La substitution des chaudières par des systèmes thermodynamiques

La substitution des chaudières par des systèmes
thermodynamiques

Le Parc réhabilitable 

Contexte et caractéristiques principales d’une PAC conçue pour la réhabilitation

 Le marché du chauffage est dynamisé par les enjeux environnementaux qui se traduisent par une volonté de renforcer la maîtrise des consommations d’énergie : le Plan Climat [Plan, 2004], la loi d’orientation sur l’énergie, la transposition de la directive européenne sur l’efficacité énergétique des bâtiments , la RT 2005 fixent des objectifs de diminution de la consommation d’énergie pour les bâtiments … Les équipements doivent désormais présenter de hautes performances et les énergies renouvelables se développer. Le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire constituent plus de 80 % de la consommation énergétique du secteur résidentiel en France. Par conséquent, l’amélioration de l’efficacité énergétique de ces équipements est devenue une priorité. Depuis vingt ans, les chaudières au fioul ou au gaz ont été l’objet d’importants progrès. Elles sont devenues plus efficaces, en particulier les chaudières à gaz à haut rendement (basse température et à condensation). Mais, en France, les systèmes thermodynamiques à moto-compresseur électrique, utilisés pour le chauffage (PAC), restent les plus prometteurs du point de vue économique, énergétique et environnemental. Cela est principalement dû à la forte hausse et à l’instabilité des prix du gaz et du fioul au cours de ces dernières années. Les émissions de CO2 des systèmes de production d’électricité varient heure par heure, et en particulier pendant la saison de chauffage. A la base nucléaire, s’ajoute le fonctionnement des centrales hydroélectriques et des centrales à combustible, charbon et gaz. La teneur en CO2 du kWh varie donc fortement au cours de la saison de chauffe en fonction de la température extérieure. Pour limiter la complexité, EDF et l’ADEME dans un document commun [ADEME, 2005], ont décidé d’attribuer une valeur forfaitaire de 180 g de CO2 par kWh pour le chauffage des bâtiments d’origine électrique. Cette valeur sera utilisée pour évaluer les gains en émissions de CO2 des PAC se substituant aux chaudières. Pour qu’une PAC puisse se substituer à une chaudière d’une manière efficace, elle doit assurer les mêmes fonctions tout en restant performante, à savoir : ¾ la production de chauffage durant la saison de chauffe, ¾ la production d’eau chaude sanitaire tout au long de l’année. La majeure partie de la croissance du marché des pompes à chaleur s’effectue sur le parc des maisons individuelles neuves avec des systèmes de chauffage à basses températures par le plancher (~35 °C). Cependant, le marché potentiel principal est celui des bâtiments existants avec des systèmes de chauffage central (hydrauliques) à hautes températures. Lors de la réhabilitation d’un système de chauffage utilisant une chaudière fioul et éventuellement gaz, la nouvelle installation utilisant une pompe à chaleur doit être capable de fournir la totalité des besoins de chauffage même pour la température extérieure la plus basse. Pour un système de chauffage domestique centralisé, la nature des types de radiateurs et surtout le niveau d’isolation de la maison vont impliquer des niveaux de températures de sortie de la pompe à chaleur tout à fait différents. Pour une PAC conçue pour la réhabilitation, il est apparu souhaitable de ne pas retenir comme cahier des charges uniquement le cas le plus défavorable, à savoir une maison mal isolée (coefficient volumique de déperditions G > 1,2 W/(m3 .K)), fonctionnant avec un réseau de radiateurs nécessitant un grand écart de températures et, imposant par là même une condensation de l’ordre de 80 °C. Il est plus judicieux d’associer des travaux minimum de réhabilitation de l’enveloppe du bâtiment (isolation du toit, isolation par l’intérieur, double vitrage, etc.) que de substituer simplement la PAC à la chaudière existante. L’enquête menée par le COSTIC sur le dimensionnement des émetteurs [COSTIC, 1999] et les relevés effectués, aussi par le COSTIC [COSTIC, 1985], sur la régulation de plusieurs installations montrent que la pratique a plutôt été de surdimensionner les émetteurs et que les températures réelles de fourniture d’eau de chauffage sont très souvent inférieures aux conditions de calcul traditionnelles (entre 80 °C et 90 °C). Les valeurs déclarées dans une étude récente [COSTIC, 2005], ayant pour objectif d’établir une typologie des installations existantes de chauffage à eau chaude fonctionnant au gaz et au fioul, sont de l’ordre de 60 °C à 70 °C les jours les plus froids (60 °C lorsque l’isolation de la maison a été renforcée, 0,9 < G < 1,1 W/(m3 .K)). Il a donc été choisi de définir une température maximale de fourniture d’eau de chauffage de 65 °C pour le jour le plus froid. 

