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Le chauffage central


3. Chauffage central :
Les dispositifs de chauffage central furent conçus par les Romains. Il n’est guère possible de démontrer qui, longtemps avant notre ère a été le premier à exécuter des installations de chauffage par le sol... On a bien découvert des canaux disposés sous les sols du palais des Rois de l’Arzawa, en Anatolie, construit vers 1200 avant J. C. Des découvertes similaires ont été faites au nord de la Chine et au Tibet à travers une sorte de chauffage intégré sous les lits de repos. Au début du XIXe siècle, le chauffage centralisé à l’eau chaude. Le premier système employa, à petite échelle, un type de central efficace, mis au point en 1835, était à air chaud. Le chauffage à la vapeur fut inventé vers 1850.

3.1 Principe :
Les systèmes de chauffage central fournissent de la chaleur à partir d’une ou de plusieurs chaudières à un seul bâtiment ou à un groupe d’habitations. Le terme chauffage urbain s’applique aux systèmes dans lesquels un grand nombre d’immeubles sont alimentés en vapeur par une salle de chaudières centrale gérée par un service public. La chaleur est véhiculée par la vapeur d’eau, l’eau chaude ou l’air (fluides caloporteurs), par effet de thermosiphon — circulation naturelle due à des différences de densité, ou par des moyens mécaniques —, circulateur ou pompe (circulation forcée). La chaleur est ensuite transmise par convection à des éléments tubulaires, les corps de chauffe (radiateurs ou convecteurs).

3.2 Installations :
Les systèmes à eau chaude ou à vapeur sont constitués d’une ou de plusieurs chaudières, générateurs de vapeur d’eau ou d’eau chaude, reliées aux corps de chauffe, qui sont connectés entre eux. Les installations à air chaud ne sont pas équipées de corps de chauffe.
3.3Chaudières
Les chaudières des systèmes de chauffage sont en général alimentées par des combustibles, tels que le fioul, le gaz, électrique, le bois ou le charbon. En brûlant, le combustible chauffe des pièces métalliques, qui transfèrent la chaleur à de l’eau, de la vapeur ou même de l’air. Le fonctionnement de la plupart des chaudières est contrôlé automatiquement et à distance par des thermostats. Dans les chaudières au fioul et au gaz, la chaleur est régulée par des brûleurs, qui peuvent être asservis par un thermostat. Les chaudières à combustibles solides présentent un inconvénient : on doit les alimenter en combustible assez fréquemment. En outre, l’évacuation des cendres du chargeur ou du foyer est indispensable. Le foyer de combustion et la chaudière sont généralement enfermés dans une enveloppe isolée.

3.4 Système à air chaud :
Le système à air chaud le plus simple est constitué d’un foyer et d’un tuyau d’évacuation pour le gaz rejeté, tous deux situés dans une enveloppe de tôle. Le dispositif est également équipé de conduits menant aux différentes pièces. Pour assurer une circulation naturelle de l’air chaud qui tend à s’élever, la chaudière est en général installée au sous-sol de la maison (circulation naturelle). L’air froid, provenant de l’intérieur ou de l’extérieur de la maison, est admis dans un compartiment situé entre le foyer et l’enveloppe, puis est chauffé par contact avec les surfaces très chaudes de la chaudière. En général, celle-ci est équipée d’une cuve d’eau, sur laquelle l’air chaud passe pour être humidifié avant de circuler dans la maison. Après avoir été chauffé, l’air est amené par les conduites jusqu’aux grilles ou registres individuels (plaques mobiles), situés dans chaque pièce. Les grilles ou registres sont ouverts ou fermés pour contrôler la température des pièces. Contrairement aux systèmes de chauffage à eau chaude ou à vapeur, celui à air chaud ne nécessite pas de radiateurs
Circulation de l’air
Le problème principal dans les systèmes à air chaud est l’obtention d’une circulation d’air adéquate. Pour chauffer convenablement une maison, les conduites d’air chaud doivent avoir un diamètre relativement grand. Elles doivent être connectées à la chaudière et être correctement isolées pour éviter les pertes de chaleur.
Dans un système à air pulsé (circulation forcée), un ventilateur ou un souffleur d’air est placé dans l’enveloppe de la chaudière. Un tel système assure la circulation d’une grande quantité d’air, même dans des conditions défavorables. Des filtres à poussière peuvent être installés pour nettoyer l’air. Lorsqu’ils sont associés à des éléments refroidissant, humidificateurs et déshumidificateurs, les systèmes à air pulsé sont efficaces pour le chauffage et le refroidissement.

