Le facteur de chauffage
On désigne sous l'appellation de facteur de chauffage la quantité de chaleur requise pour élever, dans un temps déterminé, la température intérieure d'une bâtisse non chauffée et son contenu, au degré voulu.
La charge totale (total heat) qu'un appareil de chauffage doit fournir comprendra donc toutes les pertes de chaleur subies par infiltration ou par transmission, plus le facteur de chauffage.
En pratique, pour rencontrer toutes ces conditions, le facteur de chauffage est additionné aux pertes de chaleur et exprimé, comme nous le verrons bientôt, par le nombre de renouvèlements d'air par heure.
L'unité de mesure employée pour le chauffage est toujours la B.T.U., ou quantité de chaleur requise pour élever une livre d'eau d'un degré de température
PERTES DE CHALEUR
En faisant les calculs préliminaires à l'installation d'un système de chauffage, la perte de chaleur et la manière dont on doit y remédier sont les deux principales choses à considérer.
Si à l'intérieur d'une chambre l'air est maintenu à un degré de température supérieur à celui de l'air extérieur, il y aura perte de chaleur au travers des murs, cloisons, plafonds, ou planchers, vers l'air dont la température sera la plus basse.
Cette perte de chaleur se fera vers le dehors ou la chambre avoisinante, ou encore vers l'espace situé au-dessus ou au-dessous de cette chambre. (Fig. 6).
Fig. 6.- Il importe que toutes les ouvertures d'une construction soient bien calfeutrées afin de conserver la chaleur à l'intérieur. On voit ici une application de calfeutrage plastique autour du cadre des ouvertures.
Sans considération de ses dimensions, de sa forme ou de son genre de construction, toute bâtisse — à moins que la température intérieure soit la même que celle de l'extérieur — transmettra donc sa chaleur à l'espace extérieur, tout aussi bien qu'un poêle transmet sa chaleur à l'air de la chambre dans laquelle il est installé.
La quantité de chaleur que perd une bâtisse varie selon le degré de la température extérieure, la force du vent, la forme et la grandeur de la bâtisse, son genre de construction et, tout aussi bien, de la qualité des matériaux dont elle est construite et de leur mise en œuvre.
Elle dépend aussi de sa position par rapport aux bâtisses avoisinantes et du fait que cette bâtisse est élevée, dans un endroit exposé ou à l'abri du vent.
Lorsque toutes les précautions ont été prises pour prévenir les pertes de chaleur d'une bâtisse et qu'un appareil de chauffage est installé pour combattre ces pertes, on peut dire que cette bâtisse pourra être chauffée facilement.
Mieux la bâtisse sera construite et moins il y aura de perte de chaleur par les ouvertures, moins aussi il faudra de chauffage. Il y aura moins de courants d'air à l'intérieur et le coût du combustible nécessaire au chauffage sera réduit au minimum.
Il est de beaucoup plus avantageux de bien construire avec des matériaux de bonne qualité et d'employer des ouvriers compétents pour n'utiliser qu'un minimum de chauffage, que d'installer de gros appareils qui chaufferont pour ainsi dire le dehors, si la construction laisse à désirer.
RADIATION
Nous verrons plus loin que les pertes de chaleur sont compensées par des radiateurs dont la capacité est exprimée en pieds carrés de radiation.
CAPACITÉ D'UN APPAREIL DE CHAUFFAGE
Tout appareil de chauffage doit être capable de fournir la quantité de chaleur suffisante pour remplacer la chaleur transmise à travers les murs à l'air extérieur.
Tel appareil doit donner satisfaction, même à une très grande différence de température entre le dehors et le dedans de la bâtisse ; il doit assurer le surplus de chaleur voulue pour compenser les pertes de chaleur qui se font par les ouvertures et par les tuyaux de transmission.
