16-5 - Bilan énergétique et économique comparatif entre une VMC SF et DF
11/02/2024 -
Sommaire de l'article
Les raisons de la comparaison
Le but d'une VMC, acronyme de Ventilation Mécanique Contrôlée, est d'évacuer l'air vicié des bâtiments pour le remplacer par de l'air neuf en provenance de l'extérieur avec des débits garantis. Il existe deux types principaux de ventilation capables de satisfaire à la règlementation et d'assainir l'air intérieur : les VMC simple flux (SF) qui aspirent l'air vicié du bâtiment ou, plus rarement, y injectent de l'air neuf et les VMC double flux qui couplent et contrôlent des deux flux qui se croisent sans se mélanger dans un échangeur de chaleur à contre courant.
On peut couramment lire qu’une VMC SF consomme moins d'énergie qu’une VMC DF car elle n’a qu’un seul ventilateur alors qu’une VMC DF en a deux. Les VMC DF possèdent toutefois un échangeur de chaleur qui permet, au moins pour celles qui sont labellisées Passivhaus, de limiter la différence de température entre l’air neuf extérieur et l'air vicié intérieur à moins de 3,5°C pour une température extérieure de -10°C (http://www.passiv.fr/spip/spip.php?article40). Les retours d'expérience montrent que cet écart de température est d'environ 2°C pour des températures de l'ordre de 7°C à l'extérieur et 19°C à l'intérieur, soit un écart de 12°C.
Quelle est l'incidence de cet échangeur? Est-elle négligeable au point de confirmer les économies supposées des VMC SF ou, au contraire, est elle de nature confirmer l'inverse, la supériorité thermique et économiques des VMC DF? Quelle est donc la réalité non basée sur un avis ni même un constat mais simplement sur un calcul physique?
Les bases de la comparaison
Partons du principe que, comme pour les maisons passives, pour ventiler correctement une maison ou un logement ou tout autre local, un débit horaire d’air de 1m3/hm2shab est nécessaire. Il correspond à 120m3/h pour une surface habitable de 120m2. La totalité de l’air est renouvelé toutes les 2,5h avec une hauteur sous plafond de 2,5m et le débit journalier garanti par une VMC est de 2880m3/j.
La consommation d'énergie électrique des ventilateurs
La consommation électrique d’un ventilateur efficace de VMC est de 0,25Wh/m3, soit 0,25*120=30Wh pour la maison. Sur une journée, la consommation est de 24*30=720Wh soit 0,72kWh, soit 21,6kWh/mois et 260kWh/an . À 0,25€ le kWh, le coût quotidien de l’électricité nécessaire à un seul ventilateur avec un tel débit est de 0,18€, soit 5,40€ par mois et 65€ par an.
La consommation électrique des 2 ventilateurs d’une VMC DF est donc de 520kWh/an pour un coût de 130€/an.
Le bilan énergétique des VMC
Aux frais de fonctionnement des ventilateurs s’ajoutent les frais de chauffage en hiver et éventuellement de climatisation en été.
Prenons l’exemple d’une journée d’hiver pendant laquelle la température intérieure est de 19°C, donc pas trop chaude, avec une température extérieure à 7°C, donc pas très froide, soit un écart de 12°C
L’équation de la chaleur transportable par l’air est la suivante :
Q = V ρC ∆t = D S T ρC ∆t
Dans cette formule :
- Q : quantité de chaleur transférée en kilowattheures (kWh)
- D : débit en mètres cubes par heure et par m2 habitable (m3/hm2Shab)
- S : surface habitable de la maison (m2Shab)
- T : temps en heures (h)
- ρ : masse volumique de l’air en kilogrammes par mètre cube (kg/m3)
- C : capacité thermique massique du matériau en kilowattheures par kilogramme par degré Celsius (kWh/kg°C)
- Δt : différence de température entre l’air intérieur et l’air extérieur en degrés Celsius (°C)
Cette valeur doit être divisée par 1000 pour conversion en kWh
Le bilan quotidien
Avec les données précédentes, l’énergie de chauffage nécessaire pour monter la température de l’air renouvelé de 7 à 19°C à l'aide d'une VMC SF lors de cette journée est de 1*120*24*0,33/1000*12=11,4kWh et son coût revient à 11,4*0,25 soit 2,85€
Avec une VMC DF qui limite l’écart de température à 2°C entre intérieur et extérieur, le besoin d’énergie est de 1*120*24*0,33/1000*2=1,9kWh et son coût revient à 1,9*0,25 soit 0,48€ soit 6 fois moins qu’avec une VMC SF.
La consommation totale d’énergie électrique et de chauffage pour la VMC SF est de 0,72+11,4 soit environ 12kWh tandis que celle de la VMC DF est de 0,72*2+1,9 soit environ 3,3kWh et donc, en ordre de grandeur, entre 3 et 4 fois moins que la VMC SF.
Le coût total de l’énergie électrique et de chauffage de cette journée type est de 0,18+2,85 soit environ 3€ pour la VMC SF tandis que celle de la VMC DF est de 0,18*2+0,48 soit environ 0,85€ et donc, logiquement, en ordre de grandeur, toujours entre entre 3 et 4 fois moins qu’une VMC SF.
Le bilan mensuel
Pour un mois de 30 jours avec une météo similaire :
- avec une VMC SF le besoin d’énergie serait d’environ 30*12 soit 360kWh pour un coût de 0,25*360 soit 90€,
- celui d’une VMC DF serait d’environ 30*3,3 soit 99kWh pour un coût de moins de 0,25*99 soit 25€
La consommation totale d’énergie d’une VMC double flux de qualité est globalement 3 à 4 fois inférieure à celle d’une VMC SF. C’est un des nombreux avantages des VMC DF.
