Évaluer l’efficacité énergétique de la régulation
Le point de départ : le relevé de l’installation
Pour analyser la régulation d’un bâtiment, pour imaginer de nouvelles solutions et en discuter avec le gestionnaire de l’installation de chauffage voire l’installateur, il est très utile de commencer par tracer le schéma hydraulique de l’installation de chauffage. C’est un schéma simplifié reprenant les chaudières, les tuyauteries, les corps de chauffe, … sur lequel on pourra ensuite greffer les équipements de régulation. Notons que l’on parle ici de « schéma hydraulique » parce que ce sont les installations de chauffage à eau chaude qui sont actuellement les plus fréquemment rencontrées, mais le raisonnement est similaire pour les installations de chauffage à air chaud.
Idéalement, un tel schéma doit déjà exister et se trouver dans la chaufferie. L’installateur en a généralement une copie. À défaut, …il faudra le recomposer ! Ce travail est mis à jour à chaque modification de l’installation. Mieux, il est placé dans une double pochette plastique de protection, avec le carnet d’entretien de l’installation. Dans ce carnet sont notées toutes les interventions effectuées sur l’installation de chauffage, les plaintes des occupants, les modifications de réglage qui ont suivi, … Quelle mine d’informations pour un nouvel intervenant !
Pour réaliser le schéma, la tâche consiste « à suivre les tuyaux » et à dresser un plan simplifié du réseau.
| Exemple : principe de régulation d’une installation existante et son schéma hydraulique. Voici typiquement le type de schéma de principe d’une installation que l’on a à sa disposition ou que l’on doit générer soi-même.
On reconnaît :
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- Production de chaleur,
- Distribution de chaleur : découpage du bâtiment en zones disposant d’un circuit d’alimentation distinct et distribution vers chaque zone,
- Émission de chaque corps de chauffe.
On retrouve alors les 3 niveaux de régulation qui y sont associés :
- Production : régulation de la chaudière (ou de la cascade de chaudières) et régulation de la température de la boucle primaire,
- Distribution : régulation de la température de chaque départ,
- Émission : « finition » de la régulation, par exemple via les vannes thermostatiques.
| Des symboles conventionnels existent pour représenter les divers équipements. En les utilisant, on simplifie les représentations et on utilise un langage commun aux hommes de métier. |
| Exemple :
Voici, à titre d’exemple, le schéma d’une installation comportant 1 chaudière et 3 circuits consommateurs, un circuit de chauffage pour radiateurs en façade Nord, un circuit pour radiateurs en façade Sud (avec présence d’une sonde d’ensoleillement) et un circuit pour l’échangeur d’eau chaude sanitaire.
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La campagne de mesure : un outil pour tous
Dans les grandes installations modernes, les mesures et l’historique des différents capteurs alimentant le système de régulation sont parfois disponibles. Nous ne traiterons pas ce cas ici. En effet, nous nous concentrerons uniquement sur la situation la plus courante, situation où l’installation est éventuellement équipée de capteurs, mais dont l’historique de mesure n’est disponible par l’utilisateur.
Les deux premières photographies montrent des capteurs qui mesurent la température de départ de deux circuits de chauffage. Pour information, ces capteurs sont connectés à la régulation électronique de l’installation (voir dernière photo) qui maintient cette température de départ à un certain niveau. Nous supposons ci-dessous que l’historique de ces capteurs intégrés à la régulation n’est pas disponible par l’utilisateur.
Sur base du schéma de principe de l’installation, il est opportun de placer plusieurs sondes de température pour vérifier le comportement de cette installation, pour réaliser son diagnostic. Il s’agit essentiellement de mesurer :
- La température de départ et de retour de certains circuits de chauffage en mesurant la température de la surface métallique des conduites. Si la température de départ est régulée de manière climatique, la présence d’une sonde permet de vérifier si la température de départ correspond bien aux paramètres de la courbe de chauffe, voire si la courbe de chauffe est correctement fixée. La température de retour peut aussi présenter un certain intérêt. Dans le cas des chaudières à condensation, on peut vérifier que la température de retour vers la chaudière est généralement inférieure au point de rosée du gaz (~ 55 °C) ou du mazout (~ 47.5 °C). Cela permet donc de vérifier que la chaudière condense effectivement ! La pratique montre que dans beaucoup d’installations les chaudières à condensation ne condensent pas parce que la température de retour n’est pas suffisamment basse.
