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Digeste de la construction au Canada, 1975-05
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Exigences calorifiques des systèmes de fonte de la neige
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 160F
Exigences calorifiques des systèmes
de fonte de la neige
Publié à l'origine en mai 1975 G. P. Williams
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Les dix dernières années ont vu se généraliser l'incorporation de résistances électriques, ainsi que de conduites de vapeur et d'eau chaude, aux entrées des bâtiments, aux trottoirs, aux aires de stationnement, aux aires de chargement, aux rampes de garage, aux chaussées et aux approches des ponts, en vue d'empêcher l'accumulation de neige et de verglas. Parmi les facteurs qui justifient cette utilisation croissante des systèmes de fonte, il faut citer: l'augmentation du coût de la main-d'oeuvre et du matériel, le manque d'espace disponible pour déposer la neige, ainsi qu'une demande croissante d'enlèvement de plus en plus rapide et efficace de la neige et du verglas.
L'un des éléments les plus difficiles à déterminer dans le calcul des systèmes de fonte de la neige est l'apport de chaleur requis pour empêcher la formation de verglas ou l'accumulation de neige capables de gêner la circulation. Les projeteurs doivent concevoir un système efficace de fonte dont la capacité calorifique est suffisante et non pas excessive, tout en se gardant d'augmenter inutilement le coût d'une opération déjà onéreuse. On n'a jusqu'à présent publié que des renseignements limités, sur les bonnes pratiques de calcul répondant aux conditions canadiennes et en particulier à celles des régions où sévit un hiver rigoureux. Le présent digest contient une description succincte des facteurs qui régissent la quantité de chaleur requise pour les systèmes de fonte de la neige et offre des règles permettant d'évaluer les exigences calorifiques de plusieurs zones urbaines du Canada.
Exigences calorifiques des systèmes de fonte de la neige
Les systèmes de fonte de la neige et du verglas doivent fournir suffisamment de chaleur pour fondre la neige, sans qu'il y ait perte de chaleur à la surface par évaporation, par convection ou par rayonnement, ni perte thermique de la dalle vers le sol.
Chaleur requise pour fondre la neige
La chaleur nécessaire à la fonte de la neige constitue une fraction importante du besoin Calorifique total. Si l'on veut éliminer toute la neige de la chaussée, il faut concevoir le système
de façon à fondre la précipitation horaire maximale prévue à l'endroit en question. Le tableau I contient quelques calculs types de besoins calorifiques. Du fait de la grande quantité de chaleur requise pour empêcher le moindre dépôt neigeux sur une chaussée en période de forte chute de neige, les systèmes sont rarement calculés pour fondre la neige au fur et à mesure qu'elle tombe. Il faut des quantités de chaleur encore plus grandes dans les régions où le vent chasse la neige, car l'accumulation en un point donné peut correspondre à plusieurs fois la précipitation moyenne au cours d'une tempête.
Tableau I. Chaleur requise pour fondre la neige Enneigement moyen pendant
la tempête (po/h) maximum calculé (po/h)Enneigement horaire neige maximum horaire (W/pi²)Chaleur requise pour fondre la
0.25 0.5-0.9 12-20
0.5 1.1-1.8 24-40
1.0 2.2-3.6 48-80
Pertes par rayonnement, par convection et par évaporation, provenant des surfaces dénudées Il existe diverses formules permettant de calculer le transfert de chaleur d'une surface à l'atmosphère par rayonnement, par convection ou par évaporation. Les nombreuses variables qui influent sur de telles pertes comprennent entre autres: la température de Vair, le vent, la nébulosité, la rugosité de la surface et les conditions locales. La figure 1 montre la perte totale de chaleur provenant à la fois par rayonnement, par convection et par évaporation, d'une surface dénudée exposée, à 34°F (l.1°C).
Figure 1. La perte thermique superficielle combinée (rayonnement, évaporation, convection) d'une chaussée dénudée et chauffée à 34°F (1.1°C).
