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Dictionnaire du chauffage électrique



Les déperditions d'un chauffage électrique

Rendements et pertes thermiques

A la différence des chauffages à combustible dont le rendement peut varier de façon importante selon le type de chaudière ou de poêle utilisé, le chauffage électrique affiche des pertes de fonctionnement moins importantes et moins faciles à mettre en évidence en raison du rendement de transformation électricité chaleur proche de 100%.

Le rendement d'un chauffage électrique   1 = Rendement de stockage

2 = Rendement de distribution

3 = Rendement d'émission


Explications: La perte de rendement par le système de stockage est évaluée à 3% si la chaudière ou autre cuve de stockage se situe hors du volume protégé (pièce non chauffée). La perte de distribution dans les canalisations de chauffage est calculée précisément ou estimée de façon forfaitaire à une perte de rendement de 5% lorsqu'une partie du réseau de tuyauterie passe par une zone non chauffée.

Enfin les pertes qui nous intéressent plus particulièrement sont celles dites d'émisssion régulation, les seules déperditions qui existent dans l'usaqge d'un émetteur de chaleur électrique direct.

Ces pertes sont liées à la qualité de la chaleur fournie par les différents types d'émetteurs de chaleur (convecteur, panneau rayonnant, radiateur, plancher rayonnant...) et à la performance de la régulation.

Le rendement d'émissison mesure la différence entre la quantité de chaleur émise par le corps de chauffe et la quantité de chaleur émise par le coprs de chauffe qui est réellement utile au chauffage.
 


L'énergie électrique et la chaleur

Le rendement énergétique d'un émetteur de chaleur électrique direct est de 100% quelque soit la technologie mise en oeuvre. La production de chaleur d'un récepteur ohmique (une résistance) répond à une règle physique simple appelée effet Joule. Toute l'énergie électrique qui traverse la résistance est transformée et dissipée en énergie sous forme de chaleur.

Loi de Joule W=R.I².t;

L'énergie exprimée en Joules est l'intégration de la puissance (P=R.I² en Watts) dans le temps (seconde). Les électriciens utilisent par déformation le kilowattheure (KW.h) qui équivaut à l'énergie fournie par une puissance de 1 kilowatt pendant 1 heure, soit 3.600.000 Joules.

L'effet joule nous enseigne donc que toute l'électricité consommée par un radiateur ou un convecteur est transformée en chaleur. Ainsi, il peut sembler vain d'essayer d'améliorer le chauffage électrique direct, et inutile de différencier les différentes technologies de chauffage électrique. Pourtant, comme nous l'enseigne la chaîne des rendements et contrairement aux idées reçues, la consommation de chauffage d'un logement peut varier sensiblement en fonction du type d'émetteurs de chaleur. L'efficacité énergétique d'un chauffage dépend du comportement dynamique des émetteurs de chaleur dans leur environnement. La maîtrise de la consommation dépend de choix qui prennent en compte les caractéristiques des appareils de chauffage (part convective, part radiative, régulation, réactivité) et les caractéristiques du logement (taux de renouvellement de l'air, isolation des parois, inertie, usage, climat).


Quels sont les émetteurs de chaleur électriques les plus économiques ?

La consommation d'énergie pour chauffer à une température donnée une habitation ne dépend pas uniquement des déperditions vers l'extérieur (qualité de l'isolation des parois et mode de renouvellement de l'air), mais aussi de déperditions internes induites par le mode de transmission de la chaleur et sa régulation. La question délicate à laquelle doit répondre le thermicien est quel est le meilleur émetteur de chaleur pour ce type de bâtiment ?

Une mauvaise répartition de la chaleur dans l'espace et des points chauds (déperditions spatiales), des pics de chaleur et une oscillation autour de la consigne (déperditions temporelles) sont des facteurs importants de surconsommation. Dans une ambiance dégradée (air chaud et parois froides), le confort thermique des habitants est mauvais, et ceux-ci sont tentés de pousser un peu plus le thermostat, ce qui s'ajoute au facteur de surconsommation intrinsèque aux mauvais émetteurs de chaleur.

