Comprendre les options de tuyauterie dans le chauffage au sol par rayonnement

Il y a des années, un professeur de sciences du secondaire a posé la question suivante à notre classe : si un morceau de bois et une tige d'acier étaient assis à l'extérieur par une journée de 20 degrés, lequel serait le plus chaud ? Pendant que la classe réfléchissait à la question impénétrable, je me suis assis en me demandant : « Quel est le piège ?

Il y a toujours un hic. Un peu comme demander qui est enterré dans la tombe de Grant. La réponse était dans la question.

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Dans une classe de jeunes de 17 ans impatients, certains ont couru pour être les premiers, convenant avec d'autres que la tige d'acier était plus froide. Bien sûr, la réponse à cette question est la même maintenant qu'elle l'était alors - les deux objets sont, en fait, à la même température.

La question n'était pas de savoir lequel était le plus chaud, mais lequel se sentait le plus chaud. Puisqu'ils étaient tous les deux dehors dans les mêmes conditions, ils devaient être à la même température. Mais l'acier semblerait plus froid parce que l'acier est plus conducteur ; c'est-à-dire qu'il éloigne l'énergie de nos mains plus rapidement que le bois.

Dans le monde du chauffage au sol par rayonnement, j'ai trouvé une idée fausse similaire lors de la discussion des différences entre les options de tuyaux utilisées dans une installation de plancher radiant. Plus précisément, des questions se posent quant à savoir si le PEX est plus efficace que l'EPDM. Étant donné que PEX utilise une température de fluide inférieure, certains pourraient dire que le système avec distribution PEX est plus efficace. Mais l'option d'un tuyau est-elle vraiment plus efficace ?

Pour répondre à cette question, nous devons comprendre comment la chaleur est transférée dans et à travers un plancher radiant. Croyez-le ou non, toute la chaleur n'est pas créée ou distribuée de manière égale. Il existe trois modes de chauffage : convection, conduction et radiant.

Convective les systèmes reposent sur un milieu - généralement l'air - pour être déplacé d'un endroit à un autre par des moyens mécaniques, généralement un ventilateur. Dans un système hydronique, l'air est remplacé par de l'eau et le ventilateur est remplacé par un circulateur. L'eau déplace l'énergie thermique de la chaudière vers la zone radiante. Beaucoup d'entre vous le savent, mais je dois quand même le dire : l'eau est plusieurs fois plus conductrice que l'air et plusieurs fois plus capable de déplacer de l'énergie que l'air.

Conducteur le transfert se produit lorsque deux objets de température différente entrent en contact. L'objet le plus chaud transmettra de l'énergie thermique à l'objet le plus froid via la zone de contact. Pensez à votre main sur ce poteau en acier mentionné plus tôt. Le pôle, étant plus conducteur, permet à la chaleur de quitter rapidement votre main, vous faisant sentir plus froid. Dans un système radiant, la conduction a lieu partout où le tube radiant est en contact avec un matériau de revêtement de sol ou un sous-plancher - ou dans certains cas, à l'aide d'une plaque de transfert de chaleur.

Radiant le transfert se produit lorsqu'un objet plus chaud émet de l'énergie vers un objet plus froid via des ondes d'énergie. Un bon exemple de cela est une lampe chauffante suspendue au-dessus d'un panier de frites au service au volant local. La lampe plus chaude garde les frites fraîches au chaud. Avec la chaleur rayonnante, la phrase clé à retenir est que la chaleur passe du chaud au froid.

Les trois méthodes - le travail d'équipe, si vous aimez les analogies sportives - contribuent à faire fonctionner un système de plancher radiant. Pour aider à illustrer la mécanique du transfert de chaleur, passons en revue l'exemple suivant : Une pièce typique de 20 x 20 pieds a une intensité de chauffage de 25 Btuh/pied carré et une température ambiante souhaitée de 70°F. Nos calculs montrent que la pièce ne répondra pas à notre charge thermique de conception si la température de la surface du sol est inférieure à 80 °F.

