Pompes à chaleur et ventilation, ingénierie des systèmes et intégration à l’habitat


Une discussion sur l’architecture et l’efficacité des différents systèmes incluant une pompe à chaleur et des ventilations. Si vous vous interrogez sur l’efficacité d’un installation qui vous est proposée ou que vous n’arrivez pas à en déterminer le type d’après la documentation, posez votre question dans les commentaires.

(Cet article introduit le concept de maison à double enveloppe)

Ecrit pour Knol à partir d’août 2009

Les « frigidaires » se sont démocratisés depuis plus de cinquante ans mais les pompes à chaleur, qui sont basées sur la même technologie, commencent seulement au début du XXIème siècle à être considérées comme des moyens de chauffage « normaux ». De fait, les PAC ont longtemps été utilisées pour la climatisation « froide » seulement. Il est possible que la technologie ne permettait pas des installations réversibles (capables de transférer la chaleur dans les deux sens [1]).

Dans les pays où de nombreux climatiseurs étaient installés, on ne pouvait donc pas s’en servir comme moyen de chauffage. Aujourd’hui on assiste à une explosion des installations polyvalentes (pouvant être utilisées comme chauffage principal et climatisation) dans de nombreux pays, que ce soit dans des locaux d’usage privé ou professionnel. La raison à cela est la baisse du coût de ces appareils et leur faible coût de fonctionnement, compte tenu de leur excellent rendement énergétique.

Attention : la pompe à chaleur est souvent présentée comme étant l’ultime solution pour un chauffage écologique… Certes, c’est la meilleure utilisation possible de l’électricité « déjà produite » car pour chaque unité (kwh) que vous achetez et qui sera ultimement transformée en chaleur (comme avec un radiateur électrique), le système transfère une certaine quantité de chaleur en plus (souvent plusieurs unités, en fonction de la t° extérieure), d’où le nom de pompe à chaleur. Sur place, la pompe ne produira évidemment ni fumée, ni aucun dégagement de CO2.

Mais pour un vrai bilan énergétique et des rejets, tout dépend de l’origine de l’électricité que vous consommez (souvent impossible à retracer autrement que dans les statistiques annuelles des sociétés de production, qui peuvent donner la part issue du charbon, du fuel, du solaire, de l’éolien, du nucléaire et celle de l’hydraulique). Si l’électricité que vous consommez est majoritairement produite à partir de combustibles fossiles (charbon, fuel, gaz) il se peut que la propreté et le rendement idéal que vous observez à la maison cache en réalité un affreux gaspillage énergétique et un gros dégagement de CO2 sur les lieux de production… sans compter toute l’énergie qui est perdue par le transport.

Dans cet article, nous nous intéresserons aux installations possibles dans les maisons individuelles, en fonction de leur architecture.Les maisons individuelles des pays tempérés/tempérés froids tombent largement dans les deux types suivants :

  • Maisons en dur des pays non-anglo saxons
  • Maisons chalets des pays anglo-saxons et scandinaves

1 Maisons en dur des pays non-anglo-saxons

C’est le type de maison le plus répandu en France, comme dans tous les pays de tradition latine, probablement à cause de la colonisation romaine (tout ce que faisaient les romains était en dur, voire en très dur…). Ces maisons ont souvent une cave, ou tout au moins des fondations. Chauffer ce type de maison ayant une grande masse thermique signifie en fait chauffer l’intérieur jusqu’à ce que les murs se soient réchauffés et ensuite de conserver ce niveau de température. Selon l’ancienneté de la maison, l’isolation sera plus ou moins efficace, toutefois dans les maisons très anciennes l’épaisseur des murs peut constituer une bonne isolation/masse thermique.
L’installation d’un système de chauffage par pompe à chaleur est tout à fait possible dans ce genre de maison mais les systèmes les moins onéreux à installer, qui sont basés sur le réchauffage de l’air, auront du mal à procurer un confort réel notamment si d’importants ponts thermiques (par lesquels la chaleur fuit à l’extérieur de la baraque) se situent au niveau des sols ( les dalles en béton notamment).

2 Maisons chalets des pays anglo-saxons et scandinaves

C’est le type de maison le plus répandu dans de nombreux pays comme les États-unis, le Canada, etc. « Maisons chalets » car ces maisons, indépendamment de leur style architectural, sont principalement faites de bois. La maison, compte tenu de son poids beaucoup plus faible, n’a pas réellement de « fondations », seulement des poteaux de soutien.

La voiture de sport très basse reste intéressante pour dépasser ce genre d’individu
qui occupe toute la route ! (En réalité, cette photo est là pour montrer ce qu’est une maison chalet, essayez de faire pareil avec votre mas provençal/chaumière bretonne/etc.)

L’installation d’un système de chauffage par pompe à chaleur air/air est particulièrement aisé et adapté dans ce genre d’architecture, naturellement pourvues d’une assez bonne isolation (peu de ponts thermiques en dehors des fenêtres).Chauffer ce type de maison procède d’une philosophie différente que dans le cas précédent : on chauffe plutôt l’intérieur de la maison, pas les murs… en fait on ne chauffe même que les pièces dont on se sert à un moment donné. La maison est considérée comme un récipient contenant, quand on en a besoin, de l’air à la bonne température, pas comme un ensemble à maintenir chaud en tout temps. Si l’on s’absente pendant deux jours ou plus, on éteindra en général le chauffage (hormis le minimum pour empêcher le gel), on peut même l’arrêter pratiquement tous les soirs. La faible inertie thermique de la maison permet de réchauffer les pièces en quelques dizaines de minutes au retour des occupants ou chaque matin.

