ISO/FDIS 11855-4

Building environment design -- Embedded radiant heating and cooling systems

Conception de l'environnement des bâtiments -- Systèmes intégrés de chauffage et de refroidissement par rayonnement

General Information

• Status: Published
• ICS: 91.040.01 - Buildings in general
• Technical Committee: ISO/TC 205 - Building environment design
• Drafting Committee: ISO/TC 205/WG 8 - Radiant heating and cooling systems
• Current Stage: 5020 - FDIS ballot initiated: 2 months. Proof sent to secretariat
• Start Date: 03-May-2021
• Completion Date: 03-May-2021

RELATIONS

• Revised: ISO 11855-4:2012 - Building environment design -- Design, dimensioning, installation and control of embedded radiant heating and cooling systems
• Effective Date: 14-Oct-2017

Standards Content (sample)

FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 11855-4
ISO/TC 205
Building environment design —
Secretariat: ANSI
Embedded radiant heating and cooling
Voting begins on:
2021-05-03 systems —
Voting terminates on:
Part 4:
2021-06-28
Dimensioning and calculation of the
dynamic heating and cooling capacity
of Thermo Active Building Systems
(TABS)
Conception de l'environnement des bâtiments — Systèmes intégrés de
chauffage et de refroidissement par rayonnement —
Partie 4: Dimensionnement et calculs relatifs au chauffage
adiabatique et à la puissance frigorifique pour systèmes d'éléments de
construction thermoactifs (TABS)
ISO/CEN PARALLEL PROCESSING
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO-
ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN-
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2021
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021

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Published in Switzerland
ii © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 1

5 The concept of thermally active building surfaces (TABS) ....................................................................................... 4

6 Calculation methods ......................................................................................................................................................................................10

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................10

6.2 Rough sizing method ......................................................................................................................................................................13

6.3 Simplified sizing by diagrams .................................................................................................................................................13

6.4 Simplified model based on FDM ...........................................................................................................................................19

6.4.1 Cooling system ................................................................................................................................................................20

6.4.2 Hydraulic circuit and slab .....................................................................................................................................20

6.4.3 Room .......................................................................................................................................................................................22

6.4.4 Limits of the method .................................................................................................................................................24

6.5 Dynamic building simulation programs.........................................................................................................................25

7 Effects of acoustic ceiling units on the cooling performance of TABS ........................................................25

8 Input for computer simulations of energy performance.........................................................................................25

Annex A (informative) Simplified diagrams ..............................................................................................................................................27

Annex B (normative) Calculation method ...................................................................................................................................................33

Annex C (informative) Tutorial guide for assessing the model..............................................................................................44

Annex D (informative) Computer program .................................................................................................................................................47

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................58

© ISO 2021 – All rights reserved iii
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/

iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 205, Building environment design, in

collaboration with the European Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC

228, Heating systems and water based cooling systems in buildings, in accordance with the Agreement on

technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 11855-4:2012), which has been

technically revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— editorial corrections;
— picture redraws;
— updated Bibliography;
— improved wording.
A list of all parts in the ISO 11855 series can be found on the ISO website.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Introduction

The radiant heating and cooling system consists of heat emitting/absorbing, heat supply, distribution,

and control systems. The ISO 11855 series deals with the embedded surface heating and cooling system

that directly controls heat exchange within the space. It does not include the system equipment itself,

such as heat source, distribution system and controller.

The ISO 11855 series addresses an embedded system that is integrated with the building structure.

Therefore, the panel system with open air gap, which is not integrated with the building structure, is

not covered by this series.

The ISO 11855 series is applicable to water-based embedded surface heating and cooling systems

in buildings. The ISO 11855 series is applied to systems using not only water but also other fluids or

electricity as a heating or cooling medium. The ISO 11855 series is not applicable for testing of systems.

The methods do not apply to heated or chilled ceiling panels or beams.

The object of the ISO 11855 series is to provide criteria to effectively design embedded systems. To do

this, it presents comfort criteria for the space served by embedded systems, heat output calculation,

dimensioning, dynamic analysis, installation, control method of embedded systems, and input

parameters for the energy calculations.

The ISO 11855 series consists of the following parts, under the general title Building environment

design — Embedded radiant heating and cooling systems:
— Part 1: Definitions, symbols, and comfort criteria
— Part 2: Determination of the design heating and cooling capacity
— Part 3: Design and dimensioning

— Part 4: Dimensioning and calculation of the dynamic heating and cooling capacity of Thermo Active

Building Systems (TABS)
— Part 5: Installation
— Part 6: Control
— Part 7: Input parameters for the energy calculation

ISO 11855-1 specifies the comfort criteria which should be considered in designing embedded radiant

heating and cooling systems, since the main objective of the radiant heating and cooling system is to

satisfy thermal comfort of the occupants. ISO 11855-2 provides steady-state calculation methods for

determination of the heating and cooling capacity. ISO 11855-3 specifies design and dimensioning

methods of radiant heating and cooling systems to ensure the heating and cooling capacity.

