Catégories :
Plomberie
Outils de plomberie :
1 : cintreuse
2 : matrice à collets battus
3 : coupe tube.
La plomberie est une spécialité de l'ingénieur en mécanique appliquée au bâtiment et du plombier spécialisé, regroupant l'ensemble des techniques utilisées pour faire circuler des fluides (liquide ou gaz) à l'aide de tuyaux, tubes, vannes, robinets, soupapes, pompes aux différents points d'usage d'une installation. Le mot a pour origine le terme latin pour plomb (plumbum) et provient de l'utilisation de ce métal malléable pour réaliser les installations de plomberie au cours des siècles précédents.
Ces techniques se sont améliorées au fil du temps grâce à l'évolution des connaissances scientifiques et à leur mise en application. Les premières applications systématiques de la plomberie ont été la mise en service de la gravité et des premières pompes, en agriculture, pour l'irrigation au moyen de pentes et de fossés.
Histoire et objectif
Les
Babyloniens1 ou les
Perses : les premières villes fortifiées ont développé des systèmes d'
aqueduc qui permettaient de subir des sièges prolongés par l'utilisation de rivières souterraines.
Les villes des Sumériens (comme Haran) présentaient parfois des systèmes d'égouts et d'alimentation en eau individuels. Les Incas, les Chinois et plusieurs peuples asiatiques ont développé les plateaux de culture étagés le long des pentes des régions montagneuses avec l'installation de systèmes d'irrigation sophistiqués qui sont les précurseurs des aqueducs.
Les Égyptiens ont développé des systèmes d'irrigation (des fossés) alimentés par des pompes manuelles constituées d'une perche avec contrepoids à laquelle était fixée une peau attachée comme récipient pour élever l'eau jusqu'au début du fossé d'irrigation des cultures. Les Égyptiens auraient aussi développé l'utilisation de tubes de cuivre pour la distribution de l'eau dans certains temples ; Un tube de cuivre datant d'environ 2 750 av J.-C. est présenté au musée de Berlin, et il en existe un exemple provenant d'un temple proche de la pyramide de Sahourê à Abousir2.
Les Grecs : déjà Archimède inventa une des premières pompes à vis qui porte encore son nom de nos jours (vis d'Archimède). Cette pompe alimentait les fossés pour l'irrigation agricole.
Les Romains construisirent des systèmes d'égouts souterrains (comme le Cloaca Maxima) sous les voies carrossables et des aqueducs qui allaient chercher l'eau potable nécessaire à la vie à des sources élevées, et à de très grandes distances des villes desservies.
Outre ces aqueducs, les ingénieurs romains ont créé des systèmes complexes de distribution d'eau par gravité, qui se terminaient à l'intérieur des villes par l'alimentation des fontaines et des bains publics "les thermes" qui ont permis une nette évolution dans la propreté sanitaire des personnes. L'évolution des techniques de distribution de l'eau au moyen de tuyaux de plomb soudés a probablement compté pour une part dans la déchéance de la civilisation romaine3, en raison de la maladie générée par le plomb (voir saturnisme).
Les historiens disposent de peu de documents décrivant précisément le système de plomberie ou évoquant les dates de son installation. Mais les couches de sédiments déposés en aval des sorties d'égouts, sédiments qui ont saisonnièrement et annuellement enregistré les variations de teneur en différents métaux. Des chercheurs ont récemment étudié 177 échantillons prélevés dans la colonne des sédiments portuaires d'une ancienne zone portuaire romaine (Ostie, le premier port de la ville antique de Rome) en aval d'un exutoire d'égout romain. Par datation au radiocarbone ils ont pu dater chaque couche sédimentée. Ces analyses ont mis en évidence une forte augmentation de la concentration de plomb en aval de l'exutoire portuaire de ces anciens égouts.
Cette étude (publiée en 2017) apporte trois informations historiques nouvelles et d'importance :
- c'est au cours du second siècle avant J.C. (c'est à dire 300 ans après la construction du grand aqueduc) que les canalisations de plomb de cette ville ont été installées. Durant trois siècles les Romains ont bu de l'eau de fontaine sans plomb, puis durant un siècle (de guerre et de décadence selon les historiens) nombre d'entre eux ont bu de l'eau acheminée par des tubulures de plomb soudé4. Une première découverte est que ces tuyaux ont irrigué la ville en eau (polluée) considérablement plus tôt que ne le pensaient jusqu'alors les historiens (environ 150 ans plus tôt) au vu des preuves archéologiques disponibles concernant les tuyaux de plomb installés dans l'empire romain4. Les analyses isotopiques montrent qu'il ne s'agit pas de plomb d'origine "naturelle"4 ;
- Une seconde information nouvelle est qu'un siècle après l'installation de ce réseau de distribution en plomb, le taux de plomb a nettement diminué dans le sédiment du port, traduisant une panne ou un abandon partiel du système d'alimentation et/ou d'évacuation des eaux4. Ce calendrier rétrospectif est cohérent avec les dates connues des guerres civiles romaines à cette époque, qui ont sans doute contribué à faire négliger l'entretien des canalisations4 ;
- Le troisième apport de cette étude est qu'elle apporte des éléments de preuve que non seulement les Romains se sont probablement empoisonnés avec leur "eau du robinet" et de fontaine (qui contenait environ 100 fois plus de plomb environ que l'eau de source3) et via leurs récipients d'étain contenant du plomb5, mais - au vu des teneurs en plomb trouvées dans les sédiments de cette époque - il est permis de penser que le poissons, les poulpes, les mollusques, les oursins et les crustacés pêchés dans le port et à son aval aient aussi pu être contaminés par le plomb4 ; au détriment des écosystèmes marins locaux (et des oiseaux marins et de rivages) d'une part, et aussi au détriment de la santé des consommateurs de ces produits de la mer, qui étaient à l'époque des mets très appréciés de l'aristocratie et de la population romaine. D'autres grandes villes romaines ont probablement des problèmes similaires dont Naples6.
Dans les siècles qui suivent longtemps les réseaux de distribution d'eau sont du ressort du fontainier qui collabore activement avec les plombiers ouvriers spécialisés dans le travail du plomb mais aussi les pompiers, les spécialistes des pompes. Les installations sont alors essentiellement publiques (fontaines, etc.). Ce n'est qu'à partir du début XIXe siècle qu'elles se répandent progressivement à l'intérieur des appartements. L'invention du premier WC (Water Closet), qui devient ensuite le « cabinet d'aisance avec réservoir de chasse » est à lui seul un grand pas vers la modernité, en introduisant les groupes sanitaires dans les immeubles.
Objectifs
Les objectifs de la plomberie visent à permettre une meilleure hygiène et faciliter la vie en société en permettant de rencontrer les besoins fondamentaux biologiques de l'être humain. On sait déjà que respirer, boire et évacuer les déchets est fondamental et essentiel. La grande concentration d'humains sur de petits territoires oblige à de telles mesures sanitaires.
Améliorer la salubrité des résidences, des villes par les techniques de la plomberie, la construction des services d'égouts et d'aqueducs. On peut comparer les services rendus par la plomberie à ceux qui l'ont été par l'invention de la collecte des vidanges par monsieur Poubelle. La santé des citadins a pu s'améliorer et permettre la croissance des villes dans des conditions d'hygiène en dépit de l'augmentation de la population sur un espace restreint de territoire.
Le drainage des appareils de plomberie
Pour obtenir une bonne efficacité du renvoi d'un appareil, des évents sont nécessaires pour permettre le passage de l'air. Quand nous mettons de l'huile dans le moteur d'un véhicule à partir d'une canette métallique, on perce le dessus du contenant à deux endroits opposés sur le couvercle. Le but est de permettre un écoulement régulier par l'introduction d'air dans la boite. La même procédure s'applique pour la tuyauterie afin de faciliter la vidange des appareils sans que le siphon se désamorce à la fin du cycle.
Principes en Amérique
L'installation de la plomberie est régie en Amérique du Nord par des codes d'installation strictes de type directifs et/ou de performance.
Les codes directifs obligent l'installateur à faire ceci ou cela. Le code de performance décrit le rendement minimum que l'installation doit rencontrer. Les nouveaux codes en préparation sont des codes de performance.
Pour obtenir le droit de travailler dans sa spécialité, l'artisan obtient sa carte de compétence après avoir suivi un cours plus ou moins long dépendant de la spécialité embrassée. Des stages de formation viennent compléter les études : en 2009 l'entrepreneur doit posséder sa carte de compétence pour le gaz naturel, pour la vapeur, les gicleurs, la soudure de pipeline, en fonction de sa spécialité.
Pour travailler dans le domaine institutionnel, commercial ou industriel le plombier doit savoir lire les plans, connaître les mesures de sécurité, avoir une expérience des matériaux, leur manipulation, leur installation, de leur résistance, connaitre les supports et ancrages appropriés, etc.
Distribution d'eau (courbe de Hunter)
Le Dr Roy B. Hunter du National Bureau of Standards, actuellement NIST, a développé des tables7 pour déterminer les charges de la demande pour les appareils de plomberie. Ces courbes basées sur la probabilité simultanée d'utilisation des appareils, a permis d'élaborer un graphique de la demande pour éviter le sous ou sur-dimensionnement de la tuyauterie. Ce graphique simple à utiliser est reconnu comme fiable par la communauté des concepteurs et ingénieurs. La courbe de Hunter a été construite à partir de l'appareil unitaire qui s'appuie sur le débit d'eau du plus petit appareil de plomberie (le robinet d'un lavabo vaut un appareil unitaire).
Il s'agit d'un outil auquel le concepteur doit ajouter son jugement, parce que cette courbe ne peut être utilisée pour un réseau municipal ou un gros édifice à logements (un édifice multi-logements). Les théâtres, arénas, lieux de rassemblement publics font partie des exceptions qui sortent de la courbe ; par exemple : quand il y a une partie d'un sport national à la télé, entre les périodes de jeu tout le monde va uriner en même temps, ce qui fausse cette courbe de demande.
Matériaux
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Les matériaux utilisés pour la tuyauterie sont :
Parmi ces matériaux, le plombier utilise préférentiellement ceux qui relèvent de la mécanique appliquée au bâtiment, notamment ceux destinés au sanitaire. La tuyauterie pluviale (drainage, etc.)[à vérifier], au-delà d'un mètre à l'extérieur de l'édifice, relève quant à elle du génie civil.
Les raccordements entre les tuyaux peuvent être faits par :
- joints mécaniques,
- compression (pour les tuyaux de fonte, certains tuyaux de plastique et de glaise vitrifiée),
- étoupe/plomb pour les tuyaux de fonte avec cloche,
- joints taraudés ou joints filetés ou soudage pour les tuyaux d'acier,
- brasage pour les tuyaux de cuivre,
- ciment pour les tuyaux de ciment,
- fusion pour les tuyaux de plastique,
- joints toriques pour les tuyaux PER ou IPEX[Quoi ?].
Le choix de la robinetterie est important selon le produit qui est acheminé dans la tuyauterie et en fonction de l'application. Lorsque l'utilisation de pompes s'impose, une attention particulière doit être apportée à la cavitation qui peut se produire dans certaines applications et/ou circonstances. Ainsi pour contrôler des gaz, un robinet à pointeau ou un robinet à boisseau sera utilisé plutôt qu'un robinet vanne.
Un robinet à boulet, ou robinet à bille, peut avantageusement remplacer un robinet à vanne pour les petits diamètres. Les robinets à soupape ou à jupe se prêtent mieux au contrôle du débit. Le robinet à vanne sert à arrêter le passage du fluide et non à en contrôler le débit. Une vanne papillon offrira un service semblable à la vanne pour les grands diamètres (64 mm et plus), elle peut aussi servir au contrôle du débit avec une certaine efficacité.
Les raccordements cuivre/acier sont à éviter. L'usage d'un raccord de bronze ou d'un joint diélectrique permet d'éviter la corrosion galvanique.
La tuyauterie rigide doit être supportée à intervalles tandis que la tuyauterie flexible doit être supportée sur toute sa longueur. Il est important de noter que pour les édifices en hauteur et les édifices où il y a rassemblement de nombreuses personnes, des ancrages parasismiques doivent être ajoutés comme dans les hôpitaux, arénas et les lieux publics.
Étant donné la grande diversité des matériaux, la disponibilité de ceux-ci, le travail du choix final implique aussi la responsabilité de l'entrepreneur installateur et ainsi la responsabilité de l'ingénieur. Le représentant de la compagnie qui vend ou fabrique les nouveaux matériaux sur le marché fait connaître ceux-ci à l'ingénieur et à l'entrepreneur. L'expérience vient des mauvais essais relatifs au non-respect des garanties ou de la non performance des données publiées au départ[pas clair]. Il est aussi possible qu'une mauvaise application d'un bon produit cause le problème.
Lors de grands projets, c'est l'ingénieur en mécanique appliquée au bâtiment qui spécifie les matériaux à utiliser, prépare les plans et devis, surveille l'exécution des travaux, et/ou assume la responsabilité de l'installation et/ou partage celle-ci pour autant que toutes les règles de l'art aient été respectées par l'entrepreneur en plomberie.
Application géographique
Le travail du plombier s'arrête à un mètre du mur extérieur du bâtiment. À partir de là jusqu'à l'égout public ou à la fosse septique, c'est l'égout de bâtiment. Les travaux pour l'égout de bâtiment sont plutôt exécutés par l'entrepreneur général tout comme le terrassement, le pavage, etc.
Le terme plomberie couvre plusieurs corps de métiers. Tous visent à la mise en pratique de principes scientifiques (ingénierie) comme la thermodynamique, la gravitation, la viscosité des fluides, pour le confort et la salubrité. (les sciences biologiques et médicales sont intimement reliées à la notion de confort. - Le confort est reliée au fait que le corps humain est homéotherme ; c’est-à-dire que la température intérieure du corps doit être constante. - Le confort c'est dissiper notre surplus de chaleur à la même vitesse qu'on la fabrique.)
Les principes scientifiques sont appliqués en réfrigération (voir Sadi Carnot) (avec un gaz, de l'eau), en chauffage avec un caloporteur (l'eau, le glycol, la vapeur), en protection incendie (par des systèmes de gicleurs automatiques), les systèmes d'extinction incendie au CO2, les systèmes de vacuum, le transport d'huile ou du gaz naturel, air comprimé, gaz médicaux, industrie chimique et pétrochimique, industrie alimentaire, etc.
La plomberie couvre aussi de nos jours le transport de l'eau pour divers usages dont plus usuellement les applications domestiques et résidentielles.
On sait que pour le traitement des eaux usées il est toujours plus facile de purifier l'eau le plus près possible de sa source polluante.
Parmi les applications nouvelles et les matériaux plus facilement utilisables, il y a le PER (PEX en anglais)
Égout de bâtiment :
- Combiné : canalise les eaux pluviales, sanitaires ou industrielles
- Sanitaire : canalise exclusivement les eaux sanitaires
- Pluvial : canalise exclusivement les eaux pluviales
Applications nouvelles
La plomberie est devenue beaucoup plus accessible aux bricoleurs dans la mesure où il n'est plus nécessaire d'avoir tout l'outillage et le savoir-faire, particulièrement pour le brasage. On trouve actuellement des composants en plastique qui s'assemblent par simple collage (CPVC chlorure de polyvinyle) ou des raccords à visser permettant le raccordement des différents accessoires (robinets, etc.) ou à une ancienne installation en cuivre. Il existe même des tuyaux souples comme le PER (Polyéthylène Réticulé haute densité) pour l'intérieur et le PE (Polyéthylène basse densité) pour l'extérieur (arrosages, fontaines, mares...).
Il reste cependant au bricoleur à savoir schématiser son installation. Dans cette lignée, il y a aussi le Duratec Système Airline qui est destiné à l'air comprimé et aux gaz. Ce tuyau d'aluminium est chemisé de plastique et est doublé à l'intérieur par du plastique. Les raccords sont dotés de joints toriques.
Notez aussi que le PER est appelé PEX dans le monde anglo saxon.
Ce système est réputé pour son application en matière de distribution de l'eau dans une résidence unifamiliale, duplex, maison préfabriquée ou roulotte, du plus elle considérée comme très économique. Un outil spécial doit être utilisé pour réaliser de bons raccordements et de bons joints. Cependant, pour les immeubles d'habitation collective de 6 logement et plus ainsi que pour les édifices publics, on recommande l'utilisation du cuivre à cause des propriétés bactériostatiques de ce métal.
Cependant pour une application à logements multiples on devrait augmenter la tuyauterie d'un diamètre à cause des joints et raccords qui ont un diamètre plus petit que la tuyauterie. Cette restriction crée une turbulence dans l'écoulement du fluide, d'où une perte de pression qui oblige à l'augmentation de diamètre de la tuyauterie. Par contre ce type de tuyau flexible permet de sauver sur les raccords et joints tel que coudes 90 ou 45 et permet ainsi d'effectuer les changements de direction par de grands rayons, ce qui facilite l'écoulement linéaire sans turbulence.
Évacuation des eaux
Pollution
Pour combattre la pollution des lacs et rivières par les eaux usées, des précautions s'imposent. Le traitement le plus économique et le plus efficace doit être fait à la source.
Économie de l'eau
Pour éviter la pollution, l'économie des eaux potables est requise. Il est aussi possible de réutiliser les eaux pluviales, en les stockant, et de les utiliser pour l'arrosage des pelouses, pour l'évacuation des cuvettes des appareils sanitaires.
Types d'eaux « souillées »8
Les eaux usées (eaux grises) sont évacuées des éviers, des lavabos, des douches, des baignoires et des lessiveuses. Elles sont qualifiées d'eaux grises et peuvent servir à l'arrosage de terrains, pelouses et jardins. Il y a un potentiel d'économie d'énergie en récupérant la chaleur des eaux grises pour l'appliquer au préchauffage de l'eau chaude domestique. Une étude économique au cas par cas doit être faite selon les régions pour justifier ce type de projet.
Les eaux-vannes (eaux noires) proviennent des cabinets d'aisance (WC) et urinoirs. Elles doivent être évacuées par les services d'égouts publics ou, quand les services publics sont inexistants, elles doivent passer par des fosses septiques et des champs filtrants avant d'être renvoyées dans la nature.
Les eaux usées techniques (eaux récupérées) proviennent des bâtiments de type industriel rejetant des produits toxiques dans leurs laboratoires. Ces eaux doivent être retraitées au sein de la structure industrielle avant d'être rejetées dans le réseau d'eaux usées. Après un traitement adéquat, elles peuvent cependant être réutilisées pour alimenter les urinoirs et toilettes, ou retournées dans la chaîne de l'industrie. (L'eau des tours d'eau des systèmes de réfrigération en est un bon exemple).
Les eaux pluviales et les eaux de surface sont en principe évacuées de préférence via des fossés et/ou des égouts pluviaux. Il n'est généralement pas nécessaire de traiter ces eaux dans les usines d'épuration quand on les renvoie dans la nature. Moyennant un traitement minimal, ces eaux peuvent être récupérées pour alimenter des douches, toilettes et urinoirs. Elles doivent être emmagasinées dans des réservoirs de plastique sombres à l'abri de la lumière pour empêcher la prolifération d'algues. La tuyauterie de distribution devra être aussi en plastique à cause de l'acidité : leur pH se situe entre 4 et 5, ce qui attaque le cuivre et l'acier.
Cependant dans les villes, les 15 premières minutes d'un orage génèrent des eaux noires à la suite du lavage des toitures et rues de la ville. Ces eaux devraient être traitées ; mais elles sont souvent dérivées dans nos rivières à cause des grands volumes de pluie qui dépassent la capacité maximale que les systèmes d'épuration peuvent traiter.
Dans le cas des bâtiments avec de nombreux utilisateurs, une petite usine d'épuration peut être requise quand les services d'égouts sont absents (voir usine d'épuration).
En principe, il est toujours préférable et plus facile d'effectuer le retrait des substances polluantes le plus près possible de la source. Par exemple, quand on utilise des produits radioactifs dans un hôpital, si ce produit est rejeté à l'égout sans être retiré, il va polluer les boues de l'usine d'épuration. Une fois contaminées, celles-ci deviennent inutilisables. Le même raisonnement s'applique aux médicaments, aux produits chimiques, aux pesticides et à certains produits domestiques non biodégradables, tel le phosphate.
Plomberie, eau potable et société
En 2010, grâce aux efforts du World Plumbing Council9, le est devenu la journée mondiale de la plomberie10. Cette journée a pour but de faire mieux connaître l'importance de la plomberie dans la question de l'accès à l'eau potable.
Toitures
Eugène Viollet-le-Duc appelle plomberie les « Ouvrages en plomb battu ou fondu, destinés à couvrir les édifices, à conduire les eaux, à revêtir des charpentes exposées à l’air. »11 Il désigne ainsi également les ouvrages de décoration, tels les crêtes et les épis, qui chapeautent le sommet des toits en pente et souvent réalisés en plomb.
Notes et références
- Dalley S (1993). Ancient Mesopotamian gardens and the identification of the hanging gardens of Babylon resolved [archive]. Garden History, 1-13.
- Histoires de cuivre [archive] ; Enseigner le cuivre, copperalliance
- Hugo Delile, Janne Blichert-Toft, Jean-Philippe Goirand, Simon Keay & Francis Albarède (2014) Lead in ancient Rome’s city waters | Edited by Thure E. Cerling, University of Utah, Salt Lake City, UT | résumé [archive]
- Hugo Delile, Duncan Keenan-Jones, Janne Blichert-Toft, Jean-Philippe Goiran, Florent Arnaud-Godet & Francis Albarède (2017) |Rome’s urban history inferred from Pb-contaminated waters trapped in its ancient harbor basins| Edited by Jeremy A. Sabloff, Santa Fe Institute, Santa Fe, NM, (reçu pour revue par les pairs le 17 avril 2017)|résumé [archive]
- Sumner T (2014) ScienceShot : Did Lead Poisoning Bring Down Ancient Rome ? [archive] ; 21 avril 2014
- Hugo Delile et al. (2016), A lead isotope perspective on urban development in ancient Naples| Proc Natl Acad Sci USA
- Rapport BMS 65: Method of Estimating Loads in Plumbing Systems a été publié par le National Bureau of Standards [archive]
- La réglementation "eaux potables" dans le bâtiment - mars 2011 [archive]
- (en) « Home - World Plumbing Council » [archive], sur World Plumbing Council (consulté le ).
