batiment et energie : chauffage

BATIMENTS ET ENERGIE : CHAUFFAGE

Cours

Auteur de la Ressource PédagogiqueG. KRAUSS

5 GCU

Année de création : 2007

B â t i m e n t e t E n é r g i e : C H A U F F A G E

2007-2008

G.Krauss Département GCU 5ème année Sources des images : Acova, Viessmann, Grundfos, Thermacome.

LES SYSTEME DE CHAUFFAGE - Objectifs du cours : Ce cours présente les principaux systèmes utilisés pour le chauffage des bâtiments de logements, d'activités tertiaires, sportives, éducatives, etc.... La conception d'un système de chauffage nécessite une bonne connaissance des solutions techniques proposées afin de choisir une solution adaptée au bâtiment à chauffer. La première partie fixe le contexte énergétique pour le secteur du bâtiment (résidentiel et tertiaire) et fournit quelques rappels en matière de réglementation et de confort thermique. La seconde partie présente les principaux système de chauffage utilisés. L’approche essentiellement technologique décrit les éléments constitutifs, en s'appuyant sur une décomposition en trois famille des systèmes de chauffage: - Le chauffage individuel - Le chauffage central à eau chaude - Le chauffage à distance. Pour le chauffage central à eau chaude, le dimensionnment du réseau dans le cas d’une distribution bitube est abordé. La dernière partie du document présente un système particulier, la pompe à chaleur (PAC).

2 © [G. KRAUSS], [2007], INSA de Lyon, tous droits réservés.

3

SOMMAIRE 1 DONNEES ENERGETIQUE ET ECONOMIQUE....................................................................................................... 5

1.1 Données énérgétiques.......................................................................................................................... 5 1.2 L’Energie dans le monde ...................................................................................................................... 6 1.3 La France en 2003 ................................................................................................................................ 6 1.4 Habitat et Tertiaire: Analyse énergétique.............................................................................................. 8

1.4.1 Consommation énergétique........................................................................................................... 9 1.4.2 Types d’énergie disponibles ........................................................................................................ 11

2 CONFORT THERMIQUE................................................................................................................................... 13 2.1 Les paramètres du confort thermique................................................................................................. 13 2.2 Les zones du confort........................................................................................................................... 15

3 REGLEMENTATION ........................................................................................................................................ 16 3.1 Historique ............................................................................................................................................ 16 3.2 Objectifs .............................................................................................................................................. 16 3.3 Les textes réglementaires................................................................................................................... 16 3.4 Exigence et Modalités d’application.................................................................................................... 16

4 TYPOLOGIE DES SYSTEMES ........................................................................................................................... 19 4.1 Fonction............................................................................................................................................... 19 4.2 Classification des systèmes de chauffage.......................................................................................... 20

4.2.1 Chauffage individuel .................................................................................................................... 20 4.2.2 Chauffage central......................................................................................................................... 20 4.2.3 Chauffage à distance................................................................................................................... 21

5 CHAUFFAGE INDIVIDUEL ................................................................................................................................ 22 5.1 Poêles à combustible .......................................................................................................................... 22 5.2 Inserts.................................................................................................................................................. 22 5.3 Chauffage électrique. .......................................................................................................................... 23

5.3.1 Généralités................................................................................................................................... 23 5.3.2 Chauffage électrique intégré "CEI". ............................................................................................. 24

5.3.2.1 Principe................................................................................................................................. 24 5.3.2.2 Domaine d'application : ........................................................................................................ 25 5.3.2.3 Matériels utilisés. .................................................................................................................. 25 5.3.2.4 Principe de fonctionnement. ................................................................................................. 25

5.3.3 Chauffage électrique mixte à base + appoint .............................................................................. 27 5.3.3.1 Principe................................................................................................................................. 27 5.3.3.2 Domaine d'application .......................................................................................................... 28 5.3.3.3 Matériels utilisés ................................................................................................................... 28 5.3.3.4 Principe de fonctionnement .................................................................................................. 29 5.3.3.5 Dimensionnement................................................................................................................. 30 5.3.3.6 Evolution du produit .............................................................................................................. 32

5.3.4 Poêles à accumulation................................................................................................................. 32 5.3.4.1 Principe................................................................................................................................. 32 5.3.4.2 Matériels ...............................................................................................................................33 5.3.4.3 Utilisation .............................................................................................................................. 33

5.3.5 Evolution du chauffage électrique................................................................................................ 33 6 LE CHAUFFAGE CENTRAL.............................................................................................................................. 34

6.1 Généralités.......................................................................................................................................... 34 6.2 Combustions et combustibles ............................................................................................................. 35

6.2.1 Combustions ................................................................................................................................ 35 6.2.2 Les combustibles ......................................................................................................................... 35

6.3 Chauffage central à eau chaude......................................................................................................... 36 6.3.1 Eléments constitutifs .................................................................................................................... 36

6.3.1.1 Chaudière ............................................................................................................................. 36 6.3.1.2 Le brûleur.............................................................................................................................. 38 6.3.1.3 Les émetteurs ....................................................................................................................... 39 6.3.1.4 Les pompes .......................................................................................................................... 42 6.3.1.5 Equipements complémentaires ............................................................................................ 43 6.3.1.6 Organes de sécurité ............................................................................................................. 44

6.3.2 Principe d'installation ................................................................................................................... 46 6.3.2.1 Thermosiphon....................................................................................................................... 46 6.3.2.2 Eau chaude accélérée.......................................................................................................... 46 6.3.2.3 Branchement des radiateurs ................................................................................................ 47 6.3.2.4 Raccordement chaudière ..................................................................................................... 49 6.3.2.5 Bouteille de découplage hydraulique ................................................................................... 50 6.3.2.6 Organes divers ..................................................................................................................... 52

© [G. KRAUSS], [2007], INSA de Lyon, tous droits réservés.

4

6.3.3 Régulation.................................................................................................................................... 53 6.3.3.1 Objectifs................................................................................................................................ 53 6.3.3.2 Description............................................................................................................................ 53 6.3.3.3 Schéma de principe.............................................................................................................. 55 6.3.3.4 Type de régulation................................................................................................................ 55

6.3.4 Chaufferie .................................................................................................................................... 56 6.3.4.1 Plan type...............................................................................................................................56 6.3.4.2 Conduits de fumées.............................................................................................................. 56 6.3.4.3 Ventilation ............................................................................................................................. 57

6.3.5 Stockage des combustibles ......................................................................................................... 57 6.3.6 Dimensionnement d’une installation de chaufage à eau chaude................................................ 58

6.3.6.1 Corps de chauffe .................................................................................................................. 58 6.3.6.2 Générateur............................................................................................................................ 59 6.3.6.3 Dimensionnement hydraulique ............................................................................................. 59

6.4 Chauffage aéraulique.......................................................................................................................... 62 6.5 Chauffage solaire ................................................................................................................................ 63

7 CHAUFFAGE A DISTANCE ...............................................................................................................................64 7.1 Généralités.......................................................................................................................................... 64

7.1.1 Présentation................................................................................................................................. 64 7.1.2 Situation actuelle.......................................................................................................................... 64

7.2 Eléments constitutifs particuliers......................................................................................................... 66 7.2.1 Chaufferie .................................................................................................................................... 66 7.2.2 Réseau......................................................................................................................................... 66

7.2.2.1 Les différents types............................................................................................................... 66 7.2.2.2 Réalisation du réseau primaire............................................................................................. 68

7.2.3 Sous station ................................................................................................................................. 68 7.2.3.1 Echangeurs........................................................................................................................... 69 7.2.3.2 Raccordement et régulation ................................................................................................. 70

7.3 La Cogénération.................................................................................................................................. 71 7.3.1 Principe ........................................................................................................................................ 71 7.3.2 Rendement .................................................................................................................................. 71 7.3.3 Raccordement.............................................................................................................................. 72

8 POMPE A CHALEUR (PAC) ............................................................................................................................ 73 8.1 Principe ............................................................................................................................................... 73 8.2 Coefficient de preformance................................................................................................................. 74 8.3 Les différents types de PAC ............................................................................................................... 75

8.3.1 PAC air/air.................................................................................................................................... 75 8.3.2 PAC air/eau.................................................................................................................................. 75 8.3.3 PAC eau/eau................................................................................................................................ 76 8.3.4 PAC géothermique....................................................................................................................... 77 8.3.5 PAC associé à des capteurs solaires .......................................................................................... 78

9 ELEMENTS DE BIBLIOGRAPHIE........................................................................................................................ 80 9.1 Site WEB : ........................................................................................................................................... 80 9.2 Ouvrages............................................................................................................................................. 80


5

1 DONNEES ENERGETIQUE ET ECONOMIQUE

1.1 Données énérgétiques Les principales unités utilisées dans le domaine de l'énergie sont les suivantes: Mesure de l'énergie Unité légale : * Joule (J) Unités utilisées : * Kilowattheures (kWh) 1 Kwh = 3,6106 J * Calorie (cal) 1 cal = 4,18 J * Tonne équivalent pétrole (tep) 1 tep = 11626 Kwh

T.E.P. : C'est la quantité de chaleur dégagée par

la combustion d'une tonne de pétrole brut.

Mesure de la puissance Unité légale : Watt (w) Mesure de volume Unité légale : m3 Unité utilisée : baril 1 baril = 159 litres 1 baril ~ 0,14 tep Le tableau suivant donne les équivalences énergétiques de différents combustibles: On obtient 1 tep PCI avec CHARBON - houille - coke de houille - agglomérés et briquettes de lignite - lignites et produits cendreux de récupération

1.62 tonnes 1.50 tonnes 1.31 tonnes 2.47 tonnes

1 tonne contient 0.619 tep 1 tonne contient 0.667 tep 1 tonne contient 0.762 tep 1 tonne contient 0.405 tep

PRODUITS PETROLIERS - fioul domestique - gazole - fiouls lourds - essence - coke de pétrole - GPL

1200 litres 1.05 tonnes 1325 litres 1.01 tonnes 0.91 tonnes

100 litres contiennent 0.083 tep 1 tonne contient 0.952 tep 1000 litres contiennent 0.755 tep 1 tonne contient 0.762 tep 1 tonne contient 1.095 tep

ELECTRICITE 4500 kWh 1000 Kwh contiennent 0.222 tep

GAZ NATUREL 13000 Kwh sur PCS 1000 Kwh contiennent 0.077 tep

BOIS SEC 3.0 tonnes 1 tonne contient 0.33 tep


1.2 L’Energie dans le monde En 2001, plus de 10 milliards de tonnes d'équivalent pétrole ont été consommées sur la planète, soit 66% de plus qu'en 1973, année du premier choc pétrolier. La répartition de la consommation est très inégale, les ¾ des ressources sont utilisées par moins du ¼ de la population. La consommation d’énergie lièe à l’activité humaine a un impact très fort sur l’environnement (émission de CO², Gaz à effet de serre) et provoque des modifications en profondeur du climat de la terre. Une prise de conscience, au niveau international, c’est réalisée devant la gravité de la situation. Plusieurs sommets (Rio de Janeiro, Kyoto, etc…) ont tenté de définir des règles pour limiter les changements climatiques en cours. L’énergie ne doit pas être abordé uniquement en terme de ressource (épuisable pour certaines formes), mais aussi du point de vue de son impact sur l’environnement.

1.3 La France en 2003 En 2002, à 21,76 milliards d’Euros (Md€), contre 23,03 Md€ en 2001, la facture énergétique de la France connaît un recul de 5,5%. Elle représente 1,44% du PIB total, un niveau comparable à celui de 1973, avant le premier choc pétrolier.

6

L’intensité énergétique (courbe ci-dessous) est le rapport entre la consommation d’énergie primaire corrigée du climat et le PIB total exprimé en volume. C’est le contenu énergétique de la richesse produite par un pays. Des efforts importants ont été réalisés dans le secteur du résidentiel et tertiaire.


En 2002, la consommation finale d’énergie se situe à 162,1 Mtep en tenant compte des corrections climatiques. Le résidentiel-tertiaire avec 70,4 Mtep est le consommateur le plus important (43%).