3.5 Systèmes à eau chaude :
Les installations de chauffage central à eau chaude sont constituées d’une ou de plusieurs chaudières (murales, basse ou très basse température, sol, à cheminée, à ventouse, à condensation) connectées à des corps de chauffe, en général des radiateurs. L’eau chaude, générée par la ou les chaudières, est amenée par des tuyaux jusqu’aux corps de chauffe dans les différentes pièces. Les installations à eau chaude, les plus utilisées, permettent de contrôler facilement la température du fluide caloporteur en fonction des conditions extérieures.
Corps de chauffe
Les corps de chauffe sont des unités d’émission de chaleur, qui diffusent dans les pièces la chaleur produite par un système de chauffage. Ce sont des radiateurs, des convecteurs, des panneaux rayonnants ou des plinthes chauffantes, planchers chauffants, murs chauffants, plafonds chauffants, aérotherme. Ils peuvent être régulé par des vannes thermostatiques ou des thermostats d’ambiances. Les radiateurs ordinaires sont constitués d’une série de grilles ou d’anneaux en fonte ou de fonte d’aluminium, de superficie totale relativement importante. 30 à 40 % de la chaleur est cédée à la pièce par rayonnement, le reste, par convection naturelle. Les convecteurs sont composés d’un réseau de tubes plats en acier ou en métal non ferreux. Ils sont placés dans des appareils clos, conçus pour permettre une circulation de l’air. Ainsi, la chaleur est fournie en grande partie par convection, en général forcée. En effet, les magasins, les entrepôts et les usines sont souvent équipés de ventilateurs électriques (ventilo convecteur) qui véhiculent l’air vers les convecteurs.
Chauffage par rayonnement
La chaleur est fournie en partie par rayonnement dans tous les systèmes de chauffage direct. Cependant, le terme chauffage par rayonnement s’applique couramment aux systèmes de panneaux rayonnants, dans lesquels les planchers, les murs ou les plafonds servent d’unités d’émission de chaleur (ce fut le cas, jadis, dans les hypocaustes romains). Lors de la construction du bâtiment, des tuyaux, où circulent de la vapeur ou de l’eau chaude, sont placés dans les murs ou dans les sols. Contrairement au chauffage qui emploie des radiateurs ou des convecteurs, le chauffage par rayonnement assure une température uniforme de l’air des pièces, avec un coût de fonctionnement relativement bas. Le panneau se différencie des autres corps de chauffe par l’étendue et la basse température de sa surface. Ainsi, les dispositifs à panneaux sont dits à chaleur diffuse.