- http://www.ciph.com/Governments_and_Other_Partners/News/Press_Release.php?id=780 [archive]
Voir aussi
Articles connexes
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Liens externes
Soudage
La soudure est un procédé d'assemblage permanent. Il a pour objet d'assurer la continuité de la matière à assembler. Dans le cas des métaux, cette continuité est réalisée par fusion à l'échelle de l'édifice atomique. En dehors du cas idéal où les forces inter-atomiques et la diffusion assurent lentement le soudage des pièces métalliques mises entièrement en contact suivant des surfaces parfaitement compatibles et exemptes de toute pollution, il est nécessaire de faire intervenir une énergie d'activation pour réaliser rapidement la continuité recherchée.
L'opération peut être appliquée aux métaux ainsi qu'aux matières thermoplastiques (voir soudure de plastiques) et au bois (voir soudure du bois). La soudure permet d'obtenir une continuité de la nature des matériaux assemblés : matériau métallique, matière plastique, etc. De ce fait, les techniques d'assemblage mécaniques (rivetage, boulonnage, agrafage…) ou par adhésion (collage), ainsi que les techniques de brasageNote 2 ne répondent pas à la définition du soudure.
Histoire du soudage
L'histoire du soudage est liée à l'histoire de la métallurgie.
Origines de la métallurgie
Mines et production de métaux dans le Moyen-Orient dans l'Antiquité.
Les sept métaux connus dans l'antiquité sont l'or (utilisé depuis -6000), le cuivre (-4200), l'argent (-4000), le plomb (-3500), l'étain (-1750), le fer (-1500) et le mercure (-750).
Les métaux ont déjà été trouvés et utilisés à l'état natif ou provenant d'une météorite de fer donnant le fer météorique connu en -6000. L'histoire de la métallurgie est liée à la mise au point des traitements techniques nécessaires pour en faire un matériau utilisable : le chauffage à une température suffisante et le forgeage.
Comme l'indique Bertrand Gille dans l'Histoire des Techniques, si l'utilisation des métaux natifs est relativement simple à expliquer, il en est autrement pour la réduction des minerais car elle suppose la mise en œuvre de plusieurs savoirs :
- savoir qu'on peut tirer un métal d'un minerai,
- savoir traiter le minerai en mettant en place différentes méthodes :
- savoir que la température est le vecteur essentiel pour extraire le métal du minerai, donc maîtriser la construction des fours.
L'ensemble de ces techniques nécessaires rend l'histoire des techniques à ses origines impossible. L'hypothèse qu'émet Bertrand Gille est le hasard d'une découverte dans un four de potier construit avec des pierres comprenant des minerais riches en métaux et de la chaux ou du plâtre intervenant comme réducteurs permettant d'obtenir une température suffisante.
La mise en place de la métallurgie suppose une organisation sociale particulière. Si la céramique ne suppose qu'une activité familiale, la métallurgie suppose la mise en place d'une industrie avec de nombreuses personnes, des spécialistes et un marché ouvert. On peut aussi constater que, dans les premiers temps, les pays producteurs de minerais ne sont pas les pays consommateurs de métaux. On s'empare alors du métal par échange ou par la guerre.
L'usage du feu comme agent de transformation pour obtenir un métal des minerais fait que la métallurgie apparaît peu après la céramique. Dans la Méditerranée orientale on connaît le charbon de bois et le four permettant d'obtenir une température élevée. Les recherches archéologiques ont montré que le cuivre est connu à Çatal Höyük vers -6600 et -6300. Cette période commence un premier âge des métaux appelé chalcolithique précédant l'âge du bronze.
La datation des différents âges des métaux dépend de la diffusion des métaux dans les différentes zones géographiques partagés entre :
-
Aire de diffusion de l'utilisation du cuivre natif au Chalcolithique
-
Aire de diffusion de la métallurgie à l'âge de bronze
Histoire du soudage
L’origine du soudage remonte aux âges des métaux :
L'exemple le plus ancien de soudage est la jonction entre l'anneau de suspension et le pendentif du Petit chien à bélière conservé au musée du Louvre (Uruk, 3300-3100 av. J.-C.).
Un autre exemple est constitué par de petites boîtes circulaires en or datant de l'Âge du bronze et assemblées par chauffage et martelage d'un joint constitué de deux surfaces se recouvrant. Il a été estimé que ces boîtes ont été fabriquées il y a plus de 2000 ans[réf. souhaitée].
Pendant l'Âge du bronze, les Égyptiens et les peuples de l'est méditerranéen ont appris à assembler par soudage des pièces en fer. Plusieurs outils datant approximativement de 3 000 ans ont été retrouvés[réf. souhaitée].
L'ancien historien grec Hérodote déclare dans Histoires (I,25) du Ve siècle av. J.-C. que Glaucos de Chios le seul homme justement qui ait trouvé l'art de souder le fer (on lui attribuait aussi la pratique de la trempe du fer). Le soudage a été utilisé dans la construction du Pilier de fer de Delhi, érigé à Delhi, à l'époque de Chandragupta II, et pesant 5,4 tonnes.
Des progrès du soudage à la forge par martelage sont rapportés au Moyen Âge, où les chaudronniers et les forgerons pilonnent le métal chauffé jusqu'à ce que la liaison ait lieu. En 1540, Vannoccio Biringuccio publie De la Pirotechnia, qui comprend des descriptions de l'opération de forgeage. Les artisans de la Renaissance ont amélioré le processus, et l'industrie a continué à croître au cours des siècles suivants.
En 1800, Sir Humphry Davy a découvert l'arc électrique à impulsions courtes et a présenté ses résultats en 1801. En 1802, le scientifique russe Vasily Petrov (en) a créé l'arc électrique continu, et a ensuite publié Nouvelles expériences Galvaniques-voltaïques en 1803, dans lequel il décrit des expériences réalisées en 1802. Le plus important dans cette publication, c'est la description d'une décharge d'arc stable et l'indication de son utilisation possible pour de nombreuses applications, dont la fusion de métaux. En 1808, Davy, qui ignorait le travail de Petrov, découvre lui aussi l'arc électrique continu. En 1881-82, les inventeurs Nikolai Benardos (en), russe, et Stanisław Olszewski (en), polonais, ont créé la première méthode de soudage à l'arc électrique, connu sous le nom d'arc de carbone de soudage (CAW) en utilisant des électrodes de carbone. Les progrès de la soudure à l'arc ont continué avec l'invention des électrodes métalliques à la fin des années 1800 par un Russe, Nikolai Slavyanov (en) (1888), et un Américain, Charles L. Coffin (en) (1890). Vers 1900, A. P. Strohmenger a créé une électrode métallique revêtue en Grande-Bretagne, qui a donné un arc plus stable. En 1905, le scientifique russe Vladimir Mitkevich a proposé d'utiliser un arc électrique triphasé pour le soudage. En 1919, le courant alternatif de soudage a été inventé par C. J. Holslag , mais ne s'est pas développé avant la décennie suivante.
Le soudage par résistance a également été mis au point au cours des dernières décennies du XIXe siècle, avec les premiers brevets de Elihu Thomson, en 1885, qui a produit de nouvelles avancées au cours des 15 années suivantes. La soudure aluminothermique (TW) a été inventée en 1893, et à cette époque un autre processus, le soudage oxycoupage, s'est diffusé.
L'acétylène a été découvert en 1836 par Edmund Davy, mais il n'a pas été utilisé en soudage avant 1900, quand un chalumeau pratique a été développé. Dans un premier temps, le soudage oxyacétylénique a été l'un des procédés de soudage les plus populaires en raison de son coût et de sa facilité d'utilisation. Au cours du XXe siècle il a régressé pour les applications industrielles. Il a été en grande partie remplacé par le soudage à l'arc, avec des électrodes revêtues qui stabilisent l'arc et protègent le matériau de base des impuretés.
La Première Guerre mondiale a provoqué une hausse importante de l'utilisation des procédés de soudage, avec les différentes puissances militaires qui tentent de déterminer parmi les nouveaux procédés de soudage celui qui serait le plus efficace. Le plus utilisé a été le soudage à l'arc britannique, qui a servi à la construction d'un navire, le Fullagar avec une coque entièrement soudée. Le soudage à l'arc a été d'abord appliqué aux avions pendant la guerre et, par exemple, dans certains fuselages d'avions allemands qui ont été construits en utilisant ce processus. Il faut également noter le premier pont routier soudé dans le monde, le pont de Maurzyce conçu par Stefan Bryła de l'École polytechnique de Lwów en 1927, et construit à travers la rivière Słudwia près de Łowicz, en Pologne en 1928.
Durant les années 1920, des progrès importants ont été faits dans la technologie de soudage, y compris l'introduction de soudage automatique en 1920, dans lequel le fil d'électrode a été alimenté en continu. Le gaz de protection est devenu un sujet recevant beaucoup d'attention, que les scientifiques ont mis au point pour protéger les soudures des effets de l'oxygène et l' azote de l'atmosphère. La porosité et la fragilité étaient les principaux problèmes dus au soudage et des solutions qui ont été développées comme l'utilisation de l'hydrogène, l'argon et l'hélium comme atmosphères de soudage. Au cours de la décennie suivante, de nouvelles avancées sont permises pour le soudage des métaux réactifs comme l'aluminium et le magnésium. Les développements du soudage automatique, du soudage avec courant alternatif, et sous flux ont permis une expansion du soudage à l'arc au cours des années 1930, puis au cours de la Seconde Guerre mondiale. En 1930, le premier navire marchand entièrement soudé, M/S Carolinian, a été lancé.
Au milieu du XXe siècle, de nombreuses nouvelles méthodes de soudage ont été inventés. La mise au point du soudage de goujons date de 1930, et s'est développé dans la construction navale et la construction. Le soudage à l'arc a été inventé la même année. En 1932, un Russe, Konstantin Khrenov (en), a mis au point le soudage à l'arc sous l'eau. Le soudage à l'arc sous gaz inerte de tungstène, après des décennies de développement, a finalement été perfectionné en 1941, et le soudage à l'arc métallique sous gaz a été mis au point en 1948, permettant le soudage rapide des matériaux non ferreux mais nécessitant des gaz de protection coûteux. Le soudage à l'arc métallique protégé a été développé au cours des années 1950, en utilisant une électrode consommable enrobée, et il est rapidement devenu le processus le plus populaire de soudage à l'arc métallique. En 1957, le processus de soudage à l'arc fourré a débuté, dans lequel l'électrode de fil auto-blindé peut être utilisée avec un équipement automatique, ce qui entraîne des vitesses beaucoup plus élevées de soudage, et cette même année, le soudage à l'arc de plasma a été inventé. Le soudage vertical sous laitier ou Electro Slag Welding (ESW) apparaît en 1958, et il a été suivi par son cousin, le soudage électrogaz, en 1961. En 1953, le scientifique soviétique N. F. Kazakov a proposé la liaison par diffusion méthode (DFW).
Un autre développement récent du soudage est la percée du soudage par faisceau d'électrons en 1958, qui rend possible un soudage profond et étroit grâce à la source de chaleur concentrée. À la suite de l'invention du laser en 1960, le soudage par faisceau laser a débuté plusieurs décennies plus tard, et a démontré être particulièrement utile à grande vitesse dans le soudage automatisé. Le soudage par impulsion magnétique (MPW) est utilisé industriellement depuis 1967. Le soudage par friction malaxage a été inventé en 1991 par Wayne Thomas au Welding Institute (TWI, Royaume-Uni) et a trouvé des applications de haute qualité partout dans le monde. Ces quatre nouveaux processus continuent d'être très coûteux en raison du coût élevé de l'équipement nécessaire, et cela a limité leurs applications.
Procédés de soudage de pièces métalliques
Soudage oxyacétylénique
(procédé 311 selon l'ISO 4063)
L'énergie thermique, générée par l'oxycombustion d'un mélange gazeux combustible et comburant, focalisée à la sortie de la buse du chalumeau, est utilisée pour faire fondre les bords à souder. Lorsqu'un métal d'apport est nécessaire, celui-ci se présente sous la forme d'une baguette métallique du diamètre approprié tenue à la main et apportée de proche en proche dans le bain de fusion. La baguette de brasage pour effectuer la soudure doit contenir une quantité minimum des deux alliages à souder pour que celui-ci se fasse avec succès1.
Soudage aluminothermique
(procédé 71 selon l'ISO 4063)
Utilisé pour la réparation de pièces massives telles que les rails de chemin de fer, c'est une méthode de soudage chimique : le joint à réaliser est emprisonné dans une forme, que l'on remplit d'un mélange pulvérulent à base d'aluminium et d'oxyde de fer. Les pièces à souder sont chauffées au rouge et le mélange est ensuite enflammé ; la réduction de l'oxyde de fer par l'aluminium provoque la fusion et l'alumine produite est expulsée vers le haut par décantation.
Soudage électrique par résistance
(ou par points, ou à la molette, ou PSE, ou PSR procédé 2 selon l'ISO 4063)
Le soudage est réalisé par la combinaison d'une forte intensité électrique et d'une pression ponctuelle. Ce procédé ne nécessite pas d'apport extérieur. L'intensité électrique chauffe la matière jusqu'à la fusion. La pression maintient le contact entre l'électrode et l'assemblage. Pour souder, une pince plaque l'assemblage avec des embouts, ou des électrodes en cuivre, matière bonne conductrice de l'électricité et de la chaleur, ce qui permet de moins chauffer la zone de contact avec cette pince et d'en éviter la fusion, qui se trouve limitée à la zone de contact entre les deux feuilles à souder. Cette technique est donc dépendante de la résistivité (résistance électrique) des matières, de l'épaisseur totale de l'assemblage et du diamètre des électrodes. Ce procédé est majoritairement utilisé dans l'assemblage de tôle d'acier de faible épaisseur (< 6 mm). Cette technique bénéficie d'un savoir-faire très important et d'une productivité incomparable (dans le domaine d'application). Pour exemple, une caisse automobile est assemblée à plus de 80 % par des points soudés.
Il peut s'agir également d'un soudage par bossages2, sur des pièces ayant subi au préalable un emboutissement.
Soudage à l'arc électrique avec électrodes enrobées
Générateur de courant de soudage
(MMA : Manual Metal Arc, ou SMAW : Shielded Metal Arc Welding selon les normes américaines ou encore procédé 111 selon l'ISO 4063)
La chaleur nécessaire au soudage est générée par un arc électrique établi entre une électrode enrobée et la pièce à souder. Le métal fondu est protégé par un flux solide. Ce flux est appelé enrobage sur l'électrode ou laitier3 sur le cordon de soudure.
Soudage à l'arc sous flux
Aussi appelé « arc submergé » : le procédé SAW (Submerged Arc Welding) consiste à effectuer un joint de soudure sur de l'acier à l'aide d'un arc électrique qui est submergé de flux en poudre. Ce procédé de soudage est effectué à l'aide d'un robot, ce qui lui apporte une grande régularité. Deux robots de ce type positionnés l'un en face de l'autre (joint en « T ») peuvent effectuer une soudure pleine pénétration d'un acier de forte épaisseur sur de longues distances (plusieurs mètres). Ce procédé est surtout utilisé pour la fabrication de pièces en série.
Soudage à l'arc avec électrodes non fusibles
Soudage à l'arc avec électrode fusible sous flux gazeux
(Soudage TIG : Tungsten Inert Gas, GTAW : Gas Tungsten Arc Welding selon les normes américaines ou encore procédé 141 selon l'ISO 4063)
Un arc électrique est établi entre l'extrémité d'une électrode réfractaire en tungstène (qui peut être en tungstène pur, thorié 1 % et 2 % ou en Zirconium mais celui-ci exclusivement pour le soudage de l'aluminium) et la pièce à souder, sous la protection d'un gaz inerte (argon, hélium ou mélange argon-hélium). Le métal d'apport est ajouté si nécessaire sous forme d'une baguette ou d'un feuillard placé dans le bain de fusion et ne doit pas traverser l'arc électrique ni venir en contact avec la pointe de l'électrode. Ce procédé peut s'automatiser voire se robotiser dans le cas fréquent du soudage TIG orbital.
Soudage à l'arc avec fil électrodes fusibles ou soudage semi-automatique
Éclaté d'une torche de soudage MAG / GMAW.
(1) Tête de torche de soudage
(2) Isolant électrique (pièce en blanc) et embout de vissage du tube contact (pièce en jaune)
(3) Diffuseur de gaz(argon ou hélium)
(4) Embout du tube contact-type
(5) Buse métallique
(soudage MIG-MAG : Metal Inert Gas-Metal Active Gas, GMAW Gas Metal Arc Welding selon les normes américaines ou encore procédé 131 (MIG) ou 135 (MAG) selon l'ISO 4063).
Un arc électrique est établi entre l'extrémité d'une électrode consommable et la pièce à assembler, sous la protection d'un mélange gazeux dont la nature dépend du type de soudure réalisée. L'électrode, amenée automatiquement de façon continue depuis un dévidoir, se présente sous la forme d'un fil massif ou fourré.
Soudage orbital
Le soudage orbital est un procédé de soudage spécial pendant lequel la torche de soudage tourne sans interruption à au moins 360° autour d’une pièce fixe (composant cylindrique, tel qu’un tube).
Soudage laser
(LBW : Laser Beam Welding)
L'énergie est apportée sous forme d'un faisceau laser. Les sources laser peuvent être de type CO2, Nd:YAG ou LED.
Principe du soudage laser
Un système optique concentre l'énergie du faisceau laser, (1 × 105 W/cm2 à 1 × 106 W/cm2) et génère un capillaire rempli de vapeurs métalliques dont les parois sont tapissées de métal liquide en fusion. Le bain de fusion ainsi créé est déplacé et le métal liquide se resolidifie après le passage du faisceau assurant la continuité métallurgique entre les pièces.
Plusieurs études sont en cours sur ce procédé, notamment au Centre des technologies de l'aluminium4 du CNRC (Canada).
Soudage plasma
(PAW : Plasma Arc Welding)
Considéré comme une évolution du soudage TIG, il s'en distingue par le fait que l'arc est contraint mécaniquement (constriction mécanique) ou pneumatiquement (constriction pneumatique), générant ainsi une densité d'énergie supérieure. L'arc peut jaillir entre la tuyère et l'électrode (arc non-transféré) ou entre la pièce et l'électrode (arc transféré) voire être semi-transféré. Le soudage plasma peut être réalisé sans chanfrein sur un assemblage en bout à bout d'un dixième de mm jusqu'à des épaisseurs de 8 mm. Dans ce cas, il nécessite très peu de métal d'apport. Il est utilisé quasi exclusivement en mode automatisé (robot) et les vitesses de soudage sont élevées (dizaines de cm par seconde). Cette méthode permet de souder à des températures atteignant les 10 000 °C.
Il permet de souder les aciers « noirs », les aciers inoxydables et l'aluminium5.
Soudage par faisceau d'électrons
(EBW : Electron Beam Welding)
Utilise l'énergie cinétique des électrons projetés dans une enceinte sous vide et focalisés sur la pièce à souder pour créer une zone fondue.
Soudage par friction
Ce type de soudage est obtenu par l'échauffement de deux pièces pressées et en mouvement l'une par rapport à l'autre. Le mouvement relatif entraine un échauffement de l'interface jusqu'à plastification locale du matériau, puis soudage par diffusion atomique. La qualité de la liaison ainsi obtenue est supérieure à celle des matériaux utilisés. Il n'y a pas de métal d'apport. On peut souder des matériaux différents.
On distingue deux familles de soudage par friction :
- Le soudage linéaire (LFW, Linear Friction Welding), obtenu par un mouvement d'aller/retour linéaire. Une variante, appelée friction orbitale, permet la génération d'un mouvement ovoïde de la pièce en lieu et place du mouvement linéaire.
- Le soudage rotatif, obtenu par rotation relative des deux pièces (méthode utilisée pour souder les deux parties d'une soupape d'un moteur thermique).
Ce dernier type se compose de deux familles :
- Le soudage à friction pilotée, pour lequel le couple du moteur d'entraînement est transmis directement à la pièce en rotation.
- Le soudage à friction inertielle, qui utilise un volant d'inertie pour fournir le couple de frottement.
Soudage par friction malaxage ou soudage thixotropique
Le « friction stir welding » (FSW) est le procédé de soudage le plus récent de tous. Il a été inventé par Wayne Thomas et breveté par le TWI en 1991. Les outils utilisés pour le soudage FSW de l'acier doivent être très durs et très résistants, ce qui concentre aujourd'hui les applications du FSW surtout pour le soudage des alliages d'aluminium, magnésium, plomb et cuivre. Dans le cas du soudage de l'aluminium, les outils sont en acier trempé. Le FSW permet de souder des alliages d'aluminium qui sont difficiles voire impossibles à souder avec les autres techniques comme les séries 2000 ou 7000 parce que la température n'atteint pas la fusion du matériau.
Comme la soudure est réalisée à l'état solide du matériau à assembler, des forces importantes sont générées sur l'outil. Cela nécessite l'utilisation de machines spécifiques de type portique. Pour baisser le coût d'investissement, des robots industriels peuvent être mis en œuvre pour des épaisseurs à souder inférieures à 8 mm. Pour de plus fines épaisseurs, des essais sont réalisés sur des commandes numériques de type fraiseuse.
Ses applications principales se retrouvent dans la fabrication de trains (le TGV par exemple), de pièces automobiles, de structures de bateaux, de composants pour l'aviation ou l'espace. L'Eclipse est un avion d'affaire américain où les rivets ont été systématiquement remplacés par des soudures FSW.
Plusieurs études sont en cours sur ce procédé :
- à l'Institut Maupertuis en Bretagne (France) pour le FSW robotisé ;
- à l'Institut de Soudure en Lorraine (France) ;
- à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) (Canada) ;
- au Centre des technologies de l'aluminium du CNRC situé à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) (Canada)4 ;
- à TWI à Abington et à Sheffield en Grande-Bretagne;
- au Centre d'Étude Wallon de l'Assemblage et du Contrôle (Belgique).
Soudage hybride
Le soudage hybride est la combinaison des deux procédés, plusieurs d'entre elles ont été étudiées dont :
- LASER + TIG (Tungsten Inert Gaz)
- LASER + Plasma
- LASER + GMAW (Gaz Metal Arc Welding) plus communément connu sous le nom de soudage MIG/MAG.
Le fait de combiner les procédés permet une certaine synergie. Les avantages des procédés sont gardés, leurs inconvénients sont éliminés tout en augmentant de façon considérable la productivité. Certains de ces procédés permettent de réaliser des cordons de soudure en une passe, à vitesse élevée (de l'ordre du mètre par minute) sur des tôles/plaques d'acier et autres matériaux d'épaisseurs importantes. Les procédés hybrides, en particulier LASER + GMAW, sont encore au stade de développement. Malgré de nombreuses études et publications scientifiques assez prometteuses, leur utilisation à l'échelle industrielle est encore marginale. Projets de recherche collective concernant le soudage hybride :
- HYPROSOUD (2007-2011, dont la base de données d'essais est disponible en ligne)
- HYLAS (2006-?)