Le sol dans ce cas est un panneau radiant, et il transfère de l'énergie dans la pièce car il a une température élevée de 80°F (rappelez-vous, le chaud se déplace vers le froid). Le revêtement de sol est-il important ? Non, pas du point de vue de la pièce. Tout ce qui importe à la pièce, c'est d'avoir une surface à la bonne température. Le revêtement de sol affecte-t-il la perte de chaleur de la pièce ? Pas encore. La perte de chaleur de la pièce est dictée par la construction globale : valeur R du mur, surface de fenêtre, longueur de mur exposée, etc. Dans ce cas, la pièce aura une charge de 25 Btuh/pied carré et doit avoir une surface au sol de 80 °F. température quel que soit le revêtement de sol.

Il en va de même pour la construction du sol. Nous pouvons avoir une dalle, une dalle mince ou un plancher à ossature et les mêmes exigences s'appliquent : la température de la surface du plancher doit être de 80 °F afin de satisfaire la perte de chaleur de 25 Btuh/pied carré.

Maintenant, cela ne veut pas dire que la construction du sol ou les revêtements de sol ne sont pas importants – ils le sont. La construction du sol dictera le chemin (direction de moindre résistance thermique) que l'énergie prendra du tube radiant à la surface du sol et aura un impact sur le temps de réponse global. Plus il y a de masse (c'est-à-dire de dalle), plus un système mettra de temps à réagir dans des conditions changeantes. Mais, pour notre exemple, gardons tout pareil et concentrons-nous uniquement sur les changements de tube.

Les revêtements de sol font partie de la construction du sol et font donc partie de la valeur R globale du sol. Changer les revêtements de sol aura un impact sur les températures des fluides. Des revêtements plus conducteurs permettront des températures de fluide plus basses tout en maintenant la même température de surface.

N'oubliez pas que la chaleur se déplace vers le froid de manière très prévisible. Plus le changement de température est important (delta T ou ∆T), plus le mouvement d'énergie à travers un matériau donné est important. Avoir un revêtement de sol ou une construction plus restrictive exige plus d'énergie. Ou plutôt, plus la résistance du matériau est élevée, plus le ∆T doit être important pour transférer la même quantité d'énergie à travers le matériau.

Si nous changeons notre revêtement de sol dans notre pièce d'exemple de la moquette au carrelage, l'énergie requise est toujours la même - 25 Btuh/pied carré - et la température de surface doit toujours être de 80°F. Même si les conditions de conception sont les mêmes, la construction ne l'est pas. Depuis que nous avons changé le revêtement de sol en carrelage, la résistance globale du matériau a diminué, augmentant la valeur de conductivité globale du sol.

Nous avons toujours besoin d'une température de surface du sol de 80°F, mais nous pouvons maintenant atteindre l'intensité de chauffage requise avec un ∆T plus petit (une température de fluide d'alimentation inférieure) entre la surface du sol de 80°F et la tuyauterie, en supposant que le reste de la construction du sol reste le même.

Alors, qu'advient-il de notre conception si nous changeons les options de tubes ? Pour mieux comprendre ce changement, nous devons nous plonger dans la mécanique de ce qui se passe entre le fluide à l'intérieur du tube et le sol.

Nous devons identifier l'efficacité - le rapport entre l'énergie utilisable et l'énergie totale fournie. Cette énergie totale comprend non seulement l'énergie fournie à la pièce, mais également l'énergie perdue par diverses sources, appelées pertes arrière et latérales (la zone située en dessous et sur le côté de notre panneau rayonnant).

Nous avons déjà conclu que l'intensité de chauffage de la pièce est la même puisque la charge est dictée par la construction de la pièce et non par le sol. Ce qui affecte l'efficacité maintenant, c'est la perte arrière et de bord, qui est directement impactée par la température de surface, ou température de peau, de la tuyauterie radiante. Plus la température de la peau est élevée, plus la perte de dos et de bord est élevée. Si la température de la peau est la même, les pertes au dos et sur les bords sont les mêmes.

