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Un peu de théorie pour comprendre la convection La conduction, la convection et le rayonnement 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 radiateurs sèche-serviettes dans les salles de bain. La convection est un processus 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. 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 à sa surface, de son coefficent d'émissivité par rayonnement infrarouge et de la différence de température avec l'air ambiant.
La stratification induit une surconsommation théorique 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%).
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 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. Le fabricant canadien de radiateurs à inertie REDWELL a réalisé plusieurs études comparatives dans des appartements témoins. Les résultats indiquent des différences de consommation électrique comprises entre 30% et plus de 50%. 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. 
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). Pour les plans verticaux (panneau radiant et mur chauffant), on notera que la part de convection se réduit plus la hauteur de la surface chauffante est importante. Cet effet est dû au glissement vers le haut du flux convectif qui monte le long de la paroi chauffante et diminue à mesure que l'écart de température entre l'air et la paroi se réduit. Proportion de rayonnement des émetteurs de chauffage électrique Le transfert de chaleur global est l'addition du transfert radiant et du transfert convectif.
En supposant qu'un chauffage ait un taux de convection nul, l'air sera cependant réchauffé par micro-convections 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 résultante qui est une combinaison de la somme des températures radiantes avec la température de l'air. La convection est assurément l'ennemi du confort et des économies d'énergie ! |
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