Dimensionnement plancher chauffant

Sommaire

Le dimensionnement du plancher chauffant est la concrétisation de l'étude. Il consiste à établir un calcul pertinent qui réponde à la fois aux besoins des utilisateurs et aux exigences réglementaires.

Pour l'installation d'un plancher chauffant à eau chez soi, il est important de peaufiner son projet :

Cela implique de comprendre et comparer des devis mais aussi de se familiariser avec toute une terminologie et la somme de calculs aboutissant au projet d'installation. La démarche est complexe mais elle donne des outils de compréhension.

Voici donc tous les éléments et chiffres à prendre en compte dans le dimensionnement du plancher chauffant :

  • température ambiante,
  • température superficielle du sol,
  • température de départ du fluide,
  • éléments d'équilibrage du transfert du fluide,
  • plancher eau en mode rafraîchissement,
  • plan de calepinage.

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Dimensionnement : température ambiante moyenne 19°C

L'homogénéité du plancher chauffant assure le même niveau de confort qu'un autre type de chauffage avec une température ambiante réduite de 1,5 à 2°C :

  • chambres : 14 à 16°C contre 16 à 18°C,
  • séjour : 17 à 20°C contre 19 à 22°C.

La température moyenne du plancher chauffant est de 19°C.

Dimensionnement : température superficielle du sol

Le sol doit fournir la température désirée pièce par pièce, en restant dans les limites réglementaires.

La température maximale à la surface du sol est fixée par décret à 28°C pour une chaleur ambiante de 19°C (moyenne de l'habitation).

Calcul pièce par pièce

Pour chaque pièce, la température de surface (Tsurf) se calcule en intégrant :

  • une puissance d'émission maximale (Pw) de 116 W/m²,
  • un coefficient surfacique de 1,6 W/m²K/°C, estimé comme le meilleur compromis possible,
  • la température intérieure prévue.

Formule : Tsurf (°C) = (Pw : 11,6) + Ti

Applications :

  • pour une chambre à 16°C : (116 : 11,6) + 16 = Tsurf 26°C,
  • pour un séjour à 18°C : (116 : 11,6) + 18 = Tsurf 28°C.

Température de départ du fluide

Température de départ à ne pas dépasser : 50°C, températures moyennes en usage : 30 à 40°C.

  • La température de départ d'un plancher chauffant s'établit à l'entrée de chaque surface de sol chauffant.
  • Pour l'ensemble d'une installation de chauffage, elle se calcule à partir d'une pièce de référence : celle qui bénéficie de l'apport calorifique le plus élevé.
  • Plus la température de départ est basse, meilleur est le confort d'un point de vue podologique.
  • Mais il faut aussi que le reste du corps y trouve son compte... :
    • valeur trop basse : faible consommation énergétique mais le plancher chauffant ne peut compenser toutes les déperditions de la pièce et un chauffage d'appoint devient nécessaire,
    • valeur excessive : rendement difficile à gérer, surconsommation.

La chute de température

Chute la plus utilisée : 8°C.

La chute de température détermine en quelque sorte la capacité d'émission de la surface chauffante. Elle se mesure aux collecteurs aller et retour du réseau.

Pour chaque pièce, la capacité d'émission surfacique dépend de l'écart entre la température moyenne du fluide (Tm) et la température d'ambiance désirée :

  • plus la chute est faible, plus grand est l'écart moyen entre ces deux données,
  • plus grand est l'écart, plus le débit et la perte de charge sont importants.

Le bon compromis : couvrir les déperditions thermiques du local sans aller au-delà de la perte de pression disponible aux collecteurs (sinon baisse de rendement et surconsommation énergétique pour le rétablir).

Une mission compliquée par les déperditions calorifiques pouvant se produire sur le parcours allant de la chaudière aux collecteurs (grandes longueurs de conduites...).

Pour effectuer le calcul, les professionnels tablent sur une plage de chute « normalisée » de 5 à 10°C.

Éléments d'équilibrage du transfert de fluide

Trois données à connaître pour établir le dimensionnement du plancher chauffant :

  • le débit,
  • la vitesse,
  • la perte de charge.

