16-1 - Les performances extraordinaires des systèmes de récupération de chaleur
27/06/2018 -
Comment choisir les systèmes de confort
Quelles sont les solutions les plus efficaces sur le plan énergétique :
• préchauffer l'air neuf ou dépenser plus d'électricité avec une VMC double flux pour arriver au même résultat
• chauffer un construction avec une pompe à chaleur ou, d'une part, grâce à des fenêtres triples vitrages très performantes qui laissent passer plus de chaleur qu'elles n'en perdent et, d'autre part, grâce à un système solaire combiné (SSC) qui est en fait un chauffe-eau solaire destiné à chauffer la construction dans laquelle il est placé
• rafraîchir avec un petit climatiseur ou un puits provençal hydraulique (PPH)
• chauffer l'eau chaude grâce à un chauffe-eau thermodynamique ou un chauffe-eau solaire individuel (CESI) , en couplant ou non, dans les deux cas, un Récupérateur de Chaleur sur l'Eau des Douches (RCED)?
Ces questions n'ont pas de réponse qui puisse être actuellement fournie simplement. Y répondre instantanément permettrait pourtant de faire des choix pertinents tant sur le plan énergétique que financier avec les conséquences sur les plans du confort et de la pollution qui en résultent.
On peut par contre facilement constater qu'une VMC DF, des fenêtres triples vitrages, un SSC, un PPH, un CESI ou un RCED, ne produisent pas l'énergie du chauffage qu'ils fournissent pourtant. Ils ne font que la transporter après l'avoir captée ou récupérée grâce à une source d'énergie extérieure gratuite, non polluante, inépuisable, disponible en permanence, à la disposition de tous. Cette source peut être, suivant le type d'appareil utilisé, le soleil, l'air vicié, l'eau jetée encore chaude ou encore le sous-sol. Tous les appareils qui fonctionnent ainsi ont donc un point commun avec les systèmes de chauffage qui passent pour être les plus performants, les systèmes thermodynamiques. Ils ne bénéficient pourtant pas de l'avantage considérable que possèdent ces derniers, un COP.
Qu'est-ce que le COP d'un système de récupération chaleur?
Le COP, acronyme de COefficient de Performance, n'existe pas pour les systèmes de récupération chaleur et les systèmes solaires. C'est fort dommage, car les mots qui le décrivent donnent immédiatement l'impression que les appareils qui en bénéficient sont parmi les systèmes les plus performants sur le plan du bilan énergétique. De plus, s'il existait, il permettrait de comparer facilement ces appareils avec ceux qui en bénéficient et même entre eux afin, par exemple, de définir les investissements prioritaires ou encore ceux qui sont les plus efficaces à court ou à long terme. Il parait donc indispensable de le créer, et même de l'étendre à tous les équipements de transport d'énergie afin de démontrer que les plus performants sur le plan énergétique, et au bout du compte sur le bilan financier, ne sont pas forcément ceux que l'on croit et sont parfois même inattendus.
Qu'est-ce que le COP d'un système thermodynamique
Le COP est le rapport entre l'énergie que restitue un appareil thermodynamique et celle qui lui a été fournie. Autrement dit, c'est le rapport entre l'énergie de chauffage qu'il produit et l'énergie électrique qu'il consomme. Ce coefficient est généralement supérieur à 1 parce qu'un système thermodynamique ne produit pas directement de chaleur. Il ne fait que la transporter de l'extérieur du milieu à chauffer vers ce dernier. En inversant le fonctionnement, il peut prélever de la chaleur dans le milieu à refroidir et se comporter alors en climatiseur. Cette explication simple permet de comprendre facilement que l'énergie transportée peut être très largement supérieure à l'énergie consommée pour assurer ce transport. Si ce n'était pas le cas, ces appareils n'auraient aucun intérêt. Il est tout aussi facile de comprendre que pour pouvoir transporter de l'énergie, il faut qu'elle soit disponible.
