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Digeste de la construction au Canada, 1972-06
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Chauffage et refroidissement
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 105F
Chauffage et refroidissement
Publié à l'origine en juin 1972 D.G. Stephenson
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.
La charge de chauffage ou de refroidissement d'une pièce se définit comme le taux (maximal) auquel on doit fournir ou évacuer la chaleur pour que la température demeure à l'intérieur de limites déterminées. Cette charge est celle à laquelle doit faire face le système de climatisation; son importance dépend des conditions climatiques extérieures, de l'utilisation des locaux et pour une large part de la conception de l'édifice.
Inversement, la conception de l'édifice est influencée par celle des installations de climatisation puisque l'édifice doit loger les conduites, chaudières, refroidisseurs et soufflantes de ces installations. L'espace requis est fonction de la nature des installations de climatisation et de la charge qui leur est imposée. Il va sans dire que ces mêmes facteurs influencent les coûts de construction et d'exploitation de l'édifice.
L'on voit que chacune des décisions au sujet de la conception d'un élément de l'édifice est intimement reliée aux autres et toute décision doit être prise en tenant compte de leurs influences mutuelles. Le point clé de l'ingénieurie des systèmes réside là et cette discipline s'applique avec avantage à la conception d'édifices. Le présent Digeste traite des variations quotidiennes et annuelles des éléments dont sont composés les charges de chauffage et de refroidissement. L'ordre de grandeur de ces charges et les facteurs qui les influencent sont des données utiles pour orienter les décisions fondamentales au sujet de l'architecture de l'édifice, surtout au sujet du fenêtrage.
Charge de refroidissement
La charge de refroidissement d'une pièce comprend une partie ou la totalité des composants suivants:
1. La chaleur produite par l'éclairage et les appareils utilisés; 2. La chaleur animale des occupants;
3. La chaleur retirée de l'air de ventilation lorsqu'on l'amène à la température et l'humidité désirée; 4. La chaleur pénétrant par la paroi de l'édifice.
L'étude d'un exemple permettra de juger de leur ordre de grandeur. Considérons une pièce de 15 pieds par 20 pieds où travaillent 4 personnes.
Éclairage
Des luminaires encastrés à tubes fluorescents donnant un éclairement de 100 lumens/pi² consomment 1.5KW d'électricité. Si l'on suppose que l'éclairage est utilisé 10 heures par jour, l'énergie que l'on devra évacuer, pour que la température ne soit pas influencée, sera déterminée sur la courbe de la figure 1 (a). On constate d'abord, que moins de la moitié de l'énergie consommée par les lampes doit être évacuée; c'est l'édifice et l'ameublement qui emmagasinent la différence pour la libérer après que les lampes sont éteintes; la charge de refroidissement-éclairage persiste durant la période d'obscurité. La quantité de chaleur à évacuer augmente constamment pendant que les lampes sont allumées, mais n'atteint que 80 p. 100 de la consommation d'énergie au bout de 10 heures. Toute augmentation de la masse de l'édifice augmente sa capacité d'emmagasinage de chaleur et assure une répartition plus uniforme de la charge de refroidissement-éclairage sur une période de 24 heures. Cela est particulièrement vraie pour la masse des planchers.
Figure 1. Charge de refroidissement d'un bureau sans mur extérieur de 300 pi² de superficie.
Les occupants dégagent de l'énergie sous forme de chaleur sensible et de chaleur latente. Les surfaces hachurées de la figure 1 (a) correspondent au dégagement de chaleur de quatre personnes accomplissant du travail ordinaire de bureau. Chaque personne produit environ 75 watts de chaleur sensible augmentant ainsi la charge de refroidissement. Notons que l'édifice emmagasine une partie de cette énergie pour la libérer après le départ des occupants, mais cet élément est si minime que nous n'en avons pas tenu compte dans l'exemple. Le dégagement de chaleur latente des occupants provient de la vapeur d'eau qu'ils produisent. Celle-ci devient une charge de refroidissement lorsque l'air est débarrassé de cette humidité. Ce composant atteint 60 watts par personne qui exerce un travail normal de bureau dans une pièce où la température et l'humidité sont appropriées. Une activité intense ou une pièce légèrement trop chaude entraînent une augmentation importante du débit de vapeur d'eau.
Ventilation
Un apport de 75 pi³ d'air par minute suffit pour assurer la ventilation d'un bureau de 300 pi² de superficie. Cet air doit être amené à la température et au degré d'humidité désiré dans la pièce, ce qui forme un composant important de la charge totale de refroidissement.
Ce composant variera suivant la courbe de la figure 1 (b) si la température du thermomètre humide dans l'air extérieur varie de 71 à 77°F, cette dernière température obtenue au thermomètre humide étant la plus élevée, est utilisée au Canada pour le calcul des installations de climatisation.
Si l'humidité relative dans la pièce est fixée à 50% la charge variera suivant la courbe du haut tandis qu'elle sera appréciablement réduite, épousant la courbe inférieure si une humidité relative de 70% est acceptée.
Selon de récentes études, des personnes se reposant ou faisant un travail léger seront confortables, en été, si l'humidité relative ne dépasse par 70% pourvu que la température soit inférieure à 78°F.
