Calcul du calorifère : comment calculer la puissance de l'appareil pour chauffer l'air destiné au chauffage

Les réchauffeurs d'air ont une productivité élevée, ils permettent donc de chauffer même de très grands espaces en un temps assez court. De nombreux modèles de ces appareils, fonctionnant avec différents fluides caloporteurs, sont disponibles à la vente.

Pour choisir l'option optimale, un calcul du réchauffeur d'air est nécessaire, que vous pouvez effectuer manuellement ou à l'aide d'un calculateur en ligne. Nous vous aiderons à comprendre la question des calculs – dans cet article, nous fournissons un exemple de calculs qui seront nécessaires pour choisir l'appareil de chauffage d'air approprié.

Nous examinerons également les caractéristiques de conception des différents types de réchauffeurs d'air, les avantages et les inconvénients du système de chauffage utilisant ces appareils.

Avantages et inconvénients du chauffage avec un réchauffeur d'air

Le système de chauffage domestique basé sur l'apport d'air chauffé à une température définie directement dans la maison présente un intérêt particulier pour les propriétaires de leur propre logement.

Une telle conception du système de chauffage se compose des éléments importants suivants :

• du réchauffeur d'air, agissant comme générateur de chaleur, chauffant l'air ;
• des canaux (conduits d'air) par lesquels les masses d'air chauffé entrent dans la maison ;
• le ventilateur, dirigeant l'air bien chauffé dans tout le volume de la pièce.

Les avantages de ce type de système sont nombreux. Ils incluent un rendement élevé, l'absence d'éléments auxiliaires pour l'échange de chaleur sous forme de radiateurs, de tuyaux, la possibilité de le combiner avec un système climatique, et une faible inertie, ce qui permet de chauffer de grands volumes très rapidement.

Pour de nombreux propriétaires, l'inconvénient est que l'installation du système ne peut se faire qu'en même temps que la construction de la maison, et qu'aucune modernisation ultérieure n'est possible.

Un autre inconvénient est la nécessité d'une alimentation de secours et d'un entretien technique régulier.

L'aérotherme est simple à installer et à utiliser, abordable, mais surtout, c'est un appareil efficace pour chauffer une pièce. Sur la photo, un aérotherme à eau intégré au système.

Sur notre site, vous trouverez des documents plus détaillés sur le système de chauffage à air pour maison et villa. Nous vous recommandons de les consulter :

• Chauffage à air à faire soi-même : tout sur les systèmes de chauffage à air
• Comment installer un chauffage à air pour une maison de campagne : règles et schémas de construction
• Calcul du chauffage à air : principes de base + exemple de calcul

Classification des réchauffeurs d'air

Les aérothermes sont intégrés au système de chauffage pour chauffer l'air. Il existe les groupes suivants de ces appareils selon le type de fluide caloporteur utilisé : à eau, électriques, à vapeur, à combustion.

Il est judicieux d'utiliser des appareils électriques pour des pièces d'une superficie maximale de 100 m². Pour les bâtiments de grande superficie, un choix plus rationnel sera les aérothermes à eau, qui ne fonctionnent qu'en présence d'une source de chaleur.

Les plus populaires sont les aérothermes à vapeur et les aérothermes à eau. Les deux types, selon la forme de leur surface, se divisent en deux sous-types : à ailettes et à tubes lisses. Les aérothermes à ailettes, selon la géométrie des ailettes, sont soit à plaques, soit à enroulement spiral.

La performance des aérothermes fonctionnant avec un fluide caloporteur tel que la vapeur est régulée à l'aide de vannes spéciales installées sur le tuyau d'entrée.

Selon la conception, ces appareils peuvent être à un seul passage, où le fluide caloporteur circule dans les tubes en gardant une direction constante, ou à passages multiples, dont les capots comportent des cloisons, de sorte que la direction du fluide change constamment.

