En matière de chauffage, les besoins d'une personne donnée dépendront de nombreux facteurs. Ils peuvent être classés en deux groupes principaux, ceux liés à l'environnement et ceux liés aux facteurs humains. Parmi ceux liés à l'environnement, on peut citer la géographie (latitude et altitude), le climat, le type d'exposition de l'espace dans lequel se trouve la personne, ou les barrières qui protègent l'espace contre l'environnement extérieur, etc. Parmi les facteurs humains figurent la la consommation d'énergie du travailleur, le rythme de travail ou la quantité d'effort nécessaire pour le travail, les vêtements ou les vêtements utilisés contre le froid et les préférences ou les goûts personnels.

Le besoin de chauffage est saisonnier dans de nombreuses régions, mais cela ne signifie pas que le chauffage est superflu pendant la saison froide. Les conditions environnementales froides affectent la santé, l'efficacité mentale et physique, la précision et peuvent parfois augmenter le risque d'accidents. Le but d'un système de chauffage est de maintenir des conditions thermiques agréables qui préviendront ou minimiseront les effets néfastes sur la santé.

Les caractéristiques physiologiques du corps humain lui permettent de supporter de grandes variations de conditions thermiques. Les êtres humains maintiennent leur équilibre thermique à travers l'hypothalamus, au moyen de récepteurs thermiques dans la peau ; la température corporelle est maintenue entre 36 et 38°C comme le montre la figure 1.

Figure 1. Mécanismes de thermorégulation chez l'homme

Les systèmes de chauffage doivent avoir des mécanismes de contrôle très précis, en particulier dans les cas où les travailleurs effectuent leurs tâches en position assise ou fixe qui ne stimule pas la circulation sanguine vers leurs extrémités. Lorsque le travail effectué permet une certaine mobilité, le contrôle du système peut être un peu moins précis. Enfin, lorsque le travail effectué se déroule dans des conditions anormalement défavorables, comme dans des chambres réfrigérées ou dans des conditions climatiques très froides, des mesures d'accompagnement peuvent être prises pour protéger des tissus particuliers, pour réguler le temps passé dans ces conditions ou pour fournir de la chaleur par des systèmes électriques incorporés dans les vêtements du travailleur.

Définition et description de l'environnement thermique

Une exigence qui peut être exigée de tout système de chauffage ou de climatisation fonctionnant correctement est qu'il doit permettre le contrôle des variables qui définissent l'environnement thermique, dans des limites spécifiées, pour chaque saison de l'année. Ces variables sont

1. température de l'air
2. température moyenne des surfaces intérieures qui définissent l'espace
3. l'humidité de l'air
4. vitesses et uniformité des vitesses d'écoulement de l'air dans l'espace

Il a été démontré qu'il existe une relation très simple entre la température de l'air et des surfaces murales d'un espace donné, et les températures qui procurent la même sensation thermique perçue dans une pièce différente. Cette relation peut être exprimée comme

De

T_manger = température de l'air équivalente pour une sensation thermique donnée

T_dbt = température de l'air mesurée avec un thermomètre à bulbe sec

T_ast = température de surface moyenne mesurée des murs.

Par exemple, si dans un espace donné l'air et les murs sont à 20°C, la température équivalente sera de 20°C, et la sensation de chaleur perçue sera la même que dans une pièce où la température moyenne des murs est de 15°C et la température de l'air est de 25°C, car cette pièce aurait la même température équivalente. Du point de vue de la température, la sensation perçue de confort thermique serait la même.

Propriétés de l'air humide

Lors de la mise en œuvre d'un plan de climatisation, trois éléments doivent être pris en considération : l'état thermodynamique de l'air dans l'espace donné, de l'air extérieur et de l'air qui sera fourni à la pièce. Le choix d'un système capable de transformer les propriétés thermodynamiques de l'air fourni à la pièce sera alors basé sur les charges thermiques existantes de chaque composant. Il faut donc connaître les propriétés thermodynamiques de l'air humide. Ils sont les suivants :

T_dbt = la température de bulbe sec, mesurée avec un thermomètre isolé de la chaleur rayonnante

T_dpt = la lecture de la température du point de rosée. C'est la température à laquelle l'air sec non saturé atteint le point de saturation

W = une relation d'humidité qui va de zéro pour l'air sec à W_s pour l'air saturé. Elle s'exprime en kg de vapeur d'eau par kg d'air sec

RH = humidité relative

t* = température thermodynamique avec bulbe humide

v = volume spécifique d'air et de vapeur d'eau (exprimé en unités de m³/kg). C'est l'inverse de la densité

H = enthalpie, kcal/kg d'air sec et vapeur d'eau associée.

