Le chauffage nécessite une grande consommation d’énergie fossile dans les climat froids. A titre d’exemple, en Hollande, le chauffage représente entre 20 et 25% de la consommation totale d’énergie primaire, malgré des hivers relativement doux. Le chauffage utilise ainsi autant de combustible que le transport 1. Pour la plupart des professionnels du secteur, la solution à cette forte dépense énergétique des systèmes de chauffage réside dans l’amélioration de l’isolation thermique.
Une maison bien isolée peut en effet faire baisser la dépense énergétique de façon spectaculaire, jusqu’à parfois supprimer le besoin d’installer un système de chauffage: la chaleur produite par les occupants, par les appareils domestiques et par le soleil suffit alors à assurer le confort thermique. L’orientation des bâtiments (ou de toute une ville) par rapport au soleil est un second facteur d’importance qui peut rendre inutile le chauffage. Pour les bâtiments neufs, l’architecture et l’orientation sont plus importants pour l’efficacité énergétique que le choix d’un système de chauffage, dans le cas où il faudrait en choisir un.
Par contre, lorsque nous nous tournons vers les bâtiments existants, les choses sont plus complexes. Il y a plusieurs stratégies d’isolation du bâti ancien, mais leur efficacité sur la consommation d’énergie est souvent limitée par rapport à ce que l’on atteint pour un bâtiment neuf. En plus de cela, l’isolation du bâti ancien peut être onéreux et certaines méthodes “prêtes à poser” peuvent induire des problèmes, tels que des fissurations, des sensibilités au gel, des moisissures et de l’humidité 1. Et bien entendu, ré-orienter vers le soleil un bâtiment existant n’est pas une mince affaire.
En se reposant seulement sur l’isolation, l’énergie solaire et l’architecture bioclimatique, il nous faudra beaucoup trop de temps pour solutionner la problématique de la consommation énergétique des bâtiments. En se basant sur le nombre de constructions neuves chaque année en Hollande, il faudrait attendre 88 ans avant que le secteur du bâtiment hollandais n’atteigne totalement les normes d’isolation actuelles 1. Et cette constatation ne prend pas en compte l’énergie requise pour démolir le vieux bâti et reconstruire le neuf 2. Si nous désirons sérieusement réduire notre dépendance aux combustibles fossiles, nous aurons donc aussi besoin de trouver des solutions à court terme qui permettent de baisser sensiblement la consommation d’énergie dans les bâtiments existants.
Le chauffage localisé comme alternative à l’isolation
Une des solutions exposée dans d’autres articles est l’habillement. Isoler le corps est plus efficace qu’isoler un bâtiment, et les sous-vêtements thermiques sont particulièrement performants. Nous discuterons ici d’une autre solution, qui peut être appliquée seule ou en combinaison avec l’amélioration des vêtements: le chauffage localisé.
A la différence du chauffage de l’air, qui distribue la chaleur dans l’espace, les systèmes de chauffage par radiation et par conduction agissent plus localement; ils peuvent apporter du confort aux personnes sans avoir à réchauffer intégralement le lieu. Les chauffages radiatifs transfèrent l’énergie via les ondes électromagnétiques (similaires à celles transportant l’énergie du soleil), qui se convertissent en chaleur lorsqu’elle sont absorbées par la peau. Les chauffages par conduction réchauffent le corps par contact physique direct.
Photographie infrarouge montrant les pertes thermiques d’un bâtiment. Source. Les chauffages localisés peuvent améliorer le confort et la consommation d’énergie de tous les types de bâtiments, mais ils sont cependant plus avantageux dans les vieilles bâtisses non isolées. Ce constat s’explique par le fait qu’ils permettent d’atteindre le confort à une température d’air plus basse, diminuant ainsi les pertes thermiques du bâti et palliant le manque d’isolation thermique.
Si nous cherchons à obtenir des économies d’énergie substantielles et rapides dans un bâtiment ancien, alors les chauffages localisés méritent notre attention.