Les objectifs 

Les objectifs de ce chapitre sont les suivants. ¾ Détailler les principaux facteurs favorisant le remplacement des chaudières par des systèmes de pompes à chaleur en France. Ces données sont d’une importance décisive quant au choix du mode de chauffage, et ce, à plusieurs niveaux : environnemental, économique et énergétique. ¾ Analyser les limites de fonctionnement des PAC air/eau usuelles utilisées pour le chauffage et les différentes contraintes techniques liées au remplacement des chaudières anciennes. L’adaptation du système PAC au réseau de chauffage hydraulique est aussi étudiée. ¾ Evaluer les intérêts en terme d’émissions de CO2 évitées pour le secteur résidentiel en France. 

Le parc 

Afin de mieux comprendre les enjeux, cette section dresse : • la consommation d’énergie du secteur résidentiel par usage et par énergie [DGEMP, 2006]. • le nombre de logements existants équipés d’un système de chauffage résidentiel en France par type de logement et par type de système [MSI, 2003]. ¾ La consommation d’énergie du secteur résidentiel Le chauffage des bâtiments est nécessaire dans tous les pays européens, et les systèmes de chauffage hydraulique dominent même dans les pays qui exigent également le refroidissement. En France, la consommation d’énergie due au chauffage s’élève à 412 TWh, soit 75 % de la consommation du secteur résidentiel (cf. figure 1.1). Pour cet usage, le fioul et le gaz se partagent 68 % de la consommation totale (cf. figure 1.2). Chauffage 75.2% Cuisson 5.5% Eau chaude sanitaire 8.3% Electricité spécifique 11.0% 412,8 TWh 45,3 TWh 30,2 TWh 60,4 TWh 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Chauffage Eau chaude sanitaire Cuisson Gaz naturel Fiouls lourds et fioul domestique Electricité Autres Figure 1.1- Les consommations d’énergie du secteur résidentiel par usage (année 2002) [DGEMP, 2006] Figure 1.2- La part des consommations d’énergie du secteur résidentiel par énergie (année 2002) [DGEMP, 2006] Quant à la production d’eau chaude sanitaire (ECS), elle présente aussi une part non négligeable de la consommation totale. Pour cet usage, l’électricité est l’énergie la plus utilisée. ¾ Le nombre des logements existants Un bâtiment, en France, a généralement une vie supérieure à 100 ans. Les vieux bâtiments (~15 millions de logements) occupent donc une place plus importante que ceux récemment construits. Leur demande d’énergie est dominante. Dans ces bâtiments existants, les systèmes de chauffage sont généralement des systèmes vieillissants, avec des performances énergétiques et environnementales faibles. Selon MSI, en 2002, 57 % des logements existants en France ont un système de chauffage central, 27 % sont chauffés par l’électricité. Le reste est soit sans chauffage, soit chauffé par le réseau urbain (cf. tableau 1.1). Pour les systèmes de chauffage central, le gaz vient en tête avec 60 % du nombre des logements existants, suivi par le fioul avec 30 %. Pour ce type de système, la part de l’individuel est de 55 % contre 45 % pour le collectif. Dans la première phase de cette étude, l’attention est centrée sur les logements existants équipés d’un système de chauffage central à eau chaude. Ce parc réhabilitable est suffisamment grand. En effet, l’âge moyen de remplacement des chaudières est de 20 ans. En 1999, 34,6 % des chaudières avaient 15 ans ou plus (soit 22 ans ou plus en 2006). Pour le parc actuel, le nombre de chaudières anciennes remplaçables est estimé à 4 millions d’unités (âge > 20 ans) [GFCC, 2002]. Les installations au chauffage électrique peuvent être aussi substituées. Cette réhabilitation est toutefois plus importante, car il n’est pas facile de distribuer la chaleur quand la maison n’a aucun système de distribution de chaleur.