Chauffage central

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Un système de chauffage central fournit de la chaleur à tout l’intérieur d’un bâtiment (ou d’une partie d’un bâtiment) d’un point à plusieurs pièces. Lorsqu’il est combiné à d’autres systèmes afin de contrôler le climat du bâtiment, l’ensemble du système peut être un système CVC (chauffage, ventilation et climatisation).

Vue d’ensemble

Le chauffage central diffère du chauffage des locaux par le fait que la production de chaleur s’effectue en un seul endroit, par exemple dans une chaufferie ou un sous-sol d’une maison ou dans une salle mécanique d’un grand bâtiment (mais pas nécessairement au point géométriquement « central »). La chaleur est distribuée dans tout le bâtiment, généralement par l’air pulsé dans les conduits, par l’eau circulant dans les tuyaux ou par la vapeur qui circule dans les tuyaux. La méthode la plus courante de production de chaleur consiste à brûler du combustible fossile dans un four ou une chaudière.

Dans une grande partie de la zone climatique tempérée, la plupart des maisons individuelles sont équipées de chauffage central depuis avant la Seconde Guerre mondiale. Là où le charbon était facilement disponible (c’est-à-dire dans la région charbonnière de l’anthracite dans le nord-est de la Pennsylvanie), les systèmes à vapeur ou à eau chaude alimentés au charbon étaient courants. Plus récemment, elles ont été mises à jour pour utiliser du mazout ou du gaz comme source de combustion, éliminant le besoin d’un grand réservoir de stockage de charbon près de la chaudière et le besoin d’enlever et de jeter les cendres après que le charbon ait brûlé. Les systèmes alimentés au charbon sont maintenant principalement réservés aux grands bâtiments.

Une alternative moins chère à l’eau chaude ou à la vapeur est l’air chaud forcé. Un générateur d’air chaud brûle du mazout, qui chauffe l’air dans un échangeur de chaleur, et des ventilateurs soufflants font circuler l’air chauffé à travers un réseau de conduits dans les pièces du bâtiment. Ce système est moins coûteux parce que l’air circule dans une série de conduits au lieu de tuyaux et qu’il ne nécessite pas l’installation d’un tuyauteur. L’espace entre les solives de plancher peut être encastré et utilisé comme une partie du réseau de conduits, ce qui réduit davantage les coûts.

Les systèmes de chauffage électrique sont moins courants et ne sont pratiques qu’avec de l’électricité à faible coût ou lorsque des pompes à chaleur géothermique sont utilisées. Compte tenu du système combiné de la centrale thermique et du chauffage par résistance électrique, l’efficacité globale sera inférieure à celle de l’utilisation directe de combustibles fossiles pour le chauffage des locaux.

D’autres bâtiments utilisent le chauffage solaire central, auquel cas le système de distribution utilise normalement la circulation de l’eau.

Les appareils de chauffage au gaz et le chauffage urbain constituent des solutions de rechange à de tels systèmes. Le chauffage urbain utilise la chaleur résiduelle d’un procédé industriel ou d’une centrale électrique pour fournir de la chaleur aux bâtiments voisins. Comme dans le cas de la cogénération, la circulation de l’eau chaude ou de la vapeur dans la tuyauterie souterraine est nécessaire.

Chauffage central moderne

Les trois principales méthodes de chauffage central ont été développées entre la fin du XVIIIe et le milieu du XIXe siècle.

Air chaud

William Strutt a conçu un nouveau bâtiment de moulin à Derby avec un four central à air chaud en 1793, bien que l’idée avait déjà été proposée par John Evelyn presque cent ans auparavant. La conception de Strutt consistait en un grand poêle qui chauffait l’air provenant de l’extérieur par un grand passage souterrain. L’air était ventilé à travers le bâtiment par de grands conduits centraux.

En 1807, il collabore avec un autre éminent ingénieur, Charles Sylvester, à la construction d’un nouveau bâtiment pour abriter l’infirmerie royale de Derby. Sylvester a joué un rôle déterminant dans l’application du nouveau système de chauffage de Strutt pour le nouvel hôpital. Il a publié ses idées dans The Philosophy of Domestic Economy, comme en témoigne le mode de chauffage, ventilation, lavage, séchage et cuisson, …. dans le Derbyshire General Infirmary en 1819. Sylvester a documenté les nouvelles façons de chauffer les hôpitaux qui ont été incluses dans la conception, et les caractéristiques plus saines telles que les toilettes autonettoyantes et les toilettes à air frais. Le nouveau système de chauffage de l’infirmerie permettait aux patients de respirer de l’air frais chauffé tandis que l’air ancien était canalisé vers un dôme en verre et en fer au centre.

Leurs conceptions se sont avérées très influentes. Ils ont été largement copiés dans les nouveaux moulins des Midlands et ont été constamment améliorés, atteignant leur maturité avec les travaux de de Chabannes sur la ventilation de la Chambre des communes dans les années 1810. Ce système est resté la norme pour le chauffage des petits bâtiments pendant le reste du siècle.