Soudage électrogaz
Se rapproche de la fonderie.
Le soudage électro-gaz est un développement du soudage sous laitier électro-conducteur auquel il ressemble quant à sa conception et son utilisation. Au lieu de fondre dans un laitier, l'électrode fond dans un arc entouré d'un gaz de protection, comme en soudage MIG / MAG. Cette méthode est utilisée pour des tôles de 12 à 100 mm ; un balayage est utilisé pour des épaisseurs supérieures. Le joint est normalement préparé en « I », avec un espace. On utilise aussi des préparations en « V ». En réalisation de joints verticaux, sur de gros réservoirs par exemple, des économies importantes sont faisables, comparativement au soudage MIG / MAG
Soudage par diffusion
Consiste à se servir du phénomène de diffusion des atomes pour créer une liaison.
Il est très utilisé pour effectuer des pièces creuses renforcées à partir de plusieurs tôles en titane. Dans ce cas, on tire au vide à l'inter-tôles et on presse avec une pression de gaz argon par l'extérieur. Cette opération est réalisée à 920 °C.
Soudage par explosion
Cette technique découverte fortuitement en 1957 lors d'essais de formage par explosion, est essentiellement employée pour assembler des métaux de nature différente, par exemple de l'aluminium sur de l'acier. Généralement, il s'agit de profilés pré-soudés qui permettent ces assemblages (ex : superstructures en aluminium sur un bateau à coque en acier dans le but d'abaisser le centre de gravité).
Les métaux à assembler sont superposés selon un certain angle et recouverts d'une couche uniforme d'explosif, la combustion rapide (détonation) de celui-ci provoque une fusion en coin qui se propage sur toute la surface mêlant les deux métaux. Ce type de soudure n'est pas sujet par la suite à la corrosion galvanique. Les résultats présentent à l'interface des propriétés particulières.
Soudage par impulsion magnétique
Le soudage par impulsion magnétique est une technique encore peu connue. Cet assemblage se réalise (presque) à froid et résulte d’une force magnéto-mécanique appliquée à l’une des pièces à souder qui en quelque sorte s’encastre violemment et mécaniquement dans l’autre pièce à souder maintenue fixe. Cette technique permet de souder des matériaux conducteurs qui ont des points de fusion éloignés (par ex.: aluminium-acier). Il est également possible de faire du formage et étampage de pièces.
Soudage par ultrasons
Soudage « à l'eau déminéralisée »
Il s'agit d'une alternative aux postes à souder à l'acétylène. Depuis 2013, les soudeurs peuvent se passer de bouteille de gaz. Quelques décilitres d'eau permettent de produire par électrolyse de l'eau de l'hydrogène et de l'oxygène purs 6
Problèmes liés à la soudabilité
Les problèmes liés à la soudabilité peuvent être regroupés en trois familles :
- Les problèmes dits de soudabilité opératoire, qui concernent la mise en œuvre du soudage comme la validationNote 3 du mode opératoire de soudage par exemple ;
- La soudabilité globale, qui est liée à la tenue en service, par exemple les dilatations et contraintes, des équipements soudés ; et
- La soudabilité métallurgique, qui consiste à produire les propriétés métallurgiques et/ou mécaniques du joint soudé compatibles avec les exigences de la conception, comme dans le cas du soudage de l'acier à 9 % Ni qui à ce jour (2015) ne peut être assemblé par soudage qu'avec un métal d'apport de nature différente et de propriétés mécaniques inférieures.
Métallurgie du soudage
L'opération de soudage occasionne de par son apport énergétique et parfois par l'apport de métal des perturbations métallurgiques au niveau du joint soudé. Ces modifications vont affecter les microstructures de la zone fondue et des zones affectées thermiquement.
Par exemple, dans le cas du soudage des aciers, le joint soudé peut être soumis à divers problèmes qui ont pour origine ces perturbations7 :
- La sensibilité à la fragilisation à froid dont l'origine est liée à la structure atomique du métal, la diffusion de l'hydrogène protonique, la composition chimique et les phases métallurgiques en présence ainsi que le taux de contraintes mécaniques ;
- La sensibilité à fragilisation à chaud qui est liée à la teneur en impuretés à bas points de fusion comme le plomb, l'étain, l'arsenic, l'antimoine, le phosphore, les contraintes générées par les dilatations et le retrait pendant l'élaboration du joint soudé générant des problèmes de liquation ;
- La sensibilité à la corrosion essentiellement due à la création de composés chimiques pendant l'élaboration du joint soudé comme l'appauvrissement en chrome des aciers inoxydables par la formation de carbures du genre Cr23C6 au sein de la matrice.
Ces problématiques concernent aussi bien la zone fondue (qui est passée à l'état liquide au cours de l'opération de soudage) que la zone affectée thermiquement. La zone affectée thermiquement appelée ZAT est le siège de modifications métallurgiques du métal de base qui peuvent induire des fragilités, des baisses de résistance mécanique, des manques de ductilité… Ces modifications dépendent du matériau soudé, du procédé utilisé, du mode opératoire suivi…
Exemples :
- Dans les aciers C-Mn et les aciers faiblement alliés, la ZAT est le siège d'une augmentation des propriétés mécaniques (Re, Rm) et de chute de ductilité.
- Dans les aciers thermomécaniques à très haute limite élastique Re > 690 MPa, on peut trouver dans certaines parties de la ZAT un phénomène d'adoucissement qui efface les effets du laminage thermomécanique et qui diminue la limite élastique et la limite à la rupture.
- Un alliage d'aluminium de la série 5000 soudé bout à bout présente toujours une baisse de propriétés mécaniques en ZAT.
- Un acier inoxydable austénitique du type 304 L soudé présente souvent une diminution de sa tenue à la corrosion au niveau de la soudure.
- Les alliages de titane sont très sensibles aux phénomènes d'oxydation pendant l'opération de soudage, qui peut faire chuter de manière drastique les propriétés mécaniques du joint soudé.
Tenue mécanique d'un joint soudé
Les modifications métallurgiques influent sur la tenue mécanique du joint soudé. Aussi faut-il s'assurer d'obtenir une tenue mécanique suffisante, et tenir compte des soudures dans le calcul et le dimensionnement des pièces.
L'opération de soudage engendre de plus la création de contraintes résiduelles dues au retrait créé par l'opération de soudage sur les pièces. La tenue à la fatigue des assemblages soudés est une problématique fondamentale dans la conception des appareils soudés. Les défauts géométriques des cordons de soudures jouent un grand rôle dans la tenue à la fatigue des assemblages soudés.
Défauts de soudure
Fragilité produite par la ségrégation
Le soudage implique généralement de chauffer localement le métal, il s'agit d'un traitement thermique local. Il y a donc une modification locale de la microstructure et de l’état métallurgique de la zone du métal affectée par le chauffage (ZAT : zone affectée thermiquement). En effet, le cycle de température inhérent au soudage perturbe les conditions d'équilibres et les propriétés telles qu'elles existaient à la livraison du matériau.
Le chauffage active un certain nombre de mécanismes, dont notamment la diffusion des atomes. Il se produit donc un phénomène appelé « ségrégation » : le métal n'étant pas pur, les atomes étrangers (impuretés, éléments d'alliage) migrent vers les joints de grain.
Ceci peut entraîner une fragilisation des joints de grain, et ainsi faciliter la rupture fragile intergranulaire. Pour éviter ce problème, on effectue parfois un recuit de mise en solution, voire selon les cas, une hypertrempe de la pièce (cas de certains aciers inoxydables).
Corrosion au cordon de soudure
La soudure est la juxtaposition de deux métaux différents. On peut alors avoir un phénomène de corrosion galvanique. Ce défaut peut se présenter dans le cas du soudage hétérogène d'un assemblage mal conçu, sous réserve de la présence d'un électrolyte.
De plus, on peut également voir apparaître un phénomène de corrosion interfaciale, comme cela peut être rencontré lors de la ségrégation du bore aux joints de grains dans les bases nickel, ou lors de la ségrégation du carbone aux joints de grains dans les aciers inoxydables.
Porosités
Il s'agit de défauts sphériques creux qui peuvent être ou non débouchant. Elles sont causées par les courants d'air, le manque de gaz, l'obstruction de la buse, un mauvais angle de soudage, de l'eau ou des impuretés dans le joint à souder…
Soufflures
Ce terme désigne un groupe de porosités non débouchantes. Quand elles sont allongées, on parle de soufflures vermiculaires. Si elles sont débouchantes, on parle alors de piqûres.
Inclusions
Elles désignent un composé étranger à la soudure et peuvent contenir du tungstène (Cas du Soudage TIG) ou du laitier (Soudage à l'électrode enrobée ou "baguette") ou encore des oxydes.
Retassures
C'est le nom donné à l'espace vide créé au sein du métal fondu lors de la solidification (le volume liquide génère un plus petit volume solide), ce défaut peut être typique du procédé de soudage par résistance.
Criques de solidification
Même défaut que les retassures sauf que le défaut est non apparent, à part dans le cas de l'artéritique[incompréhensible]. La crique de solidification est un défaut de fonderie.
Excès de pénétration
Métal débordant du côté envers du cordon.
Collage ou manque de pénétration
Le métal de base n'est pas fondu, ce qui diminue la section efficace de la soudure. On distingue le collage noir où l'interface entre le métal de base et la soudure est vide (par contrôle radiographique apparaît une tache sombre sur les clichés) et le collage blanc, où l'interface est cette fois-ci comblée par des oxydes fondus (cette variété est indécelable par contrôle radio).
Pour limiter le risque de collage dans certaines configurations, il est possible d'utiliser la technique du « beurrage » qui consiste à intercaler un apport de métal compatible avec les deux parties à souder.
Ce défaut de soudage peut intervenir notamment lorsque les pièces à souder ne sont pas maintenues à la bonne température. C'est le cas par exemple lorsqu'on cherche à souder une pièce d'apport (selle, renfort, etc.) sur une canalisation dans laquelle circule un fluide froid.
Fissuration
On distingue :
- La fissuration à froid causée par la présence combinée de contraintes mécaniques, d'hydrogène protonique et d'une phase fragile,
- La fissuration à chaud (ou plus exactement liquation) créée par la ségrégation dans le joint d'un eutectique à bas point de fusion par exemple et,
- Arrachement lamellaire (inclusions allongées dans le même sens que le sens de laminage de la tôle) au sein du métal (défaut rare qui n'existe presque plus chez les acieristes qui fabriquent des aciers propres exempt d'inclusion genre « MnS »),
- En ce qui concerne les aciers au chrome ou les aciers inoxydables, la formation de carbures de chrome Cr23C6 qui précipitent au niveau des joints de grains rendant ainsi les zones appauvries en chrome propice au développement d'une corrosion intergranulaire (le chrome pompé par le carbone n'assure plus son rôle de résistance à la corrosion).
Morsures ou défournis
Défaut où le métal de base est « creusé » sur une partie du cordon.
Caniveaux
Un caniveau est une morsure de grande taille proportionnellement à la grandeur du métal de base due à une trop grande chaleur du métal d'apport par rapport à l'épaisseur ou la densité du métal qui reçoit (voir mauvais paramètres du générateur de courant de soudage). Petit creux de chaque côté de la soudure.
Pollution ferreuse
La pollution ferreuse est une corrosion des aciers inoxydables causée par la destruction de la couche de passivation et activée par la présence de fer. Elle résulte généralement de l'utilisation d'outils métalliques (brosse, cisaille, etc.), après usinage et mise en forme, ou est la conséquence des projections de métal fondu lors d'opérations de soudage.
Défauts géométriques
Ces défauts peuvent être des défauts d'alignement entre les pièces, un cordon trop bombé…
Projections
Lors du soudage, des projections de métal d'apport en fusion peuvent se coller sur la surface des éléments à souder. Les projections ainsi collaient sur le métal sont appelées grattons.
Impacts sur la santé
Les trois risques principaux en soudage à l'arc sont :
- Les rayonnements de l'arc électrique.
- L'émission de fumées, de particules métalliques et, ou de vapeurs nocives.
- Les effets du courant électrique.
Les rayonnements de l'arc électrique, principalement les UV, brûlent certaines matières organiques, ils désintègrent les tissus de coton, une brève exposition peut provoquer un érythème de la peau caractérisé par des brûlures pouvant atteindre le troisième degré et leur action sur l'œil est particulièrement nocive, ils provoquent la conjonctivite, communément appelée « coup d'arc ». Les rayonnements infrarouges provoquent l'opacité du cristallin (cuisson de l'œil à froid) et à terme, la cataracte. Les rayonnements situés dans le spectre visible provoquent un éblouissement suivi d'une période de fatigue visuelle. Ces rayonnements sont beaucoup plus intenses dans les procédés de soudage à arc nu sans laitier de protection comme dans les procédés TIG et MIG par exemple. Les rayonnements réfléchis sont aussi dangereux et plus insidieux que les rayonnements directs de sorte que les personnes situées aux alentours du poste de soudage peuvent être agressées.
Le soudeur est aussi exposé à l'inhalation d'ozone, d'oxydes d'azote et de fumées de soudage (vapeurs métalliques, micro et nanoparticules de métal) qui provoquent de graves troubles de la santé si des moyens efficaces de ventilation et d'aspiration des fumées et des gaz ne sont pas mis en place8. Les métaux en particulier peuvent pénétrer dans les poumons et de là passer dans le sang.
Le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a classé les fumées de soudage dans le groupe 1 des agents cancérogènes avéré pour l'homme depuis 2017. De fait un certain nombre de composés cancérogènes ont été mis en évidence lors des opérations de soudage, en particulier le chrome hexavalent lors du soudage d'alliages inoxydables contenant une forte quantité de chrome9.
On a aussi récemment constaté10 que les gaz et fumées de soudage pouvaient affecter le système olfactif ; dans une étude faite par des chercheurs de l’université de Pennsylvanie publiée début 2008 dans la revue américaine Neurology, lors d'un test de reconnaissance des odeurs, 88 % de 43 soudeurs (employés à la maintenance des ponts de la région de San Francisco) ont obtenu des scores très inférieurs à ceux des sujets « témoin ». 7 % avaient même totalement perdu leur odorat. Près de 50 % des salariés testés n'avaient pas même remarqué qu'ils avaient perdu une partie de leur capacité olfactive, bien que celle-ci soit aussi souvent accompagnée d'une perte du sens du goût. Ceci est un danger supplémentaire pour des professionnels qui ne réagissent plus (ou mal) à l'odeur des incendies, émanations de fumée, moisissures ou fuite de gaz ou de polluants toxiques.
Après l’ingestion d’un produit toxique, ou après l'inhalation de fumées dégagées pendant une opération de soudage, il a pu être conseillé, dans le passé, de boire du lait. Cette pratique est fortement déconseillée car elle aggrave l'intoxication, par exemple en faisant descendre dans l'estomac les éventuels dépôts toxiques présents sur les muqueuses. En cas d'ingestion ou d'inhalation de produits ou de fumées toxiques, il ne faut pas boire de lait ou d’eau. En cas de symptômes graves, il faut appeler le centre antipoison le plus proche.
Techniques connexes au soudage
Notes et références
Notes
- Parmi ces soudeuses de la compagnie Ingalls à Pascagoula se trouvent des championnes d'un concours de soudure qui les a rendues aussi renommées que Rosie la riveteuse.
- Sauf dans deux cas : le brasage diffusion (appelé aussi soudage à l'état solide) et le brasage à la forge. Dans ces deux cas il n'y a pas fusion à l'interface entre pièces à assembler mais la continuité métallique est néanmoins assurée par la mise en œuvre de processus de diffusion/migration d'atomes de part et d'autre de l'interface.
- La validation est vue ici comme la réussite ou la défaillance de l'application du mode opératoire de soudage en production.
Références
- « Collet Battu:tutoriel de réalisation par Lafit Plomberie plombier chauffagiste » [archive], sur plombier Ile de France dépannage, (consulté le )
- Principaux procédés de soudage par résistance [archive] décrits sur le site de MCI (Magazine Circuit Industriel). Consulté le 11 avril 2009.
- Un enrobage et trois rôles [archive]
- Centre des technologies de l'aluminium (CTA-CNRC) à Saguenay [archive]
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- Grégoire Noble(2019) Fini l'acétylène, maintenant on soude à l'eau [archive], batiActu, brève du 25/02/2019
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- Marcelo B. Antunes et coll., San Francisco/Oakland Bay Bridge Welder Study : Olfactory Function, vol. 69 n°12, Neurology, , p. 1278-1284
Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :
Bibliographie
- Normes de conception et calcul
- NF P22-470 « Assemblages soudés » (1989) ; remplacée par la suivante
- EN 1993-1-1 « Eurocode 3 — Calcul des structures en acier » (octobre 2005)
- Normes de mise en œuvre
- NF P22-47X ; remplacée par la suivante
- EN 1090-2 « Exécution des structures en acier et des structures en aluminium — Partie 2 : exigences techniques pour les structures en acier » (octobre 2011)
- Claude Hazard, Frédy Lelong et Bruno Quinzain, Mémotech — Structures métalliques, Paris, Casteilla, , 352 p. (ISBN 2-7135-1751-6), p. 249-292
- André Chevalier, Guide du dessinateur industriel : pour maîtriser la communication technique, Paris, Hachette, , 336 p. (ISBN 978-2-01-168831-6), p. 172-179
- Jean-Louis Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles : dessin industriel et graphes, matériaux, éléments de construction ou de machines..., Paris, Nathan/Afnor, , 623 p. (ISBN 978-2-09-161590-5), p. 223-244
Articles connexes
Liens externes
Chaudière
Au début de l'ère industrielle, le mot chaudière désignait un foyer et son échangeur dans les grosses installations de cuisine et de chauffage, dans les machines à vapeur et les locomotives à vapeur.
Dans son acception moderne, il désigne un appareil (voire une installation industrielle, selon sa puissance) permettant de transférer en continu de l'énergie thermique à un fluide caloporteur (le plus généralement de l'eau). L'énergie thermique transférée (source de chaleur) peut être soit la chaleur dégagée par la combustion (de charbon, de fioul, de gaz, de bois, de déchets, etc.), soit la chaleur contenue dans un autre fluide (chaudière de récupération sur gaz de combustion ou gaz de procédés chimiques, chaudière « nucléaire » recevant la chaleur du circuit primaire, etc.), soit encore d'autres sources de chaleur (chaudières électriques, chaudière numérique par exemple). Les chaudières sont aussi bien des systèmes industriels que domestiques.
À l'intérieur de la chaudière ce fluide caloporteur peut être soit uniquement chauffé (c'est-à-dire qu'il reste en phase liquide), soit chauffé et vaporisé, soit chauffé, vaporisé puis surchauffé (donc avec passage de phase liquide à phase gazeuse).
Définition
Définition scientifique
« Système permettant d'augmenter la température d'un fluide caloporteur afin de déplacer de l'énergie thermique ».
Définition légale
En France
Pour les puissances comprises entre 400 kW et 20 MW (article R 224-20 du code de l'environnement) : « l'ensemble corps de chaudière et brûleur s'il existe, produisant de l'eau chaude, de la vapeur d'eau, de l'eau surchauffée, ou modifiant la température d'un fluide thermique grâce à la chaleur libérée par la combustion1 ».
Décret no 2009-649 du , art. 1er : « Lorsque plusieurs chaudières sont mises en réseau dans un même local, l'ensemble est considéré comme une seule chaudière, dont la puissance nominale est égale à la somme des puissances nominales des chaudières du réseau et dont la date d'installation est celle de la chaudière la plus ancienne2. »
Au Québec
Contrairement à la définition donnée à ce terme en France, au Québec chaudière désigne un seau. Pour désigner un système de chauffage et de stockage d'un fluide caloporteur, le mot réservoir (de chauffage) ou son anglicisme tank s'y emploient couramment.
Types
Il existe une grande variété de chaudières. On peut classifier les chaudières suivant différents critères :
Classification par gamme de puissance
Les réglementations classifient les chaudières par gammes de puissance :
- Puissance inférieure à 70 kW : chaudières individuelles ;
- Puissance supérieure à 70 kW : chaudières de type industriel.
Classification par installation (chaudières à usage domestique)
Il existe deux types d'installation de chaudières domestiques :
- Chaudières au sol : Les chaudières au sol sont en général utilisées pour des habitations disposant d'un sous sol ou d'un garage. Elles occupent une place importante3 ;
- Chaudières murales : Les chaudières murales conviennent aux habitations de petite taille (appartements). Elles offrent une puissance moindre que les chaudières au sol.
Classification par application
Classification par type de fluide caloporteur
Une chaudière à vapeur pour moteur stationnaire.
Une chaudière échange de l'énergie thermique par l'intermédiaire de fluides caloporteurs qui ensuite la véhiculent jusqu'au point d'utilisation.
- Si le fluide caloporteur utilise la chaleur massique pour déplacer cette énergie le circuit est dit monophasique. Une pompe met en mouvement cette masse fluide chauffée, c'est le circulateur.
- Pour les fortes puissances sont utilisés des circuits diphasiques. Ils utilisent le cumul de la chaleur massique et de la chaleur latente de vaporisation. Ils ont une énergie spécifique plus élevée.
Les principaux fluides caloporteurs utilisés sont :
- l'eau (son traitement pour cet usage est important) :
- l'eau chaude est principalement utilisée dans les systèmes de chauffage de locaux d'habitation, commerciaux ou industriels. Dans le domaine du chauffage central domestique, c'est quasiment le seul fluide utilisé ;
- l'eau surchauffée est principalement utilisée dans le chauffage urbain. On peut aussi la trouver dans l'industrie. Pression et température courantes d'usage tournent autour de 20 bars à 180 °C avec retour à 90 °C.
- la vapeur d'eau :
- la vapeur saturée est principalement utilisée dans les procédés industriels. La vapeur produite par la chaudière sert alors à chauffer des fluides au travers d'échangeurs. Des machines spécifiques comme les machines à papier peuvent également avoir besoin d'une alimentation en vapeur ;
-
-
Vue d'un surchauffeur à l'intérieur du foyer d'une chaudière à charbon à tubes d'eau.