Distribution de l’eau
Il existe des systèmes à un ou deux tuyaux. Dans le premier dispositif, l’eau, pénétrant par le côté d’alimentation de la canalisation principale dans chaque corps de chauffe, circule dans ceux-ci et est évacuée par le même tuyau. Ainsi, l’eau se refroidit en s’éloignant de la chaudière. Par conséquent, pour fournir la même quantité de chaleur, les corps de chauffe les plus éloignés de la chaudière doivent avoir des dimensions supérieures à celles des autres radiateurs. Le système à deux tuyaux est muni d’une canalisation servant au départ de l’eau chaude de la chaudière vers les radiateurs, et d’une autre pour le transport du fluide des radiateurs à la chaudière. Ce dispositif est par conséquent plus efficace et plus facile à contrôler que le précédent. La distribution de l’eau dans les corps de chauffe peut s’effectuer par la partie supérieure de l’installation (distribution en parapluie) : les canalisations d’amenée sont alors placées dans les combles, et celles de retour, dans le sous-sol. L’installation peut également fonctionner avec une distribution inférieure : les canalisations d’amenée et de retour sont placées dans le sous-sol. C’est actuellement le système le plus répandu. Dans les deux dispositifs, un vase d’expansion, ouvert ou clos, est nécessaire pour compenser les variations de volume de l’eau. Le circuit est ouvert ou fermé, selon que le vase d’expansion, situé au sommet de l’installation, est en communication ou non avec l’atmosphère. Dans le premier cas, le dispositif est à basse pression ; dans le second cas, il est à haute pression ou à eau surchauffée, et est employé pour chauffer des locaux de grande superficie ou pour véhiculer la chaleur sur des distances importantes.
Circulation de l’eau
Dans les systèmes à basse pression, la circulation de l’eau était autrefois provoquée par une différence de densité (circulation naturelle). Dans un tel système, les corps de chauffe (radiateurs) sont placés au-dessus de la chaudière. Ce dispositif nécessite un grand volume d’eau, ce qui implique une grande inertie et une longue mise en régime. De plus, on peut difficilement réguler son fonctionnement. Dans les dispositifs à circulation forcée, la circulation est régie par une pompe qui accélère le mouvement du fluide. Ce système est plus facile à utiliser que le dispositif précédent ; il nécessite également moins d’eau (inertie moins grande) et des tuyaux de diamètre inférieur.
3.6 Systèmes à vapeur :
Le chauffage central à vapeur utilise le principe suivant : lorsque la vapeur d’eau se condense, elle dégage de la chaleur due à son refroidissement, ainsi que des calories provenant de sa transformation en eau (chaleur latente).
Les installations sont semblables à celles du chauffage central à eau chaude : on trouve des systèmes à basse pression (seuil réglementaire de 0,5 bar en France) et à haute pression (supérieur de 1 à 2 bars à la pression atmosphérique). La vapeur à haute pression est rarement admise dans les corps de chauffe (réglage difficile, écoulement bruyant, danger en cas de fuite). En fait, on l’utilise surtout pour le transport de la chaleur à longue distance, comme pour le chauffage urbain, un détendeur permettant ensuite de passer à de la vapeur basse pression, distribuée dans les bâtiments à chauffer.
Les deux aménagements, à un et à deux tuyaux, sont employés pour la circulation de la vapeur et pour le retour de l’eau formée par condensation vers la chaudière. Il existe trois types principaux de dispositifs à vapeur : systèmes à prise d’air, par vaporisation et systèmes à vide, ou à pompe mécanique.

Système a prise d’air
Le système à évent (canal d’aération) à un tuyau utilise la gravité pour provoquer l’écoulement du condensat du corps de chauffe vers la chaudière. C’est le système le moins coûteux à installer, mais les tuyaux doivent avoir un diamètre assez important pour recevoir simultanément la vapeur et le condensat. Les prises d’air de chaque radiateur permettent l’évacuation de l’air éjecté hors du radiateur par la vapeur pendant la période de réchauffage et au cours du fonctionnement.
Système par vaporisation
Le système par vaporisation est équipé de deux tuyaux. La vapeur pénètre dans le corps de chauffe par une soupape d’admission. L’air et le condensat sont amenés vers le tuyau de retour par un purgeur de vapeur situé sur le corps de chauffe. Le condensat est réintroduit dans le radiateur, et l’air est évacué par une bouche d’aération centrale située au sous-sol ou, dans les plus grandes installations, par des bouches d’aération associées à chaque secteur chauffé. Un système par vaporisation, bien que plus coûteux à installer que le système à un seul tuyau, est plus économique, car il peut fonctionner sur un cycle de basse combustion et requiert ainsi moins de combustible.

Système sous vide
Les systèmes de chauffage sous vide sont semblables aux systèmes de chauffage par vaporisation. Chaque radiateur est équipé d’une soupape d’admission et d’un purgeur de vapeur. Les systèmes sous vide sont, en plus, équipés d’une pompe à vide dans la canalisation de retour. Celle-ci maintient un vide partiel dans le dispositif : la vapeur, l’air et le condensat circulent ainsi plus facilement. Le condensat et l’air retournent vers un point central, où le condensat est aspiré et renvoyé vers la chaudière, puis l’air est évacué à l’extérieur. Dans un système sous vide total, il n’est pas nécessaire de réinjecter le condensat par gravité. Les radiateurs peuvent par conséquent être indifféremment situés au-dessus ou sous la chaudière.