Le bilan annuel
Sur un an, le calcul est plus complexe car il dépend notamment du climat local. La solution la plus simple et la plus certaine est de regarder ce qui se passe dans un projet labellisé Passivhaus quand on remplace la VMC DF par une VMC SF.
L'exemple étudié est BaanDenTawan proche de Toulouse, dont les caractéristiques certifiées sont directement accessibles sur le site du Passivhaus institut.
Le besoin de chauffage de ce projet est de 7,5kWh/m2an avec la VMC double flux haute performance labellisée Passivhaus dont il est équipé. La modification du type de ventilation dans le logiciel de calculs PHPP de ce projet de maison passive, montre que le remplacement de cette VMC DF par une VMC SF provoque une forte augmentation du besoin de chauffage qui passe à 25,5kWh/m2an avec les conséquences suivantes :
- Le besoin de chauffage est plus que triplé en remplaçant une VMC DF par une VMC SF
- L’écart de besoin de chauffage entre le projet équipé d'une VMC SF ou d'une VMC DF est de 18kWh/m2an soit 2160kWh/an pour la maison, soit un coût de 540€!
- En déduisant le besoin d’énergie électrique du deuxième ventilateur, l’économie d’énergie est encore de 2160-260 soit 1900kWh et 475€ par an.
Avec de telles économies indépendantes de la qualité thermique de la maison et l’évolution prévisible du prix de l’énergie, l'investissement dans une VMC DF est généralement rentabilisé en 12 à 15 ans en prenant en compte le prix des renouvelables que sont les filtres. La durée d’amortissement est d’autant plus courte que les écarts entre température intérieure et extérieure sont importants et donc en climats froids et chauds, en montage pour réduire les besoins de chauffage et au bord de la mer pour réduire les besoins de climatisation.
Les autres avantages
Aux économies que provoquent les VMC DF s’ajoutent aussi les avantages, impossibles à chiffrer, qui résultent, entre autres, d’un air filtré sur la santé et d’un air neuf proche de la température intérieure sur le confort, mais aussi de la baisse de l’impact sur le climat qui résulte de la baisse des besoins d’énergie et de la pollution qui va avec. Là, il n’y a pas de règles physiques qui s’appliquent simplement mais des avis ou des ressentis qui peuvent être obtenus auprès de ceux dont le logement est ventilé par une VMC DF comme c'est le cas des maisons passives et qui proposent leurs témoignages.
L'inconvénient majeur
Malgré tous les avantages que présente les VMC double flux, il existe un inconvénient majeur qui est le montant de l'investissement initial car la machine seule ne suffit pas. Le prix de son réseau peut couter 3 à 5 fois plus cher que son propre prix. Ce problème peut disparaître dans les maisons passives car l'ensemble que constitue la machine et son réseau est aussi une grosse partie du système de chauffage et de rafraîchissement qui remplace les systèmes habituels de confort. Dans tous les cas, le choix du type de VMC ne doit pas se limiter au montant de l'investissement mais prendre en compte le bilan mensuel global qui inclut le remboursement des prêts et le prix de l'énergie en constante et forte augmentation. Quand c'est le cas, investir plus dans des systèmes économes permet parfois d'économiser plus dès le premier mois et à long terme.
Le choix du type de VMC SF
Dans la réalité, les bouches d'entrée d'air neuf et de sortie d'air vicié des VMC SF sont hygroréglables pour réduire les besoins de chauffage. Les bouches d'extraction se ferment lorsqu’il n'y a pas production de vapeur, notamment lorsque les douches et cuisines ne sont pas utilisées, c'est-à-dire la majeure partie de la journée. Quand elles s'ouvrent parce qu'il y a production d'humidité, les grilles d'entrée d'air des pièces de vie qui ne sont pas soumises à la même humidité restent fermées. Le résultat est une forte réduction presque continue des débits de ventilation qui conduit à des économies d'énergie au détriment de la qualité de l'air intérieur et donc de la santé des habitants. La baisse de débit est parfois tellement importante que la condensation sur les parois les plus froides provoque le développement de moisissures. Les VMC SF hygroréglables B ne sont donc pas efficaces pour assurer une bonne qualité de l'air intérieur. Elles doivent être au moins abandonnée au profit de VMC hygroréglabes A dans lesquelles les entrées d'air sont autoréglables ou par des VMC SF autoréglables basiques qui se contentent de faire circuler l'air avec un débit constant, de manière efficace mais avec les inconvénients de la consommation d'énergie déjà cités.
En résumé :
- à débit égal, le bilan énergétique d'une VMC double flux est largement meilleurs que celui d'une VMC simple flux quelle que soit la qualité thermique du bâtiment dont il ne dépend pas et donc dans l'ancien en l'état ou après rénovation comme dans le neuf,
- l'incidence d'une VMC DF sur le bilan thermique global d'un bâtiment est d'autant moins importante qu'il est de mauvaise qualité thermique parce que l'incidence du renouvellement d'air y est plus faible,
- la baisse de consommation énergétique résultant de la ventilation à l'aide d'une VMC DF est d’autant plus importante que les écarts entre température intérieure et extérieure le sont et donc en climats froids et chauds, en montage pour réduire les besoins de chauffage et au bord de la mer pour réduire les besoins de climatisation parce qu'elle limite les écarts de température entre l'intérieur et l'extérieur,
- le prix de l'énergie baisse dans les mêmes proportions que sa consommation,
- les économies financières seront d'autant plus importantes que le prix de l'énergie sera cher.
Thème 16 - Les performances des équipements