4.5.2  Convection thermique

L’action « Prendre la chaleur, la porter et l’apporter » est appelée transfert de chaleur par convection.

1.    Port de l’énergie ou charge électrique par les plus petites particules d’un flux (physique).

2.    Apport de masses d’air dans une direction verticale.

Le flux ascendant naturel et spontané d’un fluide chauffé est appelé flux naturel, la conduite du flux par des tuyaux ou des canaux est appelée flux forcé.

La quantité de chaleur transmise par unité de temps par convection dépend :

·       de la différence de température entre le mur et le fluide,

·       de la taille de la surface murale,

·       des coefficients de conductibilité thermique du mur et du fluide, mais surtout

·       du type et de la vitesse du flux. Plus la vitesse du flux est grande, plus le nombre de particules qui entrent en contact avec le mur et ainsi reçoivent ou évacuent de la chaleur est grand.

Il est difficile de calculer le type, la direction et la vitesse du flux. Les praticiens savent que même le calcul le plus minutieux ne donne qu’une approximation du transfert de chaleur réel du mur au fluide et vice-versa. C’est pourquoi on utilise dans la pratique une valeur indicative. Cette valeur a souvent été établie par des essais pratiques et se trouve dans des tableaux et des diagrammes. Cette valeur indicative est appelée le

Coefficient de transfert thermique a (alpha)

La valeur alpha se réfère toujours à une superficie d’1 m² et définit combien de watts sont transférés d’un fluide au mur ou du mur au fluide lors d’une différence de température d’1K.

A titre d’exemple, voici quelques valeurs alpha pour l’air et l’eau :

Coefficient de transfert thermique a en    W/m² K

Air stagnant                              3 à      20
Air en mouvement                    20 à    100

Eau stagnante                       500 à   2000
Eau en circulation                2000 à   4000

Ces quelques exemples illustrent bien à quel point la vitesse d’écoulement influence le transfert thermique, surtout pour l’air. Pour l’eau, l’influence du flux n’est pas aussi forte parce que les particules de l’eau sont en contact plus étroit avec le mur que les particules fugaces de l’air.  Ces valeurs nous font comprendre pourquoi nous pouvons tenir notre main longtemps dans un flux d’air à 80°C, mais pas dans de l’eau à 80°C : le transfert thermique est environ 20 fois plus important pour l’eau.

Il y a des tableaux et des diagrammes donnant la valeur alpha pour tous les transferts thermiques se produisant en pratique, par ex. pour l’eau et l’air en fonction de la vitesse du flux aux surfaces du transfert thermique.

Connaissant le coefficient de transfert thermique (a) pour des conditions de flux données, on peut alors calculer le flux calorifique phi (F) à partir de la surface de mur donnée (A) et la différence de température (J_W - J_M) entre le mur et le fluide:

Flux calorifique (F) = a _* A _* (J_W - J_M) [W/m2K_* m²K] = [W]

fig. 4-26 Flux calorifique à un mur

Dans notre domaine, nous sommes intéressés par le transfert thermique de l’air ou de l’eau à une sonde de température, ou par la vitesse à laquelle nous pouvons obtenir une valeur exacte. Afin d’obtenir un bon transfert thermique, l’installateur d’un système de ventilation placera si possible la sonde de température en barre à une position dans le conduit d’air où la vitesse du flux est particulièrement grande.

Dans la pratique, cependant, nous ne sommes pas uniquement confrontés aux processus de transfert thermique dans lesquels le mur limite le fluide en mouvement. Nous sommes aussi confrontés à des processus où le mur sépare deux fluides en mouvement l’un de l’autre, par ex. deux gaz avec une température différente, deux liquides ou un gaz et un liquide.

Exemples :

·       Gaz de combustion chaud / paroi de chaudière / eau de chaudière

·       Eau chaude de chaudière / paroi de radiateur / air ambiant

·       Air ambiant / mur de maison / air extérieur

Tous ces exemples impliquent deux transferts thermiques. Nous nous intéressons à la quantité de chaleur qui est transférée à travers le mur. Par un mur de maison, on souhaite que la plus petite quantité possible de chaleur ne traverse. Par contre, par la paroi de la chaudière, on souhaite que la plus grande quantité possible de chaleur traverse. Ce transfert thermique à travers une paroi de séparation entre les deux fluides et impliquant un double transfert thermique est appelé transmission de chaleur.