Quatre modèles d'aérothermes à eau et à vapeur sont disponibles à la vente, se distinguant par la surface de chauffe :

• SM — la plus petite avec une rangée de tubes ;
• M — petite avec deux rangées de tubes ;
• S — moyenne avec trois rangées de tubes ;
• B — grande avec quatre rangées de tubes.

Les aérothermes à eau supportent de grandes variations de température en fonctionnement — de 70 à 110 °C. Pour un bon fonctionnement de ce type d'aérotherme, l'eau circulant dans le système doit être chauffée à un maximum de 180 °C. Pendant la saison chaude, l'aérotherme peut jouer le rôle de ventilateur.

Conception des différents types de réchauffeurs d'air

Un aérotherme de chauffage à eau se compose d'un boîtier métallique, d'un échangeur de chaleur constitué d'un faisceau de tubes et d'un ventlateur. À l'extrémité de l'appareil se trouvent des raccords d'entrée par lesqels il est raccordé à une chaudière ou à un systèm de chauffage centralisé.

En général, le ventilateur se trouve à l'arrièr de l'appareil. Sa tâche est de faire passer l'air traers l'échangeur de chaleur.

Apès chauffage, l'air revient dans la piè par la grille située sur la face avant de l'aérotherme.

Le plus souvent, le boîtier est de forme ectangulaire, mais il exite des modèles destinés aux conduits de ventlation de section circulaire. Sur la canalisatin d'alimention, on installe des vannes à 2 ou 3 voies pour régler la puissance de l'appareil.

Le ventlateur de soufflge soufle sur les tubes situés dans le boîtier de l'aérotherme. L'eau chauffée provenant du systèm de chauffage circule dans les tubes, et le ventlateur distribue uniformément l'air chaud dans la pièce.

Les aérothermes se difféentient auss par leur mode d'instllation : ils peuvent être de plafond ou muraux. Les modèles du premiér type sont placés derrière un fau plafond, seule la grille dépasse. Les apparies muraux sont plus populaires.

Type n°1 – réchauffeurs d'air à tubes lisses

La construction à tubes lisses est constituée d'éléménts chauffants sous forme de tubes fins creux d'un diamètr de 20 à 32 mm, espaçés de 0,5 cm les uns des autres. Le fluide caloporteur y circule. L'air, en enveloppant les surfaces chauffées des tubes, se échauffe par échange convctif de chaleur.

Les tubes de l'aérotherme sont disposés en quinconce ou en lige. Leurs extrémités sont soudées aux collecteurs supérieur et inférieur. Le fluide caloporteur pnètre dans le boîtier de distribution par le raord d'entrée, puis, apès avoir traversé les tubes et les avoir chauffés, il sor par le raord de sortie sous forme de condnsat ou d'eau froide.

Les apparies avec des tubes disposés en quinconce assurent un transfert de chaleur plus table, mais la ésistance aux flux d'air y est plus élevée. Il est indispensable d'effectuer un calul de la puissnce de l'appareil pour connaître ses capacités réelles.

L'air doit répondre à certaine exigences : absence de fibres, de particules en suspention et de substnces collantes. La poussière admisile est inférieure à 0,5 mg/m³. La température d'entrée est d'au mins 20°C.

Aérothermes à un passage et à trois passages. 1 – tuyau d'entrée par lequel arrive le caloporteur, 2 – boîte de distribution, 3 – tube, 4 – tuyau de sortie, 5 – cloison

Les caractéristiques thermiques des aérothermes à tubes lisses ne sont pas très élevées. Leur utilisation est judicieuse lorsqu'on n'a pas besoin d'un débit d'air important et de son chauffage à haute température.

Type n°2 – aérothermes à ailettes

Les tubes des appareils à ailettes possèdent une surface ailetée, par conséquent, leur transfert thermique est plus important. Avec un plus petit nombre de tubes, leurs caractéristiques thermiques sont supérieures à celles des aérothermes à tubes lisses.