Si l'on accepte d'augmenter l'humidité relative à 70%, bien que ce niveau soit appréciablement plus élevé que les valeurs généralement recommandées, on bénéficiera des importantes diminutions de charge de refroidissement indiquées par la figure 1 (b).
Si la ventilation fournit 75 pi³ d'air par minute à une pièce, il va de soi qu'un égal volume d'air doit en être évacué. L'air évacué pourrait assurer la ventilation de l'espace compris entre le plafond et le plancher de l'étage supérieur; en pourrait ainsi évacuer une partie de la chaleur produite par l'éclairage et la charge maximale de refroidissement attribuable aux lampes serait réduite de 10% environ dans l'exemple actuel. Comme ce volume d'air est chassé à l'extérieur de l'édifice, la charge des appareils de refroidissement sera réduite d'autant. Il faut cependant comparer les économies ainsi obtenues au coût d'une disposition appropriée pour l'évacuation d'air. Ceci est un exemple des relations qui existent entre les divers éléments d'un édifice, la ventilation et l'éclairage étant actuellement en cause.
La somme des charges de refroidissement des occupants, de l'éclairage et de la ventilation (niveau d'humidité relative 70%) est indiquée à la figure 2. C'est la charge de refroidissement totale si la pièce n'a pas de paroi donnant sur l'extérieur.
Figure 2. Charge de refroidissement totale.
Mouvement de chaleur pénétrant au travers des murs et des fenêtres
Toute pièce ayant des murs extérieurs échangera de la chaleur par les murs et les fenêtres qui s'ajoutera aux charges qui proviennent de l'éclairage, des occupants et de l'air de ventilation; le vent peut aussi produire une infiltration d'air a travers les murs extérieurs.
La quantité de chaleur indiquée sur la figure 3 montre la charge supplémentaire due à 100 pi² de fenêtre à double vitrage ayant un coefficient de transmission de 0.55. Ce coefficient de transmission est celui de fenêtres à double vitrage scellé avec vitre extérieure athermane-absorbante ou avec vitres ordinaires et jalousies. La chaleur pénétrant par conduction à cause de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur est indépendante de l'orientation de la fenêtre, elle est indiquée par la surface hachurée au bas de la figure.
Figure 3. Charge de refroidissement pour 100 pi² de vitrage double.
La chaleur provenant de la radiation solaire varie suivant l'orientation des fenêtres. Les fenêtres ayant vue à l'ouest transmettent pratiquement la même quantité de chaleur tous les jours ensoleillés de l'été, quelle que soit la latitude; il en est de même pour celles qui ont vue à l'est. Les courbes "est" et "ouest" de la figure 3 s'appliquent donc partout au Canada, pendant tout l'été. Quant aux courbes pour l'orientation sud elles s'appliquent à la latitude 45° nord (Ottawa par exemple) et à un jour sans nuage.
La quantité de chaleur reçue par une fenêtre ayant vue au sud augmente continuellement durant l'été; la différence entre le 21 juillet et le 21 août est indiquée par les courbes de la figure 3: l'augmentation pour le mois suivant serait encore plus marquée.
La quantité de chaleur qui pénètre à travers un mur isolé est très petite par rapport à la contribution des fenêtres. Si la pièce qui nous sert d'exemple a 150 pi² de murs dont l'extérieur est d'une couleur pâle et le coefficient U 0.03 W/pi² deg F (0.10 Btu / pi² hr deg F) il ne pénétrera que 100 watts de chaleur à travers le mur.
Il est difficile de faire une évaluation tant soit peu précise de l'apport de chaleur par infiltration, cet apport variant suivant l'étanchéité de l'édifice et les courants d'air qui l'environnent. De toute façon cette charge due à l'infiltration est modeste par rapport à l'énergie solaire transmise par les fenêtres et n'entre en jeu que s'il y a du vent. Le vent réduit la transmission des fenêtres, cette diminution étant à peu près égale à l'augmentation de la charge due à l'infiltration. Les deux effets s'annuleront probablement pourvu que l'édifice soit relativement étanche. Les courbes de la figure 3, calculées pour absence de vent, demeureraient donc valides même lorsqu'il y a vent et infiltration.
Si notre pièce avait un mur extérieur, constitué de 40 p. 100 de paroi vitrée, la charge de refroidissement totale serait celle de la figure 2 augmentée de valeurs établies à partir de la figure 3, en tenant compte de la surface de fenêtre. Si la pièce était située dans un coin du bâtiment et que les deux murs extérieurs étaient vitrés, les charges dues au rayonnement solaire auraient été ajoutées à la charge initiale. Si l'on combine les figures 2 et 3 on remarque un avantage de fenêtres orientée vers l'est, en effet leur apport maximal de chaleur se produit tôt, bien avant que la charge d'éclairage et de ventilation atteigne son maximum. Par contre l'apport maximal de chaleur par les fenêtres ayant vue à l'ouest est simultané avec celui des autres composant de la charge, de sorte que la charge totale a une valeur maximale plus élevée.