- la vapeur surchauffée sert principalement à être turbinée, généralement dans le but d'entraîner un alternateur pour produire de l'électricité. Ce principe est utilisé dans les centrales thermiques. Certaines industries ont des déchets à éliminer, ces déchets utilisés comme combustibles leur permettent de produire de l'énergie électrique et tout ou partie de l'énergie thermique nécessaire à l'usine. On parle alors de cogénération ;
- des fluides thermiques, généralement des huiles, permettant d'atteindre de hautes températures sans nécessiter des pressions élevées. Ils sont utilisés comme énergie thermique par exemple dans l'industrie des panneaux de bois aggloméré. L'utilisation de fluide thermique permet également de meilleures précisions dans la régulation de température. Cependant, l'utilisation de fluide thermique génère de nombreuses contraintes d'exploitation pour les industriels, ils sont de plus en plus remplacés par de la vapeur ;
- des sels fondus. Il s'agit alors de chaudières très spéciales qui n'ont pas ou peu d'exemples d'utilisation industrielle.
- Le sodium dans quelques usages nucléaires.
Classification par source de chaleur
Chaudières à combustion
Chaudières à combustibles liquides ou gazeux
Les chaudières à combustibles liquides et gazeux sont par construction très proches. Dans ce type de chaudière, l'élément assurant la combustion s'appelle le brûleur. Les combustibles utilisés sont principalement :
Une chaudière à combustible liquide ou gazeux peut comporter un ou plusieurs brûleurs.
Chaudières à combustibles solides
Il existe de nombreux procédés de combustion pour les chaudières à combustibles solides. On peut séparer les foyers à combustibles solides en trois grandes familles :
- les foyers à grille ;
- les foyers à lit fluidisé ;
- les foyers à charbon pulvérisé.
Les foyers à grilles
Les grilles à gradins constituent un plan incliné mouvant sur lequel le combustible brûle en couche. La couche de combustible est insérée en haut de la grille, souvent à l'aide d'un poussoir, et le mouvement de la grille fait avancer le combustible en ignition. En bas de la grille, il ne reste plus que les cendres qui sont évacuées dans une fosse. Les grilles à gradins sont plutôt utilisées pour les petites chaudières (jusqu'à 2 ou 3 MW environ) ou pour les ordures ménagères.
Les grilles mécaniques sont constituées d'un tapis roulant métallique perméable à l'air. Ces grilles utilisent le principe de combustion en couche. Elles sont utilisées presque exclusivement pour le charbon sur une très vaste gamme de puissance de quelques mégawatts à plus de 100 MW).
Le spreader stoker utilise le principe de projection du combustible dans tout l'espace de la chambre de combustion. Il est utilisé pour les charbons et combustibles végétaux pour des puissances allant de quelques MW à plus de 100 MW.
Les foyers « volcans » aussi appelés « understoker ». Le combustible est introduit par le dessous de la grille. Ce principe est utilisé pour des puissances n'excédant pas quelques MW.
Cette liste n'est pas exhaustive tant il existe de techniques de grilles.
Les foyers à lit fluidisés
Il existe plusieurs types de foyers à lit fluidisé : les lits fluidisés denses et les lits fluidisés circulant (souvent appelés LFC).
Les chaudières à lit fluidisé circulant sont utilisés pour des puissances généralement supérieures à 100 MW. Le lit fluidisé est généralement composé de sable, des cendres du combustible et parfois de calcaire, à haute température, brassées avec l'air primaire. Ces foyers peuvent fonctionner indifféremment avec du charbon, des schistes bitumineux ou des combustibles végétaux. Ils ont l'avantage de fonctionner à des températures de combustion à la fois relativement faibles de l'ordre de 850 °C et très homogènes, ce qui est favorable à de faibles rejets en NOx. L'injection de calcaire permet également une capture des oxydes de soufre. Le concassage nécessaire avant injection dans le foyer est moins important que le broyage fin du combustible pour les chaudières à charbon pulvérisé. La complexité de ce type de technologie fait qu'elle est réservée aux chaudières relativement puissantes. La plus importante chaudière à lit fluidisé circulant mise en service à ce jour délivre une puissance de 460 MW, à Lagisza, en Pologne, mais une unité de 600 MW est actuellement en cours de construction à Baima, en Chine, mais des modèles de basse puissance font leur apparition pour le chauffage de bâtisse[réf. nécessaire].
Les foyers à charbon pulvérisé
Le charbon pulvérisé est introduit dans la chaudière via un ou plusieurs brûleurs. Cette technologie est principalement utilisée dans les centrales électriques au charbon dont les chaudières ont des puissances de plusieurs centaines de MW6.
Chaudières de récupération
L'énergie thermique est récupérée d'un fluide chaud (gaz d'échappement d'une turbine à gaz ou gaz process dans l'industrie chimique, par exemple). Ces chaudières s'apparentent donc aux échangeurs de chaleur, mais doivent leur dénomination de chaudière au fait que le fluide caloporteur chauffé (généralement l'eau) y est vaporisé (au contraire des échangeurs de chaleur).
Entrent également dans cette catégorie les générateurs de vapeur des centrales nucléaires qui échangent la chaleur entre le circuit primaire et le circuit secondaire.
Chaudières électriques
L'électricité n'est pas à proprement parler un combustible. C'est cependant une source d'énergie qui est parfois convertie en chaleur dans des chaudières électriques. Il existe plusieurs principes de chauffe. Les chaudières à résistances chauffent l'eau à l'aide d'une résistance électrique immergée dans l'eau. Les chaudières à effet Joule chauffent l'eau à l'aide d'électrodes immergées dans l'eau. C'est alors l'effet joule de l'eau qui permet le chauffage de l'eau ou la vaporisation. Les chaudières ioniques projettent des ions à grande vitesse (280 km/s) à l’aide d’un champ électrique, provoquant l’échauffement du liquide caloporteur.
La rareté des chaudières électriques s'explique par le prix de l'électricité qui est une énergie plus coûteuse que la plupart des autres énergies. On trouve des chaudières électriques dans le domaine du chauffage central domestique, dans l'humidification de locaux équipés d'air conditionné (petites chaudières vapeur utilisées pour l'humidification), mais aussi dans l'industrie pour des puissances allant jusque quelques dizaines de MW. Du fait de l'absence de pertes d'énergie par la chaleur sensible des fumées, le rendement des chaudières électriques est souvent proche de 100 %[réf. nécessaire].
Chaudière numérique
La chaudière numérique embarque des micro-processeurs informatiques. En fonctionnant, ces microprocesseurs génèrent de la chaleur dite chaleur fatale. Celle-ci est récupérée pas des tuyaux en cuivre qui passent entre les micro-processeurs fixés sur des blocs d'aluminium7.
C’est une chaudière à circulation forcée qui dispose d’une composante hydraulique, thermique et électrique.
Un watt d'énergie sert pour deux utilisations: le fonctionnement des micro-processeurs et chauffer l'eau8.
Classification par construction
Chaudières à tubes de fumées
Chaudière tubulaire neuve destinée à la locomotive 030T
no 101
Pinguely du
CFBS
C'est historiquement le premier type de construction. Les premiers modèles utilisaient une circulation verticale, plus facile à réaliser, du fait de la convection des gaz, mais par la suite, on réalisa des chaudières avec un arrangement horizontal, plus adaptées à l'utilisation pour le chemin de fer ou la navigation.
Une chaudière à tubes de fumées est constituée d'un grand réservoir d'eau traversé par des tubes dans lesquels circulent les fumées. Le premier tube du parcours de fumées est un tube de plus gros diamètre qui constitue le foyer. Ce type de construction est aujourd'hui utilisé presque exclusivement pour les combustibles gazeux et liquides. En effet, la forme du foyer des chaudières à tubes de fumées rend difficile l'extraction des cendres. Lorsqu'elles sont utilisées avec des combustibles solides, le foyer est placé à l'extérieur de la chaudière proprement dite. Dans ce cas, le foyer est un avant foyer à tubes d'eau ou en réfractaire.
Ce type de construction est généralement réservé à des puissances n'excédant pas 20 ou 30 MW.
Chaudières à tubes d'eau
Dans cette construction, c'est le fluide caloporteur qui circule dans des tubes, les gaz chauds circulant à l'extérieur de ceux-ci. L'avantage de cette formule est surtout la sécurité de ne pas avoir de grandes quantités d'eau dans la chaudière même, qui pourraient en cas de rupture mécanique, entraîner une création explosive de vapeur. Elles ont également l'avantage d'avoir une plus faible inertie. Dans ce type de chaudière, le foyer a toujours un volume très important. De plus, le foyer a la possibilité d'être ouvert dans sa partie inférieure. Ce sont ces deux caractéristiques qui font qu'elles sont souvent utilisées avec des combustibles solides même pour des puissances de quelques MW seulement9.
Classement par type de circulation
À circulation naturelle
La circulation de l'eau dans une chaudière est très importante pour éviter la formation des zones sèches où le métal est susceptible de fondre se déformer ou s'oxyder prématurément sous l'effet de la chaleur.
Les chaudières à tubes d'eau à circulation naturelle comportent un réservoir supérieur (appelé ballon de chaudière), dont partent de gros tubes placés hors du feu (appelés « tubes de chutes » ou « descentes d'eau »). Ces tubes convoient par gravité l'eau soit dans un ballon inférieur, soit dans des « collecteurs ». Les tubes du foyer sont raccordés à ce ballon inférieur ou à ces collecteurs. L'eau remonte vers le ballon (supérieur) par ces tubes en recevant donc la chaleur du feu. Cette eau commence alors à se vaporiser. Comme la masse volumique de la vapeur est inférieure à celle de l'eau liquide, la différence de pression entre la colonne d'eau des descentes d'eau et la colonne d'eau et de vapeur des tubes de foyer met naturellement en circulation l'eau dans le circuit. L'eau parcourt plusieurs fois cette boucle (ballon, tubes de descente, tubes de foyer, retour au ballon) avant d'être évacuée du ballon sous forme de vapeur saturée.
À circulation assistée
Progressivement la pression de fonctionnement des chaudières s'est élevée, notamment pour obtenir de meilleurs rendements dans les centrales thermiques. Lorsque la pression dans le ballon atteint des valeurs de l'ordre de 180 bar, la différence de masse volumique entre eau liquide et la vapeur devient insuffisante pour assurer la circulation naturelle dans le circuit évaporatoire. On installe alors une pompe dans le circuit pour assurer la bonne circulation de l'eau.
À circulation forcée
Dans cette catégorie, on distingue les petites chaudières de chauffage central, des chaudières industrielles ou de centrales thermiques à haute pression.
Pour les premières, la circulation de l'eau dans les tuyauteries est assurée à l'aide d'une pompe appelée aussi circulateur dans le cas du chauffage central. Cette configuration facilite la conception des chaudières : il n'est pas nécessaire de s'assurer que les pertes de charges permettent une circulation naturelle par convection.
Pour les chaudières industrielles et les chaudières de centrales thermiques, ont été développées des technologies de chaudières à circulation forcée, sans ballon. En effet, l'accroissement des pressions de fonctionnement s'est heurté à la barrière technologique de la résistance mécanique des ballons de chaudière. En outre le rôle de séparation des phases liquide et vapeur du ballon, n'a plus de sens quand on atteint des pressions supercritiques. Dans les chaudières à circulation forcée (de type Benson ou Sulzer) l'eau ne circule pas plusieurs fois en boucle avant d'être vaporisée, mais rentre dans les tubes évaporateurs du foyer sous forme liquide et en ressort sous forme de vapeur saturée, d'où les appellations de chaudières « monotubulaires » ou de chaudières « once through ». La circulation de l'eau dans l'évaporateur est assurée par des pompes à très haute pression qui « poussent » l'eau, puis la vapeur successivement dans les tubes de l'économiseur, de l'évaporateur, puis des surchauffeurs.
Toutes les chaudières « supercritiques » sont nécessairement de ce type. Mais on en rencontre également dans des cycles sous-critiques, en concurrence avec les chaudières à circulation assistée. Leur avantage principal est alors leur plus faible durée de démarrage, avantage notable dans les centrales thermiques de pointe. Par contre, l'absence de ballon les rend plus exigeantes quant à la qualité de l'eau déminéralisée à utiliser.
Remarque
À l'intérieur d'une même chaudière on peut rencontrer ces différents types de circulations. Par exemple, dans une chaudière à vapeur surchauffée, la circulation peut être naturelle dans les tubes du foyer, assistée dans les épingles du parcours de fumée, forcée dans l'économiseur et dans le surchauffeur.
Classification par architecture
Cette classification ne concerne que les chaudières industrielles et de centrales thermiques. Dans ces chaudières, on distingue deux zones principales d'échange thermique :
- le foyer, où se développe(nt) la(les) flamme(s)et où les échanges thermiques se font essentiellement par rayonnement ;
- la zone de convection, dans laquelle divers échangeurs de chaleur (économiseurs, surchauffeurs…) sont installés et les échanges de chaleur sont par convection.
Chaudière à deux passes
C'est l'arrangement le plus répandu. Le foyer est surmonté d'un ou deux échangeurs et un carneau vertical arrière reçoit les autres échangeurs convectifs. Les gaz de combustion quittent le foyer par le haut puis redescendent dans le carneau arrière.
Chaudière tour
Cet arrangement se rencontre surtout en Allemagne, mais des exemples existent en Italie, France, Inde, Chine, Afrique du Sud, etc.
Dans cette architecture de chaudière, le foyer est surmonté de tous les échangeurs de la zone convective. Il s'ensuit une hauteur pouvant atteindre plus de 100 m.
Parmi les avantages d'une telle configuration, on citera la diminution des risques d'érosion et d'encrassement dans le cas de combustion de charbons très cendreux.
Exemples
Chaudière individuelle murale pour le chauffage des logements
Maquette de chaudière à vapeur pour navire, en cuivre et fonte.
Musée de la Marine, Paris.
- Une chaudière de chauffage central
- permet de distribuer de la chaleur dans différents locaux. La restitution de chaleur s'effectue à l'aide de radiateurs ou d'un plancher chauffant. Le fluide employé est généralement de l'eau. Un second circuit peut assurer la production d'eau chaude sanitaire (douche, etc.). Les fumées des chaudières standards contiennent de l'eau à l'état de vapeur produite lors de la réaction de combustion (voir PCI).
- Les chaudières à condensation
- un peu plus onéreuses, sont équipées d'un échangeur supplémentaire au niveau du rejet des fumées où circule l'eau de chauffage avant son introduction dans la chaudière. Ceci permet de condenser la vapeur d'eau contenue dans les produits de combustion et donc de récupérer l'énergie latente de condensation (voir PCS), donnant l'illusion d'un « rendement » supérieur à 1 quand celui-ci est exprimé en pouvoir calorifique inférieur (PCI). Ces chaudières sont intéressantes si la température d'introduction dans la chaudière est basse (environ 40 °C au lieu des 60 °C habituels). Il en existe de grande taille pour la biomasse-énergie, avec hydroaccumulation éventuellement. La durée de vie d'une chaudière de bonne marque et soigneusement entretenue chaque année peut dépasser 35 ans. Les chaudières de faible puissance (chaudière individuelle) ont une durée de vie de 15 à 20 ans10.
- Les chaudières pulsatoires
- qui obtiennent un rendement proche des 111 % PCI et reposent sur un principe de combustion différent des chaudières classiques11.
- Une chaudière de locomotive à vapeur
- chauffe de l'eau jusqu'au stade de la vapeur en surpression, cette vapeur en se détendant pousse des pistons pour délivrer une force mécanique qui est utilisée pour déplacer la locomotive12.
- Les systèmes de nettoyage vapeur
- en vogue dans les années 1990-2000 comportent une chaudière à circuit non fermé produisant la vapeur d'eau.
- Une chaudière industrielle
- utilisée pour fournir à un procédé industriel, chaleur et/ou force.
- Une chaudière de centrale nucléaire
- utilise la réaction nucléaire pour chauffer un liquide, jusqu'à ce qu'il se transforme en vapeur pour entraîner une turbine couplée à un alternateur13.
- La chaudière à bois
- utilise des bûches, plaquettes ou granulés de bois (appelés également pellets) comme combustible, ces derniers prenant la forme de cylindres compacts de résidus de bois14. Ces pellets sont introduits automatiquement via une « vis sans fin » dans le foyer. Généralement, le chauffage au bois n'est utilisé que pour les résidences secondaires ou comme chauffage d'appoint sauf en cas de présence d'une cheminée15. Le compactage et le faible taux d'humidité des pellets leur procurent un pouvoir calorifique important et un rendement relativement élevé16 :
- Pouvoir calorifique inférieur : 4,6 à 5,3 kWh/kg
- Taux d'humidité : < 10 %
- Teneur en cendres : <0,7 %
Législation européenne
À la suite des engagements de l’Europe face au Protocole de Kyoto, le Parlement et le Conseil de l’Union européenne ont adopté, en 2002, la Directive sur la performance énergétique des bâtiments (2002/91/CE) dans laquelle, pour ce qui est de la réduction de la consommation d'énergie et de la limitation des émissions de dioxyde de carbone, les États membres doivent prendre les mesures nécessaires pour mettre en œuvre une inspection périodique des chaudières utilisant des combustibles liquides ou solides non renouvelables, selon la puissance nominale. Les experts commis à cette tâche doivent donner aux utilisateurs des conseils sur le remplacement des chaudières, sur d'autres modifications possibles du système de chauffage et sur les solutions alternatives envisageables17.
Notes et références
- Chaudière " : l'ensemble corps de chaudière et brûleur s'il existe, produisant de l'eau chaude, de la vapeur d'eau, de l'eau surchauffée, ou modifiant la température d'un fluide thermique ... [archive], sur legifrance.gouv.fr, consulté le 6 novembre 2016.
- Décret n° 2009-649 du 9 juin 2009 relatif à l'entretien annuel des chaudières dont la puissance nominale est comprise entre 4 et 400 kilowatts [archive], sur legifrance.gouv.fr, consulté le 6 novembre 2016.
- Non trouvé le 6 novembre 2016 [archive], sur chaudiere-gaz.org
- Chaudières traditionnelles [archive], sur energieplus-lesite.be
- Les centrales thermiques [archive], sur perso.id-net.fr
- Devroe Sébastien, Étude de la combustion du charbon pulvérisé ...) [archive], sur inist.fr.
- Paul BENOIT, « La chaleur fatale informatique au service du système de chauffage ou de production d'eau chaude. », Le Moniteur, , p. 20-31
- « Avec sa chaudière numérique, Qarnot réinvente l’eau chaude | Zepros Bati » [archive], sur bati.zepros.fr (consulté le )
- Cours de chaudières à tubes d'eau [archive], sur azprocede.fr
- Analyse combustion [archive]
- chaudière pulsatoire [archive], sur ademe.fr
- La Construction des locomotives à vapeur en Belgique [archive], sur .tassignon.be
- Comment fonctionne une centrale nucléaire [archive], sur sfen.org
- La chaudière à granulés de bois [archive], L'énergietoutcompris, le 22 avril 2014
- « Quel type de chauffage choisir pour sa maison » [archive]
- Tableau des caractéristiques physiques de la norme EN 14961-2 granulés de catégorie A1 [archive] Pellet pratique sur info-energie-fc.org
Voir aussi
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Articles connexes
Radiateur (échangeur de chaleur)
Un radiateur, aussi appelé calorifère au Canada, est un dispositif qui permet l'échange de chaleur entre deux milieux. Il a pour fonction soit d'évacuer la chaleur d'un objet pour éviter sa surchauffe, soit de chauffer un espace ou un objet. Le radiateur opère par convection et par rayonnement, c'est à ce dernier mode de transfert thermique qu'il doit son nom.
Radiateur ancien à eau chaude en
fonte.
Domaines d'utilisation
Les domaines d'utilisation des radiateurs sont très vastes. Les radiateurs sont utilisés dès qu'il y a la nécessité d'échanger une grande quantité de chaleur dans un volume restreint.
Radiateur de chauffage
Les radiateurs de chauffage sont utilisés pour chauffer un local dans le but d'en contrôler la température. Ce sont essentiellement des échangeurs de chaleur, de plusieurs types.
Caractéristiques
Pour transférer de la chaleur efficacement, un radiateur doit être constitué d'un matériau ayant une forte conductivité thermique (d'où l'utilisation courante de métal) et posséder une grande surface d'échange entre les deux fluides, ce qui explique les formes souvent complexes employées. On fait parfois usage de convection forcée (ventilateur), qui accélère l'échange entre le radiateur et le milieu à chauffer.
La dissipation de chaleur par rayonnement dépend fortement de la température T, puisqu'elle s'exprime en T4, selon la loi de Stefan-Boltzmann.
D'autres facteurs interviennent dans le maintien d'une température de confort : l'isolation du bâtiment et des pièces, la présence de vanne thermostatique, etc.
Radiateur à eau alimenté par chaudière
Illustration de Notes on heating and ventilation, de John Robins Allen (1906).
Le radiateur à eau est le plus ancien. Un fluide caloporteur est chauffé dans une chaudière et circule dans un circuit d'éléments qui en transfèrent la chaleur à son environnement, essentiellement par transferts radiatif et convectif. Les contraintes techniques expliquant la forme et le fonctionnement d'un radiateur sont :
- transférer un maximum de chaleur du fluide vers son environnement, en optimisant les formes des surfaces de contact fluide caloporteur-paroi et paroi-environnement, afin de maximiser les échanges de chaleur et minimiser le volume du radiateur ;
- posséder une inertie thermique élevée permettant d’accumuler beaucoup de chaleur et de la relâcher lentement afin de chauffer continûment son environnement. Dans le cas contraire, une pièce deviendrait très chaude lorsque la chaudière fonctionne et très froide lorsque la chaudière est arrêtée ;
- utiliser un liquide possédant une capacité thermique importante, afin de limiter la baisse de la température du liquide entre la sortie de la chaudière et le radiateur, et permettant d’avoir un débit plus faible (moins de chute de pression). Ceci peut être réalisé, entre autres, en minimisant la quantité de bulles d’air dans l'eau afin d'optimiser la surface d’échange liquide caloporteur-interface (ces bulles ont aussi tendance à faire du bruit lorsqu’elles passent dans les tuyaux). Faire entrer l’eau par le bas du radiateur permet de le remplir lentement et de faire monter l'air vers le haut du radiateur et le tuyau de sortie et le robinet de purge. L’air accumulée en haut du radiateur devra être évacué en desserrant la molette de raccordement en haut du radiateur (et en la resserrant dès que l’eau suintera). Parfois, la purge est automatique et se fait au niveau de la chaudière.