3.7 Chauffage solaire :
Énergie solaire
Pendant la journée, la surface de la Terre reçoit une quantité importante d’énergie solaire (environ 0,9 kW/h/m2). L’énergie reçue varie avec l’heure du jour, l’époque de l’année, la latitude, la couverture nuageuse de l’atmosphère et la direction de la surface absorbante par rapport au Soleil. Il s’agit d’une énergie renouvelable, d’origine naturelle et inépuisable. Elle peut suffire pour chauffer un bâtiment bien conçu, à condition que ce dernier soit équipé d’une surface absorbante suffisante, et qu’on puisse stocker suffisamment de chaleur pour alimenter le bâtiment pendant les périodes d’obscurité et de mauvais temps.

Installations
En général, on place des panneaux solaires sur le toit, ainsi que des circuits dans lesquels circule un fluide (eau, air, ammoniac). Le fluide caloporteur, généralement de l’eau, chauffé par le Soleil, s’écoule ensuite vers des réservoirs ou des bassins isolés dans la maison. Cette eau fournit la chaleur au bâtiment. Dans des climats plus froids, une source de chaleur supplémentaire est souvent prévue. Certains systèmes à chauffage solaire fonctionnent avec succès dans de nombreux pays, en particulier dans les régions où le climat n’est pas excessivement froid. Une bonne répartition du vitrage dans une maison peut également réduire considérablement les besoins de chauffage par effet de serre. Il existe d’ailleurs des systèmes qui n’utilisent que des verrières et une pompe à chaleur. Les habitations du Milton Keynes Energy Park, dans le sud de l’Angleterre, sont toutes alimentées par l’énergie solaire. Plus récemment, des panneaux solaires composés de cellules photovoltaïques ont été utilisés pour produire de l’électricité, permettant d’alimenter un chauffage électrique intégré ou de chauffer de l’eau redistribuée dans l’habitation. Les expériences de fours solaires (collecteur solaire à concentration optique), dans lesquels le rayonnement solaire est focalisé sur un corps noir à l’aide d’une série de miroirs éventuellement mobiles, n’ont pas, jusqu’à présent, été concluantes du fait de leur coût d’installation et d’entretien. On distingue les systèmes de chauffage solaire « naturels » (ou passifs) et les systèmes « mécanisés » (ou actifs). Les premiers font appel à des moyens naturels de transmission de l’énergie, comme la convection, la conduction et le rayonnement ; les seconds emploient des dispositifs mécaniques, tels que des pompes ou des ventilateurs.
3.8 Chauffage thermodynamique :
Le chauffage thermodynamique emploie une pompe à chaleur, ou thermopompe, dispositif conçu pour chauffer ou refroidir une pièce, les mécanismes de ces deux procédés étant semblables. Au lieu de fournir de la chaleur, comme le ferait une chaudière, la pompe extrait et transporte la chaleur d’un endroit à un autre. C’est une machine frigorifique qui fonctionne en quelque sorte à l’envers. Un liquide réfrigérant est envoyé dans un serpentin situé à l’extérieur de la zone à chauffer. Le réfrigérant est très froid : il se vaporise en absorbant la chaleur de l’air extérieur, du sol, de l’eau de puits ou de toute autre source plus chaude (échange eau - air eau - eau) . Le liquide réfrigérant vaporisé est ensuite véhiculé vers un détendeur qui abaisse sa pression, puis est injecté dans un condenseur, où il libère de la chaleur par condensation. Il est enfin amené vers un compresseur, où il est totalement liquéfié et où sa température est abaissée, avant d’être réintroduit dans le cycle par le serpentin extérieur. Pour climatiser un espace, des vannes inversent le sens de l’écoulement : le réfrigérant transporte la chaleur de l’intérieur vers l’extérieur. Comme les chaudières, la plupart des pompes à chaleur sont régulées par des thermostats. Dans la plupart des pompes à chaleur, l’air atmosphérique sert de source de chaleur. Cela est difficile à réaliser dans les zones où les températures hivernales sont souvent inférieures à 0°C : élever la température et la pression du réfrigérant devient problématique. On peut alors utiliser la pompe à chaleur géothermique. Pour un fonctionnement économique du chauffage, la quantité de chaleur libérée doit être supérieure au double de celle absorbée. On trouve les systèmes de pompe à chaleur dans les résidences, les édifices commerciaux ou les écoles.
3.9 Géothermie :
Géothermie, science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre. La géothermie tente d’intégrer les données géophysiques, géochimiques et géologiques dans des modèles, afin de reproduire et de comprendre la mécanique thermique de la croûte terrestre. Son application pratique principale est la recherche de concentrations naturelles d’eau chaude, utilisées pour produire de l’électricité, comme moyen de chauffage ou comme source de chaleur dans certains procédés industriels.
Historique
Les sources chaudes sont utilisées depuis l’Antiquité pour leurs vertus thérapeutiques ou comme moyen de détente. Les premiers immigrants d’Islande transportaient l’eau des sources chaudes jusqu’à leurs abris à l’aide de conduits de bois. L’utilisation rationnelle des sources d’eau chaude naturelle n’apparut que plus tard. Le premier réseau connu de distribution de chaleur géothermique se situe en France à Chaudes-Aigues (Cantal). Un manuscrit datant de 1334 fait allusion à une distribution d’eau chaude naturelle dans les maisons de ce bourg. C’est d’ailleurs la source naturelle la plus chaude d’Europe (82°C). Dès cette époque, la distribution de l’eau chaude s’effectua à l’aide de tuyaux de bois de pin, creusés dans leur longueur à l’aide d’une longue tarière et emboîtés les uns dans les autres. En 1827, François Larderel, Français émigré en Italie, remplaça le bois de chauffage par la vapeur naturelle. Celle-ci étant insuffisante, Larderel entreprit en 1833 le premier forage géothermique pour obtenir davantage de vapeur à une température supérieure. Les travaux de Larderel furent poursuivis par le prince Pierro Conti en Toscane : en 1904, il alluma cinq ampoules électriques au moyen d’une dynamo entraînée par une turbine à vapeur géothermique.
3.10 Cogénération :