Parmi les variables ci-dessus, seules trois sont directement mesurables. Il s'agit de la lecture de la température du bulbe sec, de la lecture de la température du point de rosée et de l'humidité relative. Il existe une quatrième variable mesurable expérimentalement, définie comme la température de bulbe humide. La température de bulbe humide est mesurée avec un thermomètre dont le bulbe a été humidifié et qui est déplacé, typiquement à l'aide d'une élingue, dans de l'air humide non saturé à une vitesse modérée. Cette variable diffère d'une quantité insignifiante de la température thermodynamique avec un bulbe sec (3 %), de sorte qu'elles peuvent toutes deux être utilisées pour des calculs sans trop se tromper.

Schéma psychrométrique

Les propriétés définies dans la section précédente sont fonctionnellement liées et peuvent être représentées sous forme graphique. Cette représentation graphique est appelée diagramme psychrométrique. Il s'agit d'un graphique simplifié dérivé des tables de l'American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). L'enthalpie et le degré d'humidité sont indiqués sur les coordonnées du diagramme ; les lignes tracées montrent les températures sèches et humides, l'humidité relative et le volume spécifique. Avec le diagramme psychrométrique, connaître deux des variables précitées permet de déduire toutes les propriétés de l'air humide.

Conditions de confort thermique

Le confort thermique se définit comme un état d'esprit qui exprime la satisfaction vis-à-vis de l'environnement thermique. Elle est influencée par des facteurs physiques et physiologiques.

Il est difficile de prescrire des conditions générales à respecter pour le confort thermique car les conditions diffèrent selon les situations de travail ; des conditions différentes pourraient même être exigées pour un même poste de travail lorsqu'il est occupé par des personnes différentes. Une norme technique relative aux conditions thermiques requises pour le confort ne peut s'appliquer à tous les pays en raison des conditions climatiques différentes et de leurs coutumes vestimentaires différentes.

Des études ont été menées auprès de travailleurs effectuant des travaux manuels légers, établissant une série de critères de température, de vitesse et d'humidité qui sont présentés dans le tableau 1 (Bedford et Chrenko 1974).

Tableau 1. Normes proposées pour les facteurs environnementaux

Les facteurs ci-dessus sont interdépendants, nécessitant une température de l'air plus basse dans les cas où il y a un rayonnement thermique élevé et nécessitant une température de l'air plus élevée lorsque la vitesse du flux d'air est également plus élevée.

Généralement, les corrections à effectuer sont les suivantes :

La température de l'air doit être augmentée:

• si la vitesse du flux d'air est élevée

• pour les situations de travail sédentaires

• si les vêtements utilisés sont légers

• lorsque les gens doivent être acclimatés à des températures intérieures élevées.

La température de l'air doit être diminuée :

• si le travail implique un travail manuel lourd

• lorsque des vêtements chauds sont utilisés.

Pour une bonne sensation de confort thermique, la situation la plus souhaitable est celle où la température de l'environnement est légèrement supérieure à la température de l'air et où le flux d'énergie thermique rayonnante est le même dans toutes les directions et n'est pas excessif au-dessus. L'augmentation de la température en fonction de la hauteur doit être minimisée, en gardant les pieds au chaud sans créer trop de charge thermique au-dessus de la tête. Un facteur important qui influe sur la sensation de confort thermique est la vitesse du flux d'air. Il existe des diagrammes qui donnent des vitesses d'air recommandées en fonction de l'activité pratiquée et du type de vêtement utilisé (figure 2).

