Thermic Losses Calculations / Chapter 1

February 11, 2014 • Radiant Heating • Views: 210

Les calculs de pertes thermiques, qui représentent une partie importante de la conception d’un système hydronique, sont nécessaires au dimensionnement de la source de chauffage et du système de distribution de chaleur dans Ie bâtiment, selon les besoins.

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Le Code d’installation des systèmes de chauffage hydronique CAN/CSA
8-214 définît les exigences relatives à la détermination de la puissance d’une source de chauffage.

L’article 4.2.2.1 Chaleur produite par I’émetteur de chaleur stipule que cette source doit avoir une puissance égale ou supérieure à celle exigée et établie lors de la conception du système. Si des charges complémentaires telles que des chauffe-eau pour piscine ou spa sont jugées comme des charges saisonnières, la sélection de la source de chauffage doit être effectuée selon la charge saisonnière la plus élevée. Une fois la charge la plus élevée déterminée, la puissance nominale nette de la source de chauffage voulue doit être au moins égaIe à cette charge ou à la puissance immédiatement supérieure.

II est primordial que la source soit adéquatèrent dimensionnée. A cet effet, tenir compte des conversions de combustibles et de la réduction de la puissance nominale en fonction de I’altitude, ainsi que de la détermination de la charge. Les charges saisonnières mentionnées dans Ie code sont celles imposées à la source en dehors de la saison de chauffage. Par exemple, lorsqu’on chauffe une piscine seulement l’être à I’aide d’une source utilises pour chauffer le bâtiment en hiver, la source doit être dimensionnée en fonction de la charge la plus élevée, du fait que les demandes ne surviennent pas au même moment. Lorsque des charges complémentaires sont imposées à la source de chauffage en même temps que des charges de chauffage, la source doit être dimensionnée en tenant compte de ces charges combinées. Lorsqu’on applique une stratégie de commande avec priorité, Ie dimensionnement peut être base sur la charge la plus élevée, du fait que, dans un tel cas, les charges ne surviennent pas simultanément.

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Important! L’article 9.33.5.1 Puissance des appareils de chauffage du Code national du bâtiment (CNB) exige que cette puissance soit conforme à la norme CAN/CSA­ F280 et à la sous-section 9.33.3 températures de conception.

 

Calcul des pertes thermiques

On utilise Ie produit Coefficient x Différence de température de conception x Surface:

Coefficients « U » et valeurs « R» :

Les coefficients de pertes thermiques sont déterminés au moyen d’essais en laboratoire. Ces coefficients, que I’on trouve dans les documents d’information et les programmes relatifs aux pertes thermiques, s’expriment sous la forme des coefficients « U » ou des valeurs « R ».

  • Coefficient « U » – C’est un nombre exprimant la quantlte effective de chaleur qui traverse un pied carre de l’enveloppe du bâtiment à une différence de température de 1 degré. Plus ce nombre est grand, plus les pertes thermiques sont élevées.
  • Valeur « R » – Se rapporte à une valeur représentant la résistance au flux thermique. Plus la valeur « R » est élevée, plus les pertes thermiques sont faibles.

Note: la valeur « R » et Ie coefficient « U » sont des inverses; en effet, en divisant Ie chiffre 1 par la valeur « R », on obtient Ie coefficient « U » et en divisant Ie chiffre 1 par Ie coefficient « U », on obtient la valeur « R ».

 

Température de conception

Extérieure – Les températures extérieures de conception (TEC) utilisées pour les calculs doivent satisfaire aux exigences du Code national du bâtiment, sous-section 9.33.3 températures de conception, ou des autorités compétentes. Les codes du bâtirent provinciaux fournissent également des températures en fonction du climat.

Intérieure – La température intérieure de conception (TIC) est établie par les occupants en fonction de leurs préférences, à condition que Ie système soit conçu pour assurer les températures intérieures minimales ci-après, selon les prescriptions du Code national du bâtiment.