L’isolation peut encore améliorer l’efficacité énergétique et le confort dans les bâtiments équipés de chauffages radiatifs ou conductifs, ce n’est donc pas une solution incompatible avec l’isolation. Mais si nous cherchons à obtenir des économies d’énergie substantielles et rapides dans le parc de bâtiments peu isolés, alors les chauffages localisés méritent notre attention. Si l’on remplace un chauffage de l’air par un système par radiation et conduction, ou bien si l’on combine les deux solutions dans une installation hybride, alors on peut obtenir des économies d’énergies au moins aussi importantes que par la seule isolation du bâti existant.
Les systèmes hybrides: le meilleur des deux mondes?
Dans un rapport pour le magazine Historic Scotland intitulé “Keeping Warm in a Cooler House”, le chercheur Michael Humphreys argumente pour un retour aux anciennes façons de se chauffer, en combinaison avec les appareils de chauffage modernes, en particulier dans les bâtiments patrimoniaux de l’écosse (de l’ordre de 20% du parc immobilier). Humphreys considère que cette approche devrait être préférée plus souvent, au détriment de l’isolation thermique, qui est plus onéreuse et qui dénature le style du bâtiment 3.
Il propose une installation hybride dans laquelle un système de chauffage de l’air assure une “température de fond” de 16°C, soit une température suffisamment haute pour un comportement actif. Pour les activités sédentaires comme la lecture, l’étude ou la télévision, des systèmes de chauffage localisés fournirait des microclimats thermiques de 21–23ºC grâce à des sources radiatives.
Un système hybride a des performances intéressantes. Étant donné que le chauffage de l’air est passablement inefficace (l’intégralité du volume d’air doit être chauffé), d’importantes économies peuvent être obtenues simplement en baissant le thermostat de quelques degrés. Dans le même temps, la température de fond assurée par le système de chauffage de l’air améliore le confort thermique en réduisant les écarts de température entre les points chauds localisés et le reste de la pièce (asymétrie de température radiative).
L’isolation locale, concrétisée par des chaises-hottes et des écrans pliants, peut protéger plus encore le corps des zones froides de la pièce, améliorant ainsi le confort dans les bâtiments non isolé. Pour conclure, dans un système hybride, les chauffages localisés ne doivent pas être dimensionnés pour les froids extrêmes, et le système de chauffage de l’air peut être d’une puissance inférieure 3.
Les économies d’énergie
Pour chaque degré en moins sur le thermostat, on économise entre 7 et 10% d’énergie pour le chauffage 4. Si on baisse la température de nos pièces de 21 à 16°C, on peut prétendre à une économie de 35 à 50%. Les sources de chaleur qui produisent des microclimats plus chauds induisent une consommation supplémentaire qui bien sûr doit être prise en compte.
D’après Humphreys, le chauffage localisé peut induire une économie d’énergie entre 30 et 40% par rapport à un chauffage d’air classique, et ceci en prenant en considération l’énergie (primaire) requise pour le fonctionnement des sources de chaleur locales. Dans un bâtiment ancien, non isolé et situé en écosse, il a calculé qu’une source rayonnante de chaleur positionnée verticalement nécessitait environ 425 watts par personne pour obtenir le microclimat idéal avec une température de fond de 16°C 3.
En utilisant de l’isolation locale (comme une chaise-hotte ancienne), on peut même baisser cette puissance à 340 watts par personne, ce qui peut être obtenu grâce à un panneau infrarouge de seulement 60x60cm. Dans ses expériences, Humphreys utilisait des anciens chauffages radiant des années 1970, ce qui implique que les résultats obtenus sont probablement sous-estimés 3.
