Etudes thermiques du bâtiment, dimentionnement climatisation et chauffage

Puissance et régime de fonctionnement



Le surdimensionnement des générateurs thermiques (pompes à chaleur, chaudières, poeles, etc.) provoque des courts cycles de fonctionnement (marche/arrêt) à séquences rapprochées, chaque fois pour une faible demande d'énergie (fonctionnement en sous-régime).

Ce qui se traduit entre autres nuisances (coût, place, bruit, poids, odeurs) par

- une dégradation et une pollution accrue : Les courts cycles de fonctionnement accélèrent l'usure des pompes à chaleur et climatiseurs (fonctionnement à froid, mauvaise lubrification du compresseur, plages de vitesse et de couple trop bas, contraintes mécaniques, forte intensité de démarrage, surchauffe des relais électriques, chocs thermiques, usure des joints, des courroies, etc.) et sont source d'encrassement des foyers et d'émissions polluantes (production d'imbrûlés au démarrage et à l'arrêt des brûleurs ou par combustion ralentie du bois).

- une surconsommation : Plus la puissance du générateur est importante par rapport aux besoins, plus le temps de fonctionnement annuel du générateur se réduit devant le temps d'attente. Comme les générateurs en phase de démarrage ont un faible rendement, les multiples cycles démarrage-arrêt diminuent le rendement global de la production (pertes à l'arrêt par refroidissement de foyer, forte demande d'intensité au démarrage des compresseurs des pompes à chaleur et climatiseurs). C'est un effet bien connu, la consommation de carburant d'une voiture est beaucoup plus élevée en ville ( accélérations et arrêts permanents ) qu'à vitesse constante sur l'autoroute. Donc de même que pour les voitures, moins de démarrages implique une consommation plus faible et des coûts réduits.

Enfin, le surdimensionnement des pompes à chaleur et climatiseurs peut aussi nécessiter un abonnement EDF plus puissant et coûteux.

Des études effectuées sur des dizaines de milliers d'immeubles ont démontré que la surconsommation due au surdimensionnement des installations de chauffage est en moyenne de 15% ( cf. étude publiée sur Energie-Cites.org, site de l'association des municipalités européennes pour une politique énergétique locale durable )

Malheureusement les installations sont courament surdimensionnées parce que de nombreux installateurs utilisent des règles de calcul imprécises aussi bien en rénovation que pour de nouvelles installations.


Méthodes à bannir pour dimensionner un générateur thermique
- Appliquer une proportionnelle au volume ou à la surface habitable du bâtiment, du style 60 W/m³
(appelé communément par abus de language dimensionnement ou "méthode empirique" )
- Sommer la puissance des radiateurs existants
- Reprendre aveuglément la puissance de l'installation existante.

En effet :
- les déperditions et apports qui déterminent les besoins thermiques du bâtiment ne sont pas uniquement celles du volume d'air ou de la surface au sol, la moyenne des déperditions par m3 ou m2 habitable des bâtiments possède une grande marge d'erreur
- les anciennes installations sont presque toujours surdimensionnées
- les bâtiments anciens ont souvent fait l'objet d'améliorations énergétiques (doubles vitrages, isolation de toiture, ...), ce qui diminue leurs besoins par rapport à l'installation d'origine


Comment vérifier le dimensionnement d'une installation ?

Le calcul des déperditions et des apports d'une pièce tient notamment de la physique des matériaux, de la conduction de la chaleur, mais aussi de la topographie et de l'orientation. Depuis le premier choc pétrolier plusieurs normes ont décrit l'ensemble des règles de calcul à respecter (Th-D, Th-G, Th-K, ...) dont la plus récente en chauffage est la norme européenne NF EN 12831. Le calcul tient compte entre autres de la surface et de la composition de toutes les parois qui entourent le volume chauffé : murs extérieurs, murs intérieurs en contact avec des locaux non chauffés, portes et fenêtres, planchers sur sol, sur cave ou vide ventilé, toiture ou plafond sous grenier non chauffé, ... etc.
Ce qui signifie que si ces informations n'ont pas été demandées, le dimensionnement du climatiseur ou du chauffage n'a pas été réalisé dans les normes.

De même, en rénovation, si la puissance du nouveau générateur est identique (et à fortiori, si elle est supérieure) à la puissance du générateur existant, il y a fort à parier que l'installation n'a pas été redimensionnée...

Enfin, connaissant la consommation en chauffage d'une saison complète (hors eau chaude sanitaire, cuisson et électroménager), vous pouvez dimensionner empiriquement l'installation et calculer la puissance théorique suffisante.


Faux prétextes pour surdimensionner les installations
et grossir le chiffre d'affaires des mauvais professionnels...