ISO 11855-4, this document, provides a dimensioning and calculation method to design Thermo Active

Building Systems (TABS) for energy saving purposes, since radiant heating and cooling systems can

reduce energy consumption and heat source size by using renewable energy. ISO 11855-5 addresses the

installation process for the system to operate as intended. ISO 11855-6 shows a proper control method

of the radiant heating and cooling systems to ensure the maximum performance which was intended

in the design stage when the system is actually being operated in a building. ISO 11855-7 presents a

calculation method for input parameters to ISO 52031.
© ISO 2021 – All rights reserved v
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FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Building environment design — Embedded radiant heating
and cooling systems —
Part 4:
Dimensioning and calculation of the dynamic heating and
cooling capacity of Thermo Active Building Systems (TABS)
1 Scope

This document allows the calculation of peak cooling capacity of Thermo Active Building Systems

(TABS), based on heat gains, such as solar gains, internal heat gains, and ventilation, and the calculation

of the cooling power demand on the water side, to be used to size the cooling system, as regards the

chiller size, fluid flow rate, etc.

This document defines a detailed method aimed at the calculation of heating and cooling capacity in

non-steady state conditions.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 11855-1, Building environment design — Embedded radiant heating and cooling systems — Part 1:

Definitions, symbols, and comfort criteria

ISO 11855-2, Building environment design — Embedded radiant heating and cooling systems — Part 2:

Determination of the design heating and cooling capacity
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11855-1 apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
4 Symbols and abbreviated terms

For the purposes of this document, the symbols and abbreviated terms in Table 1 apply.

Table 1 — Symbols and abbreviated terms
Symbol Unit Quantity
A m Area of the heating/cooling surface area

m Total area of internal vertical walls (i.e. vertical walls, external façades excluded)

C J/(m ·K) Specific thermal capacity of the thermal node under consideration
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Table 1 (continued)
Symbol Unit Quantity
C J/(m ·K) Average specific thermal capacity of the internal walls
c J/(kg·K) Specific heat of the material constituting the j-th layer of the slab
c J/(kg·K) Specific heat of water
d m External diameter of the pipe
E kWh/m Specific daily energy gains
Day

Running mode (1 when the system is running; 0 when the system is switched off) in

the h-th hour
f - Design safety factor
F - View factor between the floor and the ceiling
v F-C
F - View factor between the floor and the external walls
v F-EW
F - View factor between the floor and the internal walls
v F-W
h W/(m ·K) Convective heat transfer coefficient between the air and the ceiling
A-C
h W/(m ·K) Convective heat transfer coefficient between the air and the floor
A-F

h W/(m ·K) Convective heat transfer coefficient between the air and the internal walls

A-W
h W/(m ·K) Radiant heat transfer coefficient between the floor and the ceiling
F-C

h W/(m ·K) Radiant heat transfer coefficient between the floor and the internal walls

F-W

Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the air

H W/K
thermal node (“A”)

Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the ceiling

H W/K
surface thermal node (“C”)

H W/K Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the circuit

Cct

H W/K Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the next one

CondDn
Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the
H W/K
CondUp
previous one

H - Fraction of internal convective heat gains acting on the thermal node under consideration

Conv

Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the floor

H W/K
surface thermal node (“F”)

H W/K Coefficient connected to the inertia contribution at the thermal node under consideration

Heat transfer coefficient between the thermal node under consideration and the
H W/K
IWS
internal wall surface thermal node (“IWS”)

H - Fraction of total radiant heat gains impinging on the thermal node under consideration

Rad

h W/(m ·K) Total heat transfer coefficient (convection + radiation) between surface and space

J - Number of layers constituting the slab as a whole
J - Number of layers constituting the upper part of the slab
J - Number of layers constituting the lower part of the slab
L m Length of installed pipes

m kg/(m ·s) Specific water flow in the circuit, calculated on the area covered by the circuit

H,sp
- Number of partitions of the j-th layer of the slab
n - Actual number of iteration in iterative calculations
n h Number of operation hours of the circuit
n - Maximum number of iterations allowed in iterative calculations
Max
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Table 1 (continued)
Symbol Unit Quantity
Max,h

W Maximum cooling power reserved to the circuit under consideration in the h-th hour

