Analogie HYDRAULIQUE du chauffage d'une maison

Comprendre le chauffage d'une maison par une analogie hydraulique

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"En physique, l'analogie est la correspondance étroite entre des phénomènes différents, mais régis par des équations similaires."

Cette expérience simule le chauffage d'une maison par une analogie hydraulique.

 Les flux de chaleur ne sont pas palpables. Le fait de visualiser le phénomène par des écoulements d'eau permet de mieux comprendre les grandeurs mises en jeu.

Expériences possibles 

variation du débit d'eau = variation de la puissance de chauffage=>  influence sur le niveau d'eau h (écart de température)

Changement des bouchons = changement des pertes thermiques =>  influence sur h (écart de température)

Coupure du débit (coupure du chauffage) => évolution du niveau d'eau h (écart de température)

Source image : ATH - La maison preservée – Isolation extérieur

Pertes thermiques 

Les chiffres multicolores représentent les valeurs des pertes thermiques au départ. 

Les chiffres en vert foncé représentent la valeur après isolation thermique.

Il ne s'agit que d'ordres de grandeur réalistes.

Seuls les pertes liées aux ponts thermiques (5 % vert clair ) et aux planchers bas (10 % rouge)  sont considérées comme fixes car difficiles à modifier.

La maquette de simulation

Dans la cuvette, on voit la pompe noire qui génère le débit. 

Le réglage du débit est réalisé par la variation de la vitesse de rotation de la pompe et la vanne rouge au sommet de l'expérience.

Pour la mesure du débit, on voit le rotamètre transparent avec le flotteur rouge.

Au fond du réservoir transparent , on voit les raccords en laiton qui simulent les pertes thermiques.

Il y a plusieurs limitations théoriques.

La loi d'échange thermique n'est pas identique aux lois d'écoulement.

On  représente essentiellement la conduction thermique.

On ne peut donc pas faire de mesures sur la maquette.

Eléments théoriques

Thermique : Φ= C*Δ T

Φ= flux thermique en W

C = conductance thermique  en W/K

Δ T = différence de température en degré entre l'intérieur et l'extérieur de la maison.

                                                                Hydraulique: Q=K1* H^0.5

Q= débit d'eau en m^3/s analogue au flux thermique

K1 =1/(K^0.5) analogue à la conductance thermique

H = hauteur d'eau dans le réservoir en m analogue à la différence de température

Les coefficients K sont des constantes pour une configuration donnée.

K= coefficient de perte de charge 

H= K*Q^2 : Q=(1/(K^0.5))* H^0.5 = K1* H^0.5

      thermique :   Φ= C*Δ T             

maquette :  Q=K1* H^0.5

Le FLUX THERMIQUE Φ est représenté par le DÉBIT D'EAU Q.

La CONDUCTANCE THERMIQUE C est représentée  par le COEFFICIENT  K1.

La DIFFÉRENCE DE TEMPÉRATURE Delta T =Δ T ( T intérieure - T extérieure) est représentée par la hauteur d'eau H. 

ORDRE DE GRANDEURS DE LA REPARTITION  DES PERTES THERMIQUES AVANT 

ET APRÉS ISOLATION EN VERT

TEMPERATURE

Un réglet  fixé dans la cuve indique le niveau d'eau donc l'écart de température

La hauteur d'eau dans le réservoir en m est analogue à la  différence de température entre l'extérieur (Te) et l'intérieur (Ti) de la maison ° C.

Si delta T = 0, le réservoir est vide => T intérieure  = T extérieure

On peut avoir le même niveau d'eau avec un débit fort (chauffage fort) et des gros orifices les bouchons sont repérés en rouge. qu'avec un débit faible (chauffage faible économique) et des petits orifices  les bouchons sont repérées en vert.

DEBIT Q VARIABLE

Un rotamètre indique le débit analogue à la puissance de chauffage.

On fait varier le débit de la pompe: pour une configuration donnée des orifices, on voit que la hauteur d'eau (delta T extérieur intérieur ) évolue avec le débit d'eau (puissance de chauffage). 

