Le dimensionnement du système de chauffage a une importance significative sur la performance du système et sur le niveau de confort thermique dans le bâtiment. Les études sur les systèmes de chauffage indiquent qu'ils sont généralement largement surdimensionnés. Liao et al. (2005) ont constaté un facteur de surdimensionnement de 50% en moyenne pour des chaudières installées dans les bureaux au Royaume-Uni. Peeters et al. (2008) ont observé des puissances installées pour des chaudières domestiques en Belgique en moyenne de près de trois fois supérieures aux puissances calculées avec une méthode normalisée. L’écart-type étant de130%, presque tous les systèmes installés étaient largement surdimensionnés. Dans cette étude, les systèmes de chauffage sont dimensionnés suivant la méthode définie dans la norme EN 12831 (CEN, 2003). Le système de chauffage a pour objectif de produire l'énergie thermique nécessaire pour maintenir le confort thermique (c'est à dire la température de consigne) dans des conditions extérieures extrêmes. La méthode consiste à faire un calcul de déperditions en utilisant une température extérieure de référence. Nous avons utilisé les données de l’ASHRAE (2009). En plus de compenser les pertes de chaleur, le système de chauffage doit pouvoir fournir la puissance de relance nécessaire dans le cas d’un ralenti de température de jour ou de nuit dans le bâtiment. La surpuissance de relance est calculée dans la norme à partir de facteurs correctifs (en W/m² de surface chauffée) pour compenser les effets de l'intermittence du chauffage. Des facteurs ont été tabulés en fonction de la durée du ralenti, de la chute de température lors du ralenti mais aussi de l’inertie du bâtiment et du temps de relance.
2.4.1. Puissance nominale des systèmes de chauffage
Comme on l’a vu en introduction, le système de chauffage doit être capable de compenser les déperditions thermiques et de fournir la puissance de relance nécessaire à l’augmentation de la température de consigne dans la maison. Ainsi, la puissance nominale du système de chauffage est donnée par la relation suivante :
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avec la puissance de relance, estimée à 3,75 kW, et les déperditions par transmission et renouvellement d’air, calculées à la température de base , la température minimale du climat considéré.
Cette puissance nominale correspond à la puissance que le système de chauffage doit pouvoir fournir à la température de base . Ainsi, la puissance du système de chauffage varie en fonction du climat. D’autre part, si la puissance maximale que peut fournir un système de chauffage par combustion dépend très peu de la température extérieure et de la température d’eau, il n’en est pas de même pour les systèmes thermodynamiques. Ainsi, la puissance que peut fournir un système thermodynamique à la température extérieure et la température d’eau diffère considérablement de sa puissance nominale dans les
conditions normalisées (c’est-à-dire la puissance nominale fournie par les constructeurs). Cette variation est illustrée sur la Figure 3.21.
Figure 3.21. : Rapport de la puissance maximale fournie par le système de chauffage à
différents niveaux de température extérieure à la puissance aux conditions nominales De plus, la température d’eau à la température extérieure de base varie selon le système d’émission et sa loi d’eau. Ainsi, pour chaque système thermodynamique, il est nécessaire de calculer, à partir des cartes de performances, leur puissance nominale dans les conditions normalisées, à partir de la puissance qu’ils doivent fournir à la température , et ce pour chaque type d’émetteur considéré dans l’étude. Le tableau suivant fournit le résultat du dimensionnement pour chaque type de chauffage.
Tableau 3.10 : Résultats du dimensionnement
Technologie Systèmes à
combustion
PAC électrique PAC à absorption VMC
thermo-dynamique
Conditions
normalisées7
- Te,nom = 7°C
Teau,nom= 35°C Teau,nomTe,nom = 7°C = 50°C TTint,nome,nom = 20°C = 7°C Type
d’émetteur - chauffant Plancher basse temp. Radiateur chauffant Plancher basse temp. Radiateur -
Gênes 6.5 7.9 5.2 7.9 5.8 2.9
Poitiers 7.8 11.6 7.7 12.0 9.0 2.9
Amsterdam 7.8 11.8 7.8 12.2 9.2 2.9
Munich 8.5 14.6 9.8 15.0 11.5 2.9
Pour le système de VMC thermodynamique, le dimensionnement est basé sur le seul système existant pour lequel des données de performance détaillées ont pu être identifiées. Il s’agit de la pompe à chaleur de 2,9 kW développée par Aldes, et dont les performances ne peuvent pas être extrapolées à des puissances nominales plus élevées. La puissance du système est donc prise à 2,9 kW quel que soit le climat et elle est complétée par un chauffage auxiliaire par effet joule pour fournir la demande de chauffage supplémentaire.
2.4.2. Puissances disponibles sur le marché
Sur l’ensemble des technologies de chauffage prises en compte dans cette étude, certains systèmes sont déjà très répandus sur le marché. Ils sont proposés par de nombreux constructeurs, à des puissances nominales très variées. C’est le cas des chaudières à condensation gaz, des chaudières à bois et des PAC électriques air/eau. Au contraire, d’autres technologies émergentes sont très peu répandues sur le marché. C’est le cas de la micro-cogénération, dont le développement est en cours. Ainsi seule une version de cette technologie était disponible sur le marché au moment de l’étude, d’une puissance nominale de 25 kW. C’est également le cas de la PAC à absorption gaz, dont une seule version existait pour le chauffage résidentiel, d’une puissance nominale de 38 kW. Pour finir, la VMC thermodynamique est une technologie récente, proposée par un petit nombre de constructeurs.
La Figure 3.22 permet de comparer pour chaque technologie les puissances disponibles sur le marché avec les puissances de design des systèmes installés dans la maison à faible consommation d’énergie, pour chacun des climats considérés. On constate pour les chaudières à bois et à condensation gaz, que si la plupart des produits ont des puissances globalement trop élevées par rapport aux besoins d’une maison à faible consommation d’énergie, certains ont des puissances assez proches des besoins de la maison considérée dans cette étude. Le surdimensionnement dû à l’absence sur le marché de systèmes de faible puissance est relativement modéré. Pour les pompes à chaleur électriques, il existe de nombreux produits dans la gamme de puissance adaptée à la maison à basse consommation. En ce qui concerne la VMC thermodynamique, les puissances disponibles sont très limitées, mais elles correspondent assez bien aux puissances nécessaires pour la maison étudiée. Enfin, pour les technologies de micro-cogénération et de PAC à absorption gaz, une seule puissance est disponible induisant un surdimensionnement conséquent des installations. Ce surdimensionnement est en moyenne de 230% et 400% respectivement pouvant dégrader la performance de systèmes.
Figure 3.22 : Puissances disponibles sur le marché (Pineau, 2012)