Formation Bâtiment Durable :

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2 Formation Bâtiment Durable : ENERGIE PASSIF/BASSE ENERGIE Bruxelles Environnement Chauffage : introduction théorique et enjeux Gauthier Keutgen ICEDD asbl

3 Objectif(s) de la présentation Décrire les technologies associées aux systèmes de chauffage Présenter l enjeu énergétique associé à ces technologies L objectif étant de comprendre certains principes importants du fonctionnement d un système de chauffage afin de disposer des bases pour arbitrer les choix qui se poseront au moment de la conception La présentation ne répondra donc pas aux questions suivantes : Quelle technologie choisir? Comment concevoir mon système (dimensionnement, )? Comment gérer au mieux mon système? Comment améliorer un système existant? Nous renvoyons pour ces questions aux présentations des autres modules (grands ensembles, logements, conseiller énergie et responsable énergie) 3

4 Plan de l exposé L enjeu énergétique du chauffage Production Chaudières et brûleurs : principes, types et performances Principes de régulation des chaudières Les pompes à chaleur Régulation Comprendre le fonctionnement de la régulation centralisée Régulation locale : la vanne thermostatique Comprendre l enjeux énergétique de la régulation Distribution : Les circulateurs Emission : comprendre les caractéristiques des émetteurs Conclusion 4

5 Mais où file l'énergie consommée par les logements? Chauffage des appartements 40% Chauffage des maisons unifamiliales 27% Chauffage d'appoint 1% Electricité spécifique 10% Cuisson 5% Eau chaude sanitaire 17% Répartition de la consommation réelle d énergie du secteur résidentiel en 2009 par usage principal Total hors chauffage principal 49% Electricité 37% Autres 1% Gasoil 13% Gaz naturel 49% Chauffage maisons 20% (source : Bilan énergétique de la Région de Bruxelles-Capitale 2009 IBGE) Chauffage appartements 31% Répartition de la facture énergétique du secteur résidentiel par vecteur et par usage principal en

6 Les consommations du tertiaire Autre 25% Pompes 1% HVAC 4% Eau chaude chauffage 52% Eclairage 18% (source : Bilan énergétique de la Région de Bruxelles-Capitale 2009 IBGE) 6

7 Les pertes? 7

8 Schéma thermique du bâtiment 1a Qt : Pertes par transmission 1b Ql : Pertes par ventilation 2a Qs : Gains solaires 2b Qi : Gains internes 3 Be : Besoins nets en énergie 4 Psys : Pertes systèmes 5 Efinale : Cons. Finale 6 Eprim : Cons. primaire 8

9 En résumé. Type d'installation ηproduction ηdistribution Rendements en % (ηglobal = ηproduction x ηdistribution x ηémission x ηrégulation) ηémission ηrégulation ηglobal Ancienne chaudière surdimensionnée, longue boucle de distribution % % % % % Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution % % 95 % 90 % % Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques, % 95 % % 95 % % 9

11 Fuel ou gaz? L'efficacité énergétique Fuel Gaz Rendement de production 86 % 92 % 102 % 11

12 Le rendement de production est une image des pertes des chaudières Pertes en fonctionnement Pertes à l arrêt Quand le brûleur est en fonctionnement... Quand le brûleur est à l arrêt... 12

13 Le rendement de combustion est une image des pertes en fonctionnement 13

14 Chaudières à brûleur pulsé (gaz - fuel) Pertes à l'arrêt Les pertes à l'arrêt des chaudières à brûleur pulsé modernes sont extrêmement faibles (de l'ordre 0,1... 0,4 % de la puissance nominale de la chaudière). Rendement de combustion Le rendement de combustion de ces chaudières est dépendant du choix du brûleur et de son réglage. Avec un brûleur finement réglé, un rendement de combustion de % est tout à fait possible dans les chaudières actuelles les plus performantes. Rendement saisonnier Les faibles pertes à l'arrêt et la possibilité d'obtenir des rendements de combustion les plus élevés (sans condenser), font des chaudières à brûleur pulsé les chaudières les plus performantes dans la catégorie des chaudières dites "traditionnelles" Exemple : soit une chaudière correctement dimensionnée (facteur de charge (nb/nt) de 0,3) avec des pertes à l'arrêt (qe) de 0,2 % et un rendement utile (nutile )de 93 %. Le rendement saisonnier de cette chaudière est estimé à : nsais = nutile / (1 + qe x (NT/NB - 1)) nsais = 93 [%] / (1 + 0,002 x ((1/0,3) - 1)) = 92,6 [%] 14

