CONSTRUIRE avec l ÉNERGIE. Cycle technique M3 :INSTALLATIONS DE CHAUFFAGE. Printemps PY Franck (ULg-DGSE) B Georges (ULg-LTAS)

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1 CONSTRUIRE avec l ÉNERGIE naturellement! Engagement Volontaire des Architectes & des Entreprises Cycle technique M3 :INSTALLATIONS DE CHAUFFAGE Printemps 2009 PY Franck (ULg-DGSE) B Georges (ULg-LTAS) CSTC-CCW-FPMs-IFAPME-UCL-ULg -UWA Module 3 : Chauffage ECS: notions de base Comprendre les différents facteurs affectant le rendement des systèmes de chauffage et de production d eau chaude sanitaire. Évaluer la part des installations dans le niveau Ew. Estimer les retombées économiques et écologiques des options choisies. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 2 1

2 Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 3 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid Notions de confort thermique. Gains solaires risque de surchauffe. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 4 2

3 Module 3 : Notion de confort thermique La température résultante de confort (Tc) dépend de celles des parois et de l ambiance. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 5 Module 3 : Notion de confort thermique Il est impossible de définir une température résultante de confort qui convienne à tous. -Elle dépend de nombreux facteurs: - l activité des habitants; - la personne; - la sensation de confort est améliorée si la température ne varie pas brutalement; - la tenue vestimentaire; - Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 6 3

4 En journée, la température de confort est fixée aux environs de 21 ± 2 C en hiver (confort thermique en chaud) et 24 ± 2 C en été (confort thermique en froid) L humidité relative est confortable entre 40 et 60% Zone 1 : sécheresse. Zones 2 et 3 : bactéries, acariens Zone 4 : confort hygrothermique Pour la demande de chauffage dans la PEB, on considère 18 C en moyenne (comme si jour =21 C et nuit =15 C) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 7 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Notions de confort thermique. Gains solaires risque de surchauffe. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 8 4

5 Confort en chaud confort en froid Les apports solaires permettent de réduire les besoins de chauffage du bâtiment. Ils peuvent être tels qu ils mènent à une surchauffe très inconfortable Nouveau Critère Dans tous les cas,si le risque de surchauffe est trop grand: REFUSE. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 9 Prise en compte de la consommation globale d énergie pour garantir le confort thermique en chaud comme en froid. Probabilité d'installer un refroidissement actif p = 1 p = 0 Si le seuil de surchauffe est atteint I = 8000 Kh Indicateur de surchauffe La consommation fictive ou réelle I = Kh est proportionnelle au risque de surchauffe. et afin de garantir des conditions de confort équivalentes, un système de rafraîchissement ou de climatisation doit être pris en compte dans les estimations de consommation et du niveau Ew même si un tel système ne sera effectivement pas installé Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 10 5

6 Hypothèses des coûts à la consommation dans CALE Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 11 Risque de surchauffe, et de surconsommation! Soit un bâtiment : -répondant simplement aux normes d isolation : K43 -chauffage gaz Basse Température et ventilation à double-flux -structure légère avec des grandes baies vitrées (DV) en plein Sud et Sud-Ouest Il y a surchauffe >100 % (17790 KH >17500 KH) ce qui entraîne une consommation fictive de froid : MJ importante par rapport au chauffage MJ Il y a une pénalisation importante de la consommation énergétique : Ew > 100 Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 12 6

7 Confort en chaud confort en froid On peut lutter contre la surchauffe : en répartissant l orientation des fenêtres en optimisant la surface vitrée avec des vitrages à contrôle solaire avec des protections solaires efficaces. à l aide de parois lourdes pour atténuer les pics de température (inertie). avec une ventilation bien conçue (module 4). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 13 Surchauffe : répartition des parois! La surchauffe a disparu mais il y a des contraintes architecturales. La consommation totale diminue très vite avec le risque de surchauffe MAIS la consommation de chauffage augmente de 6% : MJ -> MJ Il y a des risques d inconfort avec les baies au Nord (parois froides) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 14 7

8 Placement de triple-vitrages au Nord! Exemple de valeur avec châssis bois ( 90 à 100 mm) On respecte les deux critères ainsi que le confort hivernal La consommation de chauffage diminue de 11% : >82156 MJ La consommation FICTIVE de froid est quasi inchangée Investissement complémentaire: 300 /m² pour un gain de 5 /m²/an de vitrage. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 15 Confort en chaud confort en froid On peut lutter contre la surchauffe : en répartissant selon l orientation en optimisant la surface vitrée avec des vitrages à contrôle solaire avec des protections solaires efficaces. à l aide de parois lourdes pour atténuer les pics de température (inertie). avec une ventilation bien conçue (module 4). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 16 8

