Chauffage

Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau ou à l'air ambiant. On distingue le chauffage à des fins de confort thermique (chauffage des locaux, de l'eau chaude sanitaire, etc.) et le chauffage à des fins industrielles (chauffage de pièces mécaniques, de processus industriels, etc.).

Le confort thermique est assuré principalement par le chauffage des locaux et volumes de vie ainsi que par le chauffage de l'eau chaude sanitaire, voire le chauffage des eaux de piscines.

Le chauffage à des fins de confort est utilisé pour maintenir ou améliorer les conditions d'une ambiance agréable pour les êtres vivants, dans les espaces clos constituant les lieux de vie (bâtiments, habitacles de moyens de transports, piscines, etc.). L'objectif du chauffage est d'améliorer le confort thermique d'un espace à vivre. Un système de chauffage consomme de l'énergie sous une forme et la restitue sous forme de chaleur.

Par extension, le terme chauffage désigne aussi tous les systèmes destinés à assurer l'augmentation de température d'une pièce à vivre ou d'un processus de fabrication.

Capteur de chauffage solaire, toit de terrasse.

Histoire

La domestication du feu par Homo erectus est attestée à partir d’environ -450 000 ans, notamment dans les sites de Menez Dregan à Plouhinec en Bretagne, de Bilzingsleben en Allemagne ou de Vértesszőlős en Hongrie et plus récemment de Terra Amata près de Nice. Une équipe israélienne fait remonter les plus anciennes traces de la domestication du feu à -790 000 ans sur le site du Gesher Benot Ya'aqov au bord du Jourdain^[1].

On a probablement d'abord utilisé comme combustible, le bois, les mousses et autres végétaux secs. En cas de pénurie ou de rareté du bois, les déjections d'animaux herbivores ont pu le remplacer (comme durant la Révolution française). En Chine, l'exploitation de la houille se fait depuis des temps immémoriaux^[2].

En France l'usage du bois est encore assez général au XIX^e siècle mais vu son prix élevé le coke et la houille entrent chaque jour pour une plus grande part dans la consommation.

La cheminée est connue des romains qui l'utilisent dans les Hypocaustes, invention grecque, premier chauffage par le sol, où le foyer se trouve en dehors du bâtiment et l'air injecté sous le plancher^[2]. On l'utilise dans les thermes de Gortyne, d'Olympie, de Syracuse, dès 300 av. J.-C. Pour les usages domestiques, on ne l'utilise pas souvent : il y a dans leurs ruines de Pompéi et Herculanum, absence complète de cheminées, ce qui prouve que les Pompéiens comme beaucoup de Napolitains, encore au XIX^e siècle, ont recours au brasero, quelquefois mobile, les gaz s’échappant par une tuile omise dans la couverture^[2].

C'est peut-être sous des latitudes plus septentrionales, où le chauffage a plus de justifications, que la cheminée à conduit fait son apparition. Quoi qu'il en soit, il faut attendre le XI^e siècle pour voir les cheminée faire partie définitivement de l'architecture^[3]. Les premières cheminées n'utilisent que la chaleur rayonnante, causent un appel considérable d'air froid extérieur, ne débarrassent qu'incomplètement de la fumée et ne peuvent chauffer que les personnes placées immédiatement près du foyer^[2]. La cheminée sera progressivement améliorée mais ne sera jamais un organe de chauffe bien performant.

XVII^e siècle

En 1619 paraît le premier ouvrage complet sur les poêles publié par Franz Kessler (de)^[4]. Son curieux travail indique dès cette époque tous les principes du chauffage usités en Allemagne^[2].

En 1624 paraît en France un ouvrage de Louis Savot^[5] dans lequel on voit apparaître l'isolement du foyer contre le mur et l'usage des chambres de chaleur. Peu de progrès sont réalisés par la suite dans la conception des cheminées. Les efforts réalisés au XIX^e siècle porteront sur isolement complet du foyer, la multiplication des surfaces de chauffe et surtout de celles de transmission, l'introduction d'air extérieur préalablement chauffé au contact de la fumée^[2].

