Thermodynamique et transfert thermique

Chapitre 1 : Thermodynamique et transfert thermique

Ce chapitre situe thermodynamique et transfert thermique dans le travail quotidien du technicien en chauffage-climatisation : thermodynamique appliquée aux bâtiments, bilans d'énergie, psychrométrie et charges de chauffage/climatisation. L'objectif est de relier les principes aux relevés de terrain, au dimensionnement, à la mise en service et au diagnostic, afin que chaque intervention soit sécuritaire, mesurable et conforme aux exigences québécoises. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Notions fondamentales de la thermodynamique » et « Les modes de transfert thermique », puis des sous-thèmes associés.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de ce chapitre, tu seras en mesure de :

Section 1 : Notions fondamentales de la thermodynamique

Cette partie encadre notions fondamentales de la thermodynamique sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Qu'est-ce que la thermodynamique ? » et « Les grandeurs thermodynamiques essentielles », puis des sous-thèmes associés.

1.1 Qu'est-ce que la thermodynamique ?

La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les transformations de l'énergie, plus particulièrement les échanges de chaleur et de travail entre un système et son environnement. Dans le domaine du bâtiment, elle est essentielle pour comprendre comment l'énergie thermique se déplace et comment on peut la contrôler pour assurer le confort des occupants.

Un système thermodynamique est une portion de l'univers que l'on isole pour l'étudier. On distingue trois types de systèmes :

1.2 Les grandeurs thermodynamiques essentielles

Cette partie encadre les grandeurs thermodynamiques essentielles sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « La température » et « La pression », puis des sous-thèmes associés.

La température

La température mesure le degré d'agitation moléculaire d'une substance. Au Québec, on utilise principalement :

Formule de conversion :

T(K) = T(°C) + 273,15

Exemple concret :

Une température extérieure de -25°C en hiver québécois correspond à :

T = -25 + 273,15 = 248,15 K

La pression

La pression est la force exercée par unité de surface. Dans les métiers du bâtiment, on rencontre :

Conversions utiles :

1 atmosphère = 101,325 kPa = 14,7 psi = 406,8 po H₂O

1 kPa = 0,145 psi

L'énergie et la chaleur

L'énergie thermique se mesure en joules (J) ou en kilojoules (kJ). Dans le domaine du chauffage, on utilise aussi :

Conversions :

1 BTU = 1055 J

1 kWh = 3600 kJ = 3412 BTU

1 calorie = 4,184 J

1.3 Les lois fondamentales de la thermodynamique

Cette partie encadre les lois fondamentales de la thermodynamique sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Première loi : conservation de l'énergie » et « Deuxième loi : sens des transformations », puis des sous-thèmes associés.

Première loi : conservation de l'énergie

L'énergie ne se crée pas et ne se détruit pas, elle se transforme. Dans un système, la variation d'énergie interne (ΔU) est égale à la chaleur ajoutée (Q) moins le travail fourni (W) :

ΔU = Q - W

Application pratique :

Quand tu allumes une fournaise au gaz, l'énergie chimique du gaz se transforme en chaleur. Si la fournaise a un rendement de 92%, cela signifie que 92% de l'énergie du gaz est transformée en chaleur utile et 8% est perdue dans les gaz de combustion.

Deuxième loi : sens des transformations

La chaleur se déplace naturellement d'un corps chaud vers un corps froid. Pour inverser ce mouvement (comme dans un réfrigérateur ou une thermopompe), il faut fournir du travail.

Conséquence importante : Aucun système ne peut avoir un rendement de 100%. Il y a toujours des pertes.

Troisième loi : zéro absolu

Il est impossible d'atteindre le zéro absolu (0 K ou -273,15°C). Plus on s'en approche, plus il est difficile d'extraire de la chaleur.

Section 2 : Les modes de transfert thermique

2.1 La conduction thermique

La conduction est le transfert de chaleur à travers un matériau sans déplacement de matière. Les molécules plus énergétiques transmettent leur vibration aux molécules voisines.

Loi de Fourier

Le flux de chaleur par conduction est proportionnel à :

Q = k × A × ΔT / d

Où :

Conductivité thermique des matériaux courants

Conseil pratique : Plus la conductivité est faible, meilleur est l'isolant. Les matériaux comme la laine minérale ou le polyuréthane emprisonnent de l'air, ce qui réduit la conduction.

