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Systèmes de production de chaleur : principes et enjeux
Raphaël Capart
ICEDD asbl
Bruxelles Environnement
Formation Bâtiment Durable :
Les techniques (chaleur, ventilation, ECS): conception et régulation
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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.
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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
Plan de l’exposé
1. Introduction, enjeux et notions préalables
4
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
Les flux thermiques d’un bâtiment
Source : Plate-forme Maison Passive a.s.b.l.
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+ consommation des auxiliaires
L’installation de chauffage central
1. Introduction, enjeux et notions préalables
Source : Brochure PAE2
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Type d'installation
Rendements en %
(hglobal = hproduction x hdistribution x hémission x hrégulation)
hproduction hdistribution hémission hrégulation hglobal
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 %
Rendement d’une installation de chauffage
1. Introduction, enjeux et notions préalables
Source : energie+
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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
Plan de l’exposé
2.1 Chaudières à condensation - principes
● Combustion :
● Principe :
► condenser la vapeur d’eau
=> récupération de la chaleur
latente
● Comment ?
► Refroidir les fumées sous la
température de rosée
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Gaz : CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
Autres : CxHy + n O2 -> x CO2 + y/2 H2O
Vapeur ou liquide?
Source : energie+
2.1 Chaudières à condensation - principes
● 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
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Quel potentiel?
Combustible PCI PCS PCS/PCI
Gaz naturel
H 9.88 kWh/m³N 10,94 kWh/m³N 1,11
Gaz naturel L 8.83 kWh/m³N 9.79 kWh/m³N 1,11
Mazout 11.88 kWh/kg 12.67 kWh/kg 1,06
10
5%
104%
>100% !?
2%
11% 11%
88% 92%
12% 8%
Pertes par évaporation
Pertes de chaleur
sensible
Chaudière standard
Chaudière à condensation
Chaleur utile
PCI
PCS
94% PCS
79% PCS
83% PCS
Chaudière basse
température
Un rendement > 100% ?!
2.2 Chaudières à condensation - performances
Exemple pour une chaudière gaz
Source : energie+
2.2 Chaudières à condensation - performances
● Rendements attendus :
● 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
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Quel potentiel?
hcomb = 100 … 108% hannuel = 97 … 105 %
● 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
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Comment refroidir les fumées?
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
13
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
Attention, même avec un échangeur efficace, la température des
fumées sera d’environ 5°C supérieure à celle de l’eau de retour
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+
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Intérêt de la régulation climatique
Installation dimensionnée
en régime 90/70
Condensation durant une bonne partie de la saison de chauffe
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+
Source : energie+
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Intérêt de la régulation climatique
Installation dimensionnée
en régime 70/50
Condensation durant toute la période de chauffe pour une chaudière
au gaz
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+ Source : energie+
● Le réglage du régulateur climatique :
► est unique
► dépend du degré d’isolation du bâtiment et du
surdimensionnement des corps de chauffe
● 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
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Paramétrage de la régulation climatique
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : Brochure PAE2
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Eviter les retours chauds !
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+
● 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
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Eviter les retours chauds lorsque c’est possible
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : ICEDD
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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
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : ICEDD
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Intégrer un circuit à plus haute température p.ex. production d’ECS
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+
Source : energie+
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Intégrer un circuit pour la production d’ECS
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : Matriciel
Source : Matriciel
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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
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+
Source : energie+
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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
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : Viessmann
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Tubage de la cheminée
● étanche à l’eau et résistant à la corrosion
● Raccordement « ventouse » possible
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : GS waermesysteme GmbH Source : Detandt-Simon
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Evacuation des condensats
● A l’égout
● Les condensats sont
acides
► Neutralisation nécessaire
pour chaudière mazout
► Conduits en matériaux
synthétiques
8
6
7
10
9
12
11
4
5
1
2
3
13
0
14 pH
basique
acide
Eau courante
Ammoniaque
Eau de mer
Eau distillée
Eau de pluie pure
Eau de pluie
Vinaigre
Jus de fruit
Acide fort
Condensats gaz
Condensats mazout
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
● 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
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Condenser les fumées grâce à l’air comburant
2.3 Chaudières à condensation – garantir leur fonctionnement optimal
Source : energie+
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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
Plan de l’exposé
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3.1 Notions d’énergie primaire
● Un rendement de production de 100% ! …
… sur énergie finale
● Mais un rendement de 40 % pour la transformation!
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
On retrouve un facteur équivalent pour
coût du kWh entre l’électricité et les
combustibles
Source : Brochure PAE2
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
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Source : energie+
Source : energie+
● Chauffage rayonnant
► Plancher chauffant : à éviter car inertie importante
► Panneaux radiant
► 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
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3.2 Types de chauffage électrique
Source : energie+
Source : energie+
Source : energie+
● 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
3.3 Compenser la consommation par une installation photovoltaïque?
31
Source : IBGE
Source : IBGE
3.3 Compenser la consommation par une installation photovoltaïque?
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Maison individuelle Petit immeuble à appartement
Passif Très basse
énergie Passif
Très basse
énergie
Superficie chauffée 200 m² 100 m²
BNE chauffage 3000 kWh 6000 kWh 1500 kWh 3000 kWh
Rendement émission/régulation 93%
Consommation chauffage
électrique direct 3226 kWh 6452 kWh 1613 kWh 3226 kWh
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
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, …
Envisageable Dépend du nombre
d’étages de l’immeuble
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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
Plan de l’exposé
4.1. Aspect environnemental
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Un très bon bilan CO2
Pour autant que le bois utilisé soit renouvelé !
Source : Valbiom, Le chauffage au bois pour les particuliers
35
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)
4.1. Aspect environnemental
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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)
4.1. Aspect environnemental
37
4.1. Aspect environnemental
Hypothèses : remplacement de 5% des chaudières au gaz par des
chaudières à pellets respectant le label allemand « der blaue Engel »
Selon une estimation de l’IBGE :
+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
4.2. Chaudières biomasse
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Encombrement du stockage du combustible
L’approvisionnement en ville peut s’avérer plus délicat et plus couteux
Source : Valbiom, Le chauffage au bois pour les particuliers Source : Okofen
4.2 Chaudières biomasse
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Chaudière au bois : bûches
1. Arrivée d’air primaire
2. Arrivée d’air secondaire
• Meilleur contrôle de la
combustion
• Combustion continue
• Combustion plus propre et plus complète • moins de cendres
• moins d’émissions polluantes
• Meilleur rendement (~85%)
Source : Protocole de collecte des donnée pour la certification de bâtiments résidentiels existants en Wallonie
4.2. Chaudières biomasse
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Chaudière au bois : bûches
Inconvénients
► Manutention importante
› chargement quotidien
› évacuation des cendres
► 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 : Schmid
Source : KWB
4.2 Chaudière biomasse
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Chaudière au bois : granulés
Très bon rendement de production (>90%)
• Alimentation en air et en
granulés contrôlée
• Modulation de la puissance
possible
• 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
Source : Van Loo & al. 2002
4.2 Chaudières biomasse
42
Chaudière au bois : granulés
Confort d’utilisation comparable aux
chaudières traditionnelles
• Automatisation de : • alimentation en combustible
• contrôle du tirage
• décendrage
• nettoyage
• régulation
• Bonne autonomie
Inconvénients
► Installations moins compactes (stockage des granulés, etc.)
► coût
Source : Okofen
4.3. Poêles biomasse
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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)
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 %
Source : Rika
4.3 Poêles biomasse
● 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
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Poêle à granulés
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 Source : Calimax
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
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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
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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
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