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Confort thermique : les principes du chauffage

Il est encore assez universellement admis que seule une température déterminée et considérée comme confortable serait le sésame permettant d’accéder au confort, est-ce vrai ?

Un certain A. Einstein a dit “Il est plus facile de pulvériser un atome qu’une idée préconçue” … et il savait de quoi,il parlait pour ce qui est de pulvériser un atome !

Donc, partant du principe qu’il faudrait atteindre une certaine température, il apparaît nécessaire, l’hiver, qu’il faille prévoir un système de chauffage.

Les besoins seront très différents selon le niveau de fuites du bâti car on ne chauffe que pour compenser les pertes.

Ils seront aussi dépendants de la température à laquelle le confort sera, censément, atteint. Cette cible à déterminer peut être extrêmement variable tant elle dépend de multiples critères, lesquels ont déjà été développés ici.

Selon l’individu qui l’habite, selon les matériaux utilisés, selon les techniques de construction et d’isolation retenues, selon la qualité de la réalisation, une même architecture pourra nécessiter peu ou beaucoup de chauffage.

Cet article a pour objectif de faire le point sur les possibilités disponibles sur le marché afin de répondre à tous les besoins, petits comme grands.

Pour bien appréhender les systèmes qui, possiblement, répondront aux attentes des utilisateurs, il est important, préalablement, de comprendre comment l’organisme lui-même fonctionne. C’est pour cette raison que nous n’aborderons le cœur des modes de chauffage qu’après avoir expliqué les règles physiques auxquelles ils devront répondre.

Préalable

Le temps est loin où, lors d’une consultation pour chauffer de l’ancien, face à ce qu’il faut bien appeler une passoire thermique, avec un prix du fuel si bas qu’il semble incroyable que cela ait pu exister, le chauffagiste local, professionnel reconnu, sans connaissance et donc sans souci de l’impact carbone, annonçait directement : “On va partir sur une chaudière au fuel d’une capacité de 25 kW de puissance, des bons radiateurs et, avec ça, vous serez tranquilles !” .

Tout aussi certain de son fait, notre spécialiste énumérait le nombre de radiateurs, en fonte bien sûr et, selon les possibilités de se fournir en bois, parlait “fourneau-bouilleur” ou chaudière, au fuel bien évidemment sauf disponibilité du gaz de ville devant la maison.

De façon à peu près similaire, dans le neuf, le choix se portait très majoritairement sur le chauffage électrique avec les trop célèbres convecteurs bien connus sous le nom de “grille pain”.

Ces temps sont révolus !

Confort

La majeure partie des calories que nous perdons sont échangées avec notre environnement via le rayonnement (vidéo). Comme déjà expliqué ici, dans l’idéal, il nous faudrait re-capter l’équivalent de ces calories également par rayonnement.

Ces échanges par rayonnement sont le premier critère de ressenti de confort ou d’inconfort selon l’équilibre qu’il y aura ou pas entre les pertes et les gains par ce mode d’échange.

En terme de chauffage, il est possible d’opérer des choix qui permettront d’y répondre, ceci est développé plus avant.

Le deuxième critère de ressenti de confort est lié à l’Humidité Relative (HR) de l’air ambiant.

L’idéal est variable selon les individus, mais toujours proche de 55% d’HR. Le chauffage, seul, ne permet d’y répondre qu’indirectement.

Avoir trop froid

Comme expliqué ci-avant, il est possible que les occupants perdent beaucoup de calories. Afin de ne pas nous mettre en danger, notre organisme est équipé de capteurs divers et qui analysent en permanence toutes les informations collectées.

Selon les critères énumérés ci-dessus, si l’air est trop humide, si le rayonnement est trop faible, il faudra mettre en place rapidement une stratégie adaptée.

Nous pouvons, le plus généralement, agir de deux façons : soit s’habiller plus pour limiter les échanges thermiques avec l’environnement, soit chauffer plus !

Une troisième stratégie  serait possible, mais avec un temps de réponse beaucoup plus long : travailler l’effusivité des parois avec des matériaux adaptés.

Qu’est-ce que la chaleur ?

Extrait du site Science.lu : “La chaleur est une forme d’énergie, à savoir l’énergie de mouvement des petites particules (les molécules, les atomes) qui composent un corps. Plus les petites particules se déplacent rapidement, plus le corps est chaud”.