Cct
Max
W/m Maximum specific cooling power (per floor square metre)
Cct,Spec
q W/m Inward specific heat flux
q W/m Outward specific heat flux
W Heat flux impinging on the ceiling surface (“C”) in the h-th hour
W Heat flux extracted by the circuit in the h-th hour
Cct
W Total convective heat gains in the h-th hour
Conv
W Heat flux impinging on the floor surface (“F”) in the h-th hour
W Internal convective heat gains in the h-th hour
IntConv
W Internal radiant heat gains in the h-th hour
IntRad
W Heat flux impinging on the internal wall surface (“IWS”) in the h-th hour
IWS
W Primary air convective heat gains in the h-th hour
PrimAir
W Total radiant heat gains in the h-th hour
Rad
W Solar heat gains in the room in the h-th hour
Sun
W Transmission heat gains in the h-th hour
Transm
Q W/m Average specific cooling power
R (m ·K)/W Generic thermal resistance
R (m ·K)/W Additional thermal resistance covering the lower side of the slab
Add C
R (m ·K)/W Additional thermal resistance covering the upper side of the slab
Add F
R (m ·K)/W Internal thermal resistance of the slab conductive region
int
Conduction thermal resistance connecting the p-th thermal node with the boundary
R (m ·K)/W
L,p
of the (p+1)-th thermal node
R (m ·K)/W Pipe thickness thermal resistance
R (m ·K)/W Circuit total thermal resistance
Conduction thermal resistance connecting the p-th thermal node with the boundary
R (m ·K)/W
U,p
of the (p-1)-th thermal node
R (m ·K)/W Wall surface thermal resistance
R (m ·K)/W Water flow thermal resistance
R (m ·K)/W Pipe level thermal resistance
R (m ·K)/W Convection thermal resistance at the pipe inner side
s m Pipe wall thickness
s M Thickness of the upper part of the slab
s m Thickness of the lower part of the slab
m Pipe spacing
m Thickness of the j-th layer of the slab
Δθ K Generic temperature difference
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Table 1 (continued)
Symbol Unit Quantity
Max
K Maximum operative temperature drift allowed for comfort conditions
Comfort
s Calculation time step
°C Temperature of the air thermal node (“A”) in the h-th hour
°C Temperature of the ceiling surface thermal node (“C”) in the h-th hour
Max
°C Maximum operative temperature allowed for comfort conditions
Comf

θ °C Maximum operative temperature allowed for comfort conditions in the reference case

Comf,Ref
°C Temperature of the floor surface thermal node (“F”) in the h-th hour

°C Temperature of the core of the internal walls thermal node (“IW”) in the h-th hour

°C Temperature of the internal wall surface thermal node (“IWS”) in the h-th hour

IWS
°C Room mean radiant temperature in the h-th hour
°C Room operative temperature in the h-th hour
°C Temperature of the p-th thermal node in the h-th hour
°C Temperature of the pipe level thermal node (“PL”) in the h-th hour
°C Daily average temperature of the conductive region of the slab
Slab
°C Water inlet actual temperature in the h-th hour
Wa,In
Setp,h
°C Water inlet set-point temperature in the h-th hour
Wa,In
Setp
°C Water inlet set-point temperature in the reference case
Wa,In,Ref
°C Water outlet temperature in the h-th hour
Wa,Out
λ W/(m·K) Thermal conductivity of the material of the pipe embedded layer

λ W/(m·K) Thermal conductivity of the material constituting the j-th layer of the slab

λ W/(m·K) Thermal conductivity of the material constituting the pipe
ξ K Actual tolerance in iterative calculations
ξ K Maximum tolerance allowed in iterative calculations
Max
ρ kg/m Density of the material constituting the j-th layer of the slab
various Slope of correlation curves
5 The concept of thermally active building surfaces (TABS)

A thermally active building surface (TABS) is an embedded water-based surface heating and cooling

system, where the pipe is embedded in the central concrete core of a building construction (see

Figure 1).
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
1 concrete
2 floor
3 pipes
4 room
5 reinforcement
6 window
Figure 1 — Example of position of pipes in TABS

The building constructions embedding the pipe are usually the horizontal ones. As a consequence,

in the following sections, floors and ceilings are usually referred to as active surfaces. Looking at a

typical structure of a thermally active building surfaces (TABS), heat is removed by a cooling system

(for instance, a chiller), connected to pipes embedded in the slab. The system can be divided into the

elements shown in Figure 2.
© ISO 2021 – All rights reserved 5
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
1 heating and cooling equipment
2 hydraulic circuit
3 slab including core layer with pipes
4 possible additional resistances (floor covering or suspended ceiling)
5 room below and room above
6 pipe level
Figure 2 — Simple scheme of a TABS

Thermally active surfaces exploit the high thermal inertia of the slab in order to perform the peak-

shaving. The peak-shaving consists in reducing the peak in the required cooling power (see Figure 3),

so that it is possible to cool the structures of the building during a period in which the occupants are

absent (during night time, in office premises). This way the energy consumption can be reduced and

a lower night time electricity rate can be used. At the same time a reduction in the size of heating and

cooling system components (including the chiller) is possible.
6 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
X time, h
Y cooling power, W
1 heat gain
2 cooling power needed for conditioning the ventilation air
3 cooling power needed on the water side
4 reduction of the required peak power
Figure 3 — Example of peak-shaving effect

TABS can be used both with natural and mechanical ventilation (depending on weather conditions).

Mechanical ventilation with dehumidifying can be required depending on external climate and

indoor humidity production. In the example in Figure 3, the required peak cooling power needed for

dehumidifying the air during day time is sufficient to cool the slab during night time.