9 Surchauffe : optimisation des surfaces! On respecte les deux critères avec des contraintes architecturales. et la consommation de chauffage diminue de 3% : MJ -> MJ C est un bâtiment léger sans valorisation des gains solaires d été. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 17 Confort en chaud confort en froid On peut lutter contre la surchauffe : en répartissant selon l orientation en optimisant la surface vitrée avec des vitrages à contrôle solaire avec des protections solaires efficaces. à l aide de parois lourdes pour atténuer les pics de température (inertie). avec une ventilation bien conçue (module 4). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 18 9

10 Surchauffe : contrôle solaire! L énergie solaire transmise par la fenêtre est composée du rayonnement visible et de l infra-rouge proche. L infra-rouge lointain est émis entre 4 à 50 μm et est bloqué par la vitre. Le facteur solaire FS est le rapport entre l énergie transmise vers l intérieur et l énergie solaire arrivant sur la fenêtre. Rayonnement visible Infra-rouge proche Rayonnement visible Infra-rouge proche Le traitement de surface des vitres permet de diminuer le facteur solaire FS en augmentant la réflexion d une part importante du rayonnement solaire infrarouge proche mais malheureusement aussi la transmission lumineuse (TL) du rayonnement visible. L infra-rouge proche émis par le chauffage est aussi réémis vers la pièce. Attention en hiver et mi-saison, il limite aussi les gains solaires gratuits et les apports lumineux. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 19 Surchauffe : modification du facteur solaire! On respecte tous les critères avec peu de contraintes architecturales. L investissement est raisonnable: 50 à 100 eur/m² MAIS la consommation de chauffage augmente de 15% : MJ -> MJ! Soit 3500 kwh à 0.06 /kwh ou 210 /an de dépenses supplémentaires. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 20 10

11 Confort en chaud confort en froid On peut lutter contre la surchauffe : en répartissant selon l orientation en optimisant la surface vitrée avec des vitrages à contrôle solaire avec des protections solaires efficaces. à l aide de parois lourdes pour atténuer les pics de température (inertie). avec une ventilation bien conçue (module 4). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 21 Surchauffe : protections solaires! La surchauffe a disparu mais il y a de légères contraintes architecturales. La consommation de chauffage est identique Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 22 11

12 Exemples de protections solaires extérieures : screens Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 23 Exemples de protections solaires extérieures : avancées On calcule la protection sur l ensoleillement direct Mais avec de grandes baies vitrées, les apports diffus et réfléchis d été sont très importants avec un ciel partiellement nuageux (plus de 40% de l ensoleillement direct) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 24 12

13 Confort en chaud confort en froid On peut lutter contre la surchauffe : en répartissant selon l orientation en optimisant la surface vitrée avec des vitrages à contrôle solaire avec des protections solaires efficaces. à l aide de parois lourdes pour atténuer les pics de température (inertie). avec une ventilation bien conçue (module 4). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 25 Inertie: définition 100 kg/m² Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 26 13

14 Effet de l inertie sur le confort T intérieure sans inertie T intérieure avec inertie T extérieure Beaucoup d inertie Parois et planchers en béton lourd Isolant côté extérieur Peu d inertie Parois intérieures en béton léger Isolant côté intérieur Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 27 Surchauffe : jouer sur l inertie! Protection solaire indispensable! consommation de chauffage MJ -11% consommation de chauffage MJ -5 % -4% consommation de chauffage MJ -2 % Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 28 14

15 Confort en chaud confort en froid On peut lutter contre la surchauffe en: jouant sur l orientation quand c est possible D optimiser la surface vitrée Des protections solaires efficaces. Des vitrages anti-solaires qui limitent les apports gratuits en hiver et mi-saison. Des parois lourdes pour atténuer les pics de température (inertie). Une ventilation bien conçue (module 4). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 29 Module 3 : le chauffage et l ECS Sommaire Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 30 15

16 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations ( en 2 mots). Dimensionnement pour les besoins de chauffage. Dimensionnement pour l ECS (Eau Chaude Sanitaire). Les principes de la régulation. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 31 Module 3 : le dimensionnement des installations La norme NBN B permet de calculer les déperditions calorifiques d'un bâtiment (dimensionnement des chaudières) ou d'un local (dimensionnement des corps de chauffe). Une méthode simplifiée, tirée de cette norme, permet un calcul en première estimation : On considère des températures de référence à l intérieur et à l extérieur du bâtiment : ΔT = t in t ext La température extérieure de référence dépend de la localisation du bâtiment. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 32 16

