Efficacité énergétique des systèmes thermiques

ENERTECH

Chapître 2

Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire – (1)

Définition

La consommation d’énergie finale (celle qui est livrée à l’utilisateur) d’un système s’écrit :

E = Besoins / gl où gl = rendement global

ENERTECH

La consommation d’énergie sera d’autant plus faible que le rendement global sera élevé.

Définition

ENERTECH

Consommation

Besoins

0 % 50 % 100 %

Rendementglobal

La consommation d’énergie sera d’autant plus faible que le rendement global sera élevé.

Définition

ENERTECH

Conclusion : un bon concepteur cherchera en permanence à maximiser le rendement global :

gl = gén x s x d x r x e où :

- gl = rendement global- gén = rendement de génération (de la chaleur) - s = rendement de stockage - d = rendement de distribution - r = rendement de régulation - e = rendement d’émission

L’architecture climatique

Thermique du bâtiment

ENERTECHENERTECH

1-1 Production de chaleur par combustible

Chapître 2

1 – Le rendement de génération

ENERTECH

Pertes E E Eparois fumées imbrulés . . .

chchim

Pertes

E chim.

E parois

E imbrulés.

E fumées

E utile.

Rendement d’exploitation annuel

Taux de charge annuel

Courbe de rendement des chaudières

ENERTECH

Temps de fonctionnement de la chaudière au cours de l'année

Juille

Octobre

ENERTECH

Taux de charge

Une seule chaudière

Deux chaudièresen cascade

Mise en cascade des chaudières

ENERTECHBrûleur

Echangeurprincipal

Départ chauffage

Condenseur

Eau préchauffée

retour du réseaule plus froid

fumées à 40 °C

Condensats

Evacuation des condensats

Principe d’une chaudière à condensation

ENERTECH

20 30 40 50 60 70 80

Température [°C]

Chaudière à condensation

Chaudière à haut rendement

Courbe de rendement des chaudières à condensation

MISE EN ŒUVRE D’UNE CHAUDIERE A CONDENSATION

Associer la chaudière à condensation à une chaudière à haut rendement (« chaufferie composée »). Couvrir 50 à 60 % de la puissance totale avec la chaudière à condensation.

Le fonctionnement correct d’une chaudière à condensation est assuré si les conditions suivantes sont assurées :

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Donner la priorité absolue au fonctionnement de la chaudière à condensation sur la chaudière à haut rendement.

Irriguer le condenseur de la chaudière à condensation :

- soit par une partie du retour de l’ensemble des réseaux de chauffage. Même si le régime des radiateurs est du type 90/70 °C, il y aura quand même condensation pendant 89% du temps,

- soit par le retour d’un réseau de chauffage particulier, représentant 20 % de la puissance totale, et dimensionné pour un régime de type 60/45 °C par exemple, ce qui permet une condensation toute l’année,

- soit par l’arrivée EF destinée à la préparation ECS.

ENERTECH

Une révolution : la chaudière Varino de Guillot

Rendement sur P.C.I. en fonction du taux de charge

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Taux de charge

ENERTECH doc. Guillot

Température retour installation : 30°C

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Combustible141

Electricité

Chaleur

Pertes

Pertestotales

Centraleélectrique

n = 40%

Chaudière

n = 93%

Filière traditionnelle

Combustible100

Systèmede

cogénération

n = 85%

Electricité

Chaleur

Pertes

Filière cogénération

Principe de la cogénération

ENERTECHENERTECH

1-2 Production de chaleur par électricité

Chapître 2

1 – Le rendement de génération

ENERTECH

1 - L’électricité n’est pas une source d’énergie mais un vecteur énergétique, comme par exemple l’hydrogène, qu’il faut donc produire,

Quelques rappels :

ENERTECH

1 - L’électricité n’est pas une source d’énergie mais un vecteur énergétique, comme par exemple l’hydrogène, qu’il faut donc produire,

2 – L’électricité est produite à 85 % par voie thermique aujourd’hui (fioul, gaz, nucléaire), donc avec un rendement de 30 à 40 % conduisant à un coefficient réel de conversion énergie primaire/énergie finale de 3,25 mais pris conventionnellement égal à 2,58.