Résistance thermique (R)

La résistance thermique mesure la capacité d'un matériau à s'opposer au passage de la chaleur :

R = d / k

Où R est en m²·K/W.

Exemple : Un mur de brique de 20 cm d'épaisseur :

R = 0,20 / 0,7 = 0,286 m²·K/W

Pour un mur isolé avec 15 cm de laine de roche :

R = 0,15 / 0,040 = 3,75 m²·K/W

Note importante pour l'examen : Au Québec, les exigences du Code de construction (chapitre 1.1) imposent des valeurs de R minimales selon les zones climatiques. Pour la zone 7 (la plus froide, qui inclut la majorité du Québec habité), les murs doivent avoir un R d'au moins R-24 (en unités impériales) ou 4,2 m²·K/W.

2.2 La convection thermique

La convection est le transfert de chaleur par déplacement d'un fluide (air ou liquide). On distingue :

Coefficient de convection (h)

Le flux de chaleur par convection s'exprime par :

Q = h × A × ΔT

Où :

Valeurs typiques de h :

Exemple concret :

Un radiateur mural de 2 m² avec une surface à 60°C dans une pièce à 20°C. En convection naturelle (h ≈ 10 W/m²·K) :

Q = 10 × 2 × (60 - 20) = 800 W

Si on ajoute un ventilateur (convection forcée, h ≈ 50 W/m²·K) :

Q = 50 × 2 × 40 = 4000 W

C'est pourquoi les plinthes électriques avec ventilateur (convecteurs) chauffent plus rapidement.

Application dans les systèmes de ventilation

Dans les conduits de ventilation, la convection forcée est omniprésente. Le débit d'air et la différence de température déterminent la puissance transportée :

Q = ṁ × Cp × ΔT

Où :

Formule pratique pour l'air :

Q (kW) = 1,2 × Débit (m³/s) × ΔT (°C)

Exemple : Une fournaise qui chauffe 0,5 m³/s d'air de 20°C à 55°C :

Q = 1,2 × 0,5 × (55 - 20) = 21 kW

2.3 Le rayonnement thermique

Le rayonnement est le transfert de chaleur par ondes électromagnétiques. Contrairement à la conduction et la convection, il ne nécessite pas de support matériel. Tous les corps émettent du rayonnement en fonction de leur température.

Loi de Stefan-Boltzmann

Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)

Où :

Émissivité de matériaux courants :

Exemple : Un plancher chauffant radiant à 28°C (301 K) dans une pièce dont les murs sont à 18°C (291 K). Surface de 20 m² avec émissivité de 0,9 :

Q = 0,9 × 5,67×10⁻⁸ × 20 × (301⁴ - 291⁴)

Q = 0,9 × 5,67×10⁻⁸ × 20 × (8,21×10⁹ - 7,18×10⁹)

Q = 0,9 × 5,67×10⁻⁸ × 20 × 1,03×10⁹

Q ≈ 1050 W

Conseil pour l'examen : Les calculs avec la loi de Stefan-Boltzmann sont rares dans la pratique quotidienne, mais tu dois comprendre le principe. Les questions portent souvent sur l'effet des surfaces réfléchissantes (faible émissivité) dans l'isolation.

2.4 Transfert thermique combiné

Dans un bâtiment, les trois modes de transfert agissent simultanément. Le coefficient global de transfert thermique (U) intègre tous ces effets :

U = 1 / R_total

Où R_total inclut :

Valeurs typiques de résistances superficielles (selon la norme CSA) :

Section 3 : Psychrométrie - L'étude de l'air humide

3.1 Concepts de base

La psychrométrie est l'étude des propriétés thermodynamiques de l'air humide (mélange d'air sec et de vapeur d'eau). C'est fondamental pour comprendre le confort, la ventilation et la climatisation.

Propriétés de l'air humide

3.2 Le diagramme psychrométrique

Le diagramme psychrométrique est un outil graphique qui relie toutes ces propriétés. Pour l'examen de certification, tu dois savoir :

Transformations typiques sur le diagramme

Chauffage sensible :

Refroidissement sensible :

Refroidissement avec déshumidification :

Humidification :

3.3 Calculs psychrométriques essentiels

Cette partie encadre calculs psychrométriques essentiels sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Chaleur sensible (QS) » et « Chaleur latente (QL) », puis des sous-thèmes associés.

