11 12-chim0622-2-usages energiesfossiles&biomasse-vectenerg

2. Usages des
énergies fossiles
et de la biomasse
Prof. dr. ir. Jean-Marie HAUGLUSTAINE,
Chargé de cours
Faculté des Sciences – Département des
Sciences et Gestion de l’Environnement

CHIM0622 – Vecteurs énergétiques

Sommaire

 Chauffage
 Eau chaude sanitaire
 Biomasse

CHIM0622 – 2. Usages des énergies fossiles et de la biomasse – 26/09/12 2


 
gérer


+


0
+

Besoins de chauffage

 Les besoins nets en énergie dépendent des :
 Pertes par transmission de l’enveloppe du bâtiment
 Pertes par ventilation
 Apports internes
 Apports solaires
 Les besoins bruts en énergie dépendent du :
 Rendement global de l’installation
(= produit du rendement de production, de distribution,
d’émission et de régulation)


Distribution Emission Régulation
Production Rendement global
(réseau de (radiateurs, (horloge, sonde
(chaudière) de l'installation
conduites) convecteurs) extérieure…)
Emetteurs trop
Commande
Réseau dispersé et grands + placés Niveau de qualité :
Surdimensionnée manuelle
mal isolé devant des parois médiocre
(marche/arrêt)
non isolées
p = 55 à 60 % d = 80 à 85 % e = 90 à 95 % r = 85 à 90 % ins = 34 à 44 %
Emetteurs bien
Réseau restreint Niveau de qualité :
Bien dimensionnée disposés mais trop Horloge jour/nuit
mais mal isolé standard
grands
p = 65 à 70 % d = 90 à 95 % e = 95 %  r = 90 % ins = 50 à 57 %
Chaudière Haut Emetteurs de taille Horloge jour/nuit et
Réseau restreint et Niveau de qualité :
Rendement ou et d'emplacement robinets
isolé bon
Optimaz corrects thermostatiques
p = 75 à 85 % d = 95 % e = 95 à 98 % r = 90 à 95 % ins = 61 à 71 %
Horloge jour/nuit et
Emetteurs de taille robinets
Chaudière à Réseau restreint et Niveau de qualité :
et d'emplacement thermostatiques,
condensation isolé excellent
corrects sonde ext.,
optimiseur
p = 85 à 95 % d = 95 % e = 95 à 98 %  r = 95 % ins = 73 à 84 %
Ordre de grandeur des rendements partiels
et du rendement global d’une installation de chauffage central


Besoins de chauffage

Schéma d’une installation de chauffage central


Chauffage : critères de choix de l’installation

 Choix du vecteur énergétique :
Privilégier les vecteurs à faibles émissions de polluants
Tenir compte de :
 Disponibilité + mode d’approvisionnement de l’énergie
 + intégration de systèmes fonctionnant avec des énergies
renouvelables
 Gaz naturel
 = combustible non renouvelable dont la combustion a le moins
d’impact local sur l’environnement
 Mazout
 La combustion du mazout émet plus de polluants que celle du
gaz naturel et est disponible partout



 Électricité
 Rendement à la production = idem que centrales électriques
 Avec le parc actuel :  40% càd pour 1 unité consommée dans le
bâtiment, il y a 2,5 unités qui sont prélevées à la planète
 Son utilisation :
 Propre
 Rendement proche de 100 %
 Investissement en équipement : faible
 Bois ou biocarburants
 = combustibles renouvelables
 En zone rurale : écologiquement avantageux mais utilisation
contraignante et nécessite la mise en place de filières de
distribution
 Une étude de faisabilité doit en déterminer l’intérêt économique



 Chauffage électrique à effet joule
 Rendement centrales électriques :  40 %
  à éviter sauf pour des appoints limités dans le temps
(consommation jugée marginale)
 Chaudières fonctionnant aux granulés de bois (pellets)
  Émission de CO2 extrêmement réduite tout en maîtrisant les
autres émissions polluantes
 Combustible renouvelable
 Pour autant que la forêt dont le bois est issu soit gérée de manière
durable
 Facilité de gestion équivalente à une chaudière au fuel
 Si équipée d’une alimentation automatique et accompagnée d’un
espace de stockage des granulés accessible pour la livraison par
un camion souffleur


Chauffage : pertes
à la production


Rendement d’entretien
selon température du
fluide caloporteur

Chauffage : pertes à la production

Rendement de production
Type de chaudière
Rendement utile (1) Rendement saisonnier

Classique surdimensionnée 88 % 55 à 60 %

Classique, bien dimensionnée 88 % 65 à 70 %

Haut rendement (bien isolée,
89 % 75 à 85 %
température d’eau variable)

Au gaz à condensation 100 à 102 % (2) 85 à 95 %

(1) Correspond à un rendement que l’on mesure in situ (intégrant les pertes par chaleur
sensible et les pertes par la jaquette), inférieur au rendement nominal mesurable en
laboratoire.
(2) Les chaudières à condensation récupèrent une partie de la chaleur latente incluse dans les
produits de combustion, en condensant une partie de la vapeur d’eau. Les rendements
peuvent ainsi dépasser 100 % car ils sont, par définition, calculés sur la valeur du pouvoir
Rendements de production utile et saisonnier
de combustion inférieur du gaz.