20%

4%

43%2%

31%

Industrie

Sidérurgie

Résidentiel-tertiaire

Agriculture

Transport


1.4 Habitat et Tertiaire: Analyse énergétique Le parc immobilier habitat et résidentiel se décompose de la façon suivante :

Habitat 29.7 millions de logements maisons individuelles : 16,8 millions logements collectifs : 12,9 millions + 300000 logements/an Consommation : 467,4 TWh Tertiaire 814.5 millions de m² (chauffés) public 45% privé 55% +13 millions de m²/an Consommation : 214,1 TWh


RENOUVELLEMENT DU PARC Actuellement, on construit en France : - ~ 300 000 logements / an (dont plus de la moitié en villa) pour un parc de 29,6 millions de logements (voir tableau) ce qui donne un taux de renouvellement d'environ 1,0%. - ~ 13 millions de m² / an pour un parc construit de 814 millions de m², soit un renouvellement du parc d'environ 1,6 %. Le très faible taux de renouvellement du parc immobilier conduit à une pénétration très lente des nouvelles technologies et des amélioration de la qualité thermique des locaux en application de la nouvelle réglementation thermique. La réhabilitation du parc existant constitue un gisement important d’économie d’énergie pour les prochaines années.

1.4.1 Consommation énergétique Ce secteur représente 43,4 % de la consommation finale énergétique de la France avec 70,4 millions de tep (2002) consommées.


Résidentiel La part respective des différentes énergies a évoluée ces 20 dernières années. Ainsi la part de l'électricité a nettement progressé au détriment du fioul.

Tertiaire


Cette redistribution des différentes énergies est due en partie au développement des usages spécifiques de l'électricité et des systèmes de chauffage électrique, ainsi qu'à l'augmentation de la consommation liée à la production d'E.C.S.

1.4.2 Types d’énergie disponibles Les principales sources d'énergie utilisables sont:

l'électricité, le gaz, le fioul, le bois, le charbon, le chauffage urbain , l'énergie solaire.

Energie Electricité

PAC Electricité

PAC Gaz Naturel Chauffage

Urbain Fioul Bois

Charbon Stockage non Non non non oui oui Conduits de fumée

non Non oui non oui oui

Manipulation nulle Nulle nulle nulle nulle moyenne Maintenance nulle Moyenne moyenne légère moyen importante Régulation très facile Facile facile facile facile moyen

Energie solaire Difficultés d'exploitation liées à la dispersion et à l'intermittence du gisement.


Quelques chiffres sur la consommation d’un logement

En 2001, la progression du taux de climatisation se poursuit dans le tertiare neuf : 34% des surfaces autorisées à la construction sont climatisées, contre 28% en 2000 et 17% en 1999. En 2001, sur les 13 579 000 m2 de surfaces neuves sont recensées 4 659 000 m² de surfaces climatisées et 1 559 000 m2 de surfaces rafraîchies. Les bureaux et les commerces représentent plus de 60% des surfaces climatisées, à savoir respectivement 38,7% et 22,3%.


2 CONFORT THERMIQUE

2.1 Les paramètres du confort thermique Le confort thermique peut se définir comme un état de satisfaction du corps vis-à-vis de l’environnement thermique. Six paramètres principaux ont une influence sur la sensation de confort thermique. Enveloppe: Température de paroi Température d'air Vitesse d'air Humidité relative Individu: Activité Vêture

∑ <− 0échangesM Sensation de Froid

∑ =− 0échangesM Neutralité thermique = Situation de confort

∑ >− 0échangesM Sensation de chaud

Température ambiante de l’air (Tair)


∑

∑

=

== N

1jj

N

1jSjj

rm

S

TST

Température radiante moyenne (Trm) Vitesse de l’air (vair)

• vair < 0,15 m/s Conditions hivernales • vair < 0,25 m/s Conditions estivales

Humidité relative de l’air (HR) Métabolisme (M)

Production d’énergie métabolique Activité (W/m²) (Met) Repos, couché 46 0.8 Repos, assis 58 1.0

Repos, debout 70 1.2 Activité légère, assis 70 1.2

(bureau, domicile, école, laboratoire) 93 1.6 Activité légère, debout 116 2.0

(achats, laboratoire, industrie légère) 174 3.0 1 MET = 58,15 W/m2 Habillement (Icl)

Icl Tenue vestimentaire (m²°C/W) (clo) Nu 0 0 Short 0.015 0.1 Tenue tropicale 0.045 0.3 Tenue légère d’été 0.08 0.5 Tenue de travail légère 0.11 0.7 Tenue d’intérieur pour l’hiver 0.16 1.0 Tenue de ville européenne traditionnelle 0.23 1.5 (1 CLO = 0,155 m2°C/W)


2.2 Les zones du confort

Confort thermique

INDICES DE CONFORT THERMIQUE (Norme ISO 7730 (1995)) Vote moyen prévisible: PMV = f(Tair, vair, HR, Trm, M, Icl) Pourcentage prévisible d’insatisfaits ].2179.0.03353.0exp[.95100 24 PMVPMVPPD +−−=

+3 +2 +1 0 -1 -2 -

chaud tiède

légèrement tiède neutre

légèrement frais frais froid


3 REGLEMENTATION

3.1 Historique 1974 coef. G – résidentiel DEPERDITIONS 1976 coef. G1 non résidentiel 1980 label haute isolation (résidentiel) 1982 coef. G et B résidentiel BESOINS 1983 labels HPE & solaires (résidentiel) 1988 coef. GV, BV et C résidentiel 2000 Nouvelle réglementation thermique En 25 ans (depuis le fameux "choc pétrolier"), la consommation énergétique des logements neufs a baissé de moitié.

3.2 Objectifs La réglementation htermique 2000 se place dans une démarche de développement durable. Les principaux objectifs sont :

• lutter contre l’effet de serre et économiser l’énergie • maîtriser les charges • améliorer le confort • simplifier pour mieux appliquer • favoriser la compétitivité des industriels français

Effets de serre accords internationaux (Rio et Kyoto) 1/4 du CO2 en France du aux bâtiments le secteur du neuf comme entraînement de l’ancien

Maîtriser les charges maîtrise du coût global, charges financières et d’exploitation comprises réglementation performancielle pour tendre à optimiser les coûts de construction

Améliorer le confort HIVER : limiter les effets de parois froides, les infiltrations et les points froids (ponts thermiques) ETE : assurer une ambiance supportable en bâtiment non climatisé

Simplifier nombre de textes réduit même règle pour le résidentiel et le tertiaire recours à un logiciel d’application ou à une solution technique

Favoriser la compétitivité des industriels français intégration des normes et projets de normes européennes compétition accrue par la libre circulation des produits

3.3 Les textes réglementaires

• décret RT 2000 (29/11/2000; JO 30/11/2000) réformant le CCH • arrêté RT 2000 d’application (29/11/2000; J.O 30/11/2000) décrivant les exigences • arrêté (01/12/2000) donnant les méthodes de calcul fournies par le bulletin officiel (fascicules spéciaux

n°2007 : Th-C n°2007-bis : Th-E, décembre 2000) Pour consulter les textes réglementaires : http://www.logement.equipement.gouv.fr

3.4 Exigence et Modalités d’application Les exigences à respecter :

• limitation des consommations (kWh Ep) : C < C reflimitation de l’inconfort d’été : Tic<Tic ref • performances minimales ou garde-fous

Les éléments pris en compte dans le calcul de la consommation du bâtiment sont le chauffage, la ventilation, l’eau chaude sanitaire et l’éclairage (tertiaire)


http://www.logement.equipement.gouv.fr/

Le respect de la réglementation est vérifié :

- soit en effectuant des calculs Il convient de calculer la consommation d’énergie "C" et la température intérieure conventionnelle "Tic", au moyen des logiciels d’application qui effectuent automatiquement la comparaison aux valeurs de référence. - soit sans calcul à l’aide des Solutions Techniques Approuvées par le ministère de l’Equipement, des Transports et du Logement, elles décrivent des solutions qui garantissent le respect des valeurs de référence. La Solution Technique du ministère applicable aux maisons individuelles consiste à identifier les composants principaux de la maison, à leur attribuer un nombre de points et à s’assurer que le total des points respecte le seuil indiqué par la Solution Technique.

Deux modalités d’application La mise en oeuvre de solutions techniques agréées (pas de calcul) Le calcul et la vérification du projet par rapport aux valeurs réglementaires

17

THERMIQUE D’HIVER : Définition de l’enveloppe et de la situation géographique du bâtiment

• zone climatique • surface des parois extérieures • isolation (Ubât) • apports solaires : surfaces et caractéristiques des vitrages • perméabilité à l’air • inertie

T

USDbât A

HHHU ++=Niveau d’isolation du bâtiment, coefficient Ubat

HS

HU

HS

Hv Hv

HD

• caractérise l’effort d’isolation • est indépendant de la ventilation • représente les déperditions par les parois du bâtiment divisées par la surface des parois

extérieures • intègre les ponts thermiquestient compte des pertes vers les locaux non chauffés

∑∑ ∑+

=−i

jjiiréfbât A

LaAaUCoefficient de référence :


ai (i=1-7) – coefficients U de référence* (W/m2K) cf. arrêté 29 novembre 2000 (article 10) aj (j=8-10)– coefficients Ψ de référence* (W/mK) cf. arrêté 29 novembre 2000 (article 10)

H1 & H2 H3 Surfaces a1 murs a2 combles a3 terrasses a4 plancher bas a5 portes a6 baies sans fermetures a7 baies avec fermetures Liaisons périphériques a8 planchers bas a9 planchers intermédiaires a10 planchers hauts

0,40 0,23 0,30 0,30 1,50 2,40 2,00 0,50

0,7 maisons 0,9 autres


0,47 0,30 0,30 0,43 1,50 2,60 2,35 0,50


0,7 maisons0,9 autres

18

THERMIQUE D’HIVER : CHAUFFAGE • prise en compte du non résidentiel • intermittence (calcul explicite de l’impact sur la température) • émission et régulation (calcul de suppléments de température à la place des rendements de

régulation et d’émission) • distribution (prise en compte de types de réseaux et de gestion) • génération de chaleur (prise en compte directive du rendement; prise en compte de différents

modes de gestion)


4 TYPOLOGIE DES SYSTEMES

4.1 Fonction * L'objectif d'un système de chauffage est d'assurer les conditions de confort thermique dans le bâtiment en hiver, quand ces conditions ne peuvent être maintenues de façon passive. Cet objectif doit être atteint tout en minimisant la consommation d'énergie nécessaire. * Dans la mesure ou l'installation de chauffage ne peut suivre l'occupant dans ses déplacements, les conditions du confort sont vérifiées, pour un habillement et une activité moyens et stables dans une zone intérieure ou volume du bâtiment, appelée zone d'occupation. * Dans les ambiances intérieures et tempérées, les effets de l'humidité et de la vitesse de l'air* sur le confort thermique sont souvent négligés et la grandeur caractéristique est alors la température résultante.

Tr hc Ta hr Tmhc hr

=× + ×

+

Ta : température de l'air (°C) Tm : température radiante moyenne (°C) hc:coefficient d'échange convectif (w/m²°C) hr : coefficient d'échange radiatif (W/m²°C) * Rq : ceci n'est plus vrai si l'on étudie le conditionnement de l'air en été.

Tm=Ta

30

20

10 20 30Ta

TmChauffage prépondérantrayonnement

convection

Tr=23

Tr=20Tr=17

Effets combinés de la température de l'air, et de celle des parois sur la sensation de confort

A

B

A: point de confort selon normes actuelles de confortB: confort idéal d'après BERGER

Pour assurer cette fonction, le système de chauffage doit remplir un certain nombre de conditions liées : à la conception de l'installation

- Dimensionnement correct des émetteurs et des générateur ainsi que des réseaux hydrauliques ou aérauliques pour les installation utilisant un fluide caloporteur.

- Production de chaleur fonction des besoins réels du bâtiment (éléments de régulation). - Sécurité des usagers et de l'installation - Minimiser la consommation énergétique.


à l'énergie utilisée. - Conception de la chaufferie en fonction de la nature du combustible utilisé. - Environnement - pollution à l'exploitation de la chaufferie - Sécurité du personnel - Automaticité - Fiabilité.

4.2 Classification des systèmes de chauffage Il est difficile de classer les systèmes de chauffage car les critères de classement sont multiples (classement : selon l'énergie utilisée, selon la disposition des éléments constitutifs ou encore selon le fluide caloporteur utilisé). Nous avons adopté ici une classification en fonction de la position respective des différents éléments de base qui constituent le système de chauffage. Ces éléments sont : - Le générateur qui assure la production de la chaleur - Le réseau de distribution qui assure le transport de la chaleur vers les zones d'utilisation. - L'émetteur qui assure l'émission de la chaleur dans la zone à chauffer. A ces trois éléments peuvent venir s'ajouter : - La régulation qui permet d'assurer une fourniture de chaleur selon les besoins réels. - La sous-station qui sert de relais entre le générateur du réseau primaire et les différents émetteurs du réseau secondaire, dans le cas de réseau de chaleur urbain. Enfin, un ensemble d'éléments complète l'installation pour remplir les fonctions liées à la sécurité de l’installation.

