Système de chauffage pour un immeuble

Comprendre la Sélection d'un Système de Chauffage pour un Immeuble

Le choix d'un système de chauffage pour un immeuble collectif est une décision stratégique qui impacte durablement le confort des occupants, les charges d'exploitation et l'empreinte environnementale du bâtiment. Cette sélection doit s'appuyer sur une analyse rigoureuse des besoins thermiques de l'immeuble, qui correspondent à la quantité de chaleur à fournir pour compenser les déperditions en période hivernale et maintenir une température de confort. Au-delà de la simple puissance requise, il faut considérer l'efficacité énergétique des différentes technologies de chauffage (chaudières, pompes à chaleur, etc.), les sources d'énergie disponibles (gaz, électricité, biomasse, solaire thermique), leurs coûts actuels et futurs, ainsi que leurs impacts environnementaux (émissions de gaz à effet de serre). Les coûts d'investissement initiaux, les frais de maintenance prévisionnels et les contraintes d'installation (espace, raccordements) sont également des critères déterminants. Enfin, les réglementations thermiques et environnementales en vigueur orientent fortement les choix vers des solutions plus performantes et moins émissives.

Données de l'étude

On étudie un petit immeuble résidentiel de 15 appartements. Les besoins thermiques ont été préalablement calculés.

Besoins énergétiques annuels utiles de l'immeuble :

Besoins de chauffage (\(B_{\text{ch,total}}\)) : \(120 \,000 \, \text{kWh/an}\)
Besoins d'Eau Chaude Sanitaire (ECS) (\(B_{\text{ECS,total}}\)) : \(45 \,000 \, \text{kWh/an}\)

Options de systèmes envisagées :

Option A : Chaudière collective au gaz naturel à condensation + Préparation ECS par la chaudière
- Rendement saisonnier de la chaudière pour le chauffage (\(\eta_{\text{ch,gaz}}\)) : \(0.95\)
- Rendement de la production d'ECS par la chaudière (\(\eta_{\text{ECS,gaz}}\)) (incluant stockage et distribution) : \(0.85\)
Option B : Pompe à Chaleur (PAC) air/eau collective pour le chauffage + Chauffe-eaux thermodynamiques individuels (CET) pour l'ECS dans chaque appartement
- Coefficient de Performance Saisonnier (SCOP) de la PAC pour le chauffage (\(\text{SCOP}_{\text{PAC,ch}}\)) : \(3.2\)
- COP annuel moyen des CET pour l'ECS (\(\text{COP}_{\text{CET,ECS}}\)) : \(2.7\)

Facteurs de conversion en énergie primaire (EP) et facteurs d'émission de GES :

Gaz naturel : \(f_{\text{EP,gaz}} = 1.1\), \(f_{\text{GES,gaz}} = 0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}_{\text{PCI}}\)
Électricité : \(f_{\text{EP,elec}} = 2.3\), \(f_{\text{GES,elec}} = 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh}_{\text{ef}}\)

Schéma : Comparaison de Systèmes de Chauffage pour Immeuble

Illustration des deux options de systèmes de chauffage et ECS pour l'immeuble.

Questions à traiter

Pour l'Option A (Chaudière gaz) :
1. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour le chauffage (\(C_{\text{ch,A,ef}}\)).
2. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour l'ECS (\(C_{\text{ECS,A,ef}}\)).
3. Calculer la consommation annuelle totale d'énergie primaire (\(C_{\text{total,A,ep}}\)).
4. Calculer les émissions annuelles totales de GES (\(\text{GES}_{\text{A}}\)).
Pour l'Option B (PAC + CET) :
1. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour le chauffage (\(C_{\text{ch,B,ef}}\)).
2. Calculer la consommation annuelle d'énergie finale pour l'ECS (\(C_{\text{ECS,B,ef}}\)).
3. Calculer la consommation annuelle totale d'énergie primaire (\(C_{\text{total,B,ep}}\)).
4. Calculer les émissions annuelles totales de GES (\(\text{GES}_{\text{B}}\)).
Comparer les deux options en termes de consommation d'énergie primaire et d'émissions de GES. Quelle option semble la plus performante sur ces critères ?

Correction : Système de Chauffage pour un Immeuble

Question 1 : Option A (Chaudière gaz)

a. Consommation énergie finale chauffage (\(C_{\text{ch,A,ef}}\))

Principe : La consommation d'énergie finale pour le chauffage est l'énergie que la chaudière doit effectivement consommer (ici, du gaz naturel) pour couvrir les besoins utiles de chauffage de l'immeuble. Elle est supérieure aux besoins utiles car aucun système n'est parfait ; une partie de l'énergie du combustible est perdue (par les fumées, les parois de la chaudière, etc.). Le rendement saisonnier (\(\eta_{\text{ch,gaz}}\)) exprime cette efficacité : il indique la proportion de l'énergie du combustible qui est effectivement transformée en chaleur utile pour le chauffage sur l'ensemble d'une saison. Pour trouver la consommation finale, on divise donc les besoins utiles par ce rendement.

