Formation Bâtiment Durable :

Formation Bâtiment Durable : Les techniques (chaleur, ventilation, ECS): conception et régulation Bruxelles Environnement Systèmes de production de chaleur : principes et enjeux Raphaël Capart ICEDD asbl

Objectifs de la présentation Présenter les systèmes de production de chaleur «classiques» les plus efficaces et envisageables dans des bâtiments énergétiquement performants Aborder pour chaque système : Le principe de fonctionnement Les performances attendues Les conditions garantissant son fonctionnement optimal Les contraintes d installation et d exploitation L objectif étant de comprendre certains principes importants du fonctionnement d un système de production de chauffage afin de disposer des bases pour arbitrer les choix qui se poseront au moment de la conception Cette présentation n abordera donc pas de manière exhaustive tous les moyens de production possibles. 2

Plan de l exposé 1. Introduction, enjeux et notions préalables 2. Chaudières à condensation 2.1. Principes 2.2. Performances 2.3. Garantir leur fonctionnement optimal 3. Chauffage électrique direct 3.1. Notion d énergie primaire 3.2. Types de chauffage électrique 3.3. Compenser la consommation par une installation photovoltaïque? 4. Chauffage à partir de biomasse 4.1. Aspect environnemental 4.2. Chaudières biomasse 4.3. Poêles biomasse 3

1. Introduction, enjeux et notions préalables Les flux thermiques d un bâtiment Qt : Pertes par transmission Ql : Pertes par ventilation Qs : Gains solaires Qi : Gains internes Be : Besoins nets en énergie Psys : Pertes systèmes Efinale : Cons. Finale Eprim : Cons. primaire Source : Plate-forme Maison Passive a.s.b.l. 4

1. Introduction, enjeux et notions préalables L installation de chauffage central + consommation des auxiliaires Source : Brochure PAE2 5

1. Introduction, enjeux et notions préalables Rendement d une installation de chauffage Type d'installation Rendements en % (h global = h production x h distribution x h émission x h régulation ) h production h distribution h émission h régulation h global Ancienne chaudière surdimensionnée, longue boucle de distribution 75.. 80 % 80.. 85 % 90.. 95 % 85.. 90 % 46.. 58 % Ancienne chaudière bien dimensionnée, courte boucle de distribution 80.. 85 % 90.. 95 % 95 % 90 % 62.. 69 % Chaudière haut rendement, courte boucle de distribution, radiateurs isolés au dos, régulation par sonde extérieure, vannes thermostatiques,... 90.. 93 % 95 % 95.. 98 % 95 % 77.. 82 % Source : energie+ 6

2.1 Chaudières à condensation - principes Combustion : Gaz : CH 4 + 2 O2 -> CO 2 + 2 H 2 O Autres : C x H y + n O2 -> x CO 2 + y / 2 H 2 O Vapeur ou liquide? Principe : condenser la vapeur d eau => récupération de la chaleur latente Comment? Refroidir les fumées sous la température de rosée Source : energie+ 8

2.1 Chaudières à condensation - principes Quel potentiel? PCI vs PCS PCS : pouvoir calorifique supérieur = quantité d énergie contenue dans le combustible si on condense toute la vapeur d eau PCI : pouvoir calorifique inférieur = quantité d énergie contenue dans le combustible si on ne condense pas du tout la vapeur d eau PCS = PCI + chaleur latente d évaporation Combustible PCI PCS PCS/PCI Gaz naturel H 9.88 kwh/m³ N 10,94 kwh/m³ N 1,11 Gaz naturel L 8.83 kwh/m³ N 9.79 kwh/m³ N 1,11 Mazout 11.88 kwh/kg 12.67 kwh/kg 1,06 9

2.2 Chaudières à condensation - performances Un rendement > 100%?! Exemple pour une chaudière gaz Pertes par évaporation 11% 11% 5% PCS PCI Chaleur utile 88% 92% 104% >100%!? Pertes de chaleur sensible Chaudière standard 79% PCS 12% 8% Chaudière basse température 83% PCS Chaudière à condensation Source : energie+ 94% PCS 2% 10