4.2.1 Chauffage individuel Le générateur et l'émetteur forment un seul élément auquel est associé une éventuelle régulation.

GENERATEUR+

EMETTEUR

REGULATION

4.2.2 Chauffage central Il y a séparation entre le générateur et l'émetteur ce qui conduit à l'utilisation d'un réseau de distribution pour assurer le transport de la chaleur.

GENERATEUR DISTRIBUTION EMETTEUR

REGULATION


4.2.3 Chauffage à distance

GENERATEUR DISTRIBUTION

EMETTEUR

REGULATION

DISTRIBUTION

SECONDAIRE

SOUS

STATION

PRIMAIRE


5 CHAUFFAGE INDIVIDUEL

5.1 Poêles à combustible C'est un mode de chauffage traditionnel, les poêles sont généralement réalisés en céramique (rare), en fer ou en fonte, les combustibles peuvent être solides liquides ou gazeux; En 1981, ce type d'appareil représente environ 35% des équipements de chauffage. Une caractéristique de ces systèmes souvent perçue comme une gène pour l'usager, est l'hétérogénéité de la température résultante. Accumulation de masse d'air chaud sous le plafond, effets radiatifs chaud près du poêle et froid près des parois extérieures. Dans la réalité, ces effets sont en partie dus à la mauvaise qualité thermique des locaux dans lesquels sont placés ces générateurs. Le principal défaut de ces appareils est leur faible rendement (70% sur PCS). Il existe quand même sur le marché des générateurs gaz à micro ventouse ou se raccordant à des cheminées de conception moderne disposant d'une régulation performante et dont les rendements sont élevés. Ce type d'appareil peut constituer une solution intéressantes dans des opérations de réhabilitation. La figure 2 présente des schémas de principe sur le raccordement et l'alimentation des poêles à gaz. Actuellement, ces équipements sont utilisés comme chauffage d'appoint, pour des locaux occupés par intermittence (Maison de campagne...) ou pour des locaux industriels situés en dehors des bâtiments équipés avec un chauffage central.

Utilisation: - En réhabilitation, - En chauffage d'appoint

Figure 2 - Poêles à mazout

5.2 Inserts. Le développement de la maison individuelle à redonné une nouvelle jeunesse à la cheminée dont l'efficacité a été amélioré (en général) par l'adjonction d'un dispositif dans le foyer appelé "Insert". Rendement moyen: 40% à 60%

Utilisation: - En chauffage d'appoint pour la maison individuelle

Schéma de principe.


5.3 Chauffage électrique.

5.3.1 Généralités. Le chauffage électrique "non thermodynamique" produit la chaleur par effet Joule. Il recouvre une grande variété de système dont le seul point commun est l'électricité comme source d'énergie. Dans cette partie nous étudions uniquement les systèmes de chauffage individuel, c'est à dire sans distribution par un fluide caloporteur de la chaleur produite par le générateur (chauffage central). Parmi les systèmes de chauffage individuel citons : Le chauffage électrique intégré "CEI". Le chauffage électrique mixte ou "base + appoint". L'énergie électrique présente deux caractéristiques importantes qui doivent être prise en compte quand on conçoit un système de chauffage électrique. C'est une énergie chère par rapport à la concurrence. Sa tarification est très variable dans le temps. On doit donc d'une part soigner particulièrement l'isolation thermique du bâtiment chauffé électriquement et d'autre part essayer d'utiliser l'énergie électrique quand son coût est le plus faible (accumulation). Tarification E.D.F. Découpage par puissance souscrite : 0.36 KVA (Fournitures individuelles) Tarif Bleu. 36 - 250 KVA (Fournitures collectives ou petit tertiaire) Tarif Jaune > 250 KVA (Gros bâtiments collectifs ou tertiaires) Tarif Vert Découpage hors-saisonnier des prix de l'énergie. Tarif Bleu : 1 poste prix unique toute l'année 2 postes 2 prix journaliers (Jour/Nuit) toute l'année. Tarif Jaune 4 postes tarif 2 postes "saisonnalisé" 7 mois d'été tarifaire 5 mois d'hiver tarifaire Tarif Vert 5 postes tarif 4 postes + 4h de pointe journalière sur 3 mois d'hiver (décembre, janvier, février) Ces tarifs comportent une option dite EJP. (Effacement Jour de Pointe) destinée à favoriser l'utilisation de l'électricité d'hiver pour des usages de chauffage à condition de disposer d'une source d'énergie alternative qui se substitue à l'énergie électrique pendant 396h reparties sur 22 jours à raison de 18h par jour, au cours des 5 mois d'hiver tarifaire. Durant ces 396h, le prix de l'énergie électrique est prohibitif.


Structure des coûts : - Une prime fixe fonction de la puissance souscrite - Un prix ou des prix proportionnels à la consommation électrique de l'abonné. Rq : Cette structure tarifaire à une influence sur les stratégies de relance à utiliser pour les systèmes de chauffage dans le tertiaire par exemple. EXEMPLE TERTIAIRE

POSTE pointes heures pleines hiver

heures creuseshiver

heures pleines été

heures creusesété

Cout du kWh Centimes/kWh

110.61 58.22 31.28 18.27 10.76

0

20

40

60

80

100

120

cent

imes

2 5

8 11

14 17

20 23 heure Dimanche, été

Lundi...samedi, étéDimanche, hiver

Lundi...samedi, hiver

Structure du coût annuelélectricité

L'utilisation de l'énergie électrique pour le chauffage des locaux offre plusieurs avantages du point de vue de l'installation et du fonctionnement, citons - un coût d'installation réduit (surtout pour le CEI) malgré la nécessaire surisolation du local à chauffer.

- l'absence de sujétion particulière pour la mise en place des appareils (pas de cheminée, ni de réseaux particulier).

- l'absence d'odeurs et de bruit. - une relative propreté pour l'utilisateur, pas de cendres, pas de suie, la pollution se situe en réalité sur le lieu de production de l'électricité.

- une grande souplesse d'utilisation et des possibilités de régulation très variées. - l'absence de stockage et une facturation périodique. En contre partie, l'énergie électrique reste chère en coût de fonctionnement vis à vis de sources d'énergie concurrentes. L'usager est complètement dépendant d'un seul et unique fournisseur (EDF) et l'installation ne peut pas fonctionner avec une autre source d'énergie, il n'y a donc pas de possibilités de substitution.

5.3.2 Chauffage électrique intégré "CEI".

5.3.2.1 Principe Le CEI comporte : - des émetteurs produisant de l'air chaud par effet Joule, ils sont installés dans chacune des pièces à chauffer et fonctionnement en général en mode statique (pas de ventilateur). - une régulation terminale commandant chaque appareil.


5.3.2.2 Domaine d'application : C'est un système de chauffage dont les caractéristiques économiques sont bien adaptées aux locaux à faibles besoins thermiques, logements neufs bien isolés. Il se distingue par un coût d'investissement faible (matériel bon marché, coût de main d'oeuvre limité) et par un prix de l'énergie plus élevé que celui des énergies concurrentes (EDF prend en charge les investissements pour la mise à disposition de l'énergie). Cela a conduit à un développement très important de ce système de chauffage. En 1985, le chauffage électrique intégré a équipé 65% des logements neufs et en 1980 le parc de logements individuels et collectifs chauffés par ce produit était de 5 millions. Actuellement malgré un fléchissement du nombre de logement neuf équipé d'un CEI, c'est un système de chauffage couramment utilisé.

5.3.2.3 Matériels utilisés. On rencontre essentiellement les convecteurs électriques et les panneaux rayonnants et plus rarement les radiateurs soufflants et les radiateurs infrarouge. La gamme de puissance s'échelonne entre 500 W et 3000 W. Ces émetteurs se distinguent par une répartition différente entre les modes radiatifs et convectifs du transfert d'énergie. La figure 3 montre le schéma de principe de ces différents radiateurs et une coupe médiane des isothermes à la sortie d'air supérieur d'un convecteur. Ces appareils sont couverts par les normes UTE homologuées NF C 73250 réglés de sécurité électrique NF C 72251 aptitude à la fonction.

5.3.2.4 Principe de fonctionnement. Chaque local est équipé de son (ou ses) propre émetteur dont la puissance est déterminée à partir du calcul des déperditions de base pièce par pièce.

P D= ×1 2. P: puissance à installer en [W] D : déperdition du local en [W] On installe donc en général une surpuissance de l'ordre de 20%. Chaque appareil dispose, d'un bouton M/A et d'un thermostat, intégré à l'appareil en général. Dans le cas des plafonds rayonnants électrique, le thermostat est séparé et agit comme un thermostat d'ambiance. Les thermostats peuvent être électromécaniques (bulbe ou capillaire) ou électroniques. Le thermostat électronique qui dispose d'une faible bande proportionnelle assure un meilleur confort en limitant les fluctuations de température intérieure. Ces thermostats agissent en "tout ou rien" sur l'alimentation électrique des résistances (Figure 4). Le fonctionnement du thermostat forme un cycle décomposable en 4 phases (Figure 4)

Phase 1 : Les contacts sont fermés. La quantité de chaleur fournie au local élève la température d'air et la température de l'élément sensible. Lorsque la valeur t1 est atteinte les contacts du thermostat s'ouvrent. Phase 2 : Suite à l'inertie thermique de l'appareil la température de l'air s'accroît progressivement jusqu'à tf Phase 3 : La température de l'air diminue pour atteindre la valeur t2 à laquelle les contacts du thermostat se ferment. Phase 4 : Le flux de chaleur issu du procédé de chauffage sert d'abord à élever la température de l'appareil et à amorcer les mouvements de convection. La température de l'air au voisinage du thermostat diminue jusqu'à ti

L'écart de température entre t1 et t2 s'appelle le différentiel statique (caractéristique propre du thermostat) l'écart de température entre tf et ti s'appelle le différentiel dynamique. Il dépend à la fois de l'emetteur et du local dans lequel il est placé. A cette régulation locale, il est possible d'adjoindre:

un programmateur par zone permettant d'assurer des fonctions de ralenti de nuit, de mise hors gel, etc... pour les différentes zones, un limiteur d'énergie qui module la puissance fournie aux convecteurs en fonction de la température extérieure.


Différentiel dynamique

Différentiel statique

1ere phase

2ème phase3ème phase

4ème phase

Deux types de schéma électrique pour le branchement des appareils peuvent être utilisés. Systèmes direct : C'est le plus simple, le schéma de principe est le suivant :

Disjoncteurgénéral

Vers d'autres usages

Départ chauffage

Interrupteurmanuel

M/A th1 CV1

M/A th2 CV2

M/Ath3 CV3

Système bijonction : Il est composé d'un chauffage par convecteur muni de deux batteries électriques. la première batterie est alimentée par une réseau électrique collectif (chauffage de base) la seconde batterie est alimentée à partir de l'installation privative. La répartition de puissance entre les deux circuits est 1/2 + 1/2 ou 1/3 + 2/3.


Sonde ext.

Circuit collectifLimiteur 1er Elément chauffant

Limiteur 2ème Elément chauffant

Circuit individuel Thermostat

Ce système est utilisé dans les logements collectifs. Il permet d'assurer un chauffage de base dans tout l'immeuble sur lequel les occupants ne peuvent pas intervenir et ainsi de limiter le vol de calorie entre les appartements mitoyens (figure 7). VOL DE CALORIES

Vue en coup

Vue en planExt.

20°C

18°C

18°C

18°C

18°C

18°C

18°C Parois extérieures: Kmoy: 0.8W/m²/K Surface:15m² φ=240W Parois mitoyennes: Kmoy: 3W/m²/K Surface:100m² φ=600W

5.3.3 Chauffage électrique mixte à base + appoint

5.3.3.1 Principe Le chauffage électrique mixte comprend: un chauffage de base assuré des câbles chauffants noyés dans la dalle (plancher chauffant) assurant une émission de chaleur à basse température sur l'ensemble de logement à traiter. L'alimentation du plancher se fait généralement pendant les heures de nuit (heures creuses). La structure lourde du plancher permet de bénéficier d'un effet d'accumulation avec restitution pendant la journée.

27

un chauffage d'appoint qui est un chauffage électrique intégré superposé au chauffage de base.


