Category Archives: Concevoir des systèmes efficaces

Le choix d’une protection solaire est fonction des objectifs que l’on se donne :

• les objectifs principaux sont de limiter les surchauffes et l’éblouissement ;

• les objectifs secondaires sont d’augmenter le pouvoir isolant de la fenêtre, d’assurer l’intimité des occupants ou d’occulter un local et de décorer la fenêtre.

Pour faciliter la tâche, décomposons l’installation de chauffage en 4 parties :

1. production de chaleur,
2. distribution de chaleur,
3. émission de chaleur,
4. régulation.

Cela permet de visualiser directement les qualités à atteindre par l’installation, en termes de pertes à minimiser :

Objectifs d’une installation de chauffage de qualité : cliquez sur les boutons ci-dessus pour visualiser les différentes pertes, et donc les objectifs de qualité.

Un cogénérateur produit simultanément de l’énergie électrique et de la chaleur pour le bâtiment. Le premier avantage de la cogénération est d’ordre énergétique : entre 15 et 30 % d’économie d’énergie primaire sur les besoins totaux. Mais l’avantage de la cogénération est aussi financier, dans la mesure où elle permet à l’utilisateur de réduire sa facture électrique.

Production de chaleur
Quel choix de combustible ? Le gaz sort gagnant.

Le débat se situe généralement entre le fuel et le gaz naturel.

Raccordement au gaz ou placement de citernes à mazout ?

Pour notre part, nous pouvons résumer le choix comme ceci :

• Si la priorité est donnée à l’efficacité énergétique et à la réduction de l’émission de gaz à effet de serre, le gaz naturel, en particulier avec les chaudières à condensation, est largement gagnant.

• Si la priorité est donnée à la rentabilité de l’investissement, le fuel se défend. Il a été, en moyenne, moins cher que le gaz ces dernières années. Mais son avenir est instable.

• Si le réseau de gaz naturel n’est pas présent, la question ne se pose plus : le gaz en bonbonne est nettement plus cher à l’usage et, suite à son bilan écologique défavorable, l’électricité ne doit pas être utilisée pour le chauffage direct, ni des locaux, ni de l’eau chaude sanitaire. On sera d’ailleurs très attentif à éviter les « appoints » électriques sur les unités terminales (bouches de pulsion d’air, par exemple).

Alternative : envisager le chauffage au bois ? Oui, en région forestière.

Le chauffage au bois d’un groupe de bâtiments dans une région boisée est écologiquement très intéressant, par exemple via l’exploitation des taillis des bois communaux. Il est par contre peu imaginable de développer un tel projet en milieu urbain.

Alternative : envisager la pompe à chaleur ? Oui, si source de chaleur disponible.
Le bilan global d’une pompe à chaleur est « neutre » aujourd’hui :

• En moyenne annuelle, elle produit 2,5 à 3 kWh de chaleur pour 1 kWh électrique au compresseur,

• mais pour obtenir 1 kWh en centrale, il aura fallu utiliser 2,5 à 3 kWh de combustible ou d’énergie nucléaire,

• et le prix du kWh électrique est 2,5 fois plus élevé que le prix du gaz naturel ou du fuel…

Mais il se peut que l’existence d’une source de chaleur particulière fasse pencher la balance dans un sens très favorable. Ainsi, il nous paraît intéressant d’étudier la pertinence du placement d’une pompe à chaleur :

• Si l’on prévoit dans plusieurs locaux des apports internes élevés durant l’hiver : salle informatique, locaux intérieurs, locaux enterrés, locaux avec équipements forts dispensateurs de chaleur tels que salle de radiographie, imprimerie,… (la chaleur extraite de ces locaux pourra être restituée vers les locaux demandeurs en façade).

• Si le bâtiment comprend des locaux chauds et humides (piscine, buanderie, …).

• Si le bâtiment provoque des rejets thermiques vers l’extérieur durant tout l’hiver (process industriel, extraction d’air vicié à fort débit,…).

Production de chaleur :
Opter pour les chaudières à très basse température et/ou à condensation.

Un rendement maximum de la chaudière ? La garantie d’une bonne utilisation de la chaleur du combustible est de constater … que les fumées sortent froides de la chaudière ! Et que la chaufferie reste froide elle aussi. De là, les chaudières à très basse température.

Pratiquement toutes les chaudières sur le marché sont de bonne qualité, pour le secteur tertiaire (moyenne puissance). Une technique sort du lot : la chaudière gaz à condensation. Une technique est aujourd’hui à rejeter : la chaudière gaz atmosphérique.