C_{\text{ch,A,ef}} = \frac{B_{\text{ch,total}}}{\eta_{\text{ch,gaz}}} = \frac{120000 \, \text{kWh/an}}{0.95} \approx 126315.79 \, \text{kWh/an}

b. Consommation énergie finale ECS (\(C_{\text{ECS,A,ef}}\))

Principe : De même que pour le chauffage, la production d'Eau Chaude Sanitaire (ECS) par la chaudière n'est pas efficace à 100%. Le rendement de production d'ECS (\(\eta_{\text{ECS,gaz}}\)) tient compte des pertes lors du chauffage de l'eau mais aussi des pertes liées au stockage de cette eau chaude (si ballon) et à sa distribution dans le réseau de l'immeuble. La consommation d'énergie finale pour l'ECS est donc les besoins utiles d'ECS divisés par ce rendement global.

C_{\text{ECS,A,ef}} = \frac{B_{\text{ECS,total}}}{\eta_{\text{ECS,gaz}}} = \frac{45000 \, \text{kWh/an}}{0.85} \approx 52941.18 \, \text{kWh/an}

c. Consommation totale énergie primaire (\(C_{\text{total,A,ep}}\))

Principe : L'énergie primaire est l'énergie brute extraite de la nature (gaz dans le gisement, uranium, etc.) avant toute transformation ou transport. Pour acheminer et rendre utilisable une énergie finale (celle que l'on paye), une quantité plus importante d'énergie primaire a été nécessaire. Le facteur de conversion en énergie primaire (\(f_{\text{EP}}\)) permet de passer de l'énergie finale à l'énergie primaire. Pour le gaz naturel, ce facteur est de 1.1, signifiant qu'il faut 1.1 kWh d'énergie primaire pour fournir 1 kWh de gaz final à la chaudière. On calcule d'abord la consommation totale d'énergie finale (somme du chauffage et de l'ECS) puis on applique le facteur de conversion.

\begin{aligned} C_{\text{total,A,ef}} &= C_{\text{ch,A,ef}} + C_{\text{ECS,A,ef}} \\ &\approx 126315.79 \, \text{kWh/an} + 52941.18 \, \text{kWh/an} \approx 179256.97 \, \text{kWh/an} \\ C_{\text{total,A,ep}} &= C_{\text{total,A,ef}} \times f_{\text{EP,gaz}} \\ &\approx 179256.97 \, \text{kWh/an} \times 1.1 \approx 197182.67 \, \text{kWh EP/an} \end{aligned}

d. Émissions GES (\(\text{GES}_{\text{A}}\))

Principe : La combustion du gaz naturel pour le chauffage et l'ECS libère des gaz à effet de serre (principalement du CO2). Le facteur d'émission (\(f_{\text{GES,gaz}}\)) quantifie la masse de CO2 équivalent émise par kilowattheure d'énergie finale de gaz consommée. Pour obtenir les émissions totales de l'Option A, on multiplie la consommation totale d'énergie finale de gaz par ce facteur.

\begin{aligned} \text{GES}_{\text{A}} &= C_{\text{total,A,ef}} \times f_{\text{GES,gaz}} \\ &\approx 179256.97 \, \text{kWh/an} \times 0.205 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &\approx 36747.68 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned}

Résultat Option A :

\(C_{\text{ch,A,ef}} \approx 126316 \, \text{kWh/an}\)
\(C_{\text{ECS,A,ef}} \approx 52941 \, \text{kWh/an}\)
\(C_{\text{total,A,ep}} \approx 197183 \, \text{kWh EP/an}\)
\(\text{GES}_{\text{A}} \approx 36748 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\)

Quiz Intermédiaire 1 : Si le rendement de la chaudière pour l'ECS était de 0.90 au lieu de 0.85, la consommation d'énergie finale pour l'ECS serait :

Plus faible.
Plus élevée.
Inchangée.
Nulle.

Question 2 : Option B (PAC + CET)

a. Consommation énergie finale chauffage (\(C_{\text{ch,B,ef}}\))

Principe : Une Pompe à Chaleur (PAC) utilise de l'électricité pour extraire de la chaleur d'une source froide (ici, l'air extérieur) et la transférer à une source chaude (le circuit de chauffage). Son efficacité est mesurée par le SCOP (Coefficient de Performance Saisonnier), qui indique combien de kWh de chaleur utile sont produits pour chaque kWh d'électricité consommé, en moyenne sur la saison de chauffe. La consommation d'énergie finale (électricité) est donc les besoins utiles divisés par le SCOP.