Le chauffage localisé peut induire une économie d’énergie entre 30 et 40% par rapport à un chauffage d’air classique, et ceci en prenant en considération l’énergie (primaire) requise pour le fonctionnement des sources de chaleur locales
Un chauffage par conduction peut s’avérer encore plus performant. Selon une étude récente, une chaise de bureau chauffante peut satisfaire thermiquement 92% des sujets (avec des habits dont l’isolation est mesurée à 0.8 clo) à une température opérative de 18°C, sachant que 74% des sujets se sentent toujours parfaitement confortables si l’on baisse la température à 16°C. La chaise en question ne consomme que 16 watts (soit 30–40 watts d’énergie primaire si l’électricité est produite à partir de combustibles fossiles), ce qui démontre l’efficacité du transfert de chaleur par conduction 5. Les chiffres fournis par Humphreys sont cohérents avec les recherches concernant le confort d’été dans les bureaux, qui montrent que les ventilateurs et autres appareils individuels de rafraîchissement sont préférés à la climatisation, alors qu’ils sont plus économes en énergie.
Peu de personnes, beaucoup d’espace
Alors que les chauffages localisés sont potentiellement intéressant du point de vue des économies d’énergie, leur impact positif n’est pas toujours garanti. Il existe des situations pour lesquelles le chauffage localisé sera plus gourmand en énergie que le chauffage de l’air. Ainsi l’ampleur des économies dépend de plusieurs facteurs: le volume intérieur du bâtiment, le nombre d’occupants, la fréquence d’utilisation des espaces, le niveau d’isolation du bâti, les besoins en ventilation, le rendement du chauffage localisé et le rendement du chauffage de l’air. Les paramètres les plus importants sont le volume intérieur et le nombre d’occupants. Il est évident que plus l’espace est grand pour un nombre réduit d’occupants, et plus le chauffage localisé est intéressant par rapport au chauffage de l’air. Le chauffage localisé est aussi extrêmement profitable dans les lieux où les plafonds sont plus haut. L’air chaud monte, et donc l’efficacité énergétique du chauffage de l’air s’effondre dans les espaces de grande hauteur sous plafond. Ce n’est pas un hasard si les églises dans les pays du nord sont chauffées par des poêles de masse géants depuis des siècles.
Un autre paramètre d’importance est le type de chauffage localisé. Le chauffage radiatif n’est pas lié à une seule source d’énergie. Par exemple, l’eau chaude d’un panneaux basse température peut provenir d’un capteur solaire, d’une chaudière électrique, d’une pompe à chaleur ou d’un poêle bouilleur. Bien entendu, le choix de l’énergie primaire impacte l’efficacité énergétique du système de chauffage. L’utilisation de l’électricité peut en particulier faire lever les yeux au ciel, car le chauffage électrique n’est pas du tout considéré comme respectueux de l’environnement: faire de la chaleur avec des combustibles fossiles pour la convertir en électricité, pour la reconvertir ensuite en chaleur, tout cela génère des pertes de conversion importantes, alors qu’on peut les éviter en utilisant ce combustible directement pour chauffer le lieu.
Et pourtant les choses ne sont pas aussi simples. Les panneaux infrarouges électriques permettent des économies d’énergie même dans le cas où cette dernière est générée à partir de combustibles fossiles, parce-qu’ils sont capables de chauffer rapidement une zone localisée. Puisqu’il faut moins de cinq minutes pour qu’un panneau infrarouge électrique atteigne sa puissance maximale, il peut être utilisé seulement au moment et à l’endroit où il est utile. Les chauffages de l’air, les poêles de masse ou les surfaces radiantes intégrées au bâti ont besoin d’un temps considérable pour amener un espace à une température confortable, et ils doivent donc fonctionner toute la journée (ou être sur-dimensionnés) pour apporter le confort au moment désiré.