XVIII^e siècle

À partir du XVIII^e siècle, l'énergie dégagée par le chauffage de l'eau produit des applications motrices dans les machines à vapeur.

XIX^e siècle

Au XIX^e siècle, un foyer ordinaire d'appartement peut déterminer par son tirage une évacuation de 800 à 1 000 m³ d'air par heure et malheureusement c'est là le rôle principal des cheminées, la ventilation. En effet cette évacuation d'air à l'extérieur, et par conséquent le refroidissement des pièces, sont d'autant plus considérables que le chauffage fonctionne avec plus d'activité. Rarement les prises d'air extérieur qu'on a ajoutées dans des systèmes de tuyaux plus ou moins contournés sont suffisantes pour alimenter la combustion et pour remplacer l'air ascendant du tuyau de fumée. Ce sont toujours les portes et les fenêtres qui viennent donner le complément d'air indispensable^[2].

En 1847, les combustibles employés dans les foyers des machines à vapeur, etc., sont au nombre de trois principaux^[6] : le bois, la tourbe et la houille. On compte donc trois combustibles qui, soumis à la « carbonisation » (en fait une pyrolyse), donnent naissance à trois nouveaux combustibles : le charbon de bois, le charbon de tourbe et le charbon de houille ou coke.

En 1857, l'industrie pétrolière naît en Roumanie, avec la première raffinerie à Ploieşti. Le fioul est progressivement utilisé dans le chauffage, et à partir de 1960, le gaz naturel.

En 1870, les combustibles employés dans le chauffage (avec leurs valeurs calorifiques par kilo) sont la houille (8 000 calories), les briquettes de houille agglomérées (8 000 calories), le coke des usines à gaz (7000 à 7 500 calories), la tannée en motte (produit résiduel, sorte de sciure provenant de la préparation des cuirs au tannage végétal et qui sert de combustible bon-marché, 5 000 calories), le bois sec (3 500 calories) ou ordinaire (3 000 calories), le charbon de bois (6 000 calories), le gaz d'éclairage (gaz de houille) (6 000 calories par mètre cube), l'huile de pétrole (8 000 calories)^[7].

XX siècle

Le début du XX^e siècle est marqué par la maîtrise des techniques de la vapeur et les premières chaudières vapeur viennent équiper les immeubles d'habitation.

Dans les années 1910, les premiers chauffe-eaux solaires apparaissent aux États-Unis et avec eux les premiers systèmes de chauffage solaire.

Les systèmes de chauffage central (à eau chaude) remplaceront petit à petit les chauffages utilisant la vapeur.

Dans les années 1960, le chauffage électrique fait également son apparition. D'abord très énergivore avec les convecteurs électriques, il se développe rapidement, et les fabricants imaginent des appareils dont la technologie est de plus en plus perfectionnée. C'est le cas du chauffage électrique à inertie. Il s'inspire de la nature : dans le désert, les températures chutent considérablement la nuit. Ainsi, certains animaux, comme les serpents ou certaines espèces de lézards, qui ont besoin de chaleur, se réfugient près des roches chaudes qui ont accumulé la chaleur du soleil. Le chauffage à inertie fonctionne de la même manière : le cœur de chauffe (en céramique, en fonte...) est chauffé et accumule la chaleur. Le radiateur à inertie chauffe donc par rayonnement en diffusant la chaleur accumulée. Comme les roches qui continuent à diffuser de la chaleur dans le désert lorsqu'il fait nuit, le chauffage à inertie continue de chauffer même éteint. Contrairement au convecteur électrique, le chauffage électrique à inertie permet de chauffer de manière constante.

Le choc pétrolier, permettra au énergies renouvelables, et notamment au solaire thermique de se développer fortement entre 1973 et 1985.

