Dossier | Concevoir une installation de chauffage efficace

3a. Choisir les unités terminales

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Pour la vue d'ensemble des dispositifs, les arguments de choix durable (environnementaux, économiques, socio-culturels),... liés aux émetteurs de chauffage

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Comparaison des émetteurs de chaleur

D'une manière générale et pour des raisons de performances énergétiques, on essayera de favoriser les émetteurs de chaleur fonctionnant à basse température.

La performance de la production de chaleur est en effet associée à la faible température de l'eau de retour vers la chaudière, surtout en présence de chaudière à condensation ou de pompe à chaleur (pour la pompe à chaleur, plus l'écart entre la source froide et la source chaude est faible, plus le COP sera élevé). Il est dès lors important de choisir des émetteurs fonctionnant à basse température tels que des radiateurs largement surdimensionnés, du chauffage à air chaud, le chauffage par le sol ou par les murs. Attention qu'en cas de locaux avec des apports de chaleur fort variables (dans le temps et en quantité), les systèmes présentant une grande inertie (chauffage par le sol en chape traditionnelle) sont à éviter pour des raisons de confort.

Le dossier Assurer le confort thermique compare également les différents émetteurs en fonction du confort thermique qu'ils procurent.

Pour synthétiser, on mentionnera ici le fait dans que les bâtiments énergétiquement performants, le niveau élevé d'isolation thermique procure des parois à des températures globalement homogènes. Les différentes unités terminales envisageables sont assez équivalentes en termes de confort.

Dans le cas de la rénovation, lorsque la température des parois est fortement hétérogène (rénovation légère, parties de bâtiment classées,...) le choix des unités terminales assurant le chauffage aura un impact important sur le confort. On favorisera alors le mode d'émission radiatif (chauffage par le sol ou par les murs, radiateurs surdimensionnés...).

Chauffage par le sol avant de couler la chape

?Illustratie 4: Vloerverwarming voordat de ondervloer wordt gegoten?

(Source : Energie+)

Le chauffage par le sol ou par les murs présente souvent une grande inertie et met un certain temps à réagir à une demande d'augmentation ou de diminution de la température (de l'ordre de quelques heures). Ce système s'applique particulièrement bien dans les locaux peu soumis aux apports de chaleur externes et internes et chauffés en continu (pas de nécessité d'intermittence). Il s'applique également bien dans les locaux de grande hauteur mais il a une puissance limitée, liée à la surface disponible et aux températures d'eau limites. Il ne permet pas non plus de réelle flexibilité d'usage ou d'aménagement des locaux dans lesquels il est mis en œuvre (l'adaptation des cloisonnements intérieurs est quasiment impossible avec ce type d'installation).

Certains systèmes du chauffage par le sol présentent actuellement une inertie moins importante que les systèmes décrits ci-dessus, par exemple par la pose du chauffage par le sol dans des plaques de MDF sous la finition. Ils permettent entre autres l'intégration de chauffage par le sol dans des planchers existants en rénovation et évitent ainsi de devoir couler une chape en béton sur une structure parfois légère.

Le chauffage par convecteur convient dans des locaux à une variation de charge fréquente (local ensoleillé, local de réunion). Mais leur température de fonctionnement est plus élevée. Cela entrainera des pertes de production et de distribution plus importantes.

Courbe de chauffe type pour des convecteurs, des radiateurs et du chauffage par le sol

?Illustratie 5: Standaard warmtecurve voor convectoren, radiatoren en vloerverwarming.?

(Source : Energie+, © J. Flémal - Architecture et Climat - UCL)

La transmission de chaleur des convecteurs se faisant via l'air, on observera aussi une stratification des températures dans le local. Pour un confort identique à un chauffage par radiateurs, cela implique que la température moyenne du local soit augmentée. L'impact en termes de consommations d'énergie est relativement faible si l'on considère des hauteurs sous plafond de 2,5 à 3 m ; mais dès que les hauteurs sous plafond sont plus élevées, les puissances de chauffe à fournir seront nettement plus importantes. Les convecteurs peuvent en outre répondre rapidement à une variation de charge fréquente (salle de réunion, gains solaires,...). Cette technique est actuellement surtout appliquée dans les bureaux.

Dans le cas des ventilo-convecteurs, l'inertie très faible peut mener à de l'inconfort. En effet la variation rapide de la température conduit à des fluctuations de celles-ci de plus en plus importantes si le corps de chauffe est surdimensionné par rapport aux besoins et/ou le différentiel du thermostat est important. Cette technique est surtout appliquée dans le secteur tertiaire (bureaux).

Dans les autres cas, le chauffage par radiateurs reste le bon compromis entre confort et consommation.

Il peut être intéressant de combiner le chauffage par le sol et les radiateurs en fonction du type de pièces qu'ils alimentent en chaud.