- éviter que les saletés ne s’accumulent au bas des radiateurs n'obstruent les tuyaux en faisant entrer le fluide caloporteur par le bas ce qui permet que les grosses saletés décantent plus vite que l’eau ne les soulève et arrivent donc moins facilement dans les tuyaux ;
- être éteint/allumé et réglé en puissance à l'aide du robinet en sortie de radiateur (situé en haut de celui-ci) à tourner à la main. Il peut parfois s'agir d'un robinet thermostatique ;
- assurer un chauffage homogène dans toute la maison en dépit de la chute de pression grâce au robinet, ou vis réglable, permettant de faciliter ou de freiner l’entrée de l’eau dans le radiateur. Resserrer la vis des radiateurs proche de la chaudière permet d’éviter que toute l’eau du circuit ne passe par le radiateur et ne court-circuite toute la maison ; ouvrir la vis du radiateur en bout de circuit (qui reçoit donc peu de pression) permet d'y faciliter l'entrée de l’eau (et donc le chauffage) ;
- bloquer les entrées d’air froid d’une pièce, par le choix d'un emplacement favorisant les échanges thermiques entre le radiateur et son environnement. Ainsi, l'une des raisons pour lesquelles les radiateurs sont fréquemment placés sous les fenêtres est que cela augmente le phénomène de convection naturelle, mélangeant l'air froid à l'air chaud.
Un répartiteur de frais de chauffage extérieur peut également être installé à des fins réglementaires.
Radiateur électrique
Tous les radiateurs dont la propagation calorifique est convective requièrent un nettoyage régulier. Si cette convection est assistée ou forcée, le nettoyage doit être fréquent[pourquoi ?][réf. nécessaire].
Convecteur
Un convecteur est un caisson de section souvent rectangulaire (horizontale ou verticale) et de dimension variée selon la puissance. Il est placé en général à 20 cm du sol. Les parties hautes et basses sont ouvertes (parfois grillagées); la grille basse est l'entrée d'air frais et la haute la sortie d'air chaud. la circulation de l'air s'effectue par convection naturelle. À l’intérieur du radiateur le chauffage de l'air est effectue par des résistances munies d'ailettes afin d'augmenter la surface de diffusion.
Radiateur à convection assistée
Fonctionnement identique au convecteur, décrit ci-dessus à l'exception de la circulation de l'air plus ou moins augmenté par une petite turbine.
Radiateur à convection forcée
La totalité de l'air traversant est mise en mouvement forcé et le flux est rarement vertical vers le haut. Très souvent, ce flux est projeté ou oscillant. Il est parfois à sens anti-méthodique vers le bas (par exemple, les rideaux d'air chaud de l'entrée des magasins). La turbine peut être aussi bien axiale que radiale. Autres exemples : aérothermes, radiateur soufflant, etc.
Radiateur rayonnant ou radiant
Un chauffage radiant électrique diffuse la chaleur sous forme de rayonnement par l’intermédiaire d’une plaque métallique chauffée électriquement. Les radiateurs rayonnants produisent une chaleur transmise par rayons infrarouges, diffusée de manière homogène et rapide. Le chauffage par rayonnant étant plus efficace que les radiateurs électriques ordinaires, ils ont un meilleur rendement de diffusion. Ces appareils électriques sont les plus couramment utilisés dans les habitations1.
Radiateur à inertie
Les chauffages à inertie sont des radiateurs utilisant des corps de chauffe solides (inertie sèche) ou liquides (inertie à fluide caloporteur). Le principe est de garder le plus longtemps possible la chaleur produite électriquement dans le cas des chauffages électriques pour la diffuser dans l'habitat le plus longtemps possible. Les radiateurs à inertie font partie des modes de chauffage dits à chaleur douce2.
Radiateur à accumulation
Un radiateur à accumulation chauffe quasi continuellement. Pour ce faire, il utilise la chaleur emmagasinée la nuit au tarif heures creuses pour la restituer le jour. Généralement équipé de briques réfractaires, il émet de la chaleur en journée sans consommer d'énergie3.
Radiateur infrarouge
Un chauffage infrarouge permet un chauffage directionnel, mais ne chauffe que ce qui se trouve dans son axe, ce qui évite de disperser la chaleur pour les pièces avec de hauts plafonds. Ils sont conçus pour minimiser l'effet négatif de convection. Ces chauffages peuvent atteindre des rendements de 80 %4.
Radiateur halogène
Il faut distinguer le « chauffage infrarouge long » et les « radiateurs halogènes », souvent commercialisés sous le nom de « radiateur à infrarouge ». Les seconds, aussi appelés simplement « halogènes », sont utilisés comme chauffage d'appoint pour de petites surfaces types salles de bain.
Radiateur à bain d'huile
Dans les radiateurs à bain d’huile, le chauffage est assuré par des résistances électriques. La capacité thermique de l’huile étant plus faible que celle de l’eau, il faut moins d’énergie pour la chauffer, ce qui permet une montée plus rapide en température ; en contrepartie, elle doit être réchauffée plus fréquemment, donc nécessite une régulation plus fine. La chaleur d'un radiateur à bain d'huile se transmet du liquide vers l'acier puis vers l'air par convection et radiation5.
Radiateur numérique
Le radiateur numérique est une invention française brevetée en 20126. Il s'agit d'un radiateur électrique qui embarque des microprocesseurs comme source de chaleur. Ceux-ci exécutent à distance (par Internet) des opérations informatiques complexes pour des entreprises et, selon le principe élémentaire de l’effet joule, l’énergie consommée par les microprocesseurs est dégagée sous forme de chaleur7.
Depuis sa reconnaissance par le ministère de la Transition écologique français le 8, il bénéficie d’un « Titre V Système » et donc d’un abattement d’environ 70 % de sa consommation électrique dans les calculs de conformité à la Réglementation thermique 2012 (RT2012)9. En 2018, le premier bâtiment neuf intégralement chauffé par ce système10 est inauguré à Bordeaux, la résidence Florestine du bailleur social Gironde Habitat et le pôle de solidarité du conseil départemental de la Gironde11,12.
Radiateur automobile
Radiateur de refroidissement moteur d'automobile.
Du fait de leur faible rendement, les moteurs à combustion et explosion, équipant la plupart des véhicules automobiles, génèrent beaucoup de chaleur. La quasi-totalité des moteurs récents sont équipés d'un circuit de refroidissement comprenant un radiateur d'eau tubulaire inventé en 1897 par Wilhelm Maybach13 et amélioré par Samuel Brown14[source insuffisante].
Liquide de refroidissement
Le liquide de refroidissement circule dans le bloc moteur ainsi que dans la culasse, passant au plus près des zones de production de chaleur. Son utilité est de maintenir à une température optimum le corps du moteur (entre 75 et 110 °C15). Le fluide caloporteur est forcé par une pompe centrifuge dans des durits jusqu'à un radiateur, monté généralement face à la route, l'air extérieur au véhicule traverse le radiateur transférant l'énergie indésirable du moteur à l'air ambiant. Ce radiateur peut être en aluminium, ou en cuivre, qui bien que plus lourd, dissipe mieux l'énergiea. Il est généralement formé d'un faisceau de tubes verticaux entrecroisés, garnis d'ailettes dans lesquels l'eau de refroidissement circule. En hiver, on utilise un liquide antigel pour protéger le système de refroidissement et le moteur.
On trouve ce type de radiateur sur les motos et d'autres véhicules à moteur.
Huile de lubrification
Sur les véhicules dotés d'un carter humide, celui-ci assure l'essentiel du refroidissement du lubrifiant. Dans le cas du carter sec un radiateur d'huile externe est souvent nécessaire. Pour garantir son efficacité il est, la plupart du temps, situé à l'avant du véhicule, à côté du radiateur du liquide de refroidissement.
Dispositifs associés pour la régulation de la température
Plusieurs dispositifs permettant d'améliorer le fonctionnement d'un radiateur en régulant la température du fluide caloporteur :
- le flux d'air passant au travers du radiateur peut être accéléré par un ventilateur, entre autres lors de l'arrêt complet du véhicule, Le ventilateur peut être entraîné électriquement, et dans ce cas, il est souvent couplé a un thermocontact commandant son démarrage. Parfois il est entraîné mécaniquement avec la pompe à eau. Il est souvent aspirant, mais peut être monté soufflant, ce qui est plus efficace, mais pose des problèmes d'encombrements15 ;
- le « calorstat » permet au moteur d'atteindre sa température optimum de fonctionnement plus rapidement en créant un circuit fermé ne passant pas par le radiateur jusqu'à ce que la température prévueb soit atteinte.
Autres utilisations dans le domaine automobile
Dans d'autres cas, le fluide caloporteur peut être de l'huile, provenant du moteur, de la boîte de vitesses ou du pont.
Une autre utilisation du radiateur en automobile est sous forme d'échangeur air/air (souvent couplé à un dispositif de suralimentation), pour diminuer la température de l'air d'admission sortant d'un compresseur d'air, permettant d'améliorer le rendement de son cycle thermodynamique. En compétition, certains de ces échangeurs reçoivent des buses projetant de l'eau froide.
Composant électronique
L'électronique et l'informatique produisent de la chaleur qu'il est nécessaire de dissiper sous peine d'endommager le matériel. Ces domaines utilisent des petits radiateurs appelés dissipateur thermique qui peuvent être couplés à des ventilateurs (voir photo ci-dessous). Dans ce domaine on parle d'aircooling ou de refroidissement à air.
- Exemples de radiateurs électronique/informatique
-
Exemples de radiateurs utilisés pour le refroidissement en électronique.
-
Autres domaines d'utilisation
Le radiateur principal de la
station spatiale internationale peut évacuer 75 kW de chaleur qui est véhiculée par un circuit dans lequel coule de l'ammoniac
- Aéronautique : radiateur sur les ailes d'avion pour les empêcher de geler ;
- Industrie : dissipation de chaleur générée par un processus industriel. Un exemple historique de cette technique est la coulée du canon Rodman ;
- Astronautique : des radiateurs sont utilisés pour évacuer la chaleur générée par les composants électroniques (tous les engins spatiaux) et l'activité humaine (engins habités).
Notes et références
Notes
- Le type de calorstat doit parfois être adapté au climat dans lequel le véhicule doit circuler (très froids ou très chauds).
Références
- Choisir son radiateur rayonnant [archive], blog.radiateurplus.com
- Fonctionnement d'un radiateur à inertie [archive], les-chauffages.com
- Choisir son radiateur à accumulation [archive], les-chauffages.com
- Choisir son radiateur infrarouge [archive], les-chauffages.com
- Chauffage bain d’huile : comment ça marche ? [archive], sur radiateur-baindhuile.com (consulté le 14 décembre 2016).
- Institut national de la propriété industrielle, « Radiateur électrique utilisant des processeurs de calcul comme source chaude. » [archive]
, sur https://worldwide.espacenet.com/ [archive], (consulté le ).
- Institut national de la propriété industrielle, « Radiateur électrique utilisant des processeurs de calcul comme source chaude. » [archive] , sur worldwide.espacenet.com, (consulté le )
- « Arrêté du 26 novembre 2019 relatif à l'agrément des modalités de prise en compte du système de « radiateur numérique » dans la réglementation thermique pour les bâtiments existants » [archive] , sur legifrance.gouv.fr, (consulté le ).
- Anne-Laure Soulé, « Les radiateurs-ordinateurs de Qarnot décrochent un « titre V système » » [archive] , sur le-flux.fr.
- Bertrand Escolin, « Radiateur numérique et connecté : une première mondiale en Gironde » [archive] , Le Moniteur, (consulté le )
- Jean-Pascal Videau, « Première à Bordeaux : les ordinateurs chauffent gratuitement des logements sociaux » [archive] , sur Challenges, (consulté le ).
- « Résidence florestine : innovation technologique et sociale » [archive] , sur Conseil départemental de la Gironde, (consulté le ).
- Wilhelm Maybach (1846 - 1929) [archive], sur daimler.com (consulté le 21 novembre 2018).
- Le radiateur : cet élément essentiel au bon fonctionnement de votre véhicule [archive], sur centremecaniquepare.com (consulté le 21 novembre 2018).
Annexes
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Articles connexes
Liens externes
Chauffage
Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, à un matériau ou à l'air ambiant. On distingue le chauffage à des fins de confort thermique domestique et le chauffage à des fins industrielles (chauffage de pièces mécaniques, de procédés industriels, etc.).
Le confort thermique, en thermique du bâtiment, est assuré principalement par le chauffage des locaux et volumes de vie ainsi que par le chauffage de l'eau (eau chaude sanitaire, voire eaux de piscines). Le chauffage à des fins de confort est utilisé pour maintenir ou améliorer les conditions d'une ambiance agréable pour les êtres vivants, dans les espaces clos constituant les lieux de vie (bâtiments, habitacles de moyens de transports, piscines, etc.).
Un système de chauffage consomme de l'énergie sous une forme et la restitue sous forme de chaleur.
Par extension, le terme chauffage désigne aussi tous les systèmes destinés à assurer l'augmentation de température d'une pièce à vivre ou d'un processus de fabrication.
Capteur de chauffage solaire, toit de terrasse.
Histoire
La domestication du feu par Homo erectus est attestée à partir d’environ −450 000 ans, notamment dans les sites de Menez Dregan à Plouhinec en Bretagne, de Bilzingsleben en Allemagne ou de Vértesszőlős en Hongrie et plus récemment de Terra Amata près de Nice. Une équipe israélienne fait remonter les plus anciennes traces de la domestication du feu à −790 000 ans sur le site du Gesher Benot Ya'aqov au bord du Jourdain1.
On a probablement d'abord utilisé comme combustible le bois, les mousses et autres végétaux secs. En cas de pénurie ou de rareté du bois, les déjections d'animaux herbivores ont pu le remplacer (comme durant la Révolution française). En Chine, l'exploitation de la houille se fait depuis des temps immémoriaux2.
En France, l'usage du bois est encore assez général au XIXe siècle, mais son prix élevé fait progressivement croître la part du coke et la houille dans la consommation.
La cheminée est connue des romains, qui l'utilisent dans les hypocaustes, premier chauffage par le sol, inventé par les Grecs, dont le foyer se trouve en dehors du bâtiment et l'air est injecté sous le plancher2. On l'utilise dans les thermes de Gortyne, d'Olympie, de Syracuse, dès 300 av. J.-C. Pour les usages domestiques, on ne l'utilise pas souvent : il y a dans leurs ruines de Pompéi et Herculanum, absence complète de cheminées, ce qui indique que les Pompéiens comme beaucoup de Napolitains, encore au XIXe siècle, ont recours au brasero, quelquefois mobile, les gaz s’échappant par une tuile omise dans la couverture2.
C'est peut-être sous des latitudes plus septentrionales, où le chauffage a plus de justifications, que la cheminée à conduit fait son apparition. Au XIe siècle, les cheminée font définitivement partie de l'architecture3. Les premières cheminées n'utilisent que la chaleur rayonnante, causent un appel considérable d'air froid extérieur, ne débarrassent qu'incomplètement de la fumée et ne peuvent chauffer que les personnes placées immédiatement près du foyer2. La cheminée sera progressivement améliorée mais ne sera jamais un organe de chauffe bien performant.
XVIIe siècle
En 1619 paraît le premier ouvrage complet sur les poêles, publié par Franz Kessler (de)4. Son travail indique dès cette époque tous les principes du chauffage usités en Allemagne2.
En 1624 paraît en France un ouvrage de Louis Savot dans lequel apparaît l'isolement du foyer contre le mur et l'usage des chambres de chaleur5. Peu de progrès sont réalisés par la suite dans la conception des cheminées. Les efforts réalisés au XIXe siècle portent sur isolement complet du foyer, la multiplication des surfaces de chauffe et surtout de celles de transmission, l'introduction d'air extérieur préalablement chauffé au contact de la fumée2.
En France, beaucoup de maisons rurales à l'époque moderne ne disposent pas de véritable cheminée, souvent elles n'offrent aux occupants qu'un simple foyer installé sur le sol en terre battue. Si le poêle est fréquemment utilisé en Allemagne, il demeure plus rare en France où on lui préfère la cheminée. Cette tendance persiste jusqu'à la fin du XVIIIe siècle, mais à la veille de la Révolution, de plus en plus de foyers optent pour le chauffage au poêle, qui offre l'avantage de ne pas imprégner la maison de l'odeur de la fumée6.
À partir du XVIIIe siècle, l'énergie dégagée par le chauffage de l'eau produit des applications motrices dans les machines à vapeur.
XIXe siècle
Au XIXe siècle, un foyer ordinaire d'appartement peut déterminer par son tirage une évacuation de 800 à 1 000 m3 d'air par heure et malheureusement c'est là le rôle principal des cheminées, la ventilation. En effet cette évacuation d'air à l'extérieur, et par conséquent le refroidissement des pièces, sont d'autant plus considérables que le chauffage fonctionne avec plus d'activité. Rarement les prises d'air extérieur qu'on a ajoutées dans des systèmes de tuyaux plus ou moins contournés sont suffisantes pour alimenter la combustion et pour remplacer l'air ascendant du tuyau de fumée. Ce sont toujours les portes et les fenêtres qui viennent donner le complément d'air indispensable2.
En 1847, les combustibles employés dans les foyers des machines à vapeur, etc., sont au nombre de trois principaux7 : le bois, la tourbe et la houille. On compte donc trois combustibles qui, soumis à la « carbonisation » (en fait une pyrolyse), donnent naissance à trois nouveaux combustibles : le charbon de bois, le charbon de tourbe et le charbon de houille ou coke.
En 1857, l'industrie pétrolière naît en Roumanie, avec la première raffinerie à Ploieşti. Le fioul est progressivement utilisé dans le chauffage, et à partir de 1960, le gaz naturel.
En 1870, les combustibles employés dans le chauffage (avec leurs valeurs calorifiques par kilo) sont la houille (8 000 calories), les briquettes de houille agglomérées (8 000 calories), le coke des usines à gaz (7 000 à 7 500 calories), la tannée en motte (produit résiduel, sorte de sciure provenant de la préparation des cuirs au tannage végétal et qui sert de combustible bon-marché, 5 000 calories), le bois sec (3 500 calories) ou ordinaire (3 000 calories), le charbon de bois (6 000 calories), le gaz d'éclairage (gaz de houille) (6 000 calories par mètre cube), l'huile de pétrole (8 000 calories)8.
XXe siècle
Le début du XXe siècle est marqué par la maîtrise des techniques de la vapeur et les premières chaudières vapeur viennent équiper les immeubles d'habitation.
Dans les années 1910, les premiers chauffe-eaux solaires apparaissent aux États-Unis et avec eux les premiers systèmes de chauffage solaire.
Les systèmes de chauffage central (à eau chaude) remplaceront petit à petit les chauffages utilisant la vapeur.
Le tout premier radiateur électrique date de 1912 et est fabriqué en Allemagne par le fabricant Werkstätten Bernhard Stadler Paderborn. Il est aujourd'hui exposé au Musée Wolfsonian-FIU Museum à Miami9.
Dans les années 1960, le chauffage électrique fait également son apparition. D'abord très énergivore avec les convecteurs électriques, il se développe rapidement, et les fabricants imaginent des appareils dont la technologie est de plus en plus perfectionnée. C'est le cas du chauffage électrique à inertie qui s'inspire de la naturea, le cœur de chauffe (en céramique, en fonte...) est chauffé et accumule la chaleur. Le radiateur à inertie chauffe donc par rayonnement en diffusant la chaleur accumulée. Contrairement au convecteur électrique, le chauffage électrique à inertie permet de chauffer de manière assez stable.
Le choc pétrolier, permettra aux énergies renouvelables, et notamment au solaire thermique de se développer fortement entre 1973 et 1985.
La rareté et le coût des énergies fossiles font que des systèmes de chauffage intégrant les énergies gratuites ou renouvelables comme le solaire, la géothermie, font une apparition marquée au début de notre XXIe siècle. La nécessité de réduire la consommation d'énergie émettant des polluants, et notamment du CO2, est reliée à la conservation des ressources de la planète pour les générations futures. La notion de développement durable10 apparaît alors. La France investit aussi beaucoup dans les technologies de chauffage ; des constructeurs français investissent par exemple dans le procédé de chauffage aux granulés de bois.
XXIe siècle
Dans les années 2000, les législations européennes tendent à évoluer pour imposer le développement du marché du répartiteur de frais de chauffage.
Quelques données
Réglementation
La réglementation française demande à ce que les systèmes de chauffage des logements puissent permettre d'atteindre en moyenne 18 °C, mais que le chauffage soit éteint au-delà de 19 °C11,12. La même limite supérieure de 19 °C est applicable pour la plupart des locaux autres que les logements, tels que les bureaux et les établissements recevant du public, à l'exception de cas particuliers (entre autres, limite de température plus basse dans les gymnases, mais plus haute dans les établissements sanitaires et hospitaliers)12,13.
Données énergétiques
Si une habitation a besoin de 10 000 kWh/an de chauffage annuel et que le système de chauffage a un rendement global de 80 %, alors elle consommera :
- 10 000 kWh/an / 80 % = 12 500 kWh/an en énergie finale.
La consommation totale d'énergie finale, avant transformation, pour le chauffage des ménages en France est d'environ 35 Mtep en 200214.
L'influence du climat sur les besoins en chauffage s'évalue au moyen des degrés-jours unifiés.
Sources d'énergie
Un système de chauffage fonctionne à partir d'une source d'énergie primaire ou d'électricité (énergie secondaire). L'énergie consommée et comptabilisée à la pompe (pompe à fioul, stère de bois, compteur d'électricité, compteur de gaz) s'appelle « énergie finale ».
Les sources d'énergie peuvent être d'origine fossile (fioul, charbon, gaz naturel, GPL, etc.), nucléaires ou renouvelables (bois énergie, énergie solaire, géothermie, barrages hydrauliques, etc.).
L'énergie utilisée pour le chauffage provient généralement de combustibles solides (houille, chauffage au charbon, bois, chauffage au bois, tourbe, charbon de tourbe), de combustibles liquides (fioul), de combustibles gazeux (biomasse, chauffage au gaz), d'électricité (chauffage électrique, climatisation, électrothermie), d'énergie solaire (capteur solaire thermique, accumulateur solaire, chauffage solaire), de géothermie ou d'un dispositif thermodynamique (pompe à chaleur).
Chaque énergie possède ses particularités en matière de stockage, de transport et d'appareil de chauffage (chaudière ou chauffe-eau, brûleur, corps de chauffe, etc.), ainsi qu'en matière de précautions incendie et sanitaires.
Structure d'un système de chauffage
Un système de chauffage comprend nécessairement :
Dans le premier cas, l'émetteur transmet sa chaleur par convection et/ou rayonnement. Dans le deuxième cas, c'est un ventilateur qui pulse l'air au travers d'une batterie chaude et qui transmet la chaleur au milieu ambiant par recyclage et mouvement d'air.
Ces deux éléments peuvent éventuellement être confondus (par exemple, une flamme est source de chaleur ; elle émet aussi directement cette chaleur sous forme de rayonnement. Autre exemple, un convecteur électrique produit et transmet sa chaleur.
