Le chauffag

Évidemment, dans un climat tel que celui du Québec, le chauffage représente un poste de consommation énergétique majeur. À titre d’ordre de grandeur, le chauffage peut représenter environ 40 % de la consommation énergétique d’un immeuble de bureaux. Tout projet d’efficacité énergétique doit donc porter une attention particulière à l’utilisation et la production du chauffage.

Ces mesures sont possibles au niveau du chauffage :

 

– Chaudières au gaz naturel à efficacité intermédiaire (efficacité nominale de 85 %)

La majorité des systèmes de chauffage construits avant les années 2000 sont munis de chaudières possédant une efficacité énergétique relativement médiocre. Elles ont généralement une efficacité nominale de 80 % ou moins. Et en réalité, l’efficacité saisonnière (l’efficacité moyenne sur toute la saison et tenant en compte que l’efficacité de la chaudière varie selon la charge) est même inférieure à cette valeur.

Depuis les années 2000, de nombreuses chaudières présentes sur le marché offrent une plus haute efficacité énergétique, soit une efficacité nominale d’environ 85 %. Des améliorations au niveau de l’échangeur de chaleur et de la modulation des brûleurs de la chaudière (au niveau) permettent ce gain.

Il est important de noter que les chaudières à efficacité intermédiaire ne sont pas des chaudières dites « à condensation ». Elles doivent donc être installées que pour des applications où la température de l’eau chaude au retour de la chaudière est supérieure à 60^oC en tout temps. Concrètement, ces chaudières s’adaptent généralement très facilement en remplacement des technologies existantes. En effet, la plupart des bâtiments au Québec utilisant le chauffage par des réseaux d’eau chaude ont été conçus pour des températures supérieures à 60^oC.

– Chaudières à condensation au gaz naturel (efficacité nominale supérieure à 90 %)

Les chaudières à condensation sont des chaudières qui récupèrent en partie la chaleur contenue dans la vapeur d’eau générée par la combustion du gaz naturel. La combustion du gaz naturel nécessite un apport d’air pour amener de l’oxygène à la combustion. Lorsque le gaz naturel brûle, les produits de combustion suivants sont principalement générés : de la chaleur, du CO₂, de la vapeur d’eau et très peu de dioxyde de soufre. Or, dans la vapeur d’eau expulsée par la cheminée s’échappe du même coup un peu plus de 10 % de l’énergie calorifique du gaz naturel.

La chaudière à condensation permet de récupérer en partie l’énergie contenue dans cette vapeur d’eau. Son échangeur de chaleur doit cependant être construit dans un matériau particulièrement résistant à la corrosion puisque la condensation produite est acide à cause du dioxyde de soufre. Avant d’être rejetée au drain, cette eau de condensation doit être neutralisée chimiquement.

Il est très important de comprendre que pour donner une efficacité supérieure à 90 %, la chaudière à condensation doit absolument être raccordée à un réseau d’eau chaude dont la température de retour est inférieure à 55^oC. En effet, c’est à cette température que la condensation de la vapeur d’eau commence à être possible. En fait, plus la température de retour est basse, plus la chaudière à condensation sera efficace. Elle pourra donc atteindre plus de 95 % d’efficacité si d’excellentes conditions sont remplies.

La chaudière à condensation fonctionne normalement à plus basse température qu’une chaudière classique. Elle ne peut donc pas nécessairement être raccordée à un réseau conventionnel (température de l’ordre de 80^oC), mais doit être raccordée à un réseau de chauffage à basse température. Cet élément est excessivement important, puisqu’il explique le fait que l’on ne peut pas nécessairement utiliser cette technologie pour n’importe quelle application.

Voir aussi « Chaudières à efficacité intermédiaire ».

– Géothermie

La géothermie est décrite dans la section sur les énergies renouvelables de ce chapitre.