2.2 Chaudières à condensation - performances Quel potentiel? Rendements attendus : h comb = 100 108% h annuel = 97 105 % Par rapport à d autres chaudières : 8 20 % d économie sur la consommation annuelle Pour le choix d une chaudière, comparer les rendements annoncés par les fabricants à 30% de charge 11

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Comment refroidir les fumées? Grâce à l eau de retour (à température la plus basse possible) Émetteur à basse température (voir la présentation sur les systèmes d émission) Régulation climatique Eviter les retours chauds Échangeur efficace Grâce à l air comburant 12

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Maintenir une température de retour la plus basse possible Point de rosée : gaz ~ 55 C mazout ~ 47,5 C Amélioration du rendement continue : au plus les fumées sont refroidies au plus le rendement est élevé Source : energie+ Attention, même avec un échangeur efficace, la température des fumées sera d environ 5 C supérieure à celle de l eau de retour 13

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Intérêt de la régulation climatique Installation dimensionnée en régime 90/70 Source : energie+ Source : energie+ Condensation durant une bonne partie de la saison de chauffe 14

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Intérêt de la régulation climatique Installation dimensionnée en régime 70/50 Source : energie+ Source : energie+ Condensation durant toute la période de chauffe pour une chaudière au gaz 15

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Paramétrage de la régulation climatique Le réglage du régulateur climatique : est unique dépend du degré d isolation du bâtiment et du surdimensionnement des corps de chauffe Source : Brochure PAE2 Idéalement, le réglage ne devrait pas être fait : par le chauffagiste au hasard en fonction des plaintes (les causes d inconfort peuvent avoir d autres origines) mais par une personne vivant dans le bâtiment ou par le service de maintenance, en tenant un historique des réglages 16

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Eviter les retours chauds! Source : energie+ 17

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Eviter les retours chauds lorsque c est possible Pour les chaudières à «petit volume d eau», les fabricants imposent souvent un débit minimal qui devra être garanti par un by-pass ou une bouteille casse-pression Source : ICEDD 18

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Régulation permettant d éviter les retours chauds au travers d une bouteille casse-pression Circulateur chaudière à vitesse variable régulé en fonction de la différence T1-T2 Si T1-T2 > 1 2 C QS > QP par de retour chaud dans la bouteille Source : ICEDD 19

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Intégrer un circuit à plus haute température p.ex. production d ECS Source : energie+ 20 Source : energie+

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Intégrer un circuit pour la production d ECS Source : Matriciel Source : Matriciel 21

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Intérêt de la modulation de puissance rendement de combustion augmente (petite flamme dans grand échangeur) rendement saisonnier augmente (moins d arrêts) Plage de modulation possible : 10/20 -> 100% Surdimensionnement moins critique Source : energie+ 22 Source : energie+

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Chaudières étanches Avantages : Meilleure sécurité si prise d air extérieure (limite les risques de mauvaise combustion et de production de CO toxique) Meilleur contrôle de l excès d air (si un ventilateur intégré est présent) Possibilité de modulation de puissance (si un ventilateur intégré modulant est présent) rendement de combustion parfois amélioré pertes à l arrêt réduites Source : Viessmann 23

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Tubage de la cheminée étanche à l eau et résistant à la corrosion Source : GS waermesysteme GmbH Source : Detandt-Simon Raccordement «ventouse» possible 24

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Evacuation des condensats A l égout Les condensats sont ph basique 14 13 12 11 10 Ammoniaque acides Neutralisation nécessaire 9 8 7 Eau de mer Eau courante Eau distillée pour chaudière mazout 6 Eau de pluie pure Conduits en matériaux synthétiques acide 5 4 3 2 1 Eau de pluie Vinaigre Jus de fruit Acide fort Condensats gaz Condensats mazout 0 25

