Cas utilisateurs

Les merveilles insoupçonnées du rayonnement thermique pour le chauffage, le refroidissement et la fonte de la neige

Les ingénieurs de Viega utilisent des applications de simulation pour partager leurs résultats de modélisation par éléments finis avec leurs clients. Ces applications de simulation constituent ainsi un outil apprécié dans la conception de systèmes de chauffage et de refroidissement par rayonnement pour des applications résidentielles et commerciales.

Par Nicolas Huc
Juillet 2019

Imaginez la course contre la montre à laquelle sont confrontés quotidiennement les urgentistes, ainsi que la frénésie, le stress, l'adrénaline et le rush qu'engendre la conduite d'une ambulance ou d'un hélicoptère de secours. Imaginez maintenant le secouriste qui arrive sur les lieux au beau milieu de l'hiver et qui découvre que la zone d'atterrissage de l'hélicoptère est couverte de glace et de neige. Avec des contraintes de temps aussi intenses, cette zone peut-elle être déblayée assez rapidement ? Qu'en est-il des véhicules d'urgence qui glissent sur la glace ? Est-il judicieux de prendre le risque d'être à la merci de ces conditions arctiques avec des enjeux aussi importants ?

Heureusement, il existe une technologie qui permet de se prémunir contre ces problèmes, et qui s’utilise de plus en plus : les systèmes hydroniques (eau chaude) pour la fonte de la neige. Une conduite encastrée dans une masse à forte inertie thermique (généralement du béton) permet à l'eau chaude de circuler dans toute la zone où la neige doit fondre. Dans une situation d'urgence, le système, lorsqu'il est bien conçu, prévient l'accumulation de glace et de neige, ce qui évite d'avoir à déblayer manuellement la zone.

Pour des applications de chauffage ou de refroidissement, les planchers rayonnants utilisent une tuyauterie similaire pour contrôler la température et le confort de l'espace, en régulant le débit et la température de l'eau circulant dans les tuyaux installés dans le sol (Figure 2).

Viega, une entreprise qui conçoit et fabrique des systèmes de chauffage par rayonnement, parvient à résoudre les situations où des méthodes spéciales de contrôle de la température sont nécessaires.

Systèmes de plancher rayonnant

Bien qu'ils existent sous diverses formes depuis l'Empire romain, les systèmes rayonnants s'avèrent particulièrement utiles à notre époque, tant pour des applications commerciales que résidentielles. Le chauffage rayonnant est utilisé non seulement pour le réchauffement du sol, mais aussi pour contrôler la température d'une pièce. Lorsque le plancher est maintenu à une température élevée, il dégage un rayonnement thermique dans la pièce. Ce rayonnement sera absorbé uniquement par des surfaces opaques, c'est-à-dire qu'il sera absorbé par notre corps (mais pas par l'air), créant ainsi une sensation de chaleur.

Le travail de Viega consiste à concevoir un réseau de tuyaux spécifique selon le projet. Ensuite, les conduites sont posées sous le sol dans un système de panneaux. L'eau chaude (ou l'eau froide pour du refroidissement) traverse les tubes et chauffe le matériau environnant. La surface supérieure du plancher émet ensuite de la chaleur dans la pièce. C'est comme lorsque vous passez d'un endroit ombragé à un endroit ensoleillé ; bien que la température de l'air soit la même, votre peau est beaucoup plus chaude en raison de l'absorption du rayonnement thermique. Les tubes sont réalisés en polyéthylène réticulé à haute densité (connu sous le nom de PEX). Les avantages de la réticulation sont doubles : elle permet de résister à des températures et des pressions plus élevées et augmente la résistance à la fissuration sous contrainte. Ces tubes sont soumis à des tests rigoureux, qui respectent les normes de température et de pression, les rayons de courbure minimums et l'épaisseur des parois des tubes.