Lorsque la vitesse du vent est élevée, la perte de chaleur par convection est l'élément le plus considérable; si la vitesse du vent est faible et s'il y a de grandes différences de température entre l'air et la surface, la perte de chaleur par rayonnement prend une plus grande importance. Le taux d'évaporation est limité par la différence de pression de vapeur entre la
surface et l'air, mais il forme une partie importante du bilan thermique total lorsque la vitesse du vent est élevée, en particulier sur les chaussées humides après la fonte de la neige. Par conséquent, il est important d'assurer un bon drainage aux systèmes de fonte de la neige, car alors, la chaussée sèche rapidement et il y a moins de pertes de chaleur par évaporation. Etant donné que la perte de chaleur en surface est directement proportionnelle à la vitesse du vent, la perte de chaleur aux sites abrités sera considérablement moindre qu'aux endroits exposés. Les pertes thermiques en surface, par évaporation, par convection et par rayonnement, diminuent en proportion directe de la fraction de chaussée chauffée couverte de neige. Si la surface est à moitié couverte, les pertes thermiques superficielles se ramènent à environ la moitié de celles qui proviennent d'une surface entièrement dénudée; si la chaussée est entièrement couverte, ne serait-ce que d'une mince couche de neige, la seule perte de chaleur à la surface, en plus de celle requise pour la fonte, est la faible quantité de chaleur transmise de la surface de la chaussée par convection verticale, à travers la couverture de neige.
Bien que la perte de chaleur provenant d'une chaussée chauffée entièrement couverte de neige soit faible et puisse ordinairement être négligée, elle peut dans certains cas constituer un facteur important. Si la densité de la neige augmente parce que cette dernière est chassée par le vent ou compactée par la circulation, le taux de transfert de chaleur accusera une augmentation prononcée imputable à l'accroissement de la conductivité thermique; si le système de fonte de la neige fonctionne sous faible apport de chaleur, alors que la température de l'air est basse, la chaleur passant par la couche de neige plus dense peut dépasser le taux de chaleur fourni à la surface de la chaussée par les résistances incorporées. La température à la surface de la chaussée peut alors descendre en dessous du point de congélation et il y aura formation de verglas. Le taux de transfert de chaleur à travers la glace augmentera considérablement dans les mêmes conditions de température imposées (la conductivité thermique de la glace est d'environ dix fois celle de la neige moyennement dense) et la chaussée se refroidira davantage. Cette condition limitative ne s'applique pas aux systèmes fonctionnant en climat doux, où les chutes de neige se produisent pour la plupart lorsque la température de l'air est voisine de 32°F (O°C).
Perte de chaleur au sol et aux bordures
Dans le calcul de la chaleur requise pour les, systèmes de fonte de la neige, on tient ordinairement- compte de la perte verticale de chaleur allant des résistances incorporées vers le sol, ou du dessous de la dalle chauffée d'un pont ou d'une rampe vers l'atmosphère. Les valeurs recommandées varient de 30 à 50 pour cent de la perte thermique superficielle.
Quand il s'agit d'attribuer une valeur à la perte thermique au sol, il est nécessaire d'établir une distinction entre le fonctionnement ininterrompu et le fonctionnement intermittent. Si le fonctionnement est intermittent, c'est-à-dire que la dalle n'est chauffée qu'au moment ou en prévision d'une chute de neige, il faut attribuer une valeur appréciable à la perte thermique au sol pendant le réchauffement. Cette valeur peut varier de 30 à 50 pour cent de celle indiquée dans la littérature pertinente. Elle sera fonction du gradient de température et du matériau sous-jacent à la dalle. Cependant, la chaleur emmagasinée dans les dalles chauffées en permanence peut fournir une proportion appréciable de la valeur nécessaire à la fonte de la neige pendant les premières heures de la tempête.
Une quantité considérable de chaleur peut provenir des bordures d'une surface chauffée pour se perdre dans le sol ou la chaussée qui l'entourent. Le taux de perte dépendra de la conductivité thermique et du gradient de température dans le matériau entourant la dalle chauffée. Il atteindra son maximum si le système fonctionne par intermittence, car les températures du sol à la bordure seront beaucoup plus faibles que celle de la dalle chauffée. La littérature pertinente n'indique guère de valeurs de la perte thermique aux bordures, mais il est évident que dans le cas des surfaces chauffées étroites, telles que les trottoirs et les voies de véhicules, fonctionnant par intermittence, la perte peut varier de 20 à 30 pour cent de la chaleur totale requise. Il est possible de réduire les pertes thermiques, tant en bordure qu'au sol, en utilisant un isolant en dessous et en bordure de la dalle.
