4-5 - Les limites du chauffage par l'air
29/09/2012 -
Le principe de chauffage des maisons passives
Le principe de chauffage des maisons passives a été défini dans les chapitres concernant la définition du concept. Il est donc simplement résumé ci-après :
Dans une maison passive la puissance de chauffage est tellement faible qu’elle peut être fournie par l’air neuf amené par le réseau aéraulique de la VMC double flux à haute performance.
Pour donner une idée plus précise et plus concrète, la puissance de chauffage d’un sèche-serviette est généralement suffisante pour chauffer la totalité d’une maison passive sans aucune autre exigence particulière.
Les besoins thermiques
Dans une maison passive, les apports solaires et les gains internes sont pris en compte. Le principe a été défini dans le chapitre définissant les besoins résultant du bilan thermique. Il est donc simplement rappelé ci-après :
Besoins = Pertes - Apports
Besoins = Pertes par conduction + Pertes par ventilation - Apports solaires - Apports internes
La température de confort
Selon le principe de la conservation de l’énergie, les gains et les pertes du corps humain doivent s’équilibrer pour que sa température soit stable.
Le confort thermique optimal de l’homme s’obtient lorsque les déperditions du corps, par échange avec le milieu environnant, s’équilibrent avec sa propre production de chaleur.
Les situations considérées confortables ne sont pas le fait de choix arbitraires, mais le résultat de nombreuses enquêtes auprès de nombreuses populations en prenant en compte les principaux critères de confort suivants :
- Activité
- Tenue vestimentaire
- Température de l’air
- Vitesse de l’air < 0,1m/s
- Humidité relative
- Température des parois
- Différences de température locales, verticales et horizontales
La puissance minimale de chauffage
La puissance de chauffage amenée par le réseau aéraulique de la ventilation doit être suffisante pour équilibrer les pertes par transmission et par le renouvellement d’air, après déduction des apports solaires et internes, de manière à maintenir la température minimale de confort de 20°C.
Comme les apports solaires peuvent varier considérablement d’un jour à l’autre, la puissance minimale du système de chauffage ne peut résulter que du calcul de la puissance nécessaire un jour très froid, mais ensoleillé, et un jour modérément froid mais couvert et donc sans pratiquement aucun rayonnement direct.
Une approche intuitive de la puissance thermique
La compréhension du monde réel permet fréquemment de comprendre intuitivement, au moins en partie, les règles simples de la physique classique.
Il paraît notamment évident qu’une maison passive, chauffée par l’air neuf distribué par le réseau aéraulique de la VMC, sera d’autant plus facilement tempérée :
- que la différence de température ∆t entre l’air neuf chauffé et la température intérieure de la maison à 20°C sera importante,
- que la quantité d’air neuf amenée dans le local sera importante. Ce qui compte, ce n’est pas le volume seul mais le volume d’air renouvelé en permanence, c’est en définitive le débit D d’air neuf, le nombre de volumes d’air neuf et chauffé par unité de temps.
Le débit d’air
Parce que la qualité de l’air est indispensable à la santé, le débit de renouvellement de l’air d’une maison passive doit être fixé en fonction des besoins sanitaires, mais en aucun cas pour satisfaire ceux du chauffage. Si c’était le cas, il pourrait être trop faible pour obtenir un air intérieur de bonne qualité ou, au contraire, trop fort et provoquer, en hiver, un assèchement physiologiquement préjudiciable. Le débit d’air doit évacuer mauvaises odeurs, vapeur d’eau, gaz carbonique, vapeurs toxiques dégagées par des matériaux, radon… et réguler l’humidité de l’air, qui ne doit être ni trop humide ni trop sec.
Le débit de ventilation ne doit pas être réglé en fonction des besoins de chauffage, mais en fonction des besoins sanitaires.
Pour assurer une qualité adéquate de l’air intérieur, on considère que le volume de renouvellement de l’air doit être d’environ 1 m3/h par m2 de surface habitable, avec un maximum de 30 m3/h par personne pour éviter un assèchement trop important de l’air en hiver. La surface habitable moyenne par occupant est généralement de 20 à 30 m2. Le débit correspondant à la surface disponible par habitant peut donc également atteindre 30 m3/h. Débit maximum de confort et débit résultant à la surface habitable moyenne par habitant sont donc équivalents. Ils définissent le débit d’air maximal.
