Évaluer l'efficacité énergétique de la distribution de chaleur


Sous-station de distribution sans isolation !


Pertes dans les tuyauteries

Lorsque qu’un tuyau véhiculant de l’eau de chauffage traverse un espace ne devant pas être chauffé (chaufferie, vide-ventilé, caniveau), il présente des pertes importantes.

Exemples :

Tuyauterie de chauffage non isolée parcourant un faux plafond sous toiture.

Boucle de distribution d’eau chaude sanitaire non isolée, parcourant un vide ventilé de plus de 100 m de long.

Tronçon de collecteur DN 150 non isolé pour des raisons de facilité. Pertes annuelles : environ 4 000 kWh/an ou 400 litres de fuel/an (puissance perdue 2 x 230 W).

Conduites extérieures ….

En principe, lorsque ce tuyau traverse un local chauffé, on considère souvent que la perte contribuant au chauffage de l’ambiance, elle n’est pas source de surconsommation. Cependant cette affirmation est à nuancer dans certaines situation :

  • Lorsque la perte est tellement importante qu’elle crée des surchauffes.
  • Lorsque le tuyau reste en température alors que les locaux ne doivent plus être chauffés. Ce sera, par exemple, le cas pour une boucle de distribution d’eau chaude sanitaire maintenue en température, même en été.
Exemple.

photo conduites non isolées - 01.

École dont les classes sont parcourues par d’importantes conduites de chauffage. L’absence d’isolation sur les conduites combinée à l’absence de vanne thermostatique sur les radiateurs entraîne une la surchauffe importante dans chaque classe.

Bilan thermique d’une classe traversée par de grosses conduites non isolées. On voit que les apports des conduites, des élèves et du soleil vont rapidement conduire à des surchauffes. Les corrections à envisager pour le chauffage sont l’isolation des conduites et le placement de vannes thermostatiques pour arrêter le fonctionnement des radiateurs.

Ordre de grandeur

1 m de tuyau en acier de 1 pouce de diamètre, non isolé, dans lequel circule de l’eau chaude à 70°C et qui parcourt une ambiance à 20°C a une perte équivalente à la consommation d’une ampoule de 60 W.

Or cette ampoule, si elle restait allumée toute l’année dans la chaufferie, il est fort probable que quelqu’un l’éteindrait, parce qu’elle est bien visible …
Exemple.

photo conduites non isolées - 02.

Voici une installation vieille de 2 ans, jamais l’isolant n’a été placé sur les tuyauteries (cela n’ayant pas été précisé textuellement dans le cahier des charges, l’installateur a estimé que l’isolation ne faisait pas partie de son offre et n’en a pas informé le maître d’ouvrage). Voilà l’équivalent d’une belle guirlande lumineuse qui est restée allumée pendant plus de deux ans !

photo conduites non isolées - 03.

Dans le même établissement, les conduites de distribution de chauffage et d’eau chaude sanitaire passent dans un vide ventilé. La fin de l’isolation des conduites n’a pas été réalisée. Pour preuve, la coquille isolante n’a pas été découpée à la longueur du tuyau. En terme de surconsommation, cela équivaut à une lampe de 60 W restée allumée pendant 2 ans dans le vide ventilé ! Soit une perte de :

60 [W] x 8 760 [h/an] / 0,8 =  657 [kWh/an] ou 66 [litres fuel ou m³ gaz] (0,8 est le rendement saisonnier de la chaudière).

Chiffrer les pertes dans le tuyauteries

La perte augmente proportionnellement au diamètre de la tuyauterie. Le tableau suivant indique les pertes des tuyaux en acier en fonction de leur diamètre, de la température entre l’eau chaude et de la température ambiante.

Perte de chaleur d’un tuyau en acier non isolé en [W/m]

DN [mm]

10 15 20 25 32 40 50 62 80 100

Diam [pouce]

3/8″ 1/2″ 3/4″ 1″ 5/4″ 1 1/2″ 2″ 2 1/2″ 3″ 4″

Teau – Tair :

20°C

11 13 17 21 26 30 38 47 55 71

40°C

22 29 36 45 57 65 81 101 118 152

60°C

36 46 58 73 92 105 130 164 191 246

80°C

52 67 84 105 132 151 188 236 276 355

Les pertes calorifiques des canalisations enterrées sont plus faibles que dans l’air, en moyenne de 10 à 35 %.