Dans tout système de chauffage à eau chaude, il y a trois facteurs à considérer:
1° la surface de radiation doit être suffisante;
2° la bouilloire doit avoir une capacité proportionnée à la surface de radiation, et une cheminée qui lui sera proportionnée, (la bouilloire doit avoir au moins 20% de plus en capacité—en rapport avec la radiation totale), et
3° le système de transmission: maîtres-tuyaux, branches et montées doivent avoir le diamètre suffisant et être disposés de la manière requise.
PERTES DE CHALEUR PAR TRANSMISSION ET INFILTRATIONS
Les pertes de chaleur d'une bâtisse peuvent être considérées de deux manières: en premier lieu, la chaleur transmise à l'extérieur par suite de son passage à travers les matériaux de construction, et que l'on appelle pertes par transmission (Fig. 6) ; en second lieu, celles qui proviennent de la pénétration de l'air froid à l'intérieur, et que l'on appelle pertes par infiltration. (Fig. 7).
Fig. 7.— Les portes et châssis mal ajustés occasionnent des pertes de chaleur par infiltration.
COMMENT SE PRÉMUNIR CONTRE LES INFILTRATIONS
La chaleur se transmet à travers les murs, à travers les vitres, la toiture, etc., et exige un supplément de chauffage.
Mais la principale source de gaspillage de chaleur provient de l'introduction de l'air froid extérieur qui s'infiltre à travers les matériaux, à cause de leur porosité, ou par les interstices et fissures qui existent entre ces divers matériaux.
L'air froid s'infiltre aussi autour des cadres des ouvertures, portes et fenêtres, dans leurs feuillures, ou le montant des croisées.
L'infiltration doit être considérée indépendamment de l'air fourni par la ventilation, ou par les conduites et registres d'un système de ventilation ou climatisation de l'air. L'air extérieur qui s'infiltre à l'intérieur refroidira l'atmosphère de la chambre. (Fig. 7).
L'intensité de l'infiltration variera nécessairement avec la vitesse du vent. Elle se fera sentir plus ou moins dans un endroit ou un autre selon l'orientation de la bâtisse.
L'infiltration entre les matériaux dépend de leur homogénéité, de leur épaisseur et surtout de leur mise en œuvre.
Elle peut être réduite au minimum dans la mise en œuvre par l'emploi d'un enduit en mortier de ciment ou de chaux, par le plâtrage, ou encore par l'utilisation de matériaux isolants, tels que le liège, la planche de fibre, la laine minérale, le papier-feutre ou enfin par une feuille de zinc ou d'aluminium très mince.
En ce qui concerne les murs de brique avec parement de brique creuse (terra-cotta), enduits directement ou mieux encore tringles et lattes, l'infiltration est si minime qu'elle requiert à peine 0.10 de pied carré de radiation pour 100 pieds carrés de surface de mur.
On le voit, la perte de chaleur attribuable à cette infiltration est plutôt une quantité négligeable.
L'infiltration est causée surtout par les fissures ou interstices qui existent entre des matériaux de textures différentes, comme, par exemple, entre les cadres des ouvertures en bois et la pierre ou la brique des murs, il y a également les fissures résultant du jeu des châssis dans leurs cadres et leurs feuillures ; les coulisses des châssis à guillotine laissent aussi l'air s'infiltrer après un certain temps d'usage. (Fig. 8).
Fig. 8.— Toute pièce de bois traversant un mur dans sa totalité peut laisser des joints qu'il est important de calfeutrer.
LES RENOUVÈLEMENTS D'AIR
Le nombre des renouvèlements d'air (air change) par heure qui se produisent dans une chambre, dépend surtout de la construction et de l'orientation de la chambre, du nombre et du modèle de ses ouvertures: portes ou fenêtres; il peut en outre être influencé par le fait que les croisées des ouvertures sont simples ou doubles.
Le nombre de pieds cubes d'air qui doit être réchauffé par heure, dans une chambre, doit correspondre au volume total de la chambre, en pieds cubes, multiplié par le nombre de renouvèlements d'air par heure.
L'unité de mesure employée pour ce calcul est encore la B.T.U., et la quantité de chaleur nécessaire pour élever un pied cube d'air d'un degré de température nécessitera 0.02 B.T.U.
