Chaud "à l'ancienne": (1/6): Conduction, convection et rayonnement

Un article du low-tech magazine partagé sur la plateforme SlowHeat avec l'autorisation de son auteur Kris De Decker. Traduit par: Benoît Bride


NDLR: Avec ses mots, Kris De Decker dépeint dans cet article tout l'intérêt énergétique d'un confort qui n'est plus basé sur la température de l'air mais sur un transfert direct de la chaleur de la source vers le corps, par contact ou rayonnement, sans l'intermédiaire de l'air.

La plupart des chauffages modernes sont basés en premier lieu sur le chauffage de l’air. Cela semble être un choix évident, mais il y a des alternatives bien plus profitables.


Source: Die Bauern und die Zeitung, a painting by Albert Anker, 1867.

De nos jours, nous assurons notre confort thermique en hiver en chauffant le volume d’air de nos pièces et de nos bâtiments. Autrefois, le concept de chauffage de nos aïeuls était plus localisé : ils chauffaient les personnes, et non les espaces.


Ils utilisaient des sources de chaleur radiatives qui réchauffaient seulement certaines parties d’une pièce, créant des microclimats de confort. Les gens luttaient contre les grandes différences de température en utilisant du mobilier isolé, tel que des chaises à hotte ou des écrans pliables, et en complément, ils employaient des sources de chaleur individuelles qui réchauffaient certaines parties de leur corps.


Il serait particulièrement pertinent de retrouver aujourd’hui cette ancienne façon de se chauffer, tout en utilisant ce que la technologie moderne a mis à notre disposition, c’est à dire des systèmes beaucoup plus pratiques, sûrs et efficaces.


Conduction, convection, radiation

La plupart des chauffages modernes sont basés en premier lieu sur le chauffage de l’air. Cela semble être un choix évident, mais il y a des alternatives bien plus profitables. Il y a trois types de transfert de chaleur[...]: la convection (le chauffage de l’air), la conduction (le chauffage par contact physique), et la radiation (le chauffage par rayonnement).


Les anciens modes de chauffage étaient basés sur la radiation et la conduction, qui sont plus économes en énergie que la convection. Alors que la convection implique la montée en température de chaque centimètre cube d’air d’une pièce pour que les personnes restent au chaud, la radiation et la conduction peuvent transférer leur chaleur directement aux personnes, rendant la quantité d’énergie nécessaire indépendante de la taille de la pièce ou du bâtiment.

En premier lieu, regardons de près les différentes méthodes de transfert de chaleur. Conduction et convection ont une relation intime. La conduction concerne le transfert de chaleur à travers des solides en contact : le flux de chaleur passe de la partie la plus chaude vers la partie la plus froide. La vitesse de ce flux dépend de la résistance thermique du matériau.

Par exemple, la chaleur traverse plus rapidement le métal que le bois, le métal ayant une plus faible résistance thermique. [...]


La conduction ne se déroule pas seulement entre les solides, mais aussi à l’interface entre un solide et un fluide (comme l’air), et entre les fluides eux-mêmes. Chaque objet plus chaud que l’air qui l’entoure, transmet une certaine quantité de chaleur à l’air par contact. [...] L’air chauffé par la conduction se dilate et s’élève. Sa place est prise par de l’air plus froid, qui est chauffé à son tour, qui se dilate, s’élève et ainsi de suite. Ce courant de chaleur qui monte au-dessus de tous les objets plus chauds que l’air est appelé convection.

Transfert de chaleur convectif du corps vers son environnement.

La radiation, le troisième type de transfert de chaleur, fonctionne d’une manière différente de la conduction et de la convection. L’énergie radiative est transportée par des ondes électromagnétiques similaires aux ondes de lumière ou du son. Pour être plus précis, il s’agit d’une partie du spectre électromagnétique appelé infrarouge. La radiation n’a pas besoin d’un milieu (comme l’air ou l’eau) pour propager la chaleur.


[...] La première source d’énergie radiative est le soleil, mais tout objet sur terre irradie de l’énergie infrarouge [...]. Cette énergie peut être absorbée par d’autres objets ayant une température inférieure. L’énergie radiative n’a pas de température propre. C’est seulement lorsqu’elle frappe la surface d’objet doté d’une masse que l’énergie peut être absorbée et convertie en chaleur.


Le confort thermique à basse température d’air

En raison de l’usage général du chauffage central réchauffant l’air, nous en sommes venus à croire que notre sensation de confort interne dépend principalement de la température de l’air. Pourtant, le corps humain échange de la chaleur avec son environnement via la convection, la radiation, la conduction et l’évaporation (une autre forme de transfert de chaleur dite “latente”).

