Chauffage : produire et distribuer des calories de façon centralisée

Etre bien chez soi, l’hiver, est souvent synonyme de chauffage.

Si l’habitat est peu ou moyennement performant au plan thermique, il peut être nécessaire de produire beaucoup de chaleur pour compenser des pertes importantes.

Selon la taille, l’architecture, l’usage de la maison, lorsque c’est possible, il est simple et efficace d’utiliser des appareils qui, à la fois, produisent la chaleur et la diffusent.

Ceci a été abordé ici dans un autre article.

En cas de besoin de forte puissance de chauffe, ou plus encore, d’impossibilité à se limiter à un seul point de chauffe, il peut s’avérer pertinent de produire les calories avec un appareil et de les distribuer ensuite par des systèmes séparés, eux-mêmes alimentés en chaleur par un moyen de transport des calories.

Ces systèmes sont parfaitement adaptés aux habitats non compacts, particulièrement ceux distribués en étages ou dont les différents volumes sont séparés par des cloisons ou, plus encore, par des murs de refend.

Ils sont très pertinents dans le cadre d’habitats collectifs.

Le présent article est dédié aux systèmes de production de chaleur uniques (uniques dans le sens où on ne produit de chaleur qu’en un seul point pour, ensuite, la distribuer via des systèmes qui seront traités dans un article à suivre).

Nous y abordons non seulement la technique de ces équipements, mais aussi les sources de production de ces calories (l’énergie en amont).

Il fait suite à celui sur les principes du chauffage et concerne un des moyens de production des calories.

Chaudières

Nous abordons ici les appareils de production de chaleur qui, sauf fuite, ne diffusent pas eux-mêmes de chaleur. Celle-ci est transportée par tout moyen adapté là où elle doit être diffusée.

Chaudières à usage unique de chauffe

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Une chaudière

Une chaudière peut, souvent, à la fois produire de la chaleur pour le chauffage et pour la production d’eau chaude sanitaire.

Par souci de simplification, nous considérerons ici ces appareils exclusivement sous l’aspect chauffage de l’habitat.

Fonctionnement

Autrefois le rendement de ces appareils était assez moyen, à cause de combustions mal maîtrisées, non complètes et de la libération d’un peu d’eau passée de l’état liquide à l’état gazeux, ce qui représente une consommation d’énergie (changement d’état avec réaction endothermique).

Cette énergie liée à l’évaporation d’eau devient alors ce qu’on appelle une énergie latente (en cela que l’opération inverse libérera la même quantité d’énergie, mais dans l’autre sens : réaction exothermique).

Cette vapeur d’eau est évacuée avec les gaz de combustion. Ceux-ci se refroidissent au fur et à mesure de leur progression dans le conduit d’évacuation des fumées, ce qui provoque la condensation de la vapeur contenue. A cette occasion, l’énergie latente va être libérée. Une technique, parfaitement maîtrisée à ce jour, permet de la récupérer aux fins de chauffer un peu mieux : ce sont les chaudières dites “à condensation”. Ces dernières affichent des rendements nettement améliorés.

Elles concernent toutes les énergies susceptibles de relâcher de la vapeur d’eau (gaz, fioul, bois…).

Les chaudières de dernière génération font toutes appel à cette technique… En tout état de cause, et en cas de proposition d’une chaudière qui ne le serait pas, il faut lui en préférer une pourvue de cette technologie.

Energie fossile

La production de chaleur via une chaudière peut se faire en consommant divers types de combustibles.

Traditionnellement et au moins depuis les années 1960, la part des énergies fossiles était très importante. Ceci s’explique par des prix autrefois extrêmement bas et le côté très pratique de celles-ci : on se fait livrer et ça fonctionne tout seul pendant plusieurs mois !

Le choc pétrolier de 1973 a mis un frein à ces pratiques pour arriver à la situation actuelle de 2019 : incitation à l’abandon de … certaines de ces énergies. Pourquoi pas toutes ?