Normes des besoins calorifiques
Dans le calcul d'un système, il faut par-dessus tout établir la norme de fonctionnement requise. Il faut décider de la proportion de la chaussée chauffée sur laquelle on peut permettre l'accumulation de neige au cours d'une tempête. Les recherches et l'expérience indiquent qu'il n'est ni nécessaire ni économique d'installer des systèmes qui éliminent toujours toute la neige à mesure qu'elle tombe. Dans la plupart des cas, un compromis raisonnable consiste à admettre une couverture de neige allant de 25 à 50 pour cent. Si une surface chauffée se recouvre de neige (comme il arrive au cours des grandes tempêtes), les pertes thermiques superficielles se réduisent et il reste davantage de chaleur pour fondre la neige, de sorte qu'il existe un facteur de sécurité «incorporé». Dans les quartiers résidentiels, on peut admettre qu'une surface chauffée se recouvre de neige entièrement. A un certain point, cependant, l'accumulation de neige suffira à empêcher la circulation. Dans le cas des trottoirs et des chaussées d'entrée peu fréquentés, s'il se produit des vides sous la neige non remaniée, il se pose un autre problème du fait que par la suite, il y a un mauvais transfert de chaleur de la chaussée chauffée à la couverture de neige. Il faut aussi tenir compte des conditions consécutives à la tempête, en particulier dans les régions où la température s'abaisse après la chute de neige.
L'évaluation de la quantité de chaleur requise oblige par conséquent à recueillir des renseignements sur les conditions météorologiques à prendre en compte dans les calculs. On a le choix entre deux formules. On peut analyser la fréquence de toutes les chutes de neige survenues en un lieu au cours d'une période de plusieurs années et concevoir un système capable de fondre un certain pourcentage d'une chute de neige quelconque. C'est la formule recommandée par le ASHRAE Guide and Data Book(1); on ne l'utilise pourtant pas au Canada,
parce que les données météorologiques ne s'y prêtent pas. L'autre formule consiste à choisir une tempête «de calcul» qui représente raisonnablement les conditions météorologiques prévisibles au site. Cette dernière méthode est plus simple et produit probablement des résultats suffisamment précis dans la plupart des cas.
Directives concernant les quantités de chaleur requises au Canada
La formule de la tempête «de calcul» a servi à calculer les pertes thermiques superficielles pour plusieurs zones urbaines du Canada(2). Après avoir examiné les données météorologiques, on a
choisi comme base des calculs, les cinq tempêtes «les plus fortes» survenues au cours d'une période décennale. Les valeurs moyennes des données météorologiques (température de l'air, vitesse du vent et enneigement) relevées au cours des cinq tempêtes ont servi à déterminer les pertes de chaleur. Les calculs effectués correspondent à trois états de la surface: essentiellement débarrassée de neige, couverte de neige à 50 pour cent et entièrement couverte de neige pendant la tempête (figure 2). En outre, les pertes de chaleur provenant d'une chaussée débarrassée de neige et humide, ont été calculées pour la période de dix heures consécutives à la tempête (tableau II).
Figure 2. Les pertes thermiques superficielles durant une tempête "de calcul" selon l'état de la surface de la chaussée chauffée.
Tableau II. Pertes thermiques superficielles (W/pi²) requises pour garder une chaussée humide à nu, après l'enneigement calculé
Toronto Halifax Québec Ottawa Winnipeg Edmonton
18 29 33 50 66 65
Les résultats obtenus démontrent que la quantité de chaleur requise dépend en grande partie de l'état prescrit pour la surface, c'est-à-dire, s'il faut éliminer entièrement la neige de la chaussée ou si l'on peut admettre qu'elle soit entièrement couverte de neige. Dans les régions telles que Winnipeg et Edmonton, où l'on relève de basses températures et de forts vents, les conditions météorologiques après la tempête déterminent la quantité de chaleur requise. Par contre, dans les endroits tels que Halifax, ce sont les forts taux de chute de neige qui déterminent l'apport de chaleur nécessaire.
Les calculs ont été effectués en fonction d'une exposition moyenne au vent. La chaleur requise aux sites abrités où les effets du vent sont plus faibles, peut probablement être réduite d'environ 15 pour cent en toute sécurité. On pourrait peut-être augmenter d'environ 15 à 20 pour cent, la quantité nécessaire aux sites extrêmement exposés. Lorsqu'il s'agit d'effectuer des rectifications en fonction de l'exposition, il faut tenir compte du fait que la neige soufflée par le vent peut s'accumuler au site.