Figure 2. Zones de confort basées sur les lectures des températures globales et la vitesse des courants d'air

Dans certains pays, il existe des normes pour les températures ambiantes minimales, mais les valeurs optimales n'ont pas encore été établies. En règle générale, la valeur maximale de la température de l'air est de 20 °C. Avec les récentes améliorations techniques, la complexité de la mesure du confort thermique s'est accrue. De nombreux indices sont apparus, dont l'indice de température effective (ET) et l'indice de température effective, corrigé (CET) ; l'indice de surcharge calorique; l'indice de stress thermique (HSI); la température du bulbe humide (WBGT); et l'indice de Fanger des valeurs médianes (IMV), entre autres. L'indice WBGT permet de déterminer les intervalles de repos nécessaires en fonction de l'intensité du travail effectué afin d'éviter le stress thermique dans les conditions de travail. Ceci est discuté plus en détail dans le chapitre Chaleur et froid.

Zone de confort thermique dans un diagramme psychrométrique

La plage sur le diagramme psychrométrique correspondant aux conditions dans lesquelles un adulte perçoit le confort thermique a été soigneusement étudiée et a été définie dans la norme ASHRAE en fonction de la température effective, définie comme la température mesurée avec un thermomètre à bulbe sec dans une pièce uniforme avec 50 pour cent d'humidité relative, où les gens auraient le même échange de chaleur par énergie rayonnante, convection et évaporation qu'ils le feraient avec le niveau d'humidité dans l'environnement local donné. L'échelle de température effective est définie par l'ASHRAE pour un niveau de vêtement de 0.6 clo — clo est une unité d'isolation ; 1 clo correspond à l'isolation apportée par un ensemble normal de vêtements - qui suppose un niveau d'isolation thermique de 0.155 K m²W^-1, où K est l'échange de chaleur par conduction mesuré en Watts par mètre carré (W m^-2) pour un mouvement d'air de 0.2 ms^-1 (au repos), pour une exposition d'une heure à une activité sédentaire choisie de 1 met (unité de métabolisme = 50 Kcal/m²h). Cette zone de confort est illustrée à la figure 2 et peut être utilisée pour les environnements thermiques où la température mesurée par la chaleur rayonnante est approximativement la même que la température mesurée par un thermomètre à bulbe sec et où la vitesse du flux d'air est inférieure à 0.2 ms.^-1 pour les personnes vêtues de vêtements légers et exerçant des activités sédentaires.

Formule confort : La méthode Fanger

La méthode développée par PO Fanger est basée sur une formule qui met en relation des variables de température ambiante, température radiante moyenne, vitesse relative du flux d'air, pression de vapeur d'eau dans l'air ambiant, niveau d'activité et résistance thermique des vêtements portés. Un exemple dérivé de la formule de confort est présenté dans le tableau 2, qui peut être utilisé dans des applications pratiques pour obtenir une température de confort en fonction du vêtement porté, du taux métabolique de l'activité exercée et de la vitesse du flux d'air.

Tableau 2. Températures de confort thermique (°C), à 50% d'humidité relative (selon la formule de PO Fanger)

Systèmes de chauffage

La conception de tout système de chauffage doit être directement liée aux travaux à effectuer et aux caractéristiques du bâtiment où il sera installé. Il est difficile de trouver, dans le cas des bâtiments industriels, des projets où les besoins de chauffage des ouvriers sont pris en compte, souvent parce que les process et les postes de travail restent à définir. Normalement, les systèmes sont conçus avec une plage très libre, en ne considérant que les charges thermiques qui existeront dans le bâtiment et la quantité de chaleur qui doit être fournie pour maintenir une température donnée dans le bâtiment, sans tenir compte de la distribution de chaleur, de la situation des postes de travail et d'autres facteurs similaires moins généraux. Cela entraîne des lacunes dans la conception de certains bâtiments qui se traduisent par des lacunes telles que des points froids, des courants d'air, un nombre insuffisant d'éléments chauffants et d'autres problèmes.

Pour aboutir à un bon système de chauffage lors de la planification d'un bâtiment, voici quelques-unes des considérations à prendre en compte :

• Considérez le placement approprié de l'isolant pour économiser de l'énergie et minimiser les gradients de température dans le bâtiment.

• Réduire au maximum les infiltrations d'air froid dans le bâtiment afin de minimiser les variations de température dans les zones de travail.

• Maîtriser la pollution de l'air par extraction localisée d'air et ventilation par déplacement ou diffusion.

• Maîtriser les émissions de chaleur dues aux procédés mis en œuvre dans le bâtiment et leur répartition dans les zones occupées du bâtiment.