- La température dans différentes zones thermiques au moyen de sondes de température ambiante. On peut détecter la présence d’une température trop basse, synonyme d’inconfort, ou une température trop élevée par rapport à la consigne, synonyme de surconsommation voire d’inconfort. En outre, on peut vérifier si l’intermittence du chauffage correspond bien à l’horaire d’occupation du bâtiment.
- La mesure de la température extérieure toujours au moyen d’une sonde de température ambiante. Néanmoins, il faudra être vigilant et la placer à l’ombre pour que la mesure ne soit pas faussée par le rayonnement du soleil.
La première et la deuxième figure montrent une sonde « temporaire » de mesure de la température de surface d’une conduite placée par un auditeur : le capteur est maintenu contre la conduite au moyen d’une bande en velcro assurant ainsi une bonne mesure. La dernière figure montre un type de sonde de température ambiante voire de température extérieure. Comme on le voit, ces capteurs ne sont pas équipés d’alimentation électrique, mais de piles si bien qu’avec leur taille réduite, ils peuvent être facilement placés au sein de l’installation de chauffage.
À l’heure actuelle, le prix des sondes mesurant la température est devenu très abordable. Au regard des économies d’énergie qu’une optimisation de la régulation peut engendrer, l’investissement dans ces appareils de mesure est souvent négligeable. En outre, les sondes sont fournies avec un logiciel qui permet de traiter très facilement les données. Il permet d’extraire les données de la sonde et de l’importer vers un ordinateur ainsi que de visualiser très facilement ces données pour effectuer son diagnostic. La paramétrisation des sondes est souvent très simple et très intuitive. Les sondes possèdent une mémoire d’enregistrement assez importante pour permettre de collecter plusieurs semaines voire plusieurs mois de mesures (suivante le laps de temps entre chaque mesure de température réalisée). Il n’est pas nécessaire de « veiller » en permanence sur l’installation de mesure pendant la campagne. Par conséquent, la campagne de mesure n’est pas onéreuse et n’est pas une question des spécialistes !
| Reprenons l’exemple ci-dessus
Dans cette installation, on est en présence d’une chaudière dont le brûleur est régulé pour maintenir le départ à un certain niveau de température. La boucle primaire alimente deux circuits qui correspondent aux pièces de la façade Nord et Sud. La température de départ de chaque circuit est régulée en fonction de la température extérieure (régulation climatique) et d’une vanne 3 voie. Des capteurs de température sont déjà présents pour cette régulation, mais les valeurs mesurées sont non accessibles. Dans ce cas, une manière efficace de vérifier le fonctionnement réel de cette installation est de placer des sondes de température de surface juste en aval des vannes 3 voies sur les 2 circuits de chauffage ainsi qu’une sonde de température à l’extérieur du bâtiment. En outre, si on peut placer une ou plusieurs sondes dans les pièces relatives aux circuits Nord et Sud, on aura une bonne idée du confort rencontré dans le bâtiment, de l’adéquation entre la température de départ des circuits de chauffage et le confort (ou la surchauffe) rencontré. Finalement, si la chaudière possède un mode de régulation spécifique, notamment en ce qui concerne la gestion de l’eau chaude sanitaire, on peut placer des capteurs sur le collecteur primaire afin de vérifier si la température de la chaudière évolue correctement suivant ce mode de régulation. |
La chaleur fournie est-elle adéquate en intensité ?
Ou le respect de la température de consigne …
Souvent en présence d’une régulation climatique
Dans la plupart des installations de chauffage dans le secteur tertiaire, la température de l’eau distribuée dans le bâtiment est régulée en fonction de la température extérieure (c’est-à-dire par une régulation climatique) au moyen :
- d’une sonde extérieure ;
- d’une vanne mélangeuse ;
- d’une courbe de chauffe.
Ce mode de régulation est intéressant, car il permet de limiter les pertes des circuits de distribution et parfois des chaudières. En outre, il est presque indispensable pour permettre un fonctionnement correct des vannes thermostatiques. Appliqué seul, la régulier climatique est cependant rarement suffisante, d’autant plus que son réglage laisse souvent à désirer.
| Pour en savoir plus sur le choix du mode de régulation. |
| Pour comprendre le réglage d’un régulateur avec courbe de chauffe. |
Absence de régulation locale
Tout d’abord, le chauffage n’est totalement efficace que si les besoins de tous les locaux desservis avec une même température d’eau, ont des besoins identiques :
- même exposition ;
- mêmes apports internes ;
- même surdimensionnement des émetteurs.