Chaleur sensible (QS)

QS = ṁ × Cp × ΔT

Pour l'air, avec Cp = 1,006 kJ/kg·K :

QS (kW) = 1,006 × ṁ (kg/s) × ΔT (°C)

Chaleur latente (QL)

La chaleur latente est l'énergie nécessaire pour changer l'état de l'eau (évaporation ou condensation) sans changement de température :

QL = ṁ × L × Δω

Où :

Chaleur totale (QT)

C'est la somme de la chaleur sensible et de la chaleur latente :

QT = QS + QL

Exemple pratique :

Un système de ventilation apporte 0,3 m³/s d'air extérieur à -15°C et 80% HR. On le chauffe à 22°C. En consultant le diagramme psychrométrique :

La chaleur sensible nécessaire :

QS = 1,2 × 0,3 × (22 - (-15)) = 1,2 × 0,3 × 37 = 13,32 kW

C'est une charge importante qui explique pourquoi les systèmes de ventilation doivent être bien dimensionnés au Québec.

3.4 Confort et qualité de l'air intérieur

Les normes québécoises (notamment la CSA F326 et le Code de construction) recommandent :

Problèmes courants au Québec :

Conseil pratique : Pour maintenir une humidité confortable en hiver sans causer de condensation sur les fenêtres, vise une HR entre 35% et 45%. Si tu vois de la condensation sur les fenêtres, réduis l'humidité.

Section 4 : Calcul des charges thermiques

Cette partie encadre calcul des charges thermiques sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Principes généraux » et « Charge de chauffage (déperditions) », puis des sous-thèmes associés.

4.1 Principes généraux

Le calcul des charges thermiques détermine la puissance nécessaire pour chauffer ou refroidir un bâtiment. Au Québec, on suit principalement :

4.2 Charge de chauffage (déperditions)

Les déperditions thermiques d'un bâtiment se divisent en deux catégories :

Déperditions par transmission (à travers l'enveloppe)

Q_trans = U × A × (T_int - T_ext)

Où :

Températures extérieures de calcul pour le Québec (selon le Code) :

Déperditions par infiltration et ventilation

Q_inf = 1,2 × Débit (m³/s) × ΔT

Le débit d'infiltration dépend de l'étanchéité du bâtiment. Pour une maison typique, on estime entre 0,1 et 0,3 renouvellement d'air par heure.

Exemple complet : calcul de la charge de chauffage d'une pièce

Données :

Calcul :

Q_mur = 0,286 × 10,5 × (21 - (-25)) = 0,286 × 10,5 × 46 = 138 W

Q_fen = 1,8 × 2 × 46 = 166 W

Q_plaf = 0,189 × 20 × 46 = 174 W

Q_plan = 0,5 × 20 × (21 - 15) = 60 W

Débit = 50 × 0,2 / 3600 = 0,00278 m³/s

Q_inf = 1,2 × 0,00278 × 46 = 0,153 kW = 153 W

Charge totale = 138 + 166 + 174 + 60 + 153 = 691 W

Conseil pour l'examen : N'oublie pas d'ajouter une marge de sécurité de 15% à 25% selon les normes. Ici, avec 20% : 691 × 1,2 = 829 W.

4.3 Charge de climatisation (gains thermiques)

Les gains thermiques sont plus complexes car ils incluent plusieurs sources :

Gains solaires

Dépendent de :

Valeurs typiques pour le Québec (juillet, midi) :

Gains internes

Gains par transmission

Même calcul qu'en chauffage, mais avec ΔT inversé (T_ext - T_int). En été, on utilise souvent 32°C comme température extérieure de calcul au Québec.

4.4 Coefficients U des assemblages courants

Pour l'examen, tu dois connaître les valeurs U typiques :

Section 5 : Cycles thermodynamiques dans les systèmes de bâtiment

Cette partie encadre cycles thermodynamiques dans les systèmes de bâtiment sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Le cycle de compression mécanique » et « Le cycle de Rankine (production de vapeur) », puis des sous-thèmes associés.