Le charbon

Les chaudières brûlant du charbon nous ramènent au temps de Germinal, des bougnats auvergnats et des petits ramoneurs savoyards. Ces temps sont révolus, les chaudières brûlant d’autres combustibles les ont supplantées. Il n’y a plus de risques de “smog” (du fait du chauffage) dans les grandes villes tel que ceci a été connu jusqu’au milieu du XXème siècle.

Le fioul domestique

L’énergie la plus utilisée dans le passé récent a été, pendant des années, le fioul domestique.

Le dérèglement climatique a provoqué des prises de conscience.

Le cumul du relâchement de CO2 piégé il y a des milliers d’années et celui des microparticules, l’ajout des NOx (particulièrement le protoxyde d’azote, N2O, puissant gaz à effet de serre ainsi que destructeur de la couche d’ozone; et le dioxyde d’azote, NO2, très impactant au plan santé et aussi une des causes de l’acidification des eaux de pluie), ont amené les autorités de tutelle à programmer la dépose des chaudières anciennes dans les 10 ans à compter de novembre 2018.

Autant dire que, désormais, plus personne n’envisage d’en installer de nouvelles.

Le gaz naturel

Le gaz naturel est la dernière énergie fossile encore plébiscitée, peut-être car certains aimeraient la voir remplacée par une énergie d’origine renouvelable (le “biogaz” : du gaz produit par méthanisation de biomasse).

Le gaz naturel pollue beaucoup moins que le fioul lors de sa combustion (environ 50% de CO2 en moins pour une même quantité de chaleur produite et infiniment moins de microparticules).

Tel que déjà abordé ci-avant, § fioul domestique, il est recommandé de remplacer les anciennes chaudières au fioul par de nouvelles dont… des chaudières au gaz !

Cependant, 50% de CO2 relâché en moins ne signifie pas que cette énergie soit recommandable car les 50% résiduels relâchés ne sont pas négligeables, loin, très loin s’en faut !

Faut-il chercher une justification dans la sauvegarde des intérêts de certains producteurs ? Nous préférons imaginer que c’est par espoir de voir le “biogaz” se substituer au gaz naturel (§ dédié ci-après).

La tourbe

Tourbières utilisées comme chauffage

Tourbières utilisées comme chauffage

Il y a assez peu de tourbières en France et, si cette matière a été, autrefois et très localement, utilisée en tant que combustible, ce n’est plus le cas aujourd’hui.

Les tourbières sont encore exploitées mais plutôt pour l’agriculture que pour le chauffage. En effet, la tourbe est très performante pour l’amendement de certaines terres. Ces exploitations sont très controversées car elle est, entre autres, un excellent piège à carbone et sa combustion a un impact important sur le dérèglement climatique.

Pour toutes ces raisons, la tourbe ne sera jamais d’un emploi significatif en temps qu’énergie de chauffage.

Energie renouvelable

Pour des raisons économiques (augmentation du prix des énergies fossiles) et, de plus en plus, environnementales (liées entre autres aux émissions de Gaz à Effet de Serre, particulièrement le relâchement de CO2, la tendance actuelle est de se tourner vers les énergies renouvelables.

La biomasse brûlée (très majoritairement le bois)

C’est principalement au bois qu’il est fait appel, soit sous sa forme bûche (éventuellement obtenue par compression de copeaux ou de sciure), soit sous forme de plaquettes, soit sous forme de pellets (dit aussi granulés). Ces derniers peuvent s’acheter au sac mais aussi peuvent être livrés par camion souffleur qui les transvase dans un silo via une propulsion au moyen de tuyaux. Ils se gèrent alors aussi facilement que le fioul domestique.

D’autres sources (anecdotiques) existent, par exemple les noyaux d’olives, le marc de raisin séché après extraction, la bouse de vache… Elles sont et, probablement, resteront très marginales.

Dans tous les cas, le combustible est directement brûlé.

