CHAUFFAGE

2010/2011
CHAUFFAGE
4 - GC
Cours : 14 séances (A.Trombe, L.Adolphe, C.Oms)
TD :
8 séances
(S. Ginestet, M.Moisson, C.Oms)
Tests : 1 QCM (30%) + 1 Contrôle final (70%)
• 4 séances
Isolation thermique – RT 2005/2012
• 2 séances Aéraulique - Ventilation
• 2 séances
Production de chaleur
(combustion, chaudières)
• 4 séances
Emission, distribution, régulation
de chaleur (émetteurs et réseaux)
• 2 séances
Diagnostic & Conception bioclimatique
CHAUFFAGE
Cours : 14 séances (A.Trombe, L.Adolphe, C.Oms)
TD :
8 séances
(S. Ginestet, M.Moisson, C.Oms)
Tests : 1 QCM (30%) + 1 Contrôle final (70%)
• Question de cours / QCM :
mardi 19 octobre (11h05 – 11h55)
objet : cours, séances 1 à 10
sans document
• Contrôle final :
lundi 6 décembre (11h – 12h30)
objet : cours + TD
Doc. autorisé : 1 feuille recto/verso
2010/2011
4 - GC
introduction, rappels, etc
Le chauffage
Déperditions d’un local
- qualité de l’isolation
- ventilation
Régulation
Emission
Distribution
Production
Bilan thermique
Principe du bilan thermique d’hiver
Le bilan thermique permet d’estimer la puissance de chauffe à
installer pour combattre les déperditions d’un bâtiment .
à travers les parois
flux d’air
= calcul des déperditions statiques et dynamiques du bâtiment
dans la condition la plus défavorable (minimum nocturne)
par rapport à des conditions extérieures « de base »
Le calcul est mené uniquement sur les échanges sensibles
Le calcul des déperditions permet d’estimer la consommation
d’un bâtiment
Bilan thermique
Zones climatiques et températures de base
- Trappes
- Nancy
- Macon
H1
- Rennes
- La Rochelle
H2
- Agen
- Carpentras
- Nice
H3
H1
θbase = -9°C
H2
θbase = -6°C
H3
θbase = -3°C
Correction selon l’altitude :
• Z<400m : 0°C
• 200m <Z< 800m : -2°C
• Z>800m : -4°C
Bilan thermique
Les déperditions statiques
• déperditions surfaciques :
Surfaces (Ai) coefficient U [W/m².K]
• déperditions linéiques :
Liaisons (Li) coefficient ψ [W/m.K]
Deperd Statiques = ∑ (Ui.A i + Ψi.Li )x(θint - θext )
Remarques :
- si le local adjacent est « non chauffé » : utilisation du facteur « b »
- Rappel : coefficient U pour une paroi
1
1
ei
1
=
+∑ +
U hext
λ hint
i i
Bilan thermique
Les déperditions dynamiques
• renouvellement d’air obligatoire (réglementation)
• perméabilité de l’enveloppe (« fuites »)
Qv (en kg/s)
Deperd Dynamiques = Q v x Cp,air x (θint - θ ext )
Remarques :
Cp,air = 1,02 kJ/kg.K
ρair = 1,2 kg/m3
Perméabilité :
- logement individuel : 1,3 m3/h.m2
- logement collectif, bureaux, hôtels,
enseignement ,… :
1,7 m3/h.m2
- autres :
3 m3/h.m2
Exemples de débits réglementaires :
- salle de cours : 15 m3/h
- chambre d'hôpital : 18 m3/h
- salle d’eau (logement) : 15 m3/h
- cuisine (logement F4) = 60 + 15 x 4 = 120 m3/h
Bilan thermique
Coefficient caractéristique Ubat (RT2005)
Le coefficient Ubat est caractéristique de l’enveloppe d’un
bâtiment :
bi.(Ui.Ai+ Ψi.Li) [W/m².K]
∑
Ubat=
∑Ai
avec b : coef. d’atténuation vers les locaux non chauffés
Il permet d ’analyser « l'efficacité » de l’enveloppe d’un bâtiment
vis-à-vis des déperditions : il doit répondre aux attentes de la
réglementation thermique en vigueur (RT2005).
ex: maison individuelle Ubat < 1,2.Ubatref.
