CORRIGE Choix de Solutions

TP Thermique des locaux

Choix de solutions

Mise en situation

Ce TP abordera deux points particuliers de dimensionnement :

− tout d'abord, nous allons voir comment choisir un système de ventilation adapté,

− ensuite, nous étudierons les éléments qui permettent de déterminer la taille des radiateurs.

Le support est une maison individuelle à rénover. La partie thermique est terminée : l'isolation a été

choisie en fonction de critères techniques et économiques, et nous avons donc les valeurs des déperditions

par transmission et renouvellement d'air données sur le plan.

On donne également les informations suivantes :

− période de chauffe : 5379h

− DJU : 66069 °C.h

1. Ventilation Cette maison est une ancienne grange qui a été aménagée en habitation à la fin des années 70. Un

conduit central de ventilation naturelle a donc été installé au moment des travaux. Nous allons dans un

premier temps déterminer la consommation de chauffage due à cette solution, puis nous étudierons d'autre

moyens plus modernes afin de choisir le plus intéressant en termes de consommation d'énergie et de coût

annuels.

1.1. Ventilation naturelle Ce système de ventilation a été dimensionné dans les règles de l'art. Nous pouvons donc nous baser sur la

norme NF EN ISO 13790 ou Pr EN ISO 13790 pour déterminer le débit total de renouvellement d'air dans

cette maison, donné à 260 m3/h.

• Calculez la consommation annuelle de chauffage due à cette ventilation.

kWh5,5840Wh58404996606926034,0DJUQ34,0C Vnat_Vent ========××××××××====××××××××====

1.2. VMC simple flux La solution précédente présente une variation de débit très importante en fonction du vent et de l'écart

de température entre l'intérieur et l'extérieur. On est donc trop ventilé en plein hiver et pas assez au

printemps et à l'automne. Une solution mécanique semble donc plus adaptée pour améliorer le confort

avant tout, mais également diminuer le débit de renouvellement d'air et donc la consommation de

chauffage.

1.2.1. Autoréglable

Une VMC autoréglable a un débit constant quelles que soient les conditions extérieures. Pour une maison de

cette taille, on place une bouche d'extraction de 30 m3/h dans la salle de bain et dans les WC, et une bouche

de 75 m3/h dans la cuisine. Les bouches d'entrée d'air sont installées de manière à répartir équitablement

l'air neuf dans les pièces de vie.

• Calculez le débit total pour la maison.

h/m135753030Q 3V ====++++++++====


kWh6,3032Wh30325676606913534,0DJUQ34,0C Vregl_Auto ========××××××××====××××××××====

Le fait d'installer une VMC implique logiquement une consommation électrique due au ventilateur. La

puissance de celui de la VMC autoréglable est donnée par le constructeur et vaut 35W en petite vitesse.

• Sachant qu'un ventilateur de VMC fonctionne sans arrêt, calculez sa consommation

électrique en kWh sur une année.

kWh6,306Wh3066002436535tPC AR_elec ========××××××××====××××==== ∆∆∆∆

1.2.2. Hygroréglable

La VMC Hygroréglable aura un débit qui variera en fonction de l'humidité dans les locaux. On compte que

pour une utilisation classique de ce logement, le débit total moyen sera de 100m3/h.


kWh2243Wh22433466606910034,0DJUQ34,0C VHygro ========××××××××====××××××××====

Afin de diminuer la consommation électrique, les constructeurs proposent en option sur les VMC

hygroréglables des moteurs de ventilateur à faible consommation de 13W en petite vitesse.

• Calculez la consommation annuelle d'électricité de ce moteur.

kWh9,113Wh1138802436513tPC AR_elec ========××××××××====××××==== ∆∆∆∆

1.3. VMC double flux Une autre solution permettant d'améliorer la performance thermique d'un logement est l'installation

d'une VMC double flux. La plupart des modèles dédiés aux maisons individuelles sont autoréglables. Les

débits sont donc les mêmes qu'avec une VMC simple flux autoréglable.

Notre choix se porte sur 2 modèles en particulier :

− le modèle standard : efficacité de l'échangeur 60%, puissance des ventilateurs 150W

− le modèle haute efficacité : efficacité de l'échangeur 80%, puissance des ventilateurs 85W

La consommation de chauffage due à la ventilation sera calculée de la même manière que

précédemment, en déduisant au résultat la chaleur récupérée par l'échangeur.

Pour chacun des modèles :

• Calculez la consommation annuelle de chauffage.

Modèle standard :

kWh1213Wh1213026)6606913534,0(40,0)DJUQ34,0(40,0C Vstd_DF ========××××××××====××××××××====

Modèle haute efficacité :

kWh5,606Wh606513)6606913534,0(20,0)DJUQ34,0(20,0C Vstd_DF ========××××××××====××××××××====

• Calculez la consommation annuelle d'électricité des moteurs des ventilateurs.

