Diffuser la chaleur ; qu’entend-on par là ?
Un habitat est le lieu de vie d’êtres vivants, animaux ou humains.
Cet espace a vocation à protéger de divers risques : climatiques, agressions…
Une fois assurée la fonction protection contre les agressions et le climat, à l’identique de nombre d’autres espèces, homo sapiens essaie d’améliorer le confort de “son nid”.
Au fil de la progression des moyens, techniques, économiques, on en est arrivé à la recherche de confort, luxe qui semble, désormais, légitime.
Diverses études font apparaître que ce qui est un luxe (bien agréable) tend à devenir un besoin. Certains semblent même l’élever au rang de besoin primaire…
Pour y parvenir il est souvent nécessaire de chauffer.
Cet article est dédié aux moyens de diffuser la chaleur pour atteindre cet objectif de confort.
Préalable
Chauffer une maison est une nécessité … parfois.
En effet, on chauffe pour compenser les pertes de calories.
Les pertes s’opèrent principalement par convection (vidéo), conduction (vidéo) et rayonnement (vidéo) à travers les parois extérieures (un peu aussi par les fuites d’air). De la chaleur peut être puisée lors du changement de phase de l’eau passant de l’état liquide à l’état vapeur. Cette chaleur puisée est parfois transportée à l’extérieur sous forme de l’extraction de la vapeur d’eau contenue dans l’air, ce qui est nécessaire pour demeurer dans une ambiance confortable.
Les parois extérieures sont la frontière entre les parties intérieures habitées et les autres, extérieures ou non occupées (annexes, sous-sol, grenier…).
Attendu que c’est dans la partie habitée qu’il faut disposer de confort, c’est là qu’il faut compenser les pertes et … amener les calories de substitution.
Parler chauffage ne devrait donc pas consister à parler de chaudière mais de distribution des calories dans l’habitat.
Diverses solutions répondent à ce besoin
Provenance de la chaleur diffusée
Les appareils auto-suffisants
Il s’agit des systèmes qui, à la fois, produisent les calories et les diffusent. Nous leur avons consacré un article complet. Il s’agit des poêles centraux (de masse, à diffusion par convection, par rayonnement…) et autres.
Nous ne les développerons pas plus dans cet article et nous vous invitons à consulter notre dossier dédié.
Les appareils qu’il faut alimenter
Il s’agit de systèmes de distribution de la chaleur qui, par contre, ne la produisent pas. Il faut donc les alimenter en calories.
La chaleur peut provenir de diverses sources et être produite grâce à divers moyens.
Nous avons, ici, consacré un article complet à la production de chaleur et ne reviendrons donc pas sur ce sujet, nous consacrant uniquement à son transfert et à sa diffusion.
Transfert par air chaud
La chaleur disponible en sortie de l’appareil de production (chaudière…) est transportée sur le lieu où elle sera utile via de l’air pulsé dans des gaines destinées à cet usage.
Bouches de soufflage d’air
Des bouches situées dans les pièces ou les lieux à chauffer permettent la diffusion directe de la chaleur transportée. Ce système de diffusion est le plus simple qui se puisse imaginer : transport et distribution via un seul système.
Ce dispositif est généralement réservé au chauffage de gros volumes tels que des locaux commerciaux, pour diffusion dans du tertiaire (espaces pour des expositions…) ou pour le chauffage de bâtiments industriels.
Il permet un transfert simple et efficace de la chaleur, donc une augmentation rapide de la température, mais génère des courants d’air. Ces mouvements sont préjudiciables au ressenti de confort thermique, mettent en mouvement les microparticules et favorisent également le transfert, la diffusion, la mise en mouvement des COV, CIOV et microparticules.
VMC double flux thermodynamique
Nous avons déjà traité ici des VMC double flux. Sommairement, ces appareillages permettent de récupérer une partie des calories de l’air extrait afin de préchauffer l’air entrant.
Une VMC double flux intègre une pompe à chaleur, laquelle finit de chauffer l’air entrant avant sa distribution. Si une maison est correctement isolée, un tel appareillage peut suffire à la chauffer.
L’aspect coûteux en ressources et en consommables des VMC double flux souligné dans notre article selon le lien ci-avant est compensé par l’économie d’un système complémentaire de chauffage.
Demeurent les inconvénients de mouvement d’air soulignés ci-avant.
Transfert via un fluide
Le transfert par fluide est celui le plus couramment utilisé dans l’habitat individuel.
Deux types de fluides sont utilisés : l’eau et des fluides frigorigènes.