Exemple.

Perte de 20 m de tuyauterie non isolée DN 50 (2″), à 80°C, dans une chaufferie à 20°C :

Puissance perdue = 130 [W/m] x 20 [m] = 2,6 [kW]

Énergie perdue (si la circulation fonctionne toute l’année = 2,6 [kW] x 8 760 [h/an] / 0,8 = 28 470 [kWh/an] ou 2 847 [litres fuel ou m³ gaz] (0,8 est le rendement saisonnier de la chaudière).

Le coût de cette perte est de l’ordre de 89 €/an (à 0,625 €/litre fuel) par mètre de tuyau non isolé.

Calculs

Pour calculer les pertes de vos tuyauteries de chauffage et le gain réalisable par une isolation.

Améliorer

Isoler les tuyauteries et les vannes.

Régulation de la température de l’eau

On le voit dans les coefficients de perte ci-dessus, les déperditions des tuyauteries sont proportionnelles à la différence de température entre l’eau et l’ambiance. On a donc tout intérêt à travailler avec une eau chaude distribuée à la température la plus faible possible.

Cela est une des justifications pour lesquelles on a intérêt à travailler avec une température d’eau variable en fonction des besoins, soit directement au niveau du collecteur principal, soit au minimum au niveau des circuits secondaires.

L’ampleur de la perte engendrée en travaillant en permanence à haute température dans les circuits dépend de la disposition des circuits (le collecteur peut être très long, en conduisant par exemple à une sous station) et de leur degré d’isolation.

Exemple.

Prenons un collecteur DN 100 de 10 m, isolé par 4 cm de laine minérale et alimenté 5 800 h/an. La chaufferie a une température de 20°C.

Si la température l’eau qui y circule est régulée en fonction de la température extérieure, la température moyenne de l’eau sur la saison de chauffe sera de l’ordre 43°C. Déperdition thermique sera égale à :

0,424 [W/m°C] x (43 [°C] – 20 [°C]) x 10 [m] x 5 800 [h/an] = 565 [kWh/an] ou 56 [litres fuel ou m³ gaz]

Si la température de ce collecteur est maintenue en permanence à 70°C (moyenne entre le départ et le retour), la déperdition est de :

0,424 [W/m°C] x (70 [°C] – 20 [°C]) x 10 [m] x 5 800 [h/an] = 1 229 [kWh/an] ou 123 [litres fuel ou m³ gaz]

La différence est négligeable.

Ce ne sera pas le cas si le collecteur alimente aussi un bâtiment voisin distant de 50 m (soit 100 m de collecteur). La différence sera cette fois de 670 [litres fuel ou m³ gaz].

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 Pour en savoir plus sur les installations susceptibles de travailler en température glissante.

Pertes dans les vannes

Les vannes présentes une surface déperditive nettement plus importante qu’un tuyau du même diamètre.

Une étude menée par AIB a.s.b.l. basée sur des observations thermographiques a montré que :

Perte thermique des vannes et brides en équivalent de longueur de tuyauterie de même diamètre non isolée

Source : AIB

Accessoire

Longueur équivalente de tuyauterie

Vanne non isolée 1,7 m
Vanne non isolée (6 cm de laine) 0,17 m
Paire de brides 0,9 m
Paire de brides isolée (6 cm de laine) 0,06 m
Exemple :

La température de cette boucle primaire est maintenue à 80°C (moyenne entre le départ et le retour). La perte de chacune des vannes (DN 300) ci-dessus équivaudrait à la perte de 1,7 m de tuyau (on applique une régression linéaire entre les valeur du tableau), soit :

707 [W/m] x 1,7 [m] = 1,2 [kW/vanne]

Si pour des raisons de production d’eau chaude sanitaire, la boucle est alimentée toute l’année, la perte énergétique s’élève à :

1,2 [kW/vanne] x 8 760 [h/an] = 10 512 [kWh/an.vanne] ou 1 051 [litres fuel ou m³ gaz]

Un matelas isolant permet de diminuer cette perte de 90 %, soit un gain de 946 [litres fuel ou m³ gaz] ou 591 [€/an] (à 0,625 €/litre fuel), pour un coût de 313 € le matelas démontable de 6 cm de laine.