5.3.3.2 Domaine d'application Le chauffage mixte se justifie actuellement pour les raisons suivantes :

- il permet de bénéficier des tarifs heures creuses en utilisant l'accumulation de chaleur dans le plancher chauffant. - dans les immeubles collectifs, où l'isolation entre logement est faible ou inexistante, il permet de maintenir une base facturée collectivement et d'éviter en partie le problème du vol de calorie (comme le chauffage bijonction). L'usager peut néanmoins moduler sa température dans une certaine plage grâce au chauffage d'appoint.

- c'est un mode de chauffage intéressant sur le plan du confort. Actuellement une part non négligeable bien que minoritaire des logements neufs sont chauffés par ce procédé.

5.3.3.3 Matériels utilisés Pour les planchers chauffants, on utilise des câbles directement noyés dans les dalles de béton. La mise en oeuvre du plancher doit respecter le DTU en vigueur. La législation limite la température de surface de la dalle à 28° C (densité de puissance ∼100 W/m²) Les câbles peuvent être (figure 8) noyés dans la chape de recouvrement d'un plancher porteur. noyés dans la masse d'une dalle flottante noyés dans la masse d'une dalle pleine constituant le plancher porteur. Dans les deux premiers cas, la faible épaisseur de béton au-dessus des câbles interdit des températures de service des câbles très élevées. Dans le troisième cas la position de câble par rapport à la face supérieure du plancher conduit à des résistances thermiques élevées et donc des températures de service pour les câbles plus importantes. Ces montage permet une accumulation de chaleur plus importante. Il existe deux qualités de câble : Les câbles chauffants sous gaine métallique ou câble blindé à isolation minérale. CONSTITUTION : Ame chauffante : cuivre, kumonal, nickel chrome gaine de protection : cuivre, cupronickel, acier inox isolant : magnésie comprimée Les câbles chauffants sous gaine plastique. CONSTITUTION : Ame chauffante : identique au précédent isolant + gaine de protection Enrobé multicouche de matières plastiques butyle PVC hypalon etc... La mise en oeuvre des câbles (figure 8) doit respecter un espacement entre les câbles chauffants et une zone neutre entre les câbles et les nus des murs extérieurs. Cette zone est déterminée par la relation empirique suivante

D r r m≥ ′max( , , . )2 2 0 15


r

r'

D

L'appoint est constitué par des émetteurs traditionnels du type "CEI"

5.3.3.4 Principe de fonctionnement Le chauffage de base étant commun à plusieurs pièces, (voir plusieurs appartements), il est nécessaire pour assurer une température de base constante en fonction de la température extérieure de délivrer une puissance thermique fonction linéaire de la température extérieure. Les émetteurs d'appoints sont pilotés individuellement comme en "CEI". Le schéma de principe de la régulation de chauffage de base peut être le suivant pour un plancher alimenté exclusivement en heures creuses.

PLANCHERContact HCHorloge EDF

Contact regulationfonction de la température ext.

Thermostat limiteurd'ambiance

Pour un plancher relancé en heures pleines et coupé durant les heures de pointes (plancher dit 20h) on adopte le schéma suivant Le régulateur est proportionnel avec base de temps. Le rapport d'enclenchement est défini par t/T ou T est la base de temps (T = 10 mm en général). Le temps d'enclenchement est une fonction linéaire de l'écart de température entre la consigne à respecter et la température extérieure. La puissance moyenne fournie est donc de la forme

Pmoy = K (Tb - Text ) pour Text ∈ [Tx Tb ] et

Pmoy = PI pour Tex < Tx PI puissance installée


Tx Tb Ti Text

P

Déperditions

BesoinsAppoints

Base

Tx TbTi

Text

P

Déperditions

BesoinsAppoints

Base

Tnc

CAS 1: Tb=Tnc CAS 2: Tb<Tnc Remarque : Dans ces deux cas, la base fonctionne uniquement en heures creuses et quand Tex < Tx elle ne peut plus assurer seule la température intérieure de base Tb La figure 9 illustre le principe de fonctionnement d'une installation de type plancher 20h.

5.3.3.5 Dimensionnement a) Dimensionnement de la base L'énergie journalière fournie au plancher doit permettre de maintenir dans le local une température Tb en l'absence de tout outre apport thermique ceci pour une plage de températures extérieures allant de Tem à Tb. La consommation journalière maximale peut donc s'écrire

E = 24 GV (Tb - Tem) [Wh]

Ce type de chauffage à accumulation est au moins "hors pointe", c'est à dire qu'au plus il fonctionne pendant 8h en heures creuses et 12 h en heures pleines, les 4h restantes il est coupé. Si on appelle Pc la puissance appelée en H.C. et Pp la puissance appelée en HP on peut écrire.

E = 8 Pc + 12 Pp = 24 GV (Tb - Tem) On définit la capacité d'accumulation du plancher par le rapport :

α =PP

p

c

α ∈ [0,1]

α = 0 plancher heures creuses α = 1 plancher 20 h Si α est connu on peut déterminer Pc et Pp par les relations

P GV T Tc

b em=−

+24

8 12( )

α

P Pp c= ×α

30


Calcul de Tx A partir d'une certaine valeur de la température extérieure, l'énergie de nuit est progressivement réduite si Text = Tx l'énergie a fournir pour maintenir la valeur Tb dans le local peut s'écrire :

ETx = 8 Pc = 24 GV ( Tb - T x )

8 248 12

24×−

+= −

GV T T GV T Tb emb x

( ) (( )α

T T Tx

em b=++

2 32 3

αα

Exemple : Tem = - 10°C Tb = 16°C α = 0 Plancher Heures Creuses:

Tx = - 10°C et Pc = 3 x 24 GV (Tb - Tem )

α = 1 Plancher 20h:

Tx = 5,6 C Pc = 1,5 GV ( Tb - Tem ) PD = Pc

b) Dimensionnement de l'appoint Il doit couvrir l'écart de puissance nécessaire à faire passer la température intérieure de Tb à Ti le jour le plus froid (Text = Tem )

Base Jour + Base nuit + appoint + apports gratuits

Base nuit + appoint + apports gratuits

Appoint + apports gratuits

Apports gratuits

Tx Tb TiText

P

Déperditions

BesoinsAppoint

Base Nuit

Tnc

APPOINT PRIORITAIRE

BaseJour

Température de calcul duplancher chauffant Temtempérature de base Tb<T

Tem


Base Jour + Base nuit + appoint + apports gratuits

Base nuit + appoint + apports gratuits

Base nuit + apports gratuits

Apports gratuits

Tx Tb=Tnc TiText

P

Déperditions

Besoins

Base Nuit

BASE PRIORITAIRE

BaseJour

Tem

Appoint

Température de calcul du plancher chauffantTa>TemTempérature de base Tb=Tnc

règles à respecter Mise en oeuvre Température de service de câble < 40°C Température de surchauffes accidentelles < 70°C Température limite de sol < 28°C Cas des parois extérieures chauffantes Prendre en compte le supplément de déperditions dû à la présence de l'élément chauffant dans la paroi: ( voir règle Thk et Th GV) Normes NFC 32.330 : caractéristiques, règles de construction et essais auxquels doit satisfaire le plancher chauffant électrique NFC 15.500 : sécurité DTU DTU 70.1 Installations électriques 70.2 DTU 65.7 Prescription d'exécution des planchers chauffants électriques

5.3.3.6 Evolution du produit Les évolutions tarifaires de ces cinq dernières années qui tendent vers une diminution du différentiel jour/nuit dans le prix de l'énergie et une augmentation de la saisonnalité Eté/Hiver ralentissent le développement de ce type de chauffage malgré ses atouts sur le plan du confort thermique.

5.3.4 Poêles à accumulation

5.3.4.1 Principe C'est un appareil qui emmagasine de la chaleur pendant une période de temps donnée pour la restituer au cours de la période suivante. La température du noyau accumulateur peut atteindre 800°C en fin de charge pour les plus grosses unités.


La restitution de cette chaleur (décharge du poêle) se fait par l'intermédiaire d'un courant d'air circulant dans la masse accumulatrice.(figure 11)

5.3.4.2 Matériels La gamme de ce type d'appareils est très variée : Domestique 6 à 8 kW Atelier 15 à 75 kW Il se compose des éléments suivants (figure 11) : - Une masse accumulatrice (sable, béton, fonte, eau etc...) - Des éléments chauffants - Un calorifuge - Une enveloppe extérieure en tôle émaillée - Un organe de sécurité - Un ventilateur - Un volet de réglage - Un dispositif de mise sous tension Le poids d'un appareil de ce type est d'environ 70Kg/W

Principe d’un poêle à accumulation

5.3.4.3 Utilisation Ces appareils qui fonctionnent pendant les heures ou l'électricité est la moins chère sont surtout recommandés pour des immeubles peu isolés. Il convient en particulier pour l'habitat de type ancien. La diminution du différentiel de prix entre les heures creuses et les heures pleines est un frein au développement de ces systèmes. Le poids élevé de ces poêles limite leur utilisation à des cas où la structure est capable de supporter la surcharge.

5.3.5 Evolution du chauffage électrique Les évolutions actuelles portent: sur la qualité des produits avec une amélioration sensible de la fonction régulation. Cette amélioration est obtenue par l'utilisation de thermostats électroniques et par les possibilités de programmation des appareils par des programmateurs par zone. sur le développement de nouveaux émetteurs comme par exemple les panneaux rayonnants.


34

6 LE CHAUFFAGE CENTRAL

6.1 Généralités Principe - Un seul foyer produit la chaleur qui sera distribué vers différents locaux par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur circulant dans un réseau de distribution. Ce fluide peut être : de l'eau chauffage à eau chaude de la vapeur chauffage à vapeur de l'air chauffage à air chaud ou aéraulique Le foyer est en général placé dans une chaufferie (local adjacent aux locaux à chauffer). Mais on peut le trouver en sous sol de villas ou dans les appartements (salle de bains, cuisine, dans le cas du chauffage central individuel en immeuble collectif.) Avantages : Réduction du nombre de foyers et cheminées Pollution atmosphérique moins importante Pas de manipulations de combustible ou de cendres dans les logements. Meilleure rentabilité d'utilisation du combustible Réduction de l'emprise au sol des éléments chauffants. Maintenance réduite Chauffage assez inerte (sauf air chaud pulsé) Coût de fonctionnement faible Inconvénients Coût d'investissement élevé par rapport à un chauffage électrique intégré. En collectif, problème de répartition des frais de chauffages. Situation actuelle Le chauffage collectif est peu installé dans les logements neufs à l'heure actuelle. En 1973, le chauffage collectif représentait environ 45% des installations dans les logements neufs, sa part de marché est tombé à 5% en 1988. (voir figure). Depuis 2 à 3 ans on constate une remontée du nombre d'installations de chauffage central dans le secteur du logement, en particulier en ce qui concerne le chauffage central individuel.

Construction neuve Année Logements neufs Dont chauffage collectif % 1973 450000 205000 45 1983 300000 19000 6 1986 280000 12000 4 1988 300000 17000 5

Parc total 1978 1988 Evolution Logements en immeuble 6226 7898 +1672 avec chauffage collectif 4600 4746 +146 +3% avec chauffage individuel 1626 3152 +1526 +94% les raisons de cette forte diminution du nombre d'installations neuves sont:

le développement de la maison individuelle, pour laquelle les installations avec chaufferie central ne sont pas adaptés, la recherche du prix minimum pour les logements neufs, associé à une demande de la clientèle pour un chauffage individuel,

la stratégie commerciale d'EDF qui développe des campagnes publicitaires importantes, la réglementation thermique qui en renforçant l'isolation à diminuer fortement le coût du chauffage,

le choix des gestionnaires d'immeuble vis à vis des problèmes de répartitions et de recouvrements des charges.


