Chauffage et climatisation

La consommation annuelle d’énergie liée au chauffage représente plus d’un tiers de l’énergie utilisée en Suisse. Dans les bâtiments résidentiels, elle est assurée à près de 60% par des énergies fossiles faisant de la Suisse l’un des plus gros consommateurs européens par habitant. Dès lors, de plus en plus de propriétaires ont recours à des installations hybrides permettant de limiter le recours aux combustibles fossiles.
 

Échangeur thermique et pompes à chaleur

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L’échangeur thermique est une de ces technologies hybrides qui peut être utilisé dans le cadre de systèmes de chauffage, de climatisation, de réfrigération et pour la production d’eau chaude sanitaire. Le but d’un échangeur de chaleur est de transférer de la chaleur entre deux fluides, sans que ces derniers ne se mélangent, via une paroi aux capacités conductrices élevées. L’écart de température entre les deux fluides permet donc un échange de chaleur. En effet, le liquide chaud va naturellement se diriger vers le plus froid, le réchauffant immédiatement, tout en perdant des calories. Il sort alors du système refroidi, tandis que le second fluide est réchauffé. Il existe aujourd’hui plusieurs types d’échangeurs thermiques sur le marché.

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Le principal modèle utilisé pour les systèmes de chauffage ou d’eau chaude sanitaire sont les échangeurs à plaques. Dans ce type d’échangeur, les fluides se déplacent de chaque côté des plaques, qui sont généralement ondulées. Ces échangeurs thermiques sont fréquemment employés car ils sont réputés très performant. On les trouve notamment dans les climatisations, les réfrigérateurs ou encore dans les chaudières.

 

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Utilisant ce même principe, les pompes à chaleur (PAC) permettent d’obtenir autant de chaleur qu’un chauffage au fioul en utilisant jusqu’à trois fois moins d’énergie. En effet, la PAC absorbe des calories dans le milieu extérieur – sol, air ou eau – pour les restituer à l’intérieur du bâtiment : en résumé, elle refroidit l’extérieur pour réchauffer l’intérieur et vice versa.

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Pour ce faire, elle utilise un compresseur électrique et un circuit rempli de gaz synthétique (comme dans un frigo), de propane ou de CO2 qui passe de l’état gazeux à l’état liquide en fonction de la pression. Plusieurs modèles  de PAC existent sur le marché.

Une PAC “air/eau” prend la chaleur dans l’air extérieur et chauffe l’eau du circuit de chauffage central, tandis qu’une PAC “sol/eau” prend la chaleur dans le sol et chauffe l’eau du circuit de chauffage. Quant à la PAC “eau/eau”, elle prend la chaleur dans un lac, une rivière ou une nappe d’eau souterraine et chauffe l’eau du circuit de chauffage. La dernière variation, la PAC “air/air”, prend la chaleur dans l’air extérieur et insuffle de l’air chaud à l’intérieur. Ce type de pompe est réputé très peu efficace car l’échange de chaleur avec un circuit d’air se fait beaucoup moins bien qu’avec un circuit d’eau. Elle n’est donc pas recommandée pour les bâtiments d’habitation ou les locaux commerciaux.

Selon des chiffres d’Énergie Environnement, une PAC air/eau dégage entre 60 à 80% de CO2 de moins qu’une chaudière à mazout sur l’ensemble de la saison.

Chauffage à distance

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Le concept du chauffage à distance consiste à réutiliser la chaleur générée par des activités externes afin de l’exploiter en qualité de chauffage pour bâtiments. Par exemple, les centres de données consomment une grande quantité d’électricité et produisent de la chaleur en fonctionnant. En général, les allées de ces installations peuvent abriter des températures allant jusqu’à 45°C. Il est dès lors possible de récupérer et recycler cette chaleur afin de l’utiliser pour chauffer les bâtiments avoisinant ces gigantesques installations. De nombreuses villes nordiques, notamment au Danemark et en Suède, explorent l’idée d’utiliser la chaleur résiduelle pour chauffer des habitations voisines.