As regards the design of TABS, the planner needs to know if the capacity at a given water temperature

is sufficient to keep the room temperature within a given comfort range. Moreover, the planner needs

also to know the heat flux on the water side to be able to dimension the heat distribution system and

the chiller and boiler. This document provides methods for both purposes.

When using TABS, the indoor temperature changes moderately during the day and the aim of a good

TABS design is to maintain internal conditions within the range of comfort, i.e. –0,5 < PMV < 0,5, during

the day, according to ISO 7730 (see Figure 4).
© ISO 2021 – All rights reserved 7
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
X time, h
Y temperature, °C
PMV predicted mean vote
θ air temperature
air
θ ceiling temperature
θ mean radiant temperature
θ floor temperature
θ water return temperature
w exit
Figure 4 — Example of temperature profiles and PMV values vs. time

Some detailed building system calculation models have been developed to determine the heat exchanges

under unsteady state conditions in a single room, the thermal and hygrometric balance of the room air,

prediction of comfort conditions, check of condensation on surfaces, availability of control strategies

and calculation of the incoming solar radiation. The use of such detailed calculation models is, however,

limited due to the high amount of time needed for the simulations. The development of a more user-

friendly tool is required. Such a tool is provided in this document and allows the simulation of TABS.

The diagrams in Figure 5 show an example of the relation between internal heat gains, water supply

temperature, heat transfer on the room side, hours of operation and heat transfer on the water side.

The diagrams refer to a concrete slab with raised floor (R = 0,45 (m ·K)/W) and an allowed room

temperature range of 21 °C to 26 °C.

The upper diagram shows on the Y-axis the maximum permissible total heat gain in space (internal

heat gains plus solar gains) [W/m ], and on the X-axis the required water supply temperature. The

lines in the diagram correspond to different operation periods (8 h, 12 h, 16 h, and 24 h) and different

maximum amounts of energy supplied per day [Wh/(m ·d)].

The lower diagram shows the cooling power [W/m ] required on the water side (to dimension the

chiller) for TABS as a function of supply water temperature and operation time. Further, the amount of

energy rejected per day is indicated [Wh/(m ·d)].

The example shows that, for a maximum internal heat gain of 38 W/m and 8 h operation, a supply

water temperature of 18,2 °C is required. If, instead, the system is in operation for 12 h, a supply

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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)

water temperature of 19,3 °C is required. In total, the amount of energy rejected from the room is

approximately 335 Wh/m per day. In the same conditions, the required cooling power on the water side

2 2

is 37 W/m (for 8 h operation) and 25 W/m (for 12 h operation) respectively. Thus, by 12 h operation,

the chiller can be much smaller.
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
X (upper diagram) supply temperature tabs, °C
Y (upper diagram) maximum total heat gain in space (W/m , floor area)
Y (lower diagram) mean cooling power tabs (W/m , floor area)
1 maximurn temperature increase (21 °C - 26 °C)
2 self-regulating effect of slab
Figure 5 — Working principle of TABS
6 Calculation methods
6.1 General

TABS are systems with high thermal inertia. Therefore, for sizing chillers coupled with them, dynamic

simulations shall be carried out. In principle, the solution of heat transfer inside structures with

embedded pipes shall deal with 2-D calculations (see Figure 6). The calculation time required to

consider the 2-D thermal field and the overall balance with the rest of the room is usually too high.

Therefore, mathematical models in literature are usually based on a link between the pipe surface and

the upper and lower surfaces (i.e. floor and ceiling).

One possibility to model radiant systems is to apply response factors to the pipe surface, upper surface

and lower surface of the slab (see Figure 7). This way, the conduction heat transfer is defined via nine

response factor series, that can be reduced to six response factor series, because of reciprocity rules.

10 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
1 upper surface
2 pipe surface
3 lower surface
Figure 6 — Heat transfer through structures containing pipes
Key
1 impulse
Figure 7 — Transfer functions for building elements containing pipes

Another possibility is to consider a resistance between the external pipe surface and an equivalent core

temperature at pipe level, which represents the average temperature along the axial plane of the pipes

(see Figure 8). From the core level to upward and downward levels, a 1-D resistance-capacity network

or 1-D response factor series (or transfer function) can be applied.
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ISO/FDIS 11855-4:2021(E)
Key
1 lower part of the slab
2 lower surface temperature (ceiling)
3 circu
...

PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 11855-4
ISO/TC 205
Conception de l'environnement des
Secrétariat: ANSI
bâtiments — Systèmes intégrés de
Début de vote:
2021-05-03 chauffage et de refroidissement par
rayonnement —
Vote clos le:
2021-06-28
Partie 4:
Dimensionnement et calculs
relatifs au chauffage adiabatique
et à la puissance frigorifique pour
systèmes d'éléments de construction
thermoactifs (TABS)
Building environment design — Embedded radiant heating and
cooling systems —
Part 4: Dimensioning and calculation of the dynamic heating and
cooling capacity of Thermo Active Building Systems (TABS)
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
TRAITEMENT PARALLÈLE ISO/CEN
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
TION NATIONALE. ISO 2021
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021