2.3 Chaudières à condensation garantir leur fonctionnement optimal Condenser les fumées grâce à l air comburant L air comburant est préchauffé en refroidissant les fumées après leur passage dans l échangeur avec l eau de chauffage Selon certains fabricants, ces chaudières permettent une «condensation permanente» sans retour froid car l air comburant est toujours relativement froid durant une saison de chauffe (6,5 C en moyenne à Bruxelles) Les conduits concentriques des chaudière étanches jouent déjà partiellement ce rôle Source : energie+ 26

3.1 Notions d énergie primaire Un rendement de production de 100%! sur énergie finale Mais un rendement de 40 % pour la transformation! On retrouve un facteur équivalent pour coût du kwh entre l électricité et les combustibles Source : Brochure PAE2 Uniquement pour besoins très faibles et/ou appoints locaux, de courte durée Vecteur énergétique Coût ( /kwh) Électricité 0,235 Gaz 0,079 Mazout 0,084 28

3.2 Types de chauffage électrique Convecteurs électriques : Les choisir avec une régulation électronique Radiateurs à accumulation : À éviter car beaucoup de pertes à la régulation même avec une sonde extérieure Source : energie+ 29 Source : energie+

3.2 Types de chauffage électrique Chauffage rayonnant Plancher chauffant : à éviter car inertie importante Panneaux radiant Source : energie+ Source : energie+ Radiateur infrarouge : p.ex. en appoint dans une salle de bain : sensation de confort instantanée pour une température de l air moindre Batterie sur la pulsion du système de ventilation Envisageable comme appoint dans les bâtiments passifs et très basse énergie, pour faire face aux périodes les plus froides Source : energie+ 30

3.3 Compenser la consommation par une installation photovoltaïque? Performances actuelles des panneaux : Entre 120 et 200 Wc/m² À Bruxelles, on produit environ 850 kwh pour 1 kwc installé dans les meilleures condition (pas d ombrage, orientation sud, inclinaison de 35 ) 1 m² de panneau produit entre 102 et 170 kwh/an Source : IBGE Source : IBGE 31

3.3 Compenser la consommation par une installation photovoltaïque? Maison individuelle Très basse Passif énergie Petit immeuble à appartement Très basse Passif énergie Superficie chauffée 200 m² 100 m² BNE chauffage 3000 kwh 6000 kwh 1500 kwh 3000 kwh Rendement émission/régulation 93% Consommation chauffage 3226 kwh 6452 kwh 1613 kwh 3226 kwh électrique direct Superficie nécessaire pour couvrir la consommation de chauffage 19 32 m² 38 64 m² 9 16 m²/appartement 19 32 m²/appartement Attention à la limite des 5 kwc Envisageable Dépend du nombre d étages de l immeuble On ne considère que la consommation pour le chauffage! Ne pas oublier l ECS (si produite par électricité), la ventilation, l éclairage, les appareils électro-ménager, 32

4.1. Aspect environnemental Un très bon bilan CO 2 Source : Valbiom, Le chauffage au bois pour les particuliers Pour autant que le bois utilisé soit renouvelé! 34

4.1. Aspect environnemental Emission locales polluantes problématiques en ville Comparaison des émissions de polluants ramenés à l unité d énergie entrante dans les petites installations du secteur domestique (source : European Environment Agency, EMEP/CORINAIR Emission Inventory Guidebook) 35

4.1. Aspect environnemental Emission locales polluantes problématiques en ville Comparaison des émissions de polluants ramenés à l unité d énergie entrante dans les différent type d installations (petites installations du secteur domestique) (source : European Environment Agency, EMEP/CORINAIR Emission Inventory Guidebook) 36

4.1. Aspect environnemental Selon une estimation de l IBGE : Hypothèses : remplacement de 5% des chaudières au gaz par des chaudières à pellets respectant le label allemand «der blaue Engel» +35% de PM10 +20% de COV +57% de dioxine +10% de HAP Meilleur respect des objectifs de réduction d émission de CO2 et d utilisation de SER mais Augmentation de PM10 -> non respect des normes de concentration Augmentation des COV et dioxine Augmentation des suies qui seront réglementées dans le futur Impact santé 37