C_{\text{ch,B,ef}} = \frac{B_{\text{ch,total}}}{\text{SCOP}_{\text{PAC,ch}}} = \frac{120000 \, \text{kWh/an}}{3.2} = 37500 \, \text{kWh/an}

b. Consommation énergie finale ECS (\(C_{\text{ECS,B,ef}}\))

Principe : Les Chauffe-Eaux Thermodynamiques (CET) fonctionnent sur le même principe que les PAC, mais sont dédiés à la production d'eau chaude sanitaire. Leur efficacité est mesurée par un COP (Coefficient de Performance) annuel. La consommation d'énergie finale (électricité) est les besoins utiles d'ECS divisés par ce COP.

C_{\text{ECS,B,ef}} = \frac{B_{\text{ECS,total}}}{\text{COP}_{\text{CET,ECS}}} = \frac{45000 \, \text{kWh/an}}{2.7} \approx 16666.67 \, \text{kWh/an}

c. Consommation totale énergie primaire (\(C_{\text{total,B,ep}}\))

Principe : Dans cette option, toute l'énergie finale consommée est de l'électricité. Le facteur de conversion en énergie primaire pour l'électricité (\(f_{\text{EP,elec}}\)) est de 2.3 en France, reflétant les pertes de production (rendement des centrales) et de transport sur le réseau électrique. On somme les consommations finales d'électricité pour le chauffage et l'ECS, puis on applique ce facteur.

\begin{aligned} C_{\text{total,B,ef}} &= C_{\text{ch,B,ef}} + C_{\text{ECS,B,ef}} \\ &\approx 37500 \, \text{kWh/an} + 16666.67 \, \text{kWh/an} \approx 54166.67 \, \text{kWh/an} \\ C_{\text{total,B,ep}} &= C_{\text{total,B,ef}} \times f_{\text{EP,elec}} \\ &\approx 54166.67 \, \text{kWh/an} \times 2.3 \approx 124583.34 \, \text{kWh EP/an} \end{aligned}

d. Émissions GES (\(\text{GES}_{\text{B}}\))

Principe : Les émissions de gaz à effet de serre de l'Option B sont liées à la production de l'électricité consommée. Le facteur d'émission (\(f_{\text{GES,elec}}\)) pour l'électricité dépend du mix énergétique du pays (part des énergies renouvelables, nucléaire, fossiles). En France, ce facteur est relativement bas grâce à la part importante du nucléaire et des renouvelables. On multiplie la consommation totale d'énergie finale électrique par ce facteur.

\begin{aligned} \text{GES}_{\text{B}} &= C_{\text{total,B,ef}} \times f_{\text{GES,elec}} \\ &\approx 54166.67 \, \text{kWh/an} \times 0.079 \, \text{kgCO}_2\text{eq/kWh} \\ &\approx 4279.17 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an} \end{aligned}

Résultat Option B :

\(C_{\text{ch,B,ef}} = 37500 \, \text{kWh/an}\)
\(C_{\text{ECS,B,ef}} \approx 16667 \, \text{kWh/an}\)
\(C_{\text{total,B,ep}} \approx 124583 \, \text{kWh EP/an}\)
\(\text{GES}_{\text{B}} \approx 4279 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\)

Quiz Intermédiaire 2 : Un SCOP de 3.2 pour une PAC signifie que :

Pour 1 kWh de chaleur fournie, elle consomme 3.2 kWh d'électricité.
Elle est 3.2 fois moins efficace qu'un radiateur électrique.
Son rendement est de 32%.
En moyenne sur la saison, pour 1 kWh d'électricité consommée, elle fournit 3.2 kWh de chaleur.

Question 3 : Comparaison des Deux Options

Principe :

La comparaison des deux options se fait sur la base de critères clés de performance environnementale et énergétique. L'énergie primaire permet de comparer des systèmes utilisant des énergies finales différentes en ramenant leur consommation à l'énergie brute initialement mobilisée. Les émissions de GES évaluent l'impact sur le changement climatique. L'option la plus performante sera celle qui minimise ces deux indicateurs pour satisfaire les mêmes besoins utiles.

