Calcul thermique du système de chauffage : comment effectuer correctement le calcul de la charge sur le système

La conception et le calcul thermique du système de chauffage – une étape obligatoire lors de l'installation du chauffage de la maison. La tâche principale des activités de calcul – déterminer les paramètres optimaux de la chaudière et du système de radiateurs.

Admettons qu'à première vue, il peut sembler que la réalisation d'un calcul thermique ne soit à la portée que d'un ingénieur. Cependant, tout n'est pas si compliqué. En connaissant l'algorithme des opérations, vous pourrez effectuer vous-même les calculs nécessaires.

L'article détaille la procédure de calcul et fournit toutes les formules nécessaires. Pour une meilleure compréhension, nous avons préparé un exemple de calcul thermique pour une maison individuelle.

Calcul thermique du chauffage : procédure générale

Le calcul thermique classique d'un système de chauffage est un document technique complet qui inclut les méthodes de calcul standard obligatoires par étapes.

Mais avant d'étudier ces calculs des paramètres principaux, il faut définir le concept même du système de chauffage.

Le système de chauffage se caractérise par une alimentation forcée et une évacuation involontaire de la chaleur dans la pièce.

Les principales tâches du calcul et de la conception du système de chauffage :

• déterminer les pertes thermiques de la manière la plus fiable ;
• déterminer la quantité et les conditions d'utilisation du fluide caloporteur ;
• sélectionner le plus précisément possible les éléments de génération, de déplacement et de délivrance de la chaleur.

Lors de la construction d'un système de chauffage, il est nécessaire de rassembler au préalable diverses données sur la pièce ou le bâtiment où le système de chauffage sera utilisé. Ensuite, il convient d'effectuer le calcul des paramètres thermiques du système et d'analyser les résultats des opérations arithmétiques.

Sur la base des données obtenues, on sélectionne les composants du système de chauffage, puis on procède à leur achat, installation et mise en service.

Le chauffage – est un système multicomposant qui assure le régime de température approuvé dans un local/bâtiment. Il constitue une partie distincte du complexe de communications d'un logement moderne.

Il est à noter que la méthode de calcul thermique mentionnée permet de calculer assez précisément un grand nombre de grandeurs qui décrivent concrètement le futur système de chauffage.

À l'issue du calcul thermique, les informations suivantes seront disponibles :

• le nombre de pertes thermiques, la puissance de la chaudière ;
• la quantité et le type de radiateurs thermiques pour chaque pièce séparément ;
• les caractéristiques hydrauliques du pipeline ;
• volume, vitesse du fluide caloporteur, puissance de la pompe à chaleur.

Le calcul thermique n'est pas une ébauche théorique, mais des résultats tout à fait précis et justifiés, qu'il est recommandé d'utiliser dans la pratique lors de la sélection des composants du système de chauffage.

Normes des régimes de température des pièces

Avant d'effectuer tout calcul des paramètres du système, il est nécessaire, au minimum, de connaître l'ordre des résultats attendus, et également d'avoir à disposition les caractéristiques normalisées de certaines valeurs tabulaires qui doivent être insérées dans les formules ou servir de référence.

Après avoir effectué les calculs des paramètres avec de telles constantes, on peut être sûr de la fiabilité du paramètre dynamique ou constant recherché du système.

Pour des locaux de diverses affectations, il existe des normes de référence des régimes de température des locaux résidentiels et non résidentiels. Ces normes sont consignées dans ce qu'on appelle les GOST.

Pour le système de chauffage, un de ces paramètres globaux est la température de la pièce, qui doit être constante indépendamment de la période de l'année et des conditions environnementales.

Selon le règlement des normes et règles sanitaires, il existe des différences de température entre les périodes estivale et hivernale. Le système de climatisation est responsable du régime de température intérieure en été ; son principe de calcul est détaillé dans cet article.

