Fonctionnement d'un thermostat de radiateur

Un thermostat de radiateur fonctionne en tout ou rien pour réguler la température d'une pièce ou d'un local. Si la température mesurée est plus faible que la température de consigne (celle que l'on souhaite), le radiateur est allumé, si la température mesurée est plus élevée, le radiateur est éteint, mais prêt à se rallumer dès que la température de la pièce descend sous la consigne.

Quelle est la relation entre la puissance d'un chauffage électrique et la puissance nécessaire pour maintenir une température ?

Dépense d'énergie et puissance du radiateur

Un radiateur électrique de 2000W ne consomme pas davantage qu'un radiateur de 1000W lorsque le thermostat fonctionne et que la température de la pièce correspond à la température souhaitée. En effet, dans les deux cas, le radiateur compense les pertes à travers l'isolation des murs et des fenêtres. Le radiateur apporte en moyenne exactement autant de calories qu'il n'en passe à travers les murs et les fenêtres. Si tel n'était pas le cas, la température de la pièce augmenterait ou diminuerait.

A savoir : Sur les radiateurs à eau, le thermostat est l'une des causes principales d'un radiateur qui ne chauffe pas.

L'hystérésis du thermostat

Lorsqu'on règle le thermostat sur 18°C par exemple, on constate que la température mesurée va fluctuer périodiquement autour de 18°C. Par exemple, le radiateur va chauffer jusqu'à atteindre 18,5°C. A ce seuil là, le thermostat coupe le radiateur. La température va descendre jusqu'à un autre seuil (17,5°C) par exemple. A cet instant, le thermostat redéclenche le radiateur. La température remonte jusqu'à 18,5°C, puis le radiateur se coupe. La température oscillera en permanence entre 17,5°C et 18,5°C. C'est le principe du thermostat pour radiateur (mais aussi vrai pour réfrigérateur et chaudière).

L'hystérésis permet d'éviter des commutations trop fréquentes du radiateur. Lorsque le thermostat repose sur un contact mécanique de type bilame, l'hystérésis est un peu plus grand. Au contraire, lorsque le thermostat est électronique (c'est un composant électronique qui sert d'interrupteur pour couper le radiateur ou l'allumer), l'hystérésis peut être réduit. Le radiateur s'allume et s'éteint très souvent, et régule ainsi plus finement la température (par exemple entre 17,9° et 18,1° plutôt qu'entre 17°C et 19°C).

Le fonctionnement d'un radiateur à thermostat crée donc un système auto oscillant allumé-éteint-allumé... La période de fonctionnement dépend de l'hystérésis du thermostat et de l'inertie thermique de la pièce.

L'hystérésis est nécessaire sinon le thermostat serait tout le temps en train d'allumer et d'éteindre le radiateur !

Exemple de deux radiateurs avec thermostat

Les courbes ci dessous montrent le fonctionnement de deux radiateurs à thermostat (l'un de 1000W, l'autre de 2000W) lorsque la puissance moyenne à fournir est ici dans cet exemple de 500W. Cette puissance moyenne est nécessaire pour maintenir la pièce à la température souhaitée (consigne) de 18°C. Cela signifie qu'il y a 500W qui "fuient" à travers les murs et les fenêtres. Le radiateur compense cette perte, ni plus, ni moins.

Observons les courbes de consommation de puissance des deux radiateurs :

Consommations instantanées de deux radiateurs à thermostat :

• Le radiateur de 2000W est allumé 25% du temps, ce qui fait une puissance moyenne de 500W.
• Le radiateur de 1000W est allumé 50% du temps, ce qui fait la même puissance moyenne.

La consommation électrique instantanée est différente, en revanche la consommation moyenne est la même (500W). Sur une journée, la consommation est, dans les deux cas, de 24h x 0,5kW = 12kWh

A titre indicatif, la dépense est de 12kWh x 0,15 euro/kWh = 1,80 euro par jour.

