Le Plafond Rayonnant - Principe

Transferts de Chaleur

Les échanges thermiques sont dus à une différence de température entre deux éléments. Ils peuvent avoir lieu selon trois modes :
- par rayonnement entre deux surfaces en regard
- par convection entre l’air et la surface d’un corps (corps humain, paroi)
- par conduction entre deux corps en contact ou à l’intérieur d’un corps
Les échanges entre une personne et un local chauffé/climatisé se font essentiellement par convection et rayonnement. Les échanges conductifs prédominent quant à eux dans le stockage de l’énergie et la mise en température de la surface émettrice.

Convection :

La convection est l’échange d’énergie par circulation d’air. Elle peut être naturelle (l’air chaud monte, il y a donc une circulation d’air spontanée entre une personne et un mur ou un plafond froid) ou forcée (ventilation).
Les systèmes de climatisation traditionnels se basent sur le transfert par convection, d’où la sensation de courant d’air et une forte consommation d’énergie. En effet, il faut d’une part refroidir une masse d’air mais également la mettre en circulation.

Rayonnement :

Tout corps émet un rayonnement, d’une puissance P=σεST⁴, où σ est une constante, S la surface du corps, ε son émissivité (dépend du matériau) et T sa température absolue (= T en °C + 273.15). Tout corps absorbe également les rayonnements émis autour de lui, de telle sorte que deux corps à température différente échangent de l’énergie, du corps chaud vers le corps froid.
Cet échange est spontané et ne nécessite aucun support : le rayonnement peut se transmettre dans le vide, c’est d’ailleurs ainsi que nous vient la chaleur du soleil.
Dans le cas d’un plafond rayonnant, l’échange se fait directement entre le plafond et les occupants. Il n’y a donc pas lieu de refroidir l’air ni de le mettre en circulation, ce qui représente une forte économie d’énergie.

Plafond Chaud : Emet plus qu'il ne recoit → Emission de Chaleur	Plafond Froid : Recoit plus qu'il n'emet → Absorbtion de Chaleu

Convection + rayonnement :

Concrètement, les deux phénomènes se conjuguent.
La performance totale d’une installation résulte de l’addition du rayonnement du plafond (environ 80% de la puissance), de la convection naturelle et de la convection liée au système de renouvellement d’air.

Diffusion du rayonnement, hauteur de plafond :

Le rayonnement s’effectue dans toutes les directions et est réfléchi ou absorbé par les parois mais pas par l’air. Ainsi dans une pièce avec une hauteur de plafond importante, la sensation de chauffage ou de rafraîchissement est identique à celle perçue dans une pièce de 2.50 m de haut.
De la même manière, le confort est similaire en position debout ou assise.

Plafond ou plancher ?

Les 2 systèmes présentent l’avantage de disposer d’émetteurs intégrés.
Bien que le plancher chauffant soit tout à fait performant en mode chaud, on lui préfèrera le principe du plafond pour les raisons suivantes :
- Le plafond rayonnant est plus performant en mode froid (demande moins d’énergie pour le même résultat). C’est en partie dû aux mouvements d’air chaud ascendants (convection naturelle).
- Le plancher chauffant/rafraîchissant est limité dans sa température puisqu’il est en contact direct avec les occupants : en été on doit avoir une température de surface T > 18°C (réglementation) ou plutôt T > 20-21 °C (confort). En comparaison, la surface d’un plafond peut facilement descendre à 16°C, ce qui augmente largement sa puissance. Le même raisonnement est aussi valable en mode chauffage.
- Le plafond permet d’exploiter toute la surface du plafond, au contraire d’un plancher dont les meubles réduisent la surface efficace.

Circuit hydraulique

Circuit fermé

Les plafonds sont alimentés par de l'eau de ville, qui circule en circuit fermé.

Afin d'éviter la formation de boues, en particulier dans le cas des nattes capillaires, nous préconisons l'emploi d'éléments en matiériaux inoxydables (cuivre, inox, matières plastiques) et d'éviter fonte ou acier noir.
De cette manière, aucun traitement de l'eau n'est nécessaire.

Stations hydrauliques

L'eau chaude/froide est produite par une source quelconque : pompe à chaleur, panneau solaire, géothermie, etc. Tout les systèmes sont compatibles.
Cette source, appelée Primaire, fournit de l'eau à une température donnée.