Concernant le chauffage, il paraît évident que plus la température du milieu dans lequel la chaleur est prélevée est importante, et plus la chaleur fournie dans le milieu à chauffer l'est en retour. Le système est également plus efficace lorsque le milieu à chauffer est plus froid parce que, entre autres, les échanges de chaleur y sont facilités. Inversement, le système est d'autant moins efficace que la température du milieu dans lequel la chaleur doit être prélevée est basse, et que celle du milieu dans lequel elle doit être rejetée est forte. Nous sommes malheureusement dans cette deuxième situation en hiver. Il fait chaud à l'intérieur du fait du chauffage et il fait froid dehors du fait de la saison. Dans ces conditions, il est bien plus difficile de transporter la chaleur de l'extérieur vers l'intérieur. Les systèmes thermodynamiques sont donc d'autant moins efficaces qu'il est nécessaire de chauffer et qu'il fait froid dehors, ou lorsqu'il est nécessaire de rafraîchir et qu'il fait chaud dehors. Pour résumer…
C'est quand on a le plus besoin des systèmes thermodynamiques qu'ils sont le moins efficaces!
Le COP d'un système thermodynamique est donc variable : il dépend entre autres des températures des milieux dans lesquels est situé un équipement de ce type, et de la capacité de ces derniers à échanger la chaleur, donc du climat, de la saison, de l'environnement… et enfin de la construction. Bref, le COP n'est pas fiable puisqu'il dépend notamment des conditions dans lesquelles il a été déterminé. Il permet de tricher en mesurant les performances en situation idéale pour le fabricant, mais finalement particulièrement trompeuses pour l'utilisateur. Si, dans ces conditions, contrairement à ce qu'il croit généralement, le COP n'offre pas d'intérêt réel pour l'utilisateur, ce n'est pas le cas des fabricants ou distributeurs qui sont amenés à faire miroiter des performances extraordinaires, avec des COP parfois supérieurs à 6, qui ne sont finalement accessibles que quelques jours par an. Le reste du temps, elles sont fortement détériorées et la moyenne annuelle est fréquemment très en dessous de celle indiquée.
Ce problème est en partie résolu en déterminant un coefficient de performance basé sur une saison de chauffe entière et non sur des conditions particulières. Le SCOP ainsi défini est calculé en fonction de multiples critères et notamment ceux des températures extérieures journalières d'un climat type. La normalisation de la méthode de calcul permet la comparaison entre tous les types d'appareils thermodynamiques. L'équivalent existe pour l'été, car les performances des appareils ne sont généralement pas identiques en mode chauffage et en mode climatisation. Concrètement, ce coefficient ne change rien au fait que les performances sont forment dégradées pendant les périodes les plus difficiles de gel en hiver ou de canicule en été.
Les bases de comparaison des systèmes de production de chaleur
Les systèmes thermodynamiques ne font que transporter la chaleur vers le milieu à chauffer. Leurs SCOP sont élevés, car transporter la chaleur est bien plus efficace que de la produire. Quand elle est produite par l'appareil lui-même, les lois de la physique démontrent d'ailleurs que le rapport entre l'énergie produite par l'appareil et celle qui lui est fournie est toujours inférieur à 1.
Fort heureusement, les systèmes thermodynamiques ne sont pas les seuls à transporter la chaleur. Les appareils de ce type sont même très nombreux. Ce sont notamment tous ceux déjà cité qui sont notamment utilisés dans les maisons passives. Les VMC double flux avec récupérateur de chaleur (VMC DF), les puits climatiques hydrauliques (PCH) ou aérauliques, qu'il s'agisse de puits canadien ou de puits provençaux (PPH), les Chauffe-Eau Solaire Individuel (CESI), les Systèmes Solaires Combinés (SSC) ou encore les récupérateurs de chaleur sur l'eau des douches (RCED) en font en effet tout autant, souvent bien mieux et sans gaz à effet de serre bien plus nocif pour le climat que le gaz carbonique. Pourquoi alors ne pas les comparer entre eux et surtout avec les systèmes thermodynamiques?
À temps que faire, pourquoi ne pas rajouter à ce comparatif les menuiseries passives qui sont en grande partie les systèmes de chauffage des maisons passives? Elles n'ont même pas besoin de transporter l'énergie, elles se contentent simplement de la laisser passer en l'empêchant de repartir. Enfin, pourquoi ne pas également inclure les kits photovoltaïques dont la production électrique peut, au moins pour le surplus produit mais non utilisable instantanément sur site, être transformée et même stockée sous forme chaleur dans un CESI par exemple.