17 Module 3 : le dimensionnement des installations Les déperditions totales, se composent : -des déperditions par transmission: -des déperditions par ventilation: k S x A T x ΔT 0,34 x β x V ch x ΔT avec β =1 volume chauffé / heure (on devrait pouvoir se contenter de 0.2 à 0.3 si ventilation type D avec récupérateur de plus de 80% d efficacité) -on ne tient pas compte des apports internes. -et on considère qu il n y pas d apports solaires. Puissance chaudière = 1,1 x Déperditions Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 33 Module 3 : le dimensionnement des installations Appliqué de manière simplifiée au bâtiment de référence: déperditions = (k S x A T +0,34 x β x V ch ) x ΔT (avec t in =20 C) =(0.42 x x 528) x 30 = W Puissance chaudière > W (> 6000 W si ventilation D efficace) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 34 17

18 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations ( en 2 mots). Dimensionnement pour les besoins de chauffage. Dimensionnement pour l ECS (Eau Chaude Sanitaire). Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 35 Module 3 : le dimensionnement des installations ECS Imaginons que l on produise l eau chaude sanitaire en instantané On consomme 10 litres d eau par minutes à environ 40 C. La température de l eau de distribution en hiver descend sous 10 C. La puissance de chauffe à fournir régulièrement est égale à: 10/60 (débit en kg/s) x 4187 (J/kg, C) x 30 C soit W pour une puissance demandée quand il gèle fort de W Même avec une réserve de 50 litres, la puissance demandée restera à 21000W si deux douches de suite. Le dimensionnement de la chaudière va donc dépendre aussi de la production d eau chaude. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 36 18

19 Module 3 : le dimensionnement des installations Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 37 Module 3 : le dimensionnement des installations Quelques références pratiques (en dehors des normes elles-mêmes) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 38 19

20 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 39 Module 3 : chauffage local ou central? Choix entre chauffage local ou central dans la PEB Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 40 20

21 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Introduction au rendement de production. Préchauffage de l air de combustion. Exemples de chauffages locaux. Exemples de chauffages centraux. Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 41 Module 3 : chauffage local ou central? Le rendement utile d une chaudière Pa = puissance apportée par le carburant = débit de combustible x PCI (pouvoir calorifique inférieur) Ou autres vecteurs énergétiques Principe applicable à tous les producteurs de chaleur! Fumées de 100 à 200 C Pu = puissance emportée par l eau Air à C Ou autres fluides de transfert Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 42 21

22 Module 3 : chauffage local ou central? Le rendement saisonnier d une chaudière La chaudière est dimensionnée pour les conditions nominales sévères. Elle fonctionne de manière intermittente toute l année. Pendant les périodes d arrêt, il y a des pertes complémentaires qui diminuent encore le rendement. Quand le brûleur fonctionne Quand le brûleur est à l arrêt Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 43 Module 3 : chauffage local ou central? Le rendement saisonnier d une chaudière surdimensionnement de la chaudière et du brûleur : Surinvestissement, Augmentation des pertes à l arrêt, Fonctionnement en «cycles courts» du brûleur (diminution du temps de fonctionnement en régime par rapport aux cycles de démarrages/arrêts sources d émissions polluantes et d encrassement) Le rendement saisonnier diminue avec le facteur de charge! Mais on n en tient pas compte dans le calcul PEB! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 44 22

23 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Introduction au rendement de production. Préchauffage de l air de combustion. Exemples de chauffages locaux. Exemples de chauffages centraux. Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 45 Préchauffe de l air neuf par un puits canadien. Le puits canadien peut être utilisé pour préchauffer l air neuf entrant dans la maison (débit d air neuf > 300 m³/h selon la norme en général!) Air aspiré -10 C Air soufflé Débit d air 140 m³/h -2 C 10 c Si la terre est à 10 C, l efficacité d échange est de [ (-10)-( -2)] / [((-10) -10)] =0.4 Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 46 23

