Un peu de théorie pour comprendre la convection

La conduction, la convection et le rayonnement par onde électromagnétique sont les trois modes de diffusion de la chaleur. Le transfert de chaleur se produit toujours du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Les appareils de chauffage domestique transmettent essentiellement leur énergie par convection et par radiation qui se complètent presque à 100%. La conduction reste anecdotique, elle se rencontre dans le cas d'un contact direct avec la surface chaude d'un radiateur, comme dans le cas des pieds sur un plancher chauffant ou l'utilisation de sèche-serviettes dans les salles de bain.

La convection naturelle est un phénomène de transmission de chaleur qui s'appuie sur un mouvement des liquides et des gaz. Quand un volume d'air se réchauffe, il se dilate et sa masse volumique diminue. L'air allégé va donc s'élever sous l'effet de la poussée d'Archimède.


La répartition du transfert de chaleur entre convection et radiation d'un corps de chauffe dépend de nombreux facteurs. Il s'agit principalement des phénomènes d'écoulements laminaires ou turbulents de l'air, des coefficients de convection et d'émissivité par rayonnement infrarouge et de la différence de température avec l'air ambiant. Le fabricant définit la taille, les formes et choisit les matériaux de ses appareils de chauffage en rapport avec les propriétés attendues mais aussi en fonction du coût de production. Il est beaucoup plus facile et bon marché de concevoir un émetteur convectif qu'un rayonnant.

La convection naturelle produit le réchauffement de l'air ambiant et son déplacement vers le haut. Plus la différence de température entre l'air ambiant et l'air réchauffé est importante, plus la vitesse d'élévation et la stratification augmentent. C'est un phénomène généralement peut apprécié, source d'inconforts thermiques et de surconsommation d'énergie. Les améliorations apportées ces dernières années au chauffage électrique ont permis de réduire de façon notable la proportion de convection au profit des émissions radiatives. Les moyens pour réduire la convection se sont portées sur la baisse de la température d'émission ("chaleur douce") qui conduit logiquement à augmenter les surfaces actives et utiliser des matériaux à forte émissivité.

La stratification peut induire une surconsommation d'environ 35 %

Pour simplifier les calculs, nous avons partagé les volumes en 5 zones, en considérant que chaque degrés Celcius supplémentaire au dessus de la température de consigne (20°C) entraîne une consommation électrique du convecteur de sept pour cent (7%).

Si les murs sont froids (mal isolés et/ou en contact avec l'extérieur), la température résultante tirée vers le bas de plusieurs degrés, obligeant à maintenir une température de l'air d'autant plus élevée. Ce phénomène n'est pas directement un facteur de surconsommation, mais l'inconfort thermique créé par l'air surchauffé sera important. Pour cette raison, le chauffage par air chaud est moins désagréable pour les occupants quand l'isolation est de très bonne qualité.

Le renouvellement d'air montre également les limites du chauffage par air chaud, même avec une faible stratification. Lorsqu'une pièce est aérée ou lorsque la ventilation fonctionne, la chaleur stockée dans l'air est directement chassée à l'extérieur de l'habitat, au contraire de l'énergie radiative stockée dans les parois et les objets qui est beaucoup moins sensible aux mouvements d'air.

Si un gaspillage d'énergie d'environ 30% par une très mauvaise répartition dans les volumes est une valeur communément admise pour les convecteurs haute température, type "grille-pains", il faut aussi tenir compte des phénomènes qui nuisent au confort thermique : point chaud, vagues de chaleur, écarts de température entre l'air et les surfaces. Ces sensations désagréables amènent généralement les occupants à pousser un peu plus le thermostat, ce qui rajoute 10 à 20% de consommation au bilan intrinsèque déjà très mauvais des convecteurs et autres panneaux radiants haute température.

Quantité de convection naturelle générée par une surface chaude

Les courbes de la puissance convective naturelle sont tracées selon la formule de Mac Adams. Elles montrent l'évolution des flux convectifs en fonction de l'écart de température (delta T) entre la surface chauffante et l'air ambiant.

Evolution de la transmission de chaleur par convection naturelle :

Proportion de rayonnement des émetteurs de chauffage électrique

Le transfert de chaleur global est l'addition du transfert radiant et du transfert convectif.

Type d'émetteur	Température de surface	Part de rayonnement
Convecteur mural	...	5% à 10%
Panneau rayonnant ouvert	environ 300°C	15% à 25%
Radiateur basse température	moins de 90°C	35% à 45%
Plancher chauffant basse température	maxi 28 °C	environ 50%
Mur chauffant	environ 40 °C	environ 60% selon la surface
Plafond chauffant basse température	environ 40°C	70% à 80%
Panneau en verre à résistance surfacique, radiateurs à infrarouge lointains...	moins de 90°C	jusqu'à 90%selon les matériaux

En supposant qu'un chauffage ait un taux de convection nul, l'air serait cependant réchauffé par micro-convection au niveau des surfaces dont la température aura été élevée par le rayonnement. Cette convection secondaire douce est beaucoup mieux répartie dans l'espace, n'entraîne pas le déplacement des poussières et ne crée pas de gradient de température notable.

Par ailleurs, ce n'est pas la température de l'air qui donne la sensation de chaleur et de confort thermique, mais la température ressentie qui est la résultante de la températures radiante et de la température de l'air.