Depuis quelques années, on développe des « chaudières à condensation » : les fumées passent au travers d’un échangeur alimenté par l’eau froide revenant des radiateurs. Or les fumées contiennent de l’eau, à l’état de vapeur. Cette vapeur va condenser, former des gouttes (à évacuer vers l’égout) et préchauffer l’eau froide. Cette technique peut apporter en pratique de 6 à 9 % d’amélioration de rendement. Mais elle n’est courante que pour le gaz. Pour le fuel, la présence de soufre va rendre les gouttes très corrosives et demander l’usage de chaudières inox, très coûteuses. Mais on en parle de plus en plus.

Une chaudière atmosphérique est une chaudière dont le brûleur ne possède pas de ventilateur : la flamme bleue est visible directement. Problème : cette chaudière reste en contact avec l’air ambiant une fois la flamme éteinte. Or le foyer est chaud et est surmonté de la cheminée ! Conclusion : l’air de la chaufferie s’engouffre dans le foyer, appelé par le tirage thermique. Et l’eau de chauffage parcourant le foyer se refroidit en pure perte… De l’apport d’air comburant étant naturel, le réglage de la combustion est moins performant.

Quelle technologie ? Notre sélection :

Voici les orientations que nous considérons être actuellement les plus performantes (en matière de consommation énergétique et de protection de l’environnement) pour le choix d’une chaudière :

Si le gaz est disponible :

Choix d’une chaudière gaz à condensation ou la combinaison d’une chaudière à condensation avec une chaudière traditionnelle,

• équipée d’un brûleur modulant (avec une grande plage de modulation : de 10 à 100 %) et avec un dosage entre l’air comburant et le gaz le plus précis possible sur toute la plage de modulation,

• raccordée à un circuit hydraulique favorisant au maximum la condensation (c’est-à-dire le retour d’eau très froide) et le plus simple possible de manière à éviter les erreurs de conception et de régulation (chaudière ne nécessitant pas de débit minimal),

• avec les émissions de NOx les plus faibles possible, et en tout cas < 150 [mg/Nm³].

Si le gaz n’est pas disponible :

• pouvant travailler à très basse température,

• équipée d’un brûleur « Low NO_x » à 2 allures,

• équipée d’un compteur fuel.

S’il est imaginé que l’occupation puisse être très variable :

Si certaines personnes restent le soir pour prolonger leur travail, si une garde est organisée (conciergerie), … une production spécifique (décentralisée) pourra être imaginée dès le départ du projet (convecteur gaz indépendant, par exemple).

Production de chaleur :
quel dimensionnement ?

Avec les chaudières modernes performantes, dont le brûleur est vendu séparément de la chaudière, le surdimensionnement de la chaudière n’est plus à combattre à tout prix. En effet, l’isolation est devenue telle que ce surdimensionnement n’apporte guère de pertes supplémentaires. Au contraire, un corps de chaudière surdimensionné par rapport à la puissance du brûleur entraîne une augmentation du rendement de combustion.

Pour la même raison, il n’est plus nécessaire de dissocier la puissance à installer en plusieurs chaudières. S’il n’y avait le souhait d’assurer en permanence du chauffage en cas de panne, on recommanderait de placer une grosse chaudière unique équipée d’un brûleur 2 allures ou modulant, ce qui diminuerait l’investissement tout en permettant un rendement optimal.

La puissance utile de l’installation sera dimensionnée sur base de la norme NBN B62-003. L’application de cette norme conduit en outre à un surdimensionnement suffisant pour permettre une relance en cas de chauffage intermittent, ce, même dans la cas d’un bâtiment très isolé. Il ne sert donc à rien de prévoir une réserve de puissance complémentaire pour la chaudière et son brûleur.

Distribution de chaleur : favoriser l’eau

Le fluide caloporteur (entre chaudière et émetteurs) sera de préférence l’eau : plus flexible, demandant moins d’énergie de transport que l’air, et permettant un passage éventuel futur d’une énergie à une autre (contrairement à l’électricité).

Distribution de chaleur : sept critères de qualité

1° – Le réseau sera décomposé en zones thermiquement homogènes (même horaire d’occupation, même nécessité de dérogation, même orientation, même type de corps de chauffe) : à chaque zone son circuit et sa régulation.