– Chauffage solaire – mur solaire

Le préchauffage de l’admission d’air neuf par l’installation d’un mur solaire est une mesure assez populaire depuis quelques années chez la clientèle institutionnelle. La technologie est relativement simple : un recouvrement perforé (soit une tôle opaque ou des panneaux de polycarbonate transparents) est installé à un endroit stratégique (généralement le plus au sud possible). L’admission d’air extérieur se fait au travers du recouvrement perforé et l’air est ensuite acheminé derrière ce dernier vers l’unité de traitement d’air. En passant dans et derrière le mur, l’air récupère une bonne partie du rayonnement solaire frappant le mur, ce qui entraîne des économies appréciables sur le préchauffage de l’air. Selon la conception et le rayonnement solaire, l’air extérieur peut ainsi avoir un gain de 20^oC (différentiel de température) lors de son passage dans le mur.

La technologie est très simple. Pour l’appliquer, il faut cependant que la prise d’air extérieur soit stratégiquement bien placée sur un mur du côté sud et que l’on accepte, dans certains cas, de modifier quelque peu l’aspect architectural du bâtiment. En général, on tente d’installer le mur solaire en appentis ou à un endroit moins visible, mais avec la participation d’un architecte, il est possible de l’intégrer harmonieusement.

– Chauffage solaire – autres capteurs solaires

Plusieurs technologies de capteurs solaires sont disponibles pour concentrer l’énergie et l’utiliser pour du chauffage, et ce, de différentes façons : préchauffage d’air neuf, chauffage de l’eau domestique, chauffage des espaces. En voici quelques-unes :

• Les tubes solaires sous-vide : capteurs solaires constitués de tubes vitrés, à l’intérieur duquel un vide d’air a été créé et au centre duquel un réfrigérant contenu dans un tuyau de cuivre scellé permet de capter la chaleur solaire et de la transférer au fluide caloporteur par un effet « caloduc ».
• Les capteurs plans : capteurs solaires plats constitués d’un tube absorbeur qui serpente derrière une surface d’absorption opaque qui capte la chaleur du soleil.
• Les concentrateurs solaires : capteurs solaires généralement de forme parabolique qui focalisent l’énergie solaire sur un point central où un fluide caloporteur circule. Cette technologie permet d’obtenir une température de fluide relativement haute.

L’efficacité de chaque technologie dépend d’une foule de facteurs, dont la qualité de construction, l’isolation des capteurs, l’orientation d’installation et la présence ou l’absence d’ombrage. Sans tenir compte des incitatifs financiers disponibles, la période de retour sur l’investissement de ces technologies demeure généralement assez longue (souvent au-delà de 15 ans).

– Récupération de chaleur des refroidisseurs

Il est relativement courant d’avoir des bâtiments où les besoins de climatisation sont constants à l’année, même en période hivernale. C’est notamment le cas pour les bâtiments ayant une importante zone interne ou pour des besoins de refroidissement pour des salles de serveur, des salles électriques ou du procédé (arénas, cuisines, etc.).

En sélectionnant des refroidisseurs dits « récupératifs » et en ayant des éléments de chauffage requérant du chauffage à basse température (température généralement inférieure à 50^oC), il est possible de rejeter la chaleur liée au refroidissement dans les réseaux de chauffage. Dans certains cas, il est même avantageux de refroidir l’air des évacuations pour en récupérer la chaleur. La Figure 1 montre un exemple de système de récupération de chaleur de ce type.

Figure 1 : système de récupération de chaleur par un refroidisseur
(Source : Bouthillette Parizeau, 2012)

Cette mesure permet souvent des économies importantes, puisqu’elle permet d’utiliser l’énergie déjà payée à deux usages : refroidir certaines charges d’un côté et chauffer des charges de l’autre. Elle demande cependant une conception assez précise au niveau de la sélection des refroidisseurs et des températures des éléments de chauffe et de refroidissement.