Par exemple:

  • Les pièces de séjour occupées pendant une longue période de la journée (salon, cuisine...) sont chauffées par un chauffage sol : on gagne les atouts du chauffage sol et l'inertie de celui-ci est ici moins dommageable ;

  • Les pièces occupées de manières plus intermittentes (chambre, salle de bain...) sont chauffées par des radiateurs : la demande de chaud est rapide et on ne chauffe que quand c'est nécessaire.

En cas d'occupation constante et de demande de chaud et de froid (de préférence équilibrée), on pourra également envisager l'activation du noyau de béton.

Voir dispositifs activation du noyau béton.

Critères de choix des unités terminales

Encombrement et entretien

Il convient ici de souligner que l'espace disponible (configuration des faux-planchers/faux plafonds, modification d'une installation existante en rénovation,…) peut être un élément déterminant dans le choix des systèmes d'émission et de distribution, de même que la question de l'entretien et de la flexibilité. Ces aspects doivent être étudiés avec le maître d'ouvrage suffisamment tôt pour pouvoir être intégrés à la conception des systèmes.

Les points d'attention suivants relatifs à l'espace disponible peuvent aider dans le choix des techniques mises en œuvre :

  • L'air a une faible chaleur spécifique, les systèmes tout air entrainent donc souvent la mise en œuvre de réseaux de conduites de dimensions importantes. Cela a pour conséquence de diminuer l'espace disponible pour l'aménagement des locaux. Cette solution est rarement mise en œuvre en rénovation, où les volumes présents sont souvent peu généreux.
  • L'utilisation de l'eau (froide ou chaude) est en général plus facile à mettre en œuvre, les conduites pouvant être placées tant en allège qu'en faux-plafond ou faux-plancher.
  • L'électricité permet un gain de place important (pas de conduites, seuls des câbles électriques sont nécessaires) mais son impact environnemental n'est pas à négliger.

En termes d'entretien, un critère de choix non-négligeable est la présence (ou plutôt l'absence) d'accessoires nécessaires au bon fonctionnement du système et pouvant « facilement » tomber en panne. Par exemple, l'entretien des ventilateurs présents dans les ventilo-convecteurs peut représenter un coût important dans le cycle de vie d'une installation de chauffage, chaque émetteur étant équipé d'un tel ventilateur. Les boîtes VAV des systèmes de chauffage par air peuvent également nécessiter un entretien important (vérification du bon fonctionnement individuel de chaque élément), en comparaison avec un système plus classique de radiateurs. Au moment d'effectuer le choix pour l'un ou l'autre système, il convient donc de garder à l'esprit cet aspect d'entretien et d'évaluer avec le maître d'ouvrage quels sont ses souhaits, et les moyens (humains et financiers) qu'il peut mettre en œuvre pour assurer le bon fonctionnement de l'installation.

Choix du fluide caloporteur

Eau
Dans le cadre de la distribution de chaleur, l'eau constitue souvent le meilleur fluide caloporteur. Elle demande en effet moins d'énergie de transport que l'air et son pouvoir calorifique est nettement supérieur au pouvoir calorifique de l'air. En outre, son impact environnemental en terme d'énergie primaire est clairement meilleur que l'électricité.
Air

Le choix de l'air comme fluide caloporteur a comme avantage principal de pouvoir combiner l'apport de chaleur et l'apport d'air hygiénique, diminuant ainsi les installations techniques à mettre en place pour fournir la chaleur.

Le chauffage via l'air présente en outre les avantages suivants : pas de problèmes de corrosion dus à l'eau, possibilité de faire du free-cooling, facilité d'utilisation... Mais il peut également s'avérer inconfortable (température de pulsion très élevée, impact sur le niveau d'humidité relative (voir à ce sujet le dossier Assurer le confort respiratoire) et énergivore (débits de ventilation importants, consommations électriques supplémentaires, impact sur le dimensionnement des gaines...). Un de ses inconvénients majeurs de ne pas permettre une régulation automatique efficace local par local de manière simple et nécessite souvent, de ce fait, la mise en place d'équipements spécifiques.

Le chauffage via l'air ne sera en général appliqué que dans les locaux :

  • Soit où la puissance de chaud à fournir est assez faible (de l'ordre de 10W/m²). Ceci implique un niveau de performance de type « maison passive ».
  • Soit où la densité de population au m² est particulièrement élevée (salles de spectacles, salles de réunion), ce qui génère de toute façon des besoins hygiéniques d'air neuf important. Les charges internes et les débits de ventilation sont donc élevés et un chauffage uniquement via l'air peut être envisagé.

