CHAUFFAGE
Install Magazine 995 – février 2024
Du chauffage infrarouge pour couvrir les pics de demande
Une évaluation technique du parc immobilier
La transition énergétique a pour ambition de décarboner le chauffage des bâtiments. Les systèmes de chauffage au gaz et au mazout doivent à cet effet être remplacés par des pompes à chaleur et des réseaux de chaleur. Dans le cas des PAC, essentiellement, on remarque que plus la température de la source et la température d’émission sont proches l’une de l’autre, plus le système est efficace. Sur le plan de la technique du chauffage, cela signifie qu’on optera de préférence pour des régimes aussi bas que possible. Dans les bâtiments existants, le chauffage basse température ne constitue toutefois pas une solution applicable, dans la mesure où des températures d’émission plus faibles induisent également de trop faibles puissances. Dans ces circonstances, le confort thermique n’est dès lors plus garanti.
Sujet de l’étude
L’Université Technique de Dresde a réalisé une étude/simulation sur ce thème. Il s’agissait de vérifier si une pompe à chaleur associée à un chauffage infrarouge pouvait fournir suffisamment de confort, y compris lorsque les corps de chauffe existants étaient conservés. On s’est basé pour ce faire sur un modèle numérique de bâtiment, selon les prescriptions allemandes d’isolation de 1995, avec une chaudière gaz et un régime de 70/55/20. Ce régime a été abaissé, et on a ajouté du chauffage infrarouge pour compenser la puissance manquante. Dans une 2e étape, la chaudière gaz a été remplacée par une pompe à chaleur avec un réservoir tampon de 200 litres. Ni l’enveloppe du bâtiment ni le système d’émission n’ont subi de modifications.
Pour le système à infrarouge, on a opté pour des panneaux chauffants qui ont été dimensionnés en fonction des besoins thermiques des différentes pièces. Le positionnement des panneaux dans le modèle numérique de bâtiment n’ayant pas été réalisé de manière très précise, on s’est basé ici sur une efficacité de rayonnement de 50%. On a recouru à cette simplification afin de permettre des conclusions générales. L’étude est en outre partie d’un schéma d’utilisation classique, à savoir une famille de quatre personnes. Les gains thermiques internes et les cycles de ventilation ont été déterminés en fonction du schéma d’utilisation de chaque pièce. Les détails du modèle sont repris dans (1). L’analyse globale a été réalisée à l’aide du programme TRNSYS-TUD, un programme de simulation qui a été développé à la TU Dresden.
L’évaluation des données a été effectuée sur base des paramètres énergétiques en fonction de l’évolution des besoins thermiques du bâtiment. Pour le confort thermique, on a observé la fréquence cumulée de la température opérative dans la pièce. Dans la figure, la fréquence des températures opératives est rapportée à la durée d’utilisation. La figure est structurée de manière à ce qu’une surchauffe soit indiquée à droite du point de consigne, et qu’une température trop froide soit indiquée à gauche du point de consigne. (Figure 3)
Résultats
Comme on l’a déjà dit, on a tout d’abord défini l’état actuel du bâtiment, basé sur les prescriptions urbanistiques allemandes de 1995. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Ce tableau montre qu’un fonctionnement continu du système de chauffage entraîne une consommation supérieure à celle engendrée par un fonctionnement intermittent. Ceci n’est guère étonnant, dans la mesure où les températures ambiantes moyennes en cas de fonctionnement intermittent sont clairement inférieures à celles enregistrées en cas de fonctionnement continu. Les figures 4 et 5 présentent cela sous forme de graphique, sur base d’une journée classique durant la saison de chauffe, avec des températures extérieures comprises entre 0 et 4°C. Dans les deux cas, le confort thermique a été garanti.
Au cours d’une deuxième étape de l’étude, le régime du système hydraulique a été abaissé à 40/30/20. Il en a résulté une puissance plus faible, ce qui a été compensé par un chauffage infrarouge dans les pièces.
Le résultat est indiqué dans le tableau 2. Dans l’analyse, on part du constat que le chauffage est enclenché à partir d’une température extérieure de 15°C. Il s’agit d’un réglage standard dans le logiciel de simulation.
Selon le contexte, il semble que la part de chauffage infrarouge se situe entre 26 et 30%. Les critères de confort ont été atteints dans toutes les pièces grâce à ce système combiné, à l’exception des variantes avec abaissement nocturne. La fréquence cumulée de la température opérative est indiquée comme exemple dans la figure 6. Un abaissement nocturne en fonction de la température extérieure (3°C) semble avantageux, car il permet d’économiser de l’énergie tout en impactant le moins possible le confort thermique.