Pour comprendre pourquoi les radiateurs s'allument et s'éteignent, il faut décrire ce que fait la température mesurée :

Consommations instantanées et températures mesurées

• Lorsque le radiateur ne chauffe pas, la température baisse naturellement. Il y a 500W qui fuient à travers les murs et les fenêtres. La pièce à chauffer est comme un seau rempli de calories (énergie), mais c'est un seau percé qui fuit.
• Lorsque le radiateur chauffe, la température monte, mais il y a toujours 500W qui fuient. La puissance du radiateur est amputée de 500W, ce qui reste sert à élever la température de la pièce. On remplit un seau qui fuit, mais le débit d'eau qui arrive est plus élevé que le débit d'eau qui sort. Les puissances correspondent au débit d'énergie, donc une puissance !

Pour les courbes ci dessus :

Lorsque le radiateur est allumé, sa puissance sert à :

• compenser les pertes dans l'isolation (500W)
• élever la température avec la puissance restante

(pour le radiateur de 2000W : 2000W-500W=1500W

et pour le radiateur de 1000W : 1000W-500W=500W)

Lorsque la température atteint 18,5°C, le thermostat coupe le radiateur. La température de la pièce descend à cause des 500W de fuite de chaleur. Quand la température atteint 17,5°C, le thermostat remet le radiateur en route. Un nouveau cycle commence.

La pente de la température (en degrés °C par minute par exemple) est proportionnelle à la puissance que reçoit la pièce.

Si le radiateur faisait 500W, il resterait allumé en permanence et arriverait tout juste à maintenir la température de la pièce.

Fonctionnement intermittent du chauffage électrique

Les durées de "radiateur éteint" sont les mêmes pour le radiateur 1000W ou 2000W. En effet, dans les deux cas, c'est la durée qu'il faut à la pièce pour passer naturellement de 18,5°C à 17,5°C. Cette durée dépend de l'inertie thermique de la pièce. Un local en préfabriqué va descendre plus rapidement en température qu'un grand bâtiment.

Lorsque le radiateur de 2000W se remet en route, il y a 1500W pour chauffer la pièce. Elle chauffe donc en trois fois moins de temps (1500W, c'est trois fois plus que 500W).

Lorsque le radiateur de 1000W se remet en route, il y a 500W pour chauffer la pièce. La pièce met donc autant de temps à chauffer qu'à se refroidir (15 minutes pour l'exemple ici).

On remarque que les pourcentages de temps où les radiateurs sont allumés sont en accord avec la puissance moyenne consommée :

• 5min/20min = 25% du temps pour le radiateur 2000W
• 15min/30min = 50% du temps pour le radiateur 1000W

Radiateur 1000W ou 2000W : sa consommation sera la même

Limites de la régulation du thermostat

C'est le fonctionnement intermittent du radiateur qui assure la régulation de la température. S'il faut fournir un peu plus, le radiateur va se trouver allumé un peu plus fréquemment, un pourcentage de temps plus élevé.

Si le radiateur avait une puissance de 501W, il resterait allumé très longtemps pour élever la température. Il ne resterait que 1W pour élever la température...

Si le radiateur n'est pas assez puissant pour maintenir la température, l'écart entre la température de consigne et la température réelle va augmenter, même si le radiateur est à fond (allumé 100% du temps).

A l'inverse, si il fait déjà trop chaud, le radiateur va rester éteint tout le temps. Le radiateur ne peut pas refroidir la pièce. Il ne peut pas tirer la température vers le bas.

Conclusion sur le thermostat electrique

Le fonctionnement d'un thermostat nécessite une mesure de température. Pour réguler la température mesurée autour de la température de consigne, un fonctionnement intermittent est nécessaire. Un hystérésis permet l'alternance de périodes de chauffe et de périodes où le radiateur est éteint. La consommation d'énergie ne dépend pas de la puissance du radiateur, mais des pertes à travers l'isolation des murs et des fenêtres.