CALCUL DES PERTES PAR INFILTRATION
Pour obtenir la quantité de chaleur ou le nombre de B.T.U. requis pour compenser les pertes par infiltration, on peut procéder de la manière suivante:
On multiplie d'abord le nombre de pieds cubes d'une chambre par le nombre de renouvèlements d'air par heure ; ensuite on multiplie le produit de cette opération par .02 B.T.U., et enfin le second produit par la différence de température, en degrés, qui existe entre l'air intérieur et l'air extérieur.
Par cette opération, on obtiendra le nombre de B.T.U. requis pour obvier aux pertes de chaleur attribuables à l'infiltration. Voici comment se présente l'équation que nous venons de décrire:
B.T.U. = (0.02xNxR)x(T—t)
N = le nombre de pieds cubes ; R = le nombre de renouvèlements d'air par heure ; T = la température de la chambre ; t = la température extérieure.
NOMBRE DE RENOUVÈLEMENTS D'AIR
Dans le calcul des pertes de chaleur causées par l'infiltration, on doit toujours tenir compte de la pénétration de l'air froid dans une construction, par les interstices ou fissures qui existent autour des cadres posés dans la pierre ou la brique, ainsi que par les feuillures et entre les montants et traverses des châssis.
Pour trouver ce cubage d'air, on additionne le nombre de pieds linéaires des fissures que l'on multiplie par leur largeur (1/16" ou 1/8", selon le cas).
De telles fentes sont toutefois d'une occurrence assez problématique, vu qu'elles peuvent être éliminées avec de l'étoupe ou du calfeutrage plastique. Les châssis doubles ou croisées à double-vitre, munies de coupe-joints en métal ou en caoutchouc, éliminent une bonne partie des infiltrations de l'air extérieur.
Le nombre de renouvèlements d'air à l'heure pour un local quelconque qui n'est pas muni d'un système de ventilation séparé, dépend du genre de bâtisse, de l'usage auquel la chambre est destinée, et, surtout, de son orientation.
En autant que la chambre est munie d'une fenêtre, on doit prévoir au moins un demi renouvellement d'air par heure, et s'il y a une porte donnant directement sur l'extérieur, il faut prévoir un renouvellement d'air.
On peut toujours se baser sur les données suivantes qui proviennent de nombreuses expériences et différents usages.
Nombre de renouvèlements d'air à l'heure dans divers locaux
Chambre exposée d'un
côté................ 1
Chambre exposée de 2 côtés.............. 1½
Chambre
exposée de 3 ou 4 côtés....... 2
Halls
d'entrée.................................. 2 à 3
Salles de
réceptions......................... 2
Vivoirs, salons ou salles à manger.....
1 à 2
Les mêmes, avec foyer; fumoirs......... 2 à 3
Chambres de
bain............................ 2
Cuisines......................................... 2 à 3
Magasins.
..................................... 1
Salles de réunions,
églises............... 1 à 2
Salles de spectacles........................ 1 à
2
DÉPERDITION PAR TRANSMISSION
La composition et l'épaisseur des divers matériaux de construction exercent sur les pertes de chaleur par transmission une influence qu'il faut prévoir dans le calcul du chauffage.
C'est pourquoi des valeurs constantes de transmission des divers matériaux ont été computées par différents auteurs et sont données sous forme de tableaux dans plusieurs catalogues de fabricants d'appareils de chauffage.
Ces constantes sont également fournies par plusieurs entreprises qui fabriquent et distribuent les divers matériaux de construction, faisant valoir leurs propriétés isolantes.
Une fois la valeur constante de transmission des divers matériaux, connue pour chaque produit, on la multiplie par le nombre de pieds carrés de leur surface exposée.
Le résultat, multiplié par la différence de température entre le degré de l'air intérieur et celui de l'extérieur donnera les imités de chaleur requises pour combattre les pertes par transmission au travers de ces matériaux.