La station hydraulique se compose essentiellement d'une pompe et d'un échangeur. Cet échangeur permet de passer du régime d'eau Primaire (donné par la source d'energie) au régime d'eau secondaire (pour le fonctionnement des plafonds).

Systèmes 2, 3, 4 tubes

Afin de pouvoir fonctionner en chaud ou en froid, 3 montages sont possibles.

Le système 2 tubes Les plafonds sont alimentés soit en chaud, soit en froid avec un tube aller et un tube retour. L'échangeur est dimensionné pour être adapté à la fois au régime chaud et au régime froid. Le système 2 tube est le plus simple. Il est suffisant si les locaux ont des besoins similaires.

Le système 3 tubes Ce système permet d'alimenter simultanément certaines zones en chaud et d'autres en froid, avec 2 circuits aller et un retour mélangé. Le systmèe comporte une seule pompe et deux échangeurs. Le système 3 tubes permet de bien répondre à des besoins différenctiés en demi-saison.

Le système 4 tubes Ce système permet de chauffer et raffraichir simultanément avec 2 tubes aller et 2 tubes retour. Le système comporte 2 pompes et 2 échangeurs. Le système 4 tubes est intéressant si les besoins sont très variables d'une pièce à l'autre.

Régulation

La régulation KaRo

Le régime d'eau est défini pour fournir une puissance de chauffage ou de raffraichissement maximale. Il est ajusté en fonction de la température extérieure.

La régulation se fait ensuite grace aux thermostats Tauka. Ces thermostats commandent les vannes qui ouvrent ou ferment le circuit d'eau. Il y a un thermostat par zone indépendante.
Chaque zone recoit ainsi une puissance différente, en fonction de la demande (température de consigne) et des besoins (apports et déperditions).

Afin d'éviter la condensation, on installe les sondes de point de rosée Tauke. Ces sondes coupent le circuit en cas de condensation.

De la même manière, des contacts de feuillure peuvent être connectés aux thermostats, afin de couper la circulation d'eau en cas d'ouverture de fenêtre.

La modularité

La régulation indépendante permet de définir des zones modulaires, redécoupable. 1. Cas des bacs métalliques Ce système offre le maximum de modularité, chaque bac étant indépendant. 2. Cas des nattes sous plâtre Les nattes sont en général déroulées depuis le mur vers le couloir, ou inversement. Des trames sont ainsi définies, et un redécoupage des locaux est possible, trame par trame. 3. Cas des prédalles thermoactives Ici chaque prédalle définit un module indépendant. Il est donc important de prendre ceci en compte lors du calepinage des prédalles. Notez qu'il est toujours possible d'implanter plusieurs circuits indépendants par prédalle, mais cette implantation est également définitive.
	Zone active = 2 trames
	Zone active = 3 trames

Consumo

La radicación, un sistema naturalmente ahorrador

En un sistema de calefacción o de climatización por radiación, la energía se intercambia entre dos superficies a temperaturas diferentes. Esto quiere decir que el calor se transmite directamente del techo al ocupante sin que sea necesario calentar o enfriar el ambiente . De esta manera, tomamos el ejemplo de un techo frio: siempre tendremos la misma sensación de frescor con una temperatura del aire de alrededor de 1.5°C más alta. Es lo que llamamos la temperatura percibida. Este principio solamente representa un ahorro de energía de alrededor de 15 %

El agua, un excelente fluido caloportador

El agua es un fluido caloportador 1000 veces más eficaz que el aire. De esta forma, el volumen a desplazar es mucho más débil, comparado con los sistemas basados en el soplado del aire (caliente o frio) . Este punto juega un gran papel en el dimensionamiento de bombas y, por tanto, en su consumo eléctrico sin contar con las demás ventajas (ruido, mantenimiento,…)

Una superficie emisora más grande

La explotación de una gran superficie emisora permite utilizar el agua a temperatura más moderada (es decir, menos caliente en verano y menos fría en invierno). Este punto es muy crítico, sobre todo en modo enfriamiento. En efecto, las fuentes de agua fría sufren casi todas de un rendimiento bastante malo, y este rendimiento es aún más débil, cuando el agua es fría. Es por tanto mucho más económico enfriar con agua  a 16°C (caso de un techo frio) que con agua a  8°C (caso de un ventilo-convector).

Todas estas ventajas hacen que una instalación de techo radiante consuma globalmente 2 veces menos que una climatización tradicional.

A esto se añade igualmente un mantenimiento extremamente reducido que se limita a las únicas bombas de circulación y a los termostatos. Estos ahorros fueron medidos por numerosos estudios independientes.