24 Foyer à bois aspirant l air directement à l extérieur Pour brûler du bois, il faut un excès d air important. Pour W de puissance utile fournie dans le local, le débit d air peut atteindre 40 m³/h. La température des gaz dans la zone de combustion d un foyer fermé dépasse 500 C La température des fumées vers la cheminée peut descendre à 150 C. Les pertes par la cheminée seront : (t_fumée- t_aspiré) x chaleur spécifique de l air x débit d air Soit [150- (-10)] x 1000 x = 2080W en aspirant directement à l extérieur. Si toutes les autres pertes sont récupérées vers la pièce η=82.8% Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 47 Préchauffe de l air de combustion d un foyer à bois par un puits canadien. Au lieu d aspirer l air de combustion directement dans le local chauffé (gaspillage énergétique, vents coulis), on propose de l aspirer à l extérieur via un puits canadien pour le préchauffer avec un débit de 40 m³/h. 6 C c Le débit d air étant plus faible,l efficacité d échange est plus élevée 80%, et avec une température de 10 C dans le sol, la température de l air soufflé est de x (10 (-10)) = 6 C Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 48 24

25 Préchauffe de l air de combustion d un foyer à bois par un puits canadien. On suppose au mieux que la température de fumée reste constante, η=84.2% soit [150- (6)] x 1000 x = 1872W avec préchauffe par puits. Le rendement augmente de 1.4 %. On économise 210 W ou environ 2 % de la puissance utile! Quel investissement? On peut se contenter d un système «bricolé» sans prendre de précautions pour les pollutions bactériologiques : > 300 Economie financière annuelle? A mi-saison, t ext =10 C = t sol, le gain est nul mais heureusement la puissance consommée est faible (2000 à 3000 W). Si la consommation annuelle est de kwh =2000 litres de mazout = 4000 kg de bois sec = 8 m³ = 6 cordes (environ à 150 ), la dépense est de 900 /an soit une économie de 13 /an au mieux! Electricité ventilateur: > 2000h x 30W = 60 kwh à 0.15 = 10 /an. Reste 3 /an! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 49 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Introduction au rendement de production. Préchauffage de l air. Exemples de chauffages locaux. Exemples de chauffages centraux. Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 50 25

26 Module 3 : exemples de chauffage local Le chauffage électrique à accumulation et son rendement global Mais grande consommation en énergie primaire et émission de CO 2! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 51 Module 3 : exemples de chauffage local Le convecteur à gaz naturel et son rendement de production. Consommation intéressante en énergie primaire et émission moyenne de CO 2! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 52 26

27 Module 3 : exemples de chauffage local Le poêle à pellet et son rendement de production. Valeur par défaut dans la PEB pour la saison : comme pour les foyers à bois Nominal selon Pr EN 14785? exemple Consommation normale en énergie primaire MAIS faible émission de CO 2! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 53 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Introduction au rendement de production. Exemples de chauffages locaux. Chauffage central à distribution d eau. Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 54 27

28 Module 3 : chauffage local ou central? Exemple du chauffage central avec radiateurs. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 55 Chaudières gaz à ventouse assistées par ventilateur rendement de combustion parfois amélioré (meilleur contrôle de l excès d air, intérêt d un brûleur modulant et d un ventilateur modulant), pertes à l arrêt réduites sécurité si prise d air extérieure Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 56 28

29 Chaudières à brûleur air pulsé au fuel rendement de combustion élevé mais fonction du réglage, pertes à l arrêt réduites Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 57 Pouvoir calorifique et condensation La combustion du méthane (qui compose 80 % du gaz naturel) produit du CO2 et de l'h2o sous forme de vapeur. La quantité de chaleur alors dégagée par la combustion s'appelle le pouvoir calorifique inférieur (PCI ou Hi) car l'eau produite reste sous forme de vapeur et est évacuée dans l'atmosphère avec les produits de la combustion. Si on condense cette vapeur d'eau dans un échangeur de chaleur, on récupère l'énergie latente qui y est contenue. La chaleur totale ainsi produite est alors appelée le pouvoir calorifique supérieur (PCS ou Hs) : PCS = PCI + chaleur de condensation de l'eau. Pour le gaz naturel : PCS = PCI + 11 % Pour le mazout : PCS= PCI +6% ( mais le rendement sans condensation est meilleur que pour le gaz!) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 58 29

30 Chaudières gaz (fuel) à condensation Principe : refroidir les fumées jusqu à récupérer la chaleur de vaporisation de l eau contenue dans les fumées Intérêt rendement de combustion excellent peu de pertes à l arrêt Gain énergétique : un peu plus d infos Energie+ (site RW) % sur la consommation annuelle (PCS/PCI mais aussi grâce aux plus grands échangeurs) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 59 Condensation: paramètres influençant les performances: Température des fumées à la cheminée Température d eau de retour dans les corps de chauffe doit être suffisamment inférieure à la température de rosée de la fumée -> 57 C -> privilégier le chauffage basse température, éviter les bouclages du circuit hydraulique; -Grande surface de l échangeur de la chaudière; -la puissance de la flamme par rapport à la taille de l échangeur : degré de modulation de la chaudière. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 60 30