Cependant, la température ambiante en hiver est assurée par le système de chauffage. C'est pourquoi les plages de températures et leurs tolérances d'écart pour la saison hivernale nous intéressent.

Dans la plupart des documents normatifs, les plages de températures suivantes sont stipulées, permettant à une personne de se trouver confortablement dans une pièce.

Pour les locaux non résidentiels de type bureau d'une superficie allant jusqu'à 100 m² :

• 22-24°C – température optimale de l'air ;
• 1°C – fluctuation admissible.

Pour les locaux de type bureau d'une superficie de plus de 100 m², la température est de 21-23°C. Pour les locaux non résidentiels de type industriel, les plages de températures varient considérablement en fonction de la destination du local et des normes de sécurité au travail établies.

La température de confort d'une pièce est “personnelle” pour chacun. Certains aiment qu'il fasse très chaud dans la pièce, d'autres se sentent à l'aise quand il fait frais – tout cela est assez individuel.

En ce qui concerne les locaux d'habitation : appartements, maisons individuelles, propriétés, etc., il existe certaines plages de températures qui peuvent être ajustées en fonction des souhaits des occupants.

Et pour les pièces spécifiques d'un appartement ou d'une maison, nous avons :

• 20-22°C – pièce à vivre, y compris chambre d'enfant, tolérance ±2°C –
• 19-21°C – cuisine, toilettes, tolérance ±2°C ;
• 24-26°C – salle de bain, douche, piscine, tolérance ±1°C ;
• 16-18°C – couloirs, entrées, cages d'escalier, débarras, tolérance +3°C

Il est important de noter qu'il existe encore plusieurs paramètres fondamentaux qui influent sur la température ambiante et sur lesquels il faut se baser lors du calcul du système de chauffage : l'humidité (40-60 %), la concentration d'oxygène et de dioxyde de carbone dans l'air (250:1), la vitesse de déplacement des masses d'air (0,13-0,25 m/s), etc.

Calcul des pertes de chaleur dans la maison

Selon le deuxième principe de la thermodynamique (physique scolaire), il n'existe pas de transfert spontané d'énergie d'objets moins chauds vers des objets plus chauds, qu'ils soient mini ou macro. Un cas particulier de cette loi est la “tendance” à créer un équilibre thermique entre deux systèmes thermodynamiques.

Par exemple, le premier système – l'environnement extérieur avec une température de -20°C, le deuxième système – le bâtiment avec une température intérieure de +20°C. Selon la loi citée, ces deux systèmes tendront à s'équilibrer par échange d'énergie. Cela se produira par des pertes thermiques du deuxième système et un refroidissement du premier.

On peut affirmer sans équivoque que la température ambiante dépend de la latitude à laquelle se trouve la maison individuelle. Et la différence de température influence la quantité de déperditions thermiques du bâtiment (+)

Par pertes de chaleur, on entend la déperdition involontaire de chaleur (énergie) d'un objet (maison, appartement). Pour un appartement ordinaire, ce processus n'est pas aussi “visible” par rapport à une maison individuelle, car l'appartement se trouve à l'intérieur du bâtiment et “voisine” avec d'autres appartements.

Dans une maison individuelle, la chaleur “fuit” plus ou moins à travers les murs extérieurs, le sol, la toiture, les fenêtres et les portes.

Connaissant l'ampleur des pertes de chaleur pour les conditions météorologiques les plus défavorables et les caractéristiques de ces conditions, on peut calculer avec une grande précision la puissance du système de chauffage.

Ainsi, le volume des fuites de chaleur d'un bâtiment se calcule selon la formule suivante :

Q=Q_sol+Q_mur+Q_fenêtre+Q_toit+Q_porte+…+Q_i, où

Qi – volume des pertes de chaleur d'un type homogène d'enveloppe du bâtiment.

Chaque composante de la formule se calcule selon la formule :

Q=S*∆T/R, où

• Q – fuites thermiques, W ;
• S – surface d'un type de construction spécifique, m² ;
• ∆T – différence de température entre l'air ambiant et l'air intérieur, °C ;
• R – résistance thermique d'un type de construction déterminé, m²*°C/W.