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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et termes abrégés ..................................................................................................................................................................... 1

5 Concept de système thermoactif (TABS) ...................................................................................................................................... 5

6 Méthodes de calcul ..........................................................................................................................................................................................10

6.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................10

6.2 Méthode de dimensionnement approximative ........................................................................................................13

6.3 Dimensionnement simplifié au moyen de diagrammes ...................................................................................13

6.4 Modèle simplifié fondé sur la MDF .....................................................................................................................................20

6.4.1 Système de refroidissement ................................................................................................................................21

6.4.2 Circuit hydraulique et dalle .................................................................................................................................21

6.4.3 Pièce .........................................................................................................................................................................................23

6.4.4 Limites de la méthode ..............................................................................................................................................25

6.5 Programmes de simulation de bâtiment dynamique .........................................................................................26

7 Effets des plafonniers acoustiques sur les performances de refroidissement des TABS .......26

8 Entrée pour les simulations informatiques de performance énergétique ...........................................27

Annexe A (informative) Diagrammes simplifiés ...................................................................................................................................28

Annexe B (normative) Méthode de calcul ....................................................................................................................................................34

Annexe C (informative) Guide d’apprentissage pour l’évaluation du modèle ........................................................45

Annexe D (informative) Programme informatique ............................................................................................................................48

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................59

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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L'élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevetshttps:// www .iso .org/ fr/ iso -standards -and -patents

.html).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos .html.

Le présent document a été préparé par le comité technique ISO/TC 205, Conception de l’environnement

intérieur des bâtiments, en collaboration avec le comité technique du Comité européen de

normalisation (CEN) CEN/TC 228, Systèmes de chauffage dans les bâtiments, conformément à l’Accord de

coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 11855-4:2012), qui a fait l’objet

d’une révision technique.

Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les suivantes:

— corrections rédactionnelles;
— révisions des images;
— mise à jour de la Bibliographie;
— amélioration de la formulation.

Une liste de toutes les parties de la série ISO 11855 se trouve sur le site web de l’ISO.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/ members .html.
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Introduction

Les systèmes de chauffage et de refroidissement par rayonnement sont constitués de systèmes

d’émission/d’absorption de chaleur, de fourniture de chaleur, de distribution et de contrôle. La

série ISO 11855 concerne les systèmes de chauffage et de refroidissement de surface intégrés qui

contrôlent directement l’échange de chaleur dans les locaux. Elle n’inclut pas l’équipement composant le

système lui-même, tel que la source de chaleur, le système de distribution et le contrôleur.

La série ISO 11855 examine un système intégré dans une structure de bâtiment. Le système de

panneaux avec ouverture à l’air libre, qui n’est pas intégré dans une structure de bâtiment, n’est donc

pas traité par cette série de normes.

La série ISO 11855 s’applique aux systèmes intégrés de chauffage et de refroidissement de surface à eau

dans les bâtiments. La série ISO 11855 est appliquée aux systèmes utilisant non seulement de l’eau mais

également d’autres fluides ou de l’électricité en tant que medium de chauffage ou de refroidissement. La

série ISO 11855 ne s’applique pas à l’essai des systèmes. Ces méthodes ne s’appliquent pas aux panneaux

ou poutres de plafond chauffés ou refroidis.

L’objectif de la série ISO 11855 est de fournir des critères permettant une conception efficace des

systèmes intégrés. À cet effet, elle présente des critères de confort des locaux desservis par les systèmes

intégrés, et traite du calcul de la puissance calorifique, du dimensionnement, de l’analyse dynamique,

de l’installation, de la méthode de contrôle des systèmes intégrés et des paramètres d’entrée pour le

calcul de la performance énergétique.

La série ISO 11855 comprend les parties suivantes, sous le titre général Conception de l’environnement

des bâtiments — Systèmes intégrés de chauffage et de refroidissement par rayonnement:

— Partie 1: Définitions, symboles et critères de confort;

— Partie 2: Détermination de la puissance calorifique et frigorifique à la conception;

— Partie 3: Conception et dimensionnement;

— Partie 4: Dimensionnement et calculs relatifs au chauffage adiabatique et à la puissance frigorifique

pour systèmes thermoactifs (TABS);
— Partie 5: Installation;
— Partie 6: Contrôle;
— Partie 7: Paramètres d’entrée pour le calcul de la performance énergétique.

L’ISO 11855-1 spécifie les critères de confort dont il convient de tenir compte lors de la conception

des systèmes intégrés de chauffage et de refroidissement par rayonnement, le principal objectif d’un

système de chauffage et de refroidissement par rayonnement étant de satisfaire au confort thermique

des occupants. L’ISO 11855-2 fournit des méthodes de calcul en régime stabilisé pour la détermination

de la puissance calorifique et frigorifique. L’ISO 11855-3 spécifie les méthodes de conception et de

dimensionnement des systèmes de chauffage et de refroidissement par rayonnement permettant

de garantir la puissance calorifique et frigorifique. L’ISO 11855-4, le présent document, fournit une

méthode de dimensionnement et de calcul pour la conception des systèmes thermoactifs (TABS) en vue

de réaliser des économies d’énergie, les systèmes de chauffage et de refroidissement par rayonnement

permettant de réduire la consommation d’énergie et la taille de la source de chaleur en utilisant de

l’énergie renouvelable. L’ISO 11855-5 examine le processus d’installation permettant au système de

fonctionner comme prévu. L’ISO 11855-6 présente une méthode de contrôle appropriée des systèmes de

chauffage et de refroidissement par rayonnement, permettant de garantir les performances maximales

prévues au stade de la conception lorsque le système est effectivement exploité dans un bâtiment.

