La convection : un mode de transfert de chaleur populaire

Vous envisagez des travaux de rénovation et avez entendu parler de la convection ? Cette modalité de transfert thermique trouve son origine dans les différences de densité des fluides. Les convecteurs électriques sont l’exemple type. Mais la convection s’applique aussi à l’isolation. Quand elle est mal maîtrisée, elle génère de l’inconfort et des factures de chauffage élevées. C’est pourquoi vous devriez en faire une alliée. Nous vous aidons en explorant tous ses aspects.

La convection vous semble être un concept abstrait ? Avant d’explorer en détail chaque aspect du phénomène, le mieux est de commencer par illustrer avec des exemples. Le tableau suivant présente des cas iconiques qui devraient vous parler.

Faisons maintenant un peu de théorie. La convection, avec la conduction et le rayonnement, est l’un des trois modes de transfert de chaleur. En mécanique des fluides, elle décrit le transfert de chaleur associé au transport de matière dans les gaz et les liquides. Ce qu’il faut retenir, c’est qu’elle véhicule l’énergie thermique d’unezone chaude vers une zone froide. Schématiquement, les fluides de faible densité montent, et les fluides à forte densité descendent.

Dans la nature ou la société, les convections de fluides prennent différentes formes et aspects. Leur point commun est de générer des mouvements de gaz, de liquides ou de matières, parfois imperceptibles, parfois clairement ressenties par les êtres vivants.

Comment l’illustrer ? Regardez une casserole d’eau qui bout. L’eau chaude, de faible densité, monte vers la surface par le centre. Une fois en haut, elle refroidit et redescend par les côtés. Ainsi, cette convection suit la poussée d’Archimède et répond à l’action d’une source de chaleur forcée. En réalité, ce n’est pas toujours le cas. Des convections naturelles existent.

Elle se produit sans intervention mécanique. Le mouvement des fluides se produit en raison des différences de température. Il s’agit par exemple du chauffage de l’intérieur d’une tente de camping par les corps. Le phénomène se rencontre également dans les mouvements de masses d’air entre l’équateur et les pôles.

Elle nécessite un ventilateur ou une pompe pour déplacer le fluide. Le sèche-cheveux est l’exemple le plus parlant. Son ventilateur envoie l’air chaud sur les cheveux humides, qui accélère l’évaporation de l’eau. L’autre exemple est le radiateur soufflant de la salle de bain, basé sur le même principe. Dans les deux cas, c’est le gain de temps qui est recherché.

Forcée ou naturelle, la convection thermique présente des avantages. Très souvent, elle facilite le chauffage des locaux, en particulier ceux situés dans les étages. L’inconvénient principal est de créer des poches de froid et de chaud, entraînant parfois un certain inconfort thermique. Détaillons rapidement quelques avantages et inconvénients.

Les mouvements convectifs intérieurs optimisent l’efficacité énergétique. Ils favorisent la ventilation passive et le chauffage des locaux. Lorsqu’ils s’appuient sur des installations basse technologie, ils sont économiques et permettent de chauffer et de refroidir en limitant la consommation d’énergie. L’exemple le plus parlant est le puits canadien.

Les inconvénients de la convection thermique dans un logement sont de trois ordres. Le premier est la distribution inégale de la chaleur. Elle entraîne des poches d’air froid et d’air chaud. Le deuxième est la création d’humidité, donc de risques de condensation et de moisissures. Le troisième est la circulation des poussières, portées par les courants d’air chaud.

Notez que dans la plupart des applications liées au chauffage, plusieurs modes de transfert de chaleur sont utilisés conjointement. Quoi qu’il en soit, la convention est souvent le mode de propagation final de chaleur. Vous connaissez la plupart des appareils présentés ci-dessous. Certains sont “obsolètes”, laissant la place à des équipements plus performants.

Ce sont les “grilles pains”. L’air de la pièce entre par le dessous du radiateur. Elle passe dans une résistance électrique puis ressort par le haut du radiateur. Ces radiateurs sont énergivores, créent une chaleur sèche et traces noires sur le mur à cause de la circulation des poussières.