Il est recommandé de prendre la valeur de la résistance thermique pour les matériaux réellement existants dans des tables auxiliaires.

En outre, la résistance thermique peut être obtenue à l'aide de la relation suivante :

R=d/k, où

• R – résistance thermique, (m²*K)/W ;
• k – coefficient de conductivité thermique du matériau, W/(m²*K) ;
• d – épaisseur de ce matériau, m.

Dans les vieilles maisons dont la charpente de toiture est humide, les déperditions de chaleur se produisent par la partie supérieure du bâtiment, à savoir par le toit et le grenier. La réalisation de travaux d'isolation du plafond ou d'isolation thermique du toit mansardé résout ce problème.

Si l'on isole le grenier et le toit, les pertes de chaleur totales de la maison peuvent être considérablement réduites.

Il existe encore plusieurs types de pertes de chaleur dans la maison par les fissures dans les structures, le système de ventilation, la hotte de cuisine, l'ouverture des fenêtres et des portes. Mais il n'est pas utile de prendre en compte leur volume car elles ne représentent pas plus de 5 % du total des pertes de chaleur principales.

Détermination de la puissance de la chaudière

Pour maintenir la différence de température entre l'environnement extérieur et la température intérieure de la maison, un système de chauffage autonome est nécessaire, qui maintient la température souhaitée dans chaque pièce de la maison individuelle.

Différents types de chaudières constituent la base du système de chauffage : chaudières à combustible liquide ou solide, électriques ou à gaz.

La chaudière – est l'élément central du système de chauffage qui génère la chaleur. La principale caractéristique de la chaudière est sa puissance, à savoir la vitesse de conversion de la quantité de chaleur par unité de temps.

Après avoir effectué les calculs de la charge thermique pour le chauffage, on obtient la puissance nominale requise de la chaudière.

Pour un appartement standard de plusieurs pièces, la puissance de la chaudière se calcule à partir de la surface et de la puissance spécifique :

P_chaudière=(S_pièce*P_spécifique)/10, où

• S_pièce – surface totale de la pièce chauffée ;
• P_spécifique – puissance spécifique relative aux conditions climatiques.

Mais cette formule ne tient pas compte des pertes thermiques, qui sont importantes dans une maison individuelle.

Il existe un autre rapport qui prend en compte ce paramètre :

P_chaudière=(Q_pertes*S)/100, où

• P_chaudière – puissance de la chaudière ;
• Q_pertes – pertes de chaleur ;
• S – surface chauffée.

La puissance calculée de la chaudière doit être augmentée. Une réserve est nécessaire si l'on prévoit d'utiliser la chaudière pour chauffer l'eau de la salle de bains et de la cuisine.

Dans la plupart des systèmes de chauffage des maisons individuelles, il est recommandé d'utiliser obligatoirement un réservoir d'expansion dans lequel sera stockée la réserve de fluide caloporteur. Chaque maison individuelle a besoin d'eau chaude sanitaire.

Afin de prévoir une réserve de puissance de la chaudière, il faut ajouter un coefficient de réserve K dans la dernière formule :

P_chaudière=(Q_pertes*S*K)/100, où

K – sera égal à 1,25, c'est-à-dire que la puissance calculée de la chaudière sera augmentée de 25 %.

Ainsi, la puissance de la chaudière permet de maintenir la température réglementaire de l'air dans les pièces du bâtiment, ainsi que de disposer d'un volume initial et supplémentaire d'eau chaude dans la maison.

Particularités du choix des radiateurs

Les composants standard pour assurer la chaleur dans une pièce sont les radiateurs, les panneaux, les systèmes de “plancher chauffant”, les convecteurs, etc. Les éléments les plus courants du système de chauffage sont les radiateurs.