6.2 Combustions et combustibles

6.2.1 Combustions La combustion est une réaction chimique, on distingue : les combustions oxydantes caractérisées par les réactions

H² + 0 → H²0 + Q ( W) C + 0² → C0² + Q' (W) (QCI)

Ces combustions sont possibles si: la température du combustible est suffisante, le combustible est riche en carbone (C), l'arrivée d'air est permanente et en quantité suffisante. C'est ce type de combustion qui est utilisée en pratique. Avec le fuel l'excès d'air est de 20 à 50% et avec le gaz il est d'environ 10%. Les combustions réductrices caractérisées par la réaction :

C + 0² _ C0 + 0 + Q" (W) avec Q" < Q'

Ce type de combustion est à proscrire car il y a production d'oxyde de carbone (C0) qui est un gaz très toxique, de plus le rendement est inférieur à celui de la combustion oxydante (Q" < Q') La combustion intermédiaire est la combustion neutre qui constitue un cas théorique. La combustion nécessite donc la mise en commun de deux éléments un combustible et un comburant, elle produit des rejets et de la chaleur. Combustible + comburant → rejets + chaleur (gaz chauds) (cendres)

La chaleur récupérable lors de la combustion est due : - à la chaleur de combustion proprement dite, - au refroidissement des gaz (fumées), - à la condensation d'une partie de ces gaz. (vapeur d'eau). La présence de souffre dans le combustible augmente le risque de corrosion pour le générateur. En effet, en brûlant le souffre produit de l'anhydride sulfurique (gaz) qui en se combinant avec l'eau produit de l'acide sulfurique. Quand la température de surface des parois est trop basse(<180°C) il y a production d'acide sulfurique et risque de corrosion. (C'est le cas des chaudières à condensation qui doivent être réalisées dans des matériaux résistants à ces agents corrosifs.) Le contrôle de la combustion et le réglage du mélange combustible comburant s'effectue en mesurant la teneur en C02 des fumées et la températures des fumées.

6.2.2 Les combustibles La caractéristique essentielle d'un combustible est son pouvoir calorifique. On distingue le pouvoir calorifique supérieur (P.C.S) et le pouvoir calorifique inférieur (P.C.I.) P.C.S. = chaleur de combustion + refroidissement des gaz + condensation. P.C.I. = chaleur de combustion + refroidissement des gaz. Les combustibles sont divisés en trois catégories : Combustibles solides CHARBON BOIS TOURBE PAILLE Combustibles liquides FUEL Combustibles gazeux GAZ NATUREL PROPANE


CARACTERISTIQUES DES COMBUSTIBLES

Charbon PCI = 6500 à 7500 Kcal/kg selon provenance et type de charbons Bois PCI = 2600 à 2800 Kcal/kg à 20°d'eau PCI = f (teneur en eau) cf Tourbe PCI = 3200 Kcal/kg à 20% d'eau. Fuel domestique PCS moyen = 10 800 kcal/kg densité = 0.84 lourd n°1 PCS moyen = 10 350 kcal/kg densité = 0.94 lourd n°2 = 10 250 kcal/kg densité = 0.95 PCI fuel = 0.95 PCS Gaz Gaz naturel (méthane) PCS = 9500 à 10 000 Kcal/m3 densité = 0.57 Propane PCS = 23 800 Kcal/m3 densité = 1.50 Butane PCS = 29 600 kcal/m3 densité= 2 PCI gaz = 0.9 x PCS Ordure ménagère 1 tonne ~ 200 litres de fioul PCS ~ 200 kcal/kg

Choix de combustible Il fait intervenir de nombreux critères: La taille de l'installation Le prix du combustible (adaptation locale). La disponibilité, La possibilité de stockage, etc... Dans le cas du fuel, on utilise le fuel domestique pour les installations dont la puissance est inférieure à 6 MW. Les tendances actuelles vont vers un développement des installations utilisant le gaz, le fuel et l'électricité au détriment des combustibles solides comme le charbon. Toutefois, dans les très grosses installations (chauffage urbain), le charbon reste un combustible compétitif.

6.3 Chauffage central à eau chaude * réglementation DTU N° 65.11 * classification selon la température de l'eau. chauffage à basse température Teau < 45° à 50°C chauffage à eau chaude Teau < 90° à 100° C chauffage à eau surchauffée : basse pression Teau < 120°C haute pression Teau > 120°C

6.3.1 Eléments constitutifs

6.3.1.1 Chaudière Leur conception diffère selon le combustible utilise mais elles comprennent : un corps ou échangeur dans lequel circule le fluide à réchauffer. un foyer, enceinte dans laquelle à lieu la combustion une enveloppe isolant le corps de l'extérieur pour les chaudières à combustible solide, un cendrier est ajouté pour récupérer les cendres émanant de la combustion.


Bruleur (chaudière fioul)

Foyer

Enveloppe

Echangeur

Préparation Eau Chaude Sanitaire

La fonction de la chaudière est de transférer au fluide caloporteur la chaleur produite pour la combustion. Elle doit en outre assurer l'évacuation des fumées résultat de la combustion. Les échanges se font : par rayonnement entre la flamme et les surfaces d'échanges par convection entre les gaz (fumées) et les surfaces d'échange par conduction dans le cas des combustibles solides Rendement : c'est le rapport de la puissance récupérée à la chaudière sur la puissance fournie par le fluide caloporteur (eau) Puissance fournie PF = Qc x PCI Qc débit de combustible (Kg/s) PCI pouvoir calorifique inférieur (J/kg) Puissance récupérée Pr = cQ x (Ts - Te ) Q : débit du fluide caloporteur (eau) Te : température d'entrée de fluide (°C) Ts : température de sortie de fluide (°C) C : chaleur massique (J/Kg °C)

η η=PrPf

<1

Facteurs de perte Imbrûlés Rejets de gaz chauds Pertes thermiques de la chaudière exemple : cas d'une chaudière fuel. FOYER CARNEAUX Imbrûlé 1% 1% AIR Pertes chaudières 1,5% 1,5% + Echauffement de l'air 9,5% 12,5% FUEL Fumées 31% Eau 57% 85% Le rendement est très variable selon la technologie de la chaudière (condensation ou non) et la nature du combustible brûlé. Il se situe entre 0,75 et 0,95 sur le PCI. Toutefois, il existe sur le marché des chaudières


dites à condensation qui permettent selon les conditions de fonctionnement d'atteindre des rendements supérieurs à 1 sur le PCI (figure 2 et 3) La conception des chaudières à condensation doit tenir compte de caractère très corrosif des condensats produits lors de la combustion. Le foyer et l'échangeur sont en général réalisés en acier inoxydable (coût plus élevé). Deux matériaux sont utilisés pour réaliser l'ensemble foyer-échangeur une chaudière la fonte et l'acier. Les chaudières en fonte peuvent être monobloc ou à éléments sectionnels assemblés par nipples et tirants (figure 4) La puissance maximum pour ce type de chaudière se situe autour 1MW. Les chaudières en acier couvrent toute la gamme des puissances. Ainsi pour les grosses puissances, les températures élevées et les fortes pressions on utilise exclusivement les chaudières en acier. On distingue deux catégories; chaudières à lames d'eau chaudières à tubes tube foyer tubes d'eau tubes de fumées

6.3.1.2 Le brûleur Selon la nature du combustible employé (gaz, fuel), ils sont de conception différente BRULEUR FUEL

38


BRULEUR GAZ

6.3.1.3 Les émetteurs Ils transmettent dans les locaux la chaleur produite par les générateurs. La puissance fournie est calculée par la relation

P = Ks (Tn - Ti )n (W) Tn=(Tentrée+Tsortie)/2

Ti : Température intérieure (°C)

Ks : Conductance globale W/°C c'est une donnée constructeur

n : exposant dépendant de la structure du corps chauffe

Remarque: dans le cas ou T TT T

s i

e i

−−

< 0 7. il faut remplacer Tn-Ti par ∆T T T

Ln T TT T

e s

e s

s i

ln =−

−−

Essais Normalisés Norme NFE 31-211 a) les radiateurs Matière : Ils sont en fonte (de plus en plus rare) en acier ou en aluminium Emplacement : la position le plus favorable se situe en allégé de fenêtre. C'est en effet dans cette position que la température de l'air intérieur est le plus uniforme.


surfaces d'émission

Il est déconseillé de placer les radiateurs en hauteur, si cela est inévitable il faut recourir à un dispositif analogue à celui décrit sur la figure ci dessous pour améliorer la circulation de l'air


Il est déconseillé d'habiller les radiateurs , cela provoque en effet une diminution de la puissance spécifique du radiateur. b) Tubes à ailettes Ils sont surtout utilisés dans les locaux industriels et avec la vapeur. c) Convecteur Ils sont utilisables uniquement si le fluide est relativement chaud.(T >60°C). Pour des températures inférieures l'efficacité chute de façon importante. d) aérotherme Cet appareil est constitué par une batterie et un ventilateur hélicoïde. Des volets réglables dirigent l'air vers l'endroit désiré. La batterie est similaire dans sa conception à un radiateur d'automobile. Les aérothermes peuvent être muraux ou verticaux. La portée est la longueur du jet tel qu'à son extrémité la vitesse résiduelle soit de l'ordre de 10cm/s Les aérothermes sont essentiellement utilisés dans les locaux de grand volume gymnase, piscine, hall etc ....


e) dalles chauffantes (plancher chauffant) Le corps de chauffe (émetteur) est intégré dans la structure. La température de fluide doit rester suffisamment basse (~ 50°C) pour éviter des températures de surface trop importantes. Le tracé en épingle dans la dalle permet d'obtenir une température de surface uniforme.

Principe de montage Répartiteur pour

alimentation des circuits Rq Ce mode de chauffage permet de diminuer un peu la température d'air pour une même température résultante car il augmente la température radiante moyenne Il permet en outre d’envisager un fonctionnement en plancher rafraîchissant pour l’été. Chauffage basse température par excellence, il est bien adapté aux systèmes utilisant l’énergie solaire et les pompes à chaleur. f) ventilo-convecteurs c'est un convecteur équipé d'un ventilateur ce type d'appareil est utilisé pour les installations fonctionnent l'hiver et l'été. En été, la batterie est alimentée par de l'eau froide et en hiver, par de l'eau chaude. Le même équipement terminal assure donc la climatisation d'été et de chauffage.

6.3.1.4 Les pompes Actuellement toutes les chauffages centraux installés sont de type accéléré c'est à dire que la circulation du fluide est assurée par une pompe (eau, vapeur) ou un ventilateur (air). Les installations à eau


chaude fonctionnant par thermosiphon,; c'est à dire différence de densité entre l'eau de départ et l'eau de retour ne sont plus utilisées. a) Pompes sans presse étoupe. Accélérateurs. Ces appareils sont montés directement sur la tuyauterie en général par deux. Ils sont monoblocs, la turbine de propulsion de l'eau est montée directement en bout d'arbre du moteur électrique. La lubrification est assurée par l'eau de l'installation. La température maximale de l'eau se situe entre 105 et 120°C. Ce sont des appareils très silencieux et ils équipent la totalité des chauffages centraux individuels. b) Pompe avec presse étoupe Le moteur et la pompe sont séparés. L’entraînement de la pompe a lieu par l'intermédiaire d'un accouplement souple et un presse étoupe assure l'étanchéité autour de l'arbre moteur. Ce type de matériel est utilisé pour des installations importantes qui nécessite une forte énergie matrice. Le choix d'une pompe se fait en fonction de sa courbe caractéristique (_H = F(Q) qui établit une relation entre le débit et la hauteur manométrique de la pompe (figure ci dessous) On peut définir ainsi le point de fonctionnement de l'installation qui est l'intersection de la courbe caractéristique du réseau et de celle de la pompe. Mis à part les petites installations (chauffage central individuel), on place toujours au minimum deux pompes sur le réseau, une des deux servant de secours.)

6.3.1.5 Equipements complémentaires


Aux éléments de base décrits ci-dessus viennent s'ajouter des équipements complémentaires indispensables ou fonctionnement de l'installation. Le réseau de distribution de l'eau chaude est constitue de tuyaux qui peuvent être en acier en cuivre (petites installations), voir en matière plastique. Ces tuyaux sont raccordés par soudure ou à l'aide de raccords spéciaux. Sur l'ensemble du réseau il est indispensable de placer des vannes qui ont trois fonctions principales. : - isoles tout partie de l'installation - réguler l'installation

vanne trois voies robinet thermostatique (fig)

Tête de robinet thermostatique simple Avec élément sensible déporté

- régler l'installation (tés de réglage) afin d'assurer l'équilibrage des différentes bandes de réseau. Les parties du réseau traversant des locaux non chauffés doivent être isolées grâce à un calorifugeage des tuyaux. Pour les installations importantes de chauffage central il y a lieu de prévoir sur les tronçons droits de canalisation des compensateurs de dilatation.