Ainsi, si une bibliothèque est prévue dans une école, elle doit disposer de son propre circuit hydraulique, afin de garantir une régulation adaptée (ne chauffer que la bibliothèque le samedi matin, par exemple). De même pour la salle de gym, pour le réfectoire, pour la salle de réunion, pour la cuisine, … Cet investissement dans des tuyauteries supplémentaires permettra dans le futur d’optimiser la régulation des différentes zones.

Exemple de décomposition en zones homogènes pour une école.

De même, lors de la conception d’un immeuble de bureaux, on imaginera de pouvoir chauffer chaque étage indépendamment des autres (utilisation de WE, multi-locataires, …).

2° – Les tuyauteries et les vannes seront très bien isolées dans le sol, à l’extérieur ou dans des espaces ne faisant pas partie du volume protégé (volume chauffé) du bâtiment (chaufferie, grenier, sous-sol, …). On isolera de même toutes les conduites de chauffage se trouvant dans les faux plafonds, les locaux techniques ou les gaines techniques, même si ceux-ci font partie du volume protégé du bâtiment. De même, les circulateurs à rotor noyé seront munis d’origine d’une coquille isolante.

Ordres de grandeur :

• Dans une ambiance à 20°C, la perte de 1 m de tuyau de 1 pouce non isolé avec de l’eau de chauffage est équivalente à la consommation d’une ampoule de 60 W !

• L’épaisseur d’isolation sera plus ou moins équivalente au diamètre du tuyau.

3° – Un circulateur à vitesse variable sera placé sur un réseau équipé de vannes thermostatiques : il est logique que si la température est atteinte dans un local, le débit d’eau dans le radiateur soit stoppé par la vanne thermostatique (ou par une vanne 2 voies dans les ventilo-convecteurs). Mais alors, si plusieurs vannes sont fermées, la pompe de circulation doit diminuer sa vitesse de rotation : c’est le cas des circulateurs à vitesse variable.

Vanne thermostatique et circulateur à vitesse variable, deux équipements à associer…

4° – Des vannes d’équilibrage seront prévues au départ des circuits secondaires : vu le calcul très approché des tuyauteries, il est heureux de prévoir ce répartiteur global entre les différents circuits. De plus, c’est ce qui va permettre de régler les circulateurs à leur bonne vitesse nominale (en pratique, il apparaît que les circulateurs sont en moyenne 2 fois trop puissants –> la première économie générée par un circulateur à vitesse variable est de pouvoir bien régler le débit maximal). L’économie sur la consommation du circulateur amortit rapidement cet outil.

Possibilité de mesure du débit réel.

5° – Les tuyauteries seront choisies suffisamment larges : il est dommage de choisir des tuyauteries de faible section, … puis de consommer de l’énergie pour y faire passer malgré tout un débit d’eau important.
Ordre de grandeur : le dimensionnement du réseau de distribution doit être tel que la puissance électrique des circulateurs ne dépasse pas le millième de la puissance utile des chaudières.

6° – Les circulateurs seront arrêtés lorsque la demande est nulle : en fonction de la programmation (nuit, week-end, vacances) et en fonction de la température extérieure (coupure si t°ext> à 15°C, par exemple).

7° – Un circuit de réserve est placé dès le départ : l’emplacement pour un circuit supplémentaire est à prévoir sur la boucle primaire afin d’éviter des « repiquages » d’installations ultérieurs.

Distribution de chaleur : pour les chaudières à condensation, bien étudier le circuit.

Pour bénéficier de la condensation des fumées, il faut disposer d’eau de retour très froide. Toute possibilité de recyclage d’eau chaude directement vers la chaudière doit être évitée. En d’autres mots, il faut éviter les bouteilles casse-pression, les collecteurs bouclés, les soupapes de pression différentielle, les vannes 3 voies diviseuses.

Exemples de situations défavorables…

Or certains fabricants imposent un recyclage (un bypass) car leur chaudière est à faible capacité d’eau et donc nécessite un débit d’eau permanent ! C’est peu compatible avec un retour d’eau très froide …

Il vaut mieux sélectionner une chaudière dont la capacité en eau est élevée et qui ne demande pas de débit permanent. Sa chaudière est une « grosse marmite » dont la flamme peut s’enclencher sans risque s’il n’y a pas de circulation d’eau. En quelque sorte, la bouteille casse-pression est intégrée dans la chaudière.

Circuit favorable au retour d’eau froide vers la chaudière.

Un circuit primaire ouvert est alors recommandé. Et seules les pompes secondaires alimentent les réseaux. Encore une économie.

