Date : février 2012

Auteur : Didier D.

Notes : mep – sylvie

Stratégie de chauffage et de refroidissement

Lorsque la performance de l’enveloppe d’un bâtiment augmente, pour une même surface nette ou un même volume de bâtiment, la quantité d’énergie nécessaire au chauffage devient faible.

« On peut passer d’une valeur de 200 kWh/m².an à 15 kWh/m².an lorsqu’on tend vers un bâtiment passif ! ».

Source : PMP (Plateforme Maison Passive).

De même, la puissance à mettre à disposition pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment se voit réduite de manière significative.

« Les puissances mises en jeu pour combattre les déperditions au travers des parois et par ventilation et pour assurer la relance en cas d’intermittence (ou ralenti nocturne), passent de l’ordre de 70 W/m³ à 20 W/m³ voire moins encore ! ».

Le renforcement de l’isolation et de l’étanchéité d’un bâtiment interagit donc sur la puissance du système de chauffage. À première vue, pour autant que les fabricants de systèmes de chauffage  puissent proposer des équipements de faible puissance, il n’y a pas de restriction quant au choix de tel ou tel type de système de chauffage par rapport à la puissance.
Cependant, si le concepteur n’y prend pas garde, l’isolation d’un bâtiment n’engendre pas seulement que des réductions des besoins de chauffage. Il risque de générer aussi une augmentation des besoins de rafraichissement. D’un point de vue énergétique, si c’est le cas, il est primordial de produire du froid gratuitement ou à peu près !
La manière de produire le plus écologiquement du froid dans notre bonne Belgique est de faire appel au « free cooling » par ventilation naturelle. Ce n’est pas toujours possible !
En effet :

  • Le confort, dans certains cas, ne peut pas être assuré en permanence. On image difficilement qu’une chambre d’isolé dans un hôpital, de surcroit occupée la nuit, puisse être ventilée naturellement.
  • Certains maîtres d’ouvrage ne voient pas d’un bon œil de laisser des fenêtres ouvertes la nuit par souci de sécurité (même grillagée).
  • Les coûts d’une automatisation des systèmes d’ouvertures risquent d’être importants.
  • La régulation des systèmes d’ouverture n’est pas toujours évidente.

Le choix du « géocooling » comme moyen de refroidissement naturel s’impose donc. Cela tombe bien puisqu’avec le même système, on pourra produire du chaud par « géothermie » et du froid par « géocooling ». En effet, par le choix d’une pompe à chaleur géothermique eau/eau, réversible ou pas suivant le besoin de froid, on peut envisager la stratégie suivante :

  • En hiver,  la chaleur sera « pompée » du sol par la pompe à chaleur en travaillant en mode « chaud », le sol se refroidissant par la même occasion.
  • En été, le froid accumulé en hiver sera extrait du même sol soit par la pompe à chaleur travaillant en mode froid, soit par 2 pompes de circulation permettant de travailler de manière satisfaisante au niveau énergétique (c’est la seule consommation des pompes qui permet de refroidir le bâtiment).

Cependant, le choix de la géothermie, comme source froide pour des bâtiments à forte isolation, est dépendant aussi de l’équilibre entre les besoins de chaud et de froid de l’immeuble.
Un bâtiment en demande de chaleur :

  • Qui nécessite peu de besoins de froid sous forme de « géocooling », ne permettra pas de recharger le sol en chaleur en été. Il s’en suivra, dans certains cas, d’un appauvrissement de la capacité du sol à fournir de la chaleur. Dans certaines études (simulation PileSim), on remarque qu’après 15 à 20 ans, la température du sol reste très basse. Dans ces conditions, l’énergie du sol sera plus difficilement exploitable. Si c’est possible, le refroidissement pourra être pris en charge par un système de « free-cooling » de nuit sur l’air par exemple.
  • Équilibré par la même demande en refroidissement permettrait de pérenniser la source froide.

En pratique, un équilibre 50/50 entre les besoins de chaud et de froid permettra de garantir une géothermie optimale à long terme.

Influence sur le choix du type de source froide et son dimensionnement

Pour une même emprise au sol, un bâtiment tertiaire dont l’enveloppe est performante est moins gourmand en besoin de chauffage qu’un bâtiment de type « passoire ». Par conséquent, il « pompera » moins d’énergie à la source froide.

Source froide : l’air ou aérothermie

L’air est en quantité « infinie » autour du bâtiment ; ce qui signifie que l’influence du niveau d’isolation du bâtiment sur le choix de l’air comme source froide reste faible. Bien que ! Si on pousse le raisonnement à l’absurde, une concentration de bâtiments peu isolés dont le choix de leur système de chauffage se porterait sur une PAC air/eau par exemple, contribuerait à créer un micro climat plus froid qu’il ne serait si les bâtiments étaient peu isolés.

Donc, la performance de l’enveloppe du bâtiment influence l’air comme source froide, mais il faut pousser le raisonnement très loin !

Pour un bâtiment bien isolé, la taille de l’évaporateur pourra être plus petite. Attention toutefois que les évaporateurs sont une source de nuisance sonore dont il faudra tenir compte.

Source froide : le sol ou géothermie

Le sol est une ressource limitée en quantité et en temps. Pour des bâtiments peu « déperditifs », la géothermie peut être intéressante dans le sens où, pour une même empreinte au sol du bâtiment, plus celui-ci est isolé :

  • Moins il sera gourmand en puissance disponible et plus petite sera l’installation de géothermie.
  • Plus grande sera la disponibilité d’énergie dans le sol.