L’étude s’est aussi penchée sur le cas d’un déclenchement du chauffage à partir d’une température extérieure de 10°C. Les résultats sont indiqués dans le tableau 3. De ce dernier, il ressort que la part du chauffage à infrarouge dans les besoins thermiques ne peut être augmentée que dans une mesure limitée. La tendance fondamentale est la même que dans le scénario se basant sur une température extérieure de 15°C.
Dans une phase ultérieure de l’analyse, la chaudière basse température a été remplacée par une pompe à chaleur associée à un réservoir tampon. Les résultats de la simulation et les températures opératives pour une pièce représentative sont indiqués dans le tableau 4 et la figure 7.
De ces variantes, il ressort que la part de chauffage infrarouge est déterminée par l’abaissement nocturne. Sur base du COP de la pompe à chaleur, nous observons une consommation inférieure à l’énergie primaire. Le constat sur base de la température opérative est que le combinaison d’un système hydraulique avec une pompe à chaleur et du chauffage à infrarouge permet de garantir le confort thermique. La température opérative ambiante descend à peine sous le seuil de confort.
Tout comme avec la chaudière basse température, on a également étudié ce que se serait passé en cas de chauffage à partir d’une température extérieure de 10°C. Les résultats sont indiqués dans le tableau 5. On y constate que la part de chauffage infrarouge augmente. Exactement comme avec l’appareil à basse température. La consommation d’énergie se révèle supérieure à celle enregistrée avec une température extérieure de 15°C. Ceci est dû à la plus longue période de fonctionnement du chauffage infrarouge, et donc également au nombre d’heures de fonctionnement plus réduit de la PAC. Tant d’un point de vue énergétique que d’un point de vue économique, il convient de s’assurer que la pompe à chaleur ait le plus d’heures de fonctionnement possible.
Sur base des analyses, les figures 8 et 9 donnent la consommation d’énergie et l’énergie primaire pour la configuration avec un chauffage à partir d’une température extérieure de 15°C.
De la figure 8, il ressort qu’il est techniquement possible de remplacer un chauffage au gaz par une pompe à chaleur avec un chauffage à infrarouge pour les pics de demande. Les systèmes performent environ aussi bien en termes de confort thermique. Sur le plan énergétique, la combinaison ‘PAC – chauffage IR’ affiche une consommation d’énergie nettement inférieure. Nous devons à ce titre remarquer que les prix du gaz et de l’électricité diffèrent, ce qui nous amène à devoir évaluer autrement la situation d’un point de vue économique.
Conclusion
L’analyse démontre qu’il est techniquement possible, selon les exigences allemandes de 1995 en matière d’isolation, d’assurer un confort suffisant avec un pompe à chaleur et du chauffage infrarouge, sans devoir remplacer les corps de chauffe. Le grand avantage du chauffage à infrarouge est que l’inertie du système est négligeable, ce qui permet de l’utiliser par intermittence. Cette configuration constitue donc une solution pour l’écologisation d’une classe entière de bâtiments, sans qu’il soit nécessaire de procéder à une rénovation majeure de l’installation ou de la façade. Cette étude ne tient toutefois pas compte des critères économiques. Ces derniers doivent encore être évalués ultérieurement.
L’étude sur laquelle est basée cet article, a été réalisée en collaboration avec IG Infrarot Deutschland.
L’étude complète peut être obtenue auprès de cette association.
Cet article a été initialement publié dans l’édition de septembre 2023 de Moderne Gebäudetechnik.
Par: J. Seifert; L. Schinke; M. Knorr; A. Meinzenbach; A. Perschk (TU Dresden)
Bibliographie
[1] Knorr, M.; Meinzenbach, A.; Schinke, L.; Seifert, J.; Perschk, A.: Potentialbewertung von Infrarotheizungen als Spitzenlastabdeckung; Forschungsbericht TU Dresden, 2023
[2] Perschk, A.: Gebäude und Anlagensimulation – Ein ”Dresdner Modell”. In: Gesundheitsingenieur (2010), August, Nr. 4
[3] Perschk, A.: Gebäude-Anlagen-Simulation unter der Berücksichtigung der hygrischen Prozesse in den Gebäudewänden, Fakultät für Maschinenwesen, TU Dresden, Diss., 2000
[4] Seifert, J.: Zum Einfluss von Luftströmungen auf die thermischen und aerodynamischen Verhältnisse in und an Gebäuden, Fakultät für Maschinenwesen, Technische Universität Dresden, Diss., Oktober 2005
[5] WSVO95: Dritte Wärmeschutzverordnung 1995, Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden, 01.01.1995
