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Chauffage : performance énergétique et énergies renouvelables

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Chauffage : performance énergétique et énergies renouvelables

Wodkte présente à Interclima son nouveau poêle à bois Dadoo. Sur la face arrière, des leds projettent un éclairage programmable (couleurs, séquences, etc.) sur le mur. (Doc. DR.)

En deux ans, le monde du chauffage a profondément changé. Chaudières à condensation et énergies renouvelables – solaire, bois et pompes à chaleur – connaissent une extraordinaire croissance.

Les chaudières gaz et fioul ­évoluent en fonction de trois tendances. La première pousse la performance à la hausse. Les réglementations thermiques posent des exigences de performance telles que, dès à présent en construction neuve et d’ici quelques mois pour les bâtiments existants, il devient difficile de se contenter de chaudières gaz ou fioul classiques ou même à haut rendement. Sans que les pouvoirs publics aient décidé brusquement, comme en Grande-Bretagne, d’imposer les chaudières à condensation par la voie réglementaire, le résultat est quasiment le même.

On ne pose plus de chaudières classiques ou à haut rendement s’il est possible d’installer un générateur à condensation. Les deux freins ­techniques – la température de distribution du chauffage et le risque de condensation dans le conduit de fumées – n’apparaissent que dans l’existant et peuvent être contournés. Il est toujours possible de tuber le conduit de fumées existant pour ­atteindre une parfaite étanchéité. Mais cela peut ­dépasser les 150 Y HT par mètre linéaire de conduit. La ventouse fournit une ­solution ­rapide et plus simple. Il existe depuis longtemps des sorties de ventouses ­horizontales, complétées depuis une dizaine d’années par des sorties verticales en toiture et, depuis trois à quatre ans, par des conduits doubles (air comburant et produits de combustion) concentriques, dont le Dualis de Poujoulat. La plupart des installations existantes ont été surdimensionnées. Il est parfaitement possible, surtout si l’isolation du bâtiment a été améliorée, de les faire fonctionner dans de bonnes conditions de confort. Une température de distribution plus basse devra garantir que la température de retour chauffage demeure inférieure à la température de point de rosée des produits de combustion du gaz et du fioul. Ce qui permet la condensation et la récupération de la chaleur latente contenue dans les fumées. Certains constructeurs (Baxi, Chaffoteaux, De Dietrich, elm leblanc, Saunier-Duval, Vaillant et Viessmann) ont modifié l’architecture de leurs appareils pour qu’ils soient capables de condenser même en mode de production d’eau chaude sanitaire. La solution classique pour y parvenir est le ballon d’eau chaude dit « à stratification ».

La totalité du volume n’est pas portée à haute température. Une couche moins chaude est maintenue, au-dessous de la température du point de rosée, de manière à ce que la chaudière puisse réchauffer le ballon, tout en assurant son fonctionnement en mode condensation. La régulation de l’appareil veille à porter régulièrement le ballon au-delà de 65 °C ­ pour tuer les bactéries éventuellement présentes dans l’eau froide qui alimente le ballon. La ­seconde solution, apparemment plus complexe et pour l’instant mise en œuvre par Vaillant, consiste à installer une multitude de sondes de température dans l’appareil. De même qu’une électronique très sophistiquée qui se charge d’un ­pilotage fin du régime de fonctionnement de la chaudière, de manière à ­garantir la condensation en mode de production d’eau chaude sans ­ballon à stratification. Pour assurer la qualité de la combustion et des produits afférents, la plupart des chaudières haut de gamme sont équipées d’une sonde O2. Elle mesure la ­teneur en oxygène dans les fumées. La régulation du brûleur agit ensuite pour maintenir un excès d’air qui témoigne d’une combustion non-­polluante. Tout en veillant à ce qu’il soit le plus petit possible pour faciliter la condensation.

Toutes les chaudières à condensation relativement fiables sont ­désormais équipées de brûleurs modulants, beaucoup plus efficaces pour la condensation et la qualité de combustion que les brûleurs ­atmosphériques.