Quelques rappels :

ENERTECH

3 – Ce coefficient rend impossible les très faibles consommations d’énergie primaire si le chauffage est assuré par convecteurs électriques.

Seule la pompe à chaleur (PAC) permet d’utiliser avec une grande intelligence ce vecteur très noble qu’est l’électricité et d’avoir un bon bilan en énergie primaire.

Quelques rappels :

Doc : SaunierDuval

ENERTECH

4 – En 2012 le système de chauffage de référence dans la RT ne sera plus le convecteur électrique mais la PAC.

Quelques rappels :

ENERTECH

1 – La nature contient une formidable quantité d’énergie dans notre environnement proche (eau, air, sol). Mais cette énergie n’est pasà une température suffisamment élevée pour pouvoir nous chauffer.

Principes de la pompe à chaleur :

ENERTECH

1 – La nature contient une formidable quantité d’énergie dans notre environnement proche (eau, air, sol). Mais cette énergie n’est pasà une température suffisamment élevée pour pouvoir nous chauffer.

2 – Il faut donc relever le niveau température de cette énergie. Pour cela on se souviendra que le niveau zéro de l’énergie est à – 273°C. Donc faire passer l’énergie de 283 °K (soit 10°C) à 308 °K (soit 35°C) ne représente pas un effort important. Pourtant cela rend possible l’usage de l’énergie qui est en abondance dans la nature.

ENERTECH

3 – La pompe à chaleur permet, grâce à un cycle thermodynamique astucieux, ce relèvement de la température d’une énergie. Mais pour en tirer le meilleur parti il faut respecter certaines règles de conception….

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Principe de la PAC

Évaporateur Condenseur

Tc [°K]

cthéorique

(Tc-Tf)

PAC Sol/Plancher chauffant

PAC Air/Eau

Tf [°K]

L’écart de température entre sources chaude et froide doit être minimum

(Tc et Tf en °K)

ENERTECH

1 – Une pompe à chaleur doit avoir un COP moyen annuel > 3 pour présenter un intérêt énergétique.

2 – Pour cela il faut choisir la température de la source froide (la nature) la plus élevée possible, et la température de la source chaude (l’émission de chaleur) la plus basse possible, ce qui devient de plus en plus aisé au fur et à mesure que les bâtiments ont peu de besoins.

En conclusion :

ENERTECH

3 – La solution qui est la plus intéressante : puiser la chaleur dans le sol (T = 12°C) et utiliser un plancher chauffant à très basse température (25°C). Le COP vaut alors 7 ou 8.

Donc pour fournir 8 kWh de chaleur, on en prend 7 dans la nature (renouvelable) et on utilise 1 kWh d’électricité.

En conclusion :

ENERTECH

Conclusion : avec une PAC très performante on peut à la fois réduire les consommations d’énergie primaire ET les émissions de GES, la meilleure solution étant de coupler l’installation avec une production photovoltaïque.

Question : une pompe à chaleur utilise des fluides frigorigènes (R 407 c ou R 410 a) qui sont de redoutables gaz à effet de serre. Est-ce mieux ou moins bien qu’une chaudière gaz à condensation du point de vue du changement climatique, avec une PAC très performante (COP > 5) ?

Réponse : en prenant tout en compte, les fuites de circuit et la non recyclabilité totale du produit, la PAC émet :

- 15 fois moins de gaz à effet de serre que la chaudière sur sa durée de vie, à condition que l’électricité soit produite par conversion directe (photopile, éolienne, hydraulique),

- 5 fois moins de GES si l’électricité est celle du réseau.

Petit bilan carbone….