Un radiateur thermique est une structure creuse spéciale de type modulaire en alliage à haute émissivité thermique. Il est fabriqué en acier, aluminium, fonte, céramique et autres alliages. Le principe de fonctionnement d'un radiateur de chauffage se résume à l'émission d'énergie du fluide caloporteur vers l'espace de la pièce à travers les “lames”.

Les radiateurs de chauffage en aluminium et bimétalliques ont remplacé les lourds radiateurs en fonte. La simplicité de fabrication, la haute émissivité thermique, la conception et le design réussis ont rendu ce produit populaire et répandu comme instrument de diffusion de la chaleur dans la pièce.

Il existe plusieurs méthodes de calcul des radiateurs de chauffage dans une pièce. La liste des méthodes ci-dessous est classée par ordre croissant de précision des calculs.

Options de calcul :

1. Par surface. N=(S*100)/C, où N – nombre de sections, S – surface de la pièce (m²), C – puissance thermique d'une section de radiateur (W, tirée de la fiche technique ou du certificat du produit), 100 W – flux thermique nécessaire pour chauffer 1 m² (valeur empirique). Une question se pose : comment prendre en compte la hauteur sous plafond de la pièce ?
2. Par volume. N=(S*H*41)/C, où N, S, C – idem. H – hauteur de la pièce, 41 W – flux thermique nécessaire pour chauffer 1 m³ (valeur empirique).
3. Par coefficients. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, où N, S, C et 100 – idem. k1 – nombre de chambres dans le double vitrage de la fenêtre de la pièce, k2 – isolation thermique des murs, k3 – rapport surface vitrée/surface de la pièce, k4 – température moyenne négative de la semaine la plus froide de l'hiver, k5 – nombre de murs extérieurs de la pièce (donnant sur l'extérieur), k6 – type de pièce au-dessus, k7 – hauteur sous plafond.

C'est la méthode la plus précise pour calculer le nombre de sections. Naturellement, les résultats fractionnaires sont toujours arrondis à l'entier supérieur.

Calcul hydraulique de l'alimentation en eau

Certes, le “tableau” du calcul de la chaleur pour le chauffage ne peut être complet sans le calcul de caractéristiques telles que le volume et la vitesse du fluide caloporteur. Dans la plupart des cas, le fluide caloporteur est de l'eau ordinaire à l'état liquide ou gazeux.

Il est recommandé de calculer le volume réel du fluide caloporteur en additionnant toutes les cavités du système de chauffage. Avec une chaudière à un seul circuit, c'est la solution optimale. Avec des chaudières à double circuit, il faut prendre en compte la consommation d'eau chaude pour les besoins hygiéniques et autres usages domestiques.

Le calcul du volume d'eau chauffée par une chaudière à double circuit pour fournir de l'eau chaude aux résidents et chauffer le fluide caloporteur se fait en additionnant le volume interne du circuit de chauffage et les besoins réels des utilisateurs en eau chaude.

Le volume d'eau chaude dans le système de chauffage se calcule par la formule :

W=k*P, où

• W – volume du caloporteur ;
• P – puissance de la chaudière de chauffage ;
• k – coefficient de puissance (nombre de litres par unité de puissance, égal à 13.5, plage – 10-15 l).

Au final, la formule finale est la suivante :

W = 13.5*P

La vitesse du caloporteur est l'évaluation dynamique finale du système de chauffage, qui caractérise la vitesse de circulation du fluide dans le système.

Cette valeur permet d'évaluer le type et le diamètre de la canalisation :

V=(0.86*P*μ)/∆T, où

• P – puissance de la chaudière ;
• μ – rendement de la chaudière ;
• ∆T – différence de température entre l'eau de départ et l'eau de retour.

En utilisant les méthodes susmentionnées de calcul hydraulique, on obtiendra des paramètres réels qui constituent le “fondement” du futur système de chauffage.

