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Un peu de théorie pour comprendre la convection

La conduction, la convection et le rayonnement par onde électromagnétique sont les trois modes de diffusion de la chaleur. Le transfert de chaleur se produit toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Les appareils de chauffage domestique transmettent essentiellement leur énergie par convection et par radiation qui se complètent presque à 100%. La conduction reste anecdotique, elle se rencontre dans le cas d'un contact direct avec la surface chaude d'un radiateur, comme dans le cas des pieds sur un plancher chauffant ou l'utilisation de sèche-serviettes dans les salles de bain.

La convection naturelle est un phénomène de transmission de chaleur qui s'appuie sur un mouvement des liquides et des gaz. Quand un volume d'air se réchauffe, il se dilate et sa masse volumique diminue. L'air allégé va donc s'élever sous l'effet de la poussée d'Archimède.


En convection naturelle, le fluide s'échauffe, se dilate et s'élève. Le mouvement du fluide résulte des différences de masses volumiques et de la force exercée par la pesanteur. Le fluide assure directement le transfert de la chaleur vers le milieu le plus froid.

Au voisinage de la paroi chaude et dans la zone d'écoulement laminaire, le transfert de chaleur se fait en grande partie par conduction avec la paroi et entre les différentes couches du fluide. Dans la zone d'écoulement turbulent, la chaleur circule fortement par transferts de masse lié au mouvement convectif. Une fine couche visqueuse de type laminaire reste accrochée à la paroi et participe faiblement aux transferts thermiques.

La complexité des échanges de chaleur entre solides et fluides rend difficile l'étude théorique de la convection, voire l'analyse expérimentale des phénomènes. On réteindra que La densité du flux varie avec la hauteur et l'épaisseur de la couche limite. Dans le cas d'une paroi chaude verticale, le flux tend à se stabiliser au delà des 30 premiers centimètres.


Convection naturelle laminaire et turbulente sur une paroi verticale


La répartition du transfert de chaleur entre convection et radiation d'un corps de chauffe dépend de nombreux facteurs. Il s'agit principalement des phénomènes d'écoulements laminaires ou turbulents de l'air, des coefficients de convection et d'émissivité par rayonnement infrarouge et de la différence de température avec l'air ambiant. Le fabricant définit la taille, les formes et choisit les matériaux de ses appareils de chauffage en rapport avec les propriétés attendues mais aussi en fonction du coût de production. Il est beaucoup plus facile et bon marché de concevoir un émetteur convectif qu'un rayonnant.


On retiendra comme facteurs déterminants :
  • L'orientation de la surface chauffante
  • L'écart de température entre l'air ambiant et la surface chauffante
  • La hauteur de la surface chauffante quand elle est verticale
  • Le coefficient d'émissivité IR des matériaux qui composent la surface chauffante
  • La forme, l'état de surface de la surface chauffante
  • La vitesse de déplacement de l'air (en cas de convection forcée)


Mouvement de convection de l'air dans une pièce


La convection naturelle produit le réchauffement de l'air ambiant et son déplacement vers le haut. Plus la différence de température entre l'air ambiant et l'air réchauffé est importante, plus la vitesse d'élévation et la stratification augmentent. C'est un phénomène généralement peut apprécié, source d'inconforts thermiques et de surconsommation d'énergie. Les améliorations apportées ces dernières années au chauffage électrique ont permis de réduire de façon notable la proportion de convection au profit des émissions radiatives. Les moyens pour réduire la convection se sont portées sur la baisse de la température d'émission ("chaleur douce") qui conduit logiquement à augmenter les surfaces actives et utiliser des matériaux à forte émissivité.

La stratification peut induire une surconsommation d'environ 35 %

Pour simplifier les calculs, nous avons partagé les volumes en 5 zones, en considérant que chaque degrés Celcius supplémentaire au dessus de la température de consigne (20°C) entraîne une consommation électrique du convecteur de sept pour cent (7%).

La mauvaise répartition de l'air chaud dans les volumes crée un gradient vertical. Pour obtenir la sensation d'une température de 20°C dans l'espace de vie, la température de l'air peut atteindre plus de 26°C au niveau du plafond. Plus la hauteur sous plafond est importante, plus le chauffage convectif se montre énergivore.