2 – Le rendement de stockage

ENERTECHENERTECH

Chapître 2

2 – Le rendement de stockage

Efficacité énergétique des systèmes de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire

Améliorer le rendement de stockage

ENERTECH

Pertes = K S (Ts - Text)

- améliorer l’isolation - réduire S - la température de stockage et celle du local

. E(cm)

Ts (°C)

5 8 10 12,5 15 20

50 23,5 14,9 12,0 9,6 8,1 6,1

60 30,2 19,2 15,4 12,4 10,4 7,8

70 37,0 23,5 18,9 15,2 12,7 9,5

80 43,7 27,7 22,3 17,9 15,0 11,3

Déperditions (en W) pour 1 m2 de ballon en fonction de l’épaisseur d’isolant et de la température du ballon

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3 – Le rendement de distribution

ENERTECH

Chapître 2

Les pertes de distribution valent : P = k L T

Il faut donc :

ENERTECH

Améliorer le rendement de distribution

Il faut donc :

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- Améliorer l’isolation des conduites

E [mm]

20/27 26/34 33/42 40/49 50/60

0 (nu) 35,5 (100%) 44,7 (100%) 55,2 (100%) 64,5 (100%) 78,9 (100%)

10 10,2 (28,8%) 12,2 (27,2%) 14,4 (26,0%) 16,3 (25,2%) 19,3 (24,4%)

20 6,9 (19,4%) 8,0 (17,9%) 9,3 (16,8%) 10,4 (16,1%) 12,1 (15,3%)

30 5,5 (15,5%) 6,3 (14,2%) 7,2 (13,1%) 8,0 (12,4%) 9,2 (11,7%)

40 4,8 (13,4%) 5,4 (12,1%) 6,1 (11,1%) 6,7 (10,4%) 7,7 (9,7%)

50 4,3 (12,0%) 4,8 (10,8%) 5,4 (9,8%) 5,9 (9,2%) 6,7 (8,5%)

Déperditions (en W/m) d’un tube vertical dans une ambiance à 15°C et en % de la déperdition du tube nu (T° fluide : 50°C).

Il faut donc :

ENERTECH

- Réduire la longueur des réseaux par une bonne conception des cheminements.

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ECEC 20 mmd’isolant

2 mmaximum

Optimiser la distribution d’eau chaude

Chambre Chambre

Cuisine

Séjour

Véranda

Rendement de distribution Réduire la longueur des réseaux

Il n’y a plus de parois froides depuis longtemps. Il n’est donc plus nécessaire de placer les émetteurs sous les fenêtres

–> Grosse économie de tube.

Circulations

Chambre Chambre

Rendement de distribution Réduire la longueur des réseaux

Principe :

Une seule nappe horizontale pour 2 niveaux

Emetteurs le long de la circulation et non en façade

Distribution dans un bâtiment très long (lycée, collège, etc)

Salle de classe Salle de classe

Circulations

Il faut donc :

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- Réduire l’écart de température entre intérieur et extérieur du tube : abaisser la température des fluides transportés, et faire passer les canalisations dans les volumes chauffés.

Rendement de distribution Réduire l’écart des températures

Faire passer les réseaux à l’intérieur des bâtiments plutôt qu’à l’extérieur (toiture terrasse, vide sanitaire) où ils se dégradent

très vite et sont le siège de pertes de chaleur importantes

Exemple d’une opération de 100 logements à Issy les Moulineaux

Chaufferie

3 cages d’escalier

Distribution de chauffage

Il faut donc :

ENERTECH

- Réduire l’écart de température entre intérieur et extérieur du tube : abaisser la température des fluides transportés, et faire passer les canalisations dans les volumes chauffés.

Le problème spécifique de l’ECS : la boucle de distribution.

Dans un hôtel 3*, le rendement de la boucle était de 49 %. En clair, l’énergie perdue par la boucle en un an était supérieure à celle qui avait coulé sous forme d’eau chaude dans toutes les salles de bains de l’hôtel.

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4 – Le rendement de régulation

ENERTECH

Chapître 2

ENERTECH

Le rendement de régulation traduit la capacité d’un système à respecter les températures de consignes imposées. Tout dépassement de ces consignes se traduit par une augmentation des pertes, donc par une dégradation du rendement de régulation. Un bon rendement de régulation est obtenu par des systèmes de régulation capables de réagir localement, rapidement et avec précision. Lorsque les apports gratuits sont très importants par rapport aux besoins, on ne peut éviter les échauffements et le rendement de régulation se détériore inexorablement. L’un des facteurs important pour bien gérer ces apports est évidemment l’inertie du bâtiment.