DÉPERDITION TOTALE DE CHALEUR
La déperdition totale de chaleur est la somme des pertes attribuables à l'infiltration aussi bien qu'à la transmission.
L'on doit ajouter ces dernières afin de compenser les déficiences de la construction, de l'orientation et de l'aération de la chambre.
TRANSMISSION DE LA CHALEUR
Nous l'avons vu, lorsque la température des surfaces exposées d'un matériel quelconque n'est pas égale, la chaleur passe du côté le plus chaud au côté le plus froid ; ceci s'accomplit en vertu d'un phénomène que l'on appelle la transmission de la chaleur.
La valeur constante de transmission de la chaleur, par pied carré de surface, par degré de différence de température et par heure, à travers les différents matériaux de construction, peut être assumée en B.T.U.
CALCUL DES TRANSMISSIONS DE CHALEUR À TRAVERS LES MURS
En multipliant les constantes données pour les divers matériaux, par le nombre de degrés de différence de température entre l'intérieur et l'extérieur, on obtiendra le nombre d'unités thermiques perdues, en B.T.U.
Prenons, comme exemple, un mur de brique de 12" d'épaisseur, tringle, avec latte et enduits, ayant une constante de déperdition de .24 B.T.U.
Disons que la température extérieure est de 5° au-dessous de zéro, et que la température intérieure est de 65° F, donnant une différence de 70°.
On aura donc: .24 x 70° = 16.8 B.T.U.
Il en est ainsi pour les 'ouvertures: un pied carré de vitre double avec châssis de bois, donnera, pour une différence de température de 70°, une déperdition de:
1.09x70° = 76.3 B.T.U.
COEFFICIENT DE TRANSMISSION DE CHALEUR DES RADIATEURS
Le coefficient de transmission de chaleur s'applique à la quantité de chaleur dégagée par pied carré de radiation par heure, par degré de différence de température entre l'eau chaude d'un radiateur et l'air ambiant. Cette différence de température correspond approximativement à 1.65 B.T.U.; ce facteur varie suivant le genre de radiateur.
L'unité de mesure pour les radiateurs est le pied carré de surface de chauffe, qui correspond à un pied carré de sa surface extérieure ; c'est ce qu'on appelle le pied carré de radiation.
La quantité de chaleur qu'un pied carré de radiation peut dégager, dépend de la forme du radiateur, de la température de l'eau ou de la vapeur qu'il contient, de la température de l'air ambiant, et de la rapidité avec laquelle l'air se déplace sur les surfaces de chauffe des radiateurs.
Avant de déterminer le facteur de transmission du radiateur, il est donc nécessaire de choisir le genre de radiateur et le système de chauffage — à eau chaude par gravité, sous pression, ou à circulation forcée — et décider quelle température on veut obtenir dans la pièce.
En admettant que la température de l'eau d'un radiateur soit de 160° — dans un système à eau chaude par gravité, par exemple — et la température de la chambre 70°, l'écart sera de 90° (160°-70°). L'opération suivante donnera:
90° x 1.65 B.T.U. = 148.5 B.T.U. dégagées par pied carré de radiation.
Avec le système à circulation forcée, l'eau peut atteindre 200e dans les radiateurs, quand l'eau de la bouilloire est portée à 215°. Si, par exemple, nous désirons dans une pièce une température de 70°, la différence de 130° donnera donc:
130° x 1.65 B.T.U. = 214.50 B.T.U. dégagées par pied carré de radiateur.
On estime qu'un pied carré de radiateur émet par heure une moyenne de 150 B.T.U. par degré de différence entre la température de l'eau du radiateur et celle de l'air ambiant.
RADIATION INTÉRIEURE
Par suite des conditions très variables des installations de chauffage, il nous est impossible de fixer un degré uniforme de température convenant à toutes les constructions et à toutes les localités.
Le nombre de B.T.U. requis pour chauffer l'air d'une pièce, plus la quantité de chaleur s'échappant à travers la construction qui l'entoure, nous donne la quantité de chaleur (B.T.U.) nécessaire.