Le chauffage par air chaud est plus économique quand le mélange se réalise sans stratification. C'est le cas du chauffage à air pulsé souvent utilisé dans les maisons à ossature en bois dans les pays nordiques, et dans une moindre mesure avec les convecteurs basse température comme les plinthes chauffantes et les convecteurs "chaleur douce".


Surconsommation due à la stratification de l'air par la convection naturelle


Si les murs sont froids (mal isolés et/ou en contact avec l'extérieur), la température résultante tirée vers le bas de plusieurs degrés, obligeant à maintenir une température de l'air d'autant plus élevée. Ce phénomène n'est pas directement un facteur de surconsommation, mais l'inconfort thermique créé par l'air surchauffé sera important. Pour cette raison, le chauffage par air chaud est moins désagréable pour les occupants quand l'isolation est de très bonne qualité.

Le renouvellement d'air montre également les limites du chauffage par air chaud, même avec une faible stratification. Lorsqu'une pièce est aérée ou lorsque la ventilation fonctionne, la chaleur stockée dans l'air est directement chassée à l'extérieur de l'habitat, au contraire de l'énergie radiative stockée dans les parois et les objets qui est beaucoup moins sensible aux mouvements d'air.

Si un gaspillage d'énergie d'environ 30% par une très mauvaise répartition dans les volumes est une valeur communément admise pour les convecteurs haute température, type "grille-pains", il faut aussi tenir compte des phénomènes qui nuisent au confort thermique : point chaud, vagues de chaleur, écarts de température entre l'air et les surfaces. Ces sensations désagréables amènent généralement les occupants à pousser un peu plus le thermostat, ce qui rajoute 10 à 20% de consommation au bilan intrinsèque déjà très mauvais des convecteurs et autres panneaux radiants haute température.

Quantité de convection naturelle générée par une surface chaude

Les courbes de la puissance convective naturelle sont tracées selon la formule de Mac Adams. Elles montrent l'évolution des flux convectifs en fonction de l'écart de température (delta T) entre la surface chauffante et l'air ambiant.
courbe de la puissance de convection

Evolution de la transmission de chaleur par convection naturelle :

1 - Plus l'écart de température entre l'air ambiant et l'émetteur de chaleur est important, plus la convection s'accélère.

2 - Orientation de la surface chauffante : La convection est la plus forte avec un plan de chauffe horizontal orienté vers le haut (plancher chauffant), et la moins importante si l'orientation est vers le bas (plafond chauffant).

2 - Hauteur de la paroi : Pour les surfaces verticales, le coefficient de convection exprimé en watts par M².°C se réduit plus la paroi est haute. Cet effet est dû au glissement de l'air chaud vers le haut de la paroi et entraîne de fait une diminution de l'écart de température donc de l'échange convectif.


Coefficient de convection en fonction de l'orientation de la surface



Proportion de rayonnement des émetteurs de chauffage électrique

Le transfert de chaleur global est l'addition du transfert radiant et du transfert convectif.


Type d'émetteurTempérature de surfacePart de rayonnement
   
Convecteur mural...5% à 10%
Panneau rayonnant ouvertenviron 300°C15% à 25%
Radiateur basse températuremoins de 90°C35% à 45%
Plancher chauffant basse températuremaxi 28 °Cenviron 50%
Mur chauffantenviron 40 °Cenviron 60% selon la surface
Plafond chauffant basse températureenviron 40°C70% à 80%
Panneau en verre à résistance surfacique, radiateurs à infrarouge lointains...moins de 90°Cjusqu'à 90%selon les matériaux



En supposant qu'un chauffage ait un taux de convection nul, l'air serait cependant réchauffé par micro-convection au niveau des surfaces dont la température aura été élevée par le rayonnement. Cette convection secondaire douce est beaucoup mieux répartie dans l'espace, n'entraîne pas le déplacement des poussières et ne crée pas de gradient de température notable.

Par ailleurs, ce n'est pas la température de l'air qui donne la sensation de chaleur et de confort thermique, mais la température ressentie qui est la résultante de la températures radiante et de la température de l'air.



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