Rendement de régulationT°C

Heure de ralenti

Consigne de jour

Consigne de nuit

Pertes

Apports gratuits(soleil, occupation…)

APPORTS RECUPERABLES/APPORTS RECUPERES

Règle : Un apport de chaleur récupérable est récupéré si l’installation de chauffage a été informée de la présence de cet apport dans le local et qu’elle a réduit ou arrêté la fourniture de chaleur. La consommation de chauffage est ainsi diminuée de la partie récupérée de l’apport.

Définition : Un apport de chaleur est récupérable s’il se trouve à l’intérieur du volume chauffé (en saison de chauffage).

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Conditions à mettre en œuvre pour récupérer les apports

1 - Présence d’un organe de réglage (thermostat d’ambiance, robinet thermostatique, etc.) dans tous les locaux susceptibles de bénéficier d’un apport de chaleur gratuit (présence, éclairage, équipements, soleil....)

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Récupération des apports de chaleurAbsence d’organe de régulation

T=23°C

L’installation de chauffage ne sera jamais informée de la présence des apports récupérables. Aucun apport ne

sera récupéré : Surchauffe.

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2 - Position de l’organe de réglage dans la pièce à bonne hauteur et en dehors d’influences extérieures,

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Récupération des apports de chaleurMauvais positionnement du régulateur

T=22°C

T=19°C

Robinet thermostatique

Le robinet thermostatique ne sera jamais informé du dégagement de chaleur de la lampe placée 2m

plus haut.

Cas d’un apport récupérable non récupéré :L’organe de régulation ne peut être influencé par

l’apport récupérable

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3 - Utilisation de régulateurs à faible différentiel (< 0,5°C) ayant une grande sensibilité au moindre apport de chaleur.

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Influence du différentiel de l’organe de réglage sur la récupération des apports de chaleur

Récupération de chaleur impossible car le différentiel du régulateur est trop important

Consigne

Elévation de chaleur due à l’apport récupérableT°C

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3 - Utilisation de régulateurs à faible différentiel (< 0,5°C) ayant une grande sensibilité au moindre apport de chaleur.

A défaut de ce qui précède, ce qui est souvent le cas, les apports gratuits ne sont pas récupérés : ils conduisent seulement à des surchauffes.

Fonctionnement du robinet thermostatique

Ouverture durobinet

Températureintérieure [°C]

Ouverture de la vanne

Puissance à ouverture partiellePuissance à ouverture totale

19 20,5 21

100%100%

bande de réglage

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Evolution de la température dans les salles de classe

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

T° extérieure

T° départ chauffage

T° retour chauffage

T° de la salle de classe

Exemple d’une absence régulation : il fait 27°C et le chauffage continue à fonctionner

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5 – Le rendement d’émission

ENERTECH

Chapître 2

ENERTECH

Répartition des niveaux de température dans une pièce selon le type d’émetteur de chaleur

Chauffage optimum théorique

Plancher chauffant basse

température

Chauffage par le

plafond

Chauffage par

radiateur

Chauffage par

convecteur

Chauffage air pulsé

16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24° 16° 20° 24°

ENERTECH

1 – Dans les bâtiments à très faibles besoins, la puissance de chauffage n’est que de 15 à 20 W/m². Donc l’émission de chaleur peut être à très basse température,

ENERTECH

Quelques réflexions de « base » :

L’émission de chaleur

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1 – Dans les bâtiments à très faibles besoins, la puissance de chauffage n’est que de 15 à 20 W/m². Donc l’émission de chaleur peut être à très basse température,

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2 – Plus la surface des émetteurs est grande, plus basse est la température nécessaire dans l’émetteur,

Sémetteur [m²]

Témetteur [°C]

ENERTECHENERTECH

3 – Plus basse est la température dans l’émetteur, meilleurs sont les rendements d’émission et de distribution, et meilleur pourrait être celui de génération….

