Confort et rayonnement : ce qu'il faut savoir

Deux échanges thermiques fondamentaux entre paroi et ambiance

1.1. La convection
La convection est liée au mouvement naturel de l’air qui s’échauffe ou se refroidit au contact de chaque paroi. Plus léger, l’air chaud s’élève pour être remplacé par de l’air moins chaud et plus lourd. C’est le mouvement de convection. Ce mouvement naturel et lent peut être accéléré par des émetteurs à convection : convecteur, ventilo-convecteur, radiateur, aérotherme, etc...

1.2. Le rayonnement thermique : un transporteur épatant
Le rayonnement thermique, c’est l’autre part fondamentale des échanges calorifiques de chaque paroi avec l’ambiance : la part rayonnée peut représenter entre 30% et 85% des échanges selon sa position de la paroi dans la pièce. Le rayonnement reçu par le corps le plus froid est absorbé. Il se réchauffe et rayonne à son tour. Malheureusement c’est la part ignorée et mal comprise par les professionnels et par le public.

• Pourtant...
Le soleil, malgré ses 150 millions de km de distance, est un bon exemple de chauffage par rayonnement. Le rayonnement qu’il émet chauffe la terre et c’est la terre qui chauffe l’air ! C’est pour cette raison qu’il fait plus froid en altitude que sur la terre.

Le rayonnement thermique est un transporteur de chaleur silencieux et efficace, quelle que soit la distance et quelle que soit la hauteur d’installation contrairement aux systèmes à air chaud qui sont vite pénalisés par la hauteur sous plafond. Il permet d’agir sur la température des parois pour les réchauffer en hiver et les refroidir en été pour le meilleur confort. A part le métal, tous les corps rayonnent du plus chaud vers le plus froid.

• Témoignage de chauffage par le plafond de locaux de très grande hauteur :
Pour ceux qui sont sceptiques sur l’efficacité du plafond rayonnant et pour ceux qui croient encore, à tord, que la chaleur monte... Hall Victor Paris, 27 m de hauteur chauffé par le plafond ! Nous avons participé à la rénovation du hall Victor porte de Versailles à Paris. Le plafond rayonnant a remplacé le chauffage à air pulsé. Il rayonne depuis plus de 20 ans à plus de 27 m de hauteur. Le sol est tempéré à 23°C pour une ambiance à 20°C !

2. Le confort thermique : un problème de refroidissement !

Le corps humain est une machine thermique complexe. Nous consommons de l’énergie même au repos. Comme beaucoup d’autres espèces à sang chaud, et contrairement aux reptiles, nous sommes des « chaudières ».

Nous consommons de l’énergie pour maintenir une température interne constante (homéothermie) même quand nous dormons ou sommes inactifs. Cette consommation augmente s’il fait froid ou si nous sommes en activité ou si nous ne sommes pas suffisamment couverts.

Notre corps doit compenser en permanence les échanges thermiques avec l’ambiance et quelle que soit notre activité et notre habillement.

2.1.1. Maintenir une température interne constante : un équilibre subtil
Pour que cette température reste constante, il faut que cette production de chaleur (environ 100 W au repos et jusqu’à 800 W quand nous faisons un sport violent) s’équilibre avec la perte ou le gain de chaleur dans notre environnement.

2.1.2. Les échanges thermiques avec notre environnement
Nos pertes de chaleur dépendent :
• De la température, de l’humidité, de la vitesse de l’air avec lequel nous échangeons par convection, respiration et évaporation ;
• De la température des parois avec lesquelles nous échangeons par rayonnement ;
• De la température du sol avec lequel nous échangeons par conduction.

Trop souvent négligée ou ignorée, la température des parois et du sol jouent pourtant un rôle fondamental dans cet équilibre subtil ; aussi bien en hiver qu’en été. Plutôt que d’agir sur la température d’air comme le font les systèmes convectifs, il est plus efficace et économique d’agir sur les températures des parois. Le rayonnement doux et diffus des émetteurs de grandes surfaces apportent une contribution majeure dans cette quête du confort absolu.

-Témoignage :
En hiver vous êtes installés, dehors, face au soleil sur la neige. La température d’air est en dessous de zéro et pourtant vous avez chaud. Le rayonnement du soleil direct et réfléchi par la neige compense les pertes de chaleur dues à de l’air froid.