Pertes à la
production


Chauffage : production (mazout ou gaz)

 Chaudières fonctionnant aux combustibles fossiles
  chaudière à basse t° et chaudière gaz à condensation
 Chaudières gaz à condensation  consommation moyenne de 6 à
9% par rapport aux meilleurs chaudières gaz et fuel traditionnelles
 Si le circuit hydraulique a été étudié afin de maximiser la condensation
dans la chaudière
 La technologie de la condensation des fumées permet de récupérer une
grande partie de la chaleur qui s’échappe habituellement par la
cheminée  rendement théorique supérieur à 100% sur le PCI
 En utilisation finale :
 La combustion du gaz émet moins de CO2 que la combustion du fuel
 La technique de la condensation permet les meilleurs rendements
 Pour qu’une chaudière à condensation présente le haut rendement
attendu, il faut que la t° de l’eau de retour soit la plus faible
possible
 préférable de travailler avec des systèmes à basse température
(chauffage par le sol, radiateurs surdimensionnés…).


Chaudière à condensation


Rendement des chaudières
conformément à la Directive
européenne 92/42/CEE
(A.R. du 18/03/97)


Production : mazout

min. Puissance nominale P [kW]
ou
Critère max. Unité P  20 20 < P  60 60 < P  1.000

Rendement de combustion min. % 91

Gaz de combustion :
- teneur en suie (Bacharach) max. échelle 1
- concentration en CO2 min. % 12,5 %
Rendement utile (1) :
- à pleine charge (eau à 70 °C) min. % 87 87 + 1,5 log P
- à charge réduite (eau à 50 °C) min. % 86 85,5 + 1,5 log P
Pertes à l’arrêt :
- Chaudière sans ECS max. % 1 0,8 0,6
- Chaudière avec boiler intégré max. W 450 1,5 P
- Chaudière avec boiler séparé max. °C max. 14 °C par 24 h (2)
(1) La pleine charge s’entend comme 100 % de la charge ; la charge réduite correspond à 30 % de la charge.
(2) Diminution de température d’eau dans le boiler de maximum 14 °C par 24 h pour un écart de température entre
l’eau et l’ambiance de 35 °C.

Critères du label Optimaz (mazout)


Production : gaz

Puissance nominale P (kW)
Critère
P  30 30 < P  1.000

Rendement utile minimal (1) :
- à pleine charge (eau à 70 °C)   0,86  (0,83 + 0,02 log P)
- à charge réduite (eau à 70 °C)  0,92 .   (0,88 + 0,027 log P) . 
- à charge réduite (eau à 50 °C)  0,97 .  -

(1) La pleine charge s’entend comme 100 % de la charge ; la charge réduite correspond
à 30 % de la charge.

Critères du label HR-Haut Rendement (gaz)


Production : bois, PAC

 Chaudières fonctionnant au bois-bûche
  chargées manuellement  pénalisées par la concurrence de
systèmes moins contraignants
 Ambitions de la filière = autoconsommation de rebuts de bois et
de coupe d’entretien
 Pompe à chaleur
 Mieux qu’une chaudière à condensation si système
performant…
 Entre autres : performance de sa source froide dans laquelle elle
puise sa chaleur


Production : cogénération

 Cogénération
 = technologie performante
 Simultanément
 produit localement de l’électricité
 récupère de la chaleur (pour produire de l’eau chaude sanitaire
ou tout type de chauffage)
 dans les gaz d’échappement du générateur
 dans l’eau de refroidissement
 dans l’huile de lubrification
 Rendement global : meilleur qu’en productions séparées
 A envisager :
 Si les besoins de chaleur sont importants et assez constants


Production : chaudière(s) en cascade ?

Quel que soit le mode de production choisi :
 Le système de chauffage doit avoir un rendement élevé
(en régime nominal mais aussi à charge partielle)
 Si surdimensionnement des équipements :
  rendement moyen annuel
 impact non négligeable sur la consommation finale du bâtiment

Chaufferie collective = plusieurs chaudières en cascade
 en mi-saison, ne fonctionnent que le nombre nécessaire
d’appareils, avec un rendement plus proche de celui obtenu
en régime nominal.

Sur une chaudière, brûleur de type modulant  amélioration
du rendement à charge partielle


Chauffage : distribution

 Conception de la distribution du système de chauffage
( pertes de chaleur entre chaudière et corps de chauffe)
 Isoler les conduites
 Impératif d’isoler toutes les conduites de chauffage, y compris les
coudes et les vannes :
 Se trouvant dans le sol, à l’extérieur ou dans des espaces ne faisant
pas partie du volume protégé du bâtiment
 Passant dans des locaux du volume protégé mais desservant
d’autres locaux et non le local où elles passent
 Exigence valable
* si diamètre de la conduite est > DN 40
* si longueur totale des conduites de ce type est > 6 m
* surtout, si déperditions des conduites sont telles qu’elles entraînent une
surchauffe du local traversé
 Traversant des locaux où un système de climatisation est prévu



 Limiter la consommation des
circulateurs
 En limitant la longueur des réseaux de
distribution
 En dimensionnant « largement » les
tuyauteries ( les pertes de charge)
 En réduisant le débit des circulateurs
 Circulateurs électroniques à vitesses variables
  adaptation du débit réel dans le circuit au débit
nécessaire
 élimine le problème de surdimensionnement du
circulateur et la surconsommation électrique
associée
  choix important pour les installations avec
chaudières à condensation
 car si bonne adéquation des débits aux besoins
 optimisation de la condensation et donc du
rendement



 Le surcoût engendré par l’installation de tels circulateurs est
rapidement remboursé par la  consommation électrique si
correctement réglés à la mise en service
 En intégrant le fonctionnement des circulateurs à la régulation
 Leur temps de fonctionnement peut être réduit de moitié
 En arrêtant les circulateurs si chaudières à l’arrêt (en été)