Pilotage fin des chaudières et report à distance pour la maintenance

La deuxième tendance observée sur les chaudières est la rapide amélioration des régulations embarquées. Tous les constructeurs ont fait d’énormes efforts dans ce domaine. La sonde de température extérieure devient une proposition standard, associée à un thermostat programmable. Les régulations destinées à piloter harmonieusement des systèmes mixtes – panneaux solaires, ballons, chaudières ou pompes à chaleur – se sont multipliées. Brötje dévoilera son nouveau gestionnaire ISR SSR, spécialement conçu pour cela. Mais les fabricants de chaudières sont beaucoup plus avancés dans ce domaine que les fabricants de pompes à chaleur. Ils montent dans leurs générateurs des solutions de communication à distance orientées vers la maintenance et les sociétés de services, plus que vers l’utilisateur final. Depuis un peu plus d’une année, Vaillant et ­Saunier-­Duval proposent leur solution ­Vrnet. ­Viessmann introduit lentement une offre à base de serveur web embarqué dans ses chaudières.

Elm leblanc profite d’Interclima pour présenter une offre plus ­originale en partenariat avec la branche M2M (communication entre machines) d’Orange business ­services.

Concrètement, la chaudière est équipée d’un boîtier électronique intégrant un modem et une carte SIM. Celle-ci envoie automatiquement un bilan régulier sur l’état de la chaudière, permettant de contrôler et de suivre à distance l’ensemble de ses paramètres. Les SMS émis sont traités sur une plate-forme d’Orange, puis adressés au centre de diagnostic d’elm leblanc sous forme de rapports.

La troisième tendance observée à propos des chaudières gaz et fioul est à l’œuvre depuis longtemps, mais son développement s’accélère ­depuis deux ans. Il s’agit du remplacement des chaudières au sol par des générateurs muraux de plus en plus puissants. Baxi, par exemple, ­annonce une chaudière murale gaz à condensation de 110 kW. Baptisée WGB, elle sera commercialisée sous la marque Brötje et n’occupera pas plus de volume qu’un générateur de 15 kW. Ces générateurs sont ­naturellement conçus pour équiper des locaux tertiaires et pour être montés en batterie.

Trois stratégies pour les pompes à chaleur

Propulsées par le crédit d’impôt, les pompes à chaleur (pac) connaissent un grand succès. Ainsi, tous les industriels du chauffage et de la climatisation se sont empressés de proposer une gamme étendue sur le marché français. Le succès a également suscité l’apparition et la multiplication de plus petits constructeurs, entièrement focalisés sur ces produits, telle France Géothermie. Pour disposer de pac, les industriels ont suivi l’une des trois stratégies suivantes : le ­négoce, le développement interne, l’achat de fabricants spécialisés.

Le négoce consiste à s’approvisionner auprès de spécialistes. C’est ce qui explique que des machines vendues sous des marques différentes puissent présenter entre elles des similitudes importantes, voire une totale identité à l’exception du logo. Le développement interne – la voie suivie ­notamment par Vaillant ou Hoval – est plus long mais offre l’avantage d’une conception de ­machines répondant exactement aux besoins du marché.

De plus, l’esthétique est différente de celle des autres marques qui s’approvisionnent presque toutes aux mêmes sources. ­Davantage que les chaudières, les pac sont construites à partir d’éléments standard : les compresseurs, les détendeurs, les vannes électroniques sur le circuit de fluide, etc. Ils sont fabriqués en très grandes quantités par un petit nombre de spécialistes mondiaux. La troisième stratégie consiste à acheter un ­savoir-faire et un outil industriel pour brûler les étapes. Depuis trois ans, les achats se sont multipliés.