Dans le cas contraire, il est impossible, sans régulation locale complémentaire, même avec le réglage global le plus fin, de contenter tout le monde, d’éviter les surchauffes locales et une régulation par « ouverture des fenêtres ». Ces éléments sont source de surconsommation voire d’inconfort.
Si sur un même circuit de distribution, il existe des locaux soumis à des apports de chaleur gratuits (nombre d’occupants élevés, ensoleillement, équipement plus important, ….), pratiquement, seules des vannes thermostatiques peuvent y limiter l’émission de chaleur et permettre des économies d’énergie.
| Placer des vannes thermostatiques. |
Mauvais réglage de la courbe de chauffe
Bien souvent la température de l’eau envoyée dans l’installation est trop élevée. Il y a plusieurs raisons à cela :
- Le réglage des courbes de chauffe est effectué de façon « standard » par le chauffagiste ou la société en charge de la régulation (à l’installation ou la maintenance), sans connaître réellement le comportement thermique du bâtiment, les caractéristiques des émetteurs et le souhait des occupants.
- À chaque plainte, le responsable technique du bâtiment modifie le réglage de la courbe, le plus souvent au hasard, en redressant la courbe ou en changeant le déplacement parallèle (afin d’obtenir une température de départ plus élevée). Souvent, aucun historique des réglages successifs n’est tenu, il est donc impossible d’optimiser la température d’eau pour toute la saison de chauffe.
- Ou tout simplement, la régulation est absente. Le gestionnaire du bâtiment modifie manuellement la température de la chaudière ou la position des vannes trois voies dont le moteur est inopérant en fonction des saisons.
| Tracer la courbe de chauffe programmée sur le régulateur. |
| Histoire vraie : une installation de chauffage d’une piscine sans régulation (globale et locale).
Le gestionnaire de cette installation tourne manuellement, chaque matin, les vannes mélangeuses, en fonction de sa perception du climat (il ne dispose même pas d’un thermomètre). Pour la régulation de chaque local, les occupants ouvrent ou ferment plus ou moins leur fenêtre. La régulation a, en fait, été déconnectée, il y a plusieurs années, suite à un litige avec le chauffagiste. Rien ne fut entrepris depuis. Une bonne part des moteurs de vanne sont « hors service » et certaines vannes même fermées laissent passer de l’eau chaude. Ceci a pour conséquence de chauffer certaines zones même en été. |
Or il faut savoir que chaque bâtiment doit avoir une courbe de chauffe unique, en fonction,
- des caractéristiques des émetteurs ;
- de la température intérieure souhaitée ;
- des caractéristiques thermiques du bâtiment.
Cette courbe de chauffe doit être réglée une fois pour toutes et reste valable quelle que soit la saison. Elle ne doit être modifiée que si un des 3 paramètres ci-dessus est modifié, par exemple, si on remplace les anciennes menuiseries par des doubles vitrages.
| Régler les courbes de chauffe. |
Ordre de grandeur
Il est difficile de chiffrer l’impact énergétique de tels défauts de régulation. Celui-ci n’est cependant pas négligeable. Pour s’en convaincre, on peut retenir l’ordre de grandeur suivant :
Dans un local dont la température de consigne est de 20 °C
un degré de trop = 7 .. 8 % de surconsommation !
La chaleur fournie est-elle adéquate suivant les lieux ?
Situation fréquente : les horaires d’occupation des locaux ne correspondent pas avec le découpage du réseau hydraulique.
- Certains locaux doivent être chauffés en dehors des heures d’occupation du reste du bâtiment (réunion en soirée, conciergerie, salle de sport d’une école, …) et imposent le chauffage inutile de l’ensemble.
- Certains locaux ne doivent pas être chauffés en permanence durant la journée (internat dans une école, bibliothèque ouverte 1 jour par semaine, …), mais le sont, car ils ne disposent pas d’une régulation particulière.
On peut évaluer grossièrement l’impact énergétique de telles situations :
| Exemple.