 Équilibrer la distribution
 Manque de débit dans certains locaux = déséquilibre de
l'installation
 Équilibrer une installation = freiner l'eau dans les circuits
favorisés  difficulté de passage est la même dans chacune
des boucles de distribution
 Il s’agit de placer des vannes d’équilibrages :
 Au retour des circuits
 Sur les émetteurs
 Au minimum sur les colonnes et les branches du circuit : vannes
munies de prises de pression différentielle permettant de mesurer
le débit
 Pour obtenir un réglage optimal, l’installation doit être équilibrée
par un professionnel



Isolation des vannes et des tuyauteries de chauffage dans un hôpital


Chauffage : émission

 Choix du mode d’émission
A privilégier les systèmes fonctionnant à basse t° :
 t° moyenne de l’eau du système 
  rendement de combustion
  pertes vers l’ambiance
 Proportionnelles à  t° entre chaudière et chaufferie
  pertes de chaleur du réseau de distribution
  sensation de confort grâce à une plus grande homogénéité
des t° dans l’espace
 Peu de stratification des t° et pas de fort rayonnement sur une des
faces du corps


Chauffage : émission

 Radiateurs
 Larges (surdimensionnés)
  confort nécessaire avec de l’eau de distribution à basse t°
  rendement des chaudières à condensation
 Pas devant des allèges vitrées
 Devant des parois présentant une bonne isolation thermique ou le long
des murs intérieurs  supprime entièrement les pertes
 Chauffage par le sol
 Pour locaux de grande hauteur, sauf
 Si locaux occupés de façon intermittente ou profitant d’apports de chaleur
variables importants (inconfort, surconsommation)
 Isolation, sous le réseau d’eau chaude, renforcée proportionnellement
au type d’ambiance trouvée sous le plancher chauffant
 Paroi extérieure, vers local non à l’abri du gel, vers local non chauffé à l’abri
du gel, vers local chauffé
 Pertes vers le bas importante si l’isolation sous le plancher est insuffisante


Chauffage : émission (radiateurs)

+70°C


Chauffage : émission (chauffage par le sol)

Distribution uniforme (équidistance des spires du serpentin)



Répartition des spires selon les zones déperditives du local



 Exemple : sol de rez-de-chaussée sur cave
 Partie supérieure de la dalle de sol chauffante
 Résistance d’échange Ri 0,167 m2K/W
 Carrelage terre cuite
d=1 cm =0,81 W/mK 0,012 m2K/W
 Chape d=5 cm =0,84 W/mK 0,060 m2K/W
 Dalle chauffante (béton non armé)
d=10 cm au-dessus du serpentin
=1,7 W/mK 0,059 m2K/W
 TOTAL PARTIE SUPÉRIEURE 0,298 m2K/W



 Partie inférieure de la dalle de sol chauffante
 Dalle chauffante (béton non armé)
d=2 cm en-dessous du serpentin
=1,7 W/mK 0,012 m2K/W
 Isolation thermique : polystyrène extrudé
d=8 cm =0,035 W/mK 2,286 m2K/W
 Hourdis de béton armé d=12 cm 0,140 m2K/W
 Résistance d’échange Re 0,167 m2K/W
 TOTAL PARTIE INFÉRIEURE 2,604 m2K/W



 Partie supérieure = 0,298 m2K/W
 Partie inférieure = 2,604 m2K/W
 Rtotale = 2,902 m2K/W

 U = 1/Rtotale = 0,345 W/m2K

 Qvers le haut = (40 - 20) / 0,298 = 67,2 W  81,4 %
 Qvers le bas = (40 - 0) / 2,605 = 15,4 W  18,6 %



 Besoins de chaleur pour le dimensionnement du
chauffage par le sol
 Besoins de chaleur corrigés du local Qc [W] =
 QN [W] Besoins de chaleur du local selon NBN B62-003
 - Qtrs [W] Pertes par transmission par le plancher sur sol
 Besoins de chaleur spécifiques du local Q“c [W] =
 Qc / Alocal [W/m2]
 où Alocal = superficie du local [m2]



 Calcul du rendement global d’un système de chauffage :
 global = production . distribution . émission . régulation
 Système de chauffage par radiateurs :
 global = 0,9 . 0,85 . 0,95 . 0.9 = 0,654 (avec intermittence)
 Système de chauffage par le sol :
 global = 0,9 . 0,9 . 0,9 . 0.85 = 0,620 (avec intermittence)
 global = 0,9 . 0,95 . 0,9 . 0.9 = 0,693 (avec occupation continue)


Chauffage : émission (convecteurs)

 Convecteurs
 Suppose une t° de fonctionnement > que radiateurs
  pertes de distribution et de production légèrement plus
importantes
 Ex. : une chaudière à condensation est moins efficace avec des
convecteurs
 Impossibilité de raccorder des radiateurs et des convecteurs
sur un même circuit de distribution
 Transmission de chaleur via de l'air entraîne inévitablement
une certaine stratification des températures
  obligation  la t° moyenne de la pièce pour un même confort au
niveau des occupants
 En conclusion :
 Un convecteur est moins cher et moins inerte qu’un radiateur
 Il répond rapidement à une variation de charge fréquente (local
ensoleillé, local de réunion)


Chauffage : régulation

 Choix du mode de régulation
 Une régulation de qualité de l’installation de chauffage doit
permettre :
 De tenir compte du confort ressenti dans les différents espaces
du bâtiment
 Le respect des températures de consigne intérieure,
indépendamment des apports de chaleur gratuits
 L’intermittence de la fourniture de chaleur en période
d’inoccupation
 La limitation des pertes de distribution et de production
 De tenir compte des modifications rapides des conditions
météorologiques



 Régulation de la chaudière
 Auparavant

Chaudière maintenue sur son aquastat,
thermostat d’ambiance agissant sur le circulateur



 Aujourd’hui

Température de la chaudière commandée
par un régulateur climatique et sonde extérieure