Certains constructeurs ont mis au point des pac air/eau haute ­température. La nouvelle Ciat ­Aqualis Caleo, par exemple, est une machine monobloc extérieure air/eau au R407C, capable de fonctionner jusqu’à une température extérieure de –20 °C. Son coefficient de performance (COP) nominal est ­proche de 4 et encore supérieur à 2 par –20 °C. Ce qui en fait une véritable solution de remplacement des chaudières existantes. Dans la ­mesure où le marché français préfère les pac air/eau et que se développent des modèles avec ballons d’ECS intégrés que l’on peut installer dans la cuisine, les constructeurs travaillent également à l’amélioration des performances acoustiques de leurs machines. MTS souligne ainsi que les pac air/eau gainables vendues en France depuis l’automne 2007 sous la marque Chaffoteaux & Maury sont exceptionnellement silen­cieuses. Tous les fabricants se penchent sur la mise au point de pac capables de produire de l’ECS, même lorsqu’elles sont utilisées en mode froid. Ciat et De Dietrich ont collaboré pour mettre au point une solution, distribuée par Ciat depuis mars 2007. Cette solution se retrouve dans les offres De Dietrich. La puissance des pac air/eau baisse, ainsi que leur COP, avec la température de l’air ­extérieur. Dimplex est l’un des rares constructeurs à mettre ce phéno­mène en avant. Pour passer les pointes de besoins de chauffage avec une pac air/eau, deux solutions existent : faire appel à une chaudière en relève ou mettre en route les ­résistances électriques noyées dans le ballon-tampon de la pac. En principe, les pac eau/eau et eau glycolée/eau n’ont pas ce problème : la température de leur source chaude varie peu dans l’année. Elles sont néanmoins souvent fournies avec des résistances électriques complémentaires, qui assurent la sécurité en cas de panne du circuit thermodynamique. Comme pour les chaudières, leur avenir passe par une association avec des panneaux ­solaires. Plusieurs produits de ce type sont déjà disponibles, notamment chez Viessmann, Buderus et Stiebel-­Eltron. Ciat et Clipsol ont collaboré à la mise au point d’une solution commune autour de la Pac ­Aqualis. Il reste cependant un domaine à conquérir pour les pac : celui des chaufferies. La plupart des modèles commercialisés aujourd’hui sont des générateurs individuels. Seul Stiebel-Eltron a commencé à développer une gamme spécifique pour les chaufferies. Ce sont des pac eau/eau ou eau glycolée/eau qui s’empilent jusqu’à trois.

Nouveaux types de combustibles bois

Le bois bénéfice d’une excellente image, d’un crédit d’impôt, d’un ­encouragement réglementaire sans précédent à travers la méthode de calcul RT 2005 qui le favorise nettement. Il est universellement considéré comme plus vert que vert, notamment en raison de son cycle neutre du point de vue du CO2 : croissance des arbres-stockage de CO2/combustion-relâchage de CO2/replantation des forêts, etc. À tel point que les maisons les plus performantes construites en France aujourd’hui, selon les exigences du label ­Effinergie, se contentent d’un simple poêle à bois comme appoint de chauffage. Qu’est-ce qui brûle exactement ? Le bois combustible pour les chaudières et les poêles est disponible sous diverses formes. Si la bûche reste le combustible principal, de nouveaux types de combustibles bois sont apparus et progressent rapidement. Le plus intéressant est le granulé ou pellet, soit un combustible manufacturé à partir de la sciure et des ­copeaux de bois issus des scieries. Petit cylindre de 5 à 10 mm de longueur, le pellet a une densité de 1,5 à 2 fois plus élevée que celle des bûches et, à poids égal, il contient 1,5 à 2 fois plus d’énergie.

Ces granulés se prêtent parfaitement à un fonctionnement automatique des chaudières bois ce qui est impossible avec des bûches. On trouve également des bûches artificielles : des cylindres de 30 cm de longueur et de 5 à 8 cm de diamètre. Elles sont aussi fabriquées à partir de sciure et de copeaux. Bûches et granulés artificiels sont très secs, soit un avantage pour une bonne combustion. On observe aussi un développement de l’offre de « plaquettes forestières », des petits morceaux sans forme particulière, provenant du déchiquetage des chutes d’élagage ou de scierie. Étant donné leurs faibles dimensions, les plaquettes ­forestières permettent également un fonctionnement automatique des chaudières. Mais l’irrégularité de leurs formes rend l’automatisation plus complexe et moins fiable que les granulés parfaitement calibrés et la limite aux installations de forte puissance : au-delà de 100 kW.

Le bois est le combustible qui relâche le plus de CO2 dans l’atmosphère par unité de chaleur produite lors de sa combustion : 0,40 kg de CO2/kWh. Même le charbon fait mieux : 0,33 kg de CO2/kWh, sans parler du fioul domestique (0,26 kg de CO2/kWh) et du gaz naturel (0,20 kg de CO2/kWh). La combustion du bois produit en abondance des particules fines, comme les moteurs diesels. Près de 100 % des particules émises par le chauffage au bois sont respi­rables, car elles présentent un diamètre inférieur à 1 µm (micromètre). Les particules présentant un diamètre aérodynamique moyen de 2,5 µm sont celles qui peuvent ­pénétrer les poumons le plus profondément en comparaison des particules d’un diamètre supérieur.