15 Chaudière et brûleur atmosphérique (gaz) Inconvénients Avantage Le prix moindre. Une chaudière atmosphérique de conception "bas de gamme" coûte moins cher qu'une chaudière équipée d'un brûleur gaz pulsé. L'absence de bruit. Une chaudière atmosphérique ne comportant pas de ventilateur est nettement moins bruyante qu'un brûleur pulsé. La facilité de montage et de réglage. Possibilité de raccordement de plusieurs chaudières à une même cheminée Rendement de combustion moindre % (prémélange), <90% pour ancienne. Un rendement saisonnier nettement dégradé, jusqu à 20% inférieur aux chaudières à brûleur pulsé. Cela provient fondamentalement des pertes à l arrêt! (0,8 1,3% - 0,6 0,7 %) Dimension de cheminée beaucoup plus importante! Taux de rejets polluants et en particulier de NOx nettement supérieur aux autres technologies. 15

16 Chaudière basse température (gaz fuel) Chaudière pouvant travailler avec une basse température d eau Intérêt : Diminuer les pertes à l arrêt : surtout important avec les anciennes chaudières (atmosphériques) Protéger la chaudière dans le cas d une régulation par thermostat (en domestique) Améliorer le rendement de combustion : non! Et pourquoi vouloir éviter la condensation si on peut condenser? 16

17 Chaudières à condensation (gaz - fuel) Principe : Intérêt refroidir les fumées jusqu à récupérer la chaleur de vaporisation de l eau contenue dans les fumées rendement de combustion excellent peu de pertes à l arrêt Gain énergétique : Gaz : CH O2 -> CO H 2 O Autres : C x H y + n O2 -> x CO 2 + y / 2 H 2 O % sur la consommation annuelle fuel Optimaz mauvaise gaz atmosphérique η comb = % η annuel = % 17

18 La condensation au fuel? Max. 6% d énergie latente récupérable (10% pour le gaz) -> remboursement du surcoût difficile (4>y/x); Gaz : CH O2 -> CO H 2 O Autres : C x H y + n O2 -> x CO 2 + y / 2 H 2 O Condensats acides (production de H 2 SO 4 ) -> besoin chaudières encore plus résistantes et traitement avant rejet (mélange de neutralisation avec des composants basiques) ; En général utilisation de fuel «extra» à 50 ppm de souffre. Combustible plus cher ; Point de rosée du fuel plus faible ( C) -> travailler avec des t d eau encore plus faibles et surdimensionner plus les corps de chauffe. 18

19 Condensation : importance de l excès d air 19

20 Circuits hydrauliques associés à une chaudière à condensation Choix brûleur 20

21 Brûleur 1, 2 allures ou modulant? Choix brûleur 21

22 Chaudières bois-énergie : exemple du pellets En 2010, les rendements normalisés annoncés par les constructeurs pour les chaudières basse température oscillent typiquement entre 90 et 94 % La plage de modulation oscillant quant à elle autour d'une puissance instantanée minimale de 20 à 30 % de la puissance nominale Nous n'avons pas de rendement nominal à notre disposition pour les chaudières pellets à condensation 22

24 Systèmes de régulation : Régulation par aquastat Chaudière maintenue sur aquastat, Avantages : Protection des anciennes chaudières Inconvénients : pertes à l arrêt de la chaudière (faire varier l aquastat manuellement, attention si pas chaudière à basse température) Choc thermique dans la chaudière (enclenchement sans débit) Régulation par train d eau chaude 24

25 Systèmes de régulation : régulation en fonction de la température extérieure (régulation en température glissante) Température de chaudière commandée par régulateur climatique et sonde extérieure Avantages : Fonctionnement en température variable de la chaudière (fonction de son inertie) Solution en absence de local témoin Inconvénients : choix de l emplacement de la sonde extérieure Difficulté du réglage Type d intermittence 25

26 Courbe de chauffe Unique pour un bâtiment Dépend : De l isolation du bâtiment De la surpuissance des radiateurs Des températures de consigne Définie par: Sa pente Son déplacement parallèle 26

