La PAC est surtout utilisée en tant que solution de chauffage dans le résidentiel.

Il est alors question de géothermie (PAC eau-eau ou sol-eau) ou d'aérothermie (PAC air-eau ou air-air). Dans les applications tertiaire telles que bureaux, la PAC est souvent utilisée toute l'année (pour le chauffage en hiver et pour le rafraichissement en été).

Sur le plan de l'efficacité énergétique la PAC est caractérisée par son COP ou coefficient de performance. Le COP est l'énergie de chauffage produite rapportée à l'énergie électrique absorbée. La PAC gaz, dite à absorption, fonctionne avec des COP de l'ordre de 1,6.

La PAC ou géothermie sur eau de nappe, est l'un des systèmes de PAC les plus performants sur le plan de l'efficacité énergétique. Les coefficients de performance des PAC eau-eau atteignent des valeurs supérieures à 4 (du fait de la constance du régime de température de la nappe). En inversant le cycle, en mode rafraîchissement, les rendements ou coefficients EER (Efficiency Energy Rate) avec une PAC eau-eau sont nettement supérieurs aux rendements obtenus avec une technologie PAC air-eau.

La PAC représente donc la solution de chauffage électrique la plus performante comparativement au chauffage électrique direct.

Radiateur électrique nouvelle génération

Le secteur du bâtiment est, au même titre que le transport et l'industrie, un des domaines clés dans la lutte contre le réchauffement climatique.

La politique énergétique dans le bâtiment se doit donc d'être plus exigeante en matière de normes de consommation et d'émission de CO2.

La neutralité carbone va nécessiter le recours massif à des énergies dites «bas carbone» en lieu et place des énergies fossiles.

Le choix du mode de chauffage influe sur le pouvoir d'achat et l'empreinte carbone.

Parmi les différentes solutions qui existent, le choix d'un chauffage électrique et d'une isolation performante apparaît comme une solution idéale pour concilier maîtrise de la consommation et performance énergétique.

Importance des technologies bas carbone dans le bâtiment

L'objectif de la transition énergétique est de favoriser l'utilisation de technologies pas ou peu émettrices de gaz à effet de serre. Ainsi, pour tendre vers la neutralité carbone, le bâtiment doit se mettre au vert : consommer de l'énergie renouvelable et de l'électricité bas carbone.

Il existe d'ores-et-déjà des technologies bas carbone efficaces dont le fonctionnement est basé sur des ressources renouvelables : biomasse (chauffage au bois), PAC, CET etc. Parmi ces solutions, une technologie a particulièrement progressé ces dernières années : le chauffage direct par radiateurs électriques.

Efficience du chauffage électrique

La dernière génération de radiateurs est apparue dans les années 2000. Appelés radiateurs à chaleur douce, ils sont constitués d'un corps de chauffe qui accumule la chaleur et la restitue progressivement.

Grâce à un fonctionnement à basse température et au remplacement de la régulation mécanique par une régulation électronique (à fines dérive et amplitude), ils offrent le plus grand confort tout en rationalisant la consommation électrique d'une habitation.

La RT 2020 et le système de chauffage

Le chauffage d'un bâtiment répondant aux normes RT 2020 se fait en trois étapes. Le chauffage principal est assuré pour un système de chauffage solaire passif, qui fonctionne grâce au rayonnement du soleil. Cette chaleur passe ensuite par un circuit d'air chaud qui la diffuse dans le logement. Le chauffage d'appoint est issu du chauffage solaire actif (centrale de traitement d'air double flux).

Radiateur intelligent, atout pour la transition énergétique

L'émergence de la domotique (13) et de l'Internet des objets a logiquement entraîné l'apparition de radiateurs dits «intelligents» qui intègrent des tas de capteurs (14) et des connectivités assez avancées. Ces derniers se pilotent à distance via un smartphone, se programment en fonction des heures de chauffe et sont équipés de détecteurs (15) de présence et de fenêtres ouvertes...

Un radiateur est dit intelligent avant tout pour sa programmation. Ce type d'appareil dispose d'une batterie de fonctionnalités qui permet d'adapter le chauffage aux habitudes des occupants et aux caractéristiques de leur lieu de vie (habitat). Il stocke de l'électricité pendant les heures creuses pour la restituer pendant les heures pleines.