6.3.1.6 Organes de sécurité Ils doivent protéger l'installation vis à vis des risques d'accident. Les fonctions pricipales à assurer sont: Permettre l'expansion du fluide de chauffage, Assurer la charge nécessaire au fonctionnement de l'installation, Evacuer l'excédent d'eau et éventuellement de vapeur si il s'en forme, Assurer une protection contre le gel, Limiter la pression à la valeur maximale admise, Limiter la température de l'eau. L'appareil qui assure l'essentiel de ces fonctions est le vase d'expansion. Il en existe deux types: le vase à l'air libre, le vase sous pression.


Capacité de la bâche (Réservoir d’eau)

Pour un circuit d’eau glacée prévoir 0,18 litre pour 1000 fg/h ou 0,15 litre par kW.

Pour les petites installations (P < 80 kW) on utilise des vases d'expansion fermés sous pression. Le vase cylindrique en acier est séparé en deux parties par une membrane en caoutchouc placée à mi hauteur. L'une est reliée à la chaudière par un tube de sûreté sans vanne, l'autre est remplie de gaz inerte (azote). La pression limite se situe autour de 2 à 2,5 bars.


6.3.2 Principe d'installation

6.3.2.1 Thermosiphon Dans ce type de système, la charge motrice est due à la différence de densité entre l'eau chaude du circuit aller et l'eau chaude de circuit retour. Ce type d'installation n'est plus utilisé car il nécessite de gros diamètre de canalisation pour diminuer les pertes de charges et n'autorise pas des débits importants.

6.3.2.2 Eau chaude accélérée La circulation de l'eau est assurée par une pompe. Des précautions sont à prendre quand à la position respective du vase d'expansion et de la chaudière. Quand la pompe est placée sur le circuit retour, il peut arriver que la pression dans un radiateur soit inférieure à la pression atmosphérique. On place la pompe sur le retour quand cela est possible pour qu'elle fonctionne à la température la moins élevée. C'est en particulier vrai pour les installations dont la température de fonctionnement est élevée (eau surchauffée). Pompe sur le départ Intérêt : Circuit en pression Inconvénient : Pompe à température plus élevée Pression plus importante dans l'installation

Pompe sur le départ


Pompe sur le retour On ne peut placer la pompe sur le retour que si le vase d'expansion est située au dessus du radiateur le plus haut à une côte égale ou supérieure à la hauteur manométrique de la pompe (sinon risque de cavitation.)

Pompe sur le retour

6.3.2.3 Branchement des radiateurs On peut classer les installations de chauffage central selon le schéma de branchement des radiateurs sur le réseau. a) chauffage monotube Principe : les émetteurs sont montés en série sur le réseau de distribution. Dans ce type d'installation, la température de fonctionnement des radiateurs varie en fonction de leur position sur le circuit. Les radiateurs placés en fin de boucle doivent donc être de surface plus importante. La température d'entrée d'un radiateur correspond à la température de sortie du radiateur précédent. Le débit est constant dans chaque boucle. La régulation par radiateur est impossible, car la fermeture d'un radiateur coupe l'alimentation d'eau de toute la boucle. L'intérêt de branchement réside dans l'économie de tuyaux réalisé, il peut être utilisé pour des radiateurs placés dans le même local. b) Monotube dérivation Principe : Il est identique au monotube


Dans ce cas les radiateurs sont indépendants, une régulation individuelle peut donc être envisagée par contre comme dans le monotube, la température moyenne décroît d'un radiateur à l'autre ce qui nécessite des surfaces de plus en plus importante. La température T3 résulte du mélange de l'eau à la température T1 (débit q - q1 ) et de l'eau sortant du radiateur à la température T2 (débit q1) Sur le tronçon direct (AB) il faut prévoir un élément qui crée une perte de charge permettant d'assurer le partage des débits q1 et (q-q1 ). c) Bitube Principe : Ici les radiateurs sont montés en parallèle. Ils constituent donc autant de boucles hydrauliques différentes. Tous les émetteurs fonctionnent au même niveau de température (aux pertes près du réseau) Pour assurer le fonctionnement correct du réseau chaque boucle doit avoir la même perte de charge. Pour réaliser cette équilibrage on installe à la sortie de chaque radiateur des robinets de réglage. Lors de la construction du système de chauffage. Il faut s'assurer de la réalisation de l'équilibrage du réseau pour un fonctionnement correct de l'installation. d) Boucle de TICHELMANN Pour les installations étendues (> 150m ), les hauteurs manométriques des pompes sont élevées et l'on peut rencontrer des difficultés à équilibre le réseau. Il est conseillé alors de recourir au montage en boucle de Tichelmann. Ce montage consiste à assembler les colonnes sur les collecteurs de manière que la colonne la plus proche de la chaufferie ait son retour monté sur le circuit le plus long et ainsi de suite pour les colonnes suivantes. (figure ci-dessous).


Ce montage assure un auto équilibrage du réseau , mais il augmente de façon importante le linéaire de tuyaux.

6.3.2.4 Raccordement chaudière

Raccordement d’une chaudière assurant le chauffage et la production d’ECS


6.3.2.5 Bouteille de découplage hydraulique La bouteille de découplage hydraulique, aussi appelée bouteille de mélange, permet de séparer et de rendre indépendants les débits du circuit primaire et des circuits secondaires. Ainsi, dans des installations à chaudières et/ou circuits multiples, toutes les variations de débits restent sans influence sur la qualité de la régulation. La bouteille casse-pression doit présenter des pertes de charges quasiment nulles et ne doit entraîner aucune différence de pression.

Schéma de principe

Dimensionnement La bouteille de découplage hydraulique est constituée d.un collecteur de gros diamètre monté verticalement entre les collecteurs de départ et de retour, tous les circuits secondaires y sont raccordés. Pour un bon fonctionnement, les dimensions de la bouteille casse-pression doivent être proportionnelles au plus grand diamètre rencontré dans l.installation (normalement le diamètre du collecteur). Ce diamètre sera multiplié, au moins par trois, pour obtenir le diamètre de la bouteille casse-pression (a), ainsi que les différences de niveaux entre primaire et secondaire(s), tant au départ qu.au retour de manière à éviter des circulations parasites. Pour ces mêmes raisons, les départs primaire et secondaire(s) doivent se trouver dans la partie supérieure de la bouteille casse-pression, les retours dans la partie inférieure. La distance minimale entre départ et retour d.un même circuit secondaire doit être au moins égale à 2 fois le diamètre de la bouteille casse-pression (2 a). Plus la température d.un circuit sera élevée, plus haut il sera raccordé à la bouteille casse-pression. Il va de soi que primaire et secondaire(s) sont opposés de 180°. Exemple de raccordement


Régulation par vanne trois voies

Régulation par pompe à débit variable + comptage individuel


52

6.3.2.6 Organes divers a) Purge d'air Lors du remplissage en eau de l'installation, il faut veiller à ce que l'air chassé par la montée de l'eau puisse s'échapper. (Ainsi que les gaz dissous dans l'eau qui se dégazent peu à peu avec la montée en température.) Au points hauts, il faut placer des dispositifs de purge (purgeurs). Ces purgeurs peuvent être a fonctionnement manuel ou automatique (fig. Ci-dessous). Des points hauts accidentels peuvent se former par manque de soin dans la réalisation de l'installation. Piquage d'une colonne sur collecteur avec pénétration de la colonne. Colliers trop serrés sur une canalisation horizontale, la déformation du tube provoque un point haut. b) Fixations Les canalisation doivent être fixées aux parois, pour cela il existe une grande variété de colliers et supports (fig ci-dessous). Pour le passage à travers les parois il est nécessaire de prévoir des fourreaux dans lesquels passe le tube. Ces fourreaux constituent du point de vue acoustique des faiblesses. (voir figure)


6.3.3 Régulation Le système de régulation permet de régler et de contrôler le fonctionnement de l'installation de chauffage.

Schéma de principe d’une installation de chauffage à eau chaude régulée par vanne trois voies

6.3.3.1 Objectifs Les objectifs d'une régulation appliquée à un système de chauffage sont les suivants : Assurer une condition de température, de pression ou d'humidité fixée comme consigne. Assurer la marche de l'installation suivant un programme établi à l'avance (prolongation). Contrôler le fonctionnement de l'installation et en assurer la sécurité.

6.3.3.2 Description Un appareil de régulation est composé de trois parties :

Un organe de détection mesurant les variations de la variable utilisée pour le contrôle (par exemple la température d'air extérieur). Un organe de réglage qui en fonction des mesures de l'élément sensible assure les corrections nécessaires (vannes registres) Un régulateur chargé de transmettre à l'organe de réglage les indications données par l'élément. La boucle de régulation peut être ouverte ou fermée.

Boucle fermée. Le régulateur mesure la différence entre le point de consigne et la valeur instantanée. A partir de cette mesure le régulateur élabore un ordre de commande qui est envoyé à l'organe de réglage. Ce système élémentaire ne comporte qu'une boucle mais ne prend pas en compte l'inertie thermique. l'inertie thermique ralentie la réponse du système et provoque des phénomènes de "pompage". La solution consiste à ajouter une boucle secondaire qui permet de prévoir la réponse de devancer son action.


Boucle ouverte. Dans le cas d'un chauffage central, le système à régler à des réactions suffisamment bien connues par rapport à la température extérieure pour pouvoir établir une relation entre elle et la température d'eau chaude.(Loi de correspondance). On peut alors supprimer la mesure de la température intérieure et couper la boucle longue. 4.3.3.2.1 Eléments sensibles a) Variation de pression Les principaux capteurs utilisés sont : les diaphragmes les tubes plissés les cloches flottantes (voir fig) b) Variation de température Les capteurs utilisent les principes suivant : dilatation des solides dilatation des fluides tension de vapeur saturante l'effet thermo électrique (thermocouple)

la variation de résistance en fonction de la température (thermistance résistance de platine (voir fig)

4.3.3.2.2. Eléments régulateurs Dans les installations de chauffage en eau chaude, les éléments régulateurs sont en général des vannes chargées de modifier le débit circulant dans la canalisation. a) Vannes à deux voies. Vannes papillons (tout ou rien) Robinets à soupape (réglage de débit) Robinets à pointeau b) Vannes à trois voies (voir fig) elles permettent de réaliser des mélanges entre deux écoulements à des températures (et débits) différentes. c) Vannes à quatre voies (voir fig) Réalisation de mélanges 4.3.3.2.3. Régulateurs a) Action directe Thermostat Thermostat à une influence Thermostat à deux influences b) Pneumatique c) Type électronique C'est le système qui est le plus utilisé actuellement


6.3.3.3 Schéma de principe En chauffage central la régulation automatique permet à chaque instant de fournir aux locaux à chauffer une puissance calorifique égales aux besoins. Ces besoins dépendent essentiellement de la température extérieure. (voir fig)

6.3.3.3.1 Régulation centrale Dans ce cas, on agit directement sur le circuit général ou sur la ou les chaudières en fonction de la température extérieure. La puissance fournie à l'installation peut être réglée. Par mélange ( vannes trois voies) entre l'eau sortant de la chaudière et l'eau de retour de l'installation (voir fig) Par contrôle de la combustion. - réglage du tirage pour les combustibles gazeux. - marche/arrêt du brûleur pour les combustibles liquides ou gazeux. Pour les chaudières sensibles à la corrosion le dernier type de contrôle est à éviter car il entraîne un fonctionnement de la chaudière à des températures trop basses, qui provoquent la condensation des fumées et donc la corrosion. La régulation centrale permet en outre d'assurer un fonctionnement de l'installation en fonction d'un programme pré établi. Fonctionnement jour / nuit Fonctionnement semaine/ week end

6.3.3.3.2 Régulation par pièce En complément de la régulation centrale qui ne peut assurer que des conditions moyennes sur le bâtiment, la régulation par pièce permet d'assurer localement le maintien de la température Actuellement le système utilisé consiste à placer des robinets thermostatiques sur les corps de chauffe.

6.3.3.3.3 Régulation par circuit Dans un immeuble on peut avoir des locaux dont les besoins soient très différents à un instant donné, par exemple logements et bureaux ou pièces sud pièces nord. Dans ce cas il est souhaitable de réaliser des circuits séparés avec une régulation propre à chacun d'eux

6.3.3.4 Type de régulation Régulateur tout ou rien Le régulateur tout ou rien ne transmet que deux signaux, p.ex. OUVERT-FERME ou MARCHEARRET, à l'organe de réglage ou à un commutateur électrique- Une position intermédiaire n'est pas possible.