Dimensionnement plancher chauffant : le débit

Formule usuelle pour le calcul du débit : q = Q(Kcal/h) : ∆T

Le débit (q) est la quantité de flux passant dans le tuyau en un temps donné : seconde, minute ou heure :

  • Pour le transfert thermique, les professionnels privilégient le litre/heure.
  • Si l'on n'a pas le débit nécessaire au transfert thermique, impossible d'équilibrer un réseau de chauffage !
  • Pour le calculer :
    • puissance thermique (Q) à véhiculer,
    • chute de température (∆T).

Dimensionnement plancher chauffant : la vitesse de circulation

La vitesse de circulation préconisée : 0,80 à 0,85 m/s

Comme annoncé plus haut, une trop faible chute de température du fluide se compense en forçant le débit.

La puissance du circulateur est augmentée (consommation accrue) et, à une certaine vitesse, le réseau émet des bruits gênants :

  • valeur minimale : 0,75 m/s,
  • valeur maximale admissible : 1 m/s.

Perte de charge et dimensionnement plancher chauffant

  • La perte de charge est une baisse de pression subie par le fluide à chaque mètre parcouru, ainsi qu'aux points singuliers (turbulences...).
  • Pour maintenir le débit nécessaire à l'installation, il faut au préalable définir la perte de charge de référence (circuit le moins favorisé).
  • Deux niveaux de calcul :
    • la perte de charge linéique (J) : se mesure en fonction du débit et de la longueur de tube, du point le plus éloigné jusqu'au générateur,
    • la perte de charge singulière (Z) : se mesure aux changements de direction (coudes, dérivations...).
  • Les mesures se pratiquent pour chaque surface (ou boucle) de plancher chauffant ainsi qu'aux éventuels radiateurs. En les additionnant, on obtient la valeur de base permettant d'équilibrer l'installation.

Formule : Pertes J + Z = perte de charge de base (en mmCE ou mmH2O).

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Dimensionnement plancher chauffant réversible

Le calcul d'un plancher réversible doit permettre d'abaisser la chaleur ambiante de plusieurs degrés en évitant les phénomènes de condensation à la surface du sol.

Exemple de condensation

Pourquoi ?

  • le coefficient surfacique plus faible qu'en chauffage : 6,25 contre 11,6 W/m²K/°C,
  • la résistance thermique superficielle est plus importante : environ 0,16 contre 0,086 m².K/W,
  • l'écart moyen des températures plus resserré limite la capacité d'absorption de la chaleur ambiante (d'où rafraîchissement plutôt que climatisation).

Dimensionnement plancher chauffant rafraîchissant : marche à suivre

L'étude d'un plancher chauffant rafraîchissant respecte un certain nombre de règles intangibles :

  • isolant : plastiques alvéolaires exclusivement ;
  • calorifugeage des canalisations apparentes et équipements associés (pompe, vannes de réglage...) comme en climatisation ;
  • résistance thermique au-dessus du tube limitée à 0,13 m².K/W :
    • dalle d'enrobage : 0,04 m².K/W.
    • revêtement de sol : 0,09 m².K/W ;
  • masse surfacique enrobage + revêtement de sol de 160 kg/m² maxi afin de minimiser l'inertie thermique. Soit environ 7 cm d'épaisseur au-dessus de l'isolant ;
  • bonne ventilation des locaux ;
  • écart moyen des températures imposant de réduire au strict minimum les apports thermiques :
    • lors de la construction ou grosse rénovation,
    • dans les habitudes de vie ;
  • dispositif limitant la température de départ à l'entrée du réseau rafraîchissant en période estivale. La température de départ se définit en fonction de la situation géographique.
  • dispositif indépendant de la régulation qui coupe automatiquement la production de froid au niveau du réseau quand la température du fluide atteint 12°C,
  • thermostats d'ambiance programmés en été pour ne pas descendre en dessous de 24°C.