5.1 Le cycle de compression mécanique

C'est le principe de fonctionnement des thermopompes, réfrigérateurs et climatiseurs. Il comprend quatre étapes :

Coefficient de performance (COP)

Le COP mesure l'efficacité d'une thermopompe :

COP_chauffage = Q_chaud / W_compresseur

COP_climatisation = Q_froid / W_compresseur

Exemple : Une thermopompe qui fournit 10 kW de chaleur avec une consommation électrique de 2,5 kW a un COP de :

COP = 10 / 2,5 = 4,0

Cela signifie qu'elle produit 4 fois plus d'énergie thermique que l'énergie électrique consommée.

Facteurs influençant le COP :

5.2 Le cycle de Rankine (production de vapeur)

Utilisé dans les chaudières industrielles et certains systèmes de chauffage central :

5.3 Rendement des équipements

Cette partie encadre rendement des équipements sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Rendement de combustion » et « Efficacité saisonnière ».

Rendement de combustion

η = (Énergie utile) / (Énergie fournie par le combustible) × 100%

Exemple : Une fournaise au gaz naturel consomme 30 kW de gaz et produit 27 kW de chaleur utile :

η = 27 / 30 × 100% = 90%

Normes québécoises :

Efficacité saisonnière

Section 6 : Applications pratiques et normes québécoises

Cette partie encadre applications pratiques et normes québécoises sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Exigences du Code de construction du Québec » et « La norme CSA F280 », puis des sous-thèmes associés.

6.1 Exigences du Code de construction du Québec

Le chapitre 1.1 du Code (Bâtiment) et le chapitre 1.2 (Plomberie) imposent :

6.2 La norme CSA F280

Cette norme est la référence pour dimensionner les systèmes de chauffage résidentiels au Québec. Points essentiels :

Méthode simplifiée pour l'examen :

Puissance (kW) = Volume (m³) × Facteur de déperdition (W/m³)

Facteurs typiques (maison isolée selon le Code) :

6.3 Calcul des conduits de ventilation

La norme CSA F326 et le Code de construction exigent :

Perte de charge dans les conduits

ΔP = f × (L/D) × (ρ × v²/2)

Où :

Vitesses recommandées :

6.4 Exemple pratique : Dimensionnement d'un système de chauffage

Cas : Maison unifamiliale de 200 m², construite en 2020, située à Québec.

Données :

Calcul rapide (méthode forfaitaire) :

Puissance = 500 m³ × 25 W/m³ = 12 500 W = 12,5 kW

Calcul détaillé (résumé) :

Choix de l'équipement :

Conseil pour l'examen : Vérifie toujours si la question précise "puissance nominale" ou "puissance installée". La puissance installée inclut la marge de sécurité.

Section 7 : Conseils pour l'examen de certification

Cette partie encadre conseils pour l'examen de certification sous l’angle pratique du chauffage, de la climatisation et de la ventilation : les unités, les écarts de température, les débits et les pertes/gains de chaleur doivent être cohérents avant tout calcul de capacité. Avant d’appliquer les procédures détaillées, il faut identifier les données d’entrée, les limites de l’équipement et les critères de conformité qui guideront les choix techniques. Cette mise en contexte prépare ensuite l’étude de « Formules à mémoriser » et « Pièges à éviter », puis des sous-thèmes associés.

7.1 Formules à mémoriser

7.2 Pièges à éviter

7.3 Questions types

Question 1 : Quelle est la résistance thermique totale d'un mur composé de :

Réponse :

R_brique = 0,100 / 0,7 = 0,143

R_laine = 0,150 / 0,040 = 3,750

R_gyproc = 0,013 / 0,17 = 0,076

R_si = 0,13

R_se = 0,04

R_total = 0,13 + 0,143 + 3,75 + 0,076 + 0,04 = 4,139 m²·K/W

Question 2 : Quelle puissance de chauffage pour une pièce de 30 m² avec un U de 0,3 W/m²·K pour les murs (surface 25 m²), des fenêtres de 4 m² (U = 1,8), à Québec ?

Réponse :

Q_murs = 0,3 × 25 × (21 - (-28)) = 0,3 × 25 × 49 = 367,5 W

Q_fen = 1,8 × 4 × 49 = 352,8 W

Total = 720,3 W (sans marge)

7.4 Ressources recommandées

Résumé du chapitre

La thermodynamique et le transfert thermique sont les fondements de tous les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation. Voici les points essentiels à retenir :

Rappel important : Dans la pratique, un dimensionnement précis évite le surdimensionnement (gaspillage d'énergie, inconfort) et le sous-dimensionnement (incapacité à chauffer ou refroidir). Prends toujours le temps de bien calculer et de vérifier tes résultats avec les normes en vigueur.