Régulation proportionnelle Le régulateur proportionnel agit de telle façon sur le servomoteur qu'il modifie la position de l'organe de réglage proportionnellement à la grandeur de la différence de réglage. Ainsi, plus l'écart de réglage est grand, plus le mouvement de l'organe de réglage sera grand. Une grandeur de réglage déterminée est attribuée à chaque valeur. Régulation intégrale A la différence du régulateur proportionnel, le régulateur intégral ne modifie pas la grandeur de réglage, mais la vitesse de positionnement proportionnellement à l'écart de réglage. Plus l'écart par rapport à la grandeur de référence est élevé, plus l'organe de réglage se positionne rapidement dans le sens de la correction nécessaire. De grands écarts par rapport à la grandeur de référence peuvent être corriges rapidement, mais les petits par contre très lentement, Il ne subsiste à la fin aucune différence de réglage comme pour la régulation proportionnelle, tout est réglé, mais lentement.

6.3.4 Chaufferie Le plan d'aménagement de la chaufferie doit tenir compte: des espaces à réserver autour des chaudières et des accessoires, des conduits de fumées et de ventilations des aménagements divers. la plan doit respecter la réglementation en vigueur DTU 65.4 (chaufferie gaz) arrêté du 23 juin 1978.

6.3.4.1 Plan type La figure ci-dessus donne les côtes minimales à respecter par l'implantation du matériel. Pour la hauteur on peut admettre, chaudière fonte : 3m chaudière acier : hauteur chaudière + 1.5 m Pour une évaluation rapide, on peut compter 0,01 m² de surface chaufferie par m3 de bâtiment chauffé (logements)

6.3.4.2 Conduits de fumées Le rôle de la cheminée est d'évacuer et de disperser les gaz brûlés dans l'atmosphère. C'est le tirage qui assure le mouvement des gaz dans la cheminée. Il peut être naturel : c'est la différence de masse volumique entre les gaz chauds en bas de la cheminée et les gaz froids en haut qui assure le tirage DP = H (ωe - ωf ) ωe poids volumique gaz froid ωf poids volumique gaz chaud H : hauteur cheminée mécanique : un ventilateur assure l'extraction mixte : c'est le cas pour les chaudières à charbon, à foyer soufflés ou les chaudières à foyer surpressé. pour les chaufferies charbon ou mazout, la section du conduit de fumée est donnée par la relation :

400000PS

H=

pour les foyers en dépression surdimensionné pour les grosses puissances

61.16 10PS

H=

×

S en m² P en W H hauteur du conduit en m la section mini ne peut être inférieur à 250 cm² pour les appareils comportant un réglage d'air et de 400 cm² dans le cas contraire.


DTU Nov 74: règles et processus de calcul des cheminées fonctionnent en tirage naturel

6.3.4.3 Ventilation Elle doit assurer un débit d'air suffisant pour l'alimentation des foyers, le renouvellement d'air de la chaufferie et maintenir une température acceptable dans la chaufferie (Tint _ 30°C tant que Text _ 15 : C) Cette ventilation est assurée : par un conduit à gaine d'amenée d'air neuf (A) débouchant au niveau du sol et par un conduit d'évacuation d'air vicié (V) partant du plafond.

6.3.5 Stockage des combustibles a) Combustibles solides soute à charbon soute à mâchefer soute à bois Pour le charbon la consommation annuelle peut être estimée à environ P = 0,45 Q P : Poids charbon (kg) Q : puissance totale (W) On prévoit en général une durée de réserve de 2 mois. b) combustibles liquides Le stockage s'effectue en soute ou dans des cuves enfouies à l'extérieur. Capacité de stockage la consommation annuelle peut être estimée à environ : V = 0,35 Q Q : puissance en Watt V : volume en litre

Schéma de principe d’installation d’une cuve à simple paroi c) combustibles gazeux Il n'y a pas a proprement parler de local de stockage mais il existe un local enfermant les robinets, le compteur, le poste de détente.


6.3.6 Dimensionnement d’une installation de chaufage à eau chaude 3 éléments principaux sont à dimensionner :

− Les corps de chauffe ou émetteur − La chaudière (générateur) − Le réseau

6.3.6.1 Corps de chauffe Le calcul des déperditions du local permet de déterminer la puissance nécessaire au maintien des conditions de température intérieure dans le local.

( ) ( )EIairvairairEIbât TTcqρTTSUD −⋅⋅⋅+−⋅⋅= ∑

P~D

TA

(local à TI) D – déperditions local

TB La puissance fournie est calculée par la relation ( )Im TTSKP −⋅⋅= T

TB

TA

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

B

A

BAm

∆T∆Tln

∆T∆T∆T

IAA TT∆T −=Tair

IBB TT∆T −=

Imm TT∆T −= S

Evolution de la température dans l’émetteur Essais normalisés : Pn = f(Tm - TI)n (NF EN 442) Conditions normalisées : TA=75°C, TB=65°C, TM=70°C, TI=20°C

( )

m

nIm

Imn TT

TTPP ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=

Valeur de l’exposant m :

− 1,33 (radiateurs et corps de chauffe plats) − 1,25 (corps de chauffe tubulaires, tuyaux à ailettes)

58 − 1,25-1,45 (convecteurs suivant construction et habillage)


Le débit circulant dans l’émetteur est donné par la relation : ( )BTATqCemetteurP −=ρ [m3/s)

6.3.6.2 Générateur La puissance du générateur doit être supérieur à la somme des puissances de l’ensemble des émetteur du réseau.

∑×= iemetteurPgenP 2.1 [W]

6.3.6.3 Dimensionnement hydraulique Cette étape permet de choisir la pompe de circulation à installer et d’équilibrer l’ensemble des boucles de distribution. Il s’agit d’un calcul de perte de charge. Principe du calcul :

1. Détermination de la perte de charge du circuit le plus défavorisé. Pour cela, il est nécessaire de choisir à priori des diamètres pour les tubes. Le choix de se fait sur la base d’une perte de charge linéique économique,(jéconomique = 10 mm eau/m - petites installations)Choix de la pompe de circulation à partir du couple (débit, charge).

3. Calcul des pertes de charge des autres boucles et équilibrage des circuits. 1 – Pdc circuit défavorisé : rappel d’hydraulique. Pertes de charge linéaires

59

V Pe Ps

D l

2gV

DlΛJ

2⋅=Pe - Ps = J Ps < Pe

lPP

lJj se −

==


Pertes de charge singulières

2g ζZ v2

⋅=

ζ− module de perte de charge singulière (déterminé expérimentalement, valeurs tabulées en fonction de la singularité)

perte de charge linéaire du tronçon perte de charge singulière du tronçon perte de charge totale du tronçon Z+=∆ JHi

perte de charge totale du circuit le plus défavorisé ∑=

∆=n

iitot HH

1

2 - choix de la pompe

∆Htotale

H (m eau)

Q (l/h)Qinstallation

point de fonctionnement

3 – équilibrage

∆HBS1C = ∆HBS2C Pour obtenir la même perte de charge dans chaque boucle du réseau, un robinet de réglage est placé sur chaque circuit, en général en sortie de radiateur.


Des abaques indiquent la perte de charge générée par le robinet en fonction du nombre de tour de fermeture de l’obturateur.

L’équilibrage du réseau est une condition indispensable au bon fonctionnement de l’installation.


6.4 Chauffage aéraulique Le fluide caloporteur est de l’air. Centrale de traitement d’air Principalement utilisé dans le tertiaire, ce système permet la production de chaud (fonctionnement hiver) et du froid (fonctionnement été). En plus d’assurer le contrôle de la température intérieure, il permet également d’agir sur l’humidité de l’air (humidificateur). Utilisation : tertiaire quand il est nécessaire de chauffer et de rafraîchir, assure un bon niveau de confort. Générateur d’air chaud Apparareil autonome pouvant être équipé de bruleurs fioul ou gaz, ils sont principalement utilisés pour le chauffage des grands volumes : atelier, salles de sport, …


6.5 Chauffage solaire La prise de conscience récente des effets de l’activité humaine sur le réchauffement de la planète a insufflé un second souffle à l’utilisation des énergies dites renouvelables et à l’utilisation de l’énergie solaire dans le secteur du bâtiment. La principale utilisation de l’énergie solaire sous forme thermique reste la production d’eau chaude sanitaire (ECS). Il existe néanmoins des installations de chauffage utilisant pour partie l’énergie solaire. Le déphasage tant journalier que saisonnier entre la disponibilité de cette énergie et les besoins en énergie pour le chauffage d’un bâtiment conduit à utiliser cette énergie combinée avec un autre système de production, par exemple capteurs solaires associés à uen pompe à chaleur. Par ailleur, l’utilisation de cette énergie nécessite l’emploi d’installation à très basse température (plancher chauffant).

Systèmes innovants : Double peaux, capteur PV-T


7 CHAUFFAGE A DISTANCE

7.1 Généralités

7.1.1 Présentation Le chauffage à distance alimente à partie d'une chaufferie centrale un grand nombre de bâtiments ou de postes d'utilisation. Il peut assurer la couverture des besoins de chauffage, mais aussi de l'eau chaude sanitaire et des besoins de chaleur pour des processus de fabrication. Il est utilisé pour les grandes usines, les zones industrielles, les hôpitaux très étendus, les zones urbaines denses. Les fluides utilisés sont la vapeur, l'eau surchauffée, l'eau chaude;

7.1.2 Situation actuelle En 1997, en France, il existait 375 réseaux de chaleur pour une puissance installée de 18298 MW (15 tranches nucléaires) et 3 000 000 d'équivalent logements chauffés. Pour une consommation d’énergie primaire de 2,77Mtep (hors électricité)

La consommation d'énergie s'est élevée à 2,77 millions de tonnes équivalent pétrole qui se répartissent sensiblement en :

64


Gaz 28% Fuel lourd 24% Charbon 22% Chaleur récupérée sur résidus urbain 19% Géothermie 3% Chaleur récupérée industrielle 3% Fuel Domestique 1%

Les principaux réseaux sont :

PARIS 4000 MW GRENOBLE 500 MW LYON VILLEURBANNE 400 MW CHAMBERY 225 MW

Nature du fluide de distribution de la chaleur Dans le monde de nombreux pays ont développé des réseaux de chauffage, citons:

R.F.A. : 2 à 3 fois la puissance installée en France DANEMARK : 35 % de la chaleur des locaux fournies par le chauffage urbain PAYS DE l'EST : Le réseau de Moscou est 13 fois plus grand que celui de Paris.

Le premier secteur utilisateur est celui de l'habitat. Deux axes de développement qui peuvent être complémentaires se dégagent. - La production combinée d'électricité et de chaleur. - L'incinération des ordures ménagères. En terme de coût, le niveau est comparable à celui d'un chauffage collectif classique.


66

7.2 Eléments constitutifs particuliers

7.2.1 Chaufferie Le principe de réalisation reste identique à celle d'une chaufferie de chauffage central. C'est la taille qui fait la différence. Le générateur peut produire de la vapeur (de plus en plus rare) de l'eau surchauffée ou de l'eau chaude. eau surchauffée (~ 180° à 220°) eau chaude (< 100°C) Sur le plan de la conception, il faut:

- fractionner la puissance, habituellement 3 chaudières + 1 pour été, (fiabilité, meilleur rendement) - Obtenir un débit d'eau constant dans chaque chaudière (fiabilité) un débit d'eau variable dans le réseau (économie d'énergie)

d'où le schéma de principe simplifié ci dessous:

7.2.2 Réseau

7.2.2.1 Les différents types La forme du réseau dépend de la situation des principaux consommateurs de chaleur, de la densité des besoins de quartier desservi, et de la disposition des voies de communication. On rencontre : (voir figure) Les réseaux à mailles : coûteux conduites courtes grande sécurité du point de vue fourniture de la chaleur

Réseau à mailles


67

Les réseaux en boucle: sécurité du point de vue fourniture de la chaleur

Réseau bouclé

Les réseaux ramifiés: ils nécessitent de gros diamètres pour la conduite principale.

Réseau ramifié


68

7.2.2.2 Réalisation du réseau primaire En général, il est enterré, il comporte deux tubes (1 aller et 1 retour). Il doit être capable d'assurer le transport du fluide caloporteur. Son dimensionnement se fait par un calcul classique de pertes de charges. Les points suivants sont à considérer: Le réseau doit être capable d'absorber la dilatation. Elle est d'environ 10cm par 100m par écart de 100°C, il est nécessaire de prévoir des lyres ou des compensateur de dilatation. Les caniveaux doivent être drainés. L'isolation des conduits doit être soignée et durable dans le temps. Prévoir sur les canalisations des purgeurs, des séparateurs de boues, des filtres des vannes d'isolement, robinets à vannes à soupapes et à boisseau. Pour les réseaux vapeur il est nécessaire de prévoir des dispositifs de purge d'eau et de retour des condensats. La solution b) permet de diminuer le nombre de postes de purge.

