperditions calorifiques approximatives du logement, ( hors BBC) multiplier le volume de la pièce par 40 Watts.
D_T= V x 40
V = volume en m³du logement ou de la pièce
40 Watts = puissance moyenne toutes régions confondues

2ème méthode.
D_T= U_bâtx V x DeltaT
V = volume en m³du logement ou de la pièce
DeltaT = est la différence entre la température de base (voir plus loin tableau et carte pour déterminer la température de base) extérieure et la température désirée à l'intérieur de la pièce.
U_bâtest le coefficient (ici détourné puisque normalement en W/(m².K) ) des déperditions en Watts par mètre cube par degré Kelvin ou Celsius.

U_bât= 0,59 W/(m³.K) notre habitation ( calculé précisément, par un calcul complexe.....)

U_bât= 0,65 W/(m³.K) habitation BBC.
U_bât= 0,75 W/(m³.K) habitation conforme à la RT en vigueur (construit après le 2 juin 2001 mais bon nombre de logements antérieurs à cette date étaient déjà conformes à la RT en vigueur).
U_bât= 0,90 W/(m³.K) habitation très bien isolée.
U_bât= 1 W/(m³.K) habitation bien isolée.
U_bât= 1,2 W/(m³.K) habitation mal isolée.
U_bât= 1,4 W/(m³.K) habitation non isolée.

Tableau et carte pour déterminer la température de base.
             Les déperditions calorifiques se calculent par rapport aux températures extrêmes dites températures de bases constatées minimum 5 jours dans l'année sur une période de 30 ans. Ces températures négatives sont en général atteintes la nuit donc pendant la période d'abaissement de la régulation ce qui réduit le DeltaT. Il serait donc possible de prendre les températures du tableau ci dessous et de leurs retrancher la différence entre la température de jour souhaitée dans la pièce et celle de la période d'abaissement mais dans la pratique ceci ne ce fait pas. Les résultats trouvées pour chaque pièce sont les émissions thermiques que doit produire le chauffage pour couvrir les déperditions quand la température extérieure atteint la température de base.

            Pour définir la température de base, utiliser la carte ci-dessous pour trouver la zone correspondante et se reporter sur le tableau pour trouver la température de base en fonction de la tranche d'altitude.

Tranche d'altitude	Zone (voir carte ci-dessous)
	A	B	C	D	E	F	G	H	I
0 à 200m	-2	-4	-5	-7	-8	-9	-10	-12	-15
201 à 400m	-4	-5	-6	-8	-9	-10	-11	-13	-15
401 à 600m	-6	-6	-7	-9	-11	-11	-13	-15	-19
601 à 800m	-8	-7	-8	-11	-13	-12	-14	-17	-21
801 à 1000m	-10	-8	-9	-13	-15	-13	-17	-19	-23
1001 à 1200m	-12	-9	-10	-14	-17		-19	-21	-24
1201 à 1400m	-14	-10	-11	-15	-19		-21	-23	-25
1401 à 1600m	-16		-12		-21		-23	-24
1601 à 1800m	-18		-13		-23		-24
1801 à 2000m	-20		-14		-25		-25
2001 à 2200m			-15		-27		-29

 

.... a suivre .....

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