Quand on s'intéresse au chauffage d'un bâtiment, un des enjeux principaux est de chauffer de façon confortable, au meilleur moment mais avant tout quand les utilisateurs en ont réellement besoin.

Il s'agit d'arriver à comprendre comment anticiper les absences dans une pièce, dans un appartement voire dans un bâtiment entier de façon à pouvoir couper le chauffage le plus souvent possible et sans impact.

La première fonctionnalité de ce radiateur est le « Machine Learning» (16). Il opère de la manière suivante : le radiateur présent un peu partout dans son environnement va collecter un certain nombre de données, notamment relatives à la présence ou non de l'utilisateur, qui seront dans le temps agrégées par ce fameux ?Machine Learning' de façon à apprendre, en quelques semaines, à quels moments précis les différents scénarios sont appelés à être déployés.

Grâce à ce radiateur, l'efficacité énergétique est au rendez-vous et des gains financiers (au moins 16 % d'économie par rapport à un vieux radiateur énergivore) et bien évidemment environnementaux sont engrangés !

(13) Les principaux domaines dans lesquels s'appliquent les techniques de la domotique sont:

? Le pilotage des appareils «électrodomestiques», électroménagers par programmation d'horaires et/ou de macro définis par l'usager ;

? La gestion de l'énergie, du chauffage, de la climatisation, de la ventilation, de l'éclairage, de l'ouverture et de la fermeture des volets, de l'eau. Il est également possible de recharger certains appareils électriques (ordinateur, véhicules électriques, etc.) en fonction du tarif horaire. Un compteur communicant peut être intégré dans un smart-grid et/ou raccordé à un système de télégestion. La Régulation ? programmation du chauffage permet d'importantes économies.

(14) C'est à partir du moment où l'on a su détecter une grandeur physique et exploiter sa variation que l'on a pu créer des systèmes automatiques qui s'autocontrôlent (indépendamment de l'homme).

Un capteur doit détecter une grandeur physique, et transformer les variations de cette grandeur en une image informationnelle exploitable par l'unité de traitement.

(15) Un détecteur de proximité permet de détecter sans contact la présence ou le passage de pièces, le défilement d'objets. On distingue trois types de détecteurs de proximité : inductifs, capacitifs et optiques.

(16) Il n'y a pas d'intelligence sans apprentissage. Le Machine Learning et le Deep Learning sont de l'Intelligence Artificielle.

Intelligence et batterie de stockage d'électricité

Ce type de radiateur est doté d'une batterie qui témoigne d'une intelligence évidente. La preuve en est qu'elle peut se charger lorsque l'électricité est la moins chère, donc par exemple pendant les heures creuses, voire gratuite lorsqu'elle est disponible d'une source renouvelable, puis la réinjecter plus tard pendant les heures pleines pour le chauffage électrique ou tout autre appareil du logement (éclairage, électroménager, ventilation...).

Connexion du radiateur avec le compteur Linky

Ce radiateur est «Linky compatible». Une sorte de clé USB installée dans le compteur le rend communicant avec le logement.

Le compteur électrique intelligent Linky envoie en temps réel les données pertinentes au radiateur qui peut, du coup, faire les arbitrages tarifaires de la batterie qui se charge au moment le plus intéressant économiquement parlant pour l'utilisateur.

Performance des systèmes de chauffage

L'efficacité énergétique d'une solution de chauffage dépend du type de combustible et se mesure sur une échelle de performance qui inclut aussi bien la production que l'ensemble de la chaîne de chaleur. Elle se calcule grâce aux indicateurs suivants : COP, rendement de distribution, rendement d'émission et rendement de régulation.

L'intégration des énergies renouvelables dans les systèmes de chauffage vient naturellement améliorer la performance énergétique annuelle. Dans le bâtiment existant, un indicateur de performance est donné par le DPE (diagnostic de performance énergétique) qui fournit la qualité énergétique et environnementale au travers d'étiquettes simples classées A, B, ... appelées étiquettes énergétiques.

Régulation

La régulation est un système automatique qui permet de maintenir une consigne, température de chauffage par exemple, quelles que soient les perturbations: ouvertures de fenêtres, changements de température extérieure, ...