 

  • 22°C (72 F) pour des pièces habitées,
  • 18°C (65 F) pour un sous-sol non fini; envisager toutefois une température de
  • 22°C (72 F) en cas d’aménagement de ce dernier.
  • Dans un vide sanitaire nécessitant un chauffage, la température minimale doit être de 15°C (59 F).

Note: la différence entre les températures de conception intérieure et extérieure se nomme différence de température de conception ( ∆ T ). La formule correspondante est donc la suivante : ∆ T = TlC – TEC.

Aspects touchant au calcul

  • Infiltration – Les pertes thermiques estimées tiennent compte de la quantité d’air froid qui s’infiltre dans un local par les fissures et les ouvertures dans I’enveloppe du bâtiment, Selon la méthode de calcul des pertes thermiques, I’infiltration peut être calculée à partir du volume d’air dans la pièce ou peut s’exprimer en pourcentage (au moyen d’un facteur de multiplication) des pertes thermiques par transmission calculées, Les exigences de ventilation peuvent être prises en compte.
  • Transmission – Les pertes par transmission représentant la chaleur qui traverse I’enveloppe d’un balment (zones de séparation entre l’intérieur et l’extérieur). Les pertes thermiques se calculent en tenant compte de I’aire de la surface de I‘enveloppe, de la différence de température et du flux thermique (valeur « R » ou coefficient « U »).
  • Air de ventilation – Les pertes thermiques dues à la ventilation tiennent compte du changement d’air, dans Ie bâtiment, par des moyens mécaniques. La charge de chauffage se détermine en multipliant Ie débit d’air entrant en pieds cubes par la différence de température de conception et un facteur de 1,08.
  • Charges complémentaires – Ces charges sont indépendantes des calculs de pertes thermiques. Bien qu’elles aient une importance pour Ie dimensionnement de la source, ce chapitre ne traite que de la charge de chauffage des locaux. Les charges complémentaires font I’objet du chapitre 4.

 

Mesures des surfaces exposées

  • Mesures en unités impériales – Les mesures impériales en pieds et pouces sont arrondies au quart (0.25) de pied près pour simplifier. Cette opération s’effectue en divisant un pied (12 po) en quatre parties égales et en arrondissant, en plus ou en moins, à la valeur la plus proche:

0 po = 0.0    3 po = 0.25     6 po = 0.50    9 po = 0.75

  • Mesures en unités SI – Les mesures métriques s’appliquant aux bâtiments à usage résidentiel s’expriment généralement en millimètres (mm) ou en mètres (m) et en parties décimales de ces unités (0,0 m).
  • Mesures relatives à un bâtiment – L’intérieur (cote chauffe) de I’aire de I’enveloppe est prise. en compte pour I’estimation des pertes thermiques.
  • Portes/Fenêtres/Puits de lumière – Les coefficients se rapportant aux portes et aux fenêtres sont bases sur I’aire de la surface incluant Ie cadre (dimensions brutes de I’ouverture).
  • Aires de forme irrégulière – II suffit de calculer les pertes thermiques en utilisant des aires équivalentes, obtenues en taisant la moyenne des différentes mesures. Cela s’applique aux calculs d’infiltration et de transmission.

 

Calcul Perte de chaleur 1

Exemple:
Calcul de t’aire équivalente d’un mur dans une pièce dont /e plafond est incline, mesurant 9 pi à I’extrémité basse et 13pi à I’extrémité haute.
L’aire du plafond incline peut se calculer en utilisant la formule A2 + 82 = C2. La racine carrée de C correspond à la largeur du plafond.

 

Calcul Perte de chaleur 2

Exemple:
Différence d’élévation : 4 pi = à 2
Largeur : 15 pi = 82
Inconnue = C2
(4×4) + (15x 15) = C2
Racine carrée de 241 = 15.52
La mesure inconnue correspondant au plafond est de 15.52 pieds. Arrondir au quart de pied Ie plus près = 15.5 pi

 

Application de la formule : Coefficient x ∆ T x Aire

L’exemple suivant illustre la méthode de calcul des pertes thermiques par un mur comportant une fenêtre. Les étapes se suivent dans I’ordre logique de I’estimation des pertes thermiques.

