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Systèmes de climatisation hydrauliques Swegon 2004
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TRANSFERT THERMIQUE
TRANSFERT THERMIQUE
TRANSFERT THERMIQUE
L’échange de chaleur entre l’être humain et son entourage s’opère de trois façons principales :
- émission de chaleur par rayonnement vers les surfaces environnantes ou vers l’air libre.
- émission de chaleur par convection vers l’air ambiant.
- émission de chaleur par évaporation, chose qui se produit principalement lorsque nous transpirons.
On rencontre même une quatrième forme d’échange de chaleur par conduction vers des objets solides ou liquides en contact direct avec la surface du corps. Normalement, sa part est si faible qu’on la néglige entièrement.
Émission de chaleur par rayonnement
De la chaleur rayonnante est émise continuellement depuis les surfaces chaudes vers les surfaces froides, et augmente avec la différence de température entre celles-ci. Pour résumer, l’échange de chaleur rayonnante dépend des facteurs suivants :
- la taille et la position des surfaces = le rapport d’orientation spatial entre elles
- les températures respectives des surfaces
- la nature des surfaces, laquelle détermine les coefficients d’émission et d’absorption, autrement dit la capacité à envoyer et à recevoir de la chaleur rayonnante.
On distingue deux types de chaleur rayonnante :
- L’émission de haute température, par des corps dont la température est supérieure à +500 °C
- L’émission de basse température, par des corps dont la température est inférieure à +250 °C
Lorsque l'on détermine les conditions de confort thermique dans l’intervalle -50 °C à +100 °C, l’échange thermique entre les différentes surfaces de la pièce se fait sous la forme d’un rayonnement invisible de basse température de grande longueur d’onde. On peut négliger complètement l’échange thermique par émission et absorption avec l’air ambiant. Aussi, en établissant le bilan thermique du local, on tiendra compte uniquement du rayonnement de basse température entre les différentes surfaces de la pièce, murs, sol, plafond, meubles, appareils de chauffage, etc. et de l’éventuel rayonnement de haute température du soleil.
L’échange de chaleur par rayonnement entre des surfaces distinctes de la pièce s’exprime habituellement par la formule ci-dessous :
PS = aS • A1 • (t1 - tm) [W]
PS = échange de puissance thermique en W entre la surface A1 en m2 à la température t1 avec les autres surfaces de la pièce ayant ensemble une température moyenne de tm
aS = coefficient de transfert thermique pour la chaleur rayonnante, en W/m2 K
e0 = coefficient d’émission
On établit avec une bonne précision (marge d’erreur inférieure à 2,5 %) aS dans l’intervalle 0 à 100 °C pour t1 et tm :
aS= e0 • (4,38 + 0,034 • (t1 + tm)) [W/m2 K]
<P><EM><STRONG>Figure 4.</STRONG></EM> <EM>Un échange thermique s’ opère entre toutes les surfaces ayant des températures différentes, indépendamment de la direction.</EM></P>
Convection
Si une surface est plus chaude que l’air ambiant, elle lui cède de la chaleur. De la même manière, l’air ambiant cède de la chaleur à une surface plus froide. Cette forme de transfert thermique est appelée convection et se divise en :
- Convection naturelle
- Convection forcée
La convection naturelle naît de la différence de densité de différentes couches d’air. Elle découle de la différence de température entre l’air et les différents corps vers lesquels ou autour desquels l’air circule. L’air près du corps est porté à une autre température que l’air au-delà la zone limite, ce qui donne ces couches de densités différentes, et différents types de courants se manifestent suivant la forme, l’écart de température et la situation des corps.
La convection forcée s’obtient par exemple en provoquant un déplacement d’air au moyen d’un ventilateur. Autrement dit, le ventilateur détermine l’écoulement de l’air.
Dans ce cas de figure, l’air autour des surfaces des corps est entraîné par d’autres forces que la différence de densité.
Pour résumer, le transfert thermique par convection dépend de l’écoulement de l’air le long de la surface du corps, de la superficie du corps et de la différence de température entre le corps et l’air.
L’échange thermique par zone augmente avec la vitesse de l’air, la diminution de la superficie du corps et l’accroissement de la différence de température entre la surface du corps et l’air.
Induction
L’induction est une forme de convection forcée qui se produit lorsqu’un jet d’air à grande vitesse frôle de l’air immobile qui se trouve alors entraîné. Cela a pour effet d’augmenter le jet d’air.
Le principe de l’induction est exploité aussi bien par les poutres froides actives (avec air primaire intégré) que par les appareils à induction. Voir le chapitre REFROIDISSEMENT DES LOCAUX.
Évaporation
Pour faire passer du liquide à l’état gazeux, il faut de la chaleur. Lorsqu’on transpire, cette chaleur est prélevée en grande partie sur la surface du corps qui, de ce fait, est refroidie. L’être humain émet de la chaleur par évaporation. Un échange thermique par évaporation et convection a lieu aussi lorsqu’on respire.
L’émission de chaleur par évaporation dépend de l’humidité relative de l’air. À des températures ambiantes normales, entre +18 °C et +25 °C, et une humidité relative normale, entre 20 % et 50 %, l’effet est faible.
Si l’humidité de l’air n’est pas maintenue à un bon niveau, 45 % maximum à 25 °C, mais monte jusqu’à 60 % et au-delà, la peau devient moite. Quand cela arrive, l’évaporation se fait plus difficilement. Pour cette raison, il est important que l’installation de climatisation soit dimensionnée pour garder un taux d’humidité pas trop élevé dans le bâtiment. A cet effet, la centrale de traitement d’air primaire doit être dotée, d’une puissance de refroidissement suffisante pour pouvoir déshumidifier l’air avant qu’il soit diffusé dans les locaux, voir le chapitre Prévention de la condensation.
<P><EM><STRONG>Figure 5.</STRONG></EM> <EM>Émission de chaleur corporelle dans trois situations de travail différentes.</EM></P><P>A = Convection<BR/>B = Rayonnement<BR/>C = Émission par évaporation <BR/></P><P>1 = Repos complet<BR/>2 = Travail de bureau léger<BR/>3 = Travail de bureau normal<BR/>4 = Travail sur ordinateur<BR/>5 = Travail physique léger<BR/>6 = Promenade tranquille<BR/>7 = Travail de peinture</P><P> </P><P></P>
<P><EM><STRONG>Figure 6.</STRONG></EM> <EM>Convection forcée.</EM></P>
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