– Chauffage électrique hors pointe

Cette mesure a été relativement populaire au début des années 2000, au moment où les tarifs d’Hydro-Québec et Gaz Métro la rendaient avantageuse. Aujourd’hui, les changements apportés à ces tarifs et le coût relativement bas du gaz naturel la rendent beaucoup moins attrayante.

Le principe de la mesure est très simple. La facturation électrique pour les bâtiments commerciaux et institutionnels est souvent divisée en deux items principalement : le coût de la consommation (kWh) et le coût de la puissance (kW). Or, le coût de la puissance est généralement facturé selon l’appel de puissance maximal du mois de facturation (la réalité est plus complexe, mais cette approximation est suffisante pour les besoins de la présente explication). Comme le bâtiment n’est que très rarement à son maximum d’appel de puissance, c’est donc dire que la nuit et la fin de semaine par exemple, il y a disponibilité de puissance pour faire du chauffage électrique à faible coût. En effet, comme l’appel de puissance est déjà payé de toute façon, on paie alors seulement la consommation. Pour les clients du tarif « M » d’Hydro-Québec dont la consommation excède 210 000 kWh par mois, cela signifie donc un coût électrique hors pointe de l’ordre de 3,20 $/kWh. Jusqu’en 2008, ce coût était substantiellement inférieur au coût du gaz équivalent, ce qui générait des économies principalement monétaires.

Aujourd’hui, cette mesure est rarement recommandée pour trois raisons :

• Les changements progressifs aux tarifs d’Hydro-Québec la rendent progressivement moins rentable. Il se pourrait même éventuellement que ces changements fassent en sorte que le chauffage hors pointe soit plus coûteux qu’une autre source
• Les coûts du gaz naturel sont actuellement très bas, ce qui fait que l’écart a été grandement réduit
• Plusieurs clients ont des engagements à long terme avec Gaz Métro, lesquels prévoient des pénalités si des changements de source (tel que le chauffage hors pointe) sont adoptés

Pour plus de détails sur la facturation et les tarifs, consultez la section de cette trousse portant sur la facturation)

– Délestage de charges

Le délestage de charge est une mesure qui consiste, dans le cas d’un bâtiment où l’électricité est prédominante en chauffage, à couper des éléments de chauffage pour éviter des coûts pour des appels de puissance élevés. Le principe du délestage est d’effectuer une rotation des charges de chauffage pour tenter d’amoindrir l’appel de puissance et la facture énergétique.

Cette mesure est généralement controversée car il est difficile d’avoir un réel effet sur la puissance maximale du bâtiment sans avoir un impact sur le confort des occupant(e)s. En effet, les charges de chauffage coupées signifient normalement qu’il faut sacrifier en rotation certains services fournis aux utilisateurs(trices). Avant d’aller vers cette avenue, il faut s’assurer que des niveaux de confort minimums sont maintenus en période d’occupation.

– Abaissement de température en période inoccupée

Bien que souvent très simple, cette mesure est encore très souvent absente dans les bâtiments existants.  Elle consiste simplement à assurer une réduction de température ambiante en période inoccupée dans le bâtiment (généralement la nuit et la fin de semaine). La réduction de température varie selon le type de bâtiment, mais il est souvent d’usage de la réduire à 17^oC la nuit pour un immeuble de bureaux. La température peut être encore plus abaissée dans d’autres types de bâtiments. La plupart du temps, il faut procéder un peu par « essai-erreur » pour déterminer la température d’abaissement qui ne nuiera pas le confort des occupants et qui permettra des économies.

Techniquement, l’abaissement se réalise souvent soit par l’installation de thermostats programmables ou directement par le système de contrôles centralisés (s’il est présent). Le coût de cette mesure est donc généralement faible et le retour sur investissement est normalement rapide (souvent moins de deux ans).