Émission de chaleur : favoriser la basse température

Au départ, il faut se rendre compte que, dans un immeuble récent bien isolé, la performance des différents types d’émetteurs sera toujours assez bonne. Grâce à l’isolation, la température intérieure est assez homogène, quel que soit le moyen de chauffage.

Idéalement, pour assurer le rendement optimal de la chaudière (et tout particulièrement la condensation), il faut travailler avec un fluide caloporteur à la plus basse température possible. Et donc, disposer de la surface d’émission la plus grande possible.

Ceci conduit inévitablement au chauffage par le sol. Hélas, ce système présente par ailleurs beaucoup d’inconvénients dont l’inertie, ce qui le rend inadapté lorsque les besoins sont variables dans le temps ou en intensité (à ne pas installer dans une école, ou un restaurant, ou une salle de réunion, ou dans un local avec des larges baies vitrées…).

Finalement, le radiateur réalise le bon compromis entre apport par rayonnement et par convection, et, s’il est largement dimensionné (sur base d’un régime 80° – 60°), il permettra des retours froids la majeure partie de l’année.

Bien sûr, un radiateur devant une allège vitrée ne devrait jamais exister…

À noter qu’en rénovation, les anciens radiateurs pourront souvent être conservés vu leur surdimensionnement fréquent, favorable à un fonctionnement à basse température.

Régulation de chaleur : c’est le point clef de la consommation énergétique.

Nous sommes à l’époque du « just in time » de la production de chaleur. Les régulateurs sont suffisamment intelligents que pour ne produire que la chaleur « juste nécessaire », à la température minimale souhaitée, au bon moment. Il est impératif de réserver un budget important à la qualité de la régulation. Qualité ne veut pas dire sophistication. Au contraire, la bonne gestion future sous-entend des systèmes simples.

Une sonde extérieure (complétée par une sonde d’ensoleillement au Sud)
et une sonde d’ambiance (dite « de compensation ») définissent les besoins des locaux.
Elles demandent à la vanne 3 voies mélangeuse de s’ouvrir en conséquence.

Le système de régulation doit permettre de :

• Chauffer distinctement chaque zone de locaux dont l’usage est distinct.
  Par exemple, la bibliothèque, la cafétéria, la salle de réunion, … auront des régulateurs indépendants des bureaux qui la jouxtent. À ce titre, la vanne thermostatique n’est qu’un complément local de régulation et non l’outil de base (la vanne reste ouverte la nuit, mais une programmation centrale doit arrêter le débit d’eau dans les radiateurs).

• Programmer le chauffage exclusif d’une zone thermique distincte.
  Par exemple, il doit être possible de chauffer la bibliothèque le samedi, sans alimenter le restant du bâtiment. Dans un immeuble de bureaux, chaque étage doit pouvoir être alimenté séparément, même si un seul exploitant est prévu… au départ.

• Minimiser la température de l’eau en sortie de chaudières.
  La solution traditionnelle consiste à chauffer l’eau en fonction de l’évolution de la température extérieure. Mais aujourd’hui, il est possible de se limiter à la température maximale demandée par le circuit secondaire de distribution le plus demandeur. Ou encore, dans les bâtiments conditionnés, ce sera le pourcentage d’ouverture des vannes des unités terminales qui seront représentatifs des besoins locaux. Même s’il fait froid dehors, l’occupation réelle du bâtiment peut limiter les besoins… et donc la température de départ de l’eau chaude en chaufferie.

• Gérer l’intermittence par un régulateur-optimiseur.
  Il assure une coupure complète des circuits de distribution (et éventuellement des chaudières) la nuit et le week-end, avec un contrôle anti-gel interne de sécurité, et calcule automatiquement le moment de la coupure et de la relance en fonction des températures intérieures et extérieures. Autrement dit, on abandonne le simple « ralentissement nocturne », qui fournit de l’eau tiède dans le bâtiment à minuit, … en pure perte.

• Arrêter l’apport d’air neuf en période de relance.
  Dans un bâtiment bien isolé, le chauffage de l’air neuf représente 50 % environ des besoins. Il doit pouvoir être arrêté (ou recyclé) en période de relance, avant l’arrivée des occupants, fournissant ainsi un surcroît de puissance pour la montée en température des locaux après la coupure nocturne.