Témetteur [°C]

ENERTECHENERTECH

4 – Synthèse : la basse consommation conduit au plancher chauffant (qui sera aussi rafraîchissant) à très basse température, associé à une PAC géothermale. C’est ce que font systématiquement les Suisses.

ENERTECHENERTECH

Chapître 2

6 – Produire du froid de façon efficace

ENERTECH

1 – Un groupe froid c’est aussi une pompe à chaleur,

Produire du froid mécaniquement

2 – Sa performance sera d’autant meilleure que le condenseur sera refroidi à basse température. Il faut donc éviter de refroidir avec l’air extérieur mais rechercher plutôt le refroidissement avec le sol, ou de l’eau,

3 – Pour éviter les fluides frigorigènes classiques (GES), on peut utiliser de l’Ammoniac. Son pouvoir de réchauffement climatique est NUL!

4 – Synthèse : la meilleure solution est encore de se passer de PAC. Avec le plancher chauffant/rafraîchissant associé à une PAC géothermale, on peut faire circuler de l’eau fraîche venant directement du sol, sans passer par la PAC. C’est encore ce que font systématiquement les Suisses!…

Ce faisant, on régénère en été le sol refroidi en hiver.

ENERTECHENERTECH

L’eau chaude sanitaire

Chapître 3

On observe une inflation des besoins dans les logements. Mais pour faire quoi ?

Aujourd’hui l’augmentation des volumes d’eau chaude soutirés correspond à une augmentation....des gaspillages.

ENERTECH

Stratégie pour réduire les consommations d’énergie :

1 - D’abord réduire les besoins : l’eau chaude sanitaire c’est de l’eau + de l’énergie. Réduire la consommation d’énergie associée à l’eau chaude sanitaire c’est donc d’abord réduire les consommations d’eau chaude.

ENERTECH

Utiliser :

un réducteur de pression à l’entrée du logement si la pression est supérieure à 3 bars.

des douchettes à turbulence sur les baignoires.

des limiteurs de débit auto-régulés sur chaque robinet (débit préconisé : 4 l/min) de lavabo/évier.

des dispositifs de détection de proximité.

Réduire la consommation du poste de production d’eau chaude

Voir Guide du CREAQ à Bordeaux :

www.jeconomiseleau.org/inventaire_hydroeconomes.pdf

ENERTECH

ECEC 20 mmd’isolant

2 mmaximum

Optimiser la distribution d’eau chaude pour réduire

les volumes puisés inutilement

Chambre Chambre

Cuisine

Séjour

Véranda

On observe une inflation des besoins dans les logements. Mais pour faire quoi ?

Aujourd’hui l’augmentation des volumes d’eau chaude soutirés correspond à une augmentation....des gaspillages.

ENERTECH

Stratégie pour réduire les consommations d’énergie :

1 - D’abord réduire les besoins : l’eau chaude sanitaire c’est de l’eau + de l’énergie. Réduire la consommation d’énergie associée à l’eau chaude sanitaire c’est donc d’abord réduire les consommations d’eau chaude.

2 – Recourir au chauffe-eau solaire : il permet facilement 50 % de couverture des besoins. En collectif, compter 1,5 m²/logt et 75 l/logt de stockage.

3 – Améliorer le rendement de la production, du stockage et de la distribution d’eau chaude

Le cas particulier de l’eau chaude électrique

- du nombre de personnes dans le logement,

La consommation totale d’un ballon est fonction de la quantité d’eau puisée, et des pertes du ballon. Elle dépend donc :

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Consommation moyenne mesurée : 2.365 kWh/anmais cela peut varier de 700 à 5.600 kWh/an.

La consommation d’entretien Ce sont les pertes du ballon en dehors de tout puisage. Elles sont donc directement liées à la qualité du rendement de stockage. Elles peuvent varier, pour un ballon de 200 litres, de 500 à 1.500 kWh/an, ce qui représente de 25 à 40 % de la consommation totale du ballon.