Dmax = 1m3/h/m2SHab
L’aptitude de l’air à transporter la chaleur
Un autre facteur, dont la compréhension est moins intuitive, intervient dans la quantité de chaleur transportable par le débit de renouvellement de l’air chaud.
Pour une température et une masse donnée, un corps, de quelque nature qu’il soit, solide, liquide ou gazeux, ne peut contenir qu’une quantité de chaleur spécifique maximale.
La puissance du chauffage par l’air résulte donc également de la chaleur spécifique que ce vecteur est capable de transporter par unité de masse.
La puissance de chauffage est limitée par l’aptitude du vecteur air à transporter la chaleur, sa chaleur spécifique aussi dénommée chaleur massique ou capacité thermique massique.
Le débit de l’air de la VMC étant exprimé en termes de volume par heure et non en termes de masse, la chaleur massique C de l’air peut être convertie en chaleur volumique en prenant en compte sa masse volumique ρ (Rhô) à pression atmosphérique normale qui correspond à sa densité.
La puissance thermique du renouvellement d’air
Au-delà de la simple intuition, les mesures physiques attestent que de la puissance thermique P résultant du renouvellement d’air est proportionnelle :
- au débit d’air en provenance de la VMC : D exprimé en m3/h
- à la masse volumique de l’air : ρ exprimée en kg/m3
- à la chaleur spécifique de l’air : C exprimée en kWh/kg•K
- à la différence de température entre l’air neuf et la température intérieure : ∆t exprimée en Kelvin (K)
P = D ρC ∆t
À pression normale ρ = 1,2 kg/m3 et C = 1 005 J/kg•K = 1 005 Ws/kg•K = 0,279 Wh/kg•K
(J : Joules et K : Kelvin, 0K = -273°C, 0°C = 273K)
Afin de simplification des calculs thermiques, c’est généralement la chaleur volumique correspondant au produit ρC qui est directement prise en compte.
ρCair = 0,33Whu/m3•K
Les limites du chauffage par l’air
L’air extérieur n’est pas pur. Il contient notamment des poussières qui peuvent s’agréger et provoquer des odeurs désagréables au-delà d’une température de 50°C. La différence de température entre l’air neuf chauffé et l’air intérieur est alors limitée à un maximum de 30 °C pour éviter la pyrolyse des poussières qu’il contient.
∆tmax = 30°C = 30K
La puissance maximale du chauffage par l’air
En remplaçant les termes de la formule P = D ρC ∆t par leurs valeurs respectives maximales, la puissance maximale de chauffage devient Pmax = 1*0,33*30 = 10 W/m2SHab
Pmax = 10 Wu/m2SHab
Cette puissance utile est à comparer à celles mise en place dans les constructions classiques traditionnelles qui peuvent dépasser les 100 Wu/m2SHab.
Possibilité de chauffage par l’air
L’air neuf amené grâce au réseau aéraulique de la VMC est en mesure d’assurer le chauffage lorsque la puissance minimale nécessaire à la construction peut être entièrement satisfaite par la puissance maximale de 10 W/m2Shab qu’il est capable de transporter pour satisfaire les besoins les jours très froids mais ensoleillés, comme les jours modérément froids mais couverts.
En résumé :
- La température de confort des maisons passives est de 20°C
- La température de chauffage maximale de l’air est de 50°C.
- La puissance minimale du système de chauffage résulte du calcul de la puissance nécessaire un jour très froid mais ensoleillé et un jour modérément froid mais sans rayonnement direct.
- La puissance maximale du chauffage par l’air est de 10 W/m2Shab.
- Le débit de ventilation ne doit pas être réglé en fonction des besoins de chauffage, mais en fonction des besoins sanitaires
- Le débit de ventilation nécessaire à la santé peut être estimé à 1 m3/h/m2SHab avec un maximum de 30m3/h par occupant.
Thème 4 - Les maisons passives