Le tableau III contient des indications de quantités de chaleur correspondant aux six villes canadiennes pour lesquelles les calculs ont été effectués. Elles concordent raisonnablement avec les renseignements publiés au sujet des pratiques actuelles. Les valeurs indiquées doivent être rectifiées dans le cas des pertes au sol et en bordure, si le système doit fonctionner par intermittence; la rectification revêt une importance particulière s'il s'agit de surfaces étroites, telles que les trottoirs. Si le système ne fournit pas suffisamment de chaleur en bordure d'un
trottoir, il y aura formation de verglas (en particulier si le drainage est mauvais), ce qui constituera un danger pour les piétons.
Tableau III. Quantité de chaleur à adopter dans les calculs (W/pi²)
Toronto Halifax Québec Ottawa Winnipeg Edmonton Surface moyennement exposée 25-30 35-40 37-42 40-45 55-60 55-60
Surface abritée 25 30 35 35 40 40
Surface extrêmement exposée 35-40 45-50 5-55 50-55 60-65 60-65 Conclusions
Un digest sur les quantités de chaleur requises pour les systèmes de fonte de la neige ne serait pas complet si l'on ne parlait pas du coût, qui influe sur le choix non seulement de la norme de comportement, mais aussi du système et du mode de fonctionnement. Le coût variera selon les critères fixés dans les calculs (s'il faut admettre une chaussée débarrassée de toute neige ou couverte de neige), selon l'électricité utilisée (en particulier aux périodes de pointe), selon l'emplacement et l'existence des transformateurs et des sources de courant, selon la méthode de fonctionnement (ininterrompu, intermittent, ou automatique), selon les conditions climatiques et la quantité de neige à fondre, selon la superficie de chaussée à chauffer et la complexité de l'installation, enfin, selon la durée utile éventuelle du système et les réparations qui s'imposeront dans le même temps. Il est extrêmement difficile d'indiquer à coup sûr le coût des systèmes de fonte de la neige, car il varie considérablement selon les conditions locales et n'est ordinairement pas bien défini dans la littérature pertinente.
On estime que le coût annuel (y compris l'amortissement des frais d'installation) des systèmes électriques de fonte de la neige va de 30 à 40 fois celui du déneigement par les méthodes mécaniques ou chimiques. Les tuyaux incorporés dans lesquels l'agent calorifère est constitué par la vapeur, par l'eau chaude ou par un antigel, sont ordinairement moins coûteux que les systèmes électriques, en particulier lorsque les tuyaux incorporés sont installés pendant la construction du bâtiment et reliés à l'installation de chauffage. Les systèmes de fonte en tranchée, dans lesquels la neige est transportée jusqu'à une tranchée ou une citerne, sont encore moins coûteux, car un tel système ne doit fonctionner qu'au moment où il faut fondre la neige et les pertes de chaleur vers le milieu environnant se ramènent à un minimum.
Les systèmes de fonte de la neige ne sont recommandés qu'aux sites où les avantages justifieront le coût élevé de l'installation et de l'exploitation, c'est-à-dire: là où il est difficile d'employer les méthodes mécaniques, là où les produits chimiques endommageraient les ouvrages, enfin, aux endroits dangereux, tels que les rampes abruptes et les entrées de parcs de stationnement, où l'on ne peut pas tolérer les retards de la circulation et où la sécurité constitue un facteur de premier plan. Dans certains cas, les propriétaires d'établissements commerciaux sont disposés à payer le prix élevé des systèmes de fonte de la neige, afin d'éliminer les inconvénients du déneigement à la main. Toute les utilisations mentionnées doivent cependant, à l'heure actuelle, faire l'objet d'une soigneuse attention qui tienne compte des pénuries éventuelles et du coût croissant de l'énergie.
Références
1. ASHRAE Guide and Data Book, 1970. Systems. Chapter 36: Snow Melting. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, hic., N.Y.
2. Williams, G. P. Heat Requirements of Snow Melting Systems in Canada. Publication dans le Proceedings of the First National Snow Conference, du 16 au 18 avril 1973, patronnée par l'Association des routes et transports du Canada, Ottawa, Canada. (Copies disponibles NRCC 14055.)