Fluides frigorigènes
Les fluides dits frigorigènes tirent leurs performances du fait d’excellents rendements thermiques lors de leurs changements de phase. Tous sont des gaz qui, une fois comprimés se liquéfient ou se condensent sous forme de vapeur à haute pression. Ceci s’opère avec une forte émission de chaleur vers leur environnement.
A contrario, ils dégagent beaucoup de chaleur dans leur environnement proche lors de leur phase de passage de l’état liquide (ou vapeur haute pression) à l’état gaz non comprimé. Cette phase s’appelle aussi “la détente”.
Il transfèrent donc de la chaleur issue non pas de la combustion d’un carburant ou de la captation d’un rayonnement mais suite à leur compression.
Eau
Il s’agit, ici, de transférer des calories produites grâce à la combustion d’un carburant (gaz, fioul, bois, charbon…) ou à la captation d’un rayonnement (panneaux solaires thermiques) via un liquide et de les distribuer vers le lieu de leur diffusion.
Divers liquides pourraient assurer cette fonction. Elle est généralement confiée à l’eau car ce liquide est largement disponible, le moins coûteux de tous et, surtout, doté d’une excellente capacité thermique massique (pdf) (par exemple, de l’huile minérale a une capacité thermique massique moyenne de 2 kj/kg/k contre 4,18 pour de l’eau).
Donc, avec un volume déterminé, ce liquide sera un de ceux qui transportera le plus de calories : le moins cher, le plus disponible, un des plus performants, pourquoi chercher autre chose ?
Les radiateurs
Le nom de radiateur a la même racine que radiant, basé sur le rayonnement.
Une évolution a engendré une autre famille, celle de ceux qui travaillent par convection.
Ils peuvent être chauffés directement .
Radiateurs radiants (ou rayonnants)
Ils travaillent par radiation, donc principalement par émission de rayonnement (vidéo), dans la gamme des infrarouges.
Pour ce faire, ils doivent répondre à trois critères : disposer d’une masse importante, laquelle peut être assurée par les matériaux qui les constituent, et que leur surface de rayonnement soit la plus étendue possible. Enfin, le matériau choisi pour les fabriquer doit disposer d’une bonne effusivité …
Par convection
Ces radiateurs sont légers, réalisés en tôle et disposent généralement d’un bloc dans lequel un volume important d’eau chaude permet de transmettre la chaleur à des ailettes. Ces dernières permettent de chauffer l’air alentour et en provoquer la mise en mouvement, ce qu’on appelle la convection (vidéo).
Comme déjà évoqué ci-avant, ces convections sont des mouvements d’air et ils sont cause de ressenti d’inconfort.
Si ces radiateurs permettent bien de chauffer l’air ambiant, ils nécessitent de chauffer à une température relativement élevée pour compenser le ressenti d’inconfort … et chauffer plus, c’est consommer plus, polluer plus …
Par ventilation
Ils sont par exemple utilisés dans les systèmes de pompe à chaleur air/air entre l’élément de compression qu’est la pompe à chaleur et l’élément de diffusion qu’est l’unité intérieure (le condenseur).
Ces appareils de diffusion de chaleur se présentent souvent sous la forme d’un système de ventilation d’air réchauffé au contact du condenseur.
Tout comme l’air pulsé génère de l’inconfort du fait des courants d’air, ces types d’appareils, bien qu’ils chauffent correctement, génèrent aussi de l’inconfort.
Blocs rayonnants
Ils fonctionnent sur le même principe que les radiateurs radiants ou rayonnants. Leur différence se situe dans le fait qu’ils ne sont pas des éléments rajoutés mais s’intègrent dans la structure et/ou dans le second œuvre des parois, sols, et plafonds.
Sols
Il s’agit de ce qui est plus connu sous le nom de chauffage au sol.
Il semble logique qu’ils aient été envisagés et… développés. Pourtant ils ne répondent à aucune logique du confort si on se place du point de vue d’une réponse objective à un besoin de ressenti de confort qui viendrait s’opposer aux causes de l’inconfort.
Autrefois les occupants des habitats vivaient soit sabots aux pieds, soit les pieds dans des chaussons. De plus les sols étaient le plus souvent soit de terre crue sous forme de terre battue, soit en bois.