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Isoler les tuyauteries et les vannes.

Déséquilibre

Nombreuses sont les installations de chauffage qui présentent des problèmes de manque de chaleur dans les locaux situés en bout de circuit.

Très souvent, la cause de cet inconfort réside dans un déséquilibre de l’installation : les premiers radiateurs « court-circuitent » le débit d’eau chaude, privant ainsi les derniers émetteurs d’un débit suffisant.

Lorsque l’installation est déséquilibrée, les premiers radiateurs court-circuitent le débit d’eau. Le manque de débit dans les derniers radiateurs entraîne un manque de chaleur.

Intrinsèquement, il s’agit d’un problème de confort et non de surconsommation.

Évaluer

Pour diagnostiquer plus en détail, les causes d’inconfort.

Cependant, la réaction de la plupart de gestionnaire est de compenser cet inconfort

  • en augmentant la consigne de régulation (augmentation de la courbe de chauffe, augmentation du thermostat d’ambiance),
  • en avançant l’heure de la relance matinale,
  • en déconnectant l’optimiseur, …

En absence de vannes thermostatiques, il en résulte une surchauffe dans les locaux favorisés et donc une surconsommation.

Si face à une déséquilibre de l’installation, le gestionnaire augmente la consigne de température, les derniers locaux seront vraisemblablement satisfaits mais avec une surchauffe et une surconsommation dans les autres locaux.

 Il vaut donc mieux tenter dans la mesure du possible rétablir un débit correct dans chaque radiateur, en étranglant l’arrivée d’eau dans les zones favorisées.

Améliorer

Équilibrer la distribution.

Un indice pour diagnostiquer un déséquilibre

Pour repérer un déséquilibrage, on peut sentir la répartition des températures dans les radiateurs : un radiateur chaud dans sa partie supérieure mais froid dans sa partie inférieure présente un débit d’alimentation insuffisant (une partie supérieure froide traduit une présence d’air à purger).


Régulation des circulateurs

La notion d’efficacité énergétique de la distribution inclut également la consommation des auxiliaires nécessaires au transport de la chaleur : les circulateurs.

Estimer la consommation des circulateurs

Sans mesure du courant absorbé par les circulateurs, il est difficile de connaître précisément la consommation électrique liée à la distribution de l’eau chaude.

En première approximation, on peut se baser sur les ratios suivants (pour une installation bien dimensionnée).

La consommation électrique des circulateurs [kWh] = 4 à 8 o/oo de la consommation de combustible [kWh] (1 litre de fuel = 1 m³ de gaz = 10 kWh)

La puissance électrique des circulateurs [kW] = 1 à 2 o/oo de la puissance chauffage [kW]

La puissance électrique des circulateurs [kW] = 90 % de la somme des puissances lues sur les plaques signalétiques [kW]

Exemple.

soit une installation de chauffage de 800 kW, consommant 120 000 m³ de gaz par an. Les circulateurs ne fonctionnent que durant la durée de la saison de chauffe (5 800 heures/an).

1ère estimation :

la consommation électrique des circulateurs [kWh] = (0,004 .. 0,008) x 120 000 [m³gaz] x 10 [kWh/m³gaz] = 4 800 .. 9 600 [kWh électrique/an]

2ème estimation :

la puissance électrique des circulateurs [kW] = (0,001 .. 0,002) x 800 [kW] = 0,8 .. 1,6 [kW]. Leur consommation = (0,8 .. 1,6) [kW] x 5 800 [h/an] = 4 640 .. 9 280 [kWh électrique/an]

Deux éléments caractérisent l’efficacité énergétique des circulateurs

  • le dimensionnement,
  • la gestion du temps de fonctionnement et de la vitesse.

