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Les importants efforts de réduction des besoins thermiques réalisés en améliorant la performance de l’enveloppe devraient encourager l’émergence d’une demande plus forte pour des systèmes de faible puissance ou des systèmes multifonctionnels pour des raisons de rendement.



Le chauffage et le rafraîchissement


Les enjeux d’avenir concernent :
  • la mise au point d’échangeurs basse température efficaces afin de pouvoir récupérer la chaleur résiduelle des eaux grises et dans une moindre mesure, des équipements (notamment les sèche-linges et les réfrigérateurs) ;
  • la prise en compte des besoins de rafraîchissement croissants du fait des augmentations de température prévues, en dépit des efforts pour lutter contre le changement climatique.


=> Le puits canadien
Le puits canadien est idéal pour aider à réguler la température à moindre coût en hiver comme en été : il s’agit d’utiliser la température relativement constante du sol afin de préchauffer l’hiver l’air entrant et de le rafraîchir l’été. La technique est bien maîtrisée mais nécessite un entretien rigoureux afin d’éviter des problèmes de qualité de l’air insufflé.

Un des freins au développement des puits canadiens est l’existence de produits alternatifs assurant pour partie les mêmes fonctions : dans le secteur tertiaire, où les besoins de rafraîchissement ne sont pas négligeables, les pompes à chaleur réversibles avec diffuseurs basse température sont une solution satisfaisante pour assurer le confort d’été et d’hiver. De plus, dans le logement où les besoins de chauffage priment, le puits canadien est en concurrence avec la ventilation double flux avec échangeur comme moyen de maîtriser le confort d’hiver. Toutefois, contrairement à la ventilation double flux, le puits canadien permet, en été, de rafraîchir le bâtiment : ainsi, le puits canadien peut présenter un avantage dans le logement où les besoins en rafraichissement ont tendance à augmenter. Un autre concurrent en développement est le puits canadien « hydraulique » (réseau hydraulique dans le sol relié à un échangeur sur air intérieur), qui repose sur le même principe mais permet d’éviter les contraintes liées à la qualité de l’air intérieur.

Plusieurs facteurs peuvent améliorer la diffusion de cette technologie :
  • en maison individuelle : le développement de cette technologie au-delà d’un cercle de convaincus par les aspects « naturels » du produit passe par l’implication d’acteurs ayant des réseaux de vente importants, que ce soient les industriels ou les constructeurs de maisons individuelles ;
  • en immeubles collectifs ou tertiaires pour lesquels il n’y a pas de solution « clés en main », son développement passe par la capacité pour les bureaux d’études techniques à concevoir et dimensionner correctement les systèmes, ainsi qu’à prédire de façon fiable les gains énergétiques et en termes de confort d’été ;
  • comme pour tous les systèmes de ventilation avec insufflation (double flux avec échangeur), une limite sera les difficultés d’entretien ;
  • le dispositif de gestion/régulation doit faire l’objet d’une étude, ou a minima d’un calage au cas par cas de façon à optimiser le fonctionnement du système, en matière de consommation d’énergie et de confort thermique (notamment en période intermédiaire) mais également de gestion du stock thermique.


=> Les pompes à chaleur
Une pompe à chaleur (PAC) est une machine thermodynamique capable, lorsqu’on lui fournit un certain travail (électricité ou chaleur), de transférer de la chaleur prélevée dans l’environnement (source froide) vers l’intérieur d’un bâtiment (source chaude). Le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur, qui caractérise la capacité maximale de l’appareil à restituer la chaleur, représente en fait le rendement de la pompe à chaleur et se calcule en pratique comme le rapport entre la quantité de chaleur fournie à la source chaude et l’électricité consommée par la machine et ses auxiliaires. Il est pertinent de s’intéresser également au COP global qui tient compte des pertes et consommations liées aux systèmes de distribution et d’émission de la chaleur. Les performances des pompes sont régies par deux principaux paramètres :
  • le type de source froide qui fournit de la chaleur : l’air (extérieur ou extrait de l’intérieur d’un bâtiment), le sol (sous-sol de surface ou sous-sol profond) ou encore l’eau (nappe phréatique ou eau de surface). La meilleure source froide est celle qui a la température la plus élevée et la plus stable possible, ce qui favorise les pompes à chaleur géothermiques ;
  • la température de sortie voulue : plus l’air ou l’eau produit(e) est chaud(e)1, plus les performances de la pompe à chaleur sont mauvaises.
La performance globale varie donc fortement d’une situation à l’autre et une pompe à chaleur air produisant de l’eau à haute température est deux fois moins performante qu’une PAC géothermique avec une production à basse température.