La quantité d’énergie économisée dépend entre autres du volume intérieur, du nombre d’occupant et du taux de présence dans le lieu
Est-ce que les avantages des panneaux infrarouges électriques surpassent les inconvénients? La réponse dépend principalement de la fréquence d’utilisation des lieux. Leur avantage du point de vue énergétique est plus important dans les lieux peu utilisés. Beaucoup d’endroits sont occupés de façon intermittente, et c’est dans ces espaces que les bénéfices de chauffages radiatifs électriques sont les plus nets. A l’inverse, si ces radiateurs sont utilisés durant toute la journée, leur rapidité de chauffe ne leur donne aucun avantage et ils peuvent finalement avoir une consommation énergétique supérieure à celle d’un chauffage classique de l’air 6.
Ouvrir les fenêtres
Le chauffage localisé peut générer un intérieur plus sain que le chauffage de l’air. La pollution de l’air intérieur est un problème croissant pour deux raisons. D’abord les gens passent de plus en plus de temps entre quatre murs: jusqu’à 90% du temps dans les pays occidentaux. Ensuite les matériaux de construction et les appareils ménagers sont de plus en plus pollués. Des produits chimiques dangereux peuvent être émis par les matériaux, les meubles, les produits d’entretien, et dans le même temps une pollution supplémentaire est générée par les activités humaines (principalement la cuisine et le tabagisme). Et c’est sans compter l’entrée des polluants de l’extérieur vers l’intérieur de la maison 7.
Le chauffage localisé est préférable au chauffage de l’air dans le cas d’une ventilation naturelle. Quand on chauffe un espace avec l’air, le fluide qui stocke les calories est le même que celui qui assure la ventilation. Les moyens mis en œuvre pour améliorer l’efficacité énergétique et le confort du système de chauffage de l’air, tels que l’étanchéité à l’air du bâti, ont un effet négatif sur la qualité de l’air intérieur, alors que les méthodes permettant d’assainir l’air, comme l’ouverture des fenêtres, sont délétères pour l’efficacité du système de chauffage.
Dans le cas d’un chauffage localisé, l’air n’est pas le fluide du stockage de la chaleur. Celle-ci est transférée directement aux personnes. Chaque source de chaleur radiative ou conductive chauffe néanmoins l’air, et le fait d’ouvrir une fenêtre pour amener de l’air frais représentera toujours une dépense énergétique. Mais pourtant, étant donné que ces sources fournissent un confort thermique à une température moindre, la dépense énergétique liée à ce renouvellement d’air sera plus modérée. Cela peut être une alternative à un système de ventilation mécanique complexe et onéreux, qui ne fonctionne bien que s’il est mis en place, utilisé et entretenu correctement, et qui peut parfois dégrader la qualité de l’air si ce n’est pas le cas.
Le chauffage localisé réduit également la circulation continue de l’air qui est typique dans un chauffage classique: l’air chaud monte, se refroidit et redescend, il se réchauffe à nouveau et remonte, et ainsi de suite. Ces turbulences emmènent avec elles des poussières qui peuvent aggraver les allergies ou les affections des bronches. Avec une température d’ambiance réduite, cet effet est aussi amoindri. Un air intérieur plus frais peut aussi diminuer la population d’acariens 37.
Améliorer le confort thermique
L’inconvénient évident du chauffage localisé est que l’on est contraint de se placer dans une certaine zone quand on recherche le confort. Le grand avantage du chauffage de l’air (au prix d’une très forte consommation d’énergie) est que la chaleur est distribuée uniformément dans l’espace, a minima dans un plan horizontal, et le confort thermique n’est pas dépendant de votre localisation. Cependant, le fait que le chauffage localisé vous astreigne à un certaine place dans le lieu n’est pas si problématique qu’on pourrait le croire, et cela apporte en réalité un bénéfice important et inattendu: un confort accru, en tout cas dans les lieux partagés. La température de confort prescrite dans les standards de confort internationaux (23.3°C avec des vêtements dont l’isolation est de 1 clo) est en réalité destinée aux personnes au repos (niveau d’activité de 1 “met”, qui corespond à “assis”, “calme”). En utilisant le CBE Thermal Comfort Tool, on voit qu’un accroissement de l’activité peut avoir un effet important sur le confort. Si le métabolisme augmente de 1 à 2.2 met (“assis, grands mouvements des membres”) ou à 2.7 met (“faire le ménage”), la température de confort idéale descend respectivement à 13°C et 9°C. Même pour un accroissement léger de 1 à 1.1 met (“taper sur le clavier”), la température de confort descend déjà à 22.4°C.
