Le chauffage par rayonnement

 

 

Introduction

La mise en œuvre des chauffages par rayonnement nécessite des technologies spécifiques et la conception des équipements thermiques utilisant le rayonnement infrarouge (IR) se différencie souvent des autres technologies.  Aussi, ce mode de chauffage constitue-t-il depuis longtemps un domaine autonome avec des applications industrielles nombreuses et originales.

L’intérêt du chauffage par rayonnement infrarouge vient essentiellement de sa souplesse, de sa mise en oeuvre aisée, des libertés d'extension, de la modulation libre du chauffage et de son efficacité énergétique élevée qui tient à plusieurs facteurs :

  • il permet un transfert d’énergie d’un corps à un autre sans besoin, à la différence du chauffage par convection, de support intermédiaire et sans absorption sensible de l’énergie émise par le milieu les séparant ;

  • l’énergie rayonnée peut être concentrée, focalisée, guidée et réfléchie de façon analogue à la lumière, ce qui donne une flexibilité et une adaptabilité remarquables ;

  • l’inertie thermique est généralement faible, ce qui supprime les longues périodes de mise en chauffe ou de maintien ;

  • la densité de puissance peut être très importante puisque la différence de température entre la source et le corps à chauffer est souvent élevée, ce qui conduit à des installations compactes et des vitesses de traitement élevées ;

  • le rayonnement pénètre sur une certaine profondeur dans la matière, ce qui améliore l’homogénéité de chauffage et accélère le transfert d’énergie.

Le rayonnement infrarouge est adapté au chauffage, au séchage, aux traitements de matières, à la cuisson ...   de même qu'aux secteurs d’activité telles que industries, communes, voiries, salles de sports, sociétés de transport, garages, ateliers, églises, construction, restaurants, terrasses...

L'application principale est ici le chauffage mais le rayonnement est exploité pour beaucoup d'autres applications de type "processus ou process" que nous ne développerons pas ici :

  • L'élevage de poulets et dindes en particulier
  • Les processus industriels
  • Le séchage de peinture
  • le séchage industriel sur lignes de production
  • les fours de toutes sortes
  • La cuisson, rôtisserie, kebab, ...
  • Les appareils de mesures
  • La détection de mouvements
  • La communication à distance
  • Les télécommandes
  • ...

 

 

Principe du chauffage par rayonnement

Une chaleur transférée directement aux occupants, obtenue à la demande et sans délai, produite de manière décentralisée et dans le respect de l’environnement, par des appareils faciles à installer et à entretenir, une forte diminution des déperditions thermiques, un confort amélioré, une baisse significative des coûts énergétiques.

Avec ce type de chauffage, il s’agit d’exploiter la même technologie que le soleil nous propose ! Il existe des chauffages par rayonnement infrarouge au gaz (radiants), à l'électricité (panneaux radiants) ou à fluide - eau (panneaux hydrauliques).

L’énergie provenant de l'eau chaude, de l'électricité, du gaz naturel ou propane qui brûle est émise sous forme de rayonnement électro-magnétique de fréquence (IR) visible (rayonnement lumineux) ou non (rayonnement sombre) selon les équipements.

L'énergie va rayonner à l'intérieure de la pièce à partir de l'émetteur, soit un panneaux rayonnant au mur, au plafond ou à tout autre endroit permettant la "projection" de chaleur comme le fait une lampe par exemple.

     

La transformation de chaleur en retour s’effectue lorsque le rayon atteint une matière qui l’absorbe, ceci indépendamment de la distance parcourue.

Ce sont alors les surfaces qui sont chauffées et non les volumes. Ce sont aussi les gens, comme lors des bains de soleil.  

 

 

Environ 7% de l’énergie du soleil arrive dans l’ultraviolet, 46%  arrive dans la bande de lumière visible et environ 47% de l’énergie arrive dans l’infrarouge de longueur d'onde plus longue. Seules les ondes de la bande infrarouges apportent de la chaleur sur terre. Tous les corps physiques sont capables d’absorber cette énergie, de la transformer et la rendre à nouveau en chaleur en fonction de la longueur d'onde la plus adaptée à ce corps (absorption).

 

Le rayonnement, facteur essentiel au confort thermique

Plusieurs indications confuses définissent les catégories d'infrarouge, leur classification. En nous référant à la norme DIN 5031, celle-ci indique les valeurs suivantes:

  • IR-A (0,78 à 1,4 um), IR-B (1,4 à 3 um) et IR-C (3 à 100 um)

Mais nous trouvons encore selon les sujets traités:

  • Ondes courtes (078 à 1,5 um), ondes moyennes (1,5 à 5,6 um) et ondes longues (5,6 à 10 um) ou
  • IR proche (078 à 5 um), IR moyen (5 à 30 um), IR lointain (de 30 à 1000 um)

soit pour résumer schématiquement

IRP, infrarouge proche de 0,780 um à 5 um

  • IRA, ou ondes courtes, d’une longueur de 780 nm à 1'400 nm ou 0,780 um à 1,4 um
  • IRB, ou ondes moyennes, de 1'400 nm à 3'000 nm ou 1,4 um à 3 um
  • IRC, ou ondes moyennes, de 3'000 nm à  5'000 nm ou 3 um à 5 um

