La conception d’une nouvelle installation de chauffage, pour une extension ou pour remplacer complètement une installation existante, doit répondre à quelques principes de base.
Premier principe : une installation simple pour une gestion simple
Ne pas combiner ventilation et chauffage
Les bâtiments d’aujourd’hui sont de plus en plus étanches à l’air. Et c’est heureux puisque, suite à l’isolation des parois, la part de la ventilation dans la consommation d’un bâtiment est de plus en plus grande.
Par ailleurs, les besoins de qualité d’air sont également très présents. Environ 500 m³ d’air frais sont requis par classe et par heure !
La ventilation doit donc être organisée dans une école.
La tentation est alors grande de profiter de cet air comme fluide caloporteur. En clair, si ce débit d’air est chauffé à 35°C dans une classe à 20°, il apporte une puissance de chauffe de :
500 m³/h x 0,34 Wh /m³.°C x (35 – 20)°C = 2.550 Watt
C’est bien assez pour chauffer le local !
schéma de l’installation implantée à l’école passive de Louvain-La-Neuve
Vue de la batterie de chauffe implantée sur le réseau d’air
à l’entrée de chaque local, dans le plafond du couloir
Toutefois, cette solution présente l’inconvénient d’associer deux techniques, ventilation et chauffage qui complique la régulation de l’ensemble puisque les besoins de chacun ne sont pas identiques. Par exemple, à 6h du matin, c’est la relance. On a donc besoin d’air pour chauffer les locaux : de l’air neuf, très froid, sera utilisé ! Alors que les besoins d’air frais ne sont présents qu’à partir de 8h30. Idéalement, il aurait fallu recycler l’air de réchauffage du bâtiment, mais cela aurait compliqué l’installation.
Bien sûr, l’air neuf est préchauffé par l’air extrait, mais le rendement de l’échangeur n’est pas de 100%.
Et cette superposition des fonctions génère des systèmes de régulation plus sophistiqués. Donc plus coûteux et plus complexe.
Si l’on avait pu se contenter d’une seule batterie de chauffe pour tout le bâtiment. Mais non, il est démontré par l’expérience que chaque classe a besoin de son chauffage distinct.
Alors si c’est pour mettre une batterie de chauffe à l’entrée de chaque classe, autant mettre un radiateur avec vanne thermostatique : la maintenance en est plus simple.
Ne pas combiner eau chaude sanitaire et chauffage
Les besoins d’eau chaude sanitaire ont lieu toute l’année, parfois y compris l’été. Les besoins de chauffage n’ont lieu qu’en saison de chauffe.
Le ballon d’eau chaude sanitaire demande une température constante de 60°C (s’il y a des douches) et donc une eau de chauffage de 65 à 70°C. Les radiateurs demandent une température variable de 35 à 75°, selon la saison.
Si les émetteurs de chaleur sont largement dimensionnés, ils pourront travailler à basse température et profiter du bon rendement des chaudières à condensation. Tout au contraire, la haute température de l’eau chaude sanitaire détruira cette performance.
Combiner ces deux techniques n’apporte que des complications de régulation et de transport puisqu’une fois l’eau sanitaire réchauffée, il faut la transporter jusqu’au lieu de puisage !
Pas de doute : dans une école, il faut produire l’eau chaude là où elle est nécessaire et au moment où elle est nécessaire !
Production d’eau chaude sanitaire combinée au chauffage,
avec sa boucle de distribution sanitaire
Production d’eau chaude sanitaire par systèmes décentralisés
Deuxième principe : des émetteurs avec peu d’inertie pour des besoins de chaleur faibles et variables
Dans le cas d’une classe isolée, même moyennement, les besoins de chaleur en période d’occupation sont faibles et assez variables. En effet, les pertes de chaleur sont réduites grâce à l’isolation des parois, et les gains de chaleur sont importants en raison de la forte occupation des locaux (chaque personne émet environ 60W en continu), de l’éclairage et des équipements et par les gains solaires qui peuvent aussi être importants selon l’orientation.