Les progrès possibles concernent :
  • le recours à de nouvelles sources de chaleur, par exemple la récupération de l’air vicié que l’on évacue de la maison en associant la PAC à une ventilation mécanique contrôlée (VMC) ou encore la récupération de la chaleur des eaux grises (eaux peu polluées résultant des activités domestiques comme le lavage du linge, de la vaisselle, etc.) ;
  • l’utilisation de nouveaux capteurs géothermiques plus performants, moins contraignants et/ou moins coûteux à poser : capteurs à spirales, pieux et fondations géothermiques, sondes sèches verticales, etc. L’intérêt des capteurs à spirales est double. D’une part, ils nécessitent un forage peu profond ce qui réduit les coûts par rapport aux capteurs verticaux, le forage représentant environ 50 % des coûts totaux d’une installation classique. D’autre part, leur emprise au sol est moindre : quelques mètres carrés, ce qui est bien inférieur aux centaines de mètres carrés nécessaires pour un captage horizontal classique. Les pieux géothermiques constituent une solution intéressante, pratiquée dans un certain nombre de pays, qui permet de coupler structures de fondations et source froide d’une pompe à chaleur : cette technologie rencontre en France des obstacles en matière réglementaire et d’assurance ;
  • l’utilisation de compresseurs à vitesse variable, ce qui rend la PAC adaptable aux besoins thermiques ;
  • l’amélioration des performances des PAC réversibles (i.e. capables de produire de la chaleur et du froid), face à des besoins de rafraichissement de plus en plus importants notamment dans le secteur tertiaire ;
  • le recours à des systèmes de diffusion de chaleur basse température de type plancher chauffant ;
  • le couplage de la pompe à chaleur aérothermique avec le puits canadien pour en améliorer les performances quand la température de l’air extérieur est très faible.
En somme, les progrès envisagés visent à réduire l’écart de température entre la source froide et l’air ou l’eau produits (amélioration du rendement), à accroître la flexibilité du fonctionnement de la PAC (amélioration du rendement et du confort), à diversifier les sources de chaleur (sources froides utilisées) et à améliorer la bifonctionnalité de la PAC : une réponse unique aux besoins de chaleur et de rafraîchissement.

=> La micro-cogénération (moteurs à combustion interne, moteurs à combustion externe de type Stirling, piles à combustible)
La cogénération consiste à produire simultanément de l’électricité et de la chaleur à partir d’une même source d’énergie primaire, ce qui offre un meilleur rendement global par rapport à une situation où ces deux énergies seraient fournies par des procédés dissociés. La micro-cogénération fait référence à des appareils de faible puissance (1 à 36 kWe) permettant de couvrir les besoins thermiques (une partie ou l’ensemble selon le dimensionnement) à l’échelle d’un unique bâtiment : les micro-cogénérateurs sont alors des chaudières produisant de l’électricité. On distingue essentiellement :
  • les moteurs à combustion interne : technologie aujourd’hui dominante, bien connue et maîtrisée de longue date ;
  • les moteurs à combustion externe : dans ces moteurs, le combustible sert à chauffer un fluide qui travaille en cycle fermé : de l’hélium ou de l’azote sous forte pression dans le cas des moteurs Stirling ; de l’eau ou des huiles organiques dans le cas des moteurs à cycle de Rankine ;
  • la pile à combustible : la production d’électricité se fait grâce à une réaction électrochimique inverse de la réaction d’électrolyse de l’eau (dissociation de l’eau en oxygène et hydrogène). Les piles à combustible (du type MCFC à carbonate fondu ou plus prometteuse, SOFC à oxyde solide) fonctionnent à des températures élevées (entre 650 et plus de 1 000 °C) et ont donc plus d’intérêt pour ce qui est l’apport de chaleur. De plus, ces piles fonctionnent directement au gaz naturel et non à l’hydrogène et ne nécessitent donc pas la mise au point d’une production d’hydrogène rationalisée.