Plus le débit est élevé (chauffage) , plus la hauteur d'eau  (différence de température intérieur extérieur ) est grande. 

Il faut attendre un certain temps avant d'avoir un niveau d'eau stabilisé (Inertie du système).

PERTES THERMIQUES

Les débits s'écoulant au travers des orifices (de différents diamètres) représentent les pertes thermiques.

Il y a 6 orifices en tout dont 2 fixes et non modifiables (pertes fixes).
Le diamètre d'un orifice est représentatif de l'importance de la fuite thermique (en % ) avant isolation. 

 TRAVAUX VIRTUELS "D'ISOLATION THERMIQUE"

Chaque type de perte thermique est représenté par un orifice de diamètre adapté.

Il est possible de simuler une amélioration thermique de la maison en changeant le diamètre des orifices qui correspondent aux fuites thermiques.

Valeurs de départ retenues, les bouchons sont repérés en rouge.

Valeurs après isolation thermique , les bouchons sont repérés en vert.

Globalement on réduit les pertes thermiques d'environ 60 % entre rouge et vert.

COUPURE DU CHAUFFAGE ET INERTIE

Le volume d'eau du réservoir représente l'inertie thermique de la maison.

Quand on coupe le chauffage (arrêt du débit d'eau), la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur représentée par le niveau diminue et s'annule quand le réservoir est vide.

Pour un plus grand réservoir, le temps de vidange serait plus long. La maison se refroidit plus lentement.

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Affiche 2

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En rouge maison avant isolation,  en vert après.

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ANNEXES

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G = gain lié à l'amélioration thermique.

TOIT : 30 % pour le toit Gain  1/3

passage de 5 à 4.1 mm

G=(1/3)30% = 10%

AIR : 20 % fuites par l'air : Gain de 3/4 avec une VMC double flux

passage de 4.1 à 2  mm

G=(3/4) 20 %= 15%

MURS : 20 % pour les murs : Gain de 1/3

passage de 4.1 à 3.3 mm

G=( 1/3) 20% ~7 %

FENETRES : 15 % fenêtres : Gain de 2

passage de 3.6 à 2.5 mm

G= (1/2) 15 % = 7.5 %

PERTES FIXES non modifiable sur la maison . Il est difficile de réaliser des améliorations sur ce type de pertes sans effectuer de très gros travaux sur la structure de la maison.

5 % ponts thermiques + 10 % planchers bas

Total des pertes FIXES = 15 %

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DOCUMENTATION

Performance de l'isolation : isolation thermique et phonique | Tout sur l'isolation (toutsurlisolation.com)

Quelles solutions contre les déperditions de chaleur de votre logement ? - Fabricant de porte d'entrée et panneaux de portes d'entrée (euradif.fr)

Les sources de déperdition de chaleur


Les pertes de chaleur d’une maison peuvent provenir de partout mais certains endroits sont plus propices. Voici les principales sources de déperdition :

Le toit : la chaleur monte, donc le toit est la principale source de déperdition thermique d’une maison. Environ 30% de la chaleur domestique s’y échappe notamment à cause des combles peu ou pas isolés.

Les murs : C’est par là que près de 20% de la chaleur quitte le logement. Déperdition de chaleur causée principalement par une isolation insuffisante à l’extérieur.
Les fenêtres et les portes, et plus précisément les joints et les vitrages laissent s’échapper 15% de la chaleur.

Le renouvellement de l’air et les fuites sont à l’origine de 20% des déperditions de chaleur d’un logement. En effet, la ventilation (primordiale pour que votre maison reste saine et éviter les problèmes d’humidité), la hotte, les seuils, les fissures, la cheminée, … sont autant de passages permettant à l’air extérieur de pénétrer chez vous et inversement.

Les planchers bas représentent 10% du total des déperditions énergétiques d’une maison. Mal isolé, le sol est conducteur de froid et génère de l’inconfort.

Les ponts thermiques : Ce sont des zones discontinues entre les matériaux et les parois de la structure rompant ainsi la barrière isolante. Ils sont responsables d’environ 5% de l’échappement de l’air.