Ces radiateurs exploitent en réalité deux modes de transfert de chaleur. Le premier est la conduction, faisant passer la chaleur de l’eau au corps de chauffe (acier, fonte ou aluminium). La convection fait le reste. La chaleur s’échappe du corps de chauffe pour s’élever dans l’air, réchauffant ainsi la pièce.

La convection s’applique cette fois à l’eau, chauffée par le soleil, le gaz ou l’électricité. Celle-ci, par le phénomène de convection, monte jusqu’à une réserve en hauteur. Souvent, il s’agit d’un cumulus installé dans le grenier ou sur le toit. La distribution de l’eau chaude sanitaire s’effectue ensuite sans pompe, par le principe de la gravité.

Le plancher chauffant exploite lui aussi la conduction et la convection. L’eau chaude, par conduction, transfère ses calories aux tuyaux circulants dans la dalle, puis au carrelage. La convection prend le relais pour transférer la chaleur de la surface du carrelage à l’air de la pièce. L’air chaud monte naturellement vers le plafond.

Le poêle à bois utilise la convection, le rayonnement et la conduction. Voici comment se manifeste chaque phénomène avec cet appareil :

La convection thermique joue un rôle crucial dans l’isolation d’une maison. Tout d’abord, elle fait monter l’air chaud vers le plafond puis le toit et fait fuiter les calories vers l’extérieur. Ensuite, son analyse fait partie de l’audit énergétique réalisé par un professionnel pour mettre en place une stratégie d’isolation d’avant travaux. Bref, la convection intérieure touche à quatre grands aspects de l’habitat que vous devez connaître.

Dans une pièce, l’air chaud monte et se stocke “contre le plafond”. En dessous s’accumulent des couches d’air de moins en moins chaudes, et ce, jusqu’au sol. Parfois, la différence de température est de plusieurs degrés. L’isolation des planchers bas est une technique pour limiter ces phénomènes de stratification.

La convection a pour effet de “pousser l’air chaud” vers le haut. Dans son parcours, l’air chaud rencontre des points faibles dans l’enveloppe isolante du bâtiment. Il s’agit des ponts thermiques et des fuites d’air. Sans gérer ces points faibles de l’isolation, la chaleur s’échappe par conduction via les ponts thermiques et par convection via les fuites d’air.

Il est facile de comprendre que la convection envoie la chaleur vers le haut : plafonds et rampants sous toiture. Stockée en partie haute d’un logement, la chaleur est au contact des matériaux. Elle s’échappe alors par le phénomène de conduction vers l’extérieur. Pour limiter cette perte, l’installation d’une isolation de qualité est cruciale.

La ventilation mécanique contrôlée (VMC) est indispensable à une isolation de qualité. Elle favorise entre autres le brassage constant de l’air intérieur. Ce système contribue à une meilleure répartition de la chaleur en éliminant les phénomènes de poches d’air froid et d’air chaud. Il limite également les mécanismes de stratification de l’air.

Une convection thermique mal maîtrisée peut avoir des conséquences irréversibles sur l’habitat. Nous l’avons précisé, la convection non maîtrisée génère de l’humidité. En découlent des moisissures et un vieillissement prématuré des matériaux. Mais ce n’est pas tout. Ce surcroît d’humidité crée un sentiment de froid. Les occupants ont tendance à augmenter le chauffage. Ajouter des degrés supplémentaires dans le logement aggrave encore plus le phénomène et initie une boucle sans fin.

Vous en savez plus sur la convection thermique. Présente dans la nature et dans l’espace, on la retrouve également dans la maison. Elle est à l’origine des mouvements d’air et des transferts de chaleur. Pour améliorer votre confort et réduire vos factures de chauffage, il est nécessaire d’apprendre à la canaliser. Dans leur approche globale, les professionnels du chauffage et de l’isolation ont toutes les compétences pour y parvenir.

Les radiateurs électriques “grille pain” utilisent le principe de chauffage par convection. Vous voulez découvrir les autres modes de diffusion de la chaleur ? N’hésitez pas à consulter les articles suivants, qui approfondissent les sujets :