Exemple de calcul thermique

Comme exemple de calcul thermique, vous disposez d'une maison ordinaire à un étage avec quatre pièces à vivre, une cuisine, une salle de bain, un “jardin d'hiver” et des pièces de service.

Fondation en dalle monolithique en béton armé (20 cm), murs extérieurs – béton (25 cm) avec enduit, toiture – planchers en poutres de bois, couverture – tuiles métalliques et laine minérale (10 cm)

Nous désignons les paramètres initiaux de la maison nécessaires pour effectuer les calculs.

Dimensions du bâtiment :

• hauteur d'étage – 3 m ;
• petite fenêtre de la façade et de l'arrière du bâtiment 1470*1420 mm ;
• grande fenêtre de la façade 2080*1420 mm ;
• portes d'entrée 2000*900 mm ;
• portes de l'arrière (sortie sur la terrasse) 2000*1400 (700 + 700) mm.

La largeur totale du bâtiment est de 9.5 m², la longueur de 16 m². Seules les pièces à vivre (4 pièces), la salle de bain et la cuisine seront chauffées.

Pour un calcul précis des pertes thermiques sur les murs, il faut soustraire la surface de toutes les fenêtres et portes de la surface des murs extérieurs – c'est un type de matériau complètement différent avec sa propre résistance thermique

Nous commençons par le calcul des surfaces des matériaux homogènes :

• surface du sol – 152 m² ;
• surface du toit – 180 m², en tenant compte de la hauteur du grenier 1.3 m et de la largeur de la panne – 4 m ;
• surface des fenêtres –  3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m² ;
• surface des portes – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

La surface des murs extérieurs sera égale à 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Passons au calcul des pertes thermiques pour chaque matériau :

• Q_sol=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W ;
• Q_toit=180*40*0.1/0.05=14400 W ;
• Q_fenêtre=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W ;
• Q_porte=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W ;

Et Q_mur équivaut à 136.38*40*0.25/0.3=4546. La somme de toutes les pertes thermiques sera de 19628.4 W.

Enfin, nous calculons la puissance de la chaudière : P_chaudière=Q_pertes*S_{pièces_chauffées}*K/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 kW.

Nous effectuerons le calcul du nombre de sections de radiateurs pour l'une des pièces. Pour toutes les autres, les calculs sont similaires. Par exemple, une pièce d'angle (à gauche, angle inférieur du schéma) d'une superficie de 10.4 m2.

Donc, N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.

Pour cette pièce, 9 sections de radiateur de chauffage sont nécessaires avec une puissance thermique de 180 W.

Passons au calcul de la quantité de fluide caloporteur dans le système – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Ainsi, la vitesse du fluide caloporteur sera : V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

En conséquence, le cycle complet du volume total du caloporteur dans le système sera équivalent à 2.87 fois par heure.

Une sélection d'articles sur le calcul thermique vous aidera à déterminer les paramètres exacts des éléments du système de chauffage :

1. Calcul du système de chauffage d'une maison individuelle : règles et exemples de calcul
2. Calcul thermique du bâtiment : spécificités et formules de calcul + exemples pratiques

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Un calcul simple du système de chauffage pour une maison individuelle est présenté dans l'aperçu suivant :

Toutes les subtilités et les méthodes courantes de calcul des pertes de chaleur d'un bâtiment sont présentées ci-dessous :

Une autre variante de calcul des fuites de chaleur dans une maison individuelle typique :

Cette vidéo présente les particularités de la circulation du caloporteur pour le chauffage de l'habitation :

Le calcul thermique du système de chauffage est de nature individuelle, il doit être effectué correctement et avec soin. Plus les calculs seront précis, moins les propriétaires d'une maison de campagne auront à payer en trop pendant l'exploitation.

Avez-vous de l'expérience dans la réalisation d'un calcul thermique de système de chauffage ? Ou avez-vous des questions sur le sujet ? Veuillez partager votre avis et laisser des commentaires. Le bloc de retour d'information se trouve ci-dessous.