3 La pompe à chaleur

Partons d’un petit schéma :
* L'air qui sort de la source froide est en réalité froid et saturé en humidité, il ne "deviendra" sec qu'après son retour à la température ambiante.

* L’air qui sort de la source froide est en réalité froid et saturé en humidité, il ne « deviendra » sec qu’après son retour à la température ambiante.

Avec le « coming out » des pompes à chaleur, de très nombreux articles et schémas de leur fonctionnement sont disponibles sur internet. Ils ont souvent un côté pédagogique inaccoutumé et amusant, qui répond à l’interrogation apparemment générale de l’homme de la rue : « mais comment ça peut-y bien marcher ce truc là ? ».

Un exemple de ce genre d’ « explication » : « Une pompe à chaleur extrait la chaleur de son environnement et la réchauffe pour permettre son utilisation dans le système de chauffage.  » (je n’ai pas le cœur de citer son origine, trouvez la vous-même, il suffit de googler la phrase, si vous y tenez absolument…).

Même dans les sources de vulgarisation plus sérieuses, la PAC est souvent présentée comme un appareil qui, par essence, transfère de la chaleur d’un milieu froid vers un milieu chaud [2]. Bien entendu, pour le physicien, la PAC est un appareil CAPABLE de faire ça, mais en réalité la PAC peut très bien transférer de la chaleur entre deux milieux de même température et naturellement, d’un milieu chaud vers un milieu froid. Pour autant, ces schémas donnent plus de détails sur le fonctionnement interne des installations que sur leurs tenants et aboutissant en rapport avec l’habitation. Le schéma ci-dessus est conçu pour être réutilisé à l’intérieur de schémas plus vastes comprenant une habitation et éventuellement d’autres appareils.

Description du schéma :

La partie verte représente le moteur/compresseur de la pompe. C’est cette partie qui est responsable de la compression du fluide et qui consomme la plus grande partie de l’énergie du système [une petite quantité d’énergie est utilisée aussi par les « circulateurs » (ventilateurs ou pompes) au niveau des deux radiateurs (parties rouges et bleues) qui permettent d’améliorer l’échange de chaleur par brassage]. Bien que dans la grande majorité des cas, ce compresseur soit mu par un moteur électrique, rien n’empêche de le faire tourner avec n’importe quel sorte de production mécanique : éolienne, hydraulique, animale, humaine [3].

La partie rouge représente le radiateur chaud (ou source chaude), qui rejette de la chaleur avec la flèche qui symbolise la circulation associée.

La partie bleue représente le radiateur froid (ou source froide), qui absorbe la chaleur (avec sa circulation). Ce « radiateur » peut aussi être visualisé comme « rejetant du froid » (mais en réalité le froid est l’absence de chaleur, comme l’ombre est l’absence de lumière…).

Remarques :

Le but de ce schéma n’est pas de représenter la réversibilité du cycle. Dans cet article le schéma sera toujours présenté dans le même sens [hum, vers la fin de l’article je serai amené à changer le sens d’une flèche], quitte à changer les emplacements relatifs de l’intérieur et de l’extérieur de la maison ou à modifier le tracé des tuyauteries arrivantes et partantes pour illustrer les situations différentes de l’été et de l’hiver.

Les moins onéreuses et les plus répandues des PAC ont une source au moins en contact avec l’air, extérieur ou intérieur, très souvent les deux. Cet air est chargé en humidité. Son contact avec la source froide résulte donc souvent en une condensation. Cette condensation n’est pas représentée sur les schémas classiques d’où une perte d’information sur la nature complète et les possibilités du système (ces systèmes sont ainsi qualifiés de : « air/air ». Mais que fait-on de l’eau contenue dans l’air ?).

L’évacuation de cette eau, qu’elle soit condensée à l’intérieur ou à l’extérieur de la maison, se fait toujours à l’extérieur (mais ces tuyaux sont souvent « camouflés »).

1 Montage classique

Le montage classique d’un climatiseur/pompe à chaleur est celui qui était déjà observé pour les anciens appareils « à travers le mur ». C’est la configuration standard pour les « split-systems » [4]. Elle consiste à mettre chacun des deux échangeurs en contact avec un milieu différent : l’un avec le milieu extérieur, l’autre avec le milieu intérieur.

Mode climatisation

C’est le montage historique des climatiseurs.

Remarques : de la vapeur d’eau contenue dans la maison se condense sur la source froide et a besoin d’être évacuée à l’extérieur (cette eau est le plus souvent perdue alors qu’elle pourrait être récupérée pour traitement et conservée comme eau potable ou au moins d’irrigation). Notons que cette condensation pénalise le système de deux façons :

1 Une partie du transfert de chaleur sert à fournir l’énergie de changement d’état (passage de la vapeur à l’état liquide) sans abaisser la température. Toutefois on peut considérer que si la maison est suffisamment étanche, au bout d’un moment la quantité de vapeur d’eau dans la pièce finit par baisser et le système peut consacrer plus d’énergie à la production de froid, autrement dit à refroidir l’air intérieur devenu plus sec.

2 l’eau froide obtenue est immédiatement évacuée à l’extérieur ce qui représente une « perte de froid ». Il serait intéressant de récupérer (à l’aide d’un échangeur) le « froid » contenu dans cette eau. Un point positif par contre : de l’eau est soustraite à l’air intérieur de la maison qui est ainsi asséché. Un air sec est meilleur pour la santé, la conservation des objets etc.