Que ce soit en chauffage ou en climatisation, la régulation de température est essentielle au confort des individus ou d'un process industriel (exemple régulation d'une climatisation d'un datacenter). En s'adaptant à l'occupation des locaux, la régulation réalise des économies d'énergie en abaissant par exemple le point de consigne, en programmant des températures d'inoccupation prolongée, du hors gel, ...

La régulation ne s'arrête pas au chauffage ou à la climatisation, elle régit toute sorte de systèmes où une boucle réactive de fonctionnement est requise.

Par exemple une régulation sur un taux d'humidité fera varier la vitesse de ventilation de la VMC. Autre exemple, un capteur de pression sur un circuit de chauffage fera varier la vitesse de la pompe pour obtenir toujours le bon débit de chauffage malgré la fermeture de vannes.

La réglementation thermique RT 2012 impose des systèmes de régulation et de programmation pour assurer le confort et réaliser des économies d'énergie conformément à un niveau BBC de consommation d'énergie primaire.

Les dispositifs de régulation sont nombreux, ils intègrent plusieurs catégories:

- Les capteurs tels que sondes de température, sondes de pression de qualité d'air...

- Les actionneurs, tels que vannes de régulation, volets d'air neuf, ventelles de ventilation...

- Les régulateurs, où est inscrit le «cerveau» ou le programme de travail de la régulation.

Il existe également des équipements intégrés et combinés, tels que thermostat intérieur programmable, régulation - programmation de chaudière, robinet thermostatique sur radiateur, etc.

Enfin pour coordonner tous les équipements et leur régulation ? programmation, un centre de pilotage d'ensemble (cerveau) est requis.

En termes professionnels, ce «centre nerveux» répond au nom d'installation de gestion technique centralisée GTC ou de gestion technique du bâtiment GTB.

Apportant puissance, rapidité et facilités, la technologie utilisée est obligatoirement numérique. Elle permet ainsi aux régulateurs numériques de communiquer entre eux par un bus (de communication) relié lui-même à une supervision (ordinateur de contrôle) ou un superviseur.

L'accès étant local, déporté voire à distance par internet. La GTB ne s'arrête pas aux équipements de chauffage, climatisation et ventilation, elle gère tous les systèmes techniques du bâtiment ou de la maison, comme les ascenseurs, la sécurité incendie, le contrôle d'accès, l'anti-intrusion et toute la gestion des postes électriques (lignes de transport ou de distribution, appareillage électrique, bâtiments et transformateurs). Dans le cas de l'habitat individuel (pur ou diffus) et du résidentiel en général, la terminologie employée est la « domotique».

La RT 2020 et les énergies renouvelables

Afin qu'un bâtiment à énergie positive puisse créer davantage d'énergie, la RT 2020 s'appuie sur le principe des énergies renouvelables. Un ou plusieurs dispositifs doivent être installés pour développer la production d'énergie et encourager l'autoconsommation énergétique. Parmi les différentes installations favorisant la production d'énergie, on retrouve :

? Le puits canadien (17) ;

? Les panneaux solaires thermiques ;

? Le poêle à bois (chaudière électrogène) ;

? Le ballon thermodynamique.

(17) Le puits canadien consiste à faire passer, avant qu'il ne pénètre dans la maison, une partie de l'air neuf de renouvellement d'air hygiénique par des tuyaux enterrés dans le sol, à une profondeur de l'ordre de 1,5 mètre.

En hiver, le sol à cette profondeur est plus chaud que la température extérieure : l'air froid est donc préchauffé lors de son passage dans les tuyaux.

Avec ce système, l'air aspiré par la VMC (ventilation mécanique contrôlée) ne sera pas prélevé directement de l'extérieur (via les bouches d'aération des fenêtres), d'où une économie de chauffage. Ainsi un puits canadien pourra naturellement réchauffer un air extérieur à -15° et l'amener à une température de l'ordre de 5° dans les pièces à vivre. Cette récupération d'énergie s'effectue naturellement par échange thermique des tubes d'air enterrés dans le sol.