4.2. Chaudières biomasse Encombrement du stockage du combustible Source : Okofen Source : Valbiom, Le chauffage au bois pour les particuliers L approvisionnement en ville peut s avérer plus délicat et plus couteux 38

4.2 Chaudières biomasse Chaudière au bois : bûches 1. Arrivée d air primaire 2. Arrivée d air secondaire Source : Protocole de collecte des donnée pour la certification de bâtiments résidentiels existants en Wallonie Meilleur contrôle de la combustion Combustion continue Combustion plus propre et plus complète moins de cendres moins d émissions polluantes Meilleur rendement (~85%) 39

4.2. Chaudières biomasse Chaudière au bois : bûches Inconvénients Manutention importante chargement quotidien évacuation des cendres Source : Schmid Utilisation d un ballon tampon recommandée afin d assurer un fonctionnement à puissance nominale Puissances disponibles peu adaptées à des logements unifamiliaux énergétiquement performants Source : KWB 40

4.2 Chaudière biomasse Chaudière au bois : granulés Alimentation en air et en granulés contrôlée Modulation de la puissance possible Source : Van Loo & al. 2002 Très bon rendement de production (>90%) Il existe des modèles de faible puissance (plage de modulation 2 8 kw) adapté au logement unifamilial énergétiquement performant Il existe des modèles à condensation mais nous n en connaissons pas les rendements 41

4.2 Chaudières biomasse Chaudière au bois : granulés Automatisation de : alimentation en combustible contrôle du tirage décendrage nettoyage régulation Bonne autonomie Source : Okofen Confort d utilisation comparable aux chaudières traditionnelles Inconvénients Installations moins compactes (stockage des granulés, etc.) coût 42

4.3. Poêles biomasse Poêle à bois Risques Surpuissance/surchauffe : Régulation limitée (rendement diminue si l on s écarte du fonctionnement nominal) Puissance délivré dans une seule pièce Puissance minimale des modèles sur le marché reste élevée par rapport aux besoins des bâtiments énergétiquement performants Mauvais tirage dû à l étanchéité du bâtiment (+ système C) Source : Rika Points d attentions : Choisir un foyer étanche Choisir un poêle à bois de faible puissance correspondant aux déperditions du bâtiment Prise d air extérieur Rendements : 70 90 % 43

4.3 Poêles biomasse Poêle à granulés Alimentation en granulés et en air contrôlée bonne combustion rendement ~ 90% modulation possible Régulation possible avec thermostat d ambiance programmable Risques de surpuissance/surchauffe Puissance délivrée dans une seule pièce Source : Calimax Points d attentions : Choisir un modèle étanche Choisir un modèle de faible puissance adaptée aux besoins de l espace desservi Il existe des poêles de faible puissance : 1 à 4 kw Prise d air extérieur 44

Ce qu il faut retenir de l exposé L enjeu de la «basse température» est crucial pour les chaudières à condensation : choix et dimensionnement du système d émission système de régulation en température glissante et son paramétrage schéma hydraulique Le recours au chauffage électrique direct est à éviter autant que possible à l exception d usages très spécifiques et limités dans le temps Le chauffage par biomasse présente un intérêt environnemental certain mais attention à : logistique de l approvisionnement et du stockage difficulté de trouver des puissances adaptées possibilités de régulation limitées 45

Outils, sites internet, etc intéressants : www.energieplus-lesite.be www.cstc.be www.brusselsenvironment.be http://energie.wallonie.be CSTC, «NIT 235 - La chaudière à condensation», 2008 Valbiom, «Le chauffage au bois pour les particuliers», 2004 46

Références Guide Bâtiment Durable http://guidebatimentdurable.bruxellesenvironnement.be Fiche G_ENE08: Choisir le meilleur mode de production et de stockage pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire Fiche G_ENE10: Garantir l'efficience des installations de chauffage, d'eau chaude sanitaire et de refroidissement 47

Contact Raphaël CAPART Auditeur Energétique ICEDD asbl : 081 25 04 80 E-mail : rc@icedd.be 48