Mode chauffage

Dans ce qu’on appelle maintenant les « pompes à chaleur » (les anciens climatiseurs ÉTAIENT déjà des PAC, mais non réversibles), le système est réversible et est souvent vu principalement comme un moyen de chauffage, notamment dans les pays où la climatisation n’est pas vraiment rentrée dans les moeurs.  On obtient le schéma suivant :

(comme déjà dit, on conserve l’orientation du schéma coloré mais on inverse la position de l’intérieur et de l’extérieur)

De la vapeur d’eau contenue dans l’air extérieur se condense sur la source froide et est évacuée à l’extérieur (cette eau est perdue alors qu’elle pourrait être récupérée, une fois encore, pour traitement et conservée comme eau d’irrigation. En hiver toutefois, l’eau est généralement moins précieuse qu’en été). Notons que dans cette configuration, la condensation améliore le rendement du système :

En effet, la chaleur absorbée à la source froide est non seulement retirée de l’abaissement de la température de l’air extérieur (chaleur sensible) mais aussi de l’énergie de changement d’état vapeur-liquide (soit la chaleur latente, qui est énorme) de la vapeur d’eau qu’il contient (pourcentage qui peut varier beaucoup selon la région, et son hygrométrie moyenne).

Par contre l’air sec rejeté (plus exactement de l’air froid saturé en humidité mais susceptible de s’assécher une fois réchauffé, comme par effet de fœhn) est perdu : il se remélange avec l’air extérieur. Dans certaines situations, il pourrait être récupéré pour usage ultérieur…

Bilan des pompes à chaleur classiques

Les pompes à chaleur air/air (qui sont en pratique des climatiseurs réversibles) sont connus pour être des moyens de chauffage économiques (surtout par rapport aux radiateurs électriques classiques). Il peuvent également servir à la climatisation en été (ce qui n’est jamais possible avec les autres moyens de chauffage) d’où une utilité augmentée et un temps d’amortissement encore diminué.

Leurs principaux défauts et qualités sont :

  • en mode chauffage : l’énergie électrique injectée s’additionne à la chaleur transférée ce qui améliore le rendement. Il ne peuvent cependant fonctionner comme des déshumidificateurs ce qui pourrait pourtant être très utile compte tenu de la production de vapeur d’eau indésirable domestique (respiration, cuisine, salles de bain) dans une maison moins aérée que pendant la belle saison.
  • en mode refroidissement : en sus du froid ils permettent un assèchement de l’air qui peut être désirable dans certaines régions.
  • Dans les deux modes : ces appareils ne gèrent pas le renouvellement de l’air intérieur. Même si en mode climatisation l’air intérieur est asséché, cela n’évacue pas les odeurs et les polluants (même si la plupart des climatiseurs ont un filtre et différentes fonctions de nettoyage de l’air ou d’auto-nettoyage).

2 Les appareils mobiles

Quelques fabricants (comme KARDA) commercialisent des climatiseurs mobiles. Ces appareils peuvent être intéressants pour les personnes ne pouvant modifier leur logement (locataires, etc.) et/ou amenées à déménager souvent. Exactement comme les systèmes fixes, certains appareils sont réversibles et peuvent donc être utilisés comme chauffage. Nous allons détailler ici les particularités de leur fonctionnement, compte tenu de leur raccordement particulier. En effet ces appareils sont fournis avec une évacuation d’eau et une seule manche à air censées être raccordés toutes les deux à une fenêtre ou autre ouverture. La manche à air permet d’évacuer à l’extérieur de l’air chaud en mode climatisation, et de l’air froid en mode chauffage.

Mode climatisation

Comme on le voit sur le schéma, alors que le fonctionnement à la source froide est essentiellement le même que pour les climatiseurs fixes, à la source chaude on a une situation nettement différente : de l’air est rejeté à l’extérieur après passage sur le radiateur chaud mais cet air est puisé à l’intérieur de la maison, ce qui a deux conséquences :

  • le radiateur chaud travaille sur de l’air intérieur, donc de l’air frais (au bout d’un certain temps de fonctionnement l’air de la maison est rafraichi) ce qui augmente sa faculté de lui transférer de la chaleur mais cette amélioration du rendement est peut-être illusoire car en réchauffant de l’air préalablement refroidi le travail de la pompe à chaleur n’est pas clairement « structuré » [5] .
  • une dépression est créée dans l’habitation ce qui provoque automatiquement des entrées d’air. L’air entrant (par les huisseries principalement) est chaud et peut être chargé en humidité (selon le climat local) ce qui ne peut que pénaliser le bilan énergétique.
  • l’humidité qui est produite à l’intérieur de la maison ou qui s’est introduite (respiration, cuisine, salle de bain) est condensée. L’eau froide obtenue est est malheureusement rejetée immédiatement à l’extérieur ce qui constitue une perte de « calories négatives »( déjà constatée pour les climatiseurs classiques) .

Mode chauffage

Le schéma ci-dessus représente la situation lorsque la pompe à chaleur mobile est utilisée en chauffage (le travail des radiateurs est alors inversé mais – comme convenu – nous avons préféré changer la position relative de l’intérieur et de l’extérieur de la maison plutôt que celle du schéma).