Voici un tableau des températures selon les régions :

Zones géographiques France métropolitaine Largeur T° départ mini
Bandes côtières au nord de l'embouchure de la Loire : Mer du Nord, Manche, Océan Atlantique 30 km 19°C
Bande côtière atlantique du sud de l'embouchure de la Loire au nord de l'estuaire de la Garonne 50 km 20°C
Bande côtière atlantique au sud de la Garonne 50 km 21°C
Bande côtière méditerranéenne 50 km 22°C
Intérieur des terres 18°C

Exemple de calcul en mode rafraîchissement

Le coefficient d'échange thermique au travers du Plancher rafraîchissant se calcule en général pour ne pas dépasser 7 W/m².K.

Puissance d'émission :

  • Température ambiante de 24°C : Delta T 18/21°C = 31 W/m².
  • Température ambiante de 27°C : Delta T 18/22°C = 49 W/m².
  • Température ambiante de 28°C : Delta T 18/22°C = 54 W/m².

Dimensionnement plancher chauffant : le pas des tubes

Un réseau chauffant est appelé boucle ou nappe.

  • Au minimum, il y a une boucle par pièce à équiper pour adapter sa capacité de chauffe à la température voulue.
  • Le pas (ou espacement) des tubes varie de 5 à 35 cm (limites réglementaires).
  • Il se détermine en fonction des calculs thermiques préliminaires et de la zone à couvrir.
  • Le diamètre du tube entre également en ligne du compte :
    • Diamètres utilisables : 10 × 12, 13 × 16, 16 × 20, 20 × 25 mm.
    • Diamètres courants : 13 × 16 (L. maxi 120 m) et 16 × 20 mm (L. maxi 160 m).

Pas des tubes : quelle densité adopter ?

  • La densité (ou charge) de tube est fonction de la zone à chauffer.
  • Par principe, la charge est augmentée à proximité des murs extérieurs, des baies vitrées... afin de compenser la baisse de rayonnement thermique de ces parois froides (sensation d'inconfort).
  • Sur le reste de la boucle, la charge est moins élevée de manière à obtenir la température de départ la plus faible possible sans perte de confort.
  • Le pas en pleine surface induit le pas plus resserré des bordures.
  • Exemples de rapports :
    • 20 cm en pleine surface : 10 cm en bordure.
    • 30 cm en pleine surface : 15 cm en bordure.
  • Une marge, dite de garde, doit être ménagée :
    • Sur 5 cm le long des structures verticales (murs, équipements fixes...).
    • Sur 20 cm autour des cheminées, conduits de fumée, trémies d'escaliers.

Le type de pose du plancher chauffant

Deux principes en usage :

  • Boucle en serpentin (VA).
  • Boucle en escargot (VZ).
2 types de pose du câble chauffant

Dans le passé, avec des bâtiments peu ou mal isolés, la pose en escargot garantissait une meilleure répartition de la chaleur (perte de charge limitée).

Elle reste majoritaire mais aujourd'hui, du fait des exigences thermiques, c'est plutôt la simplicité de mise en œuvre qui oriente le choix de la pose.

Dimensionnement plancher chauffant : plan de calepinage

Le plan de calepinage matérialise l'étude personnalisée du système de chauffage.

Il reproduit à l'échelle, pièce par pièce et pour chaque étage, les boucles composant l'installation.

À cet effet, les nappes sont numérotées dans un ordre chronologique et dessinées avec leurs particularités :

  • type de pose,
  • circuit aller de couleur rouge, circuit retour en bleu,
  • dimension du pas en bordure et en surface,
  • passages entre pièces...

L'emplacement du générateur (chaudière ou pompe à chaleur) est indiqué, ainsi que celui des collecteurs et des sondes de température (intérieure et extérieure).

La nomenclature de chaque boucle est précisée en regard du plan (dans un cartouche par exemple) :

  • numéro d'ordre,
  • diamètre et longueur de tube,
  • débit du fluide,
  • émission surfacique...

Les principales caractéristiques des collecteurs sont également indiquées :

  • marque,
  • puissance thermique totale,
  • puissance thermique de référence,
  • débit global,
  • débit de référence...

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