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Tout corps physique (solide, liquide ou gazeux) est composé de molécules agglomérées entre elles par des liaisons, lesquelles sont de 3 types : les liaisons ioniques (vidéo), les liaisons prévalentes (vidéo) et les liaisons métalliques (vidéo). Chacune de ces liaisons, aussi surprenant que cela puisse paraître de prime abord au béotien (particulièrement pour des corps réputés très solides tels que le béton ou le métal, par exemple), permet aux particules de bouger (vidéo) les unes par rapport aux autres.

Au-delà du zéro absolu (-273 °C), les particules qui constituent un matériau sont en mouvement plus ou moins rapide. Autant dire que dans la vie courante, les particules de tous les matériaux ou corps qui nous entourent sont en mouvement les unes par rapport aux autres.

Il est souvent dit ou écrit que la chaleur s’échange de 3 façons, à savoir le rayonnement (vidéo), la convection (vidéo) et la conduction (vidéo). C’est faire un oubli grave : le changement de phase (passage de l’état liquide à l’état gazeux et vice versa par exemple), la chaleur s’échange donc bien de 4 façons différentes.

Une phrase extraite du site en lien ci-dessus justifie à elle seule de prendre en compte ce phénomène en tant que source de migration de la chaleur : “… tout corps, lorsqu’il change d’état, échange d’importantes quantités de chaleur avec son milieu …”.

Principes généraux du chauffage  

Les éléments ci-avant, justifiant éventuellement d’interventions, étant posés, comment appréhender les choix et l’organisation de celles-ci ?

Afin d’œuvrer de façon pertinente, il est important d’opérer des choix qui soient les mieux adaptés à la production d’effets facilement et directement ressentis par l’organisme.

Sachant que nous perdons 60 % de nos calories par rayonnement, pour les récupérer de la façon la plus efficace pour le ressenti de confort, il faut privilégier la compensation de cette perte par un gain utilisant le même vecteur : le rayonnement.

Le deuxième type d’échange qui nous fait perdre nos calories est la présence d’eau dans l’air. En privilégier un bon niveau d’équilibre l’hiver est une base incontournable. Cet élément ne devrait pas être dépendant du mode de chauffage, mais du traitement de l’ensemble de la maison : gestion de l’air et gestion des parois. Une fois encore, le bon sens impose de ne pas sortir un élément du contexte général, un habitat correct est dépendant d’un tout et a une action sur ce tout.

Sont également très importants, les objectifs recherchés et les contraintes qu’il faudra traiter pour y parvenir.

On ne gère pas une résidence secondaire de la même manière qu’une résidence principale.

On ne pourra peut-être pas, non plus, opérer les mêmes choix pour une maison en projet ou une maison ancienne.

Il sera possible de concevoir une maison à construire en prenant en compte la diminution des besoins de compensation au strict minimum (conception bioclimatique, techniques constructives pertinentes…).

Une maison ancienne apporte ses contraintes propres, à la fois sur le plan architectural (orientation, structure, ouvertures, …) , et sur le plan des types de parois extérieures (leurs composants, les techniques de construction…)

Pour “coller” au mieux à la réponse des besoins différents, un article propre sera dédié à chacun des types de maison.

Production des calories pour le chauffage et production de l’Eau Chaude Sanitaire (ECS)

Trop souvent, lorsque le sujet du chauffage est abordé, les réflexions et les questions s’orientent exclusivement sur le moyen de production de la chaleur : poêle de masse, poêle à granulés, fourneau bouilleur, chaudière, radiateur électrique, équipement solaire…

Bien évidemment ce point est important, mais est-il prépondérant ? Non, il n’est que le moyen de produire les calories destinées à compenser les pertes pour amener au niveau de confort requis.

A noter que chaque type d’appareil, et c’est bien normal, présente des avantages et des inconvénients ; aucun n’est totalement parfait.

Pour choisir l’un ou l’autre, plusieurs critères sont à prendre en compte.

Puissance nécessaire

Si une maison est très performante thermiquement, ce qui devrait être le cas au moins pour les projets de construction neuve, les besoins de production de calories pour le chauffage seront très faibles.

Faudra-t-il se limiter à une puissance très faible si, avec le même équipement, on souhaite produire l’Eau Chaude Sanitaire ?

Faut-il, alors, séparer les deux fonctions et opter pour deux équipements distincts ?

Equipement unique ou appareils multiples

De nombreuses personnes souhaitent chauffer avec un poêle, à granulés ou à bûches. Cette solution peut s’avérer intéressante pour de multiples raisons, mais selon la configuration de l’habitat, selon qu’il est concentré ou “étalé” (tel que dans une longère), selon la présence ou non d’un mur massif de refend,  il faudra un ou plusieurs appareils.