 Régulation de la distribution
 Un grand principe : « à chaque zone thermiquement homogène
son circuit propre »
 Idéalement, le découpage hydraulique coïncidera avec la
répartition des locaux ayant des besoins similaires :
 Au niveau des plages horaires d’occupation essentiellement
 Dans les sollicitations extérieures (soleil, vent…)
 découpage par façades
 Dans une moindre mesure, au niveau du type d’équipement de
chauffage et au niveau de l’inertie du bâtiment
 Chaque découpage : régulé comme une entité à part entière



 Choix d’un régulateur ajusté en fonction des sondes de
compensation :
 Sonde d’ensoleillement (pour un circuit alimentant une façade
sud)
 Sonde de vent (pour les immeubles de grande hauteur)
 Sonde d’ambiance (nécessaire aussi pour gérer l’intermittence
avec un optimiseur
  Pallie les difficultés de réglage manuel de la courbe de chauffe
 Sondes de compensation
 Pas utilisées si le circuit de chauffage dessert des locaux
d’orientation différente ou avec des apports internes de chaleur
différents



 Régulation zonale
 La seule régulation par zone en fonction de la température
extérieure… ne tient pas compte d’une série d’éléments
perturbateurs :
 Renouvellement d’air variable du bâtiment en fonction du vent
 Apports internes variables en fonction des locaux (occupants,
bureautique…)
 Apports externes variables (soleil, ombre d’un bâtiment voisin…)
 L’impact d’une augmentation des pertes par ventilation sur la
température intérieure est immédiat
 L’impact d’une diminution de la t° extérieure sur la t° intérieure est
lent, du fait de l’inertie du bâtiment
 Déséquilibre thermique entre les corps de chauffe



 Régulation de l’ambiance local par local en complément
d’une régulation centrale en fonction des conditions
extérieures. Cela peut se faire par le placement :
 de vannes thermostatiques locales
 d’un thermostat d’ambiance
Attention :
On ne peut pas mélanger dans un même local un thermostat
d’ambiance et des vannes thermostatiques

Vannes thermostatiques



 Les vannes thermostatiques :
Rôle : mesurer la t° la plus représentative possible de la t° ambiante
 La tête de la vanne, comprenant l’élément thermostatique, ne doit
pas être échauffée par le corps de chauffe.
 Influences parasites :
 Les coins des murs
 L’air chaud s’élevant des tuyauteries ou du radiateur (vannes
placée verticalement)
 Les tablettes ou caches décoratifs (située à moins de 10 cm du
radiateur)
 Les tentures…



 L’emplacement des capteurs
 Le rôle d’un capteur = témoin fidèle... de ce qu’il est censé
mesurer ! Ce n’est pas toujours le cas :
 Une sonde de température intérieure ne peut être :
 Soumise à l’ensoleillement
 Influencée par une source de chaleur interne (éclairage, radiateur…)
 Placée sur un mur extérieur, ni contre une cheminée
 Placée dans un endroit clos, peu influencé par l’air ambiant (dans une
niche, derrière une tenture…)



 Une sonde de température extérieure :
 Placée sur une façade N-O ou N-E s’il n’y a qu’une sonde pour le
bâtiment
 Placée à une hauteur de 2 m à 2 m 50 au-dessus du niveau du sol
ou accessible à partir d’une fenêtre
 Ne peut être soumise à l’ensoleillement direct
 Ne peut être placée contre une cheminée, ni au-dessus d’une
fenêtre, ni au-dessus d’une sortie de ventilation



 L’intermittence et la dérogation
 Pratiquer l'intermittence de chauffage en fonction de
l'occupation ne peut conduire qu'à une économie d'énergie
 Le fonctionnement correct de l’optimiseur est lié :
 A la bonne conception des circuits hydrauliques
 A l’emplacement correct des sondes d’ambiance
 A la prise en compte de la puissance réellement disponible pour la
relance
 A la gestion de la vitesse des circulateurs électroniques
 Si conditions non remplies :
 L’optimiseur ne pourra calculer le moment de la relance
 Risque d’anticiper tellement la relance que le ralenti disparaîtra



 La gestion des dérogations
 Possible au niveau des régulateurs mais confiée à un minimum de
personnes responsables
 Rôle : étendre la durée de fonctionnement de l’installation en
dehors des heures d’occupation normales
 Il est important que le système se remette de lui-même en
fonctionnement automatique après un temps déterminé (par exemple 2
heures)
 Une dérogation dont la fin serait gérée manuellement par les occupants
risque rapidement de conduire à des oublis



 Gestion technique et centralisée (GTC)
 La GTC contribue à améliorer :
 Gestion des équipes de maintenance
 Gestion énergétique des installations (consulter les historiques)
 Cependant, la GTC
 Loin d'être bon marché
 Ne fait pas encore partie des systèmes dit "ouverts" où la
communication entre divers équipements issus de fabricants différents
n’est pas aisée voire impossible


Sommaire

 Chauffage
 Biomasse


Eau chaude sanitaire : réduction des besoins

 Concilier des objectifs « inconciliables », à savoir :
 Réduire les déperditions thermiques au niveau de la
production et du stockage
 Limiter la t° de production
 Choisir des systèmes avec de bons rendements et des ballons
garantissant des constantes de refroidissement faibles (bonne
isolation)
 Exploiter les énergies renouvelables : notamment par
l’utilisation du solaire thermique à compléter par une autre
source d’énergie
 Réduire les consommations électriques des pompes de
distribution