Des précautions sont cependant à prendre. En effet, comme la température est abaissée la nuit, il est important de la faire remonter à temps pour le retour des occupant(e)s, sinon des plaintes de confort peuvent être vécues. Aussi, lorsque le bâtiment est chauffé à l’électricité, des précautions additionnelles doivent être prises pour éviter que l’appel de puissance matinal (lors de la reprise du chauffage) ne vienne annuler les économies monétaires effectuées.

– Conversion des réseaux de vapeur

Dans les bâtiments plus anciens ou pour certains cas où la vapeur est requise pour l’humidification ou le procédé, il est parfois d’usage d’effectuer le chauffage directement par des éléments de chauffe à vapeur ou indirectement, via des échangeurs de chaleur vapeur/eau. Or, il s’avère que la vapeur est très souvent un média excessivement inefficace pour le chauffage :

• Les chaudières à vapeur ont la plupart du temps une efficacité moindre que les chaudières à l’eau chaude
• Les réseaux de vapeur sont plus chauds et subissent donc des pertes par conduction plus importantes
• La production de vapeur implique des pertes additionnelles par les purges requises à la chaufferie, par les évents des réservoirs de condensé et par les trappes à vapeur qui peuvent être défectueuses

Lorsque la vapeur n’est pas requise pour des usages spéciaux tels que le procédé, il est possible de convertir entièrement le réseau de chauffage pour éliminer la vapeur et la remplacer soit par un réseau à l’eau chaude, soit par des éléments électriques. Des économies de l’ordre de 20 à 30 % de l’énergie de chauffage peuvent ainsi être réalisées. Cette mesure impliquera cependant souvent des travaux importants et coûteux (rénovation complète de la chaufferie et de certains éléments de chauffe). La période de retour sur investissement d’une telle mesure est souvent de l’ordre de dix ans.

– Économiseur classique pour chaudière à vapeur

Dans les bâtiments où la vapeur se doit d’être conservée, les chaudières à vapeur ont, dans des conditions idéales, une efficacité de l’ordre de 80 % (c’est-à-dire que 80 % de l’énergie calorifique contenue dans le combustible est effectivement transférée à la production de vapeur et  le 20 % résiduel est perdu essentiellement par la cheminée). Notez bien que dans les conditions réelles d’utilisation, l’efficacité est généralement inférieure à cette valeur.

Afin d’améliorer l’efficacité d’une telle installation, il est possible d’installer un économiseur pour récupérer en partie l’énergie évacuée par la cheminée. Un économiseur est en fait un échangeur de chaleur installé dans la cheminée, à la sortie de la chaudière, et qui transfère de l’énergie entre les gaz de combustion et l’eau d’appoint acheminée vers la chaudière. La figure 2 montre un schéma qui représente ce concept. L’installation d’un économiseur classique peut permettre d’augmenter l’efficacité de l’installation de 4 à 5 %.

Figure 2 : Économiseur classique pour chaudière à vapeur (Source : Bouthillette Parizeau, 2012)

– Économiseur à condensation pour chaudière à vapeur

L’économiseur à condensation est une autre technologie qui sert à récupérer l’énergie perdue par les gaz de combustion des chaudières. Par contre, l’économiseur à condensation permet une plus grande récupération d’énergie car il effectue aussi une récupération de l’énergie latente (énergie liée à la vapeur d’eau). Pour bien expliquer ceci, il est nécessaire d’expliquer un peu le processus de combustion du gaz naturel.

La combustion du gaz naturel nécessite un apport d’air pour amener de l’oxygène à la combustion. Lorsque le gaz naturel brûle, les produits de combustion suivants sont principalement générés : de la chaleur, du CO₂, de la vapeur d’eau et très peu de dioxyde de soufre. Or, dans la vapeur d’eau expulsée par la cheminée s’échappe du même coup un peu plus de 10 % de l’énergie calorifique du gaz naturel.