Si on divise cette somme par le dégagement d'un pied carré de radiateur, on obtient la radiation en pieds carrés.
En choisissant un facteur assez élevé de dégagement de chaleur comme diviseur, soit 160° F. pour l'eau chaude— et 250° pour la vapeur — une formule pour différents degrés de température peut être établie et recommandée comme parfaite. (Voir plus bas).
Nous avons vu que le nombre de pieds cubes d'air qu'il faut réchauffer par heure, dans une pièce, correspond à son volume total, en pieds cubes, multiplié par le nombre de renouvèlements d'air qui s'y produisent par heure.
Nous avons vu aussi qu'un pied cube d'air chauffé d'un degré Fahrenheit demande .02 B.T.U.
Répétons-le: dans une pièce non pourvue de ventilation forcée il se produit un renouvellement d'air à l'heure, si elle est exposée d'un seul côté à l'air extérieur ; exposée sur deux faces, 1½, et sur 3 ou 4 côtés, 2 renouvèlements.
Dans un hall d'entrée, il se produit 2 à 3 renouvèlements ; un salon, une salle à manger, 1 à 2 renouvèlements (s'ils sont munis d'un feu de cheminée, 2 à 3) ; une chambre de bain, une cuisine: 2 renouvèlements ; les salles de réunion: églises, théâtres, cinémas, magasins, exigent à l'heure, 1 à 2 renouvèlements d'air.
Pour les chambres exposées au nord-est, on peut ajouter 1 renouvellement. Le facteur de chauffage est inclus dans ces données.
TEMPÉRATURE DES PIÈCES
L'air réchauffé dans une pièce monte vers le plafond. Il s'ensuit que la température de la pièce n'est pas uniforme à différents niveaux. Pour les pièces de moins de 12 pieds de hauteur, la variation peut être d'un degré par pied de hauteur.
C'est au niveau de l'air respirable, soit à environ 5 pieds du plancher, que l'on doit prendre la température moyenne d'une pièce.
Par exemple, si, dans une pièce de 10 pieds de hauteur, la température est 70° à 5 pieds du parquet, elle sera 75° au plafond et 65° au niveau du plancher. (Il faut cependant faire exception là où l'on utilise pour le chauffage les nouvelles plinthes-radiateurs dont il sera question et le chauffage à surfaces radiantes).
Pour obtenir le nombre de B.T.U. requis pour élever d'un degré la température d'une pièce, il faut multiplier son volume d'air en pieds cubes par le nombre de renouvèlements d'air par heure qui s'y produisent ; ensuite, multiplier le produit par .02 B.T.U.
En multipliant le résultat par le nombre de degrés dont on veut élever la température, on obtiendra le nombre de B.T.U. requis pour combattre les pertes résultant des infiltrations d'air.
Prenons comme exemple un salon de 16' x 12' x 9' de hauteur, dont le volume est de:
16' x 12' x 9' = 1728 pieds cubes
Multiplions par le nombre de renouvèlements d'air : 1728 x 2 = 3556 pi. cu. d'air à chauffer, par heure.
Multiplions ensuite le nombre de B.T.U. requis pour élever de 1° à l'heure 1 pi. cube d'air:
3556 x 02 B.T.U. = 71.12 B.T.U.
En multipliant le produit obtenu (71.12 B.T.U.) par le nombre de degrés dont l'air doit être réchauffé, on obtiendra le nombre total de B.T.U. requis pour combattre les déperditions de chaleur.
De ce qui précède, on peut déduire une formule convenant aux différentes températures entre 20° au-dessous de zéro à l'extérieur et 70° au-dessus à l'intérieur — ou une différence de 90° — avec le nombre approprié de renouvèlements d'air par heure, et cela tout en tenant compte de la surface des murs exposés, de celle des vitres et de la constante de transmission.