De l’air puisé à l’intérieur de la maison est refroidi et expulsé à l’extérieur et on retrouve un tableau de conséquences similaire à celui vu dans l’utilisation en clim. :

  • le radiateur froid travaille sur de l’air intérieur, donc de l’air chaud ce qui augmente sa faculté de lui emprunter de la chaleur mais l’amélioration du rendement dans cette partie du cycle est questionnable car en refroidissant de l’air préalablement réchauffé le travail de la pompe à chaleur n’est pas clairement structuré (?).
  • une dépression est ainsi créée dans l’habitation ce qui provoque un débit d’air entrant. L’air entrant (par les huisseries principalement) est froid ce qui pénalise aussi le bilan.
  • Toutefois ces deux désavantages sont possiblement compensés par le fait que la source froide travaillant sur de l’air humide (air intérieur) est capable -si tant est qu’elle lui fait atteindre le point de condensation – d’extraire la chaleur latente de changement d’état (gaz > liquide) de la vapeur d’eau contenue dans l’air intérieur. Cette énergie énorme contenue dans l’air humidifié par les différentes sources domestiques est hors d’atteinte des pompes à chaleur dont la source froide est l’air extérieur.

Une possible adaptation

On vient de le voir les climatiseurs mobiles sont théoriquement pénalisés par la séparation incomplète de leur échanges : le fait de puiser de l’air intérieur qui sert pour l’échange et dirigé ensuite vers l’extérieur provoque une dépression qui réintroduit dans la maison ce dont on cherche à se débarrasser, froid ou chaleur selon le cas. Il est dommage que les fabricants de ces machines ne proposent pas de système avec une double tuyauterie, qui permettrait d’aspirer cet air à l’extérieur ( l’installation d’un simple tuyau étant déjà assez fastidieuse et problématique, un tuyau double ou une paire de tuyaux ne poserait pas de nouveau problème insurmontable…)

Il reste au bricoleur la possibilité de réaliser lui-même cette adaptation :

Sur cette pompe à chaleur Karda a été installée tant bien que mal une prise d’air extérieur (la prise d’air normale se trouve sous la boite en carton)

NB. En réalisant cette adaptation, on perd l’avantage possible en mode chauffage que les systèmes mobiles  ont de travailler sur de l’air intérieur (mais on évite la dépression intérieure)

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4 Les VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée)

L’installation d’une ventilation est souvent présentée comme « the solution » à un certain nombre d’inconvénients  qui peuvent se présenter dans une maison :
1 accumulation d’une pollution intérieure, en provenance des matériaux utilisés dans la construction ou dans l’ameublement.
2 évacuation de l’humidité produite notamment par : la respiration, la cuisine et l’utilisation des salles de bains.
3 la condensation de cette humidité au niveau des fenêtres ou autres parties froides.
L’ensemble de ces inconvénients sera d’autant plus accentué que la maison sera étanche.
En réalité :
1 Le danger de l’accumulation intérieure des toxiques est réel mais peut être combattu en choisissant mieux ses matériaux et ses meubles. Par ailleurs de nombreuses personnes « aèrent » leur maison tous les jours en ouvrant les fenêtres. Enfin de nombreuses maisons ne sont pas si étanches que cela. Tout cela fait que l’accumulation est rarement aussi grave qu’on pourrait le craindre. En tout état de cause, si vous êtes dans le doute, vous pouvez faire expertiser l’air de votre maison. MAIS il faut savoir que les systèmes de ventilation dans le commerce ne comprennent pas de mesure de la qualité de l’air extérieur… Quoi qu’il arrive, ils ventilent, ce qui veut dire qu’en cas de pic de pollution (ou incendie de la maison de votre voisin), ils vont consciencieusement renouveler l’air intérieur de votre logement avec de l’air extérieur pollué à souhait.
Tous les systèmes de ventilation devraient donc être équipés d’une mesure (et pas seulement d’un filtrage) de la qualité de l’air extérieur, avec une coupure en cas de problème, ce qui n’est pas le cas actuellement.
2 Il existe deux cas très différents : A) Vous habitez dans une région méditerranéenne (ou autre type de région aride) et la question de l’accumulation d’humidité peut être négligée. Peut-être même qu’à certaines périodes de l’année, il serait même souhaitable de réhydrater votre air intérieur… B) Vous habitez dans une région « normale », c’est à dire humide ou très humide, oui alors, évacuer cette humidité est bien un problème.
3 La condensation de l’humidité indique que certaines parties deviennent très froides. C’est souvent les fenêtres qui posent ce problème. Il peut et doit être résolu séparément de la gestion globale de l’humidité : fenêtres munies d’évacuation d’eau, fenêtres isolantes, etc.
Les ventilations contrôlées sont classées en « simple flux » (un seul réseau de conduites) et en « double flux » (double réseau) :

Simple flux par dépression

Ce système de ventilation est composé d’un ou plusieurs ventilateurs qui extrai(en)t de la maison l’air des pièces les plus « polluées » (fumée ou vapeur d’eau, donc cuisine et salles de bain). La dépression ainsi créée à l’intérieur du logement aspire de l’air extérieur par les huisseries et celui-ci circule selon un circuit difficile à garantir, normalement depuis les pièces de la maison où l’air est le moins pollué vers la ou les pièces munies d’extracteurs…
Les extracteurs peuvent être commutables (individuellement ou par association avec l’éclairage) ou régulés par hygrostat (jauge de mesure de l’humidité).

Ce système a les avantages suivants :

  • peu onéreux et facile à mettre en place, d’autant que le système peut se passer complètement de conduites.
  • il permet à peu de frais le renouvellement de l’air dans la maison ce qui évite l’accumulation de fumées, de polluants issus des différents matériaux et de l’humidité.