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Chauffage avec réseau d'eau

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Bien que méconnu, le potentiel des lacs et autres points d’eau comme sources de chaleur - ou fraicheur - propres et recyclables est immense. En effet, l’eau peut être utilisée afin de chauffer et refroidir les bâtiments qui se trouvent à proximité. Concrètement, l’eau est pompée du lac vers la rive à une profondeur d’environ 50 mètres. Via un échangeur de chaleur, l’énergie thermique de cette eau, dont la température avoisine les 5 degrés, est transférée à un réfrigérant via un circuit séparé. Après son passage dans le circuit, l’eau est rejetée, propre et intacte, à une température d’environ 12 degrés. Par la suite, le réfrigérant transfère à son tour l’énergie thermique à l’eau de chauffage et à l’eau chaude sanitaire dans un autre échangeur de chaleur. Le même principe peut aussi être utilisé en sens inverse pour le refroidissement.

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Chauffage par géothermie

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Dans le cadre du secteur de la construction, la géothermie consiste à aller chercher la chaleur du sous-sol pour assurer le chauffage (ou le refroidissement  - on parle alors de “géocooling”) d’un bâtiment via des sondes. Ce type de géothermie, dit de “très basse énergie”, consiste à forer jusqu’à une profondeur de 1’000 mètres. Plus les sondes sont installées en profondeur, plus la température récupérée disponible pour chauffer le bâtiment est élevée. Par exemple, la température à 300 mètres de profondeur est toute l’année à environ 20°C. Néanmoins, la température atteinte, et donc la quantité de chaleur qu’on peut en soutirer, dépend de la nature géologique du terrain et de la présence d’eau.

La plupart des forages réalisés dans le cadre du chauffage des bâtiments sont de “basse température” et sont profonds de 50 à 300 mètres afin d’exploiter une chaleur allant de 8 à 20°C. Pour une maison individuelle de 100m2 bien isolé, un seul forage d’une profondeur de 100 à 200 mètres suffit généralement. Pour des bâtiments plus grands, davantage de forages sont nécessaires. Des sondes géothermiques verticales dites à double-tuyau - qui descendent et remontent - chargées d’un liquide caloporteur sont insérées dans les forages. Le liquide va se charger de chaleur en profondeur avant de remonter à la surface grâce à une pompe électrique. Lorsque sa température à la surface n’est pas assez élevée pour le chauffage, le circuit de la sonde géothermique passe aussi par une pompe à chaleur “sol/eau” qui soutire la chaleur géothermique et la transfère au circuit du chauffage à une température plus élevée.

Du côté des évolutions futures, cette technologie montre aussi de belles perspectives dans le cadre du stockage d’énergie. En effet, le même procédé peut être exploité pour utiliser les sous-sols comme stockage saisonnier d’énergie.

Solaire thermique

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Les panneaux thermiques transforment l’énergie du soleil en source de chaleur et viennent en complément d’un système de chauffage traditionnel (chaudière ou pompe à chaleur) afin de préchauffer l’eau, ce qui permet la réalisation d’économies d’énergie pour la pompe à chaleur (ou la chaudière) qui fera l’appoint de chaleur.
 
Les panneaux thermiques sont néanmoins actuellement en perte de vitesse au détriment de leurs cousins photovoltaïques. Bien que les deux technologies servent des buts complètement différents (chauffage d’eau pour le thermique et production d’électricité pour le photovoltaïque), le photovoltaïque présente l’avantage d’être plus flexible. En effet, la loi suisse prévoit que l’électricité qui n’est pas immédiatement consommée puisse être revendue et réinjectée dans le réseau. En revanche, le chauffage d’eau a une capacité limitée. Une fois que l’eau sanitaire est chauffée, les panneaux thermiques n’ont plus d’utilité et l’énergie marginale est pour ainsi dire perdue.

À noter que certaines sociétés développent également des panneaux dits hybrides. Ces panneaux sont équipés de capteurs photovoltaïques et d’un liquide caloporteur pour capter et évacuer l’excès de chaleur.