Lorsque le chauffage est assuré par des brûleurs sans cheminées d'évacuation, une attention particulière doit être portée à l'inhalation des produits de combustion. Normalement, lorsque les matériaux combustibles chauffent du mazout, du gaz ou du coke, ils produisent du dioxyde de soufre, des oxydes d'azote, du monoxyde de carbone et d'autres produits de combustion. Il existe des limites d'exposition humaine pour ces composés et elles doivent être contrôlées, en particulier dans les espaces clos où la concentration de ces gaz peut augmenter rapidement et l'efficacité de la réaction de combustion peut diminuer.

La planification d'un système de chauffage implique toujours d'équilibrer diverses considérations, telles qu'un faible coût initial, la flexibilité du service, l'efficacité énergétique et l'applicabilité. Par conséquent, l'utilisation de l'électricité pendant les heures creuses, alors qu'elle pourrait être moins chère, par exemple, pourrait rendre les radiateurs électriques plus rentables. L'utilisation de systèmes chimiques de stockage de chaleur pouvant ensuite être mobilisés lors des pics de consommation (à l'aide de sulfure de sodium par exemple) est une autre option. Il est également possible d'étudier le placement de plusieurs systèmes différents ensemble, en les faisant fonctionner de manière à optimiser les coûts.

L'installation d'appareils de chauffage pouvant fonctionner au gaz ou au mazout est particulièrement intéressante. L'utilisation directe de l'électricité signifie consommer une énergie de premier ordre qui peut s'avérer coûteuse dans de nombreux cas, mais qui peut offrir la flexibilité nécessaire dans certaines circonstances. Les pompes à chaleur et autres systèmes de cogénération qui profitent de la chaleur résiduelle peuvent offrir des solutions qui peuvent être très avantageuses d'un point de vue financier. Le problème de ces systèmes est leur coût initial élevé.

Aujourd'hui, la tendance des systèmes de chauffage et de climatisation est de viser un fonctionnement optimal et des économies d'énergie. Les nouveaux systèmes comprennent donc des capteurs et des commandes répartis dans les espaces à chauffer, obtenant un apport de chaleur uniquement pendant les temps nécessaires pour obtenir le confort thermique. Ces systèmes peuvent économiser jusqu'à 30% des coûts énergétiques de chauffage. La figure 3 montre quelques-uns des systèmes de chauffage disponibles, en indiquant leurs caractéristiques positives et leurs inconvénients.

Figure 3. Caractéristiques des systèmes de chauffage les plus couramment utilisés sur les chantiers

Systèmes de climatisation

L'expérience montre que les environnements industriels proches de la zone de confort pendant les mois d'été augmentent la productivité, ont tendance à enregistrer moins d'accidents, ont un absentéisme plus faible et, en général, contribuent à l'amélioration des relations humaines. Dans le cas des commerces, des hôpitaux et des bâtiments de grandes surfaces, la climatisation a généralement besoin d'être dirigée pour pouvoir apporter un confort thermique lorsque les conditions extérieures l'exigent.

Dans certains environnements industriels où les conditions extérieures sont très sévères, l'objectif des systèmes de chauffage est davantage de fournir suffisamment de chaleur pour prévenir d'éventuels effets néfastes sur la santé que de fournir suffisamment de chaleur pour un environnement thermique confortable. Les facteurs à surveiller attentivement sont l'entretien et la bonne utilisation des équipements de climatisation, en particulier lorsqu'ils sont équipés d'humidificateurs, car ils peuvent devenir des sources de contamination microbienne avec les risques que ces contaminants peuvent présenter pour la santé humaine.

Aujourd'hui, les systèmes de ventilation et de climatisation tendent à couvrir, conjointement et souvent avec la même installation, les besoins de chauffage, de réfrigération et de climatisation de l'air d'un bâtiment. Plusieurs classifications peuvent être utilisées pour les systèmes de réfrigération.

Selon la configuration du système, ils peuvent être classés de la manière suivante :

• Unités hermétiquement fermées, avec fluide frigorigène installé en usine, pouvant être ouvertes et rechargées dans un atelier de réparation. Il s'agit d'unités de conditionnement d'air normalement utilisées dans les bureaux, les habitations et autres.

• Unités semi-hermétiques de taille moyenne, fabriquées en usine, qui sont de plus grande taille que les unités domestiques et qui peuvent être réparées par des ouvertures conçues à cet effet.