31 Pour une chaudière à condensation, plus la température d'eau de retour est basse, plus la quantité de fumée condensée est importante et meilleur est le rendement. 55 C T>65 C T>55 C Trop chaud pour bien condenser! Les retours séparés n existent pas sur tous les modèles Mais il suffit que 15 à 20 % du débit d eau total revienne à basse température pour condenser toute la vapeur! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 61 Modulation de la température de départ de l eau de la chaudière : température glissante Régulateur climatique : principe de la courbe de chauffe Sonde extérieure. Avantages: -déperditions des conduites diminuent - La température de retour est plus basse: condensation facilitée Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 62 31

32 Condensation: paramètres influençant les performances: L excès d air de combustion, dépendant des : performances intrinsèques du brûleur, conditions de réglage du brûleur à la mise en service et lors des entretiens conditions atmosphériques La valeur cible de CO2 à atteindre est -12,5 à 13 % pour le fuel -10 % pour le gaz. -Au dessus, les risques de produire des suies et du CO sont réels. La dilution des fumées (diminution de la teneur en CO ² ) abaisse la température de condensation Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 63 Condensation:caractéristiques souhaitables Dimensionnement des émetteurs Régime nominal de 70 /50 C (ou, en rénovation,laisser les radiateurs surdimensionnés) Chauffage sol 55 /45 C ( selon norme mais plus bas en pratique: plutôt C) Régulation glissante de la température de départ c est la courbe de chauffe Absence de bouclage Absence au niveau de la chaudière Dimensionnement correct des circulateurs Modulation de la puissance du brûleur sur la plus grande plage de puissance possible Contrôle de la qualité de combustion sur la plus grande plage de puissance possible Avec adaptation du débit d air au débit de gaz Avec contrôle automatique de combustion. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 64 32

33 Impératifs liés aux chaudières à condensation Cheminée : résistant à la corrosion et étanche à l eau (simple paroi en acier inoxydable ou matériau synthétique. ). Evacuation des condensats (une chaudière de 15 kw produit env. 0,85 lit. de condensats par heure) : à l égout, en matière plastique, sans neutralisation si chaudière au gaz Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 65 La condensation au fuel? Max. 6% d énergie latente récupérable (11% pour le gaz) -> remboursement du surcoût difficile Condensats acides -> besoin chaudières encore plus résistantes et traitement avant rejet (mais pas au niveau résidentiel) En général utilisation de fuel «extra» à 50 ppm de souffre. Combustible un plus cher (5 eur/1000 L) Point de rosée du fuel plus faible ( C) -> travailler avec des t d eau encore plus faibles et surdimensionner plus les corps de chauffe. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 66 33

34 Chaudière gaz : labels HR? N apportent rien de plus que les exigences légales (rendement minimal imposé par l AR 18/03/97). Attention HR Top a des exigences faibles par rapport aux meilleures chaudières à condensation du marché (ex : chaudière de 15 kw, rend comb min de 98%) Garantissent un contrôle des exigences légales par un laboratoire neutre Plus en terme de service commercial Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 67 Comparer les rendements des chaudières gaz labellisées? Difficile de comparer les chiffres annoncés Ne représentent pas la réalité en exploitation Pas mesurés suivant les mêmes conditions. L ARGB ne publie pas pour chaque chaudière ayant un label HR, le rendement obtenu lors des essais. Attention donc Au sein du label HRtop,il y a des chaudières à peine «condensantes» et de vraies chaudières à condensation Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 68 34

35 Chaudières fuel : labels Optimaz? Performances plus élevées que les exigences légales Rendement de combustion : Optimaz= 93% Optimaz Elite =97.5 % Ancien logo Nouveau logo Pertes à l arrêt max de 0.8% Conformité d émissions NOx et CO Pertes max du ballon d ECS: 0.43W/l Qualité du service Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 69 Chaudières domestiques (synthèse) Types de chaudières Chaudières gaz non condensantes (sur sol ou murales) : atmosphériques avec évacuation par cheminée évacuation par ventouse, assistée par ventilateur Chaudières fuel à brûleur à air pulsé Chaudières gaz (fuel) à condensation Rendements annuels: Chaudières gaz non condensantes : % Chaudières fuel à brûleur pulsé : % Chaudières gaz à condensation: % mauvais échangeur et Bon échangeur et régulation en température régulation en température d eau Construire constante avec l Energie - Séminaire d àeau l attention glissante des professionnels 70 35