Choix du régime de température du fluide caloporteur

Le régime de température a une forte incidence sur :
  • l'encombrement des émetteurs thermiques : plus le régime de fonctionnement est bas, plus les émetteurs doivent être grands pour pouvoir fournir la chaleur nécessaire (grande surface d'échange pour les radiateurs, par exemple). Le point 4b. Définir les unités terminales revient sur le choix du régime de température en fonction des émetteurs choisis.
  • la section des conduites et le rendement de distribution, via le débit du fluide : pour obtenir une certaine puissance de chauffe d'un émetteur, on considère à la fois le débit du fluide, sa puissance calorifique et le delta de température entre l'entrée et la sortie de l'émetteur, via la formule suivante dans le cas d'un chauffage eau

    P = Q.C.∆t

    Avec P = puissance du corps de chauffe

    Q = débit

    C = chaleur spécifique de l'eau (4,18 kJ/kgK)

    ∆t = différence de température entre l'entrée et la sortie de l'émetteur

    Ainsi, le débit nécessaire pour fournir la même puissance de chauffe variera de manière inversement proportionnelle à la variation du Delta de température. Pour un Delta T plus faible, on augmentera le débit dans les conduites, en augmentant en général la section de la conduite. Une autre solution serait d'augmenter la vitesse du fluide mais cela fait augmenter les pertes de charge. En donc diminuer le rendement de distribution.

  • le rendement de production de chaleur d'une chaudière (surtout celles à condensation) : les performances des chaudières à condensation sont d'autant meilleures que l'eau de retour du circuit est plus froide. Le choix du régime de température du fluide est ici essentiel si l'on veut permettre un rendement optimum de la production de chaleur.

Zoom sur le chauffage via l'air dans les bâtiments énergétiquement performants

Le chauffage via l'air ne sera choisi que lorsque les conditions mentionnées plus haut sont respectées (faibles besoins ou occupation importante). Il présentera alors l'avantage de limiter les installations techniques mises en œuvre. En effet, lorsque les débits hygiéniques suffisent pour satisfaire les besoins de chaleur d'un local (en cas de faibles besoins (bâtiments passifs) ou d'occupation importante), un système d'émission classique complémentaire tel que des radiateurs devient, en théorie, superflu. Ce type d'installation devrait toujours être combiné au moins à un recyclage de l'air, et idéalement à une récupération de chaleur sur l'air extrait.

Attention néanmoins que la question de la relance doit être prise en compte dans le dimensionnement de l'installation. En cas de mis à l'arrêt ou au ralenti de l'installation (par exemple lors des congés ou en cas d'absence prolongée), la puissance à fournir pour remettre le bâtiment à température peut être importante et les débits de ventilation hygiénique peuvent ne pas être suffisants pour assurer cette puissance. Dans ce cas, des émetteurs complémentaires (type radiateurs) peuvent s'avérer nécessaire.

L'impact psychologique de l'absence d'émetteurs « classiques » sur les occupants (pas de possibilité de se réchauffer par contact direct avec une surface chaude telle que des radiateurs (température superficielle à partir d'environ 40 °C) doit également être pris en compte. En présence de chauffage via l'air, il est important d'informer correctement les occupants sur la manière dont les locaux sont chauffés et leurs possibilités d'action sur l'installation (thermostats, réglage manuel éventuel des débits,...). Cela est particulièrement important dans le logement, où la climatisation via l'air et l'automatisation des installations sont, jusqu'à présent, moins fréquentes que dans les bureaux, par exemple.

Le fluide caloporteur utilisé pour chauffer l'air pulsé sera, comme mentionné plus haute, de préférence de l'eau chaude circulant dans les batteries de chauffe. Le recours à l'électricité sera bien réfléchi, considérant son impact, tant sur l'environnement que sur la consommation d'énergie primaire du bâtiment, surtout en l'absence de production électrique renouvelable.

En résumé

Le tableau ci-dessous donne une synthèse des éléments abordés ci-dessus afin d'orienter la décision des concepteurs et du maître d'ouvrage :

Emetteur

Chaud

Froid

Fonctionnement basse/haute température

Possibilité de régulation locale ?

Application

Chauffage par le sol et les murs

x

-

Oui

Difficile

Locaux peu soumis aux apports de chaleur externes et internes et chauffés en continu (pas de nécessité d'intermittence). Il s'applique également bien dans les locaux de grande hauteur.

Radiateurs

x

-

Oui

Oui

Locaux avec une variation de charge fréquente et de hauteur sous plafond inférieure à 3 mètres.

Convecteurs

x

x

Non

Oui

Locaux avec besoins de chaud (et de froid), nécessitant une relance rapide

Ventilo-convecteurs

x

x

Oui

Oui

Locaux avec besoins de chaud (et de froid), nécessitant une relance rapide

Activation du noyau de béton

x

x

Oui

Difficile

Locaux avec faibles charges internes, avec une occupation « continue » et une demande de chaud et de froid.

Chauffage/refroidissement par air pulsé (ventilation hygiénique)

x

x

Oui

Très difficile

Bâtiment passif ou bien isolé et avec des apports internes importants limitant la puissance de chauffage.

Ou encore locaux présentant une occupation potentielle importante et donc un dimensionnement du débit d'air neuf élevé

mis à jour le 22/06/2017

N° de Code : G_ENE13 - Thématiques : Energie - Composants du projet liés : Chauffage | Refroidissement