Transmission de la chaleur par l'air chaud

Chauffage et Ventilation 1967

Nous avons vu à la section Chauffage au bois et au charbon, qu'il peut y avoir plusieurs substances servant à transporter ou mieux à transmettre la chaleur à l'endroit que l'on veut chauffer.

Dans les systèmes modernes de chauffage, ces substances sont habituellement: l'air, l'eau, et la vapeur. Ces véhicules de la chaleur peuvent être employés de diverses façons, dont voici les principales:

I. Le chauffage à l'air chaud dont la distribution se fait:

a) par gravité;
b) au moyen de la circulation forcée ;
c) à l'aide d'un appareil de climatisation.

II. Le chauffage à l'eau chaude, dont la distribution se fait:

a) par gravité;
b) sous pression (système fermé) ;
c) au moyen de la circulation forcée et
d) à l'aide d'un système de zonage et de contrôles,

III. Le chauffage à vapeur à basse pression, dont la distribution se fait:

a) sous pression;
b) par le système à pression sous-atmosphérique et, enfin:
c) à l'aide d'un système de zonage et contrôles.

Fig. 49.— Schéma d'une installation complète de plomberie, y compris le chauffage à l'eau chaude, le service domestique d'eau chaude, l'aqueduc et les égouts.

TRANSMISSION de la CHALEUR par L'AIR CHAUD

Ce mode de chauffage est basé sur le principe de la convexion de l'air que nous avons expliqué dans la section Particularités de la chaleur partie CONVEXION DE L'AIR.

Nous avons déjà expliqué également ce qu'est la calorie ou B.T.U., unité de mesure employée dans l'évaluation de la chaleur spécifique des différents corps et de l'air. Normalement, une calorie équivaut à la quantité de chaleur requise pour élever la température d'une livre d'eau d'un degré Fahrenheit.

Mais en ce qui concerne le chauffage à l'air chaud, une calorie correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour élever d'un degré la température d'environ 50 pieds cubes d'air — soit exactement 48.77 pieds cubes. Par ailleurs, afin d'élever la température d'un pied cube d'air de 0 à 70° Fahrenheit il faudra une B.-T.U. (unité thermique britannique).

Comme dans tout système de chauffage, celui qui utilise l'air chaud repose sur l'emploi d'un combustible, ainsi que sur la transmission et la diffusion de la chaleur produite par ce combustible.

La chaleur naît dans la fournaise recouverte d'une enveloppe en brique ou en métal et que l'on place dans le soubassement d'une bâtisse. L'air chauffé, recueilli sur le dessus ou les côtés de cette fournaise, est distribué dans les différentes chambres et pièces de l'édifice par des conduites d'air en métal. (Fig. 50).

Fig. 50.— Système de chauffage a l'air chaud, à circulation forcée. Une soufflerie spéciale active 1 air qui est aspiré, réchauffé sur les plaques de chauffe de la fournaise, humidifié, puis refoulé vers les pièces de la maison dans des conduites rectangulaires en tôle.

Les conduites horizontales du soubassement sont connues sous le nom d'amenées (leaders), et les conduites verticales, passant à l'intérieur des cloisons de la bâtisse, sont connues sous le nom de montées (stacks).

L'air chaud se dirige par ces conduites vers des registres qui débouchent dans les chambres où l'air est réchauffé par convexion.

Le registre est ni plus ni moins qu'un cadre de la largeur de la conduite avec plaques en métal mobiles permettant d'ouvrir et de fermer à volonté cette bouche d'air, qui est d'ailleurs munie d'une grille en métal. (Fig. 51).

Fig. 51.— Registre que l'on peut ouvrir et fermer à volonté et qui permet à l'air chaud de passer d'un étage
à l'autre.

Les registres sont placés soit au niveau du plancher au bas des murs, soit au-dessus des plinthes. (Fig. 52).

Fig. 52.— Système de chauffage à l'air chaud par gravité que l'on utilise surtout dans les petites résidences.

L'air est fourni au réchaud par une seule prise d'air ou grille sur le plancher ou encore à l'aide d'une seconde grille située à l'endroit le plus approprié du premier ou du second étage. Dans les systèmes les plus simples, une certaine quantité d'air est aspirée directement de l'extérieur et dirigée sur la surface de chauffe après être passée sur un réchauffeur (preheat-er) installé autour du tuyau de fumée de la fournaise. L'air peut aussi être amené à la fournaise par la conduite de retour de l'air de la bâtisse. Étant forcé à travers un filtre, l'air se trouve par le fait même purifié.