36 Module 3 : principes de la régulation Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 71 Régulation: deux objectifs Le respect de la température de consigne diurne pour obtenir le confort voulu Abaisser la consigne de température quand le bâtiment est inoccupé (et la nuit ) pour économiser Pourquoi? La consommation est proportionnelle à la différence de température entre l intérieur et l extérieur -> il faut minimiser cette différence de température Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 72 36

37 Régulation : 4 principes de base Contrôle de la température ambiante Intermittence du chauffage Intermittence des auxiliaires Simplicité du système Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 73 Principe 1: Contrôle de la température ambiante 1 C de trop = 8% de surconsommation (par rapport à une consigne de 20 C) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 74 37

38 Principe 1: Contrôle de la température ambiante Soit thermostat d ambiance dans le séjour (ou autre pièce de référence) agissant sur la chaudière + vannes thermostatiques dans les autres pièces. Soit sonde extérieure agissant sur la température d eau (régulateur climatique) et vannes thermostatiques dans toutes les pièces : Systématiquement présente si chaudière à condensation. réglage plus complexe pour le particulier. (sonde extérieure et thermostat d ambiance pour le contrôle ON/OFF du débit et/ou la correction de la température de départ) sont nécessaires pour le chauffage par le sol) Au lieu de vannes thermostatiques, on peut aussi combiner différents thermostats d ambiance placé dans les pièces et commandant des électro-vannes ON/OFF (programmation facile et préparation à la domotique ) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 75 Les vannes thermostatiques (principe) La course du pointeau est très limitée (2mm). Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 76 38

39 Vannes thermostatiques suffisantes? Pourquoi ne pas réguler qu avec des vannes thermostatiques? Ne permettent pas d intermittence automatisées sauf avec les vannes programmables plus chères (et avec piles ou accus) Ne permettent pas de limiter les pertes des chaudières et des circuits de distribution. Fonctionnent mal si la température de l eau est trop élevée (pompage, sifflement) : certains installateurs placent alors des bypass pour limiter la pression mais qui augmentent aussi la température de retour et limitent la condensation. Il vaut mieux placer un circulateur à vitesse variable ou travailler à température glissante! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 77 Courbes d émission d un radiateur. Courbe d émission d un radiateur : alimenté à 90 C, il faut réduire son débit de plus de 80% pour réduire sa puissance de 50%. Il vaut mieux travailler en température glissante! en moyenne sur la saison de chauffe (quand Text = 5 C), un radiateur est déjà 3 x trop puissant. (15-5) comparé à [(20) (-10)] On chauffe en dessous de 15 C à l extérieur en tenant compte des apports internes et solaires Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 78 39

40 Principe 2: Intermittence du chauffage "Cela ne sert à rien de limiter le chauffage durant la nuit, la chaleur économisée est repayée en début de journée suivante pour recharger les murs!" FAUX! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 79 ECONOMIE D ENERGIE Diminuer le chauffage laisse chuter la température intérieure d autant plus vite que le bâtiment est peu inerte (a peu emmagasiné de chaleur). L énergie nécessaire pour la relance n est qu une partie de celle gaspillée pour maintenir à température Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 80 40

41 Soit coupure manuelle (le plus efficace si gestion particulièrement consciencieuse). Soit coupure par horloge (thermostat avec horloge ou régulateur climatique avec horloge et optimiseur) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 81 Impact énergétique de la régulation Abaisser la consigne durant la nuit et en cas d absence = 5 à 25% d économie Cela dépend de l isolation, de l inertie thermique du bâtiment et du chauffage et du temps de coupure. Dans la PEB, une consigne variable jour/nuit est automatiquement intégrée puisque la température moyenne est de 18 C ( 21 jour/15 C nuit) Le calcul est de toutes façons identique pour tous les bâtiments pour pouvoir comparer. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 82 41

42 Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 83 Principe 3 : Intermittence des auxiliaires Mise à l arrêt des circulateurs en absence de besoin: Soit en fonction de l arrêt du brûleur (avec temporisation). Soit en fonction de la température du réseau de distribution. Utilisation de circulateurs avec régulation électronique de vitesse intégrée. Ils diminuent leur puissance consommée quand la demande de chauffage diminue. Surcoût : 40 à 60% du prix pour un circulateur 3 vitesses de puissance similaire Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 84 42