La gaz issu de la méthanisation

La biomasse peut n’être pas directement brûlée mais méthanisée. Les ressources sont nombreuses pour ces productions : déchets ménagers, rejets agricoles (par exemple lors de la préparation des légumes à la vente…), rejets des animaux d’élevage (fumier…) … 

Disons le tout net, tant que les ressources se situent au niveau d’un recyclage ou d’une seconde vie, ceci nous semble très louable.

Ce qui nous semble l’être beaucoup moins c’est que de plus en plus d’exploitants agricoles produisent des plantes qui sont récoltées pour être directement méthanisées. Nous pensons que nous sommes là face à une concurrence très critiquable de l’utilisation de terres agricoles, non plus vouées à la production alimentaire mais à la production d’un carburant d’origine renouvelable en substitution à d’autres d’origine fossile.

Le principe est assez simple : les bactéries qui dégradent les végétaux les digèrent et, ce faisant, rejettent des gaz produits à l’occasion de cette digestion (certains équipements sont d’ailleurs appelés “digesteurs”). Un de ces gaz est du méthane, connu pour son fort pouvoir calorifique.

Dans le cadre de grosses installations de production, il est généralement injecté dans le réseau de distribution du gaz naturel.

Il peut aussi être utilisé pour alimenter une chaudière au gaz ou, mieux encore, pour alimenter un moteur à explosion (principe du gazogène, largement utilisé pour les véhicules civils lors de la seconde guerre mondiale), lequel entraîne une génératrice qui produit de l’électricité. Son refroidissement est assuré par un circuit fermé. Ce système permet de chauffer avec ces calories au lieu de les dissiper via un radiateur et un ventilateur tel que la chose est pratiquée dans tous les véhicules à moteur thermique, en pure perte donc.

Certains disent : “la chaleur émise globalement est la même” ce qui est vrai, mais elle est utilisée à notre profit au lieu de chauffer l’atmosphère sans autre bénéfice que pour les moineaux… s’il y en a encore !

Ainsi une partie de l’énergie est utilisée pour produire de la chaleur, ce qui est déjà bien mais, beaucoup mieux, une autre partie permet de produire de l’électricité, laquelle est utilisable pour de multiples emplois et, à ce titre, beaucoup plus noble que de simples calories.

Energie électrique

Elle est plus un vecteur de transfert d’énergie qu’une énergie à proprement parler.

L’électricité peut être produite à partir de toutes les énergies citées ci-avant. Tout comme on le fait avec le nucléaire, le combustible d’origine est utilisé pour chauffer de l’eau afin de produire de la vapeur qui, via une turbine, va elle-même entraîner une génératrice. Cette dernière, au final, produit l’électricité.

Elle peut être utilisée pour, par effet joule, chauffer de l’eau, laquelle, via des systèmes de distribution, transportera cette chaleur jusqu’aux éléments qui la libèreront (radiateurs, panneaux…).

Pompes à chaleur

Une Pompe À Chaleur (PAC) est un système qui puise des calories dans un environnement qui en dispose grâce à un gaz (pusage dans l’air ou l’eau; cette opération s’opère dans l’évaporateur) . En comprimant ce dernier, il vaporise à haute pression, pouvant aller jusqu’à la phase liquide et, ce faisant, monte à haute température. Via un échangeur (le condenseur) ces calories servent à chauffer un fluide de transport des calories (eau ou air). Ces calories ”récupérées” servent à chauffer un espace. Le cycle reprend : compression, montée en température, détente, dégagement de température, compression…

Une Pompe A Chaleur (PAC)

Une Pompe A Chaleur (PAC)

Le gain entre l’énergie consommée par le compresseur et celle récupérée pour chauffer s’appelle le Coefficient de Performance (COP qui peut dépasser 5). Les meilleures PAC en terme de rendement sont celles puisant leurs calories dans le sol ou dans l’eau. Elles sont beaucoup moins affectées par des températures basses. Les meilleures puisant dans l’air ambiant dépassent tout juste un COP de 4 … en théorie. En effet, dès lors que la température de l’air ambiant baisse en dessous d’une certaine limite (située entre 0 et quelques degrés selon la qualité de l’appareil), le COP chute de façon vertigineuse !