L’ISO 11855-7 présente une méthode de calcul pour les paramètres d’entrée pour l’ISO 52031.

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PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Conception de l'environnement des bâtiments —
Systèmes intégrés de chauffage et de refroidissement par
rayonnement —
Partie 4:
Dimensionnement et calculs relatifs au chauffage
adiabatique et à la puissance frigorifique pour systèmes
d'éléments de construction thermoactifs (TABS)
1 Domaine d’application

Le présent document permet de calculer la puissance frigorifique de pointe de systèmes thermoactifs

(TABS) en se fondant sur les apports de chaleur, tels que les apports solaires, les apports de chaleur

internes et la ventilation, ainsi que de calculer la demande en puissance frigorifique côté eau, afin de

les utiliser pour dimensionner le système de refroidissement en ce qui concerne les dimensions du

refroidisseur, le débit de fluide, etc.

Le présent document présente une méthode détaillée visant à calculer la puissance calorifique et

frigorifique dans des conditions non stabilisées.
2 Références normatives

Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur

contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.

Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les

éventuels amendements).

ISO 11855-1, Conception de l’environnement des bâtiments — Systèmes intégrés de chauffage et de

refroidissement par rayonnement — Partie 1: Définitions, symboles et critères de confort

ISO 11855-2, Conception de l’environnement des bâtiments — Systèmes intégrés de chauffage et de

refroidissement par rayonnement — Partie 2: Détermination de la puissance calorifique et frigorifique à la

conception
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 11855-1 s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org.
4 Symboles et termes abrégés

Pour les besoins du présent document, les symboles et termes abrégés figurant dans le Tableau 1

s’appliquent.
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Tableau 1 — Symboles et termes abrégés
Symbole Unité Quantité
A m Aire de la surface de chauffage/refroidissement

Aire totale des murs intérieurs verticaux (à savoir, murs verticaux, façades externes

A m
exclues)
C J/(m ·K) Capacité thermique spécifique du nœud thermique considéré
C J/(m ·K) Capacité thermique spécifique moyenne des murs intérieurs
J/(kg·K) Chaleur spécifique du matériau constituant la j couche de la dalle
c J/(kg·K) Chaleur spécifique de l’eau
d m Diamètre extérieur du tuyau
E kWh/m Apports énergétiques journaliers spécifiques
Day

Mode de fonctionnement (1 lorsque le système fonctionne, 0 lorsque le système est

arrêté), à la h heure
f - Coefficient de sécurité théorique
F - Facteur de forme sol-plafond
v F-C
F - Facteur de forme sol-murs extérieurs
v F-EW
F - Facteur de forme sol-murs intérieurs
v F-W

h W/(m ·K) Coefficient de transmission thermique par convection entre l’air et le plafond

A-C

h W/(m ·K) Coefficient de transmission thermique par convection entre l’air et le sol

A-F

h W/(m ·K) Coefficient de transmission thermique par convection entre l’air et les murs intérieurs

A-W

h W/(m ·K) Coefficient de transmission thermique par rayonnement entre le sol et le plafond

F-C

h W/(m ·K) Coefficient de transmission thermique par rayonnement entre le sol et les murs intérieurs

F-W

Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le nœud

H W/K
thermique de l’air («A»)

Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le nœud

H W/K
thermique de la surface du plafond («C»)

H W/K Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le circuit

Cct

Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le nœud

H W/K
CondDn
suivant

Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le nœud

H W/K
CondUp
précédent

Fraction des apports de chaleur internes par convection agissant sur le nœud ther-

H -
Conv
mique considéré

Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le nœud

H W/K
thermique de la surface du sol («F»)

H W/K Coefficient lié à la contribution de l’inertie au niveau du nœud thermique considéré

Coefficient de transmission thermique entre le nœud thermique considéré et le nœud

H W/K
IWS
thermique de la surface du mur intérieur («IWS»)

Fraction du total des apports de chaleur par rayonnement agissant sur le nœud ther-

H -
Rad
mique considéré
Coefficient global de transmission thermique (convection + rayonnement) entre la
h W/(m ·K)
surface et le local
J - Nombre de couches constituant la dalle dans son ensemble
J - Nombre de couches constituant la partie supérieure de la dalle
J - Nombre de couches constituant la partie inférieure de la dalle
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Tableau 1 (suite)
Symbole Unité Quantité
L m Longueur de tuyaux installés

m kg/(m ·s) Écoulement d’eau spécifique dans le circuit, calculé sur l’aire couverte par le circuit