43 Circulateur à vitesse variable. Principe le plus simple: le circulateur diminue sa vitesse automatiquement pour assurer le maintien d'une pression différentielle constante en un point choisi du réseau (l idéal serait de diminuer la pression quand la demande chute) En résidentiel: la plupart des circulateurs sont à rotor noyé et ne sont pas équipés de prises de pression. Le régulateur interne à l'appareil travaille en fonction d'une mesure du courant absorbé, image de sa hauteur manométrique. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 85 Principe 4 : Simplicité du système Régulateur facile à programmer Rapidement compréhensible par l utilisateur Ne demandant pas l intervention du chauffagiste. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 86 43

44 Performance de la régulation: synthèse Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 87 Quelles recommandations dans la charte? Régulation avec thermostat d'ambiance et une horloge programmable sur base hebdomadaire Vannes thermostatiques sur les radiateurs et convecteurs (pas obligatoire dans le local où se trouve le thermostat) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 88 44

45 Module 3 : la régulation Quelques références pratiques: Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 89 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments) Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 90 45

46 Module 3 : chauffage et ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique de Bâtiments). Les différents rendements. Le rendement d émission-régulation. Le rendement de distribution. Le rendement de stockage. Le rendement de production. Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 91 Module 3 : les installations : pertes et rendements Exemple du chauffage central avec radiateurs. Le rendement global de l installation dépend de différents rendements. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 92 46

47 Module 3 : les installations : pertes et rendements Performances de référence: bâtiment de l exemple PEB ( K43) avec -un chauffage central à gaz naturel avec chaudière non condensante, -des radiateurs, dont certains mal placés, -avec une régulation très simple et maintien en température -et des conduites d eau chaude isolées mais hors volume protégé. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 93 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production η glob =54% C est un rendement global saisonnier, beaucoup plus bas qu en conditions nominales! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 94 47

48 Module 3 : chauffage et ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique de Bâtiments). Les différents rendements. Le rendement d émission-régulation. Le rendement de distribution. Le rendement de stockage. Le rendement de production. Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 95 Module 3 : les installations : pertes et rendements Exemple : pertes au dos d un radiateur. Exemple : régulation faussée Source : Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 96 48

49 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 97 Module 3 : les installations : pertes et rendements Modulation de la température de départ de la chaudière? Sonde extérieure. Régulateur climatique : principe de la courbe de chauffe Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 98 49

50 Module 3 : les installations : pertes et rendements Modulation de la température de départ de la chaudière? Gain normalisé de 2% sur la consommation énergétique. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 99 Module 3 : les installations : pertes et rendements Régulation de la température avec une commande par local? Aussi un gain normalisé de 2% sur la consommation énergétique. Le coût d'une vanne est de l'ordre de 12, pour une vanne thermostatique traditionnelle ou ,5 pour une vanne "incassable". Hors placement. Source: Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

51 Module 3 : les installations : pertes et rendements Radiateurs placés devant des vitrages? Gain normalisé de 8 % sur la consommation énergétique! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 101 Module 3 : Synthèse sur les pertes d émission-régulation Pertes d émission-régulation limitées au mieux? Nouveau Critère Gain normalisé de 12% sur la consommation énergétique et respect du nouveau critère. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

52 Module 3 : chauffage et ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique de Bâtiments). Les différents rendements. Le rendement d émission-régulation. Le rendement de distribution. Le rendement de stockage. Le rendement de production. Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 103 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Cas d un chauffage local. Il n y a pas de perte de distribution puisque la production et la distribution de chaleur se déroulent dans le local même! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

53 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Cas d un chauffage central: conduites HORS volume protégé Les conduites chaudes, même isolées, perdent à l ambiance. Les circulateurs aussi perdent à l ambiance. Pour des conduites non -isolées Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 105 Module 3 : les installations : pertes et rendements Conduites d eau chaude HORS volume protégé isolées? Isolation thermique des tuyauteries situées en dehors du volume protégé épaisseur minimum de 1 cm, λ < 0,065 W/mK Mais il est rentable d aller plus loin encore : Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

54 Module 3 : les installations : pertes et rendements Conduites d eau chaude, même isolées, HORS volume protégé? Fixé à 95% pour le moment -> Gain normalisé complémentaire de 4 % sur la consommation énergétique. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 107 Module 3 : chauffage et ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique de Bâtiments). Les différents rendements. Le rendement d émission-régulation. Le rendement de distribution. Le rendement de stockage. Le rendement de production. Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

55 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Plus souvent utilisé dans le cas d une pompe à chaleur! Dans notre cas: Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 109 Module 3 : chauffage et ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique de Bâtiments). Les différents rendements. Le rendement d émission-régulation. Le rendement de distribution. Le rendement de stockage. Le rendement de production. Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

