Convection forcée

Figure 1. La convection est un mécanisme de transfert de chaleur par lequel la chaleur se déplace d'un endroit à un autre par le biais de courants de fluide. La convection forcée consiste simplement à utiliser ce mécanisme de manière utile pour chauffer ou refroidir efficacement une maison, par exemple en utilisant un ventilateur.

La convection forcée est un type particulier de transfert de chaleur dans lequel les fluides sont forcés de se déplacer, afin d'augmenter le transfert de chaleur. Ce forçage peut se faire avec un ventilateur de plafond, une pompe, un dispositif d'aspiration, ou autre.

Beaucoup de gens connaissent l'affirmation selon laquelle la « chaleur monte ». Il s'agit d'une simplification de l'idée selon laquelle les fluides chauds sont presque toujours moins denses que le même fluide lorsqu'il est froid, mais il existe des exceptions (voir les couches de l'atmosphère et la circulation thermohaline pour les exceptions). Cette différence de densité fait que les matériaux plus chauds se retrouvent naturellement au-dessus des matériaux plus froids en raison de la plus grande flottabilité des matériaux plus chauds.

La convection naturelle peut créer une différence notable de température dans une maison. Souvent, cela se traduit par des endroits où certaines parties de la maison sont plus chaudes et d'autres plus fraîches. La convection forcée crée une température plus uniforme et donc plus confortable dans toute la maison. Cela réduit les points froids dans la maison, ce qui réduit le besoin de monter le thermostat à une température plus élevée ou de mettre des pulls.

Opération

Figure 1. Un registre de plancher chauffant fait partie du système CVC qui crée une convection forcée dans une maison.

Pour créer une convection forcée, il suffit d'allumer un ventilateur. L'air est chauffé dans la chaudière et poussé à travers la maison par le souffleur, qui est un ventilateur à l'intérieur du ventilation. Ce ventilateur produit une quantité d'air spécifique, et ce débit d'air est réparti entre toutes les grilles de sortie (également appelées bouches de chauffage) d'une maison. Une fois qu'il a traversé les bouches d'aération en étant poussé par des ventilateurs, l'air chaud et traité est éjecté par des bouches d'aération au sol ou au plafond dans les pièces de la maison. Avec l'aide de la convection naturelle, cet air se déplace ensuite dans la pièce, réchauffant la pièce en montant vers le haut par convection naturelle et redescendant lentement vers le sol en se refroidissant. Le système consistant à chauffer l'air et à le pousser dans toute la maison pour la réchauffer recommence alors.

La façon dont l'air traité parvient aux bouches de sortie fait une différence, car la structure des conduits peut créer une résistance à la circulation de l'air au niveau des coudes, des divisions ou des endroits où la taille des conduits change. Ces changements influent à leur tour sur la capacité de ce système à air pulsé à chauffer une maison, puisque tous les appareils partagent le flux d'air provenant d'une seule source - le générateur d'air chaud. Par conséquent, il est important de bien planifier les conduits. De manière générale, la meilleure façon pour l'air de se déplacer dans un conduit est d'avoir un conduit droit, c'est-à-dire de forme ronde avec une paroi intérieure lisse - puisque les courbes et les coins résistent à la circulation de l'air. Chaque fois que c'est possible, il faut suivre cette ligne directrice pour s'assurer que l'air qui est expulsé par le générateur de chaleur chauffe correctement la maison. De plus, en veillant à ce que les bouches de sortie ne soient pas recouvertes par des meubles ou installées derrière des rideaux, on s'assure que l'air chaud expulsé par le générateur de chaleur puisse circuler dans toute la pièce.