En été, le sol est à l'inverse plus froid que la température extérieure : ce puits astucieux alors appelé puits provençal, va donc utiliser la fraîcheur relative du sol pour tempérer l'air entrant dans le logement. Ainsi avec une température extérieure voisine de 30° l'air introduit peut par échange frigorifique avec la terre être abaissé jusqu'à 22°.

Ce système de ventilation ne peut absolument pas se transposer à un système de climatisation. En effet, c'est uniquement la quantité d'air qui est rafraîchie dans le cas du puits provençal et qui est réchauffée dans le cas du puits canadien.

Il semble que le puits canadien permette une économie de l'ordre de 20 à 25 % de la consommation liée au chauffage de l'air neuf soit environ 5 à 10 % de la consommation totale de chauffage).

L'impact de la RT 2020 sur les particuliers

Si la réglementation thermique 2020 s'adresse principalement aux professionnels du bâtiment, les particuliers ont un rôle à jouer dans la transition énergétique et dans le respect de l'environnement. Grâce à un système de bilans réguliers, le foyer peut suivre sa consommation et adapter ses comportements en fonction.

En favorisant l'autoconsommation, les particuliers sont responsabilisés au quotidien. Dans cette optique, l'utilisation de produits ménagers écologiques (non polluants) et électroménagers à faible consommation énergétique est vivement encouragée.

Coût la construction d'un bâtiment aux normes RT 2020

La construction d'un bâtiment de type BEPOS représente un investissement plus important qu'un bâtiment aux normes BBC ou répondant aux réglementations RT 2005.

Il affiche par conséquent une plus-value au moment de la revente. De plus, les économies réalisées au quotidien grâce à une consommation d'énergie nulle ou grâce à la revente d'énergie, assurent une rentabilité (retour sur investissement) rapide.

La consommation

On parle de consommation pour un système en Génie Climatique pour désigner la quantité d'énergie consommée par ce système (chauffage, climatisation, réfrigération, ventilation...). Le terme exact est la consommation énergétique ou consommation d'énergie.

La consommation d'un système de chauffage ou de climatisation est indissociable du rendement du système et de l'isolation du bâtiment. Parmi les procédés visant à réduire la consommation énergétique d'un bâtiment, les solutions passives (isolation thermique) sont les plus efficaces associées à des systèmes de chauffage à énergies renouvelables.

La consommation d'énergie s'obtient à partir d'un calcul théorique ou bilan thermique, ou de simulation dynamique. On compare désormais les différentes solutions d'énergie à partir de la consommation d'énergie primaire. L'énergie primaire étant la quantité d'énergie nécessaire à la source en tenant compte des pertes. La consommation étant alors exprimée en kWh(ep).

Au niveau de l'utilisation, c'est la consommation d'énergie finale qui est prise en compte. La différence entre « énergie finale» et « énergie primaire» est obtenue grâce à un coefficient de conversion. Celui-ci est de 2.58 pour l'électricité, de 1 pour le gaz, ... Par exemple, il faut 2.58 kWh à l'origine de la production d'énergie électrique, pour fournir 1 kWh à l'utilisation «au pas de porte.»

Climatisation

La climatisation est le reflet d'un cycle frigorifique et permet par simple inversion de cycle de faire office de chauffage thermodynamique. De la même manière qu'un système de chauffage pallie aux déperditions, sorte de défaillances de la construction, la climatisation pallie également à une sous-protection de la construction. Dans ce cas, ce ne sont pas les déperditions qu'il faut combattre mais principalement les charges externes d'ensoleillement.

Dans le cas du bâtiment BBC ou répondant à la RT 2012, le bâtiment sera au préalable protégé et optimisé dès son éco-conception : orientation au soleil, isolation renforcée, inertie thermique, protection avec masques naturels, végétation provoquant naturellement de l'ombre et protégeant du vent, stores extérieurs, auvents et vitrages efficients. Ainsi le chauffage comme la climatisation n'auront pas à pallier les charges (réduites au minimum).

La climatisation permet de maintenir le confort et les caractéristiques de l'air ambiant dans des valeurs de température, d'humidité et de qualité de l'air pour le ressenti humain ou pour maintenir un process (exemple climatisation de datacenters). Dans des conditions plus simples de confort où seul un abaissement de la température ambiante est requis, sans traitement de l'humidité ambiante, il est question de « rafraîchissement».