L’économiseur à condensation permet de récupérer une bonne partie de l’énergie latente. Pour que cette technologie soit applicable, il est cependant requis d’avoir des besoins de chauffage à plus basse température (température d’entrée à l’économiseur inférieure à 55^oC) pour permettre la condensation de la vapeur d’eau.

Dans les meilleures conditions, l’économiseur à condensation permettra une amélioration de l’efficacité de 12 à 15 %.

Voir aussi la section abordant l’économiseur classique, qui est une technologie similaire.

– Récupération de chaleur des purges sur les chaudières à vapeur

Les chaudières à vapeur font bouillir l’eau d’appoint pour produire la vapeur qui est distribuée sur le réseau. Toutes les impuretés et les minéraux contenus dans l’eau d’appoint ne sont pas transportés par la vapeur et se concentrent graduellement dans la chaudière. Il devient donc nécessaire de les évacuer, ce qui cause une perte énergétique plus ou moins importante selon la situation. Deux types de purges sont effectués : les purges de fond et les purges de surface. Les purges de fond sont généralement effectuées manuellement de façon journalière alors que les purges de surface sont généralement des purges continues gérées automatiquement (ou manuellement par le réglage d’un robinet) pour maintenir un taux adéquat d’impuretés (le taux TDS) dans la chaudière.

Il est possible de récupérer en grande partie l’énergie des purges de surface par l’installation d’un récupérateur de chaleur servant à préchauffer l’eau froide d’appoint au réseau. Cet élément est en fait simplement un échangeur de chaleur entre les deux fluides. Typiquement, plus de 80 % de l’énergie évacuée par la purge de surface peut ainsi être récupérée. Des économies d’énergie typiques de l’ordre de 3 à 5 % de la consommation de combustible peuvent ainsi être réalisées. Les économies dépendent fortement du taux de purge requis à l’installation.

– Optimisation de l’efficacité de combustion

Une des composantes majeures de l’efficacité de toute chaudière est évidemment son brûleur. Le brûleur a pour tâche de faire un mélange adéquat entre le combustible et le comburant (l’air) avant de l’introduire dans la chambre de combustion.

Dans un monde idéal, le brûleur admettrait exactement la bonne quantité d’air pour brûler le combustible. C’est à ce point que l’efficacité de combustion serait optimale. En réalité, pour des raisons de sécurité, il est toujours requis d’avoir un excès d’air de combustion. En effet, un manque d’air de combustion causerait une combustion incomplète du combustible, une production de monoxyde de carbone en plus de dangers d’explosion.

À l’inverse, plus l’excès d’air de combustion est important, moins la chaudière est efficace énergétiquement. Une mesure possible est donc d’ajuster au mieux possible l’excès d’air pour que l’opération de la chaudière soit sécuritaire et efficace. Gaz Métro publiait en 2005 un article très exhaustif sur les façons de faire pour mieux contrôler l’air de combustion. Le lecteur intéressé devrait se référer à cet article.

Selon une foule de facteurs, l’efficacité de combustion peut être améliorée de 2 à 8 % par un meilleur contrôle du mélange « combustible et comburant ».

– Préchauffage de l’air de combustion

L’efficacité d’une chaudière dépend de plusieurs paramètres, dont la température de l’air de combustion qui entre au brûleur, entre autres. Pour des chaufferies de bâtiments, il est assez rare que des mesures soient effectuées sur cet élément, mais théoriquement, pour chaque gain de température de 20^oC sur la température d’entrée de l’air à la chaudière représente un gain d’efficacité de l’ordre de 1 %.  Dans le domaine industriel, il est plus courant de retrouver cette mesure puisque les températures requises pour le procédé sont parfois extrêmement chaudes, ce qui implique un potentiel élevé pour la mesure.

Une mesure potentielle est le préchauffage de l’air neuf par la chaleur des gaz de combustion. Certaines chaufferies font passer l’amenée d’air de façon concentrique à la cheminée pour récupérer en partie cette chaleur perdue.