 Réduire les déperditions thermiques au niveau de la
distribution
 Le rapprochement entre la production et les points de puisage
permet de :
 Limiter les déperditions
  quantité d’eau stagnante dans les tuyauteries et inutilement
chauffée
  consommations d’eau et d’énergie
 Donner une réponse plus rapide aux besoins
 Par ailleurs : nécessaire de renforcer l’isolation des
canalisations
 Réduire les volumes d'eau inutilement soutirés
 Robinets à fermeture automatique temporisée ou à détection dans
les bâtiments tertiaires
 Mitigeurs thermostatiques…



 Limiter les risques d’entartrage et de corrosion
 Prévenir le risque de prolifération de bactéries
indésirables (Pseudomonas, Legionella)
 Eau chaude produite à 60°C
 Maintenue  55 °C en tout point du réseau principal
 Dans un système de distribution avec recirculation
 t° de retour : jamais < 55 °C
 Réduire au maximum les « bras morts » (zones de stagnation
de l'eau)…



 Réducteurs de débits
 Consommation d'énergie = d’abord quantité d'eau utilisée,
avant la t°
  Régler débit d'eau nécessaire puis adapter la t° souhaitée
  Privilégier une robinetterie capable :
 D’optimiser rapidement la t° désirée (mitigeur thermostatique
par exemple)
 et de contrôler le puisage en fonction de la présence de
l’utilisateur
 Il existe également des robinets à blocage limitant le débit par
paliers pour n’utiliser que le débit nécessaire à l’usage du
moment


ECS :
distribution


Eau chaude sanitaire : rendement systèmes

 Rendement des systèmes disponibles sur le marché :
 Valeurs du rendement global annuel proposées par le VITO,
dans le cadre d’un programme de recherche (SAVE BELAS)
évaluant les systèmes résidentiels
 Hypothèses :
 Demande journalière d’ECS = 43 litres/personne à 40°C
pour une famille de 4 personnes
 Volume de stockage (quand il existe) = 150 litres
 Rendement moyen de la production d’électricité en Belgique
= 0.38
 Facteur de conversion de l’énergie finale à l’énergie primaire,
tel que repris dans les réglementations belges PEB :
 = 1 pour le gaz ou le mazout
 = 2.5 pour l’électricité (ici 1/0.38 = 2.63)
 = 0.8 pour la biomasse

Eau chaude sanitaire :
rendement systèmes Global efficiency of DHW systems including
production, distribution and storage, in final energy

Efficiency (in final energy)

Thickness of
2.5 cm 5 cm 10 cm
insulation (if tank)

Old boiler at constant t° 0.46 0.52 0.56

Tank in boiler (one
New boiler at constant t° 0.61 0.69 0.74
shared envelope)

New boiler at floating t° 0.69 0.78 0.83

Tank combined to a
boiler (two separate New boiler at constant t° 0.54 0.64 0.72
envelopes)

Instantaneous gas heater
0.9
(combined or not with heating)

Gas heater with storage tank 0.69 0.78 0.83

Electrical heater with storage tank 0.76 0.87 0.93


rendement systèmes production,Global efficiencystorage, in primary energy
distribution and
of DHW systems including

Efficiency (in primary energy)

Thickness of
2.5 cm 5 cm 10 cm
insulation (if tank)


Tank in boiler (one
New boiler at constant t° 0.61 0.69 0.74
shared envelope)


Tank combined to a
boiler (two separate New boiler at constant t° 0.54 0.64 0.72
envelopes)

Instantaneous gas heater
0.9
(combined or not with heating)

Gas heater with storage tank 0.69 0.78 0.83

Electrical heater with storage tank 0.29 0.33 0.35


Eau chaude sanitaire : préchauffage solaire


Eau chaude sanitaire : solaire thermique

 Principes
 L’énergie solaire est convertie directement en chaleur
 récupérée grâce à un fluide caloporteur qui s’échauffe en
circulant dans un absorbeur
 Pour chauffage, pour eau chaude sanitaire ou les deux
 Pour réchauffage des eaux de piscines
 Pour la production de froid, notamment par couplage du
système solaire avec un groupe frigorifique à absorption
 Sous nos latitudes, l’énergie solaire est collectée
 75 % entre avril et septembre
 25 % entre octobre et mars


Annual
radiation Slope
(%)

Example

[Source : Schüco]



 Orientation des capteurs
 Entre le S-E et le S-O
et inclinés de 25° à 60° par rapport à l’horizontale
 Plein E ou plein O entraîne une perte de rendement des
capteurs d’environ 20 %
 Au-delà (N, N-E, N-O), les rendements chutent rapidement
 Par an : 1 m² de surface horizontale reçoit 1.000 kWh,
soit l’équivalent de 100 litres de fuel


solaire thermique
 Les capteurs solaires plans ou
tubulaires ?
 2 grandes catégories de capteurs :
 Les capteurs plans  surface plane
absorbant la chaleur, au dessus de laquelle
est éventuellement placée une vitre
 Les capteurs tubulaires  tubes en verre
dans lesquels on a fait un vide d'air
 La différence principale entre ces types de
capteurs = qualité d'isolation thermique
obtenue :
 Une forte isolation thermique limite les pertes
du capteur vers l'air environnant
 L'introduction d'une vitre améliore l'isolation,
mais renvoie une partie des rayons solaires en
les réfléchissant



 Les capteurs les plus "haut de gamme"  catégorie
tubulaire
 La forme tubulaire permet de réaliser un vide d'air,
au contraire de la forme plane
 Dont la vitre ne résisterait pas à la pression atmosphérique
(on peut néanmoins penser à mettre un autre gaz,
comme dans un double vitrage à haut rendement)
 Le vide d'air sert à l'isolation thermique entre l'absorbeur (le
matériau qui capte la chaleur) et l'air ambiant
 Les capteurs tubulaires
 = meilleur rendement dans les moins bonnes conditions, càd :
 Énergie solaire relativement faible et/ou t° extérieure basse
 En été, moins performants que certains capteurs plans
mais rendement annuel global plus élevé que les capteurs plans



 Les capteurs plans
 Généralement moins chers
 Rendement > capteurs tubulaires dans les conditions faciles :
 Fort ensoleillement et  de t° absorbeur - air ambiant modeste
 rapport coût/performance  le plus utilisé actuellement



 Chauffe-eau solaire
 Principe de
fonctionnement
 Un capteur solaire
thermique (1)
transforme le
rayonnement solaire
en chaleur grâce à un
absorbeur (un corps
noir caractérisé par
des propriétés
d’absorption très
élevées et d’émissivité
très basses).
L’absorbeur transfère
la chaleur à un fluide
caloporteur circulant au
travers de chacun des
capteurs.