Ainsi, la plupart du temps, la climatisation permet de maintenir une température et une hygrométrie régulière et de supprimer les facteurs de pollution de l'air gênants pour les utilisateurs (poussières, germes microbiens, composés organiques volatils (COV), odeurs, etc.).

Dans des conditions poussées, comme les salles blanches ou les salles d'opération, la climatisation visera un objectif principal de qualité d'air, avec une filtration absolue et des conditions d'hygiène extrêmes. D'autres applications demanderont une souplesse aigue et une fiabilité accrue des systèmes de climatisation qui maintiendront également une qualité de l'air à des valeurs précises. Le confort de l'utilisateur est alors moins ou pas recherché: c'est le cas des salles blanches et des salles informatiques.

Ventilation

La ventilation dans le bâtiment permet le renouvellement et l'assainissement de l'air intérieur d'un local ou d'une construction. Le but est d'apporter suffisamment d'air frais ou d'air neuf hygiénique nécessaire aux individus et indispensable à la respiration du bâti. Il est essentiel de maintenir les débits d'air hygiénique minimum, réglementation oblige. Deux types de ventilation existent: la ventilation naturelle et la ventilation mécanique.

La ventilation naturelle fonctionne par le phénomène de convection naturelle due aux différences de températures qui ont pour effet de provoquer un tirage de l'air du bas vers le haut (air extérieur froid). Cette ventilation naturelle est possible en hiver, mais vu qu'en été les flux d'air peuvent s'inverser, un contre-tirage a toutes les chances de survenir en cette période.

La ventilation mécanique contrôlée ou VMC crée mécaniquement les flux d'air. Elle consiste à créer un mouvement d'air dynamique grâce à un extracteur ou un ventilateur au travers de conduits et gaines. Différentes types de VMC existent. La VMC auto-réglable, la VMC hygro-réglable, la VMC double-flux...

En habitation comme en tertiaire, la ventilation touche notre confort sanitaire au travers de la QAI (qualité d'air intérieure) et impacte la consommation d'énergie électrique.

Avec un bâtiment BBC de plus en plus isolé thermiquement, de plus en plus étanche (perméabilité à l'air), les déperditions par renouvellement d'air augmentent fortement par rapport aux déperditions surfaciques et prennent une part importante dans le bilan énergétique. D'où l'apparition de bouches auto-réglables, qui s'ouvrent uniquement en fonction du taux d'humidité (indiquant la présence d'individus) et l'adoption de VMC double flux avec récupérateur d'énergie.

D'autres économies d'énergie sont possibles avec l'utilisation de solutions de ventilation à haute efficacité énergétique avec moteur microwatt à faible consommation électrique permettant d'atteindre ainsi la haute performance énergétique.

A noter qu'à contrario, l'absence de ventilation entraînerait des risques pour l'hygiène et la santé tels que maux de tête et allergies respiratoires. Le bâti non ventilé souffrirait de moisissures et autres dégâts matériels. Il est donc très déconseillé, d'un point de vue sanitaire et économique, de ne pas recourir à la ventilation dans une enceinte habitable.

Echanges thermiques

Les échanges thermiques au sein d'une enceinte habitable doivent être étudiés. Ceux-ci doivent tenir compte:

- du volume d'air limité par des parois planes horizontales et verticales (éléments capacitifs de l'enceinte);

- du flux conductif dont les parois internes sont le siège car thermiquement couplées par convection et rayonnement;

- du flux convectif avec l'air extérieur et d'échanges radiatifs avec l'environnement (sol et ciel) dont les façades externes de l'enceinte sont le siège;

- des ouvertures (fissures, défauts de joints, orifices d'infiltrations, orifices de renouvellement, etc.) qui permettent à l'air de circuler à l'intérieur de l'enceinte habitable et entre l'intérieur et l'extérieur;

- des effets de la température ambiante extérieure;

- de la densité du flux solaire incident sur les façades;

- des effets de l'orientation de l'enceinte habitable sur les distributions de la température des parois interne et de l'air comble dans l'enceinte;

- de l'évolution de la température de l'ambiance interne en fonction du facteur d'exposition au vent de l'espace chauffé ;

- et du degré d'étanchéité des portes et fenêtres.

A suivre

*Consultant en management