1) "Le surrégime" : Les installations sous-dimensionnées consommeraient beaucoup à cause de "surrégime" comme celui des vehicules à moteur, mais les chaudières et autres générateurs thermiques n'ont pas d'accélérateur ni de boite à vitesse comme les voitures, pour les générateurs thermiques le surrégime simplement n'existe pas. Quelque soit le dimensionnement, les chaudières et autres générateurs thermiques (climatiseurs, pompes à chaleur, radiateurs électriques, etc.) n'ont qu'une seule allure de marche, quand ils ne sont pas éteints en attente de se rallumer, ils fonctionnent toujours à plein régime.

L'incidence du sous-dimensionnement sur le fonctionnement d'un générateur thermique est de fonctionner un plus grand nombre d'heures dans l'année, sans pour autant consommer trop puisque de moindre puissance, la consommation est ralentie et le rendement meilleur (moins de cycles marche/arrêt) qu'un générateur plus puissant.


2) Les pertes du générateur : Les générateurs modernes ont un coefficient de perte extrêmement réduit (... 0,2 % ... de la puissance) et donc négligeable.


3) Les pertes de distribution : Celles-ci sont en partie récupérées par le bâtiment et, lorsque les conduites parcourent des zones non chauffées, leur degré d'isolation est suffisant pour rendre les pertes négligeables.


4) L'intermittence et la relance d'installation (régime transitoire) : Lorsque l'on pratique un chauffage discontinu (coupure nocturne, de week-end, ...), la montée en t° est d'autant plus rapide que le chauffage est puissant, mais dans tous les cas sur la saison froide le générateur est presque toujours surdimensionné.

Sur la saison de chauffe, une installation possède une surpuissance moyenne de 100 %. En intersaison la température extérieure moyenne est de l'ordre de la moitié de la température extérieure de base prise en compte pour le dimensionnement. La différence de température entre intérieur et extérieur à vaincre est donc en moyenne de moitié de la différence prévue au plus froid de l'hiver.

La situation plus défavorable serait donc la relance de l'installation par grand froid, après une coupure de plusieurs jours durant les quels le bâtiment a été maintenu à base t°... mais

faudrait-il vraiment surdimensionner toute une installation pour une situation exceptionnelle pouvant nuire ponctuellement à notre confort ?

Ca semble exagéré, en effet un surdimensionnement du générateur provoque
- surcoût de l'installation, voir aussi du contrat de fourniture EDF
- surconsommation de 15% ou plus par an d'exploitation
- pollution par imbrûlés, l'encrassement du foyer ou l'usure accélérée des pompes à chaleur et climatiseurs

D'autant plus que plusieurs facteurs vont renforcer la puissance de chauffe effective :
- Une régulation par optimisation peut relancer suffisamment tôt le chauffage avant l'arrivée des occupants.
- La ventilation mécanique des bâtiments doit être mise à l'arrêt en période d'inoccupation, et donc aussi pendant la relance. Si l'installation de ventilation est naturelle, une fermeture soit des grilles d'entrée d'air, soit des cheminées de sortie d'air est recommandée pour limiter les déperditions en période d'inoccupation. S'il s'agit d'un ancien bâtiment sans système de ventilation, portes et fenêtres resteront fermées durant la relance.
- Dès l'arrivée des occupants, des apports internes (éclairage, bureautique, ...) viendront renforcer l'apport des corps de chauffe.
- La chaudière choisie dans un catalogue de fournisseur aura une puissance supérieure à la valeur indiquée.
- Lors des calculs, des marges de sécurité sont prises sur la définition des caractéristiques thermiques des matériaux qui composent les parois.
- Les périodes de froid intense sont souvent accompagnées de ciel serein et donc de soleil, permettant un éventuel complément de chauffe en milieu de matinée.


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Etudes thermiques effectuées
2579 pièces étudiées par les internautes entre Mai 2003 et Août 2004

Puissances calculées en fonction des dimensions et constituants de chaque paroi (murs, portes, fenêtres, sol et plafond), de la t° la plus froide de la région concernée, de l'environnement de chaque paroi, du volume et de la fonction de chaque pièce (norme NF EN 12831)

Vous pouvez constater les variations du rapport puissance / surface habitable et du coefficient G (écart type = 70% de la moyenne) pour comprendre la grande marge d'erreur que comporte une puissance indicative calculée par ratio en watts par unité de surface ou de volume.
Un chauffage surdimensionné coûte plus cher, consomme beaucoup et se dégrade plus rapidement

Recherche par surface habitable ou par puissance
Distribution des valeurs de G

On remarque que seulement 3% des pièces étudiées ( 78 / 2579 ) correspondent à la déperdition moyenne généralement employée comme ratio pour calculer des puissances rapidement. La dispersion des valeurs montre que les puissances calculées par ratio moyen sont 60% des fois surdimensionnées (trop chères, surconsommation, pollution...etc.) et 37% des fois sous-dimensionnées (froid, inconfort... etc.), dans une très large mesure possible.


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