 Cette chaleur est
acheminée par le fluide
caloporteur vers le(s)
ballon(s) de stockage
(2). Un circulateur (3)
fait circuler le fluide
caloporteur entre les
capteurs et le ballon de
stockage. Ce circulateur
s’enclenche
automatiquement par la
régulation (4) lorsque la
température du fluide à
la sortie des capteurs
est supérieure à la
température de l’eau
sanitaire dans le bas du
réservoir de stockage.



 En cas
d’ensoleillement
insuffisant, une
source d’énergie
d’appoint (5) porte
l’eau préchauffée
à la température
souhaitée. Cet
appoint peut être
réalisé par une
chaudière, un
chauffe-eau
instantané ou une
résistance
électrique.



 Exemple d’installation domestique
 Consommation d’eau chaude considérée :
 45 litres à 45 °C par personne et par jour
 Fraction solaire utile : 55 %
Soit la fraction de l’énergie utile qui n’est pas fournie par l’appoint
 Rendement annuel d’exploitation du chauffage d’appoint de l’eau
sanitaire : 75 %
(à ne pas confondre avec le rendement de combustion de la chaudière
qui peut être supérieur à 90 %!)
 Ballon de stockage “bi-énergie” (solaire + appoint)

NB : chauffage solaire pour les piscines de particuliers  succès grandissant



 Potentiel à exploiter dans le secteur tertiaire
 Plus la consommation d’eau chaude est élevée,
plus l’installation solaire est grande, et meilleure est sa
rentabilité
 Le coût au m² d’une installation est inversement proportionnel à la
surface installée
 En Belgique  hôpitaux, piscines et établissements d’accueil
social (maison de repos, centre d’accueil pour personnes
handicapées...)
 Les établissements offrant un potentiel certain pour les
applications solaires thermiques se concentrent dans ces trois
groupes
 Potentiel intéressant  grands hôtels, centres de vacances,
immeubles de plus de 15 logements, restaurants d’entreprise…



 Systèmes solaires combinés
 Production d’eau chaude sanitaire et de chauffage des locaux 
essentiellement dans le secteur résidentiel
 Cette technique convient surtout aux nouvelles constructions
lorsqu’elles sont particulièrement économes en énergie
 En Belgique, l’ensoleillement ne suffit pas à couvrir totalement le
besoin énergétique nécessaire au chauffage en toute saison
  complément par un système de chauffage classique (appoint fourni
par la chaudière)
 Le chauffage à basse t° par rayonnement des parois (ou des
radiateurs surdimensionnés) :
 Bien adapté à l’utilisation de l’énergie solaire
 L’installation d’un système solaire combiné : pas une démarche
standardisée
 Chaque projet doit faire l’objet d’une étude adaptée



 Avantages du solaire thermique
 Technologies aisément maîtrisables et adaptables aux
situations de toutes les régions
 Techniques et matériaux utilisés : similaires à ceux
employés dans le secteur traditionnel
 du chauffage, du sanitaire et des verrières
 Main d'œuvre : formation complémentaire aisément
maîtrisable
 Forme modulable de production d'énergie que l'on peut
adapter en fonction de ses besoins
 Frais de maintenance réduits



 Inconvénients du solaire thermique
 Variable dans le temps
 Sous les climats tempérés, variation importante en fonction des
saisons
 stocker cette énergie
 disposer d’une source d’énergie d’appoint
 Énergie diffuse
 La puissance disponible par unité de surface est relativement
limitée


Coût
annuel

Sourc e : O . L ESAGE, P . N IES,
Production d’eau chaude, un
choix qui compte, in T es t
A c hats n°5 41, A vril 2 010, pp.
44 à 48


Sommaire

 Chauffage
 Biomasse


La biomasse

 = ensemble de toutes les matières premières
renouvelables d’origine végétale ou animale
destinées à des utilisations non alimentaires
 En Europe : une centaine d’espèces végétales peuvent être
utilisées pour la fabrication de produits non alimentaires et
pour la création d’énergie
 Valorisation énergétique de la biomasse
  3 formes d'énergie utile, en fonction du type de biomasse
et des techniques mises en œuvre :
 La chaleur
 L'électricité (ou les deux combinées en cas de cogénération)
 La force motrice de déplacement (les biocarburants)


La biomasse

 La biomasse peut provenir :
 Des forêts
 De l’agriculture
 De la filière déchets
 Les forêts et les industries de première transformation du
bois
 = principales sources d’approvisionnement en combustibles
biomasses solides
 Grande variété de biocombustibles aux caractéristiques
propres
 Bûches, écorces, bois déchiqueté et plus récemment granulés
 Les granulés  grand potentiel de développement au niveau mondial
grâce à la densité et à la normalisation de ce combustible, qui peut être
produit par diverses biomasses


La biomasse

 L’agriculture
 = source de produits connexes, telles les déjections animales
et la paille
 Cultures énergétiques menées :
 soit en cultivant les mêmes variétés (colza, blé, maïs, etc.) mais
détournées de leur usage habituel
 soit en cultivant de nouvelles espèces (peuplier, saule, miscanthus,
etc.)
 Les déchets biodégradables
 Plusieurs aspects :
 Fraction organique de déchets ménagers
 Déchets de bois
 Combustibles tirés des déchets
 Boues d’épuration
 ...