Consommation
=
Température de Consigne + Variation Temporelle + Variation Spatiale


Ces déperditions sont principalement liées aux modes de transfert de la chaleur par haute température et par convection. Un chauffage de bonne qualité qui produit un bon confort thermique est naturellement moins énergivore. Si le prix d'achat pour des radiateurs de qualité est élevé, il sera généralement amorti en quelques années par les économies d'électricité.

Les performances d'un radiateurs (consommation et confort) dépendent en grande partie de la qualité de la surface d’échange avec l'air ambiant. Plus le corps du radiateur est important et massique, plus celui-ci peut travailler en basse température ce qui améliore le confort thermique et réduit la consommation : la part de convection se réduit au profit du rayonnement, la chaleur est mieux répartie, plus agréable et l'air est moins déshydraté.


Déperditions spatiales et temporelles sont les facteurs de surconsommation

  • La convection : Dans une pièce de 2,5 mètres sous plafond, un appareil de chauffage fortement convectif peut engendrer un gradient de température de 6 degrés entre le sol et le plafond. Plus de 30% de la chaleur produite est ainsi gaspillée, car pour atteindre 20 degré au niveau du sol, il faut 26 degré au plafond ! Tous les émetteurs de chaleur transfèrent leur énergie avec des proportions différentes de rayonnement et de convection. Cela dépend principalement de la température des surfaces chauffantes en contact avec l'air, de leur orientation, de leur forme, et de la nature des matériaux.

    Autre point noir pour le chauffage convectif : la convection transfère les calories dans l'air. Le renouvellement total de l'air d'une habitation par la ventilation demande 4 à 6 heures. Ainsi, la chaleur stockée majoritairement dans l'air par les chauffages convectifs est expulsée à l'extérieur en commençant par l'air le plus chaud situé en hauteur au niveau des grilles d'aération.

  • Le manque de stabilité : Le fonctionnement par périodes successives d'arrêt et de marche qui caractérise les chauffages sans inertie et à régulation peu précise produit des vagues de chaleur. Les pics de température sont autant d'énergie gaspillée. De plus, les occupants n'arrivent pas à trouver leur équilibre thermique, et augmentent la température ambiante pour compenser les sensations de froid ressenties pendant les trous d'émission du chauffage.

Tous les efforts de ces dernières décennies pour améliorer le confort et réduire la consommation des radiateurs électriques ont convergé vers la réduction des émissions convectives et des fluctuations de température.

Pour atteindre ces objectifs, les fabricants d'appareils de chauffage ont orienté leurs recherches dans plusieurs directions : des thermostats électroniques précis et réactifs, l'ajout d'inertie pour la stabilité, l'abaissement de la température des surfaces chauffantes en contact avec l'air, l'utilisation de matériaux dont l'émissivité dans l'infrarouge est plus importante, l'augmentation de la taille de la façade rayonnante, l'amélioration des formes du corps de chauffe...

Les systèmes de chauffage à air chaud de type air pulsé, pompe à chaleur ne génèrent pas de stratification comme les émetteurs de chaleur convective, ils sont cependant plus énergivores que les meilleurs émetteur de chaleur radiant basse température.


Quatre technologies pour fabriquer des émetteurs de chaleur basse température (70°C max) :

  • Le coeur de chauffe à forte inertie : Le radiateur est composé d'un coeur de chauffe à forte inertie qui emmagasine l'énergie d'une résistance qui chauffe par à-coups à 300°C. Le coeur transmet sans contact direct son énergie au corps de chauffe qui la redistribue en continu à une température plus faible. On utilise l'effet de masse (inertie) des matériaux réfractaires.

  • Le corps de chauffe à forte inertie : La façade du radiateur est fabriquée dans un matériau à forte capacité thermique massique qui accumule la chaleur. Plus la surface d'échange et la masse thermique sont importants, plus le radiateur travaille en basse température et assure une distribution de chaleur radiante douce.