Nous connaissons maintenant les facteurs qui déterminent la transmission de chaleur. Nous rappelons qu’il ne s’agit pas ici d’une simple conduction thermique car la condition sine qua non suppose un contact étroit entre les corps, ce qui n’est pas le cas pour des liquides ou des gaz situés d’un côté ou de l’autre du mur. La transmission thermique est considérablement influencée par deux coefficients de transfert thermique, ex.,

a₁    air ambiant / surface intérieur du mur, et

a₂    surface extérieure du mur / air extérieur, c’est-à-dire, deux paramètres (vent, etc.) qui sont difficiles à calculer. La transmission de chaleur est aussi influencée par :

·       la surface et l’épaisseur du mur

·       la conductibilité thermique du mur ou des différentes épaisseurs du mur
(par ex., crépi interne, maçonnerie, isolant, crépi externe)

·       la différence de température, par ex., entre la température ambiante et extérieure.

Quand on calcule les transmissions thermiques, on travaille presque toujours avec des valeurs empiriques ou des valeurs établies à l’aide d’expériences pratiques et de mesures. La valeur indicative pour la transmission thermique par une certaine construction de mur est le :

Coefficient de transmission thermique k [W/m² K]

Comme le coefficient de transfert thermique a, il est basé sur une surface murale d’1m² et définit combien de watts [W] traverse un mur quand la différence de température entre les fluides de chaque côté du mur est de 1 K. L’unité du coefficient de la transmission thermique est donc la même que celle du coefficient de transfert thermique.

Si on connaît la valeur k d’un mur, alors il n’est pas difficile de calculer le flux calorifique F à travers le mur (quantité transmise de chaleur).

La Fig. 4-27 montre les variables mathématiques comprises dans le coefficient k d’un mur quand le mur se constitue de trois couches d’épaisseur différente d et de différents coefficients de conductibilité thermique l.

fig. 4-27 Transmission thermique à travers un mur à trois couches

En réalité, bien entendu, les murs d’une maison ne se constituent pas toujours uniquement de trois couches, par exemple, de deux couches de briques et une couche isolante. A cela s’ajoute le crépi et peut-être le mur intérieur est-il recouvert de carreaux ou de boiseries.

De plus, il y a une différence entre une maçonnerie réalisée en briques ordinaires, briques cuites, briques creuses, etc. L’épaisseur de la maçonnerie varie aussi selon le but du bâtiment. Il n’est donc pas surprenant que les tableaux des valeurs k des matériaux de construction courants peuvent remplir plusieurs pages dans les manuels de technique du bâtiment.

Lors de la planification d’une installation de chauffage, on peut calculer à l’aide de ces valeurs k le flux calorifique à travers tous les éléments de construction de la maison. On connaît donc le flux calorifique, c’est-à-dire aussi les pertes de chaleur. Ainsi on sait aussi quel est le rendement de la chaudière et l’émission de chaleur des radiateurs dans chaque pièce. Cela permet d’être capable de compenser les pertes de chaleur même dans des conditions hivernales extrêmes. Nous approfondirons ce sujet plus tard. A ce stade, en résumé, nous pouvons dire que :

dans les systèmes HVAC, l’eau et l’air sont les fluides auxquels nous sommes généralement confrontés. Le transfert de chaleur d’un corps solide ou un mur vers ces fluides ou inversement se produit par convection, où nous différencions transfert thermique et transmission thermique. Le coefficient de transfert thermique a et le coefficient de transmission thermique k sont les valeurs caractéristiques du transfert de chaleur des fluides chauds vers des fluides plus froids. Leur utilisation nous permet de calculer non seulement les pertes de chaleur à travers les murs, fenêtres, portes et canalisations, mais aussi le rendement nécessaire de la chaudière et des radiateurs.