 

Etape 1 – Déterminer la différence de température de conception. II s’agit de la différence entre la température intérieure voulue et la température extérieure la plus basse pour la région ou se trouve Ie bâtiment.

Calcul Perte de chaleur 3

Exemple:
Température extérieure de -30 F
Température intérieure de 72 F
Différence de température de conception = 102 F
Etape 2 – Déterminer Ie coefficient de transmission « U ». II est de loin préférable d’utiliser des coefficients précis, tires des méthodes de calcul des pertes thermiques approuvées par les autorités compétentes. Examiner Ie type de construction afin d’établir les caractéristiques des divers composants de I’enveloppe (fenêtres, portes, murs, etc.). Sélectionner ensuite le coefficient tire de la documentation sur les méthodes de calcul des pertes thermiques qui correspond le mieux à la construction réelle.

Note: I’exemple suivant illustre la conversion de valeurs «R» en coefficients « U ». Utiliser les coefficients « U » provenant de tableaux de pertes thermiques dans la mesure du possible. Les coefficients provenant de ces tableaux tiennent compte de variables pertinentes, comme I’espacement des montants, les films d’air, etc.

 

Calcul Perte de chaleur 4

Exemple:
Valeur « R » du mur : 20
1 +20 = 0.050
Coefficient « U » du mur : 0.050
Valeur « R » de la tenetre : 4
1 +4 = 0.250
Coefficient « U » de la fenêtre : 0.250

 

Etape 3 – Calculer I’aire en question. Utiliser les plans du bâtiment ou les mesures effectuées sur place. Chacun des composants de la pièce ayant un coefficient
« U » distinct fait toujours I’objet d’un calcul individuel tenant compte de I’aire qu’il représente.

Le Code national du bâtiment exige un calcul de pertes thermiques pièce par pièce; par conséquent, chaque pièce doit faire I’objet d’un calcul séparé. Dans I’exemple de la page suivante, les calculs relatifs à la fenêtre et au mur doivent être distincts, car ils se caractérisent par des coefficients différents.

 

Note: dans cet exemple, on utilise des unités de mesure impériales arrondies au besoin.

 

Calcul Perte de chaleur 5

Exemple:

La fenêtre à 2 pi 6 po par 4 pi 8 po, soit, en arrondissant, 2.5 x 4.75 = 11.875 pi2.

Le mur à 10 pi 4 po par 8 pi 1 po, soit, en arrondissant, 10.25 x 8.0 = 82 pi2.

II faut ensuite soustraire I’aire de la fenêtre de celle du mur.

82 pi2 de mur moins 11.875 pi2 de fenêtre = 70.125 pi2 de mur.

 

Etape 4 – Calculer en utilisant la formule.

Coefficient x ∆ T x Aire

Mur – 0.050 x 102 x 70. 125 = 357.6375; arrondir ce nombre à la valeur entière supérieure pour simplifier = 358 Btu/h.
Fenêtre – 0.250 x 102 x 11.875 = 302.8125; arrondir ce nombre à la valeur entière supérieure pour simplifier = 303 Btu/h.

Total pour la section: 358 + 303 = 661 Btu/h.

Les pertes thermiques par Ie mur et la fenêtre s’elèvent à 661 Btu/h lorsqu’il fait -30 F à t’extérieur et 72 F à I’intérie ur.

 

Etape 5 – Additionner les totaux relatifs aux sections et enregistrer les résultats pour chaque pièce. On additionne ensuite les totaux des différentes pièces pour obtenir les pertes thermiques totales du bâtiment.

La charge de chauffage est ensuite combinée aux charges complémentaires afin de dimensionner la source de chauffage. Le chapitre 4 traite du dimensionnement des échangeurs de chaleur et des chauffe-eau à usage domestique. La puissance de la source dépend également de la stratégie de commande et des charges saisonnières complémentaires.

Note: Ie calcul des pertes thermiques varie selon la méthode utilises. Suivre les directives relatives à la méthode appliquée.