27 Systèmes de régulation : régulation par thermostat d'ambiance Thermostat d ambiance agissant sur le brûleur,, aquastat = aquastat de sécurité Avantages : gestion de la température ambiante dans le local témoin, coupure nocturne facile Fonctionnement en température variable de la chaudière (fonction de son inertie) Relance à pleine puissance Inconvénients : Condensation dans les chaudières non basse température 27

29 Les pompes à chaleur (PAC) Source chaude Source froide Principe : concentrer l énergie extérieure et la déplacer vers l intérieur Importance du dimensionnement : multitudes d échangeurs : extérieur : ex. si sol/eau : chaleur du sol vers eau et eau vers PAC Intérieur : ex. si air/eau : PAC vers eau et eau vers air Attention : différence entre performance instantanée et performance «moyenne» sur la saison de chauffe! 29 29

30 PAC Risque de confusion! Performance instantanée : Le rendement d'une PAC (appelé "ε", indice de performance) Tient compte uniquement de l énergie consommée par le compresseur Image instantanée pour 1 état de fonctionnement (1 régime de températures) Performance instantanée, auxiliaires compris : Coefficient de performance «COP» (la norme européenne EN 255 définit le coefficient de performance en lieu et place de l'indice de performance) Idem "ε" avec consommation auxiliaires (spécifique à 1 projet) Performance annuelle, auxiliaires compris : Coefficient de performance annuel «COPA» Image de la moyenne des COP durant 1 an de fonctionnement L'évaluation théorique de la performance annuelle : Facteur de Performance Saisonnier «FPS» Evaluation théorique du «COPA» 30 30

31 PAC Type COPA minimum calcul COPA maximum calcul Rapport Eprimaire/E utile pour f =2.5 (PEB) et COPA minimum Rapport Eprimaire/E utile pour f = 2.5 (PEB) et COPA maximum Emission de CO2 : COPA mininmum [gramme équivalent CO2/kWh] Emission de CO2 : COPA maximum [gramme équivalent CO2/kWh] Air-Air 2,2 3,5 1,14 0, Air-Eau 2,5 3,5 1,00 0, Eau-Eau 3,0 4,5 0,83 0, Chauffage électrique direct 1,0 1,0 2,50 2, Chauffage au gaz naturel 0,92 1,05 1,09 0, Sources : le facilitateur PAC de la Région wallonne, EF4, un spécialiste de la PAC en Belgique, Paul Cobut, un rapport du ministère du Ministère de la Communauté flamande sur l'installation des PAC 31

32 PAC : Choix de la source de chaleur?? L'efficacité énergétique instantanée d'une pompe à chaleur est, entre autres, fonction de la valeur de la température de la source froide et de sa stabilité au cours de la saison de chauffe. Dans l'ordre d'efficacité : 1. Eau des nappes phréatiques 2. Eaux de surface 3. Forage géothermique très profond 4. Sonde géothermique 5. Serpentins dans le sol 6. Air extérieur 32

33 PAC : Impact sur l effet de serre Pour calculer l'impact sur l'effet de serre d'une pompe à chaleur, et donc la quantité d'équivalents CO2 qu'elle produit, on doit connaître les éléments suivants : 1. Éléments liés au fluide frigorigène 2. Éléments liés à l'énergie primaire utilisée pour le fonctionnement de la pompe à chaleur et des auxiliaires 3. Éléments liés à la l'utilisation de la pompe à chaleur PAC air extérieur/eau PAC eau/eau PAC eau glycolée/eau PAC sol/eau (évaporation directe) PAC sol/sol (évaporation et condensation directes) (A2/W35) (W10/W35) (B0/W35) (S-5/W35) (S-5/S35) Puissance calorifique 20 kw 20 kw 20 kw 20 kw 20 kw COP saisonnier moyen 3,5 4, Consommation électrique = kwh/an = kwh/an = kwh/an = kwh/an = kwh/an Quantité de FF m 6 kg 2,5 kg 2,5 kg 10 kg 18 kg Quantité fluide f. perdue = 0,18 kg/an = 0,075 kg/an = 0,075 kg/an = 1 kg/an = 1,8 kg/an Impact fluide f. = 9180 kg CO2 = 3825 kg CO2 = 3825 kg CO2 = kg CO2 = kg CO2 Impact énergétique = kg CO2 = kg CO2 = kg CO2 = kg CO2 = kg CO2 Bilan = kg CO2/an = kg CO2/an = kg CO2/an = kg CO2/an = kg CO2/an Le tableau illustre les quantités de CO2 émises par différents types de PAC de 20 kw calorifiques, toutes chargées avec le fluide frigorigène R407C (GWP100 = 1800 kg CO2/kg FF). 33