La terre, sans rupteur avec le tréfond du terrain, présentait l’inconvénient d’une certaine humidité liée aux remontées capillaires et à sa capacité à capter la vapeur d’eau. Pour autant, en contact avec le tréfond, elle bénéficiait des émissions de chaleur qui en provenaient (pour rappel, loin de toute source de perturbation liée à la température de l’air ambiant, sa température se situe vers 11 à 12°)
Dans une ambiance générale se situant vers 12 à 15° alors qu’il gelait dehors, le sol était plus un apporteur de calories qu’une source de fuite (cependant handicapée par l’évaporation de l’eau, transformation consommatrice d’énergie)
L’inconfort des sols est apparu lorsque les habitats ont été chauffés à plus haute température, lorsque nous sommes passés à la généralisation de revêtements de sol caloporteurs (vidéo) et lorsque, dans le même temps, nous avons quitté les sabots de bois ou les chaussons à grosse semelle (type charentaises) pour opter pour des chaussures et chaussons légers à semelles fines.
La réponse des industriels a été : “Puisque le sol capte les calories des pieds (revêtements caloporteurs, semelles fines …), chauffons les ! “
Plusieurs systèmes sont proposés. Ils consistent généralement en la création d’une masse qui sera amenée à une température “dite de confort”.
Cette masse consiste en une chape à base de minéraux (là encore, plusieurs solutions : chape maigre traditionnelle, chapes liquides à base d’anhydrite, ou à base de ciment artificiel), laquelle sera chauffée selon les besoins.
Attendu qu’il s’agit ici de chauffer à des températures bien supérieures aux 10 à 15° du sol naturel, afin de ne pas y perdre de précieuses calories qui fuieraient par conduction, l’idée s’est répandue qu’il était nécessaire d’isoler sous la chape.
Ces systèmes présentent des avantages, particulièrement d’être confortables au contact direct des sols par les pieds. Ils permettent de stocker de la chaleur et donc de stabiliser la température tout en chauffant à des moments propices (chaleur disponible à bas coût soit par la captation directe du rayonnement solaire (par exemple dans le cadre d’une exposition directe derrière des vitrages), soit en consommant de l’électricité (Systèmes de chauffage par effet joule) en heures dites creuses (kWh moins cher)).
Ils présentent aussi des inconvénients, particulièrement au plan santé : si le sol est chauffé à une température trop élevée, il peut causer des désordres de la circulation sanguine.
Ils ont un temps de réponse différé, ce qui nécessite une certaine anticipation des besoins.
Enfin et surtout, ils émettent un rayonnement intéressant mais nous disposons physiologiquement de très peu de capteurs vers le sol, donc le rayonnement qui en provient n’est pas générateur de beaucoup de ressenti de confort.
Système à circulation chaud (aussi appelé “plancher hydraulique”)
La chape sera chauffée par un serpentin au sol et de l’eau, chauffée ailleurs, y circulera.
Ce système permet d’envisager diverses sources de production de l’eau chaude, tant au niveau des systèmes que de l’énergie utilisée.
Le réglage et la régulation sont possibles en “jouant” soit sur la quantité d’eau en circulation, soit sur sa température, soit sur les 2 à la fois..
Système électrique par accumulation
Si la chape est identique, c’est le système de production de calories qui change.
La masse est, ici, chauffée via une résistance électrique qui fonctionne sous l’effet joule.
L’inconvénient est bien sûr la dépendance à cette seule énergie.
Système électrique par rayonnement
Ce sont des films émetteurs de rayonnements infrarouges qui sont disposés sous des revêtements légers.
Ils éliminent les inconvénients de l’épaisseur et du poids de la chape, de son temps de réponse assez long et de la nécessaire anticipation des besoins.
Ils présentent une partie des mêmes inconvénients que les systèmes associés à une chape développés ci-avant : nous ne disposons que de très peu de capteurs vers le sol et le ressenti de confort n’est pas à la hauteur de la chaleur émise.
Dans les murs
Installer un serpentin contre un mur avant d’y réaliser un enduit à la chaux ou à la terre, voire avant de le plâtrer est un moyen d’en faire un accessoire de chauffage.
Cette solution est extrêmement pertinente car si notre organisme est peu pourvu de systèmes de captation et d’analyse de réception de chaleur provenant du sol, nous en sommes très bien pourvus sur notre surface exposée aux rayonnements horizontaux et de provenance zénithale.
Il faut donc moins émettre de chaleur depuis un mur que depuis un sol, pour un même ressenti de confort.
Le temps de réponse peut être assez court car le recouvrement du serpentin peut être faible. Il n’y a pas ici de contrainte mécanique importante telle qu’une capacité à reprendre des charges d’exploitation dans le cadre d’un plancher chauffant.
Cependant, pour qui souhaiterait stocker des calories, rien n’empêche de réaliser des enduits épais.
C’est d’ailleurs un moyen de chauffage direct utilisé par certains pour, suite à une production d’eau chaude solaire, éviter de stocker un excès de production instantanée de chaleur dans un réservoir d’eau.