Tu es maintenant prêt à appliquer ces principes dans les chapitres suivants, où nous verrons en détail les équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation utilisés dans le bâtiment au Québec.

La thermodynamique est la science qui étudie les phénomènes de chaleur et de travail. Dans le domaine du CVC (Chauffage, Ventilation et Climatisation), les principes de la thermodynamique sont fondamentaux pour comprendre le comportement des systèmes de chauffage et de refroidissement. Les trois lois de la thermodynamique constituent la base de tous les calculs énergétiques en CVC. La première loi établit le principe de conservation de l'énergie: l'énergie ne se crée ni ne se détruit, elle se transforme. Dans un système de CVC, cela se traduit par l'équilibre entre l'énergie fournie, l'énergie utile et les pertes.

La deuxième loi de la thermodynamique énonce que la chaleur se propage naturellement d'un corps chaud vers un corps froid. Cette loi explique pourquoi les systèmes de réfrigération nécessitent un apport d'énergie pour transférer la chaleur d'un espace froid vers un espace chaud. Le coefficient de performance (COP) d'un système de climatisation est le rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance électrique consommée. Un COP plus élevé signifie une meilleure efficacité énergétique.

Les transferts de chaleur s'effectuent selon trois modes: conduction, convection et rayonnement. La conduction est le transfert de chaleur à travers un matériau solide par contact direct entre les molécules. La conductivité thermique d'un matériau détermine sa capacité à transmettre la chaleur. Les matériaux isolants possèdent une faible conductivité thermique. La convection est le transfert de chaleur par le mouvement d'un fluide. Elle peut être naturelle (déplacement du fluide sous l'effet des différences de densité) ou forcée (déplacement du fluide par un ventilateur ou une pompe).

Le rayonnement thermique est le transfert de chaleur par ondes électromagnétiques, principalement dans le spectre infrarouge. Contrairement à la conduction et à la convection, le rayonnement ne nécessite pas de milieu matériel pour se propager et peut traverser le vide. L'émissivité d'une surface détermine sa capacité à émettre et à absorber le rayonnement thermique. Les surfaces sombres et mates ont une émissivité élevée, tandis que les surfaces brillantes et réfléchissantes ont une émissivité faible. Les calculs de transfert de chaleur par rayonnement sont particulièrement importants pour les systèmes de chauffage rayonnant et les panneaux solaires thermiques.

Les propriétés thermodynamiques des fluides frigorigènes utilisés dans les systèmes de CVC sont décrites par des tables et des diagrammes, notamment le diagramme de Mollier (pression-enthalpie) et le diagramme température-entropie. Ces diagrammes permettent de visualiser le cycle de réfrigération et de calculer les performances du système en termes d'efficacité énergétique. Le point critique du fluide frigorigène est la température et la pression au-delà desquelles les phases liquide et gazeuse ne sont plus distinctes. Les systèmes de CVC modernes tendent à utiliser des fluides à bas potentiel de réchauffement global (PRG) pour réduire l'impact environnemental.

L'enthalpie est une propriété thermodynamique qui représente l'énergie totale d'un fluide, incluant son énergie interne et l'énergie liée à sa pression et à son volume. La variation d'enthalpie dans les échangeurs de chaleur permet de calculer la puissance thermique échangée. La capacité thermique massique d'un matériau détermine la quantité d'énergie nécessaire pour élever sa température d'un degré Celsius. L'eau possède une capacité thermique massique élevée, ce qui en fait un excellent fluide caloporteur dans les systèmes de chauffage.

Les échangeurs de chaleur sont des composants essentiels des systèmes de CVC qui permettent le transfert de chaleur entre deux fluides sans qu'ils se mélangent. Les types d'échangeurs incluent les échangeurs à tubes concentriques, à faisceau tubulaire, à plaques et à calandre. Le coefficient global de transfert de chaleur détermine l'efficacité de l'échangeur. Une surface d'échange plus grande et un coefficient de transfert plus élevé améliorent les performances.