Pour résumer, pourquoi ne pas comparer tous les systèmes produisant de la chaleur, quelle que soit leur nature? Pourquoi ne pas comparer les quantités de chaleur qu'ils sont capables de produire en fonction de l'énergie qu'ils nécessitent pour le faire? Ajouter un moyen simple de comparaison des performances, un COP, à ceux des coûts d'investissement et d'entretien ainsi qu'à leur durée de vie permettrait de choisir facilement, en connaissance de cause, sans se contenter de ne regarder que le prix d'achat, sans risque de se tromper sur le coût global à long terme, entre, par exemple, un Chauffe Eau Thermodynamique individuel (CETI) et un CESI.
Vers un coefficient de performance qui facilite la comparaison
Pour pouvoir comparer les performances énergétiques, il faut des éléments comparables. Le SCOP, défini ci-avant, serait un candidat idéal, car il correspond exactement à la comparaison à réaliser. La difficulté est alors de savoir comment faire, car les appareils classiques ne bénéficient pas de ce coefficient! La solution paraît simple. Il suffit de le calculer, quand c'est possible évidemment! Contrairement à ce que l'on peut penser, ce n'est pas très compliqué, car les performances des systèmes sont disponibles. La consommation d'énergie est toujours connue en fonctionnement normal. L'efficacité thermique d'une VMC double flux ou le taux de couverture d’un CESI, le sont également. L'énergie fournie par un puits provençal et celle qu'il consomme peuvent être connues.
Les conséquences immédiates du calcul des coefficients de performances
Les calculs se compliquent notamment pour les fenêtres et pour les récupérateurs de chaleur sur l'eau des douches, mais ce n'est finalement pas étonnant, car ces équipements n'ont aucun équivalent en termes de performances… ils fournissent simplement de l'énergie propre et gratuite pour chauffer la construction ou l'Eau Chaude Sanitaire (ECS), sans qu'aucune source d'énergie payante ne soit nécessaire pour les faire fonctionner. Cette remarque, à elle seule, donne immédiatement une idée des meilleurs choix possible en ce qui concerne les équipements de production de chaleur. Investir avant tout sur la qualité des fenêtres et dans les systèmes de récupération de chaleur sur les douches est clairement le meilleur choix possible en termes de performances énergétiques, même si ces équipements ne sont pas suffisamment puissants pour fournir à eux seuls toute l'énergie nécessaire.
Les fenêtres passives et les récupérateurs de chaleur sur les douches
sont les systèmes de production de chaleur les plus efficaces
Récupérer l'énergie est un devoir
En attendant de connaître les résultats souvent édifiants, il est une chose certaine :
Parce que l'énergie est un droit auquel certains n'ont pas accès, la récupérer est un devoir
Arrêtons d'acheter l'énergie polluante, récupérons d'abord celle gratuite et non polluante que nous jetons!
Alors au final, en dehors des fenêtres et des récupérateurs de chaleur sur douche, quels sont les systèmes les plus performants : les systèmes thermodynamiques ou les systèmes classiques de transport ou de récupération de l'énergie… si c'est sur ce site, vous devez en avoir une petite idée qui sera probablement en dessous de la vérité. A ce propos, avez-vous une idée de la proportion d'énergie récupérée par une VMC double flux de bonne qualité pour préchauffer l'air neuf par rapport à celle qui lui est fournie pour son fonctionnement? La moitié? L'équivalent? Deux fois plus? Dix fois plus? L'article suivant "Le COP équivalent d'une VMC double flux" vous donne une explication et des résultats.
En résumé :
• Le COP est le COefficient de Performance des systèmes thermodynamiques. C'est le rapport entre l'énergie fournie par l'appareil et celle nécessaire à son fonctionnement. Le COP équivalent est un COP calculé suivant les mêmes principes mais pour des appareils non thermodynamiques qui n'en bénéficient pas.
- Le SCOP est le COefficient de Performance Saisonnier des systèmes thermodynamiques déterminé sur une saison de chauffe type qui permet de comparer et donc de choisir entre différents équipements. Le SCOP équivalent est destiné aux matériels qui n'en bénéficient pas.
- Le SCOP peut s'adapter à tous les systèmes de transport de la chaleur.
Thème 16 - Les performances des équipements