Un système de chauffage peut aussi comprendre :
- un système de stockage de la chaleur ;
- un ou plusieurs systèmes de transport de la chaleur : le transport de la chaleur est réalisé le plus souvent au moyen d'un fluide présentant une capacité calorifique élevée, appelé fluide caloporteur.
La relation entre la température extérieure et la température intérieure est donnée par une courbe de chauffe ou loi d'eau. Certaines installations se règlent au travers d'une courbe de chauffe, qui permet à partir de la température extérieure de définir la température de chauffe. Dans le cas fréquent ou le caloporteur est l'eau, la courbe de chauffe est en général appelée loi d'eau.
Exemples de courbes de chauffe15.
Système
Radiateur de chauffage central.
Le chauffage d'ambiance est destiné à assurer une température déterminée et/ou le confort dans un lieu clos ou ouvert. Plusieurs systèmes de chauffage existent :
Chauffage individuel ou collectif
- Chauffage individuel : installation individuelle pour une maisons, un appartement ou un immeuble.
- Chauffage collectif : installation collective couvrant les besoins de plusieurs maisons, appartements ou immeubles, les frais sont alors partagés, traditionnellement au prorata de la surface des logements, mais parfois au moyen d'un répartiteur de frais de chauffage.
Chauffage central ou décentralisé
- Chauffage central : on parle de chauffage central lorsque l'on chauffe plusieurs pièces d'un immeuble ou d'une maison à partir d'un seul point de cet immeuble grâce à un générateur de chaleur, la chaudière.
- Chauffage décentralisé ou chauffage local : contrairement au chauffage central, un système ou les fonctions de génération et d'émission sont assurées conjointement au sein de chaque appareil. Il n'y a pas de fluide caloporteur, pas de réseau permettant d'acheminer ce fluide et donc pas de fonction de distribution.
Mode de transfert thermique
Fluide caloporteur
Le fluide caloporteur peut être :
- l'eau chaude : l'eau réchauffée (l'installation comporte un générateur de chaleur (chaudière ou bouilleur, une distribution d'eau et des émetteurs de chaleur) ;
- l'air pulsé : l'air ambiant réchauffé (l'installation comporte un générateur d'air chaud et le plus souvent une distribution de cet air chaud) ;
- un fluide caloporteur : en général une huile (réservé aux très grosses installations et en général au transport de la chaleur entre la production centralisée et des sous-stations qui sont des interfaces entre un réseau de production dit « primaire » et un réseau de distribution jusqu'aux émetteurs de chaleur dit « secondaire »).
Chauffage de l'eau
Économie
Pour suivre l'actualité des prix de l'énergie, le Ministère Français de la Transition Écologique met à disposition les données mensuelles de l’énergie16.
En 2007 :
- l'électricité est à 11,42 euros TTC les 100 kWh, prix avec un abonnement moyen pour un ménage ;
- le gaz est à 5,29 euros TTC les 100 kWh PCS prix avec un abonnement moyen pour un ménage ;
- le Fioul domestique est à 6,53 euros TTC les 100 kWh PCI ;
- les granulés de bois en vrac sont à 4,66 euros TTC les 100 kWh PCI.
En 2014 :
- l'électricité est à 15,72 euros TTC les 100 kWh, prix avec un abonnement moyen pour un ménage ;
- le gaz est à 7,59 euros TTC les 100 kWh PCS prix avec un abonnement moyen pour un ménage ;
- le fioul domestique est à 8,62 euros TTC les 100 kWh PCI ;
- les granulés de bois en vrac sont à 6,13 euros TTC les 100 kWh PCI.
En 2020 :
- l'électricité est à 18,88 euros TTC les 100 kWh, prix avec un abonnement moyen pour un ménage ;
- le gaz est à 7,73 euros TTC les 100 kWh PCS prix avec un abonnement moyen pour un ménage ;
- le fioul domestique est à 7,69 euros TTC les 100 kWh PCI ;
- les granulés de bois en vrac sont à 6,15 euros TTC les 100 kWh PCI.
Contrôle d'humidité
Le système de chauffage permet aussi de contrôler le taux d'humidité de l'air dans un bâtiment. Contrairement à certaines croyances, le taux d'humidité de l'air n'est pas dépendant du type de chauffage installé, c'est-à-dire des types d'unités servant à chauffer l'air ambiant tels des radiateurs à vapeur, radiateurs à eau chaude ou radiateurs électriques, ainsi que des matériaux que composent les murs, ou qui se retrouvent dans le bâtiment. Ce taux d'humidité dépend principalement de trois phénomènes :
- les sources intérieures de vapeur d'eau (cuisine, vapeur d'eau chaude dans les salles de bain) ;
- l'augmentation de la température de l'air ambiant selon ce principe physique : lorsqu'il y a augmentation de la température de l'air, le taux d’hygrométrie (taux d'humidité relative) diminue ;
- un autre phénomène, responsable de la diminution du taux d'humidité est lié à la vitesse de renouvellement de l'air, due à l’entrée de l'air extérieur au travers des parois et ouvertures du bâtiment et à la présence d'une éventuelle ventilation mécanique contrôlée (VMC). Sans VMC, ce taux de renouvellement sera d'autant plus grand que le différentiel des températures de l'air extérieur et intérieur du bâtiment est élevé (par convection thermique).
D'ailleurs, c'est avec ce taux de renouvellement et la vitesse à laquelle ce changement se produit que l'on peut calculer le volume d'air extérieur qui s'infiltre dans le bâtiment.
Pour assurer un taux constant d'humidité dans le bâtiment, il peut être utile d'installer un système d'injection de vapeur d'eau, soit par vaporisation ou par évaporation ou sous la forme de vapeur. Il est important d'utiliser une bonne qualité d'eau, car les impuretés se retrouveront inévitablement dans l'air ambiant. Inversement pour abaisser le taux d'humidité intérieur, on peut accroître le débit de la ventilation mécanique contrôlée (VMC) afin d’accélérer l'extraction d'air humide.
Le taux d'humidité idéal doit aussi être défini en fonction de la composition architecturale des murs et de leur résistance thermique, ainsi que la localisation d'éventuels coupe-vapeur.
Si un taux d’hygrométrie trop élevé est maintenu, il se produira une condensation sur les parois froides si leur température est égale ou inférieure à la température du point de rosée. C'est ce que l'on peut souvent observer sur des vitrages mal isolés (non doublés).
Un taux d'humidité trop élevé peut aussi être la cause de ruissellements d'eau, pris à tort comme ayant pour origine une fuite dans un toit, mais qui sont en réalité dus à la condensation qui se produit dans les combles ou sur des murs froids à partir de l'humidité excessive contenue dans l'atmosphère interne du bâtiment. De la même façon, il se produit parfois une condensation sur les vitres d'une pièce.
L'apparition de champignons à la surface d'un mur extérieur peut aussi être causée par l'humidité interne du bâtiment. Ainsi, il est utile de prendre garde à réguler le taux d'humidité de l'air contenu dans un bâtiment si l'on veut se prémunir des dommages observés dans les bâtiments (principalement rénovés) que leurs constructeurs n'ont pas équipés suivant les précautions d'usages afin d'y maintenir un taux d'humidité adéquat.
Impact environnemental et nuisances
Gaz à effet de serre
Le chauffage a un impact environnemental important : les usages « résidentiels et tertiaires » représentaient en 2001 en France 20 % des émissions de gaz à effet de serre (cause du réchauffement climatique) et le chauffage des habitations et lieux de travail représente 75 % de ces 20 %, donc 15 %17 du total.
Cet impact est en partie sous le contrôle des individus : chacun règle à sa guise la température de son domicile et peut donc décider de limiter son impact personnel. Baisser de 1 °C la température fait baisser la consommation de 7 à 10 %. Les préconisations médicales de 1960 recommandaient une température de 16 à 17 °C dans les bureaux et salles de classe18.
Le choix de la source d'énergie de chauffage (par exemple de la proportion de fossile et de renouvelable) influe sur ses conséquences environnementales, notamment sur ses émissions de gaz à effet de serre. Le chauffage électrique, par rapport au gaz, est ainsi légèrement moins émetteur en France (180 gCO2/kWh, contre 195)b, et trois fois plus émetteur en Europe (500 à 600, contre 195)19. Mais les logements équipés au gaz consomment plus d’énergie que ceux utilisant de l’électricité pour se chauffer (la consommation de chauffage électrique est de 19 kWh d’énergie finale par mètre carré et par an et de 40 pour le gaz, en logement neuf), si bien que « l’électricité n’est pas plus chère que le gaz »17. En France, d'après un expert d'EDF, le chauffage représente 25-30 % de la pointe de consommation électrique journalière et, « Même au moment de la pointe, l’électricité tous usages confondus émet deux fois moins de CO2 que le gaz »17.
Enfin, une installation de pompe à chaleur permet de diviser par quatre les consommations électriques associées au chauffage, réduisant significativement les émissions induites17.
Particules fines
Le chauffage n'a pas un impact environnemental seulement sur les émissions de gaz à effet de serre, il peut également avoir un impact sanitaire. C'est notamment le cas des émissions de particules par les modes de chauffage exploitant la combustion de combustibles fossiles ou renouvelables. En France métropolitaine, le chauffage au bois est le principal émetteur de particules fines (PM2,5) et l'émetteur majoritaire de particules très fines (PM1,0), les plus dangereuses pour la santé. Il est également émetteur majoritaire de composés toxiques ou cancérigènes comme les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et le benzène, eux-mêmes véhiculés par ces particules20[source insuffisante]. Il fait l'objet d'une attention toute particulière de la part du « Plan particules », intégré dans la deuxième version du Plan national santé-environnement (PNSE 2)21. Le développement du bois énergie dans le cadre de la promotion des énergies renouvelables fait en effet craindre une aggravation de la pollution par les particules (et ce qu'elles véhiculent). La distinction entre « énergie renouvelable » et « énergie propre » est donc importante.
Pompes à chaleur et géothermie
Les pompes à chaleur géothermiques de profondeur accélèrent le transfert thermique du sous-sol terrestre vers l'atmosphère via le local chauffé. Excepté cette spécificité, l'ensemble des pompes à chaleur sont une forme de chauffage électrique à rendement amélioré, leur impact environnemental est par conséquent principalement celui de l'énergie primaire utilisée pour produire l'électricité.
La géothermie peut occasionner des pollutions des nappes phréatiques en cas de fuite ou rupture des tuyaux contenant les fluides de transfert thermique.
Nuisances sonores
Lorsque les appareils de chauffage (type pompe à chaleur par exemple) sont installées dehors, elles peuvent causer une pollution sonore gênante pour soi-même ou pour le voisinage. La pompe Viessmann citée ci-dessus fait 70 dB en sortie, d'autres annoncent des chiffres variés, souvent dans des conditions différentes : à 1 m, à 5 m, à 10 m. Il faut tenir compte du fait que la pompe fonctionnera nuit et jour, par intermittence, et que de nuit même 40 dB sont une nuisance. Elle émet aussi des sons à basse fréquence (ventilateurs) qui peuvent franchir isolations et doubles vitrages. Enfin, le niveau de bruit réel peut être très différent de la valeur catalogue.
Notes et références
Notes
- Dans le désert, les températures chutent considérablement la nuit. Ainsi, certains animaux, comme les serpents ou certaines espèces de lézards, qui ont besoin de chaleur, se réfugient près des roches chaudes qui ont accumulé la chaleur du soleil.
- Cela est dû à la production d'électricité du pays essentiellement d'origine nucléaire.
Références
- (fr) Jean-Luc Goudet, « Découverte du feu : elle daterait de 790 000 ans » [archive], Futura-Sciences, (consulté le ).
- Victor Charles Joly, Traité pratique du chauffage, de la ventilation et de la distribution des eaux dans les habitations particulières à l'usage des architectes, des entrepreneurs et des propriétaires [archive], Baudry, 1869, sur Gallica.
- Jean-Pierre Adam, La construction romaine, Grands manuels Picards, 2011[réf. incomplète].
- Franz Kessler, Espargne-bois, c'est-à-dire Nouvelle et par ci-devant non commune, ni mise en lumière, invention de certains et divers fourneaux artificiels, escrite premièrement en allemand par François Keslar, maintenant publiée en françois J. T. de Bry, 1619.
- Louis Savot, Sur l'Architecture des bâtiments particuliers, Antoine Robinot et Jean Gesselin, 1642[réf. incomplète].
- Marjorie Meiss, La culture matérielle de la France, Paris, Armand Colin, , p. 203.
- Dictionnaire des Arts et Manufactures, 1847 (lire en ligne [archive]).
- Arthur Jules Morin, Manuel pratique du chauffage et de la ventilation. 1870. Consulter en ligne [archive]
- « Histoire et évolution du chauffage : l'hypocauste de l'antiquité, le premier chauffage par le sol, le premier radiateur électrique et l'apparition du chauffage central dans les années 70 : rétrospective et vintage » [archive], sur www.radiateur.design (consulté le ).
- Le guide expert en chauffage et climatisation - génie climatique et énergétique [archive] [PDF], sur xpair.com.
- Direction de l'information légale et administrative (Premier ministre), « À quelle température doit être chauffé un logement ? » [archive], sur www.service-public.fr, (consulté le )
- « Code de l'énergie - Article R241-26 » [archive], sur Légifrance, (consulté le ).
- « Il est interdit de chauffer un logement à plus de 19 ° » [archive], sur picbleu.fr, (consulté le ).
- Observatoire de l’énergie, « 20 ans de chauffage dans les résidences principales en France de 1982 à 2002 [archive] »[PDF], sur statistiques.equipement.gouv.fr, octobre 2004.
- Exemple de réglage d'une courbe de chauffe [archive], sur energieplus-lesite.be (consulté le 26 août 2021).
- [1] [archive], sur statistiques.developpement-durable.gouv.fr.
- « Le chauffage électrique, talon d’Achille ou idée reçue ? » [archive], sur Société française d'énergie nucléaire, 31 janvier 2017 (mis à jour le 28 septembre 2021) (consulté le ).
- Larousse médical, 1960.
- « Pas si vertueux que cela le chauffage électrique ! », Les cahiers de Global Chance, Global Chance, no 25, (lire en ligne [archive] [PDF], consulté le ).
- Source Citepa,bois énergie [archive], sur granulaugil.com
Annexes
Articles connexes
Liens externes
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- Ressource relative à la santé
Volet (fenêtre)
Pour les articles homonymes, voir volet.
Un volet est un dispositif habituellement installé devant une fenêtre (couvre-fenêtre) ou une porte, en intérieur, qui peut être fermé pour se protéger de la lumière, des intrusions, des regards extérieurs ou comme élément d'isolation contre la chaleur ou le froid.
Un volet extérieur est appelé « contrevent1 ».
Les volets sont traditionnellement composés d'un panneau en bois plein sans fentes avec des gonds métalliques sur la fenêtre.
Historiquement, ces volets ont pu être des panneaux simplement accrochés par des pitons. Puis ils furent ensuite articulés avec des charnières et rabattus dans l'embrasure large et profonde faite dans le mur.
Galerie
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Arrêt de volet à tête de bergère.
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Arrêt de volet marseillais (tourniquet en forme de feuille).
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Notes et références
Voir aussi
Articles connexes
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Serrure
Une serrure est un mécanisme de fermeture (d’une porte, d’un véhicule) qui ne peut être ouvert que par une clef ou une combinaison correspondante1.
Histoire
Coffre médiéval équipé d'une serrure à
moraillon.
L’invention de la serrure a suivi logiquement celle du verrou apparue lors de la sédentarisation au Néolithique.
- Les premières portes ont été sécurisées par l’invention du verrou2, simple tige de bois (le pêne) poussée dans une ouverture dans le montant fixe (la gâche). Les Égyptiens inventèrent le verrou à loquet tombant apparu il y a 7 000 ans3.
- Ce verrou étant facilement manipulable, on eut l’idée de bloquer celui-ci par une cheville mobile de bois : c’est la naissance de la serrure.
- Pour déverrouiller cette cheville, on fabriqua un outil comportant une dent (tige de fer) qui permettait de soulever la cheville. Puis, par déduction, on comprit alors que si cette tige avait plusieurs dents, elle pourrait soulever plusieurs chevilles : la clé était née.
Serrure de porte de grenier Dogon (Mali) et sa clé.
Il y a 4 500 ans, à l'Âge du bronze, sont apparues les premières serrures métalliques qui pouvaient être fixées à la face intérieure de la porte et, avec une clé de bronze, être fermées de l'extérieur à travers un trou, « le trou de la serrure »4. La serrure néolithique celtique en métal (bronze, cuivre) évolue avec l'apparition de la clé à ressort puis de celle par retrait de lames à ressort et translation. Les Romains étaient déjà au fait du travail du fer et du forgeage des métaux et c'est à l'époque gallo-romaine que seront inventées la serrure dite « laconienne » puis la serrure à rotation encore utilisée5.
Le dispositif est amélioré avec l'urbanisation progressive et la montée de la criminalité[réf. nécessaire]. Linus Yale Jr. perfectionne l’invention de son père, Linus Yale Sr., la serrure cylindrique à goupilles et dépose en 1861 un brevet pour la première serrure cylindrique équipée d’une clef plate crantée, similaire à celles que l’on utilise aujourd’hui.
Le forgeron-serrurier était appelé « Fèvre » (du latin faber qui signifie forgeron). Par extension, travaillant l’or ce forgeron devint orfèvre.
La serrurerie en France - XVIIe siècle
C’est au XVIIe siècle que la serrurerie devient un art : l’artisan serrurier était alors seul maître de son art selon les règles corporatives édictées en 1650 sous le règne de Louis XIV6 et en vigueur jusqu'à la fin de l'Ancien régime7. À cette époque les premiers ateliers de serrurerie voient le jour, notamment dans le Vimeu en Picardie qui devint le berceau de la serrurerie en France.
Jeton de la corporation des serruriers. La profession de serrurier a été l'objet d'une discipline très sévère dans tous les temps en raison de la gravité exceptionnelle des conséquences des abus ou de la négligence de ses membres.
Saint Éloi
Éloi (Saint), (Eliglus en latin), évêque de Noyon apprit, sous la direction d'Abbon, maître de la monnaie de la ville de Limoges, la profession d'orfèvre, où il ne tarda pas à exceller.[réf. nécessaire]
Types de serrures
Serrure du temple Embekka Devalaya à Kandy (Sri Lanka).
Il existe différents types de serrures :
- La serrure à garnitures utilise des pièces de métal fixes (les garnitures) dont la disposition doit correspondre au motif du panneton de la clef afin que celle-ci puisse tourner ;
- La serrure à gorges est équipée de pièces métalliques montées sur un pivot (les gorges), levés à une certaine hauteur par la rotation du panneton de la clef ;
- La serrure à goupilles, encore appelée serrure de Yale (du nom de son inventeur), utilise une série de goupilles (broches) de différentes tailles, pour bloquer l’ouverture sans l’introduction de la clef correspondante ;
- La serrure tubulaire est un type de serrure dans laquelle les goupilles sont disposées de façon circulaire par rapport au cylindre ;
- La serrure à pompe, souvent appelée serrure de sécurité, est un mécanisme cylindrique muni de plusieurs ailettes indépendantes coulissant suivant l'axe du cylindre ;
- La serrure à crémone est un élément de fermeture ;
- La serrure biométrique est un système qui utilise les mesures d'empreinte, de rétine, de contour des mains ou tout autre mécanisme ayant pour clé principale un trait unique à une personne (on pourrait penser à l'empreinte vocale, l'adn, etc.) pour identifier les personnes dont l'accès est autorisé ;
- La serrure à secret ou serrure à piège et à secret est une serrure dont le fonctionnement de l’ouverture est seul connu du propriétaire ;
- La serrure à disque est une serrure qui utilise des disques rotatifs comme mécanisme de déverrouillage au lieu de goupilles (notamment pour les serrures à combinaison).
Galerie
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Serrure de temple tibétain.
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Notes et références
- serrure [archive],, sur le site cnrtl.fr, consulté le 2 octobre 2014
- Les portes d'autrefois comportaient parfois une bobinette qui était une pièce mobile qui tombait quand on retirait la chevillette, autorisant ainsi l'ouverture de la porte. Un moyen permettait de bloquer la chevillette, empêchant (verrouillant) l'ouverture de la porte.
- Guillemette Andreu et Christophe Barbotin, Les artistes de Pharaon : Deir el-Médineh et la Vallée des Rois, Réunion des Musées Nationaux, , p. 75
- Michael Bübl, Savoir déverrouiller toutes les serrures : Tous les secrets de l'ouverture des serrures-, BookRix, , p. 47
- Dossiers d'Archéologia no 335 sept oct 2009, p. 62,artisans et savoir-faire des gaulois
- Annales de l'Institut technique du bâtiment et des travaux publics, Federation nationale des travaux publics, Institut technique du bâtiment et des travaux publics, , p. 36
Annexes
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Bibliographie
- Jean-Pierre Guarry, 400 ans de serrures : : répertoire raisonné des serrures sous toutes les formes, de 1450 à 1850, Luxembourg Paris, Argusvalentines Diff. Vilo, coll. « Répertoires raisonnés », , 270 p. (ISBN 978-2-919769-17-9)
- Marie Pessiot et al., La fidèle ouverture ou l'art du serruruier, Catalogue de l'exposition de Rouen, Musée Le Secq des Tournelles, 2007.
- Mathieu Linlaud, Serrures médiévales, Rennes, Presses universitaires de Rennes, 2014, 343 p., ill.
Articles connexes
Liens externes
Électricien
Présentation
| Appellation |
électricien, électricienne
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| Secteur |
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| Métiers voisins |
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|---|
Compétences
| Diplômes requis |
- CAP Électricien
- Bac pro Métiers de l'électricité et de ses environnements connectés
|
|---|
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Électricien est le nom donné au métier qu'exercent les personnes dans le domaine de l'électricité. Il est issu du terme électricité, puisque ceux-ci sont chargés de la réalisation, de la maintenance, de la modification d'installations électriques. Ils doivent respecter les normes en vigueur (en France la norme NF C 15-100) pour la réalisation de leurs travaux.Spécialités
On distingue plusieurs métiers avec des compétences communes, mais des savoir-faire très différents, suivant l'environnement spécifique dans lequel ils s'effectuent.
Électricien du bâtiment
Il officie dans tous bâtiments à vocation d'habitation et immeubles de bureaux. Il effectue les installations dans les bâtiments neufs, les modifications, la mise aux normes, les dépannages ainsi que la dépose des vieilles installations. Il n'a affaire qu'aux classes de tension : BT (basse tension) et TBT (très basse tension). Il travaille en étroite collaboration avec tous les autres professionnels du bâtiment: le maçon, le plombier, le plaquiste jusqu'au peintre.