Les inconvénients en sont que :

  • l’air introduit n’est pas contrôlé, il peut être chargé en humidité (selon le temps), en polluants (différents des polluants domestiques et présents dans l’environnement de la maison, mais bien réels : comme la pollution urbaine, mélange de poussières et de fumées) et il est généralement à la mauvaise température (froid en hiver, chaud en été…).
  • la dépression produite peut rendre le fonctionnement des poêles et cheminées problématique (un euphémisme pour dire que l’extracteur aspire la fumée dans la pièce…)

Simple flux par surpression

Un ventilateur – généralement installé dans le grenier – pompe dans la maison par l’intermédiaire de conduites de l’air prélevé dans ce grenier et filtré. La surpression ainsi créée à l’intérieur du logement refoule de l’air à l’extérieur par les huisseries.


Ce système a les avantages suivants :

  • relativement peu onéreux et relativement facile à mettre en place
  • il permet là aussi le renouvellement de l’air dans la maison ce qui évite l’accumulation de fumées, de polluants issus des différents matériaux et de l’humidité.
  • l’entrée d’air est centralisée et (on verra qu’on peut exprimer des réserve quant à sa qualité de départ) donc peut faire l’objet d’un filtrage.
  • ce système est présenté par certains installateurs comme un pré-chauffage grâce à la chaleur accumulée sous les combles (la journée ok, mais la nuit ?); en été le système permettrait de raffraichir la maison la nuit (ok, mais les catalogues sont peu loquaces sur ce qui se passe la journée quand les combles sont surchauffés…).

les inconvénients en sont que :

  • l’air introduit est certes filtré, mais au départ il est extrait dans un endroit peu approprié (grenier contenant différentes poussières, genre : laine de verre et crottes de rats….). Il peut être chargé en humidité (selon le temps), en polluants présents à l’extérieur de la maison, comme la pollution urbaine, mélange de poussières et de fumées, pas forcément bien filtrées et il est généralement à une très mauvaise température  (surtout en été) bien qu’en demi-saison on puisse réellement avoir dans les combles un air pré-chauffé (l’argument n°1 des vendeurs/installateurs).
  • la surpression produite peut rendre le fonctionnement des poêles et cheminées un peu trop enthousiaste (un euphémisme pour dire que le tirage va être tellement augmenté que le rendement sera résiduel…)
  • L’air intérieur s’évacue par les « orifices naturels » de la maison, soit les huisseries principalement, la chaleur ou la fraîcheur injectées dans cet air sont perdues.
Les installations HRV (www.hrv.co.nz) en Nouvelle Zélande sont un bon exemple de cette solution peu évoluée technologiquement (contrairement à ce que laisse entendre leur propagande dithyrambique).

Double flux

Dans une Ventilation à double-flux, l’extraction, l’introduction et la circulation de l’air sont beaucoup mieux contrôlées :

Au lieu de laisser à la dépression ou à la surpression le soin de faire rentrer ou sortir l’air (par n’importe quelle huisserie mal jointive notamment et sous les portes, toutes choses pouvant sérieusement dégrader le confort, surtout en dépression) l’air est introduit et récupéré par des conduites ad-hoc et des ventilateurs.

Avantages :

  • La maison n’est plus en dépression ou surpression
  • l’entrée et la sortie d’air sont centralisées ce qui permet le filtrage mais aussi la préclimatisation, notamment par échangeur de chaleur.

Inconvénients

  • l’installation est beaucoup plus complexe et onéreuse
  • Pour que le système fonctionne, il faut en outre que les huisseries soient raisonnablement étanches et que les pièces aient entre-elles des communications y compris quand toutes les portes sont fermées (la solution idéale serait d’avoir des gaines qui apportent et emportent l’air à chaque pièce mais c’est rarement le cas).

5 Les échangeurs de chaleur

A partir du moment où des flux d’air entrant et sortant de la maison sont gérés, comme avec les VMC, il devient intéressant de se pencher sur les possibilités offertes par les échangeurs de chaleur.

Les échangeurs passifs

Ils sont basés sur la propriété naturelle des corps de différentes températures d’échanger de la chaleur jusqu’à l’équilibre. Cette tendance peut-être exploitées en mettant en contact thermique les fluides entrants et sortant en les faisant circuler le long de surfaces « les plus étendues possibles » et constituées par des matériaux conducteurs. C’est le principe même du « radiateur ». Le problème c’est que l’air a tout à la fois :

une faible capacité thermique (il contient très peu de chaleur, d’autant qu’il est très léger)
un fort pouvoir isolant (les échanges ne se font donc qu’au travers de surface très grandes)
Des échanges réalistes nécessitent donc en pratique la mise en jeu de très grandes surfaces. Il existe différentes technologies d’échangeurs de chaleur passifs :

Les échangeurs à flux croisés

Ces échangeurs sont assez compacts mais les surfaces en jeu et la géométrie des flux ne permettent pas d’envisager un rendement réellement intéressant, quoi qu’en disent les constructeurs (en clair ce sont plutôt des gadgets, sauf si vous habitez dans un pays réellement très froid toute l’année).

Les échangeurs à flux inversés

La technologie idéale et évidente pour gérer deux flux de sens contraire comme de l’air sortant et de l’air entrant semble naturellement celle des échangeurs à flux inversés (aussi appelés « à contre-courant »). Regardons cette image issue de http://mshades.free.fr/echangeurs/generalitesechangeur.html qui représente schématiquement un échangeur à contre-courant :

Prenons l’exemple d’une maison dont l’air intérieur est chaud (nous sommes en hiver et nous voulons renouveler cet air). La température de l’air chaud (sortant) est représenté par la flèche rouge et celle de l’air froid (entrant) par la flèche bleue et le trait noir représente la température de la paroi.