Les aérothermes à plaques sont constitués de tubes sur lesquels sont montées des plaques — rectangulaires ou circulaires.

Le premier type de plaques est monté sur un groupe de tubes. Le caloporteur pénètre dans la boîte de distribution de l'appareil par un raccord, chauffe l'air qui passe à grande vitesse dans des canaux de petit diamètre, puis sort de la boîte de collecte par un raccord.

Les aérothermes de ce type sont compacts, faciles à entretenir et à installer.

Les appareils à plaques à un passage sont désignés : KFB, KFS, KVB, STD3009V, KZPP, K4PP, et les modèles à plusieurs passages : KVB, K4VP, KZVP, KVS, KMS, STDZOYuG, KMB. Le modèle moyen a la désignation KFS, et le grand modèle KFB.

Sur les tubes de ces aérothermes, on enroule un ruban d'acier ondulé d'une largeur de 1 cm et d'une épaisseur de 0,4 mm. Le caloporteur peut être soit de la vapeur, soit de l'eau.

Les aérothermes à eau ne doivent pas être raccordés avec des tubes métallo-plastiques ou polymères car ils ne sont pas conçus pour la température élevée du caloporteur. Il faut des tubes en acier, de préférence galvanisés, pour éviter la corrosion.

La première est équipée de trois rangées de tubes, et la seconde de quatre. Les plaques du modèle moyen ont une épaisseur de 0,5 mm et des dimensions de 11,7 x 13,6 cm. Les plaques du grand modèle, de même épaisseur et largeur, se distinguent par une plus grande longueur — 17,5 cm.

Les plaques sont espacées de 0,5 cm les unes des autres et ont une disposition en zigzag, tandis que pour les modèles de taille moyenne, les plaques sont disposées selon un principe d'alignement.

Les aérothermes portant le marquage STD ont 5 numéros (5, 7, 8, 9, 14). Dans les aérothermes STD4009V, le caloporteur est de la vapeur, et dans le STD3010G, de l'eau. Le montage des premiers est effectué avec une orientation verticale des tubes, des seconds — avec une orientation horizontale.

Type n°3 – réchauffeurs d'air bimétalliques avec ailettes

Dans les systèmes de chauffage avec réchauffage d'air, on utilise souvent des modèles d'aérothermes bimétalliques KP3-SK, KP4-SK, KSk – 3 et 4 avec un type d'ailettage spécial — spiral-roulé. Le caloporteur pour les aérothermes KP3-SK et KP4-SK est de l'eau chaude avec une pression maximale de 1,2 MPa et une température maximale de 180⁰.

Pour le fonctionnement des deux autres aérothermes, de la vapeur est nécessaire avec la même pression de service que pour les premiers, mais avec une température légèrement supérieure — 190⁰. Les fabricants effectuent obligatoirement des essais de réception et de livraison. Ils testent également les appareils pour l'étanchéité.

L'échangeur de chaleur de l'aérotherme KSK est constitué de tubes en acier avec des ailettes en aluminium. Ils sont reliés par des plaques tubulaires.

Il existe deux gammes d'aérothermes bimétalliques — les KSK3 et KPZ, qui comportent 3 rangées de tubes et appartiennent aux modèles moyens, et les KSK4 et KP4 avec 4 rangées de tubes, qui sont les grands modèles. Les composants de ces appareils sont des éléments d'échange de chaleur bimétalliques, des panneaux latéraux, des grilles de tubes, des couvercles avec cloison.

L'élément d'échange de chaleur se compose de 2 tubes — un tube intérieur en acier d'un diamètre de1,6 cm, sur lequél est monté un tube extérieur en aluminium avec ailettes. L'espacement transversal entre les tubes de transfert de chaleur est de4,15 cm, et l'espacement longitudinal est de3,6 cm.