On pense souvent à tort que plus le débit d'air d'un ventilateur est important - ou plus le ventilateur « pousse » l'air - plus les effets de la convection forcée sont importants, en raison de la grande quantité d'air chauffé ou refroidi poussé par le ventilateur. Cependant, ce n'est pas tout à fait vrai. La façon dont l'air se déplace dans une maison ou un autre bâtiment dépend en partie de la pression et de la température qui existent dans la pièce avant que l'air ne soit poussé à travers. Par exemple, si une pièce a un point froid et que l'objectif est de la chauffer uniformément, le changement de pression dans la zone située entre le point froid et le point chaud, connue sous le nom de zone « chaude » de transition, détermine la capacité d'un ventilateur à déplacer l'air chaud vers la zone froide. Si la chute de pression dans cette zone chaude est plus élevée, le débit d'air dans la section froide de la pièce sera plus faible, ce qui rendra plus difficile pour le ventilateur de pousser l'air chaud dans cette section. Ce phénomène est connu sous le nom de chute de pression sur le dissipateur thermique et peut être résumé facilement en disant qu'il est plus difficile pour un ventilateur de pousser de l'air chaud ou froid à travers une région entre deux zones de températures différentes qui a également une grande différence de pression à travers sa frontière.

Mécanisme de la convection forcée

La convection est une méthode complexe de transfert de chaleur, mais elle peut être exprimée par la loi de Newton sur le chauffage et le refroidissement :

[math]\displaystyle{ q_{conv}^* = h(T_s - T_{\infty}) }[/math]

Ce qui dit simplement que le taux de transfert de chaleur par convection ([math]\displaystyle{ q_{conv}^* }[/math]), exprimé en unités [math]\displaystyle{ (W/m^2) }[/math] est proportionnel à la différence entre la température initiale du matériau ([math]\displaystyle{ T_s }[/math]) et la température finale du matériau ([math]\displaystyle{ T_{\infty} }[/math]) par une constante de proportionnalité [math]\displaystyle{ h }[/math]. Le taux de transfert de chaleur dépend aussi fortement de la rugosité et de la forme du matériau à chauffer. La loi de Newton sur le chauffage et le refroidissement change selon que la convection est forcée ou non. Pour un refroidissement naturel, la valeur [math]\displaystyle{ h }[/math] est égale à un certain nombre. Cependant, en forçant la convection et en poussant l'air chauffé ou refroidi d'un endroit à un autre, on est capable de changer cette constante de proportionnalité et de chauffer ou refroidir un objet plus rapidement.

Pour un regard plus mathématique sur la convection forcée, voir la page de l'Université Simon Fraser.

Ventilateurs de plafond

L'utilisation de ventilateurs de plafond dans une maison représente également un autre type de convection forcée. Les ventilateurs de plafond peuvent être utilisés aussi bien en hiver (figure 2) qu'en été (figure 3), mais leurs réglages doivent être différents afin d'accomplir la tâche souhaitée. Pendant les mois d'été, le ventilateur est généralement réglé sur une vitesse plus élevée. L'angle des pales force l'air à descendre dans la pièce. En général, cela correspond à une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsque l'on regarde le ventilateur depuis le bas. Cette brise descendante favorise l'évaporation de la transpiration des habitants de la maison, ce qui les rafraîchit. Pendant les mois d'hiver, le ventilateur doit être utilisé à une vitesse plus lente. Les pales tournent également dans un sens différent, généralement dans le sens des aiguilles d'une montre lorsqu'on regarde depuis le dessous du ventilateur, ce qui fait remonter l'air plus frais des parties basses de la pièce. L'air plus frais du bas se mélange alors à l'air plus chaud qui s'est élevé et mélange les deux, distribuant l'air plus chaud dans tout le bâtiment.

Figure 3. En hiver, les ventilateurs de plafond doivent tourner dans le sens des aiguilles d'une montre pour tirer l'air frais vers le haut de la pièce et pousser l'air chaud vers le bas, créant ainsi un courant ascendant.

Figure 2. En été, les ventilateurs de plafond doivent tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour mélanger l'air chaud et forcer une brise fraîche vers le bas, créant ainsi un courant descendant.