La récente prise de conscience environnementale et la recherche d’efficacité énergétique dans le domaine de la conception des bâtiments a fortement contribué à la notoriété du chauffage par rayonnement. Les systèmes de chauffage rayonnant conviennent assez bien aux chaudières modernes à haut rendement, car l’air n’y circule pas et la température de l’eau utilisée est plus basse qu’avec un système de plinthes (46,1°C contre 82,2°C). Les consommations énergétiques sont ainsi optimisées. La température de l'eau dans les tuyaux de distribution est simplement contrôlée par l'ouverture et la fermeture des vannes et produit même une température plus constante dans la pièce.

Conception du système

Brett Austin, responsable de la conception du chauffage et de la climatisation chez Viega, utilise le logiciel COMSOL Multiphysics® pour concevoir un système adapté aux besoins de ses clients. “COMSOL® complète notre programme de conception et d'aménagement de chauffage et de climatisation,” explique M. Austin. “Nous dessinons l'agencement sur des plans, le transférons dans COMSOL®, et le partageons éventuellement avec les clients. La simulation nous permet de fournir des données sur lesquelles nous pouvons nous appuyer pour nos conceptions.” Lorsqu'un projet est proposé à Viega, un ingénieur mécanicien du chantier établit les besoins de chauffage et de refroidissement, les caractéristiques de structure, les matériaux de revêtement du sol et, en général, un intervalle de températures acceptable pour l'eau. La simulation est ensuite utilisée pour déterminer l'emplacement et l'espacement des tubes, la répartition des températures (Figure 3) et la capacité de chauffage ou de refroidissement. Ceci afin de s'assurer que les besoins des clients sont satisfaits. "COMSOL est d’abord utile pour des applications non standards où il y a des sorties multidirectionnelles ou des structures complexes,” explique M. Austin.

Viega bénéficie pleinement des simulations multiphysiques, au travers des applications de simulation et de COMSOL Server™, pour partager ces dernières avec ses clients. Lorsque Viega rencontre des clients potentiels, elle peut démonter l’efficacité de son système en ajustant rapidement les paramètres, comme la température de l'eau ou le diamètre des tuyaux, et afficher le rendement du système de chauffage ou de refroidissement. “Les clients ont souvent de nombreuses questions impliquant de multiples itérations,” explique M. Austin. “Mais les applications de simulation nous permettent d'aller au-delà de ces questions et de leur offrir un formidable support de visualisation. C'est un excellent outil qui nous permet de partager des données depuis notre bureau et ceci partout dans le monde.”

ARTIC

Dans des environnements comme la Californie du Sud, le rafraîchissement apporte plus de confort que le chauffage. C'est pourquoi le Centre Intermodal des Transports Régionaux d'Anaheim (Anaheim Regional Transportation Intermodal Center - ARTIC, Figure 4) a fait appel à Viega pour installer un système de refroidissement par rayonnement. En raison de la taille importante du bâtiment, un système de circulation d'air par ventilation aurait été très difficile à réaliser et très coûteux. Pour ce projet, l'équipe a dû modéliser de petites sections de revêtement de sol et extrapoler les données à l'ensemble du réseau. Ce scénario, a cependant connu quelques difficultés et a demandé à Austin de faire preuve d’un certain sens de l’équilibre. Tout d'abord, en raison de la structure en forme de dôme et de l'espace vitré important (Figure 5), les apports solaires étaient anormalement élevés, ce qui a augmenté la puissance de chauffage du bâtiment. La puissance frigorifique devait donc être très élevée pour contrebalancer ce phénomène. De plus, en raison des contraintes imposées par les ingénieurs d'ARTIC, la température de l'eau dans les tubes devait être beaucoup plus basse que dans les systèmes de refroidissement habituels (10°C contre 14.4°C). Enfin, les températures approchaient le seuil de rosée à la surface du plancher dans certains endroits où les tubes étaient très rapprochés. ARTIC pensait que ce phénomène de condensation était un problème pour le projet mais la modélisation par Viega a permis de rassurer son client.