Si la classe doit être chauffée à 20° à l’arrivée des élèves, son chauffage doit être capable de s’arrêter très rapidement dès que les apports internes et externes apparaissent ! Il est donc essentiel d’installer des émetteurs qui ont peu d’inertie.
Prenons l’exemple de la principale source de déperditions d’une classe, le mur de façade et ses vitrages.
- Coefficient de perte thermique du mur non isolé : U = 2 W/m².K
- Coefficient de perte thermique des fenêtres double vitrage isolant : U = 1,5 W/m².K
- Température extérieure moyenne hivernale = 6°C
Si fenêtres et mur plein se partagent la façade à parts égales, on obtient un Umoyen de perte de 1 ,75 W/m².K pour la façade.
Les déperditions thermiques valent donc :1,75 W/m².K x 35 m² x (20°-6°) = 850 W
- les apports de chaleur peuvent être élevés : 25 élèves dégageant 50 W chacun, soit 1.250 W
- Le soleil apportant de 100 à 300 W par m², soit de 1.700 à 5.000 W
- L’éclairage apportant 500 W en moyenne
- L’équipement de projection (… 300 W…)…
Si la classe doit être chauffée à 20° à l’arrivée des élèves, son chauffage doit être capable de s’arrêter très rapidement dès que les apports internes et externes apparaissent !
On comprend immédiatement que LE CHAUFFAGE PAR LE SOL CLASSIQUE EST A PROSCRIRE dans une classe !
Lorsque le soleil arrive, le chauffage doit s’arrêter. Mais si les 7 cm de béton de chape regorgent de chaleur accumulée, il est impossible de stopper. Il n’y a plus qu’une chose à faire : ouvrir la fenêtre !
C’est vraiment dommage, car le chauffage par le sol a plein de qualités : il est très esthétique aux yeux de l’architecte (puisqu’invisible !) et très performant aux yeux de l’ingénieur (puisque basse température favorable à la condensation des chaudières !). Mais notre expérience de terrain nous rend catégoriques : il est impossible de bien régler un chauffage par le sol en milieu scolaire !
Des radiateurs en acier, équipés de vannes thermostatiques, seront moins chers et très performants, surtout si largement surdimensionnés afin de travailler à basse température.
Le chauffage par le sol classique est caractérisé par une très forte inertie et ne convient donc pas du tout pour le chauffage d'une école performante. Il existe cependant maintenant des systèmes de chauffage par le sol caractérisés par une très faible inertie qui, de ce fait, pourraient convenir.
Troisième principe : Régulation : Un circuit par zone « horaire » et des vannes dans chaque local pour la régulation terminale.
La distribution hydraulique est découpée en zones d’usages différents dans le temps : salle de sports, classes, locaux administratifs, réfectoire… Chaque zone possède son circuit propre.
Chaque circuit est équipé d’un circulateur à vitesse variable et programmable. Des clapets anti-retour sur chaque départ secondaire empêchent une circulation parasite inverse lors de l’arrêt d’un circulateur ;
Les radiateurs seront commandés par une régulation terminale :
- Vannes thermostatiques ordinaires (classes, locaux administratifs, bibliothèque, …) pour un réglage de température individualisé ;
- Vannes thermostatiques "institutionnelles", c'est à dire dont le réglage de température est réalisé par le technicien et non par l’occupant (couloirs ou locaux des écoles secondaires techniques et professionnelles) pour mieux gérer le côté impersonnel des locaux partagés ;
- Vannes deux voies motorisées pour commander plusieurs radiateurs alimentés par une même tuyauterie et dont les besoins thermiques sont similaires, si on craint les dégradations par les occupants. Cette vanne est insérée dans la tuyauterie en question et est commandée par un thermostat d’ambiance avec horloge hebdomadaire.