2.1.3. Le thermomètre est un piètre étalon du confort
Le thermomètre ne prend en compte que la température d’air. Il ne « voit » pas la température de rayonnement. Il ne restitue donc pas une image fidèle de l’ambiance thermique.

2.1.4. Emetteurs rayonnants à « basse température » vers la neutralité thermique
Il existe différentes sources de chauffage par rayonnement. Du plus chaud, comme l’infra-rouge qu’on trouvait sur les terrasses de café, aux émetteurs de grande taille intégrés dans les parois.

Le chauffage à basse température désigne une paroi portée à une température très proche de la température superficielle du corps :
• 28°C pour le sol rayonnant qui correspond à la température de la voûte plantaire (limitée par le décret de 1978)
• 35°C pour le plafond rayonnant à 2,5 m de hauteur qui correspond à la température de la tête
Juste assez chauds pour compenser les besoins thermiques de la pièce, les émetteurs basse température sont moins chauds que la température superficielle de notre corps. Ils sont imperceptibles et bien sûr invisibles !

2.1.5. Les variables d’ajustement de cet équilibre
• En hiver, nos vêtements réduisent les pertes de chaleur dans un environnement froid lorsque celles-ci sont supérieures à la production interne du corps (métabolisme).
• La « chair de poule » est une autre façon de lutter contre un déséquilibre thermique. Cette fois, c’est la résistance thermique de la peau qui augmente en logeant des petites bulles d’air à la racine des poils.

Si on a froid, on peut aussi augmenter notre production de chaleur interne :

• En « sautant à la corde » ;
• Le frissonnement, le tremblement (greloter) sont des réactions physiologiques qui augmentent, sans mouvement apparent, l’activité thermique en tétanisant tous les muscles ;
• Enfin, l’éternuement est une manifestation très intense et violente qui permet de lutter contre le froid. On estime que la puissance libérée lors d’un éternuement est de 1.200 W ! En été, l’évaporation et la sudation sont les autres variables d’ajustement de cet équilibre ;
• La sudation et l’évaporation assureront, dans certaines limites, l’équilibre thermique dans un environnement chaud ;
• La sueur, en s’évaporant, refroidit la peau et réduit la température interne.

3. Contribution des émetteurs dans la RT 2012 puis RE 2020

Les exigences règlementaires des RT2012 puis RE2020 ont réduit les besoins thermiques et valorisent les émissions de chaque système de chauffage : variation temporelle, variation spatiale, composante radiative des émetteurs. Elles favorisent les émetteurs rayonnants à basse température comme le sol et le plafond rayonnants.

• La variation spatiale
Ci-dessous, un exemple de variation spatiale de 3 systèmes de chauffage.

Les planchers et plafonds rayonnants présentent une variation spatiale très homogène, contrairement au radiateur mural, plus chaud lorsqu’on s’en approche.
• La variation temporelle : une régulation précise est assurée dans chaque pièce par des thermostats certifiés (valeur du coefficient d’aptitude CA selon Eubac).
• La composante radiative : parmi tous les émetteurs, ce sont les planchers et les plafonds qui rayonnent le plus.
• La basse température est également valorisée dans le calcul règlementaire du CEP, par un meilleur coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur.

3.1.1. L’inertie de la source augmente la consommation
« Une voiture lourde consomme toujours plus d’énergie qu’une voiture légère. »
• Que ce soit en mode chauffant comme en mode rafraîchi, il est préférable de choisir des émetteurs peu inertes. Ils permettront de mieux prendre en compte les apports gratuits pièce par pièce et ils permettront de réduire les températures pendant les heures d’absence sans réduire le confort.

L'évolution des planchers chauffants pendant les 60 dernières années...

3.1.2. Le plancher chauffant, il y a plus de 60 ans
Le chauffage par le sol était intégré dans les dalles des bâtiments. La puissance installée était très élevée pour couvrir les besoins thermiques des bâtiments insuffisamment isolés. La température des sols était trop élevée, incompatible avec les exigences physiologiques. Ce qui a conduit à une mauvaise image de marque du plancher chauffant et à la publication du décret de juillet 1978 limitant la température du sol à moins de 28°C. Il fallait 3 jours pour remonter en température !