Analyse Comparative :

Critère	Option A (Chaudière Gaz)	Option B (PAC + CET)
Consommation Énergie Primaire Totale	\(\approx 197183 \, \text{kWh EP/an}\)	\(\approx 124583 \, \text{kWh EP/an}\)
Émissions GES Totales	\(\approx 36748 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\)	\(\approx 4279 \, \text{kgCO}_2\text{eq/an}\)

Consommation d'énergie primaire : L'Option B (PAC + CET) est nettement plus performante, avec une consommation d'énergie primaire environ 37% plus faible que l'Option A (\(\frac{197183 - 124583}{197183} \approx 0.368\)). Cela est dû à l'efficacité élevée des pompes à chaleur (SCOP et COP supérieurs à 1, signifiant qu'elles produisent plus d'énergie thermique qu'elles ne consomment d'énergie électrique) qui compense largement le facteur de conversion en énergie primaire plus élevé de l'électricité par rapport au gaz.

Émissions de GES : L'Option B est également beaucoup plus avantageuse en termes d'émissions de GES, avec des émissions environ 8.5 fois plus faibles (\(\frac{36748}{4279} \approx 8.59\)). Cela s'explique par la combinaison de la haute efficacité des PAC/CET (qui réduit la quantité d'électricité nécessaire) et du facteur d'émission de GES relativement bas de l'électricité du mix français (fortement décarboné grâce au nucléaire et aux renouvelables) par rapport au gaz naturel, qui est une énergie fossile.

Conclusion : Sur la base de ces deux critères majeurs, l'Option B (Pompe à Chaleur air/eau collective pour le chauffage et Chauffe-eaux thermodynamiques individuels pour l'ECS) est significativement plus performante que l'Option A (Chaudière gaz). Elle permettrait des économies substantielles d'énergie primaire et une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre.

Il est important de noter que d'autres facteurs non quantifiés ici, tels que les coûts d'investissement initiaux (généralement plus élevés pour les systèmes PAC), les coûts de maintenance, la complexité de l'installation, l'espace requis, le niveau sonore des unités extérieures (pour la PAC), et la perception ou l'acceptabilité par les futurs résidents, devraient également être pris en compte dans une décision finale complète.

Résultat Question 3 : L'Option B (PAC + CET) est plus performante en termes de consommation d'énergie primaire et d'émissions de GES.

Quiz Intermédiaire 3 : Le facteur de conversion en énergie primaire pour l'électricité est plus élevé que pour le gaz naturel car :

L'électricité est toujours une énergie renouvelable.
Le gaz naturel est plus facile à transporter.
Il prend en compte les pertes lors de la production et du transport de l'électricité.
Le gaz naturel a un pouvoir calorifique supérieur.

Glossaire

Besoins Énergétiques Utiles: Quantité d'énergie thermique réellement nécessaire pour satisfaire un usage (chauffage, ECS) au point d'utilisation, avant prise en compte des pertes et rendements des systèmes.
Rendement Saisonnier (\(\eta_s\)): Rapport entre l'énergie utile fournie par un système de chauffage (ex: chaudière) et l'énergie finale consommée par ce système, moyenné sur une saison de chauffe complète. Il prend en compte les variations de charge et les pertes à l'arrêt.
COP (Coefficient de Performance): Pour une pompe à chaleur ou un système frigorifique, rapport entre l'énergie thermique utile fournie (chauffage ou froid) et l'énergie électrique consommée pour la produire. Le SCOP (Seasonal COP) est le COP moyen sur une saison de chauffe.
Énergie Finale (EF): Énergie livrée et facturée à l'utilisateur (ex: kWh de gaz au compteur, kWh d'électricité). C'est l'énergie qui traverse les limites du bâtiment.
Énergie Primaire (EP): Énergie contenue dans les ressources naturelles (pétrole brut, gaz naturel, uranium, biomasse, rayonnement solaire, etc.) avant toute transformation. La conversion de l'énergie finale en énergie primaire tient compte de toutes les pertes énergétiques survenues lors de l'extraction, la transformation, la production et le transport de l'énergie jusqu'à l'utilisateur final.
Facteur de Conversion en Énergie Primaire (\(f_{\text{EP}}\)): Coefficient sans dimension qui permet de calculer la quantité d'énergie primaire nécessaire pour fournir une unité d'énergie finale. Ce facteur varie selon la source d'énergie finale (ex: électricité, gaz, fioul, bois).
Gaz à Effet de Serre (GES): Gaz présents dans l'atmosphère qui absorbent et émettent une partie du rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre, contribuant à l'effet de serre. Les principaux GES liés aux activités humaines sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), et le protoxyde d'azote (N2O).
PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur): Quantité de chaleur libérée par la combustion complète d'une unité de combustible lorsque l'eau formée reste à l'état de vapeur. C'est la référence généralement utilisée pour facturer le gaz naturel.

Système de chauffage pour un immeuble