35 En construction et rénovation lourde : exigences PEB Source : Ordonnance du 11/07/2007 du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale sur la 35 performance énergétique des bâtiments et le climat intérieur. Annexe VIII

36 En construction et rénovation lourde : exigences PEB En outre, les exigences suivantes sont d application dans tous les cas : Le dispositif de régulation qui pilote un brûleur à 2 allures ou modulant fonctionne réellement à plusieurs allures / module réellement en fonction de la charge de la chaudière ; Pour toute nouvelle chaudière : Le brûleur, la chaudière et la cheminée doivent être compatibles sur le plan physique (par exemple, tirage correct, risque de condensation, étanchéité, etc.) ; La régulation de l extracteur mécanique des fumées et la régulation du brûleur doivent être compatibles entre elles et ne pas détériorer les performances intrinsèques de la chaudière en matière de rendement énergétique et émission. Tout brûleur à air pulsé équipant une chaudière (pour toute puissance et pour toute modulation) est équipé d un clapet d air ; En cas de réutilisation des brûleurs existants : conditions particulières à respecter (pas condensation, < 5 ans, AR 2004). Source : Ordonnance du 11/07/2007 du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale sur la 36 performance énergétique des bâtiments et le climat intérieur. Annexe VIII

38 Performance de la régulation? 38

39 Régulation? 39

40 Adapter la température de l eau 40

41 en fonction de la température ambiante 41

42 Vanne mélangeuse ou «3 voies» 42

43 Local témoin? 43

44 Si plusieurs circuits... 44

45 Pas de local témoin possible... 45

46 La courbe de chauffe : besoins variables, température variable 46

47 Régulateur climatique 47

48 Avec plusieurs façades... 48

50 Vannes thermostatiques : adapter le débit en fonction des besoins : une solution limitée! 1. bulbe thermostatique 2. poignée de réglage 3. tige de transmission 4. ressort de rappel 5. clapet de réglage 50

51 Les erreurs de manipulation courantes Exemples Dans un local inoccupé, la consigne des vannes thermostatiques a été réglée sur *. A l'arrivée des occupants, le chauffage ne sera pas relancé plus rapidement si l'on met la consigne sur 5 que sur 3. Dans un local occupé, l'expérience des occupants montre que la bonne température est atteinte avec une consigne de 3. Un jour, la température intérieure est insuffisante. Dans ce cas, cette dernière ne sera par améliorée si la consigne est mise sur 4. Le raisonnement inverse est aussi valable : si, subitement, il fait trop chaud (par exemple, à cause de l'ensoleillement), mettre la vanne sur 1 ne changera rien puisque le clapet de la vanne est en principe déjà fermé. 51

53 Image de l'économie : la température intérieure 53

54 Types d intermittence 54

55 Paramètres influençant l'économie L intermittence permet de réaliser des économies d autant plus importante que l isolation du bâtiment est faible, que l inertie thermique du bâtiment est faible, Économie d énergie suite à un abaissement nocturne pour différents types de bâtiments en fonction de la durée de l arrêt de chauffage. Le pourcentage d économie se rapporte à un chauffage permanent. I. : Bâtiments de construction légère II. : Bâtiments de construction lourde 55

56 CHAUFFAGE REGULATION Régulation des chaudières Température basse Régulation de la distribution Zones thermiquement homogènes profil d'occupation sensibilité au apports externes orientation Régulation locale vannes thermostatiques sonde d ambiance intervention occupant? Gestion Technique Centralisée (GTC) source: energie+ 56

57 ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX : Impact de la régulation sur les consommations d énergie La régulation a un impact extrêmement important sur la consommation : 1 C de température ambiante de trop par rapport à une consigne de 20 C, entraîne une surconsommation d au moins 7 %. L absence d intermittence en période d inoccupation entraîne une surconsommation de 5 à 30 % (en fonction de l inertie du bâtiment, de son niveau d isolation et de la durée de l inoccupation). 57