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Chauffage à pellets

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Le bois dispose de nombreux atouts pour la production de chaleur, autant dans les maisons individuelles que dans les bâtiments industriels. Les pellets sont généralement produits localement à partir de résidus de bois dont la combustion est neutre en CO2. En 2021, les ventes de chauffages à pellets ont augmenté de 45% en Suisse tandis que la production endogène a plus que doublé lors des 5 dernières années.

Néanmoins, il convient de noter que ce mode de chauffage ne convient pas à tout les environnements à cause des particules fines que le bois brûlé rejette dans l’air.

Chauffage via les eaux-usées

Tout comme le chauffage à distance, l’utilisation des rejets de chaleur des eaux usées est aussi une solution prometteuse pour chauffer les bâtiments proprement et durablement. Pour ce faire, il suffit d’installer un échangeur de chaleur dans les collecteurs et d’utiliser les calories ainsi récupérée comme source d’énergie pour une pompe à chaleur. Selon une étude réalisée par Dr. Eicher+Pauli sur mandat de l’ASCAD et de l’OFEN en 2013, le potentiel économique des rejets de chaleur des eaux usées à long-terme en Suisse est d’environ 2 TWh par année, soit un volume susceptible d’alimenter en chaleur environ 150’000 ménages.

Radiateurs basse température et chauffage au sol
 

Les radiateurs à eau sont des équipements dans lesquels circulent de l’eau chauffée dont les calories sont transmises à une pièce pour la chauffer. Il existe deux types de radiateurs à eau : les radiateurs à haute température, qui utilisent de l’eau chauffée à environ 80°C, et ceux à basse température, dont l’eau avoisine les 50°C. Le fonctionnement des deux systèmes est le même, la seule différence concernant la température de l’eau. Néanmoins, car un chauffage à basse température nécessite moins d’effort pour chauffer l’eau, la consommation énergétique d’un bâtiment est réduite. En Suisse, la grande majorité des bâtiments sont déjà équipés de radiateurs à basse température.

Les chauffages au sol permettent d’aller encore plus loin dans les économies d’énergie. En effet, ces systèmes fonctionnent généralement à une température d’écoulement d’environ 35°C seulement. Autre avantage, le chauffage au sol minimise la charge sur les tuyaux en plastique des systèmes de chauffage, permettant ainsi de prolonger la durée de vie de l’installation (entre 30 et 50 ans pour un chauffage au sol).

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Gestion intelligente de la chaleur

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Avant de changer le système de chauffage d’un bâtiment, il peut être nécessaire de commencer par réduire sa consommation d’énergie via des processus d’économie d’énergie, par exemple (i) en adaptant le niveau de chauffage en fonction de la température externe (l’économie d’énergie est d’environ 7% par baisse de température d’un degré en hiver), (ii) en assurant l’équilibrage hydraulique de la distribution de chauffage, en (iii) optimisant la courbe de chauffe ainsi (iv) qu’en complétant l’ébouage et le détartrage des installations de chauffage. En effet, on estime aujourd’hui que de tels ajustements permettent de réduire la consommation énergétique d’un bâtiment de 20 à 25% sans même toucher au mode de consommation.

De plus, de nombreuses sociétés exploitent aujourd’hui les données des bâtiments afin de réduire leurs émissions de CO2 en optimisant l’énergie consommée par rapport à plusieurs facteurs, tels que la température, les prévisions météorologiques, l’humidité, la consommation d’énergie du bâtiment en temps réel ainsi qu’à l’inertie du bâtiment en fonction de ses caractéristiques fondamentales (par exemple, un bâtiment en bois refroidi beaucoup plus rapidement en hiver comparé à des constructions en béton). Toutes ces données, réunies via des capteurs intelligents, peuvent ensuite permettre de créer un jumeau numérique du bâtiment afin d’optimiser automatiquement les réglages du bâtiment.

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CLIMATISATION

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Du côté de la climatisation, plusieurs technologies peuvent être mises en place pour atténuer l’impact écologique de ce secteur. On peut citer par exemple le développement de climatisations à haut rendement, l’utilisation de réfrigérants naturels et le déploiement de climatisation à compression de vapeur, à refroidissement par évaporation ainsi qu’à l’état solide.