La rareté et le cout des énergies fossiles font que des systèmes de chauffage intégrant les énergies gratuites ou renouvelables comme le solaire, la géothermie, font une apparition marquée au début de notre XXI^e siècle. La nécessité de réduire la consommation d'énergie émettant des polluants, et notamment du CO₂, est reliée à la conservation des ressources de la planète pour les générations futures. La notion de développement durable^[8] apparaît alors. La France investit aussi beaucoup dans les technologies de chauffage ; des constructeurs français investissent par exemple dans le procédé de chauffage aux granulés de bois qui se répand de plus en plus.

Quelques données

• En France, une habitation a besoin de 10 000 kWh/an en chauffage^{[réf. nécessaire]}. Si son système de chauffage a un rendement global de 80 %^{[réf. nécessaire]}, alors elle consommera :

10000 / 80 % = 12500 kWh/an en énergie finale.

• La consommation totale d'énergie finale, avant transformation, pour le chauffage des ménages en France est d'environ 35 Mtep en 2002^[9].
• L'influence du climat sur les besoins en chauffage s'évalue au moyen des degrés-jours unifiés.

Sources d'énergie

Un système de chauffage fonctionne à partir d'une énergie primaire qui peut être d'origine fossile (on parle d'énergies fossiles comme le fioul, le charbon, le gaz naturel, GPL ou gaz de pétrole liquéfié), ou qui a servi à produire de l'électricité (provenant de centrales nucléaires, de barrages hydrauliques, voire de centrales thermiques fonctionnant aux énergies fossiles…).

Les énergies renouvelables comme le bois énergie, le solaire, la géothermie, etc. sont également des sources utilisées pour le chauffage.

Les combustibles peuvent être classés par état en combustibles solide, combustibles liquides, combustibles gazeux. À chaque état correspond un certain type de stockage et de transport ainsi que des précautions incendie et sanitaires particulières et des types d'appareil de chauffage (chaudière ou chauffe-eau, brûleur, corps de chauffe, etc.) particuliers.

L'énergie consommée et comptabilisée à la pompe (pompe à fioul, stère de bois, compteur d'électricité, compteur de gaz) s'appelle « énergie finale ».

L'énergie nécessaire provient généralement de différentes sources décrites ci-dessous.

Combustibles

Combustible solide

• Houille, chauffage au charbon
• Bois, chauffage au bois
• Tourbe, charbon de tourbe

Combustible liquide

• Fioul, chauffage au fuel

Gaz combustible

• Biomasse, chauffage au gaz

Électricité

• Chauffage électrique

Énergie Solaire

• Capteur solaire thermique, accumulateur solaire, chauffage solaire.

Géothermie

Thermodynamique

• Chauffage thermodynamique
• Pompe à chaleur
• Pompe à chaleur gaz naturel

Structure d'un système de chauffage

Un système de chauffage comprend nécessairement :

• une source de chaleur : la source de chaleur se trouve nécessairement à une température supérieure à la température de l'objet, du matériau ou l'espace à chauffer, sauf dans le cas des pompes à chaleur ;
• un émetteur de chaleur : l'émetteur de chaleur permet l'échange de l'énergie thermique entre la source de chaleur et l'objet, le matériau ou l'espace à chauffer. Cet émetteur peut être statique comme un radiateur, un convecteur, un plancher chauffant ou dynamique comme un ventilo-convecteur, une centrale de traitement d'air, un aérotherme.

Dans le premier cas, l'émetteur transmet sa chaleur par convection et/ou rayonnement. Dans le deuxième cas, c'est un ventilateur qui pulse l'air au travers d'une batterie chaude et qui transmet la chaleur au milieu ambiant par recyclage et mouvement d'air.

Ces deux éléments peuvent éventuellement être confondus (par exemple, une flamme est source de chaleur ; elle émet aussi directement cette chaleur sous forme de rayonnement. Autre exemple, un convecteur électrique produit et transmet sa chaleur.

Un système de chauffage peut aussi comprendre :

• un système de stockage de la chaleur ;
• un ou plusieurs systèmes de transport de la chaleur : le transport de la chaleur est réalisé le plus souvent au moyen d'un fluide présentant une capacité calorifique élevée, appelé fluide caloporteur.