Les gens sont différents, ils portent des habits différents et font des activités variées, alors que le chauffage de l’air crée un environnement thermique qui est le même pour tous
Dans un endroit où l’air est chauffé uniformément à 23.3°C, la personne assise sur le canapé et regardant la télévision peut considérer l’ambiance confortable, alors que celle qui tape sur son ordinateur peut avoir un peu chaud et celle qui fait le ménage est probablement en train de transpirer. Dans un espace chauffé par des sources de chaleur radiatives et conductives, chacun peut trouver une place qui correspond le mieux à son besoin. Bien que ceci ne change rien au fait que l’on soit limité à une certaine zone confortable lorsqu’on est inactif ou en activité légère, cette absence de mobilité sur une longue période est tout aussi courante dans une pièce dont l’air est chauffé uniformément: sur le canapé, au bureau, sur la table de la cuisine… Et il y a beaucoup d’endroits de la pièce dans lesquels nous ne sommes jamais stationnaires, et donc dans lesquels il est inutile de chauffer à la même température.
Les personnes ne sont pas seulement différentes dans leur activité, mais aussi dans leur habillement et leur personnalité. Pour des activités similaires et avec les mêmes habits, la différence de température neutre (ni chaude ni froide) entre deux individus peut aller jusqu’à 5°C 89. Dans un espace chauffé via l’air, ces personnes sont condamnées à un climat identique pour tous, un compromis. Ce problème est identifié dans les normes internationale de confort, qui établissent que même pour une température “parfaite”, on a au maximum 80% des utilisateurs satisfaits. En d’autres termes, en utilisant un chauffage moderne, une personne sur cinq aura trop chaud ou trop froid dans le meilleur des cas 3.
Dans un lieu chauffé par des sources de chaleur locales, les occupants plus actifs ou mieux habillés peuvent se placer dans une zone plus fraîche, alors que ceux au repos, moins habillés ou plus sensibles au froid choisirons un micro-climat plus chaud. 100% des occupants pourrait trouver un environnement idéal. La régulation personnelle de l’environnement thermique peut être alors organisée de deux façons: chacun règle son confort individuel au moyen d’une source rayonnante ou conductive personnelle, ou bien chacun “migre” à travers la pièce chauffée par une source de chaleur centrale et rayonnante. Les deux méthodes peuvent aussi être combinées, comme on le faisait dans les temps anciens.
Études du confort dans les bâtiments de bureau
La performance d’un système de chauffage localisé radiatif et conductif, en combinaison avec une température de fond basse assurée par un chauffage de l’air, a été étudiée très souvent dans le cadre des environnements de bureau. La plupart de ces études ont conclu que des sources de chauffage personnelles peuvent engendrer des économies d’énergie, tout en améliorant le confort thermique des occupants et la performance globale au travail 910. Dans les bureaux, une foule de personnes partagent le même espace sur une longue durée, avec en général peu d’emprise sur leur environnement thermique. Une étude a montré qu’environ un employé sur deux est mécontent de l’ambiance thermique de son bureau (sur l’année complète) 11.
Dans les bureaux, les chauffages personnels peuvent diminuer la consommation énergétique et dans le même temps améliorer le confort et les performances au travail.
En fournissant des sources de chaleur personnelles à chaque employé, chacun peut choisir son ambiance thermique préférée. Les systèmes étudiés habituellement sont des panneaux rayonnants électriques ou à eau chaude, qui peuvent être accrochés aux murs ou dans les “cubes” des open-spaces, pendus au plafond, ou fixés sur la surface du bureau.