Le chauffage
Bois
Charbon de bois
Bois
Charbon de bois
Bois
Charbon
Mazout
Gaz
Ordures
Electricité
Géothermie
Le chauffage
Charbon de bois :
technique des meules
Le chauffage
Chaufferie
Poêle à bois
Le chauffage
Déperditions d’un local
- qualité de l’isolation
- ventilation
Régulation
Emission
Distribution
Production
2010/2011
4 - GC
La production de chaleur
La combustion
Les générateurs de chaleur
Sources d’é
d’énergie
’énergie
Combustibles
• Solides : Charbon, Bois, Déchets, Ordures
• Liquides : Fioul
• Gazeux : Gaz naturel
Autres sources d’énergie
• Solaire
• Géothermie
• Electricité
(origine fr. : nucléaire 78% , hydro. 14%, thermique 8%)
Ordre d’idée du Prix de l’énergie
1kWh de chaleur (en 2008) =
- fioul : 8c
- gaz : 9c
- bois : 3c
- électrique : 12c
La combustion
Définition
Comburant
(l’air)
C’est une réaction chimique exothermique
(réaction d’oxydation = liée à l’O2)
Combustible
Il y a rupture des liaisons des molécules du combustible,
et recombinaison avec les molécules du comburant pour
obtenir des molécules plus « stables » (CO2 ,H20, SO2, N2)
Cette réaction nécessite une énergie d’activation
(en général : de la chaleur, une étincelle, une flamme)
La combustion
Réactions de combustion
produits de
combustion
comburant
chaleur de
combustion
H2
+ 1/2 (O2)
H2O
+ 241,8 kJ.mol-1
S
+ (O2)
SO2
+ 71 kJ.mol-1
CO
+ 1/2 (O2)
CO2
+ 283 kJ.mol-1
CH4 + 2 (O2)
CO2 + 2 H2O
+ 803,2 kJ.mol-1
C2H4 + 3 (O2)
2 CO2 + 2 H2O
+ 1332 kJ.mol-1
C2H6 + 7/2 (O2)
2 CO2 + 3 H2O
+ 1406 kJ.mol-1
C3H8 + 5 (O2)
3 CO2 + 4 H2O
+ 2012,6 kJ.mol-1
C4H10 + 13/2 (O2)
4 CO2 + 5 H2O
+ 2661 kJ.mol-1
La combustion
Définitions
- pouvoir comburivore (Va)
quantité d’air nécessaire pour assurer la combustion
complète de 1 Nm3 de gaz (combustion neutre)
Remarque : volume d’air = volume d’O2 / 0.21
- pouvoir fumigène (Vf)
quantité de fumées dégagées par la combustion complète
de 1 Nm3 de gaz (combustion neutre)
Remarque : les éléments « inertes » sont comptabilisés
Vf = Vproduits_combustion + Vinertes
N2 apporté par l’air
H2O apporté par l’air
inertes apportés par le combustible
La combustion
Définitions
- pouvoir calorifique inférieur et supérieur (PCi et PCs)
PCi : quantité de chaleur dégagée par 1 Nm3 de gaz, en
considérant : H2O sous forme vapeur
PCs : quantité de chaleur dégagée par 1 Nm3 de gaz, en
« condensant » la vapeur d’eau des fumées
PCs = PCi + Mvap.Lvap
(avec Lvap = 2500 kJ.kg -1 à 0°C)
Gaz : 10%
Fuel : 6%
Charbon : 3%
La combustion (gaz)
Grandeurs utiles
1 Nm3 = 1 m3 , dans les conditions normales de pression
et de température ( 0°C, 1 atm )
Masse molaire d’un gaz (kg.mol-1)
Masse molaire des composés élémentaires :
H = 1 g.mol-1, C = 12 g.mol-1, N = 14 g.mol-1, O = 16 g.mol-1
ex: Air (21% O2, 79% N2) Mm,air = 29.10-3 kg.mol-1
Volume molaire d’un gaz (m3.mol-1 )
Vm = 22,4.10-3 m3.mol-1 (dans les conditions normales)
Vm = 22,4 l.mol-1
Masse volumique d’un gaz (kg.m-3)
Mv = Mm / Vm
La combustion (gaz)
Types de combustion
- combustion neutre
combustion complète d’un gaz, sans excès ni défaut d’air
= pas d’O2, pas d’imbrûlés dans les fumées
- combustion incomplète
= on trouve des imbrûlés dans les fumées (ex: CO)
- combustion complète
= on ne trouve pas d’imbrûlés dans les fumées
- combustion avec excès d’air
= on retrouve de l’O2 dans les fumées
on définit l’excès d’air par la relation :
Eair
Vair − Va
=
Va
Vair
on définit le facteur d ’air par la relation : n =
Va
La combustion (gaz)
Diagramme de combustion
Le diagramme de combustion permet de déterminer le
type de combustion à partir de la teneur en O2 et en CO2
• Droite de Grebel
teneur en CO2 (en fonction de la teneur en O2) des
fumées sèches (on ne considère pas H20), pour une
combustion complète.
• Diagramme d’Ostwald
reprend la droite de Grebel + représentation des droites
d’égal CO/CO2 et de H2/CO2 + représentation des lignes
d’excès d’air
Ce diagramme permet de caractériser une combustion
à partir de 2 mesures (O2 et CO en général)
Analyseur de fumées
Sonde de mesure
Cellules
d’analyses
(O2, CO)
Dessiccateur
15
Teneur en CO2 (%)
Combustion
neutre
Combustion complète
(avec excès d’air)
r
eu
ct
Fa
Pas de
combustion
r
ai
d’
n=
1
0
0
Teneur en O2 (%)
21
La combustion (gaz)
Le rendement de combustion
PCs − Qf
=
PCs
•si l’eau formée est condensée
ηPCs
• si l’eau reste en vapeur
ηPCi =
PCi − Qf
PCi
avec Qf = la chaleur perdue dans les fumées
Qf = Σ Hi.Vi
(i : composant des fumées)
H : enthalpie entre Tamb et Tfumées
Rque : Estimation du % perdu dans les fumées (eau « vapeur »)
Tf − Ta
Formule approchée de Siegert
Pertes (%) = σ
[%CO2 ] (σ = 0,45 à 0,5)
La combustion (gaz)
Doc GDF