7.2.3 Sous station C'est au niveau de la sous station que se situe le raccordement entre le réseau primaire et le réseau secondaire. Les sous stations sont réparties en trois classes selon leur puissance calorifique.

1ère classe P > 5 000 000 Kcal/h 2ème classe 60 000 < P < 5 000 000 Kcal/h 3ème classe P < 60 000 kcal/h

Les plus courantes sont les stations de 2è classe Leur conception est définie dans les DTU. Sous station d'échange (DTU 65.11) les tuyauteries du réseau primaire doivent être si possible extérieurs aux bâtiments, Il est interdit de placer la sous-station dans les caves, avec les machineries d'ascenseurs, dans les locaux EDF-GDF, avec les vides ordures, Il doit être possible d'isoler la sous station de l'extérieur, Il ne doit pas avoir de canalisation étrangère dans la sous station. Pour les sous stations de 1ère et de 2ème classe: Ventilation haute 16dm² mini avec 8dm² en plus par tranche de 1000th/h basse même section Portes ouverture vers l'extérieur des locaux Pour les sous stations de 1ère classe: Plancher: béton 20cm mini ou matériau de résistance mécanique équivalente, Distance: plus de 10m des bâtiments de la façade des bâtiments voisins, Zone d'isolement: clôturée de 2m au moins autour de l'accès de la sous station. Pour les sous stations de 2ème classe Paroi: mur briques pleines 11cm ou matériau de résistance mécanique équivalente, Plancher haut: degré coupe feu 2h, Cuvette de rétention: 0.40m de profondeur et 5m3 au moins de capacité si P<2000th/h 10m3 au moins de capacité si P>=2000th/h Puisard: avec pompe à commande manuelle - sans connexion avec l'égout public, Accès extérieur: accès direct obligatoire de l'extérieur, si escalier extérieur, porte et garde corps l'isolant de l'extérieur, Ventilation haute: débouché à une distance d'au moins 2.5m de toute baie ouverte, porte ou orifice de ventilation.


7.2.3.1 Echangeurs Echangeurs à épingle

Echangeurs à plaque

Bouteilles de mélange


7.2.3.2 Raccordement et régulation

Principe de raccordement à un réseau eau chaude surchauffée

Principe de raccordement à un réseau de vapeur Régulation par vanne 3 voies, Comptage de l'énergie consommée par mesure du débit de condensat


7.3 La Cogénération

7.3.1 Principe Les centrales classiques de production d'électricité ont comme particularité de rejeter des quantités de chaleur importantes dans le milieu naturel. Le rendement de ces centrales est relativement bas de l'ordre de 33% en tenant compte des pertes d'énergie à la production et sur le réseau de distribution. Une unité de production combinée va utilisée la vapeur haute pression pour produire de l'électricité par détente dans une turbine solidaire d'un alternateur et de la chaleur pour desservir un réseau de chaleur via un échangeur. Les schémas de principe des deux cycles sont présentés sur la figure ci-dessous. La comparaison des deux systèmes fait apparaître une économie d'énergie primaire d'environ 20% Par extension on appelle cogénération, un système conduisant à récupérer la chaleur disponible sur un groupe électrogène fonctionnant au fuel ou au gaz, sur les gaz d'échappement ou sur le circuit de refroidissement d'un moteur. Selon le type d'installation, c'est l'électricité qui est considérée comme sous produit de la production de chaleur. C'est le cas des réseaux de chauffage urbain ou de toutes installations qui doit produire d'abord de la chaleur. (Industrie, chauffage bâtiment) Dans le cas contraire l'installation produit de l'électricité principalement et alimente en second lieu un réseau de chaleur. La production combinée insérée dans un réseau de chaleur conduit à produire de l'électricité des températures extérieures. Le développement de la production combinée accompagnent la fourniture de chaleur dans les réseaux, peut répondre partiellement, à l'augmentation de la demande de point annuelle sur le réseau EDF.

7.3.2 Rendement


Pour une machine à vapeur idéale, le cycle théorique est donné sur la figure ci-dessous (cycle Rankine-Clausius)Le travail mécanique récupérable est proportionnel à la surface 1-2-3-4-5 et la chaleur produite Q est proportionnelle à la surface 1-6-7-3-4-5 le rendement thermique de la production de force matrice est égal au rapport de ces deux surfaces.

1 2

1 3th

H HWQ H H

η −= =

−

H1 enthalpie à l'entrée de la machine H2 enthalpie à la sortie de la machine H3 enthalpie à la sortie du condenseur

En production de force motrice seule, la quantité de chaleur H2 - H3 évacuée au condenseur est perdue, dans le cas de la cogénération elle est en partie utilisée ce qui permet d'augmenter le rendement.

Pression initiale p1 atm 10 20 50 100 150 Contre pression

p2 (atm) Température de la

vapeur t1 (°C) rendement

%

0.04 400 32.3 35.2 38.9 41.2 42.3 500 34 36.8 40.3 42.6 44

1.0 400 19.2 23.3 28.3 31.7 33.3 500 20.8 25.1 30 33.3 35.1

7.3.3 Raccordement Le schéma le plus simple est celui d'une turbine à contre-pression avec raccordement d'un réseau de vapeur. La turbine est placée entre les étages de pression P 1 et P 2 (P1 > P2 ). Le réseau de chauffage à distance est raccordée sur le niveau de pression P2 . En cas de besoin de vapeur sur le réseau de chauffage un raccordement supplémentaire direct de l'étage P1 à l'étage P2 . est prévue pour admettre de la vapeur détendue directement dans le réseau. Dans le cas ou la quantité de vapeur demandée pour les besoins de chauffage est insuffisante pour la production d'électricité, on installe alors des machines mixtes à condensation et soutirage (voir figure)


8 POMPE A CHALEUR (PAC)

8.1 Principe L’énergie nécessaire au chauffage est prélevé sur le milieur naurel (air, eau, sol) dont la température est inférieure à la température moyenne de la boucle de chauffage. La chaleur s’écoulant naturellement du chaud vers le froid, il est nécessaire d’apporter de l’énergie au système (la PAC) pour réaliser ce transfert d’énergie.

Source chaude (Tc)Source froide (Tf)

La majorité des pompes à chaleur actuellement installé fonctionne selon un cycle thermodynamique à compression. Le fluide frigorigène circulant dans la PAC assure le transfert de la chaleur de la source froide vers la source chaude.

Haute pression Basse pression

Vapeur

Liquide


Evaporateur

Compresseur

Condenseur

Détendeur

Représentation du cycle sur un diagramme enthalpie-pression

8.2 Coefficient de preformance La caractéristique principale d’une pompe à chaleur est son efficacité, appelé coefficient de preformance. Ce coefficient est le rapport de l’énergie récupérée à la source chaude sur l’énergie dépensée par le système.

paieonlqueCerécupèreonlqueCeE

''

= Plusieurs coefficient de preformance peuvent être définis selon les gandeurs utilisées, citons :

c

fsourcesth

TTE

−=

1

1_

Le coefficient de performance théorique des sources : Rq : si Tc -> Tf, Eth_sources tend vers l’infini. Dans la réalité, plus les niveaus de température respectifs des sources sont proche, meilleur est le coefficient de performance de la PAC

élec

chaudPAC P

PE = Le coefficient de performance de la PAC :

∑∑

=

annéeélec

annéechaud

PAConInstallati E

EE _

Le coefficient de performance annuel de l’installation : Selon la nature des sources les coefficients de performance des PAC sont compris entre 2,5 et 4,5.


8.3 Les différents types de PAC Les PAC sont généralement classés selon la nature du fluide des sources froide et chaude.

Source chaude Air Eau

Air Air/Air Air/Eau Eau Eau/air Eau/EAu Source Froide Sol Géothermique

8.3.1 PAC air/air Intérêt: Source froide facile d’accès Si réversible, rafraîchissement l’été Inconvénient: COP chute si Text trop bas Pb de givre => chute du COP global Nécessite en général un appoint

8.3.2 PAC air/eau Intérêt : Source froide facile d’accès Si réversible, rafraîchissement d’été possible avec plancher rafraîchissant Stockage possible Inconvénient: COP chute si Text trop bas Pb de givre => chute du COP global Nécessite en général un appoint


8.3.3 PAC eau/eau

76

Intérêt: COP élevé

Si réversible, rafraîchissement d’été possible avec plancher rafraîchissant

Stockage possible Inconvénient: Nécessité de disposer d’une source froide PAC sur nappe phréatique

Schéma de principe du puisage dans le nappe


8.3.4 PAC géothermique Source froide: sol Source chaude: eau ou air Intérêt:

Source froide facile d’accès Si réversible, rafraîchissement d’été possible avec plancher rafraîchissant Stockage possible

Inconvénient:

Coût élevé pour le forage Maintenance ?

Deux techniques sont utilisées :

1. Captage superficiel – l’échangeur est disposé dans le terrain à une profondeur d’environ 1,2m

Eléments de dimensionnement : Écartement des tubes: 0,7 à 0,8m Longueur de tuyau

Q0 puissance frigorifique de la pompe q puissance d’extraction q = 0.010kW/m sol sablonneux sec q = 0.020kW/m sol argileux sec q = 0.025kW/m sol argileux humide q = 0.035kW/m sol argileux saturé

qQl 0=

élecPAC PPQ −=0

2. Sonde géothermique – l’échangeur (en épingle) est installé dans un forage profond (entre 100 et 150m)

Schéma de principe d’une pompe géothermique


Ce type d’installation peut être associé à des capteurs solaires pour favoriser la recharge du sol.

8.3.5 PAC associé à des capteurs solaires


79

CHOIX D'UN SYSTEME DE CHAUFFAGE Points à considérer (vis à vis du système) - Energie électrique est la plus coûteuse et son utilisation par effet Joule conduit à un rendement de 1/3 par rapport à la consommation d'énergie primaire. - Investissement pour le CEI par convecteur est le plus bas du marché. - Plancher chauffant électrique: utilisation de la tarification nuit, bonne solution comme chauffage de base. - Chauffage par convecteur électrique: régulation et programmation facile ( ou rendement de régulation ) - Système PAC plus coûteux en investissement mais onéreux à l'utilisation Solution intéressante dans le cas d'un rafraîchissement des locaux en été : - Combustibles fossiles: source d'énergie la moins onéreuse. -Chauffage aéraulique peu inerte, bien adapté à l'intermittence -Dalles chauffantes: Solution intéressante pour les grands volume. mais intermittence plus difficile -Chauffage central permet une adaptation à une autre source d'énergie: Points à considérer vis à vis de la fonction du bâtiment. - Inertie du bâtiment - Intermittence - Chauffage seul ou chauffage et climatisation - Situation locale vis à vis des sources d'énergie. - Problème de maintenance de l'installation.


80

9 ELEMENTS DE BIBLIOGRAPHIE

9.1 Site WEB :

Les principaux fabricants de matériel disposent d’un site web. Pour y accéder le plus simple est de consulter le portail xpair : http://www.xpair.com/

D’autres sites intéressants http://www.france-air.com/http://www.edf.com/http://www.rt2000.net/http://www.gdfsuez.com/FR/fr/ Sur le site de Doc INSA : http://docinsa.insa-lyon.fr/portail-voir-1.php vous pouvez consuter le i-Reef (CSTB) qui contient entre autres, la RT2000 et les DTU.

9.2 Ouvrages

− La pompe à Chaleur – J.Bernier – Pyc édition

− Plancher chauffant-Rafraîchissant – P.Fridmann – Editions parisiennes

− Equilibrage thermo-hydraulique des installations de chauffage – P.Fridmann - Editions parisiennes

− Chaufferie Aide-mémoire

− Chaufferies et mini-chauffries collectives – T.Pelet - Editions parisiennes

− Ventilation des bâtiments – CSTB

− Le Recknagel – Manuel pratique du génie climatique - T1&2

− Chauffage urbain, réseaux de transport et distribution de chaleur ou de froid, particularités des postes de pompage (Norme NF E39-005 Juin 2002)


http://www.xpair.com/

http://www.france-air.com/

http://www.edf.com/

http://www.rt2000.net/

http://www.gdfsuez.com/FR/fr/

http://docinsa.insa-lyon.fr/portail-voir-1.php

batiment et energie : chauffage

Documents