Le surdimensionnement des circulateurs

Le calcul des pertes de charge dans les réseaux de chauffage est une tâche fastidieuse. C’est la raison pour laquelle on procède souvent à des estimations. De plus, on choisit un circulateur d’un modèle encore supérieur pour avoir une réserve.

Ceci engendre dans la plupart des installations, un débit plus important que nécessaire, une diminution du rendement du circulateur et une surconsommation électrique durant toute l’année. Ceci, sans compter l’imprécision supplémentaire qui est de mise si l’on remplace un circulateur dont on ne connaît plus les caractéristiques de dimensionnement.

Par exemple, une étude suisse sur plusieurs centaines de bâtiments a montré que le débit des installations de chauffage était en moyenne 2,5 fois surdimensionné par rapport aux besoins. Cela signifie que dans les installations de chauffage existantes, les circulateurs consomment 15 fois plus (règle de similitude : 15 = 2,5³) que nécessaire.

Il faut cependant relativiser cette surconsommation. En effet dans les circulateurs actuels à rotor noyé, le moteur est partiellement refroidi par l’eau de chauffage. De ce fait, une certaine partie de la consommation électrique du circulateur se retrouve sous forme de chaleur dans l’eau.

Ce n’est cependant pas pour cette raison qu’il ne faut pas tenter de réduire cette consommation. En effet, il s’agit d’une consommation d’énergie électrique, c’est-à-dire :

  • en moyenne plus chère que l’énergie issue des combustibles,
  • produite avec un rendement global (englobant le rendement des centrales électriques) nettement moindre, ce qui engendre une consommation d’énergie primaire et une production de CO2 nettement supérieure.

De plus, le surdimensionnement de circulateur est une source de problèmes hydrauliques dans l’installation et d’inconfort pour les occupants.

Évaluer

Pour en savoir plus sur les problèmes d’inconfort.

Études de cas

Surdimensionnement des circulateurs et mauvais fonctionnement de la production d’eau sanitaire combinée au Centre de Hemptinnne à Jauche.

Comment repérer un circulateur surdimensionné ?

Premier indice : la puissance de la plaque signalétique des circulateurs

On peut estimer la puissance électrique absorbée par des circulateurs existants suivant la règle :

La puissance électrique des circulateurs [kW] = 90 % de la somme des puissances lues sur les plaques signalétiques [kW]

Dans une installation équipée de radiateurs, si cette puissance électrique est supérieure à 2 o/oo de la puissance thermique du bâtiment (en [kW]), les circulateurs peuvent souvent être considérés comme surdimensionnés.

Cette règle équivaut à dire qu’il y a surdimensionnement des circulateurs si :

La puissance électrique des circulateurs Pe en [W] > 0,002 x puissance thermique du bâtiment Pth [kW]

Concevoir

Si les chaudières ne sont pas trop surdimensionnées, on peut, en première approximation, considérer que la puissance thermique du bâtiment équivaut à la puissance des chaudières installées. En cas de surdimensionnement flagrant des chaudières, on peut estimer la puissance thermique en fonction de l’isolation globale du bâtiment et du volume chauffé. Pour en savoir plus sur cette méthode, cliquez ici !

Évaluer

Pour en savoir plus sur l’estimation du surdimensionnement des chaudières, cliquez ici !

Deuxième indice : la température de l’eau de retour

La plupart des installations de chauffage par radiateurs existantes ont été dimensionnée pour un régime d’eau 90°/70°. Ceci signifie que pour la température extérieure minimale de dimensionnement (- 8° .. – 12°, en fonction de la région), la température de départ de l’eau doit être de 90°C et la température de retour, de 70°C, soit un écart entre le départ et le retour de 20°C.
Cet écart de température, proportionnel à la puissance émise, varie en fonction des besoins instantanés. Par exemple, si la température extérieure est de 5°C, l’écart de température entre le départ et le retour doit être voisin de 10°C (pour un dimensionnement pour – 10°C extérieur).