Trois technologies pour une combustion franche

En France, nous n’avons guère étudié cet aspect de la combustion du bois. Carbosol, une récente étude européenne publiée dans le Journal of Geophysical Research a cependant conclu que le chauffage au bois, les combustions agricoles et les feux de jardins sont responsables de 50 à 70 % de la pollution en particules carbonées en hiver au-dessus de l’Europe. Des études sont en cours dans certaines grandes villes européennes et les premiers résultats montrent qu’au moins 40 % des particules carbonées seraient produites par la combustion du bois de chauffage. Il semble prudent de ne pas pousser au développement du chauffage au bois individuel. Autant il est possible – et exigé – d’équiper les chaufferies d’une solution de lavage des fumées pour limiter la pollution, autant cela ­entraînerait un doublement, voire un triplement du coût des chaudières individuelles à bois et ne serait de toute manière pas du tout applicable aux poêles. En attendant, pour minimiser les ­effets polluants de la combustion du bois, il est nécessaire de le faire systématiquement brûler, avec le maximum d’air comburant. Cette solution réduit les particules carbonées ou imbrûlées. Comme le volume de combustible chargé est fixe, la seule action possible est la ­réduction du volume d’air comburant. Ce qui dégrade considérablement la qualité de la combustion. Seules trois technologies permettent une combustion franche.

Les générateurs à pellets, chaudières ou poêles, sont capables de moduler l’approvisionnement en combustible en agissant sur le rythme de ­chargement des granulés. Dans ce cas, la régulation veille à ­maintenir une combustion franche en modulant le débit d’air en fonction du volume de combustible. La ­seconde technique consiste à associer la chaudière bois à un ballon de ­stockage. La chaudière ne réchauffe pas directement le circuit de chauffage ou de production d’ECS, elle charge le ballon. Elle fonctionne donc à combustion maximale, sans régulation de l’air comburant. La troisième technologie est celle du poêle de masse.

Là aussi, il s’agit d’une combustion franche durant deux à trois heures. Elle charge en chaleur la masse de pierre du poêle. La chaleur sera ­ensuite diffusée par rayonnement pendant plus de 24 h.L’industrie européenne du solaire est prospère et connaît une croissance soutenue. Conergy, AMK, ­Wagner, Wolf et les autres ­spécialistes ­peinent à satisfaire la demande. Tous les ­industriels tentent de rattraper leur retard en solaire thermique et photovoltaïque. La méthode est la même que pour les pompes à chaleur : soit la production, soit le négoce. Le marché français intéresse de plus en plus les constructeurs étrangers. Consolar, un industriel de Francfort, propose en France de nouveaux capteurs thermiques tubulaires sous vide TUBO 12 CPC.

Développement des collecteurs de grande surface

Les tubes sont montés sur un ­miroir réflecteur métallique pour maxi­miser leur rendement. L´épaisseur des tubes en verre est surdimensionnée et chaque tube est testé individuellement. Ils sont raccordés par le bas, ce qui leur assure deux avantages. Premièrement, aucun dépôt de condensat n’est possible.

Ces dépôts sont souvent à l´origine de cassures de tubes en période de gel. Deuxièmement, les capteurs se vident eux-mêmes en cas de stagnation. Cela augmente la durée de vie du capteur, du fluide ­caloporteur et de tous les autres composants de l´installation ­solaire.

L’une des principales nouveautés dans le solaire thermique depuis deux ans est le développement de collecteurs de grande surface.

Un collecteur plan classique offre 2 à 2,5 m² de surface absorbante. Plusieurs marques, dont Wolf, ­Tisun (Teufel & Schwarz) et Wagner, ont introduit des collecteurs dont la surface utile unitaire dépasse 5 m². Chez Wagner, les collecteurs de la gamme LBM affichent 6,7 m² (LBM 67) et 10,1 m² (LB100) de surface totale. Selon le constructeur, utiliser des collecteurs de grande surface réduit les pertes de charge et de chaleur, ­diminue les temps de pose, puisqu’il y a moins de ­raccordements.

Côté climatisation, les opérations de démonstration de la faisabilité de la climatisation solaire se multiplient.

Mais selon l’Agence internatio­nale de l’énergie (AIEA), il en existe moins d’une centaine en fonctionnement, représentant une puissance totale de 6 300 kW environ.

Chaque opération de climatisation solaire est largement soutenue par des subventions d’équipement. Mais grâce à ses constructeurs de machines frigorifiques à absorption – EAW, ­SorTech AG, Rotartica, ao-sol energias renovaveis, ClimateWell, Pink et SK SonnenKlima –, l’Europe se trouve à l’avant-garde du développement de la climatisation solaire.

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