Système

Radiateur de chauffage central

Le chauffage d'ambiance est destiné à assurer une température déterminée et/ou le confort dans un lieu clos ou ouvert. Plusieurs systèmes de chauffage existent :

Chauffage individuel ou collectif

• Chauffage individuel : installation individuelle pour une maisons, un appartement ou un immeuble.
• Chauffage collectif : installation collective couvrant les besoins de plusieurs maisons, appartements ou immeubles.

Chauffage central ou décentralisé

• Chauffage central : on parle de chauffage central lorsque l'on chauffe plusieurs pièces d'un immeuble ou d'une maison à partir d'un seul point de cet immeuble grâce à un générateur de chaleur, la chaudière.
• Chauffage décentralisé ou chauffage local : contrairement au chauffage central, un système ou les fonctions de génération et d'émission sont assurées conjointement au sein de chaque appareil. Il n'y a pas de fluide caloporteur, pas de réseau permettant d'acheminer ce fluide et donc pas de fonction de distribution.

Mode de transfert thermique

• Convection : transfert thermique qui implique un déplacement de matière dans le milieu.
• Conduction : transfert thermique provoqué par une différence de température entre deux régions d'un même milieu ou entre deux milieux en contact sans déplacement appréciable de matière.
• Rayonnement : synonyme de radiation en physique, processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.

Fluide caloporteur

Le fluide caloporteur peut être :

• l'eau chaude : l'eau réchauffée (l'installation comporte un générateur de chaleur (chaudière ou bouilleur, une distribution d'eau et des émetteurs de chaleur) ;
• l'air pulsé : l'air ambiant réchauffé (l'installation comporte un générateur d'air chaud et le plus souvent une distribution de cet air chaud) ;
• un fluide caloporteur : en général une huile (réservé aux très grosses installations et en général au transport de la chaleur entre la production centralisée et des sous-stations qui sont des interfaces entre un réseau de production dit « primaire » et un réseau de distribution jusqu'aux émetteurs de chaleur dit « secondaire »).

Économie

Pour suivre l'actualité des prix de l'énergie, le Ministère met à disposition la base de données Pégase^[10].

En 2009 :

• l'électricité est à 15,14 euros TTC les 100 kWh en 6kVA^[11] ;
• le gaz est à 9,69 euros TTC les 100 kWh PCI abonnement B0^[12] ;
• le Fioul domestique est à 5,75 euros TTC les 100 kWh PCI^[13] ;
• le bois est à 3,53 euros TTC les 100 kWh PCI de bûches^[14].

En janvier 2011 :

• l'électricité est à 15,89 € TTC les 100 kWh en 6 kVA^[11] ;
• le gaz est à 10,87 euros TTC les 100 kWh PCI abonnement B0^[15] ;
• le Fioul domestique est à 8,35 euros TTC les 100 kWh PCI^[16] ;
• le bois n'est plus indiqué sur cette source.

En décembre 2013 :

• l'électricité est à 18,21 € TTC les 100 kWh en 6 kVA^[11] (prix complet);
• le gaz est à 12,93 euros TTC les 100 kWh PCI abonnement B0^[15] (prix complet);
• le Fioul domestique est à 9,02 euros TTC les 100 kWh PCI^[16] ;
• le bois est à 5,78 euros TTC les 100 kWh PCI de bois en vrac^[17].