Charge de chauffage
Une charge de chauffage est une charge de refroidissement négative, en d'autres termes si la somme algébrique des composants de la charge de refroidissement est négative, l'apport d'une quantité égale de chaleur est nécessaire pour que la température demeure dans les limites désirées. L'air extérieur est en bas de la température désirée à l'intérieur pendant une bonne partie de l'année et, pendant ce temps, la ventilation et la conduction des parois extérieures entraîneront une déperdition de chaleur. On se rend compte qu'il suffit alors d'augmenter le débit d'air extérieur pour augmenter la déperdition de chaleur par ventilation. On peut donc à certaines époques de l'année par la seule ventilation (sans utiliser les machines de refroidissement) compenser les apports dus à l'éclairage, aux occupants et à la radiation pénétrant par les fenêtres. Malheureusement, les composants négatifs sont à leur maximum quotidien lorsque les positifs sont à leur minimum et réciproquement.
Il est, par conséquent, courant tout particulièrement l'automne et au printemps, de chauffer la nuit et au début de la matinée et refroidir pendant l'après-midi. La complexité des installations de climatisation est augmentée par le besoin de passer du chauffage au refroidissement pendant une même journée: on ne peut donc parler d'une date où finit la saison de refroidissement et où commence celle de chauffage. En particulier, les pièces qui ont de grandes fenêtres orientées vers le sud peuvent même nécessiter de la réfrigération tard à l'automne et tôt au printemps alors que la nuit la charge de chauffage peut être très considérable au cours de la même période.
La charge maximale de chauffage se produit dans les belles nuits d'hiver. Si par exemple, il fait -25°F à l'extérieur et que la température intérieure est réglée à 75°F (24°C environ) avec 30% d'humidité relative, la ventilation consommera 2.8 KW (chauffage et humidification de 75 pi³/min. d'air extérieur). Cependant la déperdition due au 100 pi² de fenêtre ordinaire à double vitrage sera 1.8 KW environ et celle due à 150 pi² de mur isolé sera moins de 0.5 KW. S'il est vrai, comme en été, que la majeure partie de la chaleur traversant les parois extérieures passe par les fenêtres, la perte par les murs n'est par contre pas négligeable.
C'est de la ventilation que provient la majeure partie de la charge de chauffage; il va donc de soi que la ventilation doit être arrêtée lorsque l'édifice est inoccupé. Cependant, l'arrêt de la ventilation n'arrête pas l'infiltration provenant du vent et de l'effet de tirage. L'infiltration dans une pièce ayant 150 pi² de mur extérieur et 100 pi² de fenêtre sera de 50 pi³/min par une journée froide d'hiver; le chauffage et l'humidification de cette quantité d'infiltration d'air consomment 1.9 KW: la charge résultant de l'infiltration est donc du même ordre de grandeur que celle des fenêtres.
Conclusion
Un édifice est composé de plusieurs éléments et installations interdépendants. Il est indispensable, lors de la conception de l'édifice, d'être pleinement conscient des influences mutuelles des divers éléments pour obtenir la meilleure conception possible pour l'ensemble, au lieu de chercher à perfectionner indépendamment les systèmes composants comme la climatisation, l'éclairage ou la conception d'un mur, etc. Les impératifs du chauffage et du refroidissement sont un facteur important qui relie entre eux les divers éléments du tout. Il est indispensable de saisir, dès l'ébauche, la relation entre l'utilisation de l'édifice son site, la
fenêtrage, l'éclairage et les autres paramètres d'une part et le chauffage et le refroidissement d'autre part.
L'architecte qui saisit bien ce problème fera un usage plus judicieux des services des spécialistes depuis l'ébauche jusqu'au parachèvement d'une conception idéale de l'ensemble. La chaleur qui pénètre par les fenêtres est une portion importante de l'apport total de chaleur dans une pièce donnant sur l'extérieur.
Donc l'orientation, le genre et la surface des fenêtres influenceront le calcul de la climatisation. A la mi-été, la contribution de chaleur des fenêtres ayant vue au sud est moindre que celle des fenêtres ayant vue à l'est ou à l'ouest, mais la différence diminue à mesure que l'été avance. En hiver, l'apport de chaleur des fenêtres orientées vers le sud contribue à compenser la déperdition due à la température extérieure.
L'éclairage est la plus importante source de chaleur pour des pièces qui ne sont pas limitées par des murs extérieurs. On a donc intérêt à éviter les éclairages excessifs puisque toute réduction de la consommation des lampes produit une économie d'une part dans le coût d'exploitation de l'éclairage et d'autre part, dans celui de la climatisation.
L'autre composant important de la charge de refroidissement est la ventilation. Cette charge est en relation inverse avec l'humidité relative désirée. Des personnes ayant une occupation dite sédentaire seraient probablement confortables si l'humidité est réglée à 70%.
En hiver, la charge de chauffage provient de la ventilation, de l'infiltration d'air et des pertes de chaleur à travers les parois de l'édifice. Le concepteur peut influencer les deux derniers composants.
Il faudra donc comparer le prix des mesures prises pour diminuer les pertes et les infiltrations au travers des murs à l'économie des frais de chauffage qui en résulterait.