56 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Pour rappel, on considère une chaudière non condensante avec un bon rendement d émission et une bonne distribution Mais maintien en température Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 111 Module 3 : les installations : pertes et rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Avec le choix de combustible et le type d appareil, il faut,entr autres paramètres, indiquer le rendement en charge partielle (à 30%) qui permettra de calculer le rendement de production saisonnier Mais ou trouver l information? Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

57 Module 3 : les installations : pertes et rendements /rendementen.php Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 113 Module 3 : les installations : pertes et rendements Sinon, pour une première estimation, il vaut mieux considérer les valeurs indicatives suivantes déduites de l AR du mars 1997 et de données constructeurs diverses: Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

58 Module 3 : les installations : pertes et rendements Impact du maintien à température Gain normalisé de 5 % de la consommation énergétique. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 115 Module 3 : les installations : pertes et rendements Emplacement de la chaudière Augmentation normalisée de 2 % de la consommation énergétique. ² Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

59 Installations : améliorations des rendements Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Chaudière à basse température avec une bonne régulation et positionnement correct des radiateurs η glob =54% η glob =72% Conduites dans volume protégé -pas de maintien en température et localisation dans volume chauffé Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 117 Module 3 : les installations : pertes et rendements On passe à une chaudière à condensation. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

60 Module 3 : les installations : pertes et rendements Si elle alimente des émetteurs à basse température Si on connaît la température de retour en design (pas tuyaux < 10 cm) Le chauffage sol BT sera aussi associé aux PAC dans le module 5! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 119 Chaudière et régulation : synthèse des coûts et gains Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

61 Module 3 : les pertes et rendements du chauffage électrique Le rendement global : η glob = η émission. η distribution. η stockage. η production Amélioration du rendement d émission en chauffage local électrique La régulation de charge : manuelle ou automatique? On ne saurait trop recommander une régulation automatique de la charge en fonction de la température extérieure. Et pourtant, on rencontre couramment des accumulateurs avec réglage manuel à 3 positions. Par simplification, ils sont souvent réglés sur la position la plus élevée, afin de prévenir toute période froide éventuelle du lendemain. En pratique, ils entraînent une décharge statique plus élevée que nécessaire et donc une perte de rendement. Source : un peu plus d infos Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 121 Module 3 : les installations : pertes et rendements A quoi cela peut ressembler? Combien cela peut rapporter? Combien cela peut coûter? un peu plus d infos Économie financière de 6% l an! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

62 Module 3 : chauffage et ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique de Bâtiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 123 Les auxiliaires Sans contrôle par le thermostat d ambiance, le circulateur (par ex. 40 W en 2 ème vitesse) tourne 6.000h/an! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

63 Les auxiliaires Un thermostat d ambiance qui commande le circulateur ou une régulation électronique qui module le débit en fonction des besoins. L économie pour cette maison de 200 m² est de ( ) x 200 = 400kWh par an. La chaudière fonctionne en général heures par an et on économiserait donc dans cet exemple: 40W x 2,5 x 4.000h = 400 kwh Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 125 Les auxiliaires Le système de régulation de température d eau de la chaudière permet de réduire la consommation de combustible mais il faut tenir compte de sa propre consommation de veille de 13 W par exemple: 13W x 6.000h x 2,5 = 200 kwh/an, soit 1 kwh/m². 137 Mais, cette régulation permet de réduire la température de l eau et donc de limiter les pertes de distribution et assurer la condensation! Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels

64 Module 3 : le chauffage et l ECS Le confort thermique en chaud et en froid. Le dimensionnement des installations. Le chauffage local ou central? Les principes de la régulation. Pertes et rendements des installations: application au calcul du PEB (Performance Energétique des Batiments). Les puissances auxiliaires. L eau chaude sanitaire. Les besoins, les systèmes de production, les pertes. Le préchauffage solaire. Dimensionnement pour l ECS. Un cas vécu. Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels 127 Besoins en ECS - Température - Légionelle Le développement des bactéries a lieu dans l eau entre 32 et 42 C A 50 C, 90 % des bactéries présentes meurent dans les 2 à 6 heures. A 60 C, 90 % des bactéries présentent meurent dans les 5 minutes. A 80 C, 90 % des bactéries meurent dans les 30 secondes. Recommandations sans garantie absolue! -Éviter la stagnation (bras morts des réseaux). - Garder en continu les systèmes à une T > 55 C: (idéalement dans tout le ballon) Construire avec l Energie - Séminaire à l attention des professionnels