Espace pour installer l’équipement

L’espace nécessaire pour installer le système de chauffage sera différent selon que ce sera un équipement unique qui chauffera l’habitat et l’eau chaude sanitaire ou que le choix se sera porté sur 2 équipements distincts.

Il faudra peut-être aussi, selon le type d’énergie retenue, réaliser une installation de stockage.

Enfin, les équipements, selon leur complexité, leur performance et aussi, selon le type d’énergie retenue, seront de volume parfois très différent et nécessiteront, de facto, plus ou moins d’espace pour leur installation.

Equipements annexes

Pour des appareils à combustion, sera-t-il simple, voire même possible, d’installer une prise d’air extérieur ainsi que d’y évacuer les gaz de combustion ?

Type d’énergie

Il est possible de capter ou produire de l’énergie de multiples façons. Au-delà de l’énergie non consommée, la moins chère de toutes évidemment, certaines sources sont moins chères que d’autres. Elles peuvent aussi avoir un impact plus ou moins important sur le dérèglement climatique.

Le soleil étant bien sûr le champion toutes catégories, opter pour des capteurs directs, en capacité de chauffer un liquide caloporteur et de restituer les calories ainsi captées soit à un réservoir qui fera office de stock tampon, soit en distribution directe, sera, à l’exploitation, la solution la plus économique. Le sera-t-elle à l’utilisation ? Pas certain. Sera-t-elle la plus facile à gérer ? Du fait des fuites possibles, des risques de gel ou de surchauffe, de manque d’ensoleillement, certainement pas.

Opter pour du bois bûche dans une région où il est facile d’en acheter ou, mieux encore, pour qui en produit est probablement un choix très cohérent.

Récupérer la chaleur de l’air ou de l’eau évacués dans le cadre du renouvellement d’air ou sur d’autres sources d’énergie peut sembler évident et pertinent. L’est-ce vraiment si les appareils qui le permettront nécessitent plus de ressources et/ou d’énergie pour leur fabrication, leur installation, leur entretien et leur recyclage qu’ils ne seront capables d’en récupérer tout au long de leur durée de vie ? Non, ce n’est pas forcément pertinent.

La géothermie et les pompes à chaleur peuvent aussi, dans certains cas, être très pertinentes. Le sont-elles toujours ? A étudier au cas par cas !

Opter pour une énergie fossile ne serait pas, en général, très pertinent. Par contre, en cas de faible besoin, le choix du gaz, même si encore majoritairement d’origine fossile, peut s’avérer un choix gagnant. En effet, d’une part, certains équipements alimentés au gaz peuvent être de très faible puissance, inférieure à 2 kW, ce qu’aucun équipement autre, si ce n’est à l’électricité ou au solaire, ne peut offrir. D’autre part, il sera produit de plus en plus de gaz d’origine renouvelable (par méthanisation notamment).

L’électricité, énergie de chauffage très décriée, peut pourtant, en cas de très faible besoin et même sans passer par une pompe à chaleur, représenter une alternative très pertinente !

Transport

Une fois l’énergie captée ou produite, il faut ensuite la transporter jusqu’au lieu à chauffer.

Une exception cependant à cette nécessité : les appareils qui, tels que les poêles, les fourneaux bouilleurs ou les inserts dans les foyers, à la fois produisent la chaleur et la restituent.

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Le transfert des calories peut s’opérer via divers produits caloporteurs. Les plus utilisés, et quasiment les seuls d’ailleurs, sont l’air et l’eau. Autrefois on transportait les calories via du stockage dans des matériaux (briques en terre cuite, bouillottes) ou directement dans des appareils, sous la forme de braises, par exemple dans les bassinoires ou dans les chaufferettes … autres temps, autres équipements !

L’air

C’est, par exemple, le mode de transfert des calories dans le cadre des VMC double flux thermodynamiques. C’est le support de transfert de la chaleur piégée ou captée au-dessus de systèmes de chauffage puissants aux fins de la transférer dans d’autres pièces. C’est rarement le cas dans la maison individuelle, cependant certains systèmes proposent de chauffer l’air en un point fixe et de le distribuer chaud ailleurs.

Pour deux raisons, ce vecteur de transfert est le moins performant.

En effet, l’air a une très faible capacité de chaleur massique, il faut donc, souvent, en déplacer de grosses quantités pour transférer suffisamment de chaleur pour atteindre le niveau de confort souhaité.

Or, c’est une certitude, la stabilité de l’air est une source de confort. A contrario, les mouvements d’air sont une source d’inconfort (vidéo)… et qui dit beaucoup de brassage d’air en vue de transporter les calories dit beaucoup de ventilation !