Règles de calcul et de sélection de l'appareil approprié

Lors de la conception d'un système de chauffage avec un ou plusieurs aérothermes, ainsique lors de l'éxécution des calculs, un certain nombre de règls doivent êtr respecté. Examinoins-les plus en détail dans la sélection de photos ci-dessous.

Calcul du réchauffeur d'air à eau

Pour calculer la puissance d'un aérotherme à eau ou à vapeur, les paramètres initiaux suivants sont nécessaires:

1. La capacité du système, ou en d'autres termes, la quantité d'air déplacée par heure. L'unité de mesure du débit volumique est m³/h, celle du débit massique est kg/h. Le symbole conventionnel est L.
2. Température initiale ou extérieure — t_ext.
3. Température finale de l'air — t_fin.
4. La densité et la capacité calorifique de l'air à une température donnée — les données sont tirées des tableaux.

On calcule d'abord la surface de la section frontale du dispositif de chauffage d'air. Connaissant cette valeur, on obtient les dimensions préliminaires de l'appareil avec une marge.

Pour le calcul, on utilise la formule suivante:

Af = Lρ / 3600 (ϑρ),

Où L est le débit voluimique d'air ou la capacité en m³/h, ρ est la densité de l'air extéieur mesurée en kg/m³, ϑρ est la vitess massique de l'air dans la section calculée, mesurée en kg/(cm²).

Après avoir obtenu ce paramètre, pour les calculs ultérieurs, on prend la taille standard du calorifère la plus proche en dimensions. Si la valeur finale de la surface est grande, on installe en parallèle plusieurs appareils identiques dont la surface totale est égale à la valeur obtenue.

On appelle calorifères non seulement les dispositifs d'échange thermique, mais aussi les refroidisseurs d'air fonctionnant à l'eau froide, qui sont beaucoup moins populaires.

Pour déterminer la puissance nécessaire pour chauffer un volume d'air spécifique, il faut connaître le débit massique total de l'air chauffé en kg par heure, à l'aide de la formule :

G = L × p,

Où p est la masse volumique de l'air dans les conditions de température moyenne. On la détermine en additionnant les températures à l'entrée et à la sortie de l'appareil, puis en divisant par 2. Les valeurs de la masse volumique sont tirées du tableau.

Ce tableau permet d'obtenir les données sur la masse volumique et la capacité thermique spécifique de l'air à une température donnée pour calculer la puissance de l'appareil.

On peut maintenant calculer la consommation de chaleur pour chauffer l'air à l'aide de la formule suivante :

Q (W) = G × c × (t finale – t initiale),

Où G est le débit massique d'air en kg/h. On tient compte également de la capacité thermique spécifique de l'air mesurée en J/(kg × K). Elle dépend de la température de l'air entrant, et ses valeurs se trouvent dans le tableau ci-dessus. La température à l'entrée et à la sortie de l'apreil est notée t initiale et t finale respectivemnt.

Supposons qu'il faille choisir un calorifère d'une capacité de 10  00 m³/h pour chauffer l'air à 20°C lorsque la température extérieure est de -30°C. Le fluide caloporteur est de l'eau, avec une température d'entrée de 95°C et de sortie de 50°C.

Débit massique de la masse d'air: G = 10 00 m³/h × 1,318 kg/m³ = 13 80 kg/h.

Valeur de la masse volumique: ρ = (-30 + 20) = -10, en divisant ce résultat par deux on obtient -5. À partir du tableau, on a choisi la masse volumique correspondant à la température moyenne.

En insérant le résultat obtenu dans la formule, on obtient la consommation de chaleur: Q = 13 80 /3600 × 1013 × 20 – (-30) = 185 35 W. Ici, 1013 est la capacité thermique spécifique choisie dans le tableau à la température -30°C en J/(kg × K). À la valeur calculée de la puissane du califère, on ajoute une marge de 10 à 15%.