Nous l'avons vu, on peut classer le chauffage à l'air chaud en trois systèmes:

1° par gravité, 2° à circulation forcée, et 3° à l'air climatisé.

Système à gravité

 Dans le système par gravité, c'est la densité de l'air qui crée la circulation. L'air chaud qui laisse la fournaise pour se diriger dans les conduites d'amenée étant d'une densité moindre que l'air froid arrivant sur le réchaud, il se dirige, en s'élevant, vers les registres.

Circulation forcée

Avec le système à circulation forcée, l'air chaud est mis en mouvement par une soufflerie (blower). Cette soufflerie est activée par un moteur électrique; elle aspire l'air refroidi des conduites de retour et l'air que l'on admet de l'extérieur. (Fig. 50-53). Ce dispositif permet d'intercaler sur le parcours de l'air un système de filtres en laine de verre pour débarrasser l'air des poussières qui s'y trouvent en suspension.

Fig. 53.— Fournaise à l'air chaud pourvue d'un dispositif de circulation forcée appelé propulseur d'air, avec soufflerie à moteur et humidificateurs.

Climatisation

Le système de chauffage à l'air chaud a pour principal inconvénient d'assécher l'air intérieur d'une bâtisse. On peut corriger ce défaut en ajoutant à la fournaise un «humidificateur», de manière à conditionner — ou mieux climatiser — l'air qui vient s'y réchauffer.

Dans tout système de chauffage à l'air chaud, la fournaise doit avoir une capacité appropriée, c'est-à-dire avoir la grosseur requise et le nombre de bouches d'air nécessaire. Ces bouches d'air doivent en outre posséder un diamètre proportionné aux dimensions de la bâtisse, au nombre de pieds cubes qu'elle contient et à son nombre d'étages.

On doit aussi tenir compte de l'orientation de la bâtisse, de son exposition aux vents, des ouvertures, du calfeutrage, de l'isolation, etc.

Le chauffage à l'air chaud est utilisé d'une, façon rudimentaire et sans canalisations d'aucune sorte avec le simple poêle ou réchaud.

Mais si, par exemple, on veut utiliser et convertir la chaleur d'un poêle qui rayonne à un niveau trop élevé pour son voisinage, on a recours à la convexion. Pour cela, on munit le poêle d'une double paroi en métal entre laquelle l'air circule et vient en contact avec la surface surchauffée du poêle.

En effleurant cette surface, l'air se réchauffe avec un mouvement ascendant pour sortir par une grille placée au sommet du poêle ; de là, il converge vers le plafond pour revenir — dans un mouvement de circulation et en se refroidissant — vers une ouverture au bas du poêle où il est de nouveau réchauffé.

La fournaise convectrice (pipeless fur-nace) est basée sur ce principe. Elle est munie d'un foyer dont la forme de la chambre de combustion permet une très grande surface de chauffe. Cette chambre de combustion est en fonte et recouverte d'une double paroi de tôle galvanisée.

Cette fournaise se place dans une cave, le sommet de l'enveloppe de la fournaise se prolongeant jusqu'au niveau du plancher, où elle est munie d'une grille de 3 pieds carrés.

Le centre de cette grille est une bouche circulaire d'où la chaleur est diffusée et ses angles forment quatre registres de retour par lesquels l'air refroidi retourne de nouveau sur les surfaces de chauffe.

La fournaise est munie d'un petit récipient dans lequel on place de l'eau qui, sous l'effet de la chaleur, s'évapore et se mêle à l'air chaud mis en circulation. (Fig. 54).

Fig. 54.— On voit ici la rigole ménagée dans la base des fournaises à air chaud par gravité pour permettre d'humidifier l'air.

Pour que l'installation de ce système de chauffage donne les résultats attendus, elle doit être basée sur un relevé ou plan de la bâtisse conformément aux exigences que nous avons indiquées dans la section Le facteur de chauffage partie TEMPÉRATURE DES PIÈCES. Il est opportun de dresser un diagramme du système de chauffage, dans lequel il faudra tenir compte des pertes de chaleur de chaque pièce de l'édifice.