Électricien courant faible
Il est spécialisé dans les installations comportant des circuits fonctionnant en TBT et faible courant : téléphonie, télésurveillance, sonorisation, contrôle d'accès, réseau informatique.
Électricien du tertiaire
Dans les grandes surfaces de vente et les installations de l'industrie tertiaire, il a des compétences : de l'électricien du bâtiment, de l'électricien courant faible et de l'électricien industriel. Il travaille aussi bien en TBT qu'en BT, parfois HT (haute tension)...
Électricien d'équipement industriel
Une femme électricienne de centrale électrique, effectuant un contrôle des installations à Abidjan en Côte d'Ivoire
Il œuvre sur les sites industriels : à l'installation, la maintenance et la modernisation des installations électrotechniques. Il est confronté à des systèmes avec des puissances adaptées à l'industrie, réclamant des tensions parfois très élevées et des courants bien souvent importants. Ses attributions l'amènent au voisinage de TBT, BT, HTA (20 000 volts)
Électricien de réseau
Électricien opérant une connexion au sommet d'un poteau en Allemagne. Août 2017.
Il est chargé de l'installation, de la modernisation et de la maintenance du réseau de transport électrique. Il utilise des méthodes, des procédures et de l'outillage spécifique à ce métier particulier. En général chaque type de tension requiert des électriciens possédant des formations différentes sur un même réseau.
Électricien d'équipements maritimes
Il œuvre sur les navires pour assurer la production, la distribution et l'entretien des systèmes de support électrique. Ses champs d'applications sont très variés et il doit s'adapter rapidement suivant les contraintes matérielles applicables à la classe de navire sur lequel il se trouve. Les tensions sur lequel il doit travailler sont très variés et sont fonction du pays d'origine du navire. La fréquence du courant alternatif doit souvent être adapté pour fournir des pièces d'équipements spécifiques. La génération suit normalement le standard NATO (440V, 60 Hz, 3 phases) puis transformée pour les applications spécifiques.
Électricien de cinéma et de théâtre (technicien spectacle)
Il travaille sur les plateaux de cinéma et de théâtre ou dans des décors naturels avec des sources diverses (fluorescents, HMI, tungstène).
L'électricien de cinéma est sous la direction du « chef électricien », lui-même sous la direction du chef opérateur, il place et règle les projecteurs et leurs accessoires. Le rôle du chef opérateur étant évidemment d'essayer de combler les vœux du réalisateur (metteur en scène).
Outillage utilisé
Les électriciens, les électriciennes, utilisent différents outils, les principaux étant :
Les équipements de protection individuelle (EPI) :
- chaussures de sécurité ;
- gants : spécialisé en latex pour travaux sous tension et d'autre gants de manutention pour travaux hors tension , travail BT, spéciaux HT ;
- les lunettes sont désormais interdites et sont remplacées par l'écran facial ou le casque avec visière ;
- vêtement de travail ;
- tapis de sol isolant ou tabouret isolant ;
- cadenas de consignation ;
- VAT BT et perche VAT en HT (le Vérificateur d'Absence de Tension est un voltmètre qui possède un autocontrôle de ses voyants afin d'être sûr d'utiliser un appareil en état de marche pour s'assurer de l’absence de tension)
Formations
Tous les électriciens ont bien sûr une formation de base sur l'électricité et ses applications.
- Ils ont fréquemment de bonnes connaissances en mécanique et ajustage.
- Souvent, ils sont obligés d'utiliser des engins de levage pour pouvoir atteindre le lieu de leurs travaux, il leur faut donc des formations spécifiques à la conduite de ces engins.
- Une formation dans le domaine de la sécurité, complétée par des recyclages réguliers (tous les trois ans), leur est dispensée par des formateurs en sécurité. Cette formation est obligatoire en France pour que leur employeur puisse leur délivrer une habilitation suivant les prescriptions de l'NF C18-510.
Spécificités locales
Un électricien à
São Paulo, Brésil. Décembre 2016.
- Au Québec, le métier d'électricien(ne) est régi par la Commission de la construction du Québec (CCQ). Ainsi, toute personne désirant travailler dans ce domaine doit posséder une carte de compétence. Pour le métier d'électricien, une formation de 1 800 heures (environ deux ans) est obligatoire pour l'obtention de la carte de compétence.
- En France, les entreprises d'électricité peuvent choisir de faire reconnaître leurs compétences en s'adressant à une association professionnelle comme Qualifelec.
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Ventilation
La ventilation est l'action qui consiste à créer un renouvellement de l'air, par déplacement dans un lieu clos. Elle est mise en œuvre dans les lieux où l'oxygène risque de manquer, ou bien où des polluants et autres substances indésirables (humidité, par exemple) risqueraient de s'accumuler en son absence : logements, bureaux, magasins, salles de spectacles, d'enseignement, ouvrages souterrains, tunnel routier, atelier industriel, mine…
L'AFSSET a en France constaté que « le fonctionnement constaté de ces dispositifs ne correspond pas toujours au fonctionnement théorique et que le cheminement de l’air dans les bâtiments n’est pas toujours conforme aux prévisions »1.
Histoire
Avant le XIXe siècle
L'éventail, inventé par les Chinois et autres Pankas (ou Punkha), faisant partie des appareils de ventilation2 les plus élémentaires et les plus anciens, permettent de ménager un courant d'air rafraîchissant, dans les ambiances surchauffées des régions orientales3. Dans le même esprit les Badgirs ou « tour à vent » réalisent par tirage, une ventilation naturelle dans les édifices persans depuis des siècles et associée à une Yakhchal, permettent même la conservation de la glace dans des conditions de chaleur extrême en Iran, ainsi les ingenieurs persans de l'époque réalisent une des premières climatisation.
L'appareil de ventilation le plus commun et le plus primitif est toutefois probablement la cheminée, ou le trou ménagés au-dessus d'un foyer dans toutes les constructions du monde; L'air chaud est éventuellement aspiré dans un tuyau de cheminée, la force chargée de mettre en mouvement la colonne d'air est assurée par la chaleur du foyer, l'arrivée d'air se fait par les fissures et imperfections des parois de la construction.
Dans la Rome antique et jusqu'au Moyen Âge, les fenêtres étaient juste pourvues de volets, que l'on devait ouvrir pour faire entrer la lumière4. On ne parlait pas de ventilation mais la circulation d'air à l'intérieur du bâtiment était libre et abondante, assurées par les jeux de pression qui existent hors et dans le bâtiment.
Surtout dans le Nord, la nécessité de se protéger du froid et de retenir la chaleur des foyers, oblige à substituer aux panneaux de bois des volets, des éléments translucides, dans le meilleur cas du verre, transformations successives qui aboutissent au châssis de fenêtre moderne, qu'il n'est pas nécessaire de laisser ouvert pour faire entrer la lumière. D'une manière générale, par une amélioration des fermetures de baie, des matériaux et de leur mise en œuvre, le bâtiment va vers une plus grande étanchéité à l'air. On voit dès lors, la ventilation associée au chauffage, l'un étant antinomique de l'autre.
Lorsqu'elle s'érige en science milieu XVIIIe siècle, la ventilation s'intéresse à des milieux confinés dont font désormais partie les bâtiments3.
Mais la science s'est d'abord attachée à des lieux comme les mines, puis les intérieurs de navires, ensuite les prisons, les casernes et enfin les hôpitaux « où des masses de chair humaine en décomposition plus ou moins avancée empoisonnent l'atmosphère3».
La première ventilation artificielle dont l'histoire fasse mention est celle que conseille Hippocrate en –4605, lors d'une épidémie à Athènes et celle qu'on appliqua encore au XIXe siècle quelques villes du Midi de la France pendant la quatrième pandémie de choléra, à savoir l'allumage de vastes foyers sur les places publiques. Ces foyers brûlaient une partie des miasmes aériens et provoquaient un courant d'air dans l'atmosphère ambiante, mais ils exigeaient une masse énorme de combustible et n'agissaient que sur des surfaces très restreintes3.
Caisse à ventilateur du
docteur Hales, composée de deux caisses en bois parallèles (a, b, c, d) dans lesquelles l'air est aspiré ou refoulé par une série de valves (h).
Principe de ventilation des hôpitaux par Léopold Genneté, 1767.
La figure 124 tirée de son ouvrage indique presque tous les progrès réalisés au XIXe siècle. Il conseille :
- Un foyer extérieur pour l'introduction de l'air pur préalablement chauffé en hiver ;
- La pente à donner au plafond pour faciliter la sortie de l'air vicié par un tuyau central ;
- Des gaines séparées pour chaque étage ;
- Un foyer d'appel placé dans les combles où il indique clairement tous les moyens usités au XIXe siècle y compris la prise d'air sur les toits quand on a à craindre les émanations du sol.
Un ouvrage de 1557, que Georgius Agricola publie à Bâle sur l'exploitation des mines, le De re metallica6, indique les moyens employés alors pour la ventilation et on reconnaît dans le dessin de l'époque les mêmes moyens artificiels encore employés au XIXe siècle: Le soufflet, le ventilateur rotatif, le ventilateur à ailes et à quadruple compartiments. Il est déjà question de divisions pour les courants montants et descendants3.
En 1745, Samuel Sutton s'occupe spécialement de la ventilation des navires7.
À partir de 1734, John Theophilus Desaguliers3, et le physiologiste, chimiste et inventeur britannique Stephen Hales, introduisent les ventilateurs mécaniques pour aérer la prison de Newgate, les hôpitaux et surtout les Chambres des communes où une « roue centrifuge » est employéen 1. En 1750, un comité est institué à Londres, par la Royal Society, pour examiner le mauvais état de ventilation de ces prisons qui produit alors « la maladie bien connue sous le nom de fièvre des prisons ». Sir John Pringle auteur de Observations on the Nature and Cure of Hospital and Jayl Fevers et le docteur Hales recommandent l'usage d'un ventilateur inventé par ce dernier et bientôt les décès à Newgate sont réduits de sept ou huit par semaine, à environ deux par mois. On a une idée de ce qu'est alors la prison de Newgate, par ce fait que des onze ouvriers employés à établir le ventilateur, sept sont attaqués de la fièvre et un en meurt8.
Devant la presque disparition de mort par la « fièvre des prisons », l'usage des ventilateurs inventés par Stephen Hales, se généralise dans ces établissements, ainsi que dans les hospices et les navires. Leur emploi se répand également en France, où Hales obtiendrait du roi Louis XV, à l'occasion d'une guerre avec la France, l'autorisation de faire installer de tels dispositifs dans les dépôts où sont retenus des prisonniers anglais.
En France, Duhamel du Monceau est le premier qui en 1759 indique dans son ouvrage l'emploi de l'appel fourni par les fourneaux de cuisine des navires pour désinfecter les cales3. Il s'inspire des travaux de Hales dans l'établissement de la ventilation des greniers à blé.
En 1767, Léopold Genneté faisant ressortir les inconvénients des moteurs mécaniques de ses devanciers, expose l'application aux hôpitaux de la ventilation par appel d'air qu'il a observée à Liège dans les mines où on la pratique depuis des siècles3.
Apports du XIXe siècle
La chimie connaît un énorme progrès quantitatif avec Antoine Lavoisier qui l'a promue en science exacte. Les bases de la théorie de la chaleur sont posées, on étudie la propagation de la chaleur à travers les corps, les lois du réchauffement et du refroidissement9, les phases gazeuses, etc.
Début XIXe siècle, les questions de ventilation, de chauffage et d'assainissement en général, deviennent une préoccupation majeure, sous l'impulsion des courants hygiénistes, d'abord en Angleterre (prison de Pentonville, Guy's Hospital, etc.), plus tard en France. Il est question de la ventilation dans les habitations particulières, dans les casernes et les hôpitaux. En France, Jean-Pierre-Joseph d'Arcet est le premier qui au commencement du siècle applique la science d'une manière pratique et sérieuse à la salubrité des ateliers et des théâtres3. « En hygiène publique l'air est à là fois comme l'eau un aliment et un agent de désinfection ou de purification ». Le renouvellement de l'air peut être obtenu de diverses manières et est principalement indispensable là où se trouvent réunis beaucoup d'individus donnant lieu à de la chaleur et à des miasmes soit par eux-mêmes soit par les matières qu'ils travaillent ou par suite de leurs maladies hôpitaux ou dans des lieux destinés à recevoir les immondices ou les matières excrémentielles. L'hygiène publique se préoccupe de l'« aération extérieure », celle qui résulte de la disposition des cours de tous les édifices et maisons, de la largeur des rues, de leur direction, de leur exposition au midi, etc. « Faire de larges rues, des maisons peu élevées, des places spacieuses, des cours d'habitation proportionnées à la surface des bâtiments, […] tels sont les grands moyens de ventilation publique d'une ville que toute bonne administration doit chercher à établir malgré les oppositions et le mauvais vouloir de certains intérêts privés10 ».
Les principes de la ventilation sont alors toujours assez simples. Pour ventiler une pièce il faut trois choses une entrée, une sortie, une force. Toute capacité close où l'on voudra produire un renouvellement de l'air doit être munie d'au moins deux orifices, un orifice d'entrée et un orifice de sortie, l'un placé en haut autant que possible, l'autre dans le bas et loin du premier.
L'orifice de sortie est mis en communication avec une colonne d'ascension soumise à une force calorifique quelconque ou à un ventilateur mécanique et cette force combinée avec la grandeur des orifices et la hauteur de la colonne détermine la mesure de la ventilation obtenue.
L'appareil de ventilation par excellence celui qui est le plus commun, est alors et toujours la cheminée d'appartement; la colonne d'ascension c'est le tuyau de cheminée, la force c'est le foyer, l'arrivée ce sont souvent les fissures des portes et des fenêtres quand il n y a pas de ventouses suffisantes et de prise d'air derrière le foyer. Un foyer ordinaire d'appartement peut déterminer par son tirage une évacuation de 800 à 1 000 m3 d'air par heure et malheureusement c'est là le rôle principal des cheminées. En effet cette évacuation d'air à l'extérieur et par conséquent le refroidissement des pièces sont d'autant plus considérables que le chauffage fonctionne avec plus d'activité. Rarement les prises d'air extérieur qu'on a ajoutées dans des systèmes de tuyaux plus ou moins contournés sont suffisantes pour alimenter la combustion et pour remplacer l'air ascendant du tuyau de fumée. Ce sont toujours les portes et les fenêtres qui viennent donner le complément d air indispensable3.
Dans les grands espaces, des ventilateurs mécaniques sont actionnés par des machines à vapeur qui nécessitent éventuellement, l'assistance d'un machiniste!
Dès 1800, le gaz d'éclairage arrive dans les appartements. Encore au début du XXe siècle, causés par le gaz de houille le gaz principalement utilisé, des utilisateurs se plaignent de mauvaises odeurs, de céphalées et de vomissements. Le gaz de houille, issu d'une pyrolyse de la houille est un mélange empoisonné de monoxyde de carbone, de sulfure d'hydrogène (et de méthane et d'hydrogène qui eux ne sont pas toxiques) qui oblige à une épuration physique et chimique qui sera longtemps imparfaite11. La combustion du gaz de houille d'une part emprunte à l'air ambiant l'oxygène dont elle a besoin, et d'autre part rejette dans celui-ci le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et lorsque la combustion est incomplète ou lorsqu'il y a des fuites, le très dangereux monoxyde de carbone, autant de produits toxiques ou corrosifs qui obligent dès lors à ventiler. L'emploi des ventilateurs et ventouses, fait désormais loi dans les appartements12.
Le gaz d'huile et surtout la lumière oxhydrique sont envisagés comme solutions alternatives car moins polluants. À partir de 1880, l'électricité en remplaçant le gaz dans ses applications d'éclairage, signifie une amélioration substantielle de la qualité de l'air intérieur.
Les progrès réalisés dans les machines à vapeur profite aux installations de chauffage domestiques. Les calorifères, un des premiers système de chauffage central, réalisent une petite révolution en délocalisant une chaudière unique, source de pollutions diverses, et permettent de mieux contrôler le chauffage et la ventilation des pièces d'habitation. Des fluides caloporteurs sont mis en œuvre, acheminés dans des tuyaux vers des radiateurs, chargés de disperser la chaleur dans les pièces13.
Apports du XXe siècle
Dans les maisons de type
maison passive, le
Test d'infiltrométrie, permet de connaître la quantité d'air qui entre dans l'habitat en dehors des systèmes de ventilation et par la suite de colmater pour les supprimer, les infiltrations d'air parasites.
La climatisation moderne est inventée par Willis H. Carrier en 1902.
Le chauffage, ventilation et climatisation, sont de plus en plus souvent associés. Aux États-Unis, on les retrouve dans une discipline unique appelée « HVAC » (pour Heating, Ventilation and Air-Conditioning). L'HVAC devient une entreprise mondiale dont le rôle consiste en l'exploitation, la maintenance, la conception et la construction de systèmes, la fabrication et la vente d'équipements, l'éducation et la recherche. Cette industrie est historiquement régulée par les fabricants d'équipements HVAC, mais des organismes de régulation et de standardisation comme l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) sont instaurés dès 1894 pour soutenir l'industrie et encourager des standards élevés de finition.
Le premier choc pétrolier en 1973 aboutit dans les climats froids et tempérés, et surtout dans les pays occidentaux, à un nouveau type de construction faisant un usage intensif de l'isolation thermique. La pose de l'isolation s'accompagne de membranes plus ou moins étanches, de pare- et de freines-vapeurs qui visent à protéger l'isolant de toute atteinte par l'humidité ambiante ou extérieure. Les bâtiments de fait deviennent de plus en plus étanches, et la ventilation, qui est naturelle ou forcée, se préoccupe désormais d'évacuer le surplus d'humidité intérieur et surtout d'assurer le renouvellement d'air nécessaire à la respiration.
Dans les concepts du type « maison passive », développé à partir d'expériences réalisées dans les années 1970, les bâtiments sont totalement étanches, et la ventilation totalement assurée par des moyens artificiels.
Avec le protocole de Kyoto en 1997, visant à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les États s'arment d'une batterie de règlements visant à améliorer la performance énergétique des bâtiments ainsi que leur dépendance aux sources d'énergies fossiles. La conception des bâtiments prend en considération désormais les caractéristiques thermiques, l'étanchéité à l'air du bâtiment, les équipements de chauffage et d'approvisionnement en eau chaude ; les installations de climatisation, la ventilation, ainsi que dans l'implantation la compacité et l'orientation du bâtiment, les systèmes solaires passifs et les protections solaires, l'éclairage naturel, etc. La paroi devient un objet de haute technicité.
Les matériaux de construction modernes contenant par exemple du formaldéhyde et d'autre part la découverte de nouvelles sources de pollution, telles le radon, deviennent un motif supplémentaire de ventilation.
Utilités
La ventilation d'un lieu a de manière générale plusieurs justifications :
Suivant le lieu où elle est mise en œuvre, l'une de ces justifications est plus spécifiquement poursuivie.
Moyens mis en œuvre
Pour assurer le déplacement de l'air, on peut avoir recours à plusieurs systèmes :
- la convection naturelle, qui consiste à utiliser uniquement les transferts de chaleur et les courants d'air naturel (vents), pour déclencher le déplacement de l'air ;
- la ventilation mécanique est la plus courante, elle est généralement imposée par des normes simples et simplistes, elle reste complexe à maîtriser puisqu'elle se combine nécessairement aux phénomènes convectifs naturels qui varient selon chaque contexte : on utilise un ventilateur, (hélice ou turbine) entraînée par un moteur électrique pour souffler et/ou aspirer l'air.
Type de ventilations
Dans les bâtiments habités, six grands types de ventilations existent :
Ventilation naturelle
Elle se fait par ouvrants extérieurs ou via des conduits à tirage naturel.
Elle se base, passivement, sur trois moteurs naturels que sont le vent, le tirage thermique (l'air chaud monte) et le tirage aéraulique (suscité par la différence de pression entre un point haut et un point bas : la pression atmosphérique plus faible en hauteur induit une dépression faisant spontanément circuler l’air dans le bâtiment). Gratuite et passive, généralement silencieuse, la ventilation naturelle est présente dans la plupart des constructions traditionnelles et immeubles d'habitation (en France dans près des 2/3 du parc de logements soit presque tous les logements construits avant 1975)14 ;
Ventilation hybride
Elle combine les avantages de la ventilation naturelle et de la ventilation mécanique en jouant sur le dimensionnement des gaines de ventilation naturelle, et en utilisant des dispositifs légers (éléments autoréglables, hygroréglables ou statiques) couplés à une assistance mécanique intermittente à basse pression. En générale, une sonde de température, un anémomètre ou un pressostat active automatiquement l'apport mécanique pour compléter l'action des moteurs naturels, uniquement quand c’est nécessaire, en fonction des conditions climatiques et de l'activité des utilisateurs du bâtiment (ex : ventilation accentuée au moment des repas)14.
Il est ainsi permis de valoriser au mieux les forces motrices gratuites et naturelles, en réduisant fortement la consommation électrique des auxiliaires et le bruit de ventilation (qui peut gêner certaines personnes autistes ou hypersensibles) ;
Des entrées d'air hygroréglables font entrer l'air extérieur dans les pièces de vie (chambres, salon, séjour) alors que l'air intérieur vicié est extrait via les pièces techniques (toilettes, salle de bain, cuisine) par des orifices d’extraction, éventuellement hygroréglables donnant sur la gaine de ventilation connectée au ventilateur. Si le système est bien dimensionné, les pressions générées en ventilation hybride sont très faibles, proches de celles de la ventilation naturelle, c'est à dire de 5 à 15 Pa au niveau des grilles (ce pourquoi les conduits adaptés à la ventilation naturelle et hybride sont prévus pour fonctionner à des dépressions de l’ordre d'environ 10 Pa et peuvent être moins étanches que les conduits adaptés à la ventilation mécanique, qui doivent eux supporter des dépressions de 100 Pa et plus)14. Pour le meilleur confort sensoriel, en tenant compte des prospectives climatiques, une attention particulière est à porter à l'humidité, aux phénomènes de condensation, aux calculs de force motrice naturelle disponible, de pertes de charge, de calcul du débit à extraire, du foisonnement et du besoin d'assistance mécanique, avec prise en compte des débits de pointe. Idéalement le système est à concevoir avant la construction. Pour des raisons environnementales et d'évolution de la réglementation évoluant, la gestion hybride de l’air tend à être pilotée par un automate associé à des capteurs intelligents14.