Le principe de l’échangeur à contre-courant est que les deux circuits sont suffisement longs (longueur non représentée sur ce schéma) ce qui permet d’obtenir une paroi d’échange dont la température change d’une extrémité à l’autre (regardez : le trait noir est plus haut – en fait plus chaud – à gauche qu’à droite !). Autrement dit l’air chaud qui sort (flèche rouge) chauffe cette paroi, mais ce faisant il se refroidit… quand il a atteint la même température que la paroi il n’est plus utilisable et relaché à l’extérieur.

En même temps,  l’air froid venant de l’extérieur qui circule en sens inverse (flèche bleue) se réchauffe rapidement au contact de la paroi et au fur et à mesure qu’il devient plus chaud, il longe une paroi de plus en plus chaude ce qu’il lui permet de se chauffer encore… l’astuce ici est qu’au lieu d’utiliser l’air le plus chaud pour chauffer l’air glacé, ce qui serait plus rapide mais avec un mauvais rendement thermodynamique, on l’utilise pour chauffer l’air déjà tiédi.
Le résultat de cette technologie est que, si l’échangeur est correctement dimensionné par rapport au débit envisagé et à la différence de température maximum, l’air entrant arrive à l’intérieur à une température supérieure à laquelle l’air sortant débouche à l’extérieur, chose impossible à obtenir avec un échangeur dont les flux seraient de même sens !
Un tel échangeur est installé sur certains modèles de VMC. Malheureusement il tient beaucoup de place (appareil très lourd également) ce qui limite sa généralisation.

Les puits canadiens

Les puits canadiens sont eux aussi des échangeurs passifs, eh oui : ils tirent profit de la température du sous-sol, beaucoup moins variable que celle de l’atmosphère. Le sol est isolant, il a une profondeur assez souvent peu limitée (sauf substrat rocheux) et une masse thermique énorme. De plus un flux de chaleur permanent émane du sous-sol, en fait du centre de la terre, qui comme chacun le sait est en fusion, avec pour résultat une augmentation régulière de la température avec la profondeur, bien connue des mineurs de fond.
Autrement dit le sous-sol constitue une réserve inépuisable de chaleur, même dans les régions non géothermiques, mais il peut être également utilisé comme source de fraîcheur en été, du fait qu’à une profondeur relativement accessible (2 m dans les régions tempérées) la température oscille très peu autour de la moyenne annuelle de l’atmosphère, soit autour de 15° en France.

Les échangeurs actifs

Les échangeurs passifs sont lourds et chers et cela limite leur diffusion. Il existe aussi des échangeurs actifs ::
  • Échangeurs mécaniques
Le principe le plus courant de l’échangeur mécanique repose sur la rotation d’un (ou plusieurs) disques dont une moitié est en contact avec l’air sortant tandis que l’autre est en contact avec l’air entrant. Le disque est constitué d’une matière capable d’absorber la chaleur, quelquefois aussi l’humidité. La vitesse de rotation du disque doit être ajustée de façon à ce que la durée du passage dans un des deux milieux soit égale approximativement au temps nécessaire pour opérer le changement de température.

Il existe aussi des échangeurs basés sur des chambres communicantes et des plateaux rotatifs.

N.B. L’intérêt de transférer de l’humidité depuis l’air sortant vers l’air entrant n’existe que dans les climats désertiques, ailleurs on cherche plutôt à se débarrasser de cette humidité.


  • Échangeur thermodynamique

Si on considère le rôle de l’échangeur de récupérer la chaleur de l’air sortant pour la réinjecter dans l’air entrant (ou le contraire), on y reconnaît la tâche typique d’une pompe à chaleur.

Dans la pensée classique, le chauffage, l’isolation, la ventilation et la récupération éventuelle de chaleur sont envisagés séquentiellement dans cet ordre, en fonction de leur urgence. Dans la pratique cela conduit à des systèmes séparés : une boite, un système de chauffage, du plus archaïque au plus sophistiqué (comme une PAC) ensuite et une ventilation, éventuellement équipée d’un échangeur dans le meilleur des cas, finalement. C’est aussi l’ordre dans lequel ces systèmes sont installés au cas par cas.
Dans le cas d’un habitat neuf ou dans celui d’une rénovation complète des systèmes, il est pourtant possible d’envisager une autre approche, en inversant le point de vue :
Soit une habitation équipée d’un système centralisé de ventilation, c’est à dire que chaque pièce est munie d’une arrivée et d’une issue d’air, éventuellement réglables/asservies. Le stade logique suivant est la récupération de chaleur. Les systèmes passifs étant lourds, et moyennement efficaces au mieux, on ne peut envisager d’installer un tel mécanisme que dans les cas ou l’habitation devra affronter des grosses différences de température qui le rentabiliseront. Enfin on arrive à la question de la climatisation, qui doit palier aux pertes thermiques (et à la chaleur non récupérée par le système passif, s’il est installé).
La solution lumineuse à ce stade est d’équiper la ventilation d’une pompe à chaleur travaillant entre l’air sortant et l’air entrant. On remarque que le travail de la pompe sera, aussi bien en mode climatisation qu’en mode chauffage, de transférer de la chaleur depuis un milieu chaud vers un milieu froid, d’où un rendement excellent, encore bien meilleur que dans les installations split-system (on évalue le rendement énergétique des pompes à chaleur comme l’énergie transférée(chaleur)/l’énergie consommée (électricité en général). Ce dit rendement peut atteindre 4 ou 5 dans les installations split-system. Ici il devrait pouvoir atteindre 10 ou davantage.