La raison en est que les paramètres du tableau diffèrent souvent des paramètres réels en étant inférieurs, et que la performance thermique de l'appareil, due à l'encrassement des tubes, diminue avec le temps. Il n'est pas souhaitable de dépasser la valeur de la marge.

En cas d'augmentation significative de la surface de chauffage, un surfroidissement peut se produire, et même un dégivrage par grands froids.

Dans un aérotherme à vapeur, le fluide caloporteur est introduit par le haut, et l'eau résultant de la condensation de la vapeur usée est évacuée par le bas. Sur la photo : schéma de raccordement d'un aérotherme à vapeur.

La puissance des aérothermes à vapeur se calcule de la même manière que celle des aérothermes à eau. Seule la formule de calcul du fluide caloporteur diffère :

G = Q / r,

Où r est la chaleur latente dégagée lors de la condensation de la vapeur, mesurée en kJ/kg.

Calcul du réchauffeur d'air électrique

Les fabricants indiquent souvent dans les cataloques des aérothermes électriques la puissanc installée et le débit d'air, ce qui simplifie grandement le choix. L'essentiel est que les paramètres ne soient pas inférieurs à ceux indiqués dans la fiche technique, sinon l'appareil tombera rápidement en panne.

La structure de l'aérotherme comprend plusurs éléments chauffants électriques spéciaux dont la surface est augentée par l'emboutissage d'aillettes.

La puissanc des appareils peut être très élevée, atnt étant parfis des centaines de kilowatts. Jusqu'à 3,5 kW, l'aérotherme peut être alimenté par une prise 220 V, mais au-delà de cette tnsion, vous devez le brancher par un câble dédié directment au tableau électrique. Si vous devez utiliser un aérotherme d'une puissanc supérieure à 7 kW, une alimentation en 380 V est nécessaire.

Ces appareils sont de dimensions et de poids réduits, ils sont totalment autonomes et ne nécessitent pas la présence d'un réseau centralisé d'eau chaude ou de vapeur.

Un inconvénient majear : une puissanc insuffisante pour une utilisation dans de grands espaces. Deuxième inconvénient : une consommation électrique élevée.

Le calcul de l'aérotherme montre que l'utilisation de l'appareil permet une économie substntielle de ressources énergétiques. Parfis, cet appareil est combiné avec un récupérateur de chaleur, et alors l'air n'est pas prélevé à l'extérieur mais à l'intérieur du local.

Pour connaître le courant consmmé par l'aérotherme, vous pouvez utiliser la formule :

I = P /U,

Où P est la puissanc et U la tnsion d'alimentation.

En cas de raccordement monophasé de l'aérotherme, U est considéré égal à 220 V. En triphasé, à 660 V.

La ténpératre jusqu'à laquelle un aérotherme d'une puissanc donnée chauffe la masse d'air est dééterminée par la formule :

T =2.98 x P/ L,

Où L  – est le débit du système. Les valurs optimales de puissanc de l'aérotherme pour une maison sont de 1 à 5 kW, et pour les bureaux de 5 à 50 kW.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Quelle densité de l'air utiliser dans le calcul ? Ceci est exliqué dans cette vidéo :

Vidéo expliqtant le fonctinnement d'un aérotherme dans un système de chauffage :

Lors du chix d'un type d'aérotherme, vous devez tenir compte de considérations d'opportunité et des caractéristiques d'exploitation de la maison.

Pour les petites surfaces, un aérotherme électrique sera un bon achat, tandis que pour chauffer une grande maison, il est préférable d'opter pour une autré solution. Dans tous les cas, un calcul préalable est indispnsable.

Vous vous y connaissez bien dans le choix et le calcul d'un aérotherme ? Vous souhaitez peut-être partager des conseils utiles pour choisir un réchauffeur d'air ou signaler une erreur ou une inexactitude dans les calculs du matériel examiné ci-dessus ? Laissez votre commentaire sous cet article – votre opinion peut être utile aux personnes qui choisissent l'aérotherme adapté à leur maison.