Il existe plusieurs options de tubes sur le marché aujourd'hui, et chacune nécessitera une condition de conception légèrement différente en fonction de l'application de chauffage donnée. Notre salle d'exemple nécessite une charge de 25 Btuh/pied carré et une exigence de température de surface du sol de 80 °F. La première chose que nous devons faire est de déterminer la température de peau requise pour chauffer correctement cette pièce. À partir de là, nous pouvons déterminer la température du fluide nécessaire, puis enfin l'efficacité globale du panneau.

Pour déterminer la température de peau requise, nous devons travailler du revêtement de sol jusqu'au tube. Dans notre salle d'exemple, la température requise de la surface du sol est de 80 °F. Considérant que la construction du plancher a une valeur de conductivité connue, la tuyauterie radiante intégrée aura une température de peau fixe. Il s'agit de la même température de peau nécessaire pour maintenir la température de surface du sol requise, quelle que soit l'option de tuyauterie utilisée.

Ainsi, les systèmes utilisant un tube EPDM auraient besoin de la même température de peau qu'un système utilisant du PEX ou du PE-RT. Si la température de la peau était différente, la température de la surface du sol résultante serait différente.

Cependant, des températures de peau égales ne signifient pas des températures de fluide d'alimentation égales. La raison en est directement liée au ∆T à travers la paroi du tube, à la valeur de conductivité du matériau du tuyau et, dans une certaine mesure, au diamètre du tuyau utilisé. La figure 1 montre diverses caractéristiques de quatre tuyaux utilisés dans un système de plancher chauffant typique. Le cuivre est indiqué comme référence de contrôle.

Figure 1

Les valeurs de résistance thermique de la tuyauterie sont calculées à l'aide des équations du Chapitre 6 : Panel Heating and Cooling, 2000 ASHRAE Handbook-HVAC Systems and Equipments. Une fois que la valeur de conductivité équivalente du tube est calculée, une chute de température correspondante à travers la paroi du tube peut être déterminée.

Figure 2

Les tubes EPDM nécessiteront une température d'alimentation plus élevée car leur résistance thermique et leur épaisseur de paroi sont légèrement supérieures. Par rapport au PEX, l'EPDM nécessitera une température de fluide d'environ 8,68 °F (13,0980 - 4,418 = 8,68) plus élevée que le PEX dans la même application.

Un ∆T fixe entre la température de la peau et le sol empêche le système de fournir plus ou moins d'énergie que nécessaire. Un problème ici entraînerait une surchauffe ou un sous-chauffage de la pièce. Le système doit avoir la même température cutanée que nous utilisions EPDM, PEX ou PE-RT. Une même température de surface indique la même perte arrière et sur les bords, ce qui signifie que l'efficacité du panneau reste la même, même si la température du fluide d'alimentation varie.

L'essentiel : Il est important de concevoir un système radiant pour les composants utilisés et, plus important encore, installé conformément à la conception spécifiée.

Donc, comme la question impliquant le morceau de bois et la tige d'acier posée par mon professeur de sciences au lycée, quelle est la réponse à "Quel tuyau est le plus chaud dans un plancher radiant?" La réponse — toutes les tuyauteries sont à la même température.

Kolyn Marshall travaille chez Watts et est actif sur le marché du rayonnement hydronique depuis 1995. Au cours de son mandat chez Watts, il a occupé divers postes, commençant sa carrière dans les ventes externes et évoluant vers divers postes de direction au sein du support technique, du marketing stratégique et de la gestion des produits. . Pendant ce temps, Kolyn a rédigé le manuel technique Understanding Radiant Systems for RSES. Kolyn est titulaire d'un baccalauréat en génie mécanique de l'Université du Missouri à Columbia.