59 En construction et rénovation lourde : exigences PEB Source : Ordonnance du 11/07/2007 du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale sur la 59 performance énergétique des bâtiments et le climat intérieur. Annexe VIII

61 Réduire la consommation électrique des chaufferies Le débit des installations de chauffage est en moyenne 2,5 fois surdimensionné par rapport aux besoins. Cela signifie que dans les installations de chauffage existantes, les circulateurs consomment 15 fois plus (la puissance évolue comme le cube du débit: 15 = 2,5³) que nécessaire» (source : programme Ravel, Suisse) Solution : le circulateur à vitesse variable, rentable en 2 ans dans une installation neuve Surtout en présence de vannes thermostatiques En 2005, l association des fabricants européens de circulateurs a créé une labellisation (sur base volontaire) suivant un étiquetage semblable aux lampes et aux appareils électroménagers (de A à G). Economie : on parle de réduction de la puissance électrique de 50 à 70 % par rapport à la moyenne des circulateurs actuellement en fonctionnement chez nous 61

63 En construction et rénovation lourde : exigences PEB L ordonnance PEB impose des mesures d isolations des conduites dans toutes les constructions neuves et rénovations lourdes (annexe VIII). Elle distingue différentes catégories de conduites et accessoires d eau chaude et de chauffage : Hors volume chauffé ou locaux techniques Tableau spécifique pour les conduites Les accessoires sont calorifugés selon la norme NBN D30-041, s ils véhiculent de l eau dont la température dépasse 30 C, et s ils ont un diamètre supérieur à DN40 Dans des locaux techniques ou encastrés Tableau spécifique pour les conduites Pas d imposition d isolation des accessoires. Dans le volume chauffé : règles spécifiques pour tous les composants 63

65 Convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol? Exemple de stratification des températures avec un chauffage par radiateur et un chauffage par convecteur, dans un local mal isolé (source : "Les émetteurs de chaleur" du Groupe de Recherche sur les Émetteurs de Chaleur de l'ademe). 65

66 Convecteurs, radiateurs ou chauffage par le sol? Le chauffage par le sol est intéressant (tant au niveau du confort que de la consommation) dans des locaux situés au-dessus de locaux chauffés, non soumis à des apports de chaleur importants et variables (occupants, soleil,...), à usage continu. Le chauffage par convecteur convient dans des locaux à une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion). Dans tous les autres cas, le chauffage par radiateurs est le meilleur compromis confort/consommation. 66

68 Chauffage Electrique direct Mauvais Parc actuel Standard (pulsé) Performant (condensat ion) Top (PAC) Rendement global 87 % 50 % % 80 % 90 % 400 % Rendement en énergie primaire 35 % 50 % % 80 % 90 % 160 % CO % 160 % 115 % 100 % 90 % 37 % 68

69 Ce qu il faut retenir de l exposé Dans le parc actuel le chauffage représente % de la consommation d énergie ; Un système de chauffage sert à vaincre les pertes de l enveloppe -> la 1ère chose est donc de travailler à les réduire ; Le rendement global d une installation de chauffage est l image des pertes de chacune des 4 parties qui le composent (production, distribution, émission et régulation) ; Le rendement de production peut varier entre % mais attention il faut aussi regarder le niveau d investissement, le coût d exploitation, les émissions de CO2, l impact en énergie primaire et les autres impacts environnementaux ; La régulation représente un enjeu énergétique important qui se réduira très fort avec le niveau d isolation du bâtiment ; Les radiateurs restent le meilleur compromis entre performance et confort ; Les critères de choix, la conception et l amélioration des systèmes de chauffage font l objet de présentations spécifiques dans les autres modules du plan de formation «bâtiment durable énergie» (module 2, 3, 4 et 5). 69

70 Outils : > Professionnels > Themes > Energie > PEB et climat intérieur > Installations techniques PEB : Guide pratique pour la construction et rénovation durables de petits bâtiments : Fiches ENE 14, 15, 16 et 17 > Techniques > Le chauffage 70

71 Contact Gauthier KEUTGEN ir. Responsable d'equipe Energie (Formation) ICEDD asbl - Institut de Conseil et d'etudes en Développement Durable asbl Bvd Frère Orban, 4 - B-5000 Namur (Belgique) : +32 (0) gauthier.keutgen@icedd.be 71