 

Aspects relatifs aux calculs de pertes thermiques

Cloisons froides: iI s’agit des murs extérieurs séparant I’espace intérieur des zones soumises à la température extérieure, mais sans contact direct avec les éléments. Ces murs comprennent par exemple ceux situés entre des espaces intérieurs et :

• une entrée ou un porche non chauffés:
• un solarium non chauffe:
• une terrasse fermée:
• un garage (chauffe ou non).

 

Note: pour les pièces adjacentes à un garage chauffé, utiliser obligatoirement la différence de température de conception avec l’extérieur lors du calcul des pertes thermiques, afin d’assurer que la température intérieure dans ces pièces soit maintenue, même si Ie système de chauffage du garage est arrêté ou si les portes sont ouvertes.

Sous-sol: ces composants de I’enveloppe d’un bâtiment sont soumis à des températures extérieures différentes. La partie supérieure d’un sous-sol est en effet soumise à la température extérieure de conception effective, tandis que les pertes thermiques par la partie inférieure se trouvent réduites du fait que la température du sol est plus élevée. La partie supérieure de la couverture de terre adjacente à un mur de sous-sol, sur 600 mm (2 pi à po) en général, est considérée à la température extérieure de conception, à cause de la pénétration du gel. La zone inférieure, bien qu’a une température beaucoup plus basse que la température intérieure, n’est pas aussi froide que I’aire extérieur au-dessus du sol. La température moyenne du sol est indiquée dans les tableaux de pertes thermiques, au même titre que la température extérieure de conception. La température du sol varie également selon la région géographique.

Enveloppes extérieures caractérisées par différents types de construction : dans Ie cas d’un mur extérieur comprenant des composants différents, comme un mur bas en blocs de béton avec charpente en bois au-dessus ou un mur ayant différentes finitions extérieures, comme un parement en partie haute et de la brique en partie basse, utiliser des valeurs de coefficient «U» distinctes pour tenir compte de la différence entre les matériaux, Le flux thermique dépend en effet du matériau utilisé. Utiliser un coefficient séparé pour l’aire correspondant à un matériau donnée.
Note: les autorités peuvent exiger de soumettre les calculs de pertes thermiques et la conception du système en vue de la délivrance d’un permis.

La documentation du système est essentielle. Le Code d’installation des systèmes de chauffage hydronique CAN/CSA 8-214 énonce cette exigence à I’article 4.6.3 Documentation du système, dans lequel figurent des exemples de renseignements devant être mis à la disposition de I’installateur. Un accès facile aux données de conception permet d’assurer qu’un système fonctionne correctement et satisfasse aux critères de conception. Ces renseignements sont également essentiels pour Ie dépannage, ainsi que les réparations et modifications futures du système.
Important Tenir compte des températures de conception indiquées dans la documentation de référence sur les pertes thermiques et/ou Ie Code national du bâtiment, afin d’obtenir des résultats précis et de réaliser un système de chauffage adéquatement dimensionne. Bien que les températures réelles puissent être plus basses durant de courtes périodes pendant la saison de chauffage, Ie choix des températures de conception tient compte de paramètres comme la masse thermique du bâtiment, ainsi que des sources de chaleur naturelle autres que Ie système de chauffage. La valeur d’une température de conception correspond à la moyenne sur dix ans des températures les plus basses du mois de janvier et sur un systèms assurant à 97,5 % du temps la charge de chauffage associée, Les données de conception utilisées doivent être acceptables par les autorités,

Les données de calcul des pertes thermiques s’utilisent différemment d’un programme à I’autre; iI est par conséquent important de ne pas faire de calculs avec un programme donnée, en tenant compte de coefficients provenant d’un autre programme. (Par exemple, certains programmes de calcul utilisent des coefficients d’infiltration selon une méthode incompatible avec d’autres programmes similaires).

 

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Source : Système de chauffage hydronique
Un guide de conception et d’installation à l’usage du concepteur, de l’entrepreneur, de l’ingénieur, de l’architecte et de l’inspecteur

CMMTQICPC, 2009

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