Modèle standard :

kWh1314Wh131400024365150tPC AR_elec ========××××××××====××××==== ∆∆∆∆

Modèle haute efficacité :

kWh6,744Wh7446002436585tPC AR_elec ========××××××××====××××==== ∆∆∆∆

1.4. Comparaison des solutions • Reportez les résultats des calculs précédents dans le tableau donné en annexe.

• En considérant des tarifs de l'énergie de 0,11€/kWh pour l'électricité et 0,08€/kWh pour le chauffage, complétez les colonnes " Coût ".

L'écart de prix entre la meilleure solution simple flux et la double flux standard, prenant en compte la caisson

et les gaines, est de 2000€. Il faut compter encore 400€ de plus pour la double flux haute efficacité.

• Concluez sur la solution la plus pertinente dans ce cas-là.

2. DIMENSIONNEMENT DE L'INSTALLATION DE CHAUFFAGE

2.1. Choix des tailles des radiateurs La puissance nécessaire pour chauffer chaque local est donnée sur le plan. Elle prend en compte les

déperditions par transmission, renouvellement d'air et infiltrations.

Un catalogue de radiateurs, du fabricant Finimetal est donné. Nous effectuerons le dimensionnement sur

un modèle de la gamme Reggane 3000, dont les caractéristiques techniques apparaissent à partir de la page

106. Le modèle précis est le 21S, un radiateur standard à ailettes.

Un prédimensionnement a déterminé que la hauteur des radiateurs sera dans un premier temps de

600mm.

La longueur des radiateurs, quant à elle, dépend du nombre d'éléments à assembler pour obtenir la

puissance voulue. Il faut donc partir de la puissance d'un élément.

• À partir du tableau donné p109, déterminez la puissance d'un élément de ce radiateur pour un ΔT de 50°C.

Selon la norme européenne EN 442, un équipement de chauffage (chaudière, radiateur ou batterie de chauffage) est "dimensionné en régime "75/65". Cela signifie que si on choisit un radiateur de 2 000 W dimensionné en régime 75/65, l'eau entre dans le radiateur à 75°C, qu'elle cède 2 000 W de chaleur pour un local à 20°C, et sort avec une température de 65°C.

On définit ∆∆∆∆T =( (Température d'entrée de l'eau + Température de sortie de l'eau)/2) - Température de confort ambiante (formule simplifiée)

Pour la norme EN 442 nous obtiendrons donc Delta T = ((75+65)/2) - 20 = 50

66 W/élts

• Pour chacune des pièces, déduisez-en le nombre d'élément que doit comporter le radiateur et donnez sa longueur.

Pièce Hall Salon Cuisine SdB Ch 1 Ch 2 Ch 3 Puissance 4180 548 369 1585 1422 1443 Nb. Elts « 64 » 9 6 24 22 22

• A-t-on à notre disposition un radiateur suffisamment grand pour le salon ? Comment faire ?

NON : 45 elts maxi

⇒⇒⇒⇒ 2 radiateurs de 33 élts ou 3 radiateurs de 22 élts

Ou augmenter la hauteur du ou des radiateurs

Commentaire [Auteur in1] : 2 voire 3 radiateurs

2.2. Optimisation du rendement de la chaudière La puissance d'un radiateur est de la forme :

P=Q.K.S.ΔT

avec :

− Q : débit d'eau dans le radiateur

− K : constante représentant le coefficient d'échange du radiateur

− S : surface du radiateur

− ΔT : différence entre la température moyenne du radiateur et la température ambiante

La chaudière choisie est à gaz à condensation. Sa performance augmente quand la température de l'eau

revenant des radiateurs (dite de retour) diminue, comme l'indique le graphe ci-dessous.

On voit donc que le rendement de la chaudière augmente dès que la température de retour passe en-

dessous de 50°C. Diminuer la température de retour revient à diminuer le ΔT de la relation précédente. Pour

garder la même puissance, on devra donc augmenter la surface d'échange.

Cette diminution de température atteindra sa limite lorsque qu'un des radiateurs deviendra trop grand.

• À part le salon, quelle est la pièce qui demande le plus grand radiateur ?

La chambre 1 : 24 elts ; 1585 W

C'est dans cette pièce-là que nous regarderons l'évolution de la taille du radiateur en fonction de ΔT.

• En utilisant les valeurs fournies dans les tableaux à partir de la page 111, déterminez la puissance fournie par un élément de radiateur de 600mm de haut pour un ΔT 40°C, 30°C et 20°C.

P 116

ΔT 40°C : 48,8 W

ΔT 30°C : 33 W

ΔT 20°C : 19,1 W

• Déduisez-en le nombre d'éléments nécessaires pour le radiateur de la chambre 1 dans chaque cas.

H=600 mm ΔT

P/elts Nb. elts

ΔT 40°C 48,8 W 33

ΔT 30°C 33 W 48

ΔT 20°C 19,1 W 83

Ces radiateurs ne sont disponibles que jusqu'à la longueur 1650mm (voir note en bas du tableau p107).

• Quel est donc le nombre maximal d'éléments admis ?

33 elts maxi

• Quelle sera par conséquent le ΔT le plus faible pour cette solution ?

ΔT 40°C

Ne pouvant pas augmenter plus la longueur, nous avons le choix entre augmenter la hauteur ou

l'épaisseur de nos radiateurs. Les deux sont tout à fait valables. Nous choisirons arbitrairement ici de jouer

sur la hauteur et nous passerons à la plus grande, pour laquelle les radiateurs passent juste sous les fenêtres,

soit 900mm.