  • Les résistances linéiques : Plafond, plancher et mur radiants utilisent d'importantes longueurs de fil résistif ou résistance linéique dont la valeur est donnée en ohms par kilomètre ou en puissance linéique, généralement inférieure à 10 W/m.

  • Les résistance pelliculaires : Miroirs radiants, panneaux en verre émettent dans l'infrarouge long (IRL sombre) et génèrent très peu de convection (10% à 30%). Cette technologie est très prometteuse. La puissance encore modeste de ces produits les confinent souvent à un usage d'appoint, ou une utilisation dans un environnement qui profite d'une très bonne isolation.

Ces radiateurs ont des caractéristiques presque idéales : Chaleur rayonnante basse température diffusée en continue, peu de convection, au moins 50% de transfert de chaleur par rayonnement, pas de point chaud, et une régulation très précise de la température. Ces exigences pour un chauffage électrique de qualité (économique et confortable) sont reprises par la norme NF Electricité Performance Catégorie C.


Une régulation précise diminue la consommation

Avec le chauffage électrique, il est facile et indispensable de s’équiper d’une régulation précise. Une température stable est nécessaire au confort thermique qui permet de trouver le bien être sans trop monter les degrés. Une température ambiante qui oscille entre 18 et 22 degrés à cause d'un thermostat à sonde mécanique fixée sur le radiateur sera perçue comme peu agréable du fait des sensations successives de chaud et de froid. Les occupants des lieux auront vite fait de monter la température pour éliminer ces désagréments, de plus les pics de température sont inutilement gourmands en énergie.

Il existe deux types de pilotage pour les émetteurs de chauffage électrique. Le pilotage embarqué sur l'émetteur de chaleur et le pilotage d'ambiance (plus efficace) qui permet la commande du chauffage pièce par pièce ou depuis un seul endroit pour toute la maison. Les normes RT 2005 et EN 15500 renforcent la précision des thermostats électroniques. Pour les PRE, une régulation haute précision peut réduire la consommation de chauffage de 20%.


Le programmateur d'ambiance adapte le chauffage à votre mode de vie

Par rapport au chauffage central à boucle d'eau et chaudière, le principal atout des radiateurs électriques est la grande souplesse avec laquelle il est possible de commander leur mise en service en fonction des besoins des occupants. Une station de programmation journalière/hebdomadaire ajustera la température des pièces en fonction de leur utilisation, ce qui facilite la vie et réduit considérablement la facture d'électricité. Pour mettre à profit les heures creuses des fournisseurs d'électricité dont les tarifs sont remisés de 40%, les systèmes à accumulation comme les planchers chauffants à forte inertie et les radiateur accumulateurs de chaleur offrent des solutions intéressantes.


Quelle température pour chauffer une maison ?

Cela dépend du métabolisme de chaque personne. Les enfants et les personnes âgées ont besoin de plus de chaleur. La norme recommande de chauffer les habitations à 19 degrés. Dans une chambre, 16 degrés est une température qui permet de trouver un meilleur sommeil. Gardez toujours à l'esprit qu'un degré de température correspond à 7% de consommation d'énergie en plus !


Calculer la consommation d'un radiateur en euros

Il est difficile de calculer la consommation électrique réel d'un radiateur car celui-ci ne fonctionne pas en continu. La résistance électrique est régulée par un thermostat qui coupe et rétablit plusieurs fois par heure l'alimentation en 220 volts selon les besoins en énergie. Il existe cependant des petits radiateur comme les miroirs radiant qui fonctionnent en continu. Il peut aussi arriver que des radiateurs très sous-dimensionnés par rapport au volume et aux besoins d'une pièce ne se coupent pratiquement pas. Pour connaître l'énergie consommée sans faire de relevé sur le compteur électrique, un petit calcul permet d'en estimer la valeur maximale :

Exemple pour un chauffage de 2000 watts :

Le Kw.h est facturé par EDF au prix de 0,1106 euros TTC. Un KW.h correspond à la consommation d'énergie d'un appareil d'une puissance de 1000 watts (1 Kw) pendant une heure. Nous prenons l'hypothèse que notre radiateur fonctionne en continu (témoin lumineux allumée). A moins qu'ils soient très fortement sous-dimensionnés par rapport aux besoins d'une pièce, les radiateurs et les convecteurs ne fonctionnent pas en permanence, même s'il distribuent la chaleur sans interruption grâce à l'inertie des matériaux. Seuls les miroirs rayonnants dont la puissance est modeste sont alimentés en régime permanent.