Ces systèmes peuvent être combinés avec des éléments de chauffage par conduction intégrés au mobilier. Les appareils qui réchauffent les mains et les pieds sont souvent ceux qui fonctionnent le mieux, car il s’agit des parties du corps les plus sensibles au froid. Étant donné que les chauffages personnels peuvent fournir de la chaleur très rapidement, ils peuvent s’arrêter automatiquement lorsque le travailleur quitte son bureau, n’utilisant ainsi l’énergie que lorsqu’elle est nécessaire.
Bien entendu, pour être avantageuse, la consommation d’énergie de ces sources de chaleur personnelles doit être inférieure à l’énergie économisée par la réduction de quelques degré sur le thermostat général. Dans le cas contraire, le confort thermique sera meilleur mais les économies d’énergie ne se concrétiseront pas. Ceci peut arriver si le chauffage de l’air a une puissance trop faible (dans ce cas on s’attend à une surconsommation), mais il est également possible que les personnes commencent à s’habiller plus légèrement à cause de ces sources de chaleur personnelles, ce qui peut conduire à une plus forte consommation énergétique.
Confort thermique adaptatif
Restaurer l’ancien concept de “chauffer les personnes, et non les lieux” nécessite une nouvelle définition du confort thermique. Malgré tous ses avantages, l’utilisation de chauffages localisés ne satisfait pas les normes internationales de confort, parce que la température moyenne dans les pièces n’atteindra pas la valeur minimum recommandée. Comme discuté dans un article précédent, il en est de même pour la climatisation: un endroit rafraîchi par des appareils locaux (comme des ventilateurs) ont une température d’air supérieure aux seuil maximaux pour le confort d’été.
Les normes modernes sur le confort ne reconnaissent pas la liberté de se déplacer dans un espace à la recherche du confort thermique, bien que cela puisse avoir un grand intérêt non seulement pour la consommation énergétique mais aussi pour le maintien de ce même confort thermique, écrit Humphreys et deux de ses collègues dans “Adaptive Thermal Comfort: Principles and Practice” 4. Nous avons été conditionnés par l’idée que le confort implique une température stable dans tout l’espace, mais ceci est une caractéristique intrinsèque des appareils modernes de chauffage ou de climatisation de l’air, et non pas une condition pour ressentir le confort.
La température stable est une caractéristique intrinsèque des appareils modernes de chauffage ou de climatisation de l’air, et non pas une condition pour ressentir le confort.
En réalité, nous nous adaptons constamment à notre environnement thermique, non seulement en nous déplaçant entre plusieurs zones climatiques, mais aussi en changeant nos vêtements ou notre activité, en ouvrant ou en fermant les fenêtres, en consommant des boissons chaudes ou froides, en changeant de position, etc. Les recherches de terrain ont démontré que les personnes peuvent être dans une situation confortable dans une gamme de température bien plus large que celle prescrite par les normes si elles ont la liberté de réagir face aux changement d’ambiance. Ce modèle de “confort thermique adaptatif”, qui repose lourdement sur des sources localisées de chauffage et de climatisation, est en marge des normes établies de confort, qui sont basées sur des recherches en chambres climatiques 4.
Le chambres climatiques sont des laboratoires spéciaux dans lesquels la température, l’hygrométrie et la vitesse de l’air sont contrôlés précisément, alors que le confort thermique du sujet y est mesuré. Tous les sujets doivent faire la même action, être habillée avec les mêmes vêtements, et s’asseoir à la même place. Ils ne peuvent pas changer de vêtement ou d’activité, ou se rapprocher d’une source de chaleur ou de froid, alors que ces actions pourraient avoir de grandes conséquences sur leur confort thermique. Les normes de confort (qui sont les méthodes appliquées par la plupart des architectes et des ingénieurs) nous traitent comme si nous étions des êtres passifs dans des chambres climatiques. Et nous en sommes arrivés à croire que nous étions vraiment ces êtres là.