3.1.3. Il y a 40 ans, les chapes flottantes à basse température
Alors est né le plancher rayonnant à « basse température ». L’émetteur était enrobé dans une chape flottante de quelques 5 centimètres d’épaisseur seulement, reposant sur un isolant thermique. Il faut quand même 5 heures pour remonter la température ! Dans des bâtiments bien isolés, cette inertie peut conduire les occupants à ouvrir les fenêtres au mois de janvier !

3.1.4. Aujourd’hui, les chapes sèches rayonnantes sans inertie
Heureusement, le marché s’oriente vers les chapes sèches rayonnantes. Les occupants peuvent ainsi piloter leur système thermique pièce par pièce et non plus par zone. Ceux qui le souhaitent peuvent aussi rafraîchir leur locaux. C'est un système peu inerte pour une plus grande flexibilité et une meilleure prise en compte des apports gratuits.

Les planchers rayonnants sont de plus en plus réalisés « en surface ». L’émetteur est directement placé sous le revêtement de sol. Sans inertie, cela permet d’adapter avec précision la température selon la présence ou pas des occupants grâce à une régulation pièce par pièce. Moins d’une heure est nécessaire pour remonter la température.

• Le plancher rayonnant en filière sèche permet de mieux isoler les sols, surtout en rénovation : + d’isolant = moins de béton.
• Il supprime le temps de séchage avant la pose du revêtement de sol.
• Dix fois plus léger qu’un plancher sur chape flottante, c’est LA solution pour la rénovation ou pour réaliser un plancher rayonnant dans la filière bois.
• Le plancher rayonnant hydraulique sans inertie s’ouvre ainsi au rafraîchissement.
• Le plancher rayonnant en chape sèche permet de réduire d’à peu près 10% l’impact carbone par rapport à l’ancien plancher rayonnant en chape flottante.

3.1.5. Le plafond rayonnant
Le plafond rayonnant offre en hiver les mêmes avantages que le plancher rayonnant en filière sèche. En été, il est presque 3 fois plus efficace que le plancher rayonnant pour refroidir les bâtiments. Il trouve tout naturellement sa place lorsque les occupants veulent le confort d’un sol douillet en hiver et un rafraîchissement statique très puissant en été.

4. Conclusion : l’avenir des parois rayonnantes

Les planchers ou plafonds rayonnants apportent le meilleur confort en hiver comme en été grâce à la composante radiative.

• La température est parfaitement répartie : pas de point chaud ni de point froid ;
• L’air n’est pas déplacé : il n’y a pas de poussière déplacée ni carbonisée, ni de bruit ;
• Le sol en filière sèche et le plafond offrent tous les deux une régulation très précise dans chaque pièce, connectée via la box, à un smartphone ;
• Il n’y a aucun entretien à prévoir sur les émetteurs. La plupart du temps ils sont garantis à vie ;
• Les planchers et plafonds rayonnants hydrauliques sont réversibles. Ils rafraîchissent efficacement les logements ;
• Si on souhaite refroidir avec la même efficacité qu’une climatisation, mais sans ses contraintes, c’est le plafond qui prend la plus haute place sur le podium !
• Dans tous les cas, l’espace est libéré de toutes les contraintes d’aménagement.

4.1.1. Le « coin » des thermiciens
La clé du confort absolu, c’est de rechercher la neutralité thermique en été comme en hiver et sans dégrader la qualité d’air ni le confort acoustique !

• Les unités de confort thermique : la norme européenne NF EN ISO 7730 définit les règles de confort et les unités dans toutes les ambiances ;
• Le Met (métabolisme) dépend de l’activité physique des occupants. Exemple : Met = 1 au repos ;
• Le Clo (Cloth = habit) caractérise le niveau d’habillement. Exemple : Clo = 1 ; sous-vêtement, chemise, pantalon ;
• Paramètres sur l’air : Tair = Température d’air, HR = humidité relative ;
• Va = déplacement de l’air ;
• Température des parois : Trad = Température de rayonnement ;
• Température résultante : Tres = (Tair + Trad) / 2 ;
• Température opérative ou température ressentie : TOP = elle dépend, en plus des valeurs précédentes, de l’activité (Met) et de l’habillement (Clo).

Exemple :
• Le besoin en température opérative TOP pour le lecteur est de 21°C environ (Activité = 1 Met ; Habillement = 1 Clo) ;
• Qui peut être obtenue avec une température de rayonnement Trad = 23°C et une température d’air Tair = 19°C.