L’eau chaude sanitaire (ECS)


Les consommations en énergie pour le chauffage de l’eau chaude sanitaire sont en augmentation et deviennent même prioritaires dans les bâtiments neufs (RT 2012), une fois les besoins de chauffage des locaux rendus négligeables (au moins sur la consommation annuelle). Les principales technologies envisagées pour répondre, à l’avenir, à ces besoins sont le solaire thermique et les chauffe-eau thermodynamiques.

=> Le solaire thermique
Le solaire thermique est une solution bien adaptée à la production d’eau chaude sanitaire. Cependant, une source additionnelle d’énergie est à prévoir (simple résistance dans le ballon) pour les mois d’hiver où le solaire ne couvre pas l’intégralité des besoins.

Les performances d’un capteur solaire sont liées à deux facteurs.

Le premier est la capacité de conversion optique du capteur, qui correspond à la proportion d’énergie solaire emmagasinée par celui-ci. Le reste repartant soit par réflexion directe (réflexion sur la vitre, brillance du revêtement), soit par réémission du capteur dans l’infrarouge (rayonnement de type corps noir). Il est possible d’améliorer le coefficient de conversion, par exemple avec des vitres plus transparentes et des revêtements/peintures spécifiques qui absorbent l’intégralité des rayons sans les réfléchir.

Les pertes thermiques sont le second paramètre influant sur les performances. En effet, l’absorbeur va chauffer à des températures de l’ordre de 50 °C de plus que la température extérieure. Il y a donc des pertes thermiques en permanence. Celles-ci sont de deux types :
  • les pertes par convection et conduction, inconvénients contre lesquels deux technologies coexistent :
    • le capteur plan où l’isolation est globale : la face inférieure est revêtue d’isolants opaques classiques et la face supérieure est constituée d’une vitre. L’air entre la surface contenant le fluide chauffé et la vitre sert d’isolant ;
    • le capteur à tubes sous vide où les tuyaux dans lesquels circule le fluide sont entourés d’un tube en verre sous vide. Le vide réalise ainsi un isolant parfait pour éviter les pertes thermiques par convection/conduction. Il n’est techniquement pas possible de réaliser un tel vide pour un capteur plan car la vitre ne résisterait pas à la pression atmosphérique ;
  • les pertes thermiques par rayonnement. L’absorbeur se comporte en effet comme un corps noir et va émettre d’autant plus qu’il est chaud. L’amélioration se situe au niveau des traitements surfaciques des vitrages pour bloquer certains rayonnements sortants sans bloquer le rayonnement solaire entrant. Il existe aussi des moyens d’améliorer les traitements de surface des absorbeurs afin de diminuer l’effet « corps noir ».


=> Le chauffe-eau thermodynamique
Il s’agit de systèmes composés d’une pompe à chaleur sur air extrait ou air extérieur pour le chauffage d’un ballon d’ECS, comportant un appoint généralement électrique de puissance variable selon les appareils.

La production décentralisée d’électricité (photovoltaïque, petit éolien)


=> Le photovoltaïque
La question de l’obtention de la parité de coût du photovoltaïque par rapport à l’électricité du réseau est centrale dans les perspectives de développement de cette technologie.

Au plan technique, plusieurs problèmes appellent des améliorations pour intégrer les panneaux photovoltaïques dans le bâti :
  • la ventilation des modules, pour éviter les risques d’échauffement et les pertes de rendement associées ;
  • l’acceptation par les assurances : protection contre l’incendie et difficultés d’intervention des pompiers.
Le photovoltaïque en toiture reste néanmoins très coûteux, notamment par rapport aux centrales photovoltaïques au sol de grande puissance (de quelques à plusieurs dizaines de MW).

=> Le petit éolien
Les maisons sont généralement situées dans des endroits très peu ventés et le vent est d’ailleurs très irrégulier en milieu urbain. De plus, le petit éolien pose un problème d’acceptabilité dans son voisinage, lié à l’esthétique et au bruit.