FORMULE DE CHAUFFAGE
D'après ce que nous avons dit sur la transmission de la chaleur, le nombre de renouvèlements d'air par heure et la radiation, il nous sera facile d'établir la quantité de chaleur totale requise en B.T.U- que représente la radiation pour chauffer une chambre quelconque.
Pour cela, on aura recours à la formule computée par Carpenter il y a au-delà de 60 ans et modifiée récemment.
Les symboles de cette formule se définissent comme suit:
R : radiation totale obtenue ;
M : surface de mur exposé ; V : surface de vitre ;
N : nombre de
renouvèlements d'air par heure ; C : nombre de pieds cubes de la pièce ; T :
température intérieure ;
t: température extérieure ; dont la différence est
donnée par T — t.
Voici cette formule: R = [(0.02 xNxC)+V+¼M] X (T—t) / 160
Cette formule ne convient que pour un mur "moyen" tel que brique et terra-cotta.
Si les châssis sont munis de fenêtres doubles, on peut déduire 50% sur la surface vitrée (V) et 30% sur le nombre de renouvèlements (N).
Le plafond du dernier étage doit être inclus dans la surface exposée à l'air extérieur.
Voici un problème illustrant l'application de cette formule:
Soit une chambre de 16' x 12' et de 9' de hauteur:
Son volume sera: 16' x 12' x 9' = 1728 pi. cu.
Ayant 2 fenêtres de 3' x 6', la surf, de vitre sera: 3' x 6' x 2' - 36 pi. car.
étant exposée sur 2 côtés, la surface exposée sera : (12' x 9') + (16' x 9'), ou
La température intérieure 108' + 144' = 252 pi. car requise étant de 70°, par 0° de température extérieure, (T — t), ou l'écart sera donné par: (70° — 0°).
En remplaçant les symboles de la formule par leur valeur actuelle, on obtient:
R =[-(.02x2x1728)+ 36'+ 252'/4] x(70°-0°) / 160
Ou, en effectuant les calculs: on trouve R = 73.55 pieds carrés de radiation.
Si la chambre se trouve au dernier étage, le plafond doit en être considéré comme surface exposée. Si nous reprenons l'exemple précédent, il faudra ajouter 192 pi. car. au facteur M déjà donné, soit:
252 + 192 = 444 pi. car. de surface exposée
Par substitution nous aurons donc:
R= [(.02x2x1728)+36'+444/4]x(70°—0°/160=94.55 pi. car. de radiation.
Les ouvertures des chambres étant munies de doubles-croisées, leur radiation sera réduite de 17 pi. car. donnant respectivement 56.5 pi. car. de radiation pour une chambre du bas, et 77.55 pour une chambre du haut avec plafond exposé au froid.
Plusieurs formules ont été établies d'après différents facteurs qui correspondent à des différences variées de température intérieure et extérieure. Leurs règles plus ou moins empiriques sont basées sur les mêmes données que ci-dessus.
Dans la plupart de nos églises et salles publiques, le renouvellement de l'air se fait par fe va-et-vient de ceux qui voyagent par les portes d'entrée et de sortie. L'aération de l'enceinte se fait par la porte principale que l'on devrait ouvrir à la fin des offices ou des réunions les plus achalandées.
Cette précaution permettrait à une quantité d'air équivalant à 10 pieds cubes par personne d'entrer à l'intérieur et de remplacer l'air chaud qui est plus ou moins vicié à la suite de la respiration des occupants qui viennent de sortir. L'assistance suivante aurait alors de l'air frais.
Pour avoir une idée de la radiation nécessaire pour le chauffage d'une grande salle, on peut toujours se baser sur la formule empirique donnée plus haut.
Le calcul de la radiation nécessaire au chauffage doit tenir compte des renouvèlements d'air effectués au moyen d'un système de ventilation — s'il y en a ; (toutes les constructions nouvelles destinées à recevoir des foules devraient, du reste, comporter un système de ventilation suffisante).
On pourra ainsi calculer avec plus d'exactitude le nombre de renouvèlements d'air nécessaires suivant les besoins du local.