La biomasse

 Chaque ressource biomasse se caractérise par :
 Sa granulométrie
 Son taux d’humidité
 Son pouvoir calorifique
 Son taux de cendres
 Technologies de conversion en énergie
appropriées à chacune d’entre elles (réactions chimiques,
thermiques et/ou biologiques)


La biomasse

 On peut donc classer les bioénergies selon leurs
finalités :
 Production de chaleur :
 La combustion de la biomasse pour la production de chaleur
= mode de transformation le plus répandu à l’échelle de la
planète
  avec une recherche constante :
 de la meilleure efficacité
 de la réduction des rejets atmosphériques
 Plusieurs systèmes existent et se différencient de par leur taille
 Il est également possible de produire de la chaleur à  grande
échelle grâce à la cogénération
  fournit de la chaleur sous forme de vapeur pour certains
procédés industriels et peut servir à alimenter des réseaux de
chaleur


La biomasse

 Production d’électricité :
 = combustion suivie d’un cycle de transformation en vapeur
d’eau
 La « co-combustion » de biomasse et de charbon est un mode
de production d’électricité également répandu en Belgique
 Apparition de nouvelles techniques, telles que :
 Les centrales ORC (Organic Rankine Cogeneration) mettant à
profit le cycle organique de Rankine
 Le biogaz issu de la fermentation anaérobique est principalement
utilisé sur site pour des applications de cogénération
 Les résidus liquides et solides issus de ce procédé sont le plus
souvent utilisés comme engrais pour fertiliser les terres agricoles


La biomasse

 Biocarburants :
 Les methyl-esters obtenus à partir des huiles végétales (biodiesel)
sont utilisés :
 soit en mélange avec le diesel d’origine (concentration < 5 %)
 pas de modification des moteurs
 soit purs  adaptations : de + en + de fabricants de voitures prennent en
compte le biodiesel
 Les huiles végétales
 Utilisées en mélange ou pures à condition de modifier un peu les moteurs
 L’éthanol = fermentation de plantes sucrières, suivie d’une distillation
 Utilisé dans des moteurs à essence en mélange < 10%,
en mélanges plus concentrés dans des véhicules FFV (Flexible Fuel Vehicle)
ou pour des moteurs adaptés
 Possibilité de produire des biocarburants à partir de biogaz amélioré
(méthane)
 Les possibilités de production à partir de bois sont à l’étude


La biomasse

 La biomasse se différencie nettement des autres
formes d’énergie renouvelable par 2 caractéristiques :
 Elle est stockable
 Susceptible de produire de l'énergie quand on en a besoin
 Elle permet de produire toutes les formes d'énergie utile
 Chaleur, électricité, biocarburants
 Les autres énergies renouvelables sont mono-produit :
 PV, éolien et hydraulique : électricité
 Solaire thermique : chaleur


Biomasse : Bois - énergie

 Les différentes formes du
combustible bois
 La bûche
 Forme de bois la plus utilisée par les
particuliers
 Combustion efficace si bois
suffisamment sec
  stockage de deux ans est requis afin
de réduire la proportion d’eau à moins
de 20 %
 L’utilisation d’un bois trop humide
provoque une combustion incomplète,
peu rentable et polluante
 La bûche est commercialisée par stère
(un stère est un empilement de 1 m x 1
m x 1 m de bûches)



 Les plaquettes de bois ou chips
 = copeaux de taille de  3 cm
obtenus par déchiquetage de
branches, de sous-produits de
l’industrie du bois…
 Qualité et stockage dépendent de
l’humidité du bois ( 30 %)
 Double avantage par rapport aux
bûches
 Autorise l’alimentation automatique
des chaudières
 Prix sensiblement moins élevé
 Inconvénient
 Foisonnement  volume plaquettes
ou chips = 1,5 volume bûches



 Les granulés ou pellets
de bois
 = petits morceaux
cylindriques faits de
sciure bois comprimée
et non traitée, ayant un
diamètre de 5 à 15 mm
(la plupart entre 6 et 8
mm) et une longueur de
10 à 20 mm
 Le procédé n’inclut
aucun additif chimique,
l’agent liant étant la
lignine naturelle du bois



 Leur petite dimension et leur surface lisse leur procure une
grande fluidité permettant l’entière automatisation des
installations de production d’énergie
 Les pellets ont un taux de cendre (< 1%)
et une humidité (< 10 %) très faibles
 Prix pellets > prix plaquettes
 Mais valorisent d’autres sous-produits de l’industrie du bois
 Occupent moins de place que les plaquettes



 2 kg de granulés = 1 litre de mazout = 10 kWh
 1 palette de 1.000 kg de granulés = 4,5 stères de bois

Consommation Mazout Chêne Peuplier, pin Pellets
sacs de 15
kWh litres m³ m³ m³ kg
kg
50.000 5.000 23 41 17 737 11.055
33.000 3.300 15 27 11 477 7.155
21.000 2.100 10 17 7 303 4.545
10 1 2,2
4.620 462 2,2 3,7 1,5 66,7 1.000
Sourc e : D ossiers du C STC n°3/2010