Fig. 55.— Les filtres à air des fournaises à air chaud à circulation forcée doivent être nettoyés à des intervalles réguliers. On voit ici la façon de s'y prendre pour effectuer ce nettoyage.

II faut ensuite établir les endroits les plus propices à l'installation des registres et leur nombre ; puis déterminer le diamètre et la surface de section, en pouces carrés, des conduites d'amenée au soubassement, ainsi que des tuyaux de montée de l'air.

Finalement, on calcule quelles devront être les dimensions des registres, de la grille et de la conduite des retours d'air (que l'on utilise pour la recirculation de l'air) et enfin celle de la prise d'air à l'extérieur, s'il y a lieu.

Il ne faut pas oublier en outre de proportionner la grosseur du tuyau de fumée à la capacité de la fournaise ainsi qu'au diamètre intérieur de la cheminée.

Nous avons d'ailleurs indiqué à la section Le facteur de chauffage , les principales données relatives à la transmission et aux pertes de chaleur à travers les murs d'une bâtisse et la conductibilité des divers matériaux d'une construction.

CONDUITES D'AMENÉE DE L'AIR CHAUD

Dans un système de chauffage à l'air chaud par gravité, chaque registre est l'aboutissement d'une canalisation séparée se rattachant à l'enveloppe de la fournaise.

La grosseur d'une conduite pour une chambre donnée dépendra de la température de l'air chaud arrivant au registre, de sa vitesse et de la longueur de la conduite.

Les autorités en la matière estiment la température de 175° F, Comme suffisante lorsque l'air circule à une vitesse de 200 à 400 pieds à la minute, mais les dimensions et la localisation des registres peuvent encore modifier ces données.

Dans un système à circulation forcée, les dimensions des conduites d'amenée dépendent de la grosseur de la soufflerie et de la vitesse de l'air à son départ. Il est plus avantageux d'augmenter le volume d'air délivré que sa vitesse ; en diminuant la vitesse, on élimine la friction et une partie de la vitesse se change en statique ou pression.

Il est assez difficile de déterminer, pour une installation quelconque, à quelle vitesse l'air devra circuler, sans connaître les particularités de l'édifice, le nombre de chambres et autres pièces qu'il renferme — si c'est pour une résidence — ou le nombre de personnes qui y seront logées, s'il s'agit d'un édifice public.

On peut assumer qu'entre 1,000 et 1,200 pieds par minute la vitesse de l'air arrivant sur les surfaces de chauffe est normale, de même que des vitesses de 900 à 1,000 pieds à la minute au départ, de 600 à 900 pieds dans les tuyaux d'amenée, et de 400 à 600 pieds dans les montées.

Les conduites d'air chaud sont d'ordinaire faites en tôle galvanisée d'épaisseurs variant du n° 28 au n° 20. Aucune conduite ne doit avoir moins de 6" x 6". Les conduites carrées doivent avoir leurs côtés de mêmes dimensions si possible; en tout cas, la dimension la plus faible ne doit pas être moindre que le quart de la dimension la plus longue.

Le tableau suivant donne une idée de l'épaisseur de la tôle galvanisée requise pour les dimensions de différentes conduites:

Les conduites horizontales doivent avoir une pente ascendante d'au moins 1/2" au pied à partir de la fournaise.
L'air doit être délivré de la fournaise le plus directement possible. Toute intersection dans les conduites doit être évitée et, afin d'empêcher la friction, les courbes doivent être douces, ou d'un rayon égal à la profondeur du conduit.

La prise d'air, qui admettra environ 10% du volume d'air délivré par l'appareil, sera munie d'un grillage métallique à l'extérieur.

Les conduites seront maintenues en place et suspendues par des étriers en fer rigide afin d'obvier à la vibration que peut transmettre le moteur de la soufflerie.

Afin de conserver la chaleur, les conduites d'amenée peuvent être recouvertes d'un matelas de papier d'amiante.
Le système d'air chaud à circulation forcée offre l'avantage de pouvoir être contrôlé par un thermostat.

Le thermostat est un dispositif qui met le moteur de la soufflerie en contact automatiquement, lorsque la température intérieure descend en bas d'un certain degré, disons par exemple 73° ou 70° F.

Nous donnerons plus de détails sur ce système de contrôle lorsque nous parlerons dans un autre chapitre de la climatisation de l'air et de la ventilation.