L’eau

La grande capacité de chaleur massique de l’eau lui confère d’excellentes qualités de transporteur de calories. C’est un liquide facile à se procurer, pas cher, simple et non toxique. C’est donc tout naturellement qu’elle a depuis fort longtemps été très majoritairement choisie en tant que vecteur de transfert de chaleur (ce qu’on appelle communément le chauffage central).

Distribution de la chaleur dans les diverses pièces (dans le sens de mettre de la chaleur à notre service)

C’est du(des) moyen(s) de la distribution de la chaleur dont va dépendre le confort engendré par le chauffage ; pas du mode de production de la chaleur.

Nous avons vu que notre organisme perd ses calories très majoritairement par rayonnement et qu’il serait très bien de compenser ces pertes par le même moyen.

Les principes du rayonnement et de ses effets ont été largement développés ici dans divers articles dédiés : Confort dans l’habitat : comment y parvenir ?; Confort thermique dans l’habitat, performance énergétique, toutes les pistes; Confort thermique : diffusivité, effusivité, les grandes oubliées !; Chauffage et confort : nos préconisations.

La chaleur peut se dissiper de plusieurs façons : par contact direct, la conduction (vidéo) ; par convection (vidéo), à savoir le réchauffement d’un fluide au contact d’un corps chaud, ce qui en provoque la dilatation et, par voie de conséquence, la mise en mouvement des particules du fluide ; par rayonnement (vidéo) (dissipation de chaleur par la lumière).

Nous ne développerons pas à nouveau les principes dans le détail. Juste quelques rappels sur le rayonnement.

Deux situations globales permettent à un corps d’émettre des rayonnements.

La première consiste à recouvrir des parois froides d’un revêtement qui ne capte pas (ou très peu et très mal) les rayonnements qu’il reçoit mais qui, par contre, renvoie tant les rayonnements auxquels il est exposé que sa propre énergie. On dit que ce revêtement dispose d’une bonne effusivité.

La deuxième consiste à doter les parois d’un revêtement dense, lourd, à forte capacité de chaleur spécifique, ce qui lui permet de stocker beaucoup de calories, donc d’être chaud (à l’échelle des températures de confort et dans la limite de la sécurité pour les occupants).

Cette chaleur se dissipera en partie par rayonnement.

La première situation est celle qu’il faudrait privilégier pour les parois. Son rapport avec le chauffage est que, même à température modérée, le rayonnement émis nous permet de ressentir du confort. Attendu que ces matériaux captent moins de chaleur et qu’ils ont moins besoin d’être chauds pour être confortables… il y a moins besoin de les chauffer !

La deuxième situation a un rapport direct avec le chauffage : dès lors qu’il dispose de ces capacités, tout corps chaud sera en mesure d’émettre beaucoup de rayonnement, doucement et dans la durée. Ces conditions sont plus favorables au ressenti de confort.

Conclusion

Beaucoup claironnent que, “l’hiver, c’est simple d’avoir chaud, il suffit de chauffer !”

Quelques uns, plus sages, disent “pour ne pas dépenser trop, il faut isoler”.

Cette seconde affirmation est un début de sagesse, mais est-ce suffisant ?

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Nous ajoutons quelques questions, à commencer par : “Pourquoi faudrait-il chauffer ?

Viennent de suite quelques autres questions : “De combien faudrait-il faire monter la température ?”; “Comment éviter de devoir chauffer beaucoup ?” …

Ce qui,  a priori, semble simple ne l’est pas vraiment, voire est très complexe.

Heureusement complexe ne veut pas dire impossible à résoudre !

Par contre, ce qui apparaît très nettement, c’est qu’il faut bien analyser et réfléchir en amont de la décision de chauffer.

Se rendre sur un salon dédié ou visiter tout magasin spécialisé ne permettra, le plus souvent, que de voir des machines, ce qui est très loin d’être suffisant.

Il faut, préalablement, se poser la question des conditions requises pour ressentir du confort puis, ceci fait, analyser les besoins, les contraintes et, ensuite seulement, se poser les questions du type d’équipement pour produire la chaleur, de l’énergie qui sera retenue, du mode de transfert et de distribution des calories… Toutes ces questions bien posées, bien pesées, amèneront à des solutions pertinentes, ce qui est l’objectif global !

Deux autres articles traiteront du chauffage, d’une part des constructions neuves et, d’autre part, des maisons anciennes.

Crédit photo : Pixabay

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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