Dans l’ancien, il est courant que l’allège des fenêtres soit en recul par rapport à l’alignement général du mur (partie de mur sous la fenêtre) .
Réaliser un béton de chanvre/chaux contre cette partie afin d’en limiter la conduction et y noyer ensuite un serpentin dans un béton de sable/gravier/chaux remplacera avantageusement un radiateur.
Nous connaissons deux handicaps à ce système.
Le premier résulte du fait qu’il est nécessaire, préalablement à l’emménagement, de connaître la place des meubles car mettre une armoire ou une bibliothèque devant un mur rayonnant est forcément contre-productif.
Il est aussi nécessaire de bien se souvenir où les serpentins sont installés afin, en cas de percement ou travaux, de ne pas les percer ou couper.
Comme pour les sols, il est possible, aussi, d’installer des films chauffant par émission d’infrarouges. Ils seront posés directement contre le parement, avant la réalisation de la déco.
Via les plinthes
Il est également possible de faire passer un serpentin dans les plinthes. Ceci peut se faire par fixation contre le mur via des colliers adaptés et enrobage dans un mortier de chaux/sable. En y collant ensuite une terre cuite ayant fonction de parement, on dote la pièce ainsi équipée d’un radiateur périphérique. Ceci générera une émission de rayonnement uniforme en provenance de diverses orientations, gage certain d’un ressenti de confort de haut niveau.
Des supports, souvent en terre cuite, disposant de deux rainures pour le serpentin peuvent faciliter le travail.
Certains appareillages complets, intégrant la plinthe elle-même et un système de chauffage intégré sont proposés. Ils sont parfois présentés en tant que chauffage par rayonnement. C’est un abus ; ce sont, pour la plupart des systèmes travaillant par convection. De ce fait ils ne procurent pas le niveau de confort que la communication dont ils bénéficient laisse espérer.
Plafonds
S’il semble impossible, ou en tout cas peu pertinent, de poser un serpentin en plafond et de l’enrober dans un enduit, il est tout à fait possible d’y installer des films électriques rayonnants.
Ce système est pertinent car, travaillant par émission d’infrarouges, il ne cantonnera pas la chaleur en hauteur mais inondera l’ensemble de la pièce d’un doux rayonnement.
Les émissions des infrarouges sont captées par le haut de notre organisme, donc via des zones bien dotées en “capteurs thermiques”.
A noter que ces panneaux peuvent être traversés par une pointe ou une vis sans gêne aucune à leur fonctionnement (ceci est aussi vrai pour leur emploi au sol sous parquet).
Ici comme dans les sols et les murs ci-avant, ce système présente le handicap d’une énergie unique et probablement assez onéreuse dans le futur : l’électricité.
Le tempérage
Comme pour les systèmes de murs rayonnants, il s’agit de chauffer les murs extérieurs directement dans la masse.
Des serpentins électriques sont intégrés avant la réalisation des enduits.
Nous consacrons un paragraphe spécifique à cette technique car, contrairement aux murs ou panneaux rayonnants déjà abordés, lesquels sont réalisés après l’isolation des parois extérieures, ici rien de tel, les murs sont conservés dans leur forme d’origine : de la masse mais pas d’isolation ou de rupture de conduction via un enduit léger ou autre moyen.
Les serpentins sont installés de sorte à suivre les parties naturellement froides des murs : les angles sortants, les côtés des menuiseries, les pieds des murs…
Ils sont installés vers le bas des murs car ceux-ci, naturellement, se réchaufferont vers le haut.
L’installation est simple et peu onéreuse. Les murs travaillent par accumulation et ne sont pas perturbés dans leur fonctionnement au niveau des transferts d’eau, tant les remontées capillaires que la migration de la vapeur d’eau.
Ce concept, importé d’Allemagne par un architecte qui le maîtrise parfaitement, Tankred Schöll, est très bien adapté aux bâtiments anciens remarquables et dans lesquels il faut conserver l’aspect originel.
Conclusion
La diffusion de la chaleur peut être confiée à divers systèmes, allant du sol au plafond en passant par les murs.
Non seulement le point d’installation peut beaucoup varier, mais de plus, les systèmes sont nombreux, tant pour le transfert que pour la diffusion.
Le transfert de chaleur se fait par deux fluides caloporteurs, l’air et l’eau.
La diffusion s’opère soit par la propulsion directe d’air via des gaines et des bouches de ventilation, soit par des radiateurs, des panneaux ou des sols chauffants, montés en température via de l’eau chauffée en amont.
Images : Pixabay, hicoTHERM
La lettre d'information de Claude Lefrançois, alias Papy Claude
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