Si les calories sont puisées dans l’air et servent à chauffer de l’air, il s’agit d’une PAC air/air; si elles servent à chauffer de l’eau, c’est une pompe AIR/EAU; enfin le puisage dans de l’eau (puits, cours d’eau…) sert généralement à chauffer de l’eau, c’est une PAC eau/eau.

Géothermie

Dans l’absolu, la géothermie pure consiste à puiser des calories dans le sol et à se chauffer directement avec. On parle alors de géothermie profonde. Cette géothermie pure est réservée à des installations de grande dimension (il faut descendre à plusieurs centaines de mètres de profondeur). Seules quelques zones le permettent en France.

Les retours d’expérience ne sont pas tous encourageants…

La géothermie la plus répandue consiste en un puisage de calories dans des températures relativement faibles (entre 10 et 15°) aux fins de réchauffer le gaz d’une pompe à chaleur après détente (voir § PAC ci-avant).
Hormis le coût élevé du couplage d’un tel système de captation à celui d’une PAC, au plan théorique pur, ce système est une belle alternative. Attention cependant à ce que le rendement soit suffisant pour permettre, financièrement, d’économiser plus que ce qu’il aura fallu débourser pour l’installation et, sur le plan environnemental qu’au moins autant de ressources soient économisées à l’exploitation qu’il en aura fallu pour fabriquer ces appareils : recours à l’Analyse de Cycle de Vie (ACV) nécessaire.

Deux types de géothermie sont proposés : celle dite de surface ou horizontale (environ à 1 mètre de profond, selon la nature du sol, développement à plat) et celle dite “peu profonde” : puisage de calories jusqu’à 80 ou 100 mètres, en vertical. La géothermie de surface nécessite, selon la nature du sol, une surface de captage de 1 à 2 fois la surface à chauffer (il ne faut rien y planter). La géothermie peu profonde ne nécessite que quelques m2.

Conclusion

Nous avons vu, dans un autre article dédié aux principes du chauffage, que celui-ci n’est pas aussi simple que ce que beaucoup aimeraient nous faire croire.

Ce monde du chauffage est, plus que d’autres peut-être, soumis à des effets de modes : à un moment, le nec plus ultra est la pompe à chaleur, puis on passe aux systèmes à granules pour … quelque temps plus tard n’entendre plus parler que de géothermie ou de chauffage solaire !

Il suffit de se promener, au fil des ans, dans les salons dédiés à ce sujet, pour le constater.

En ce moment, 2019, les systèmes à granulés de bois sont pourvus de tous les mérites.

On voit surtout des appareils indépendants, les fameux poêles à pellets.

Nous les avons abordés dans un autre article ; s’ils ne sont, effectivement, pas dépourvus d’intérêt, il ont aussi leurs limites.

Ce présent article démontre, une fois de plus, comme si c’était encore nécessaire, que ce sujet est vaste, et que les chaudières et autres systèmes de production de chaleur en vue de leur distribution ailleurs n’ont pas dit leur dernier mot, ce qui est très bien car, en certaines circonstances, ils sont très pertinents.

Images : Pixabay, Leroy Merlin, Wikimédia, Promotelec,

Claude Lefrançois
Dans le bâtiment, par passion, depuis presque 40 ans, Ancien charpentier, ancien artisan, ancien constructeur de Maisons à Ossature Bois, ancien maitre d'œuvre, Ancien et encore formateur à l'isolation bio-sourcée, • Titulaire d'un brevet de construction de MOB en kit, Conférencier dans plusieurs domaines liés à l'éco-construction, l'éco-isolation, Youtubeur via des vidéos sur, dans un premier temps, l'isolation et l'efficacité énergétique et, parce qu'il faut aller plus loin, futurement, plus largement, le bâtiment responsable et pertinent, Initiateur et administrateur d'un groupe sur Facebook : Rénovation pertinente » . Pour ceux qui souhaiteraient plus d'informations : www.papyclaude.fr

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