Consommation mensuelle en KW.h : 2 (kw) x 24 (heure) x 30 (jour) = 1440 KW.h

Consommation mensuelle en euros : 1440 x 0,1106 (euro) = 159 euros


Et la réglementation ?

Les règles de performance énergétique des bâtiments ont été définies en 2002 par la Directive européenne 2002/91/CE puis reprises par la Loi française N°2005-781 du 13/07/2005 fixant les orientations de la politique énergétique. En France, il faudra attendre la réglementation thermique 2005 pour une première prise de conscience officielle de l'aberration du chauffage convectif. Ainsi, la RT 2005 préconise d'éliminer les convecteurs Classe NF A et B au profit d’appareils rayonnants type panneaux, radiateurs et planchers chauffants électriques pour les pièces à vivre et les salles de bains. Les convecteurs de catégorie C seront réservés aux petites pièces (toilettes, dressings ,remises et couloirs).

Entrée en application au 1er janvier 2013, la RT2012 réduit par 3 la consommation maximale d'énergie primaire des logements, et permet de mieux prendre en compte les performances énergétiques des émetteurs de chaleur électriques en intégrant trois paramètres à la matrice des calculs de la Cep :
  • la variation temporelle,
  • la variation spatiale,
  • la part convective.
 

Etudes et références :

  • La méthode officielle pour le calcul de la consommation d'énergie d'une habitation en fonction de son isolation et du type de chauffage installé est décrite par l'Arrêté du 17 octobre 2012 modifiant la méthode de calcul 3CL-DPE pour le diagnostic de performance énergétique en France métropolitaine.

  • Détermination du rendemment des installations de chauffage par le CSTC (Centre Scientifique et Technique de la Construction) de Belgique.

  • Un ouvrage incontournable : "Les émetteurs de chaleur, étude comparée" publié aux Presses des Mines en 1997. Ce livre présente une étude du GREC (Groupe de l'Agence Française pour la Maîtrise de l'Energie) aujourd'hui ADEME. Pendant 5 ans, Le GREC a regroupé huit laboratoires et deux grandes sociétés (EDF et Gaz de France) avec la mission de produire des outils informatiques et des conseils pour mieux connaître les caractéristiques des émetteurs de chaleur et en faire un usage rationnel en fonction des potentialités de chaque technologie.

  • Le fabricant de chauffage électrique radiant de plafond Enerjoy a fait réaliser des études conjointement par le Centre de recherche NAHB et le département américain de Energy (DOE). Les chiffres montrent un gain de 30% par rapport au chauffage à air chaud produit par une pompe à chaleur et un gain de 52% par rapport à des plinthes chauffantes (convection douce). Lire le résumé : Enerjoy Case Study

  • Les études réalisées par le fabricant autrichien de radiateurs électriques Redwell mettent en lumière la forte surconsommation engendrée par le chauffage convectif (30% à 60%)

  • Une étude comparative menée à l’Université de Kaiserslautern en Allemagne, "Étude de cas des différences entre un chauffage infrarouge et un chauffage au gaz dans de vieux bâtiments résidentiels" a mis en évidence les avantages énergétiques du chauffage électrique infrarouge par rapport au chauffage centrale domestique au gaz. Le professeur Peter Kosack a démontré qu'il était possible de réduire l'impact CO2 et le coût du chauffage (malgré le prix avantageux du gaz) en utilisant intelligemment des panneaux à infrarouges lointains. La consommation s'en trouve fortement réduite, passant de 187 kWh/m² avec la chaudière à gaz à 71 kWh/m² avec les panneaux IRL.

  • Comprendre l'effet Joule