Écart de température entre le départ et le retour d’une installation de chauffage par radiateur dimensionnée pour un écart maximum de 20°C et une installation de chauffage par le sol dimensionnée un écart maximum de 12°C. La température extérieure de dimensionnement est de – 10°C et la température de consigne intérieure est de 20°C.

La puissance fournie par l’installation se traduit entre autres par la formule :

Puissance fournie [kW] = 1,16 [kW/(m³/h).°C] x Débit [m³/h] x (Tdépart [°C] – Tretour [°C])

Pour des besoins en chaleur et donc une puissance fournie identiques, si le débit augmente, l’écart de température entre le départ et le retour diminue.

Ainsi, si pour une température extérieure donnée (de préférence, effectuez la mesure en hiver), la différence de température mesurée entre le départ et le retour d’un circuit est inférieure à la référence du graphe ci-dessus, il y a de fortes chances pour que le circulateur soit surdimensionné. Attention, pour être représentative, cette mesure doit être effectuée toutes les vannes thermostatiques du circuit ouvertes en grand.

Calculs

Pour estimer le facteur de surdimensionnement de vos circulateurs.
Exemple.

soit une installation de chauffage par radiateurs située à Louvain-la-Neuve. La température extérieure de référence pour le dimensionnement est de – 8°C. La température intérieure de consigne utilisée pour le dimensionnement est de 20°C.

Théoriquement, pour chacun des circuits de cette installation, l’écart de température entre le départ et le retour devrait être de :

Par exemple, pour une température extérieure de 1°C, l’écart de température théorique devrait être de 13,6°C. Or, pour un des circuits, les températures de départ et de retour sont respectivement de 54°C et 46°C, soit un écart de 8°C.

Le facteur de surdébit est donc de :

13,6 [°C] / 8 [°C] = 1,7

Comme la hauteur manométrique du circulateur évolue comme le carré du débit et la puissance électrique absorbée, comme le cube du débit (règles de similitude), on se trouve en présence :

  • d’une surpression d’un facteur (1,7)² = 2,9
  • d’une surconsommation d’un facteur (1,7)³ = 4,9

On peut se conforter dans l’idée de surdimensionnement du circulateur calculé ci-dessus en freinant le débit du circulateur existant : il suffit de refermer la vanne d’arrêt du circulateur jusqu’à ce que la différence de température voulue entre le départ et le retour soit atteinte. Si dans ce cas, le chauffage fonctionne toujours correctement partout, il n’y a aucune hésitation à procéder à une diminution du débit.

On peut également imaginer que les circulateurs sont surdimensionnés si l’installation possède des éléments de réglage fixe qui provoquent un étranglement permanent. Attention, toutefois, aux éléments qui servent seulement à équilibrer les débits dans certains circuits hydrauliques parallèles et qui ne signifient pas qu’un surdimensionnement général existe.

Un sifflement dans l’installation est également un indice de vitesse trop élevée de l’eau et donc d’une vitesse trop importante.

Mesures

Le contrôle du dimensionnement correct d’un circulateur peut également se faire par mesure du débit et comparaison avec la puissance thermique à fournir. Pour en savoir plus.

Améliorer

Réduire le débit des circulateurs.

La gestion du temps de fonctionnement et de la vitesse

Dans beaucoup d’anciennes installations, les circulateurs fonctionnent en permanence et à pleine puissance durant la saison de chauffe, si ce n’est toute l’année. En effet, le câblage des pompes était souvent réalisé indépendamment de celui du réglage du chauffage.

Par exemple, en mi-saison, l’apport de chaleur peut devenir inutile (température extérieure = 14 .. 15°C), sans pour cela que l’installation soit à l’arrêt définitif. Les vannes mélangeuses sont fermées et pourtant les circulateurs sont toujours en fonctionnement.

Si à ce moment les circulateurs étaient automatiquement mis à l’arrêt (sur base d’une mesure de la température extérieure), cela permettrait une économie substantielle d’énergie.

Des mesures menées en Suisse, sur plus de 50 bâtiments ont montré une économie électrique des circulateurs de l’ordre de 10 .. 15% grâce à ce genre de régulation.

Améliorer

Réduire le débit des circulateurs.