Vapeur

En 1594, l’écrivain anglais Hugh Plat a proposé un système de chauffage central à vapeur pour une serre, bien qu’il s’agisse d’un cas isolé qui ne fut suivi qu’au XVIIIe siècle. Le colonel Coke conçut un système de tuyaux qui transporterait la vapeur autour de la maison à partir d’une chaudière centrale, mais c’est James Watt, l’inventeur écossais, qui fut le premier à construire un système fonctionnel dans sa maison.

Une chaudière centrale fournissait de la vapeur à haute pression qui distribuait ensuite la chaleur à l’intérieur du bâtiment par un système de tuyaux encastrés dans les colonnes. Il a mis en œuvre le système à une échelle beaucoup plus grande dans une usine textile à Manchester. Robertson Buchananan a écrit la description définitive de ces installations dans ses traités publiés en 1807 et 1815. L’ouvrage de Thomas Tredgold intitulé Principles of Warming and Ventilating Public Buildings, décrit la méthode d’application du chauffage à la vapeur chaude aux petits bâtiments non industriels. Cette méthode avait remplacé les systèmes à air chaud à la fin du 19e siècle.

Eau chaude

Les premiers systèmes d’eau chaude étaient utilisés en Russie pour le chauffage central du Palais d’été (1710-1714) de Pierre le Grand à Saint-Pétersbourg. Un peu plus tard, en 1716, vint la première utilisation de l’eau en Suède pour la distribution de chauffage dans les bâtiments. Mårten Triewald, un ingénieur suédois, a utilisé cette méthode pour une serre à Newcastle upon Tyne. Jean Simon Bonnemain (1743-1830), architecte français, a présenté cette technique à l’industrie sur une coopérative, au Château du Pêcq, près de Paris.

Cependant, ces tentatives éparses ont été isolées et principalement confinées dans leur application aux serres. Tredgold a d’abord rejeté son utilisation comme peu pratique, mais il a changé d’avis en 1836, lorsque la technologie est entrée dans une phase de développement rapide.

Les premiers systèmes utilisaient des systèmes d’eau à basse pression, qui nécessitaient de très gros tuyaux. Dans les années 1830, Angier March Perkins installe à Londres l’un des premiers systèmes modernes de chauffage central à eau chaude pour remédier à cette carence. A cette époque, le chauffage central était à la mode en Grande-Bretagne, avec des systèmes à vapeur ou à air chaud généralement utilisés.

L’appareil Perkins de 1832 distribuait l’eau à 200 degrés Celsius (392 °F) par des tuyaux de petit diamètre à haute pression. Une invention cruciale pour rendre le système viable était le raccord fileté à vis, qui permettait au joint entre les tuyaux de supporter une pression similaire à celle du tuyau lui-même. Il a également séparé la chaudière de la source de chaleur pour réduire le risque d’explosion. La première unité a été installée dans la maison du gouverneur de la Banque d’Angleterre, John Horsley Palmer, afin qu’il puisse cultiver des raisins dans le climat froid de l’Angleterre.

Ses systèmes ont été installés dans des usines et des églises à travers le pays, beaucoup d’entre eux restant dans un état utilisable pendant plus de 150 ans. Son système a également été adapté pour être utilisé par les boulangers dans le chauffage de leurs fours et dans la fabrication du papier à partir de pâte de bois.

Franz San Galli, un homme d’affaires russe d’origine prussienne vivant à Saint-Pétersbourg, a inventé le radiateur entre 1855 et 1857, ce qui a constitué une étape importante dans la conception finale du chauffage central moderne. Le radiateur victorien en fonte s’est répandu à la fin du XIXe siècle, à mesure que des entreprises telles que l’American Radiator Company ont élargi le marché des radiateurs à bas prix aux États-Unis et en Europe.

Sources d’énergie

La source d’énergie choisie pour un système de chauffage central varie selon la région. La source d’énergie primaire est choisie en fonction de son coût, de sa commodité, de son efficacité et de sa fiabilité. Le coût énergétique du chauffage est l’un des principaux coûts d’exploitation d’un bâtiment dans un climat froid. Certaines centrales de chauffage central peuvent changer de combustible pour des raisons d’économie et de commodité ; par exemple, le propriétaire d’une maison peut installer un générateur d’air chaud au bois avec système électrique de secours pour un fonctionnement occasionnel sans surveillance.

Les combustibles solides comme le bois, la tourbe ou le charbon peuvent être stockés au point d’utilisation, mais sont peu pratiques à manipuler et difficiles à contrôler automatiquement. Le bois de chauffage est toujours utilisé là où l’approvisionnement est abondant et où les occupants du bâtiment ne s’inquiètent pas du travail nécessaire pour transporter le combustible, enlever les cendres et entretenir l’incendie. Les systèmes d’alimentation en granules peuvent automatiquement alimenter le feu, mais il faut quand même enlever manuellement les cendres. Le charbon était autrefois un important combustible de chauffage résidentiel, mais on en trouve rarement aujourd’hui.