• Imaginer dès le départ la gestion future par les occupants.
  Comment cela se passera-t-il lorsqu’une réunion sera organisée le soir ? et durant les congés entre Noël et Nouvel An, s’il gèle dehors ? Qui aura accès à quoi ? Est-ce qu’une programmation annuelle ne serait pas pratique pour encoder une fois pour toutes les congés ? et quelle dérogation à cette programmation ?… Autant y penser au départ du projet…

• Utiliser un détecteur qui sera le témoin des besoins réels.
  Par exemple, autrefois la salle de gymnastique était chauffée du matin au soir. Qu’il y ait quelqu’un ou non dans la salle. Aujourd’hui, c’est le contact dans la serrure de la porte ou un détecteur de présence qui enclenche l’aérotherme lors de l’arrivée du groupe. Vu l’isolation des locaux, la température des locaux passera rapidement de la consigne de veille à la consigne normale.

En ventilation naturelle, il peut paraître curieux de placer des joints pour étanchéifier les châssis et, simultanément, de placer des grilles de ventilation dans le même châssis ! Et pourtant, c’est correct. Toute la différence tient dans ce qu’on ne maîtrise pas le débit d’air qui passe dans les joints et que l’on maîtrise le débit qui passe dans la grille…

Dans le bâtiment-passoire de papa, toute la chaleur s’échappait la nuit et le WE par les inétanchéités.

La Citroën 2CV était sympathique, avec une ventilation naturelle extraordinaire, … mais on ne la vend plus aujourd’hui.

Le maintien de la qualité de l’air intérieur est aussi fondamental aujourd’hui que la réalisation du confort thermique. L’organisation d’une ventilation permanente, qu’elle soit naturelle ou mécanique, est un objectif logique, en plus que d’être une obligation réglementaire.

On y sera d’autant plus attentif dans les bâtiments scolaires où la tradition n’existe pas.

À débit transporté égal, si la section d’un conduit d’air double, la vitesse diminue de moitié… et la puissance du ventilateur est diminuée par 8 !

Il faut le prévoir dès l’avant-projet pour réserver des espaces techniques suffisants (encombrement des conduits) et des trajectoires rectilignes (le moins de coudes possible).

En général c’est le contraire qui se produit : le bureau d’études est obligé de travailler à haute vitesse pour faire passer le débit d’air dans les petites sections tortueuses.

Et du bruit sera inévitablement entendu. À moins que des baffles acoustiques soient placés. Mais ces baffles augmentent fortement la perte de charge (= le frein) du conduit et donc la consommation du ventilateur…

Et puis, la consommation du ventilateur 8 x trop importante va se libérer en chaleur dans l’air transporté. Si l’air doit rafraîchir les locaux, il faudra augmenter d’autant l’énergie frigorifique pour combattre cet apport de chaleur…

L’ingénieur dirait : « posez les larges conduites d’abord et construisez le bâtiment autour ! ». Bon, cette caricature ne va pas motiver l’architecte…! Mais quand même, pourquoi ne pas tenter une « conception douce » des équipements ?

On a déjà attiré l’attention sur l’intérêt de la ventilation mécanique, permettant une programmation horaire générale. Mais si en plus, chaque local (ou zone de locaux) à occupation variable est équipé d’une régulation indépendante, il est possible d’en moduler l’apport d’air frais hygiénique. Par exemple, la ventilation d’une salle de réunion peut être gérée en fonction de la lecture d’une sonde de présence ou d’une sonde CO₂ traduisant la présence effective d’occupants.

À noter dans cette même logique de débit d’air contrôlé : un sas sera prévu à l’entrée du bâtiment. C’est d’autant plus important si le bâtiment est conditionné, car les locaux seront mis en surpression.

Pour éviter l’inconfort, l’air hygiénique est souvent préchauffé à 20°C en centrale avant d’être pulsé dans les locaux.

Or, imaginons une température extérieure de 13°C. Si le bâtiment est conditionné, dans beaucoup de locaux, le refroidissement est déjà enclenché.

On assiste alors à un gaspillage énergétique : l’air extérieur est chauffé de 13 à 20°C… et du froid est apporté dans les locaux.

Le concepteur doit sélectionner des bouches qui permettent de pulser de l’air à 14…15°C dans le local, sans inconfort.
Il se tournera, par exemple, vers des diffuseurs à jet hélicoïdal qui favorisent pour un même débit, un brassage plus rapide entre l’air ambiant et l’air pulsé.

Si la climatisation n’est pas présente, la possibilité de pulser de l’air frais limitera le risque de surchauffe en mi-saison.