Considérons une école chauffée 24 h sur 24 à cause de la conciergerie qui occupe 10 % de la surface totale. Si on imagine que la coupure du chauffage dans ce type d’établissement permet une économie de 30 %, l’économie totale réalisable si on dissocie le chauffage de la conciergerie de celui de l’école peut être estimée à : 0,3 x 0,9 = 0,27 ou 27 % |
Différentes solutions peuvent être envisagées, avec des coûts extrêmement variables :
- modifier les circuits hydrauliques ;
- placer des vannes de zones ;
- placer des vannes thermostatiques programmables ;
- modifier l’occupation des locaux.
Cette dernière solution est souvent oubliée. Pourtant, une réorganisation des horaires ou des lieux d’activités permet d’éviter de gros investissements. Par exemple, pourquoi ne pas essayer d’organiser la réunion hebdomadaire du club de scrabble dans l’aile du bâtiment de toute façon chauffée pour les internes ?
| Redécouper la régulation des différentes zones. |
La chaleur fournie est-elle adéquate dans le temps ?
Utilité de l’intermittence
On entend encore parfois la réflexion : « Cela ne sert à rien de couper le chauffage durant la nuit, la chaleur économisée est repayée en début de journée suivante pour recharger les murs ! » C’est faux !
Image de la consommation de chauffage sans intermittence et avec intermittence.
La consommation d’un bâtiment est proportionnelle à la différence de température sur l’année entre l’intérieur et l’extérieur. On voit donc que l’on ne peut faire que des économies en coupant l’installation de chauffage quand le bâtiment est inoccupé.
On a toujours intérêt à couper le chauffage la nuit. Il est vrai que la décharge des murs devra être compensée par une surconsommation en début de journée pour les remettre à température. Mais le gain énergétique provient de la diminution des déperditions nocturnes. Et donc, plus la température intérieure descendra, plus l’économie augmentera.
Au pire, la coupure n’entraînera quasi pas de diminution de la température intérieure (cas d’un bâtiment fort inerte et très isolé) et l’économie d’énergie sera quasi nulle. Mais jamais on ne consommera plus.
| Il est difficile d’évaluer précisément l’économie que l’on réalisera en pratiquant une intermittence du chauffage.
Par exemple, si avant la pratique de l’intermittence, un bâtiment était chauffé 24h/24 et qu’avec cette pratique, ce bâtiment n’est plus chauffé que deux heures par jour, la nouvelle consommation ne sera pas de 2/24ème, mais bien du tiers ou de la moitié de ce qu’elle était initialement. Pourquoi ? À cause de l’inertie du bâtiment … Pour en savoir plus sur les éléments qui influencent l’économie réalisée. |
Abaissement de la courbe de chauffe
Dans la plupart des installations de chauffage, l’intermittence de chauffage (de nuit, de week-end) s’effectue par un abaissement de la courbe de chauffe : en fonction d’une horloge, la température de l’eau circulant dans l’installation est abaissée par rapport à la température d’eau de jour.
Pratiquer de la sorte est le mode de ralenti le moins efficace (et pourtant, il est encore installé fréquemment de nos jours).
En effet, en période d’inoccupation, on continue toujours à chauffer le bâtiment, mais avec de l’eau moins chaude. La chute de température dans le bâtiment est donc nettement plus lente que si on coupait entièrement l’installation jusqu’à ce que la température intérieure d’inoccupation soit atteinte.
Comparaison qualitative entre les types de mode d’intermittence :
évolution de la température intérieure en fonction de l’horaire d’occupation 8 .. 18h.
L’économie réalisée par l’intermittence dépend évidemment du temps de coupure possible.
| Exemple.
Prenons l’exemple d’une école ouverte de 8h00 à 18h00, 182 jours par an. Le temps d’inoccupation durant la saison de chauffe est de près de 70 % ! Les économies réalisables en y pratiquant l’intermittence du chauffage avec un optimiseur sont de l’ordre de (à nuancer en fonction du degré d’isolation et de l’inertie thermique du bâtiment) :
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Vérification des horloges
Mise à l’heure
Dans de nombreuses chaufferies (principalement dans les bâtiments où aucune personne n’est désignée pour suivre quelque peu le fonctionnement de l’installation), les horloges des régulateurs ne sont simplement pas à l’heure ! … Parce qu’il y a eu une coupure de courant, parce que l’on a oublié le changement d’heure en hiver ou en été, ….