• Systèmes segmentés pour entrepôts et grandes surfaces, constitués de pièces et de composants clairement différenciés et physiquement séparés (le compresseur et le condenseur sont physiquement séparés de l'évaporateur et du détendeur). Ils sont utilisés pour les grands immeubles de bureaux, les hôtels, les hôpitaux, les grandes usines et les bâtiments industriels.

Selon la couverture qu'ils offrent, ils peuvent être classés de la manière suivante :

• Systèmes pour une seule zone : une unité de traitement d'air dessert plusieurs pièces d'un même bâtiment et en même temps. Les pièces desservies ont des besoins similaires en chauffage, réfrigération et ventilation et elles sont régulées par une commande commune (un thermostat ou un appareil similaire). Les systèmes de ce type peuvent finir par être incapables de fournir un niveau de confort adéquat à chaque pièce si le plan de conception n'a pas pris en compte les différentes charges thermiques entre les pièces d'une même zone. Cela peut se produire lorsqu'il y a une augmentation de l'occupation d'une pièce ou lorsque de l'éclairage ou d'autres sources de chaleur sont ajoutés, comme des ordinateurs ou des photocopieurs, qui n'étaient pas prévus lors de la conception originale du système. L'inconfort peut également survenir en raison des changements saisonniers de la quantité de rayonnement solaire reçue par une pièce, ou même en raison des changements d'une pièce à l'autre au cours de la journée.

• Systèmes pour plusieurs zones : les systèmes de ce type peuvent fournir à différentes zones de l'air à différentes températures et humidités en chauffant, refroidissant, humidifiant ou déshumidifiant l'air dans chaque zone et en faisant varier le débit d'air. Ces systèmes, même s'ils disposent généralement d'une unité de refroidissement d'air commune et centralisée (compresseur, évaporateur, etc.), sont équipés de divers éléments, tels que des dispositifs de contrôle du débit d'air, des serpentins de chauffage et des humidificateurs. Ces systèmes sont capables d'ajuster les conditions d'une pièce en fonction de charges thermiques spécifiques, qu'ils détectent au moyen de capteurs répartis dans les pièces de la zone qu'ils desservent.

• En fonction du débit d'air que ces systèmes pompent dans le bâtiment, ils sont classés de la manière suivante :

• Volume constant (CV) : ces systèmes pompent un flux d'air constant dans chaque pièce. Les changements de température sont effectués en chauffant ou en refroidissant l'air. Ces systèmes mélangent fréquemment un pourcentage d'air extérieur avec de l'air intérieur recyclé.

• Volume variable (VAV) : ces systèmes maintiennent le confort thermique en faisant varier la quantité d'air chauffé ou refroidi fourni à chaque espace. Même s'ils fonctionnent principalement selon ce principe de mélange, ils peuvent également être combinés avec des systèmes qui modifient la température de l'air qu'ils introduisent dans la pièce.

Les problèmes qui affectent le plus souvent ces types de systèmes sont un chauffage ou un refroidissement excessif si le système n'est pas ajusté pour répondre aux variations des charges thermiques, ou un manque de ventilation si le système n'introduit pas une quantité minimale d'air extérieur pour renouveler la circulation. l'air intérieur. Cela crée des environnements intérieurs viciés dans lesquels la qualité de l'air se détériore.

Les éléments de base de tous les systèmes de climatisation sont (voir également figure 4) :

• Unités pour retenir les matières solides, généralement des filtres à manches ou des précipitateurs électrostatiques.

• Unités de chauffage ou de refroidissement à air : la chaleur est échangée dans ces unités par échange thermique avec de l'eau froide ou des liquides réfrigérants, par ventilation forcée en été et par chauffage avec des serpentins électriques ou par combustion en hiver.

• Unités de contrôle de l'humidité : en hiver, l'humidité peut être ajoutée par injection directe de vapeur d'eau ou par évaporation directe de l'eau ; en été, il peut être éliminé par des serpentins réfrigérés qui condensent l'excès d'humidité dans l'air, ou par un système d'eau réfrigérée dans lequel l'air humide circule à travers un rideau de gouttes d'eau plus froide que le point de rosée de l'air humide.

Figure 4. Schéma simplifié du système de climatisation

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