Grâce à COMSOL Multiphysics®, ils ont pu déterminer comment empêcher la condensation en installant une couche mince d'isolant autour de la conduite. “Avec l’ingénieur sur place, nous avons trouvé une solution pour ajouter une couche d'isolation sur le dessus de la tuyauterie d'alimentation afin de réduire légèrement les échanges,” explique M. Austin. “Ça semble paradoxal, mais dans ce cas, ça empêche la condensation dans les zones où les tuyaux étaient très rapprochés en raison des contraintes de construction.” Dans le cadre d’un autre projet, Viega a utilisé COMSOL® pour effectuer des simulations temporelles afin d'élaborer une stratégie de contrôle où les dalles du plancher sont refroidies pendant la nuit pour économiser l’énergie. L'eau froide coule toute la nuit, refroidissant le béton à faible température. Le matin, l'eau est coupée et la température du sol reste fraîche pour le reste de la journée. Ceci contribue fortement à la réduction de la puissance nécessaire pour le refroidissement. La simulation a été utilisée pour savoir combien de temps la puissance de refroidissement se maintient tout au long de la journée et si c'est une stratégie pertinente.

Sun Valley Ski Resort

Bien que les systèmes de fonte de la neige constituent des éléments de sécurité essentiels pour les entrées des urgences et les héliports, ils sont également utilisés à l’opposé dans le secteur du luxe. Les stations de ski haut de gamme accordent une importance extrême à la sécurité de leurs clients, et un système sophistiqué et fiable de fonte de la neige est essentiel dans leurs activités. Dans un système de fonte de la neige, le sol est maintenu à une température suffisamment chaude pour faire fondre la neige et la glace en continu.

Lorsque la station de ski de Sun Valley, situé à Ketchum, dans l'Idaho, a sollicité Viega, Austin a vite saisi l'ampleur de la tâche à entreprendre. La station de ski voulait installer un système de fonte de la neige rayonnant dans toute la station, ce qui équivaut à plus de 60 000 m² de zones de passage et d'allées. Pour mener à bien un projet d'une telle envergure en utilisant la simulation, Austin et son équipe ont dû modéliser des sections du réseau. “Heureusement, des panneaux similaires sont utilisés dans la plupart des configurations,” explique-t-il. “Nous avons utilisé notre programme interne pour dessiner une section au format CAO. Ensuite, nous en avons repris une petite partie dans le logiciel, nous avons défini les propriétés du panneau rayonnant et la température de l'eau, puis nous avons lancé la simulation.” Les applications de simulation ont permis de présenter les résultats aux représentants de Sun Valley de façon transparente et ont joué un rôle majeur dans l’aboutissement de ce projet.

La station de ski de Sun Valley a énormément bénéficié de la conception et des installations de Viega. Tous les sentiers et toutes les zones à forte circulation piétonnière étaient concernés (Figure 6). Comme il n'était pas toujours possible de déneiger ou de pelleter ces zones, une autre méthode de déneigement était nécessaire. Un tel système de fonte des neiges permet de minimiser le nettoyage, réduit l'entretien et contribue à une apparence professionnelle puisqu'il n'y a pas besoin de sel ou de produits chimiques. Plus important encore, il ajoute un niveau de sécurité supplémentaire et réduit la responsabilité de la station.

Poursuivre avec COMSOL Server™

COMSOL Server™ a fourni une solution efficace pour coupler le bureau d’étude de Viega avec son équipe commerciale. “COMSOL® apporte beaucoup de valeur ajoutée à notre travail et permet d’étendre les outils de modélisation par éléments finis à notre équipe de vente,” explique M. Austin. “C'était très intuitif et facile à utiliser et nous prévoyons dans le futur d'utiliser plus d'interfaces physiques couplées pour augmenter nos capacités de modélisation.”