IRM, infrarouge moyen de 5 um à 30 um

  • IRC, ou ondes moyennes, de 5'000 nm à  5'600 nm ou 5 um à 5,6 um
  • IRC, ou ondes longues, de 5'000 nm à  nm ou 10'000 nm ou 5 um à 10 um
  • IRC, ou ondes longues, de 10'000 nm à  nm ou 30'000 nm ou 10 um à 30 um

IRL, infrarouge lointain de 30 um à 1000 um ou 0,030 mm à 1 mm

  • IRC, ou ondes dans l'infrarouge lointain

La chaleur rayonnée par les émetteurs est liée à la température de l’objet source. Le rayonnement de chaleur et sa longueur d'onde dépendent de la température de la source du rayonnement ainsi généré comme décrit dans la partie des énergies sous "rayonnement". La chaleur ressentie par le corps est l'énergie thermique qu'il reçoit au niveau du derme par contact avec l'air chaud et/ou avec les rayons infrarouges directs. Cette énergie nécessaire à notre corps agite les atomes de l'épiderme nous donnant ce ressenti et ce sentiment de confort et de bien-être ! Ce rayonnement infrarouge, selon qu'il vienne d'une source très chaude (IR-A ou proche de la lumière visible) ou de plus basse température (IR-C ou IR lointains), va pénétrer plus ou moins notre épiderme.

 

L'on voit ici que les longueurs d'onde de 500 à 1'800 nm (0,5 à 1,8 um) sont celles qui sont le plus efficaces et qui sont ressenties jusqu'à 5 mm dans le sub-cutané. Les autres ondes agissent à la surface, au niveau de l'épiderme.

Un rayonnement bio ?

Non représenté sur le diagramme ci-dessus, l'influence des longueurs d'ondes dans l'infrarouge moyen et lointain, jusqu'a 1000 um (1mm ou 1000'000 nm).

Selon d'autres études, le rayonnement IR-C et IR-C lointain est un rayonnement sain et dit "chaleur bio". C'est dans cette gamme de longueur d'onde que l'on trouve le rayon vital, de 4 à 15 um. Ces rayons sont ceux naturels sur terre et liés à la croissance et au développement de la vie. Ce sont principalement les rayons émis directement par le corps humain.

Les IRL pénètrent profondément, jusqu'à 4 cm dans les tissus humains et mettent en résonance les molécules, augmentant ainsi la chaleur et le fonctionnement du métabolisme. Une exposition aux IRL longs réduit la douleur et la fatigue.  La thérapie par l'infrarouge aurait de multiples effets bénéfiques pour la santé. En dilatant les vaisseaux sanguins, la chaleur améliore la micro-circulation sanguine et la réparation des tissus. L'énergie IRL aurait aussi pour effets de briser les polymères des molécules d'eau qui retiennent les toxines, et d'accélérer la migration des ions de calcium. Du fait de leur similitude avec l'énergie radiante propre au vivant, les IRL sont facilement absorbés par l'homme, les animaux et les plantes. Appelés, rayon vital, les IRL activeraient les processus de croissance et de guérison.   

les fréquences du rayonnement électromagnétique

(source: radiateur-electrique.org)

Comme la longueur d'onde est importante dans le ressenti du bien-être, le type d'émetteur et donc la température d'émission sont importants pour répondre à ces critères.

 

Le modèle de corps noir de Planck

En étudiant le modèle de corps noir de Planck, c'est à dire la courbe de puissance émise en fonction de la longueur d'onde pour différentes températures de l'émetteur, et en considérant le schéma d'absorption de l'épiderme ci-dessus, l'on peut dire que notre confort thermique dépendra des considérations suivantes:

  • Plus la température de l'émetteur est élevée, plus la longueur d'onde est courte et plus l'énergie pénètre dans l'épiderme et nous donne de la chaleur IR-A.
  • Pour une pénétration maximale du rayonnement à (0,5 à 1,8 um), la température de l'émetteur, pour sa puissance maximale, doit être plus élevée que 800 K (env. 500°C) > idéal 1'500K - 1250°C
  • Un bon résultat d'absorption existe pour 2,3-2,5 um, soit des températures de 600 K à 1100 K soit environ 350°C à 900°C (IR-B)
  • Une absorption intéressante pour 3,8 à 5,8 um soit des températures de 350 K à 600 K soit env. 90°C et 350°C (IR-C)
  • Dans les IRL, pour des longueurs d'ondes dans les basses températures (rayon vital 4-15 um), la température correspondante  va de 15°C (terre) à 240°C avec 37°C pour le corps humain à 10 um

Ainsi, le choix des émetteurs et la température de ceux-ci détermineront la longueur d'onde du rayonnement et le confort thermique mais aussi le type de régulation.  

 

 

Les types d'émetteurs à rayonnement pour le chauffage

Il existe trois catégories d'émetteurs à rayonnement infrarouge:

  • les émetteurs - radiants à gaz,
  • les émetteurs - panneaux rayonnants hydrauliques et
  • les émetteurs - panneaux rayonnants électriques.