Mode climatisation

 
(A partir de ce schéma les deux flèches des flux d’échanges sont en sens contraire ce qui exprime l’idée que la PAC travaille comme échangeur mais aussi tout simplement afin de mieux structurer le dessin…)
En mode climatisation, la PAC/échangeur refroidit l’air extérieur chaud (en bas) en se servant comme source chaude de l’air vicié extrait de la maison (en fonctionnement établi, cet air est froid ce qui améliore le rendement). A la source froide (si le serpentin est en dessous du point de rosée), la PAC condense la vapeur d’eau contenue dans l’air extérieur ce qui a deux conséquences :
– l’air injecté dans la maison est asséché (relativement), c’est à dire qu’en se réchauffant il deviendra plus sec que l’air extérieur à la même température (cet effet est certainement favorable au confort, sauf dans un climat déjà très sec ou il faudrait le ré-humidifier).
– une partie de l’énergie du système est consacrée à condenser de la vapeur d’eau, ce qui est très coûteux mais si cette eau froide est immédiatement évacuée à l’extérieur, cette énergie est vraiment perdue. L’eau froide produite pourrait en revanche être utilisée dans un échangeur eau/air pour pré-refroidir l’air entrant.

Mode chauffage

En mode chauffage, la PAC/échangeur chauffe l’air extérieur introduit dans la maison (flèche du haut) en se servant comme source froide de l’air vicié extrait de la maison (en bas). En fonctionnement établi, cet air est chaud ce qui améliore le rendement. A la source froide, si le serpentin est en dessous du point de rosée, la PAC condense la vapeur d’eau contenue dans l’air intérieur ce qui a deux conséquences :
– le rendement déjà très bon (car la source froide, là où on prend la chaleur, est à une température supérieure à la source chaude, là où on la rend [6]) est encore amélioré par la condensation de l’humidité contenue dans l’air extrait. A ce niveau, l’air vicié ne contient pas seulement son humidité d’origine mais il est en plus chargé de toute l’humidité corrélative aux activités humaines : cuisine, salle de bain, et bien sûr, respiration/transpiration des habitants humains, animaux et végétaux (oui, les plantes transpirent, c’est pour ça qu’il faut les arroser …)
– l’air rejeté par le système est plus sec que l’air intérieur (de l’eau en a été extraite par condensation) mais aussi possiblement plus sec que l’air extérieur. Malheureusement cet air sec est « perdu ». Il est toutefois possible d’envisager sa réutilisation (après filtrage) :
– soit grâce à un échangeur d’humidité (échangeur actif à roue absorbante) qui lui permettrait de capter une partie de l’humidité de l’air entrant.
– soit par remélange, dans une certaine proportion, avec l’air entrant, après réchauffage passif (échangeur à la température extérieure).

– Cette solution élimine complètement le problème du GIVRAGE, plaie des pompes à chaleurs. Les fabricants n’hésitent pas à être dithyrambiques sur les performances de leurs PAC en affirmant qu’elles continueront à fonctionner jusqu’à moins 15 ou moins 25 [7]. Je me demande s’ils font leurs tests en air sec ? En air humide, rien ne peut empêcher l’eau de geler sur le radiateur, si les conditions de température et hygrométrie s’y prêtent. Bien sûr le système peut se mettre en mode dégivrage de temps en temps (quand ça marche … voir de nombreux forums [8]), mais cela suppose l’arrêt du cycle d’évaporation/compression, donc du chauffage…

Remarque : les systèmes de ventilation sur le marché, et dont on vante la capacité à se débarrasser de la pollution intérieure, ne paraissent pas équipés pour détecter une éventuelle pollution extérieure, un phénomène pourtant récurrent dans de nombreuses villes. Une système intelligent devrait être capable de détecter une pollution supérieure à la normale, qu’elle soit due à un pic journalier ou même à un accident, et de stopper alors la prise d’air à l’extérieur.

5 La « maison à double enveloppe »

Comme on l’a vu, les problèmes du chauffage et de l’aération, classiquement séparés, gagnent en fait à être abordés simultanément. De la même manière, la question de l’isolation, habituellement intégrée dans un chapitre distinct, celui de la construction du bâtiment, pourrait être envisagée de front avec les deux autres.
Une habitation a des parois extérieures. Ces parois représentent des surfaces conséquentes en contact avec l’air extérieur plus chaud ou plus froid. Autrement dit c’est toute la maison qui agit comme un échangeur de chaleur, acheminant la chaleur depuis la source excédentaire vers la source froide. Le but de l’isolation est justement de combattre cette tendance [9]. A cet effet, on emploie des matériaux spécifiques qu’il faut insérer dans toutes les parties de la maison. Ces différents matériaux posent des problèmes de coûts, de vieillissement, de recyclage (y compris des nombreuses chutes au cours de leur découpage), de salubrité de l’air qui sont rarement mentionnés.
A partir du moment où l’enveloppe de la maison (ou de toute structure habitable) agît comme échangeur passif, une idée intéressante serait de l’ UTILISER comme échangeur ! On a vu en effet que les échangeurs passifs posent un problème de dimensionnement/installation/coût en raison des grandes surfaces nécessaires. L’habitat individuel se situe à une échelle de dimensions dans laquelle les toits et les murs – notamment – représentent des surfaces encore très importantes, ce qui est moins vrai des bâtiments collectifs d’habitat ou d’autre destination.
Dans les maisons chalets décrits plus haut, les murs sont déjà constitués d’une paroi double, et on remplit l’espace d’un matériau isolant. Alternativement, cet espace pourrait être utilisé pour faire circuler de l’air inclus dans le système de ventilation.
La solution la plus évidente consisterait à capter de l’air extérieur et à le faire circuler dans la double enveloppe avant de le passer dans un échangeur actif et injection. Les calories (positives ou négatives) qui passeraient à travers la première enveloppe seraient ainsi « capturées » par cette circulation.  Etant donné l’étendue et la configuration des surfaces en jeu, il serait par ailleurs intéressant d’utiliser la convection thermique comme complément des ventilateurs actifs, sachant que l’air chaud va se concentrer en haut des volumes et l’air froid en bas. Donc en hiver l’air devrait être capté à l’extérieur au point le plus bas et récupéré pour injection  dans l’échangeur actif au point le plus haut de la double enveloppe. Pour la même structure climatisée en été, ce serait le contraire.
Cette approche pourrait être intéressante pour les bâtiments démontables et/ou soumis à des conditions particulièrement hostiles ou dans lesquels l’isolation classique n’est pas possible, ou suffisante :  bâtiments polaires, habitat désertique.