- des besoins de ces personnes (bains ou douches),

- du niveau d’isolation du ballon et de la distribution,

- de la longueur des distributions,

- de la température de stockage,

- de l’emplacement du ballon par rapport au volume chauffé, et par rapport aux points de puisage.

Ce qu’on peut faire en construction neuve et en rénovation

ENERTECH

Disposition Neuf Rénovation

- Réduire les consommations d’eau au puisage parl’utilisation de dispositifs adaptés (réducteurs de pression, X Xde débit, douchettes à turbulence, etc)

- Placer le ballon dans le volume chauffé et à proximité X Ximmédiate des puisages ( 2 m) ( si possible)

- Hyperisolation du ballon - C 0,15 Wh/l.°C.jour X X

- Calorifuger la distribution (minimum 20 mm avec X X 0,040 W/m°C)

- Calorifuger les pattes de support X X

ENERTECH

Réduire la consommation du poste de production d’eau chaude : cas du neuf

Utiliser un ballon à très haut niveau d’isolation.

Coupe horizontalesur ballon

Isolation des tubes sur 1

mètre.

Isolation des tubes sur toute

la longueur.

Arrivée eau froide Départ eau chaude

10 cm d’isolant.

Manchons d’isolation des

supports.

ENERTECH

Améliorer l’isolation du ballon.

Forme de la jaquette à placer sur le ballon.

Réduire la consommation du poste de production d’eau chaude : améliorer une installation existante

ENERTECH

- Hyperisolation du ballon - C 0,15 Wh/°C.jour X X

- Réduire la température de stockage à 60°C X X

ENERTECH

Limiter la température de stockage à 60 °C.

80 °C

60 °C

Consommation d’entretien : -35%

Avantages :

Réduit les pertes d’entretien.

Réduit les risques d’entartrage.

Réduit les risques de brûlures.

Réduire la consommation du poste de production d’eau chaude : cas du neuf

ENERTECH

- Hyperisolation du ballon - C 0,15 Wh/°C.jour X X

- Réduire la température de stockage à 60°C X X

Et changer de comportements :

- privilégier les douches aux bains,- ne jamais laisser l’eau chaude couler en continu (rinçage de la vaisselle),- utiliser un lave vaisselle plutôt que faire la vaisselle à la main. Economie

d’eau mesurée : 15,5 m3/an (donc 13 m3d’eau chaude).

L’Eau Chaude Sanitaire Une nouvelleproblématique

- Dans le même temps l’usage de l’eau chaude sanitaire s’envole, sans correspondre à de réels besoins,

- Les consommations de chauffage baissent : 50, voire 15 kWh/m²/an,

Structure des consommations en énergie finale

Bâtiment à 50 kWh/m²/an Bâtiment à 15 kWh/m²/an Bâtiment à 15 kWh/m²/an avecproduction d'ECS performante

Chauffage ECS

- Aujourd’hui la consommation d’énergie pour l’ECS dépasse celle du chauffage! Il faut réagir afin de conserver une démarche

cohérente.

- Dans le même temps l’usage de l’eau chaude sanitaire s’envole, sans correspondre à de réels besoins,

- Les consommations de chauffage baissent : 50, voire 15 kWh/m²/an,

L’Eau Chaude Sanitaire Récupèrer la chaleurdes eaux grises

Par un échangeur

statique seul

Documentation : EcoInnovation

L’Eau Chaude Sanitaire Récupèrer la chaleurdes eaux grises

Par un échangeur et un

stockage

Documentation : Forstner

Valoriser la chaleurdes eaux grises par pompe

à chaleur

StockageECS

Réservoir derécupération

des eaux uséesEgout

Eau froide

Valorisation de la chaleur des eaux uséespar pompe à chaleur

L’Eau Chaude Sanitaire Valoriser la chaleurdes eaux grises par

pompe à chaleurLa solution MENERGA avec PAC : COP = 10

Efficacité énergétique des systèmes thermiques

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