H,sp
- Nombre de séparations de la j couche de la dalle
n - Nombres réels d’itérations dans les calculs itératifs
n h Nombre d’heures de fonctionnement du circuit
n - Nombre maximum d’itérations admises dans les calculs itératifs
Max
Max,h
W Puissance frigorifique maximale réservée au circuit considéré à la h heure
Cct
Max
W/m Puissance frigorifique maximale spécifique (par mètre carré de sol)
Cct,Spec
q W/m Flux thermique spécifique entrant
q W/m Flux thermique spécifique sortant
W Flux thermique arrivant sur la surface du plafond («C») à la h heure
W Flux thermique extrait par le circuit à la h heure
Cct
W Total des apports de chaleur par convection à la h heure
Conv
W Flux thermique arrivant sur la surface du sol («F») à la h heure
W Apports de chaleur internes par convection à la h heure
IntConv
W Apports de chaleur internes par rayonnement à la h heure
IntRad
W Flux thermique arrivant sur la surface intérieure du mur («IWS») à la h heure
IWS
W Apports de chaleur par convection d’air primaire à la h heure
PrimAir
W Total des apports de chaleur par rayonnement à la h heure
Rad
W Apports de chaleur solaire dans la pièce à la h heure
Sun
W Apports de chaleur par transmission à la h heure
Transm
Q W/m Puissance frigorifique spécifique moyenne
R (m ·K)/W Résistance thermique générique
R (m ·K)/W Résistance thermique supplémentaire de la face inférieure de la dalle
Add C
R (m ·K)/W Résistance thermique supplémentaire de la face supérieure de la dalle
Add F
R (m ·K)/W Résistance thermique interne de la zone conductrice de la dalle
int
Résistance thermique par conduction liant le p nœud thermique avec la limite
R (m ·K)/W
L,p e
du (p + 1) nœud thermique
R (m ·K)/W Résistance thermique de l’épaisseur des tuyaux
R (m ·K)/W Résistance thermique totale du circuit

Résistance thermique par conduction liant le p nœud thermique avec la limite du (p-1)

R (m ·K)/W
U,p e
nœud thermique
R (m ·K)/W Résistance thermique de la surface d’un mur
R (m ·K)/W Résistance thermique de l’écoulement d’eau
R (m ·K)/W Résistance thermique au niveau de la tuyauterie
R (m ·K)/W Résistance thermique de convection côté intérieur des tuyaux
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Tableau 1 (suite)
Symbole Unité Quantité
s m Épaisseur de paroi du tuyau
s M Épaisseur de la partie supérieure de la dalle
s m Épaisseur de la partie inférieure de la dalle
m Espacement des tuyaux
m Épaisseur de la j couche de la dalle
K Différence de température générique
Max

K Dérive de température opérative maximale admissible pour des conditions de confort

Comfort
Δt s Échelon de temps de calcul
°C Température du nœud thermique de l’air («A») à la h heure
°C Température du nœud thermique de la surface du plafond («C») à la h heure
Max
°C Température opérative maximale admissible pour des conditions de confort
Comf
Température opérative maximale admissible pour des conditions de confort dans le
θ °C
Comf,Ref
cas de référence
h e
°C Température du nœud thermique de la surface du sol («F») à la h heure
°C Température du cœur du nœud thermique des murs intérieurs («W») à la h heure
h e

°C Température du nœud thermique de surface des murs intérieurs («IWS») à la h heure

IWS
°C Température moyenne de rayonnement de la pièce à la h heure
θ °C Température opérative de la pièce à la h heure
e e
°C Température du p nœud thermique à la h heure
h e
°C Température du nœud thermique au niveau de la tuyauterie («PL») à la h heure
°C Température journalière moyenne de la zone conductrice de la dalle
Slab
θ °C Température réelle d’entrée de l’eau à la h heure
Wa,In
Setp,h
°C Température de consigne d’entrée de l’eau à la h heure
Wa,In
Setp
θ °C Température de consigne d’entrée de l’eau dans le cas de référence
Wa,In,Ref
°C Température de sortie de l’eau à la h heure
Wa,Out
W/(m·K) Conductivité thermique du matériau de la couche intégrée dans le tuyau
W/(m·K) Conductivité thermique du matériau constituant la j couche de la dalle
W/(m·K) Conductivité thermique du matériau constituant le tuyau
ξ K Tolérance réelle dans les calculs itératifs
K Tolérance maximale admissible dans les calculs itératifs
Max
3 e
kg/m Masse volumique du matériau constituant la j couche de la dalle
diverses Pente des courbes de corrélation
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
5 Concept de système thermoactif (TABS)

Un système thermoactif (TABS) est un système intégré de chauffage et de refroidissement de surface

à eau dans lequel le tuyau est intégré dans le noyau central en béton de la construction d’un bâtiment

(voir Figure 1).
Légende
1 béton
2 sol
3 tuyaux
4 pièce
5 renfort
6 fenêtre
Figure 1 — Exemple de position des tuyaux dans un TABS

Les constructions de bâtiments qui intègrent le tuyau sont habituellement horizontales. En conséquence,

dans les parties qui suivent, il sera généralement fait référence au sol et au plafond par le terme

«surfaces actives». Dans la structure type d’un système thermoactif (TABS), la chaleur est éliminée par

un système de refroidissement (par exemple, un refroidisseur) raccordé aux tuyaux intégrés dans la

dalle. Le système peut être divisé en plusieurs éléments représentés à la Figure 2.