Dans le domaine de l’habitat, des progrès importants ont été réalisés en ce qui concerne le chauffage (matériaux isolants, nouvelle génération de chaudières, double vitrage) par contre les consommations d’énergie liées à la climatisation sont en hausse. Quant à la production d’énergie destinée au chauffage des habitats, une nouvelle technique - la cogénération - qui a un rendement énergétique encore plus élevé que celui des chaudières classiques (qui ont déjà un très bon rendement), se développe. L’idée est de produire - et d’utiliser - simultanément de la chaleur et de l’électricité. En effet, la combustion pure à un mauvais rendement et dans les systèmes classiques, lors de la production d’électricité (centrales thermiques ou nucléaires), la chaleur produite est dissipée dans l’atmosphère. Tout le monde connaît les tours de refroidissement des centrales nucléaires, typiques de ces installations, et qui servent à évacuer la chaleur inutilisée. On peut donc, à partir d’un système de cogénération, fabriquer de la chaleur tout en produisant simultanément de l’électricité qui peut être consommée immédiatement ou réinjectée dans le réseau électrique général. Ces systèmes peuvent être utilisés par les industriels, par les immeubles ou par les groupes d’immeubles. Dans ce dernier cas, la chaleur est distribuée localement par un réseau de chaleur. Il existe aussi des systèmes de cogénération de la taille d’une machine à laver à destination des particuliers. Le développement de ces techniques serait facilité si l’électricité produite pouvait être revendue au même prix que l’électricité achetée, ce qui est le cas aux USA. En France, en revanche, le producteur privé d’électricité - que l’origine de son électricité soit la cogénération, l’hydraulique, le vent ou le solaire - se heurte au monopole d’EDF qui refuse de lui payer correctement sa production. On peut espérer une évolution positive de la position d’EDF mis en concurrence dans le cadre européen. L’enjeu de cette évolution est de remplacer progressivement les mastodontes nucléaires ou thermiques par un réseau décentralisé de production de chaleur et d’électricité, avec un meilleur rendement à l’émission et moins de perte, car moins de distance à parcourir lors de la distribution.
Il est aussi nécessaire de dénoncer - du fait de la politique du tout nucléaire qui a conduit la France à avoir trop d’électricité - l’aberration française de soutien au chauffage électrique à très mauvais rendement énergétique. Alors que 60% des logements neufs sont équipés de chauffage électrique, on estime que la décision de supprimer ce mode de chauffage permettrait par les économies réalisées d’absorber pendant vingt ans toutes les demandes autres en énergie supplémentaire. Les convecteurs électriques sont subventionnés (à hauteur de 16000F/100m²2) et ils coûtent moins cher à installer que les chaudières au fuel ou au gaz. C’est l’usager (et non le propriétaire ou le promoteur) qui devra ensuite payer la facture. L’avantage global n’est donc franchement pas du côté du chauffage électrique d’autant plus qu’en France en hiver, les centrales nucléaires n’ayant pas la souplesse nécessaire de fonctionnement pour absorber les pointes de consommation, on remet en route les vieilles centrales thermiques polluantes. Le chauffage électrique n’est donc pas si propre que cela. Le Danemark, à l’opposé, a mis en place depuis quinze ans des réseaux de chaleur - 50% des habitats y sont reliés - fabriquée par cogénération ou énergies renouvelables (paille, biogaz, etc..) et a interdit le chauffage électrique. Les intérêts sont multiples : coûts moindres, maîtrise décentralisée de l’énergie, efficacité énergétique (moins de perte en ligne et meilleur rendement).