Dans le cadre des lois Grenelle chargées de mettre en oeuvre le Grenelle de l'environnement et des engagements de la France à réduire ses émissions de gaz à effet de serre, elle est encouragée par l'ADEME qui qa publié un guide dédié au sujet, ainsi qu'un cœur de calcul logiciel (« DimVNHy® ») ; outil qui peut être couplé au logiciel SIREN du CSTB pour mieux évaluer la qualité de l'air intérieur des locaux et compléter les Avis Techniques des systèmes hybrides et/ou asservis (hygroréglables)14.
Ventilation mécanique contrôlée simple flux
Elle est plutôt présente dans l'habitat individuel et dans l'habitat collectif récents, ainsi que dans certains bâtiments du secteur tertiaire.
Ventilation électrique contrôlée double flux
Elle est surtout présente dans le bâtiment tertiaire.
Ventilation centralisée
Contrôlée par une ou plusieurs centrale de traitement d'air, avec ou sans recyclage d'air, on la trouve surtout dans les bâtiments tertiaires (hypermarchés, centres commerciaux et immeubles de bureaux, Laboratoires) ;
Ventilation industrielle
Présente dans les usines, elle peut utiliser des débits plus importants, être associé à des processus de détection et gestion des risques et dangers ([ex : HACCP] (cf. gaz inflammables, mélange explosif ou toxique, nanoparticules, microparticules, contaminants biologiques, bactériologiques ou radioactifs, etc. ).
Utilisations
Dans les mines
En milieu de soins
Plusieurs travaux de l'OMS15 recommandent la ventilation naturelle en milieu hospitalier, comme l'une des mesures environnementales efficaces pour réduire le risque de propagation d'infections en milieu de soin. L'OMS spécifie notamment des débits minimums par patient.
La ventilation mécanique contrôlée peut s'avérer dans certaines circonstances plus efficace que la ventilation naturelle mais présenter des noyaux de condensation infectieux dans ses composants, et en définitive constituer un risque accru de transmissions de maladie.
Magasins, bureaux, véhicules, lieux publics
Dans de nombreux, pays, un système de ventilation contrôlé est obligatoire dans tout lieu clos accueillant du public. Une réglementation spécifique pour chaque type de bâtiments et usages définit les moyens à mettre en œuvre.
Généralement un système de renouvellement à aspiration type VMC grande échelle est la base de la ventilation de ces lieux. Elle intègre généralement la climatisation (chauffage et refroidissement).
Pour satisfaire aux prescriptions réglementaires en matière de sécurité, on lui associe, lors de la rénovation ou la construction du bâtiment, un système indépendant de ventilation opérationnelle de grande puissance permettant d'aspirer les fumées d'un d'incendie. Ce système annexe est directement et exclusivement contrôlé par les sapeurs-pompiers lorsqu'ils se rendent sur place.
Laboratoires
Les laboratoires d'analyse et de recherche ainsi que certains sites de fabrication sont munis de systèmes de ventilation spéciaux.
L'air venant de l'extérieur est filtré, chauffé ou refroidi, humidifié ou déshydraté, soufflé et réparti dans les pièces, ensuite il est extrait, filtré ou recyclé avant d'être rejeté à l'extérieur. La pression dans chaque pièce et les diverses consoles est contrôlée (surpression ou dépression).
- Ceci, afin que la santé des chercheurs et des opérateurs ne soit pas compromise par les produits manipulés. Ces produits peuvent être des micro-organismes, des produits chimiques, des matières explosives ou toxiques.
- Les produits de recherche ne doivent pas être contaminés par d'autres produits ou poussières, pas plus que certains gaz ou produits ne doivent pas s'échapper à l'extérieur et contaminer l'environnement.
- Il en est de même pour la fabrication des sondes spatiales, des circuits électroniques et puces d'ordinateur et d'autres produits, qui sont obligatoirement fabriqués dans une salle blanche, c'est-à-dire sans poussière.
Unités de fabrication
Dans les usines, les unités de fabrication mettent en pratique les découvertes des chercheurs. Les ouvriers et opérateurs doivent pouvoir œuvrer sans danger pour leur santé. Les mêmes conditions de ventilation que pour les laboratoires s'appliquent encore, parfois à plus grande échelle.
Tunnels routiers
Des ventilateurs en attente de pose dans le tunnel de l'A14 à
la Défense.
La ventilation des tunnels routiers pose un problème particulier, notamment en ville : il est nécessaire d'évacuer les gaz d'échappement des moteurs thermiques des véhicules, et la fumée toxique en cas d'accident.
- Pour les tunnels assez courts ou en pente, une ventilation naturelle peut suffire, éventuellement assistée de ventilateurs qui forcent la circulation permanente de l'air.
- Pour les plus grands tunnels, les gaz sont en général aspirés via des cheminées et rejetés à l'air libre au-dessus du niveau du tunnel. Cette méthode peut aboutir à une forte pollution de la zone autour du point de rejet. Ce fait est évidemment néfaste, surtout si elle correspond à une zone fortement urbanisée (exemple : le plateau de la Croix-Rousse à Lyon, situé au-dessus d'un des plus anciens tunnels routiers de France 1952).
À la suite de l'incendie du tunnel du Mont-Blanc, une vaste campagne de mise aux normes de la ventilation des tunnels en France est en cours.
Véhicules automobiles
Utilisations particulières et problèmes liés
- En ville ou en zone industrielle, il est parfois difficile de trouver de l'air propre.
- Dans n'importe quel intérieur mal ventilé, la majorité des polluants sont généralement produits au sein même de l'habitat
- L'entretien des gaines et des éventuels filtres est souvent mal fait ou oublié.
- La ventilation n'est pas toujours correctement dimensionnée, dans les salles de classe notamment, ou alors elle se fait avec des pertes importantes de calories.
- La climatisation qui est de plus en plus souvent associée est une source de pollution et de gaspillage d'énergie.
- La ventilation par gaines peut induire des bruits désagréables voire nuisibles à la santé, si la conception et/ou le montage comportent des lacunes ou des manquements.
- Pour le bon fonctionnement de la Ventilation mécanique contrôlée ou de la Ventilation par insufflation, il convient de veiller à leur état de propreté et à ne pas boucher les entrées ou les sorties d'aération16.
Bibliographie
- Louis Figuier, Les Merveilles de la science ou description populaire des inventions modernes, t. 4, Paris, Furne, Jouvet et Cie, (lire sur Wikisource), « La Ventilation », p. 349-414
Notes et références
- Notes
- En 1734, M. Désaguliers invente une machine appelée roue centrifuge ; elle a sept pieds de diamètre et un pied d'épaisseur, elle est divisée en douze séparations dirigées de la circonférence vers le centre qu'elle n'approche cependant qu'à la distance de neuf à dix pouces ; cette roue est reçue dans une boîte cylindrique et traversée par un axe au moyen duquel un homme la met en mouvement. Un tuyau d'aspiration établit une communication entre l'espace circulaire voisin de l'axe et celui dont on veut renouveler l'air en sorte que ce fluide entraîné par 1a révolution de la roue se porte à la circonférence et s'échappe par un tuyau de décharge en même temps que de nouvel air arrive dans la salle par une ouverture faite dans cette intention. Dans M. De Fontenay, Manuel des constructions rustiques, ou guide pour les constructions rurales, 1836. Lire en ligne [archive].
- Références
- Avis de l’Agence française de sécurité sanitaire de l’environnement et du travail Relatif à « l’évaluation du risque sanitaire pour l’homme lié à la présence de virus Influenza pandémique dans l’air des bâtiments et sa diffusion éventuelle par les dispositifs de ventilation », Saisine Afsset no 2006/003 [archive] (Rapport demandé en 2006 par Didier Houssin, délégué interministériel à la lutte contre la grippe aviaire, et publié après des tests en bureaux témoins du laboratoire d’essai du Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB) et deux ans d’expertise par un groupe de dix experts nationaux dont les travaux ont été relus et évalués par les comités d’experts spécialisés « air » et « eau » de l’Afsset).
- (en) Lewis G. Harriman II Douglas Kosar, Dehumidification and Cooling Loads From Ventilation Air
- V. C. Joly, Traité pratique du chauffage, de la ventilation, et de la distribution des eaux dans les habitations particulières : à l'usage des architectes, des entrepreneurs, et des propriétaires, 1869. Lire en ligne [archive].
- L'usage du verre dans l'architecture romaine, Pascal Vipard, maître de conférences d'Antiquités Nationales, université de Nancy 2.
- Hippocrate, Traité des airs des eaux et des lieux, 460 av. J.-C.
- [Agricola 1556] (la + en) Georg Agricola, Herbert Hoover et Lou Henry Hoover, De re metallica, Translated from the First Latin Edition of 1556, New York, Dover Publications, , sur archive.org (lire en ligne [archive]). Traduction française par A. France-Lanord (1992), éd. Gérard Kloop, Thionville.
- Samuel Sutton, Nouvelle méthode pour pomper le mauvais air des vaisseaux, 1749. Lire en ligne [archive].
- Edouard Mailly, Essai sur les institutions scientifiques de la Grande-Bretagne et de l'Irlande, F. Hayez, 1867.
- Eugène Péclet, Traité de la chaleur, considérée dans ses applications, D. Avanzo et Ce, 1844. Lire en ligne [archive].
- Maxime Vernois, Traité pratique d'hygiène industrielle et administrative, chez J. B. Baillière et Fils, 1860.
- Jean-Baptiste Fressoz, La Controverse du gaz d'éclairage, Pour la science, no 405, juillet 2011.
- Mémoires et compte-rendu des travaux, Société des ingénieurs civils de France, 1868. Livre numérique Google [archive].
- Louis Figuier, Les merveilles de la science, ou Description populaire des inventions modernes, Furne, Jouvet et Cie., 1870. Lire en ligne [archive].
- « Guide » [archive] (consulté le )
- James Atkinson, Yves Chartier, C. L. Pessoa-Silva, P. Jensen, Y. Li et W. H. Seto, Utilisation de la ventilation naturelle pour lutter contre les infections en milieu de soins, World Health Organization, 2011. Lire en ligne [archive].
Voir aussi
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Articles connexes
Ventilation mécanique contrôlée
La ventilation mécanique contrôlée (VMC) est, dans le bâtiment, un dispositif mécanique destiné à assurer le renouvellement permanent de l'air à l'intérieur des pièces1. Plusieurs systèmes existent telles que la VMC simple flux et la VMC double flux.
Historique
Dans les constructions anciennes la ventilation mécanique contrôlée n'existait pas et l'air était renouvelé à l'aide de bouches d'aération, situées dans le bas de certaines pièces de l'habitat, évacuant naturellement les gaz nocifs (CO2, radon et fuites de gaz éventuelles), plus lourds que l'air. Le renouvellement de l'air se faisait par aération, c'est-à-dire en ouvrant les portes et fenêtres.
En France, la première installation de ventilation mécanique contrôlée est testée sur une opération de 1 100 logements livrés à Créteil en 19612. La technique, alors expérimentale, est surveillée par le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB)2. Elle est issue de technologie utilisée dans les pays scandinaves2. En France, les systèmes de ventilation posés dans les logements neufs sont étroitement liés aux règlementations depuis 19583. L'arrêté du 22 octobre 1969 fixe pour la première fois l'obligation d'une ventilation générale et permanenteNote 1. L'arrêté du 24 mars 1982 fixe les débits minimaux d'air extrait et introduit la modulation du débit en cuisine4 : c'est cet arrêté qui a conduit au développement de la VMC5. Il est complété par l'arrêté du 28 octobre 1983 qui ouvre le marché vers des systèmes de modulation automatique de l'air extrait (VMC hygroréglable par exemple)4.
VMC simple flux
Une VMC simple flux met en dépression certaines pièces dites humides, par un extracteur d'air constituant le cœur du dispositif. Il s'agit d'un ventilateur (placé généralement dans les combles) aspirant l'air par des conduits situés dans les pièces humides. La dépression ainsi créée assure que l'air humide ou chargé d'odeurs ne circule pas dans le reste de la construction. Cette mise en dépression force également l'air extérieur à entrer dans la construction par des entrées d'air disposées dans les pièces sèches. La circulation de l'air est ainsi à sens unique.
VMC simple flux autoréglable
Le contrôle du volume d'air renouvelé par heure se fait manuellement par les occupants : en général, le débit d'air sortant peut être contrôlé par le réglage du degré d'ouverture de la trappe d'aspiration d'air. Parfois, le débit d'air entrant peut également être réglé, par un volet sur les ouïes.
VMC simple flux hygroréglable
La VMC « simple flux hygroréglable » fonctionne sur le même principe que la « VMC simple flux autoréglable », la différence se situant au niveau du contrôle de la ventilation, qui prend en compte le taux d'humidité relative. Les systèmes les plus simples disposent d'un contrôle uniquement au niveau du ventilateur, tandis que les systèmes plus élaborés proposent une modulation en fonction de l'humidité au niveau des bouches d'extraction (hygro A)6, ainsi qu'éventuellement des entrées d'air (hygro B), ce qui permet une régulation du débit d'air pièce par pièce.
L'humidité relative constitue un paramètre pertinent de modulation de la ventilation dans l'habitat, dans la mesure où la plupart des activités humaines (cuisine, salle de bains, buanderie, etc.), ainsi que le métabolisme produisent de l'humidité, en quantité plus ou moins importante. Certains modèles peuvent adopter d'autres critères, notamment de taux relatif de CO2, par exemple.[réf. nécessaire].
VMC double flux
Schéma de fonctionnement.
Une VMC double flux fonctionne sur le même principe qu'une VMC simple flux (extraction forcée d'air vicié, créant une dépression dans l'habitat, aspirant de l'air neuf), mais adjoint un échangeur thermique (ou récupérateur de chaleur sur air vicié). Les flux d'airs entrant et sortant échangent des calories au niveau de cet échangeur. En hiver, ce système permet de préchauffer l'air (froid) entrant à l'aide de l'air (chaud) sortant, tandis que l'été, il permet de rafraîchir l'air (chaud) entrant avec l'air (relativement plus frais) sortant.
- VMC double flux hygroréglable
- La VMC double flux hygroréglable associe le principe de fonctionnement de la VMC double flux classique à un système permettant de faire varier le débit d'air aspiré et/ou insufflé en fonction de l'hygrométrie.
VMC double flux thermodynamique
L'hiver
En hiver, la VMC double flux associée à un échangeur thermique dénommée VMC double flux thermodynamique, permet de récupérer une partie de l'énergie qui serait perdue par le renouvellement de l'air avec une VMC simple flux, cela représente pour une récupération de 60 à 90 % environ de l'énergie de l'air chaud, pour environ 400 W de dépense[pas clair], soit un petit convecteur de salle de bains. Par exemple pour un système à 60 % :
- S'il fait −7 °C dehors, l'air entrant est à 12 °C au lieu de −7 °C,
- S'il fait 0 °C dehors, l'air entrant est à 16 °C.
ce qui rafraîchit beaucoup moins l'atmosphère des pièces.
Cependant, l'hiver, lorsque les températures sont fortement négatives, l'échangeur thermique peut alors être "pris en glace", l'air sortant chargé en humidité gèle au contact de l'air entrant, et la VMC doit être munie d'un système adapté sous peine de la rendre temporairement inutilisable. L'admission de l'air via un tube souterrain du type puits provençal, puits canadien ou au travers d'une batterie hydraulique (lac par exemple)[Comment ?] permet d'avoir une arrivée d'air à température positive toute l'année et ainsi d'optimiser son fonctionnement pendant les périodes les plus froides.
L'été
En été, la VMC double flux thermodynamique va permettre de rafraîchir l'air entrant, si la température de la maison est plus basse que celle extérieure, et éventuellement permettre d'économiser de l'énergie sur la climatisation.
Une entrée d'air unique
La centralisation de l'entrée d'air d'une VMC double flux permet d'utiliser un puits provençal pour réguler l'air entrant (été comme hiver) grâce à la géothermie. L'autre avantage est de pouvoir filtrer l'air entrant plus aisément.
Une installation plus complexe
En revanche, ce système est plus onéreux à l'installation, du fait de l'installation du double réseau de conduits (air frais insufflé et air vicié aspiré) ainsi que par le coût supérieur de l'extracteur avec échangeur de chaleur qui est statique ou composé d'un disque mobile. Il faut prévoir également le coût de l'isolation des gaines et le raccordement des caissons au réseau d'eaux usées (évacuation des condensats).
L’État favorise la rénovation du système de ventilation
Afin de faciliter la rénovation du système de ventilation des logements avec l'installation d'une VMC double flux, le gouvernement français propose plusieurs aides financières7. Une des aides les plus importante est MaPrimeRénov', proposé dans le cadre de la plateforme du service public France Rénov'. Il existe aussi le dispostif CEE, qui a été instauré en 2005 par le gouvernement afin de diminuer l'empreinte carbone des entreprises du secteur de l'énergie, qui doivent délivrer une prime CEE lorsqu'un ménage fait appel à eux pour des travaux de rénovation énergétique, tel que la rénovation du système de ventilation8.
VMC Gaz
Une VMC gaz est une VMC simple flux mais avec certaines spécificités car elle est destinée en plus de renouveler l'air du logement, à évacuer les gaz de combustion d'une chaudière gaz. Elle a des impératifs de débit9 et de sécurité10.
Débit
La chaudière, généralement située dans la cuisine, est raccordée à une bouche d'extraction spéciale (par exemple "Baz"[Quoi ?]) munie d'un ballon souple qui obture plus ou moins l'évacuation, selon que le bruleur est allumé ou pas, pour éviter un trop grand débit permanent. Il y a aussi une tirette qui permet le plein débit lors de la cuisson.
Les modèles pour ces bouches d'extraction sont normalisés, en fonction du nombre de pièces du logement mais aussi de la puissance de la chaudière.
Sécurité
La chaudière gaz a, par elle-même, une sécurité (klixon) qui stoppe l'allumage s'il n'y a plus d'évacuation des gaz brulés : il s'agit d'un capteur thermique qui disjoncte s'il n'est plus balayé par l'air frais admis dans la trémie d'évacuation par effet venturi, mais il y a aussi souvent au niveau de l'extracteur de la VMC un capteur sensible au flux d'air. Si le moteur s’arrête ou si l'extraction est bouchée, la chaudière est bloquée.
Dans les immeubles collectifs11 l'ordre d'arrêt est transmis par relais ou par courants porteurs à toutes les chaudières de l'immeuble, car celles-ci étant toutes raccordées sur le même conduit, il y a un risque mortel : le monoxyde de carbone d'une chaudière située en bas pourrait ressortir dans les logements supérieurs par simple convection .
Enfin, il est évident que pour assurer une bonne combustion sans risque, les arrivées d'air ne doivent en aucun cas être obturées ou diminuées.
La VMC gaz, solution de facilité, a tendance à disparaitre au profit des chaudières à ventouse, car ce n'est pas une solution économique (trop d'air extrait du logement, refroidissement rapide de la chaudière, contrat d'entretien plus cher).
Avantages et inconvénients
VMC simple flux
- La maison étant en dépression, il est dangereux d'utiliser un chauffe-eau au gaz, un poêle ou une cheminée qui ne soit pas raccordé à une prise d'air et un refoulement extérieur.
- L'air qui rentre dans le bâtiment est de l'air froid en hiver, non préchauffé par l'air sortant, de plus il ne peut être que peu filtré.
- La circulation d'air au sein de l'habitation se fait via des ouvertures entre les pièces où l'air entre et les pièces où il est extrait, généralement les toilettes ou la salle de bains. Or les sons passent par les mêmes ouvertures que l'air qui circule. Ceci diminue l'intimité des pièces, que ce soient les chambres à coucher ou les toilettes.
VMC double flux
- Solution plus chère lors de l'installation, mais qui peut s'avérer économique à long terme principalement dans les climats froids avec une longue saison très froide12 ;
- Le préchauffage de l'air entrant supprime la sensation de courant d'air froid. En été, elle permet au contraire de rafraîchir le logement12 ;
- Nécessité de rendre le bâtiment étanche à l'air. On peut effectuer une mesure de l'étanchéité de la maison en la mettant sous pression. Un ordre de grandeur pour une habitation passive est de 0,6 Vol/h à 50 Pa13.
- Filtration de l'air entrant, permettant une meilleure hygiène principalement dans les zones polluées, mais nécessitant de changer les filtres 1 à 2 fois par an12.
- En cas de mauvaise conception ou de mauvaise mise en œuvre, le bruit des bouches d'insufflation peut être désagréable, notamment dans les chambres12.
- L'installation et la maintenance est plus complexe que la VMC simple flux. En rénovation notamment, il peut être impossible d'installer une VMC double flux avec des travaux simples12.
- La température opérative d'une pièce : le brassage effectué par la VMC double flux permet d'augmenter la température des parois et d'homogénéiser les températures de l'air intérieur. D'où un meilleur confort, un ou deux degrés de consigne en moins pour la même sensation de confort, et moins de condensation dans les murs car le point de rosée est déplacé à l'extérieur du complexe isolant.
Notes et références
Notes
- Auparavant, la ventilation se faisait pièce par pièce.
Références
- [PDF] Ventilation mécanique contrôlée et puits canadien [archive], sur le site acqualys.fr, consulté le 4 octobre 2014
- L. VOILLOT, « Exploitation et maintenance des systèmes de ventilation », TSM : techniques sciences méthodes, génie urbain génie rural, Nanterre, Association générale des hygiénistes et techniciens municipaux, (lire en ligne [archive], consulté le )
- Jean-Paul Lucas, Olivier Ramalho, Séverine Kirchner et Jacques Ribéron, État de la ventilation dans le parc de logements français, Observatoire de la qualité de l'air intérieur (OQAI), (lire en ligne [archive])
- Programme PACTE, Ventilation Mécanique Contrôlée (VMC) simple flux en rénovation - Habitat individuel, coll. « Recommandations professionnelles RAGE », (lire en ligne [archive])
- « ventilation n.f. », dans Dicobat
- Quelle est la différence entre une VMC hygro A et une VMC hygro B ? [archive], sur le site atlantic.fr, consulté le 30 janvier 2016
- Ademe, « Rénovation : les aides financières en 2022 » [archive] , (consulté le )
- « Coup de Pouce et aides CEE » [archive], sur Agir pour la transition écologique | ADEME (consulté le )
- « Bouches autoréglables GAZ » [archive] [PDF], sur aldes.fr
- « La réglementation » [archive], sur aldes.fr
- « VMC Gaz collectif » [archive], sur grdf.fr
- ADEME, « La ventilation : indispensable pour un logement confortable et sain » [archive], (consulté le )
- cf. norme belge NBN EN 13829
Annexes
Articles connexes
Liens externes