• En retournant dans les tableaux à partir de la page 111, cherchez la valeur de ΔT qui permet d'avoir la même puissance d'élément que dans le calcul précédent (soit 48,8W) de manière à ne pas changer la longueur du radiateur.

•

H=600 mm H= 900 mm ΔT

P/elts Nb. elts P/elts Nb. elts

ΔT 40°C 48,8 W 33 65,9 24

ΔT 30°C 33 W 48 44,7 35

ΔT 20°C 19,1 W 83 25,9 61

• Quelle est donc la valeur du ΔT correspondant ?

ΔT 30°C

• Quelle serait l'autre solution permettant de diminuer encore la température de retour ?

Plancher chauffant, difficile à installer en rénova tion

2.3. DIAMETRES DES TUBES

Nous allons ici nous pencher sur deux aspects particuliers du dimensionnement des canalisations de

chauffage : le confort acoustique et la consommation du circulateur. Ces deux éléments sont intimement liés.

En effet, le bruit émis par l'eau circulant dans les tuyaux dépend directement du diamètre et ce dernier a

également un rôle prépondérant dans les pertes de charge donc de la puissance fournie par le circulateur.

A partir des calculs thermiques, nous connaissons les puissances fournies par les radiateurs et nous

pouvons en déduire les débits Qv grâce au calcul suivant :

P=ρ.Qv.Cp.ΔT

On trouve :

− chambre 1 : 137 L/h



− SdB : 32 L/h

− cuisine : 47 L/h

− salon : 180 L/h par radiateur pour 2 radiateurs

L'installation est représentée en annexes.

• Reportez à côté de chaque radiateur le débit correspondant.

• Indiquez sur chaque tronçon le débit qui doit le traverser.

Pour limiter le bruit émis par les canalisations, on essaie de garder une vitesse moyenne d'eau inférieure à

1 m/s. Les radiateurs se connectent sur du diamètre 16-14. Ce sera donc la valeur la plus faible à utiliser dans

l'installation.

• Déduisez-en le diamètre de chaque tronçon en utilisant l'abaque en annexe.

• Indiquez sur le même schéma que précédemment le diamètre normalisé utilisé sur chaque tronçon.

2.4. Calcul des pertes de charges Le calcul des pertes de charges nous servira ici à déterminer la puissance à régler sur le circulateur et

également à réaliser l'équilibrage des débits dans les radiateurs de manière à ce qu'ils fournissent bien la

puissance pour laquelle ils ont été prévus.

Un coup d'œil rapide montre que les radiateurs les plus défavorisés en terme de pertes de charge sont

ceux de la cuisine et de la salle de bain. Le relevé des longueurs droites et des pertes de charges singulières

pour chaque tronçon est donné ci-dessous :

− tronçon AE (commun aux deux radiateurs) :

− pertes de charge régulières : 235mmCE

− pertes de charge singulières : 720mmCE

− tronçon EF :

− longueur droite : 6m

− 2 tés directs : ξ=0,3

− 2 tés dérivation : ξ=2

− tronçon FG :


− 2 tés directs

− 8 coudes 90° : ξ=2

Commentaire [Auteur in2] : Il faut partir du bout de la boucle et ajouter le débit des radiateurs en revenant vers la chaudière

Commentaire [Auteur in3] : On peut soit le faire par calcul (Qv=S*V), soit en utilisant l'abaque fournie

Commentaire [Auteur in4] : Note : le 19-22 est plus rare que le 20-22

− 1 radiateur : ξ=3

− tronçon EH :


− 2 tés dérivation

− 2 coudes 90°

− tronçon HI :


− 2 tés direct

− 8 coudes 90°

− 1 radiateur

• Pour effectuer le calcul, vous remplirez le tableau ci-dessous :

Tronçon Q (L/h)

normalisé

R

(mmCE/m)(mmCE) (m/s)

Elts pour PdC

singulièresZ= �

AE 235 720

• Quel est finalement le radiateur le plus défavorisé ?

• Sur quelle puissance devra-t-on donc régler le circulateur ?

• Les puissances correspondant aux réglages 1, 2 et 3 valent respectivement 30W, 51W et 67W.

• Déterminez la consommation du circulateur pendant la période de chauffe, en considérant qu'il tourne en

continu, pour les trois puissances précédentes.

Remarques :

• en diminuant les pertes de charges, on arrive donc à limiter la consommation électrique du circulateur. Il

faut toutefois noter que les chaudières actuelles sont conçues pour arrêter le circulateur lorsqu'il n'y a plus de

demande de chauffage. Un circulateur qui ne consomme pas beaucoup, c'est bien, un circulateur qui ne

tourne pas, c'est mieux !

Illustration 1: Caractéristiques du circulateur pour les réglages de puissance 1, 2 et 3

• il existe également des circulateurs à puissance variable qui s'adaptent à la demande en continu. Ils sont

très intéressants sur les grosses installations et commencent à apparaître dans le résidentiel.

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