 Le chauffage central au bois
 = chauffage d’une habitation par un système centralisé
 Selon le même principe que chauffage central au gaz ou au
mazout
 Les gaz de combustion chauffent un fluide caloporteur (le plus
souvent de l’eau), circulant dans un réseau de canalisations
 La chaleur ainsi véhiculée est ensuite restituée dans les différentes
pièces de l’habitat par système d’émission de chaleur (radiateurs,
chauffage par le sol…)


Biomasse : Céréales - paille - énergie

 Chauffage aux céréales (aussi bien grain que paille)
 Depuis 25 ans  répandu dans les pays d’Europe du Nord
 Au Danemark notamment :  10.000 chaudières
 De plus grosses unités (de 0,5 à 10 MW) : pour chauffer
plusieurs habitations voire même des quartiers entiers par
l’intermédiaire de réseaux de chaleur
 Expérience positive des pays du nord de l’Europe :
  de telles filières peuvent être développées
 la technologie est mature
 Il existe  marques de chaudières disponibles sur le marché
répondant aux normes européennes en vigueur
 Chez nous : quelques personnes se chauffent déjà aux
céréales, mais leur nombre est encore très faible


Biomasse : Biométhanisation

 Principe
 = dégradation de matière organique
 En absence d'oxygène (milieu anaérobie)
 A l'abri de la lumière par l'action combinée de micro-
organismes
 Matières utilisées
 Effluents d’élevage (lisier, fumier, purin…)
 Matières organiques (tontes de pelouse, ordures ménagères…)
 Technique produisant un mélange gazeux appelé biogaz
 Le biogaz obtenu va alimenter un moteur
 Le moteur entraîne une génératrice qui va produire de
l’électricité et de la chaleur (cf. « 4.11 La cogénération »)
ou uniquement de l’eau chaude avec une chaudière adaptée



 L'électricité (dite verte) est
 Soit consommée par l'exploitation
 Soit envoyée sur le réseau
 La chaleur produite par le moteur
 Sert à chauffer le digesteur
 Utilisée pour chauffer
 Un bâtiment agricole (étable, porcherie …)
 Voire des habitations et autres collectivités (bâtiments
communaux, piscine, etc.) grâce à un réseau de chaleur
 Le produit résiduel de la biométhanisation = biodigestat
 Valorisé, selon les réglementations régionales, comme
amendement organique sur les terres agricoles
 L’épandage est autorisé en Wallonie
 Pas en Flandre  le biodigestat doit être traité
 Zone protégée pour les nappes phréatiques


Principe de la
biométhanisation



 Avantages de la biométhanisation
 Production d’énergie thermique et électrique :
 L’énergie thermique peut-être utilisée pour couvrir les besoins
énergétiques en chauffage pour habitation, immeubles
collectifs…
 L’électricité produite, dite électricité verte, peut être
autoconsommée ou revendue
 Diminution des émissions de gaz à effet de serre :
 Lors de la biométhanisation, le méthane, qui est 21x plus nocif
que le CO2, n’est plus libéré de façon incontrôlée dans
l’atmosphère
 Une double économie est réalisée
 en récupérant le méthane
 en évitant les émissions de CO2 résultant de la combustion
d’énergie fossile



 Amélioration de la valeur agronomique :
 Le traitement par digestion anaérobie d’un effluent d’élevage
 sensiblement sa charge polluante
  risques de pollution lors de son rejet en milieu naturel
 De plus, la biométhanisation « stabilise » l’effluent en éliminant
les « nuisances » :
 sanitaires (germes pathogènes)
 olfactives (ce qui constitue un avantage indéniable, surtout lors de
l’épandage sur culture ou prairie)



 Inconvénients de la biométhanisation
 Principal inconvénient : lourdeur des investissements à
consentir : restent dissuasifs malgré les frais de
fonctionnement très faibles ( 2 % de l’investissement)
 Le biogaz est hautement inflammable et nécessite, de ce
fait, un certain nombre de mesures de sécurité
 La biométhanisation ne constitue pas une solution définitive
aux problèmes de la charge polluante des élevages
 En effet, les excédents en azote et phosphate provenant des
élevages ne sont pas éliminés et le volume des effluents n’est
diminué que 10 à 20 %


Biomasse : cogénération

 La production d’électricité (nucléaire ou thermique)
et son transport
 = rendements très bas, de l’ordre de 30 %
 L’intérêt de la cogénération
 Récupérer les énormes pertes de chaleur lors de la
production, à des fins thermiques
 Produire simultanément de l’électricité et de la chaleur
 Avantage
 Meilleur rendement total pour une même puissance délivrée en
chaleur et en électricité que si productions séparées
 moins de combustible pour produire la même quantité
d'énergie



 Pour produire 350 kWhé d'électricité et 530 kWhq de
chaleur :
 1 unité de cogénération au gaz
 Rendement électrique de 35 % Rendement thermique de 53 %
 va consommer 1.000 kWhp d'énergie primaire
 Filières séparées
 Meilleure centrale électrique (Turbine Gaz Vapeur)
 Rendement de 55 % : va consommer 636 kWhp d'énergie primaire
 Meilleure chaudière
 Rendement annuel de 90 % : va consommer 589 kWhp d'énergie
primaire
 total filières séparées = 1.225 kWhp d'énergie primaire
 Le gain en énergie primaire engendré par la cogénération au
gaz est de 225 kWh pour 1.225 kWh, soit une réduction de plus
de 18 % par rapport à la consommation totale d’énergie
primaire


 Systématiquement penser à l’installation de
cogénération pour des opérations
 D’une certaine taille
 Chaque fois qu’il y a des besoins élevés et simultanés en
électricité et en chauffage (besoins permanents)
 Hôpitaux, maisons de retraite, hôtels…
 Habitations
 Aux besoins intermittents (écoles ou bureaux), des
regroupements peuvent permettre de réunir des conditions
favorables


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