Un nouveau courant de l’architecture se développe, qui concilie techniques modernes et savoirs traditionnels, l’architecture bioclimatique. L’idée directrice est de penser en fonction du climat la structure des bâtiments et de la végétation afférente afin de minimiser les consommations d’énergie nécessaires pour garder la température intérieure dans la fourchette désirée. Améliorant des techniques connues depuis la Perse antique, on peut citer en exemple un immeuble de bureaux construit récemment à Harare au Zimbabwe qui a été conçue comme une termitière et qui est ventilée efficacement par des courants d’air provoqués par l’agencement des ouvertures de la structure extérieure. Ce bâtiment remarquable a par ailleurs coûté moins cher à la construction et consomme deux fois moins d’électricité qu’un bâtiment analogue. Outre ces réalisations rares mais spectaculaires, la moitié des maisons qui se construisent actuellement aux Pays-Bas sont d’ores et déjà bioclimatiques. Le marché est aussi très développé dans les autres pays germaniques : Suisse, Autriche, Allemagne et dans les pays nordiques. En Italie aussi, du fait d’une culture architecturale ancienne et raffinée, l’habitat bioclimatique est à l’honneur mais avec une approche esthétique qui capitalise les savoirs ancestraux. Ses voisins du Nord, en revanche, privilégient davantage le côté nature brute avec des matériaux peu travaillés, comme cet exemple de toits en pente recouverts de gazon.
Les gains sur la consommation énergétique avec ces différentes techniques peuvent à terme être appréciables mais la marge de manoeuvre à court terme est réduite. La croissance du parc existant est en effet faible et il est difficile de demander aux particuliers de procéder aux travaux de rénovation nécessaires. Une solution serait de parler du coût global d’un habitat ou d’un immeuble : construction et fonctionnement. En France, on ne connaît que deux opérations programmées faites à ce jour dans l’Aude et dans la Drôme et portant sur plusieurs centaines de logements. Il existe aussi quelques réalisations individuelles faites à l’initiative d’architectes et de propriétaires particulièrement motivés (par exemple la maison du dirigeant vert Yves Cochet ou celle réalisée vers Alençon par l’architecte environnementaliste Sonia Cortesse à l’intention d’un pianiste féru de cabanes canadiennes et d’intérieurs japonais, réalisation qui a obtenu le second prix Renov 99).
Une politique volontariste dans ce domaine peut être, sur plusieurs décennies, très payante. En ce qui concerne les pays en voie de développement, il apparaît astucieux qu’ils n’abandonnent pas trop vite l’ensemble des techniques traditionnelles de construction. Il existe encore des mariages intelligents de techniques à inventer, conciliant tradition et modernité.



Publié le mercredi 7 août 2002, par Alain Bordmann
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