Chauffage infrarouge

Les radiateurs infrarouges sont des composants techniques ou des appareils destinés à transformer la plus grande partie possible de l’énergie qui leur est fournie (courant électrique, gaz) en chaleur et à la diffuser par l’intermédiaire d’une surface radiante.

À la différence des sources de rayonnement infrarouge naturelles (par exemple le Soleil, le feu), les sources de rayonnement dont il est question ici génèrent des radiations infrarouges par des moyens techniques.

Les explications qui suivent ne concernent aucune des sources techniques de rayonnement utilisées notamment à titre d’émetteurs infrarouges et de systèmes de localisation astronomique ou militaire.

Le radiateur infrarouge comme élément de chauffage

Radiateur infrarouge

Indépendamment du mode de construction du radiateur infrarouge, le but est de transférer le rayonnement, sans intermédiaire, dans une certaine plage de longueurs d’onde, à l’objet qui doit être chauffé, moyennant le moins de déperdition de chaleur possible.

C’est la conception technique du radiateur infrarouge qui permet le rayonnement dans une certaine plage de longueurs d’onde (domaine spectral), notamment dans la plage de 2 à 10 µm. Il s’agit là du rayonnement maximum, sachant que les radiateurs infrarouges peuvent émettre en deçà de ce rayonnement thermique maximum.

En effet, il y a plusieurs types de radiateurs infrarouges. Celui qui est de plus en plus courant et en particulier dans les pays germanophones est le radiateur par rayonnement infrarouge lointain. C’est la partie « longue » du spectre infrarouge qui est émise (infrarouge lointain de 3 μm à 1 000 μm) et qui a une portée beaucoup plus importante que celle des lampes « rouges ». On peut les comparer aux rayons infrarouges naturels du Soleil.

Par conséquent, ce chauffage qui ne travaille pas par convection, mais par rayonnement, a plusieurs avantages et c'est l'air qui fait la différence. Le chauffage infrarouge ne réchauffe pas l'air, mais les matières solides. Les murs intérieurs et le mobilier stockent la chaleur, et la rediffusent ensuite longtemps. Un chauffage rayonnant infrarouge lointain ne produit pas de circulation d'air et évite ainsi les mouvements de poussière et tous les inconvénients qui y sont liés. L'air a un taux de poussière inférieur et est ainsi plus sain^{[réf. nécessaire][1]}.

Radiateur infrarouge lointain

Un radiateur à rayonnement infrarouge moderne est souvent plat avec une épaisseur d'environ 25 mm et s’intègre discrètement dans tous les environnements. Un poids moyen d'environ 4 à 5 kg facilite le montage.

Le cœur du radiateur est une toile spéciale en fibre de carbone, recouvert de deux plaques en aluminium qui produit des rayons infrarouges « longs ». Une puissance de seulement 600 W suffit pour chauffer confortablement une pièce jusqu’à 12 m².

Grâce à son faible poids et sa faible épaisseur, le montage au plafond des panneaux de chauffage infrarouge est possible. Ceci améliore la distribution de la chaleur et augmente l'efficacité du système.

Radiateur infrarouge lointain au plafond

Effets sur le corps irradié

Les différences de structure atomique des matériaux à chauffer impliquent que ces matériaux disposent chacun de leur propre domaine spectral à l’intérieur duquel l’absorption du rayonnement est optimale. Chaque matériau possède son propre taux d’absorption. Les particules de rayonnement non absorbées par le matériau le traversent ou subissent une réflexion.

L’entrée des radiations infrarouges dans le corps à chauffer est qualifiée d’absorption. En conséquence, le processus d’absorption du corps à chauffer s’accompagne (proportionnellement) de la réflexion et de la transmission du rayonnement infrarouge. Une absorption à 100 % est techniquement impossible. L’absorption totale n’existe qu’avec le modèle théorique de l’« émetteur noir » ou « corps noir ».

La puissance du rayonnement d’un radiateur infrarouge

En dehors de la taille de la surface, la puissance et l’efficacité du rayonnement d’un chauffage infrarouge dépend de la longueur d’onde et de la température de surface de l’émetteur.

Pour un radiateur rayonnant infrarouge, on cherche à émettre des ondes du type infrarouge lointain aussi appelées IR-C, ou infrarouge long. Contrairement aux ondes du type « court » appelées IR-A, leur portée atteint plusieurs mètres et est adaptée aux besoins d’un chauffage. La longueur d’onde de l’infrarouge lointain se situe entre 3,0 µm et 100 µm. Dans cette plage, relativement vaste, un radiateur infrarouge est particulièrement efficace en émettant des ondes d’une fréquence entre 7 µm et 13 µm. La raison : dans l’air ambiant se trouve des éléments comme le H₂O, CO₂, N₂O, qui absorbent le rayonnement infrarouge partiellement. Dans la plage entre 7 et 13 µm, ces éléments, et en particulier l’eau, sont très peu présent, ce qui permet un rayonnement quasiment sans obstacle. Cette fréquence correspond alors à une « fenêtre d’ouverture »^[2].

Le deuxième paramètre qui détermine la puissance du rayonnement est la température de surface. Pour la déterminer, on fait appel à la thermographie. Par la suite, on utilise le terme « luminance » pour décrire la puissance du rayonnement. Le graphe suivant montre la luminance en fonction de deux courbes de température différentes. On constate pour une longueur d’onde de 8 µm une luminance d’environ « 17 » à 60 °C et d’environ « 27,5 » à 90 °C, donc une luminance près de 60 % supérieure à 90 °C.

Puissance du rayonnement infrarouge

Le graphe ci-contre est la déduction de l’image thermographique d’un radiateur infrarouge d’une puissance de 350 W de dimensions 60 * 60 cm (voir l'image en dessous).

Image thermographique d'un radiateur infrarouge de 350 W

Le radiateur infrarouge en céramique

Le radiateur infrarouge en céramique est constitué d’une résistance électrique chauffante insérée totalement dans un matériau céramique approprié. Grâce à l’insertion totale, l’énergie produite par la résistance est transférée au matériau qui l’entoure. Ceci protège la résistance de la surchauffe et permet de prolonger sa durée de vie. Le matériau utilisé pour l’enrobage de la résistance est non-conductible électriquement mais doit disposer de bonnes propriétés d’absorption et d’émission dans la plage de longueurs d’onde infrarouges requise. Moyennant le respect de ces conditions, les radiateurs infrarouges en céramique sont fabriqués dans une large gamme de formes géométriques.

Les radiateurs infrarouges en céramique sont en conséquence des corps en céramique dans lesquels, grâce à l’enroulement chauffant, une partie de la surface est utilisée comme surface de rayonnement. Avec les radiateurs infrarouges, il est par ailleurs possible de fixer un thermocouple à proximité immédiate de la résistante chauffante.

La société Elstein-Werk a inventé le radiateur infrarouge en céramique décrit plus haut et est propriétaire du brevet pour le modèle de base du radiateur en céramique au culot à vis en date du 24 mars 1949^{[réf. nécessaire]}. Elle a mis au point en parallèle la conception de grandes surfaces de rayonnement permettant l’installation de grands panneaux rayonnants et obtenu un brevet pour les radiateurs infrarouges plats en céramique le 8 mars 1950. Grâce à la désignation largement répandue de « radiateurs Elstein » pour parler des radiateurs infrarouges en céramique, ce terme est devenu un terme générique pour les radiateurs infrarouges en céramique^[3].

Notes et références

• Portail de l’architecture et de l’urbanisme
• Portail de l’énergie