Energies renouvellables

Compatible avec toutes les énergies.

Toutes les energies renouvelables sont compatibles avec notre systeme. Il suffit en effet de produire de l'eau chaude ou froide, avec des températures modérées. On peut ainsi utiliser l'énergie solaire, les pompes à chaleur, la géothermie ou encore l'energie de la mer.

A notez que si nous encourageons l'emploi d'énergies renouvelables, les sources traditionelles (gaz, fuel, etc.) fonctionnent également.

Il est d'ailleurs possible de changer de source d'energie au fil des années. Par exemple, dans un premier temps alimenter les plafonds par une chaudière à gaz, puis un jour remplacer cette chaudière par un système plus écologique.

Meilleur COP pour les Pompes à Chaleur

Les pompes à chaleur sont particulièrement bien adaptées aux plafonds rayonnants. En efffet, les régimes d'eau employés permettent de les utiliser avec une efficacité nettement supérieure.
Le coefficient de performance (COP) d'une pompe à chaleur est globalement proportionnel à ce rapport : T_eau / (T_chaud - T_froid). Ce qui veut dire que le COP est d'autant plus grand que la différence de température est faible entre la source chaude et la source froide.

On peut considérer les exemples suivants :

Ceci n'est qu'une estimation, le COP effectif doit être calculé par le fournisseur de la pompe à chaleur. Néanmoins, on constate toujours une meilleure efficacité dans les régimes d'eau "modérés" adaptés aux plafonds rayonnants.

Panneaux Solaires Thermiques

Les panneaux solaires thermiques sont également bien adaptés aux plafonds chauffants. Il est en effet difficile d'utiliser un panneau solaire pour produire de l'eau à haute température (50-80°C), ce qui limite leur usage. Le chauffe eau solaire est le plus souvent associé à un deuxième système qui permet de produire cette eau chaude en cas d'ensoleillement insuffisant.

Le régime d'eau modéré pour les plafonds rayonnant résoud ce problème et permet un usage permanent du panneau solaire comme seul source d'eau chaude.

KaRo Solar commercialise d'ailleurs des panneaux solaires thermiques de marque Edwards. N'hésitez pas à nous demander plus d'informations.

Froid Solaire

Faire du froid grace au soleil est désormais possible ! Ainsi est atteint l'objectif de chauffer et de climatiser en utilisant uniquement l'energie solaire.

A noter que si le chauffage solaire est aujourd'hui relativement simple, le froid solaire est quant à lui plus complexe.
On utilise pour cela une machine à absorbtion couplée à un panneau solaire thermique classique. La machine à absorbtion ainsi alimentée par de l'eau chaude produit du froid en exploitant la chaleur latente d'évaporation.

Les systèmes de froid solaire ont déja été mis en place à titre expérimental au CSTB, et la technique prend son essor, essentiellement en Allemagne mais également en France.

KaRo Solar suit de près cette innovation, et peut vous conseiller sur ce sujet

Free Cooling

Un bâtiment bien conçu peut être utlisé pour stocker de l'energie, et la restituer plus tard. On exploite dans ce cas la forte inertie thermique du béton.

Ce principe peut être utilisé lorsque l'emmeteur est directement lié à la dalle, comme dans le cas de la prédalle thermoactive ou des nattes sous enduit platre.

Ex. : fonctionnement en été Nuit : La pièce est ventilée : la dalle se refroidit grâce à la fraicheur nocturne. → Température de la dalle au matin : Tmatin ≈ Textérieure Jour : La pièce est  isolée : la dalle froide absorbe la chaleur émise par les occupants. → Température de la dalle au soir : Tsoir ≈ Tambiante ΔT = Tsoir – Tmatin Bilan : la dalle a absorbé gratuitement une energie proportionnelle à ce ΔT. Exploiter l'inertie en hiver En hiver le principe est similaire : on chauffe la nuit pendant les heures creuses pour charger la dalle, qui emettra pendant la journée. Dans ce cas l'energie n'est pas gratuite, mais moins chère, puisque prise dans les heures creuses.

D'une manière générale, exploiter l'inertie permet de réduire les pics de chaleur, et de limiter fortement les besoins du bâtiment.

Dans le cas d'un plafond actif, les tubes (ou nattes) placés juste sous la dalle permettent d'aller puiser cette energie, et de profiter encore plus efficacement de l'inertie du bâtiment.