Horloge quotidienne
Beaucoup d’horloges anciennes sont quotidiennes, non hebdomadaires, encore moins annuelles. Cela ne correspond pas toujours au mode d’occupation du bâtiment. Par exemple, une horloge quotidienne dans une école entraîne la mise en route de l’installation durant les week-ends, alors que le bâtiment est inoccupé …
Horaires appliqués
Lorsque le moment de la relance et de la coupure est programmé par le gestionnaire (ou le chauffagiste), ce dernier prend souvent ses précautions de manière à éviter les plaintes de occupants et programme un temps de relance exagéré et une coupure, bien après la fin des activités.
Parfois ces horaires trop importants de fonctionnement se justifient par des défauts hydrauliques dans l’installation.
Par exemple, dans une installation déséquilibrée, on avance le moment de la relance pour satisfaire le dernier circuit (celui où il fait toujours froid …). Or le problème ne provient pas du moment choisi pour la relance, mais d’un dysfonctionnement hydraulique de l’installation et il est résolu au prix d’une surconsommation.
| Pour en savoir plus sur le diagnostic de l’inconfort. |
En résumé
Vérifiez si les horaires appliqués correspondent bien à l’occupation et s’ils ne peuvent être réduits … Cela sera peut-être l’occasion de constater que les régulateurs ont été mis en dérogation sur la marche de jour permanente et non sur la marche liée à l’horloge, sans que l’on sache depuis quand ni qui a effectué cette manœuvre ..
Choix de la température d’eau
Potentiomètres basés sur la température ambiante ou sur la température d’eau.
Savez-vous ce que vous réglez en choisissant la consigne de nuit ?
À ce niveau, tous les régulateurs sont différents. Certains prennent comme référence la température intérieure supposée, d’autres la température d’eau. Certains effectuent un abaissement de la température d’eau par rapport au réglage réel de jour, d’autres par rapport à une courbe de chauffe de référence.
Le seul moyen de régler le régulateur en connaissance de cause est de compulser le mode d’emploi du régulateur ou s’il a disparu, d’interroger le fabricant.
Ayons en outre en tête que 4 .. 5 °C de diminution de la température d’eau équivaut à une diminution de la température ambiante d’environ 1 °C.
Vérifier le ralenti réel
Est-on réellement sûr qu’un ralenti du chauffage a lieu lorsque le bâtiment est inoccupé ? Quelqu’un s’est-il déjà promené dans les bâtiments durant le week-end ? Y fait-il réellement froid ?
Cette expérience est parfois riche d’enseignements.
Avec un régulateur qui abaisse la température de l’eau durant l’inoccupation, on ne contrôle pas la température intérieure atteinte en période de ralenti. Est-ce 16 °C, 18 °C, 14 °C … ? Comme on l’a vu, cela a pourtant une importance non négligeable sur la consommation.
| Exemple.
Voici une situation que l’on peut rencontrer et pour laquelle, il n’y aura pas de ralenti alors qu’il est pourtant programmé au niveau de la régulation centrale. Régulation en place :
En journée, le réglage de la courbe de chauffe est trop élevé. La surchauffe qui devrait en résulter est masquée par la présence des vannes thermostatiques. Le mauvais réglage de la courbe de chauffe de jour implique également une courbe de nuit trop élevée. Malheureusement, les vannes thermostatiques ne possèdent pas de consigne de nuit qui pourrait ajuster le tir et laisseront passer un débit maximum dans les radiateurs si la consigne de jour n’est pas atteinte durant la nuit. Il en résultera un abaissement nocturne de température minime, voire quasi nul. |
Le seul véritable moyen de le contrôler est pratiquer un enregistrement de la température intérieure dans plusieurs locaux représentatifs.
Enregistreurs de température.
La vérification du bon fonctionnement du ralenti nocturne reste également d’application même l’intermittence est gérée automatiquement par un optimiseur. En effet celui-ci est très sensible aux perturbations, notamment hydrauliques et risque de fonctionner de façon erronée, sans que le gestionnaire ne s’en aperçoive (relance trop fortement anticipée, …). Il est donc bon que le gestionnaire vérifie régulièrement les paramètres du régulateur (températures d’eau, heures de relance, de coupure, …) et juge de leur cohérence.
| Pour en savoir plus sur les problèmes hydrauliques qui risquent de perturber un optimiseur. |
| Améliorer le ralenti nocturne.
Pas trop de calculs, des projets ! Une horloge s’amortit généralement en moins de temps qu’il en faut pour réaliser les calculs… alors, n’hésitons pas à en placer ! |
Découvrez cet exemple de régulation de chauffage à l’académie de dessin de Molenbeek.