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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Légende
1 équipement de chauffage et de refroidissement
2 circuit hydraulique
3 dalle incluant le noyau et la tuyauterie
4 autres résistances possibles (revêtement de sol ou plafond suspendu)
5 pièce au-dessous et pièce au-dessus
6 niveau de la tuyauterie
Figure 2 — Schéma simple d’un TABS

Les surfaces thermoactives exploitent la grande inertie thermique de la dalle pour réaliser l’écrêtement

de la pointe. L’écrêtement de la pointe consiste à réduire la pointe de la puissance frigorifique requise

(voir Figure 3), de sorte qu’il est possible de refroidir les structures du bâtiment pendant une période au

cours de laquelle les occupants sont absents (la nuit, dans les locaux professionnels). La consommation

d’énergie peut ainsi être réduite et un tarif d’électricité de nuit plus bas peut être appliqué. Il est par

ailleurs possible de diminuer la taille des composants du système de chauffage et de refroidissement

(refroidisseur compris).
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Légende
X heure, h
Y puissance frigorifique, W
1 apport de chaleur
2 puissance frigorifique nécessaire au conditionnement de l’air de ventilation
3 puissance frigorifique nécessaire côté eau
4 diminution de la puissance de pointe requise
Figure 3 — Exemple d’effet d’écrêtement de la pointe

Les TABS peuvent fonctionner avec une ventilation naturelle ou mécanique (suivant les conditions

climatiques). Une ventilation mécanique avec déshumidification peut être requise en fonction du

climat extérieur et de la production d’humidité à l’intérieur. Dans l’exemple de la Figure 3, la puissance

frigorifique de pointe requise nécessaire à la déshumidification de l’air pendant la journée est suffisante

pour refroidir la dalle pendant la nuit.

En ce qui concerne la conception du TABS, le concepteur a besoin de savoir si la puissance à une

température donnée de l’eau est suffisante pour maintenir la température de la pièce dans une plage

de confort donnée. De plus, le concepteur a besoin de connaître le flux thermique côté eau pour être

en mesure de dimensionner le système de distribution de chaleur, le refroidisseur et la chaudière. Le

présent document fournit des méthodes permettant d’atteindre ces deux objectifs.

Lorsqu’on utilise un TABS, la température intérieure varie légèrement pendant la journée et l’objectif

d’une bonne conception du TABS est de maintenir les conditions intérieures dans la plage de confort,

c’est-à-dire, –0,5 < PMV < 0,5, pendant la journée, selon l’ISO 7730 (voir Figure 4).

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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Légende
X heure, h
Y température, °C
PMV vote moyen prévisible
θ température de l’air
air
θ température du plafond
θ température moyenne de rayonnement
θ température du sol
θ température de l’eau de retour
w exit

Figure 4 — Exemple de profils de température et de valeurs de PMV en fonction de l’heure

Des modèles de calcul détaillés des systèmes de bâtiment ont été élaborés pour déterminer les

échanges de chaleur dans des conditions non stabilisées dans une seule pièce, l’équilibre thermique et

hygrométrique de l’air ambiant, la prédiction des conditions de confort, le contrôle de la condensation

sur les surfaces, la disponibilité de stratégies de contrôle et le calcul du rayonnement solaire entrant.

Le temps important nécessaire aux simulations limite cependant l’utilisation de ces modèles de calcul

détaillés. L’élaboration d’un outil plus convivial est nécessaire. Un tel outil est fourni dans le présent

document et permet de simuler un TABS.

Les diagrammes de la Figure 5 présentent un exemple de la relation entre les apports de chaleur

internes, la température de l’eau d’alimentation, la transmission thermique côté pièce, les heures de

fonctionnement et la transmission thermique côté eau. Les diagrammes font référence à une dalle en

béton avec sol surélevé (R = 0,45 (m ·K)/W) et une plage de températures ambiantes admise de 21°C

à 26°C.

Le diagramme supérieur représente l’apport de chaleur total maximal admissible dans les locaux [W/

m ] sur l’axe des y (apports de chaleur internes plus apports solaires) et la température de l’eau

d’alimentation requise sur l’axe des x. Les droites sur le diagramme correspondent à des périodes de

fonctionnement différentes (8 h, 12 h, 16 h et 24 h) et des quantités d’énergie maximale différentes

fournie par jour [Wh/(m ·d)].
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ISO/FDIS 11855-4:2021(F)
Le diagramme
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