Épilogue :

Il est très difficile d’inventer quelque chose de nouveau. A peine ce texte terminé, je me suis rendu compte que le concept de maison à double enveloppe avait déjà été inventé et décrit, DANS CES MÊME TERMES, par un auteur canadien, qui préfère toutefois l’appellation de « maisons à enveloppe thermique ».
Etude de G.A. CHOWN sur les bâtiments à double enveloppe : http://www.nrc-cnrc.gc.ca/obj/irc/doc/pubs/bpn/31_f.pdf
Si cette étude de 1982 conserve son intérêt technique [10], elle était principalement pensée dans l’optique d’une maison passive et à grande inertie thermique, c’est à dire dans laquelle les échanges se font par convection naturelle et stockage de la chaleur (une direction encore très en vogue dans la construction « écologique » ?). Mais la double enveloppe est certainement plus intéressante encore dans un système d’une philosophie diamétralement opposée : c’est à dire caractéristiquement « active » (et éventuellement sans inertie) avec ventilation et échange intégrés.

Liens

Une recherche effectuée fin 2010 a montré que de nombreux fabricants vendent des PAC classiques. Seul un fabricant finlandais ENSTO, vend des échangeurs de chaleurs actifs. Malheureusement cette société a pour le moment une politique de vulgarisation très opaque (peut-être pour protéger son avance technologique…) et les documents disponibles ne permettent pas de comprendre en détail comment sont montés leur armoires techniques qui contiennent une pompe à chaleur et un échangeur rotatif.
En Août 2011, j’ai trouvé que cette société française vendait (construisait) des ventilations/chauffage sur le même principe : http://www.climdatec.com/gammes-v.htm
Cette autre société, propose une récupération de la chaleur sortante, mais uniquement pour chauffer l’eau domestique, pas pour le chauffage. Le simple flux de la ventilation, implique des entrées d’air à la mauvaise température dans les pièces (pas pour ceux qui craignent les courants d’air) ! http://www.heizung-waermepumpe.de/fr/comment-fonctionne-la-pompe-a-chaleur/ventilation-avec-la-pompe-a-chaleur.html
En 2014, j’ai découvert que la société  Climdatec est devenue Mydatec et commercialise toujours des pompes à chaleur thermodynamiques : http://www.mydatec.com/fr/ (mais l’ancien lien marche toujours, chapeau)
Un bâtiment à double enveloppe isolatrice, mais sans ventilation intégrée :

References

  1. ATTENTION FAUX-AMI : l’appellation d « inverter » fait référence à un régime variable du compresseur, et non à la réversibilité du cycle.
  2. « Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur du milieu le plus froid (et donc le refroidir encore) vers le milieu le plus chaud (et donc de le chauffer… » (Wikipedia
  3. Bien qu’aucun fabricant à ma connaissance ne propose encore de PAC propulsée à partir d’une roue de hamster ou d’un vélo d’appartement, ce qui serait plus utile que les radios à manivelles ou autres lampes rechargeables à la main. Rien n’est plus pénible que de devoir rester dans une maison non chauffée parce qu’on n’a pas les moyens de le faire.
  4. « En deux parties » (il y a deux appareils, reliés par des tuyauteries et des cables électriques)
  5. un peu comme si on comptait comme un « plus » parce qu’elle remplit les godets qui se trouvent en dessous, l’eau qui tombe des godets d’une Noria ?
  6. En fait cela peut nécessiter un dimensionnement et une régulation spéciaux, le système étant susceptible d’atteindre des températures vraiment élevées, par rapport à une PAC travaillant en situation classique.
  7. Voir par exemple le site de Mitsubishi : très amusant (ne pas manquer de changer la température extérieure des personnages en haut, il n’y a pas que les poissons rouges qui bougeront alors…)
    (Jeu)
  8. par exemple (sinon faire une recherche avec « PAC givrage »…)
    http://forums.futura-sciences.com/habitat-bioclimatique-isolation-chauffage/189687-deboires-pac.html
  9. Qui en fait peut être bénéfique, une partie du temps, par exemple quand votre maison est froide et que le temps extérieur, une partie de la journée, pourrait la réchauffer…
  10. Notamment dans son estimation des inconvénients possibles.

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