Influence de la performance du bâtiment sur la source froide géothermique.

L’augmentation de la performance de l’enveloppe d’un bâtiment permet de mieux exploiter un même volume de sol, c’est vrai ! Mais il est nécessaire de tenir compte comme décrit ci-avant de l’équilibre entre les besoins de chaleur et les besoins de refroidissement.

Une fois n’est pas coutume, c’est la source froide qui risque de conditionner le niveau d’isolation de l’enveloppe du bâtiment !

En effet :

  • Une enveloppe de bâtiment très performante entraine un déséquilibre entre les besoins Chaud/froid en faveur du besoin de froid : la source froide risque de se réchauffer au cours des années. Il s’ensuit une interrogation au niveau de l’écologique, de l’autorisation d’exploiter le sol, …
  • Une enveloppe de bâtiment peu performante inverse la tendance : la source froide se refroidit.

Il n’est donc pas dit, avec une technologie comme la géothermie, que le renforcement à outrance de la performance de l’enveloppe du bâtiment soit l’idéal. Comme tout est une question de compromis, dans ce cas particulier, on ne visera pas nécessairement le passif voire mieux. Mais c’est du cas par cas !

Un bureau d’étude spécialisé permettra, par simulation thermique dynamique, de trouver le réel équilibre pour optimiser l’exploitation de la géothermie. On en tiendra compte dès l’avant projet du bâtiment.

Source froide : l’eau ou hydrothermie

Tout comme le sol, l’eau comme source froide (hydrothermie) est une ressource limitée qui dépend, entre autres, du débit de renouvellement du volume d’eau pris comme source froide (plan d’eau, …). Le fait de rendre les bâtiments performants permettra de disposer d’une source froide de taille plus petite (le lac de Genval plutôt que l’Eau d’heure par exemple). Cependant, s’il existe un besoin de refroidissement du bâtiment, l’eau devra être en mesure d’absorber la chaleur extraite du bâtiment par le système de pompe à chaleur réversible. Ceci implique qu’en été :

  • le débit de renouvellement de la source froide soit suffisant ;
  • les réglementations en vigueur permettent un rejet de chaleur à température plus élevée que la température moyenne de la source froide.

Influence sur le choix du type de source chaude et son dimensionnement

Régime de température

Les émetteurs à eau

Pour une même volumétrie des locaux dans un bâtiment bien isolé, la puissance d’émission nécessaire sera plus faible. On pourra donc prévoir un régime de température plus faible, et par conséquent la performance énergétique de la PAC associée pourra être améliorée (de l’ordre de 3 % par °C de température de  gagné).

Exemple

On considère que la température de l’eau au niveau du condenseur se situe entre 35 et 45 °C pour – 8 °C extérieur dans le cas d’un bâtiment K45

. Si on décide d’opter pour la conception d’un bâtiment plus performant (basse énergie ou passif), on pourrait avantageusement passer à des températures de condensation entre 25 et 30°C, soit un gain théorique de l’ordre de 30 % des consommations énergétiques.

Les émetteurs à air

Tout dépend du type d’émetteur :

  • En détente directe sur l’air hygiénique, les températures de condensation risque de devoir être aussi hautes que pour un bâtiment non isolé sachant que c’est de l’air externe que l’on réchauffe. Dans ce cas, le niveau de performance de l’enveloppe du bâtiment ne joue pas.
  • Pour des ventilo-convecteur à eau, cela revient au même que pour les radiateurs classiques : les températures de condensation seront sensiblement les mêmes (entre 25 et 30 °C par – 8 °C extérieur).

Inertie de l’émetteur

Dans un bâtiment dont l’enveloppe est performante, la faible inertie de l’émetteur est primordiale. En effet, en mi-saison, la surchauffe risque d’être dommageable si l’inertie de l’émetteur est importante. En effet, en cas de nuit froide, la dalle se chargera pour anticiper la journée qui suit. Malheureusement, le stockage de chaleur risque de ne servir à rien si les apports solaires pendant la journée sont élevés. La combinaison des apports solaires au travers des parois vitrées et des apports internes générés par la dalle de sol chauffante ne peuvent être évacués. Il s’ensuit une surchauffe importante des locaux.
Pour pallier à ce problème, on pense, par exemple, au plancher chauffant qui doit nécessairement être à faible inertie. L’émetteur dynamique à faible inertie, comme montré ci-dessous, permet de bien répondre aux besoins de réactivité d’un bâtiment performant. Tout dépendra naturellement du type de revêtement qui sera placé en finition au-dessus du plancher chauffant. Un matériau thermiquement isolant impliquera une augmentation de la température de l’eau de l’émetteur entrainant une dégradation de la performance de la pompe à chaleur. On rappelle qu’une augmentation de 1 °C de la température de condensation de la PAC entraine une dégradation de sa performance de l’ordre de 3 %.

Source Opal-système.

Influence sur le choix du type de compresseur

Les bâtiments qui présentent un niveau d’isolation important permettront le choix de pompe à chaleur de puissance raisonnable dans une gamme plus élargie. Au point que pour certains bâtiments tertiaires de petite taille, on pourrait même envisager d’étendre la gamme aux pompes à chaleur domestiques.

Quand on est en présence d’un bâtiment performant, le système de chauffage, quel qu’il soit, doit être très réactif à la relance et pouvoir moduler sur une plage de puissance large. On considère que la plage de variation de puissance des PAC (taux de charge) peut raisonnablement varier entre 30 et 100 %. L’idéal est donc de choisir des pompes à chaleur avec compresseur à vitesse variable (technologie INVERTER).