La convection se réfère aux échanges de chaleur avec l’air environnant, la radiation est le transfert de chaleur entre la peau et les surfaces autour de nous, l’évaporation concerne l’eau perdue par notre peau, et la conduction est l’échange thermique qui a lieu entre une partie du corps et un objet en contact.


Si la part de radiation et de conduction dans la chaleur totale transférée vers le corps augmente, les personnes peuvent se sentir à l’aise à une température d’air plus faible pendant la saison de chauffe.


En hiver nous pouvons nous sentir bien à une température d’air plus faible en augmentant la part de radiation ou de conduction dans la chaleur totale transférée dans la pièce. Par exemple, une personne pieds nus sur un sol froid aura froid, même si la température de l’air est convenable à 21°C. Ceci s’explique par le fait que le corps perd de la chaleur au profit du sol via la conduction. Un bol de soupe dans les mains, un plancher chauffant ou une banquette chauffante ont l’effet opposé, car la chaleur est transférée des objets chauds vers le corps par la conduction.

La chaleur radiative peut elle aussi amener une sensation de confort aux personnes situées dans un air à basse température. La preuve parfaite est l’ensoleillement direct. Au printemps ou en automne, nous pouvons nous asseoir confortablement à l’extérieur au soleil habillés seulement d’une chemisette, même si la température ambiante est relativement basse. Un mètre plus loin, à l’ombre, nous aurions besoin d’une veste bien que la température de l’air soit plus ou moins la même. Et en été nous préférons rester à l’ombre. La différence entre ces situations tient à l’énergie radiative du soleil qui chauffe le corps directement exposé à sa lumière. Cette “température de rayonnement” supérieure nous dispense un confort thermique équivalent pour une température d’air plus froide en hiver.


Un chauffage radiatif compense une basse température d’air via une température de rayonnement plus importante, alors qu’un chauffage de l’air compense une basse température de rayonnement grâce à une température d’air plus forte. La température opérative (une moyenne pondérée des deux) est possiblement identique.


Source : Radiant Heating & Cooling Handbook, Richard Watson, 2008.

[...] La chaleur radiative est tout aussi importante lorsqu’on chauffe un bâtiment, indépendamment du système de chauffage utilisé. A l’intérieur, la température radiative représente la radiation infrarouge totale échangée avec toutes les surfaces de la pièce.


Les systèmes de chauffage radiatifs, dont nous parlerons plus tard, fonctionnent de façon analogue au soleil: ils ne chauffent pas l’air mais les surfaces dans la pièce, y compris la peau des personnes présentes, augmentant ainsi la température de rayonnement et offrant un confort thermique pour une température d’air plus basse.


Un chauffage 100% radiatif n’existe pas, car la surface du système de chauffage et les surfaces irradiées sont en contact avec l’air et donc le réchauffe par conduction et convection. Cependant, pour un système radiatif, ce chauffage de l’air est décalé dans le temps et bien plus limité que dans le cas d’un chauffage convectif.


De même, un chauffage convectif augmente aussi la température radiative de la pièce, étant donné que l’air chaud réchauffe les surfaces du bâtiment par conduction et convection. Mais bien sûr, l’augmentation de la température de rayonnement est lente et limitée par rapport à ce qui se passe avec un chauffage radiatif.


Comme pour la conduction, la radiation peut nous faire ressentir le froid malgré une température d’air importante. Si nous sommes assis près d’une fenêtre froide, notre corps irradie de la chaleur vers cette surface froide, nous faisant ressentir le froid même si la température ambiante est de 21°C. En résumé, ni une température d’air importante ni une température de rayonnement importante ne nous garantissent le confort thermique. La meilleure compréhension de l’environnement thermique dans une pièce est donnée par la “température opérative”, qui est la moyenne des deux grandeurs.


Sources :

  • Stralingsverwarming: Gezonde Warmte met Minder Energie, Kris De Decker, 2015

  • Keeping Warm in a Cooler House. Creating Comfort with Background Heating and Local Supplementary Warmth (PDF). Historical Scotland Technical Paper 14, Michael Humphreys, Historic Scotland, 2011

  • Radiant Heating and Cooling Handbook (Mcgraw-Hill Handbooks), Richard Watson, 2008

  • Human Thermal Environments: The Effects of Hot, Moderate, and Cold Environments on Human Health, Comfort, and Performance, Third Edition, Ken Parsons, 2014