Contrôle d'humidité

Le système de chauffage permet aussi de contrôler le taux d'humidité de l'air dans un bâtiment. Contrairement à certaines croyances, le taux d'humidité de l'air n'est pas dépendant du type de chauffage installé, c'est-à-dire des types d'unités servant à chauffer l'air ambiant tels des radiateurs à vapeur, radiateurs à eau chaude ou radiateurs électriques, ainsi que des matériaux que composent les murs, ou qui se retrouvent dans le bâtiment. Ce taux d'humidité dépend principalement de trois phénomènes :

• les sources intérieures de vapeur d'eau (cuisine, vapeur d'eau chaude dans les salles de bain) ;
• l'augmentation de la température de l'air ambiant selon ce principe physique : lorsqu'il y a augmentation de la température de l'air, le taux d’hygrométrie (taux d'humidité relative) diminue ;
• un autre phénomène, responsable de la diminution du taux d'humidité est lié à la vitesse de renouvellement de l'air, due à l’entrée de l'air extérieur au travers des parois et ouvertures du bâtiment et à la présence d'une éventuelle VMC. Sans VMC, ce taux de renouvellement sera d'autant plus grand que le différentiel des températures de l'air extérieur et intérieur du bâtiment est élevé (par convection thermique).

D'ailleurs, c'est avec ce taux de renouvellement et la vitesse à laquelle ce changement se produit que l'on peut calculer le volume d'air extérieur qui s'infiltre dans le bâtiment.

Pour assurer un taux constant d'humidité dans le bâtiment, il peut être utile d'installer un système d'injection de vapeur d'eau, soit par vaporisation ou par évaporation ou sous la forme de vapeur. Il est important d'utiliser une bonne qualité d'eau, car les impuretés se retrouveront inévitablement dans l'air ambiant. Inversement pour abaisser le taux d'humidité intérieur, on peut accroître le débit de la ventilation mécanique contrôlée (VMC) afin d’accélérer l'extraction d'air humide.

Le taux d'humidité idéal doit aussi être défini en fonction de la composition architecturale des murs et de leur résistance thermique, ainsi que la localisation d'éventuels coupe-vapeur. Si un taux d’hygrométrie trop élevé est maintenu, il se produira une condensation sur les parois froides si leur température est égale ou inférieure à la température du point de rosée. C'est ce que l'on peut souvent observer sur des vitrages mal isolés (non doublés).

Un taux d'humidité trop élevé peut aussi être la cause de ruissellements d'eau, pris à tort comme ayant pour origine une fuite dans un toit, mais qui sont en réalité dus à la condensation qui se produit dans les combles ou sur des murs froids à partir de l'humidité excessive contenue dans l'atmosphère interne du bâtiment. De la même façon, il se produit parfois une condensation sur les vitres d'une pièce.

L'apparition de champignons à la surface d'un mur extérieur peut aussi être causée par l'humidité interne du bâtiment. Ainsi, il est utile de prendre garde à réguler le taux d'humidité de l'air contenu dans un bâtiment si l'on veut se prémunir des dommages observés dans les bâtiments (principalement rénovés) que leurs constructeurs n'ont pas équipés suivant les précautions d'usages afin d'y maintenir un taux d'humidité adéquat.

Écologie

Le chauffage est une activité qui a un impact environnemental important : les usages « résidentiels et tertiaires » représentaient en 2001 en France 20 % des émissions de gaz à effet de serre (cause du réchauffement climatique), et le chauffage des habitations et lieux de travail représente 75 % de ces 20 %, donc 15 % du total.

Cet impact est en partie sous le contrôle des individus : chacun règle à sa guise la température de son domicile et peut donc décider de limiter son impact personnel. Baisser de 1 °C la température fait baisser la consommation de 7 à 10 %.

Cette température de 19 °C est d'ailleurs supérieure aux préconisations médicales (d'antan) : 16 à 17 °C dans les bureaux et salles de classe^[18].

Bois sous forme de bûches pour chauffage. Le bois énergie est un type de bioénergie utilisant la biomasse.

Le choix de la source d'énergie de chauffage a un impact environnemental : énergie fossile ou énergie renouvelable, avec ou sans émission de gaz à effet de serre. Le chauffage électrique, par rapport au gaz, est légèrement moins émetteur en France (180 g de CO2/kWh contre 195)^[19], et trois fois plus émetteur en Europe (500 à 600 contre 195)^[20].

