La convection naturelle est le phénomène par lequel la chaleur monte et le froid descend par modification de densité. Le chauffage par convection naturelle, appellation désormais réduite à chauffage par convection, utilise ce seul principe pour chauffer l’air de nos logements. Même si avec tout dispositif de production de chaleur un effet de convection est perceptible, le chauffage par convection n’utilise que la convection naturelle sans dispositif ou précédé annexe de diffusion de chaleur.
Principe du chauffage par convection
Quel que soit le mode de chauffage, le principe de convection s’appliquera toujours. Tout fluide chauffé se dilatant a un rapport volume/masse qui évolue et influe sur sa densité. Ainsi, un volume d’air chaud est plus léger que la même quantité d’air froid. Cette convection est naturelle et s’observe au quotidien. La météo nous rappelle sans cesse que les anticyclones d’air chaud passent par-dessus les dépressions d’air froid, et il suffit de regarder se former un nuage d’orage pour comprendre que l’air chaud du sol est aspiré vers le froid qui règne en altitude.
Exemple : la convection naturelle se constate aisément à proximité de la mer par le phénomène de la brise de terre et de la brise de mer. Selon l’heure de la journée, c’est l’air chaud au-dessus de la terre qui monte et l’air froid venu de la mer le remplace en créant un courant d’air venant de la mer (brise de mer). À l’inverse quand la mer est plus chaude que la terre, le phénomène s’inverse et la brise souffle alors de la terre vers la mer (brise de terre).
Chauffage par convection : fonctionnement
Si tout mode de chauffage crée cette convection naturelle par élévation de la température, le chauffage par convection n’utilise que ce principe pour chauffer tout le volume d’air d’une pièce. L’air chauffé dans le convecteur par la résistance électrique monte à l’intérieur du corps de l’appareil puis passe dans la pièce par les grilles ou ailettes. Une fois sorti du convecteur, l’air chaud continue de monter dans la pièce jusqu’au plafond, en chassant vers le plancher l’air plus froid. C’est d’ailleurs pour cela que le convecteur est également muni d’une grille sous sa face inférieure afin que l’air froid situé au sol puisse monter à son tour dans le convecteur afin d’y être chauffé.
Simple, voire simpliste, le chauffage par convection a pour avantage de ne mettre aucune pièce mécanique en mouvement. Sa fiabilité est certaine et son coût de fabrication extrêmement contenu, ce qui fait des convecteurs électriques des appareils de chauffage économiques à l’achat, mais à l’achat seulement…
Inconvénients du chauffage par convection
Le problème de la convection (quel que soit le type de chauffage) est que l’air chaud monte au plafond alors qu’on en a besoin à hauteur d’homme ou de canapé. Chauffer le plafond et attendre qu’il y ait suffisamment d’air chaud dans la pièce pour avoir chaud aux épaules ou aux pieds est improductif et contraire à la volonté de limitation de l’impact environnemental du chauffage.
Ces fameux convecteurs électriques que l’on qualifie souvent de 'grille-pain’ ne sont donc que de simples résistances électriques carrossées dans lesquelles circule l’air de la pièce par convection naturelle. Pour avoir chaud à hauteur d’homme, il faudra donc les mettre en route assez longtemps pour que tout le volume depuis le plafond jusqu’à la bonne hauteur soit chauffé. Pour avoir chaud aux pieds, il faudra chauffer plus longtemps encore.
Exemple : dans une pièce où l’on souhaite obtenir 19 °C à hauteur d’homme ou de thermostat (souvent la même), un chauffage par convection va créer un coussin d’air chaud à 24 °C au plafond, alors qu’au niveau du plancher l’air sera à 18 °C ou moins.
Chauffage par convection : d’autres solutions ?
La première solution que l’on a apportée à cette réduction de l’effet de convection faisant trop vite monter la chaleur dans la pièce a été d’adjoindre un ventilateur au convecteur. Le convecteur soufflant, ou ventilo-convecteur, disperse à sa hauteur l’air chaud qu’il a produit afin que la chaleur soit d’abord ressentie par les occupants avant qu’elle ne monte au plafond (et que ce soit le voisin du dessus qui en profite). D’autres modes de chauffage utilisent une soufflerie pour diffuser l’air chaud ou froid comme le font les chauffages soufflants, c’est le cas pour une climatisation par splits ou gainable, une pompe à chaleur, un puits canadien, etc.
Les autres modes de chauffage utilisent un autre principe que la convection pour diffuser la chaleur :
Le chauffage par panneaux rayonnants
En augmentant la surface de chauffe sur un panneau large et ouvert plutôt que par une simple résistance carrossée dans un caisson ou une plinthe, la sensation de chaleur rayonne en face de ce panneau pour une diffusion plus large et plus douce de la chaleur produite. C’est le chauffage par rayonnement qui est utilisé dans les planchers chauffants, les vitres chauffantes, les parois et plafonds rayonnants, mais aussi dans les réglettes murales à quartz que l’on trouve souvent dans les salles de bain.
Le chauffage par accumulation
Avec le chauffage par accumulation, plutôt que de chauffer l’air, c’est un matériau capable d’emmagasiner la chaleur produite qui est échauffée (radiateurs à bain d’huile, à brique de céramique, etc.). Le phénomène de convection est plus lent, donc la chaleur reste plus longtemps au niveau souhaité.
Convection naturelle
La convection naturelle ne peut être combattue, alors il faut en tirer des leçons et de l’expérience que l’on constate dans les pays froids (mais aussi en montagne) où l’on construit des habitations à faible hauteur de plafond afin de les chauffer plus rapidement et plus économiquement.