Le chauffage n'a pas un impact environnemental seulement sur les émissions de gaz à effet de serre, il peut également avoir un impact sanitaire. C'est notamment le cas des émissions de particules par les modes de chauffage basés sur la combustion de combustibles fossiles ou renouvelables. En France métropolitaine, le chauffage au bois est le principal émetteur de particules fines (PM2,5) et l'émetteur majoritaire de particules très fines (PM1,0), les plus dangereuses pour la santé. Il est également émetteur majoritaire de composés toxiques ou cancérigènes comme les HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques) et le benzène, eux-mêmes véhiculés par ces particules (source Citepa)^[21]. Il fait l'objet d'une attention toute particulière de la part du « Plan Particules », intégré dans la deuxième version du Plan National Santé Environnement (PNSE 2 )^[22]. Le développement du bois énergie dans le cadre de la promotion des énergies renouvelables fait en effet craindre une aggravation de la pollution par les particules (et ce qu'elles véhiculent). Il est donc important de ne pas confondre énergie renouvelable et énergie propre.

Les pompes à chaleur (PAC) sont présentées par les commerçants comme un moyen de chauffage écologique. Il faut distinguer : PAC air/air ou air/eau : on transfère momentanément des calories de l'extérieur dans la maison grâce à de l'électricité. PAC géothermique : si c'est de la géothermie profonde, on accélère le transfert de calories du sous-sol vers l'atmosphère via la maison avec de l'électricité. Si c'est de la géothermie de surface, c'est du solaire différé avec de l'électricité. Donc, mis à part le rendement plus élevé de la géothermie, on peut considérer que le plus fort impact écologique est causé par la géothermie profonde, et que les PAC sont une forme de chauffage électrique à rendement amélioré. Le point essentiel est par conséquent celui de la source du courant électrique utilisé.

La géothermie peut occasionner des pollutions des nappes phréatiques en cas de fuite ou rupture des tuyaux contenant les fluides de transfert thermique.

Si ces machines sont installées dehors, elles peuvent causer une pollution sonore gênante pour soi-même ou pour le voisinage (qui lui ne bénéficie d'aucun avantage en retour !). La pompe Viessmann citée ci-dessus fait 70 dB en sortie, d'autres annoncent des chiffres variés, souvent dans des conditions différentes : à 1 m, à 5 m, à 10 m. Il faut tenir compte du fait que la pompe fonctionnera nuit et jour, par intermittence, et que de nuit même 40 dB sont une nuisance. Elle émet aussi des sons à basse fréquence (ventilateurs) qui peuvent franchir isolations et doubles vitrages. Enfin, le niveau de bruit réel peut être très différent de la valeur catalogue.

Les systèmes de chauffage utilisant l'énergie solaire thermique utilisent l'énergie radiative du soleil pour créer de la chaleur. Des panneaux solaires captent alors l'énergie du soleil et chauffent un liquide caloporteur, qui circule ensuite dans le réseau de chauffage. Il existe différentes technologies de capteurs solaires, plus ou moins performantes :

• le capteur solaire plan est la technologie de capteurs solaire la plus basique. Le liquide circule dans un serpentin placé derrière une vitre ;
• le capteur à tube sous vide à ailettes est un compromis entre le capteur plan et le capteur à double tubes sous vide. Il bénéficie en effet des avantages de l'isolation par le vide, mais le captage de l'énergie par ailettes ne permet pas une absorption optimale de l'énergie, tout au long de la journée ;
• le capteur à double tubes sous vide "U-pipe" est la dernière technologie en solaire thermique. L'énergie est captée par un serpentin qui passe dans plusieurs tubes sous vide. L'isolation faite par le vide permet de supprimer les pertes par convection.

Articles connexes

Notes et références

Liens externes

• « Consommations conventionnelles, prévisionnelles et réelles » Article N. Tchang, nov. 2013
• "Rénovation et chauffage", sur le site web des services cantonaux suisse-romands de l'énergie et de l'environnement: pour faire le tour de la question de manière interactive.

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