Les combustibles liquides sont des produits pétroliers tels que le mazout de chauffage et le kérosène. Ils sont encore largement utilisés là où d’autres sources de chaleur ne sont pas disponibles. Le mazout peut être chauffé automatiquement dans un système de chauffage central et ne nécessite aucun enlèvement de cendres et peu d’entretien du système de combustion. Cependant, le prix variable du pétrole sur les marchés mondiaux conduit à des prix erratiques et élevés par rapport à d’autres sources d’énergie. Les systèmes de chauffage institutionnels (immeubles de bureaux ou écoles, par exemple) peuvent utiliser du combustible de soute de qualité inférieure et peu coûteux pour faire fonctionner leurs centrales de chauffage, mais le coût en capital est élevé comparativement aux combustibles liquides plus faciles à gérer.

Le gaz naturel est un combustible de chauffage très répandu en Amérique du Nord et en Europe du Nord. Les brûleurs à gaz sont contrôlés automatiquement et ne nécessitent aucun enlèvement de cendres et peu d’entretien. Cependant, toutes les régions n’ont pas accès à un réseau de distribution de gaz naturel. Le gaz de pétrole liquéfié ou le propane peuvent être stockés au point d’utilisation et périodiquement réapprovisionnés par un réservoir mobile monté sur camion.

Dans certaines régions, l’énergie électrique est peu coûteuse, ce qui rend le chauffage électrique économiquement pratique. Le chauffage électrique peut être un chauffage purement à résistance ou utiliser un système de pompe à chaleur pour tirer parti de la chaleur de faible qualité de l’air ou du sol.

Un système de chauffage à distance utilise des chaudières ou des chauffe-eau centraux et fait circuler l’énergie thermique vers les clients individuels en faisant circuler de l’eau chaude ou de la vapeur. Ceci présente l’avantage d’un convertisseur d’énergie central à haut rendement énergétique qui peut utiliser les meilleurs contrôles de pollution disponibles et qui est exploité de manière professionnelle. Le système de chauffage urbain peut utiliser des sources de chaleur peu pratiques à déployer dans les maisons individuelles, comme le mazout lourd, les sous-produits du bois ou (hypothétiquement) la fission nucléaire. Le réseau de distribution est plus coûteux à construire que pour le chauffage au gaz ou à l’électricité, et ne se trouve donc que dans les zones densément peuplées ou les communautés compactes.

Tous les systèmes de chauffage central n’ont pas besoin d’énergie achetée. Quelques bâtiments sont desservis par la chaleur géothermique locale, utilisant de l’eau chaude ou de la vapeur provenant d’un puits local pour chauffer le bâtiment. De telles zones sont rares. Un système solaire passif ne nécessite pas d’achat de combustible mais doit être soigneusement conçu pour le site.

Calcul de la puissance de chauffage nécessaire

Les puissances de chauffage sont mesurées en kilowatts ou en BTU par heure. Pour le placement dans une maison, le chauffage et le niveau de puissance requis pour la maison doivent être calculés. Ce calcul est effectué en enregistrant divers facteurs, notamment ce qui se trouve au-dessus et au-dessous de la pièce à chauffer, le nombre de fenêtres, le type de murs extérieurs de la propriété et divers autres facteurs qui détermineront le niveau de chaleur requis pour chauffer adéquatement l’espace. Ce calcul est appelé calcul des pertes de chaleur et peut être fait avec un calculateur de BTU. Selon le résultat de ce calcul, l’appareil de chauffage peut être adapté exactement à la maison.

Facturation

La production de chaleur peut être mesurée par des répartiteurs de coûts de chaleur, de sorte que chaque unité peut être facturée individuellement même s’il n’y a qu’un seul système centralisé.

Chauffage de l’eau

L’eau chaude sanitaire peut être utilisée pour le chauffage central. Ces systèmes sont parfois appelés systèmes de chauffage hydronique.

Les composants communs d’un système de chauffage central utilisant la circulation de l’eau sont les suivants :

  • Une alimentation en combustible, en électricité ou en chauffage urbain
  • Une chaudière (ou un échangeur de chaleur pour le chauffage urbain) qui chauffe l’eau dans le système
  • Pompe pour faire circuler l’eau
  • Radiateurs par lesquels passe l’eau chauffée afin de libérer de la chaleur dans les pièces.

Les systèmes de circulation d’eau utilisent une boucle fermée ; la même eau est chauffée puis réchauffée. Un système étanche fournit une forme de chauffage central dans lequel l’eau utilisée pour le chauffage circule indépendamment de l’alimentation normale en eau du bâtiment.

Un vase d’expansion contient du gaz comprimé, séparé de l’eau du système d’étanchéité par une membrane. Cela permet des variations normales de pression dans le système. Une soupape de sécurité permet à l’eau de s’échapper du système lorsque la pression devient trop élevée, et une soupape peut s’ouvrir pour refaire le plein d’eau de l’alimentation normale si la pression chute trop bas. Les systèmes étanches offrent une alternative aux systèmes à évents ouverts, dans lesquels la vapeur peut s’échapper du système et être remplacée par l’alimentation en eau du bâtiment via un système d’alimentation et de stockage central.

Les systèmes de chauffage au Royaume-Uni et dans d’autres parties de l’Europe combinent couramment les besoins de chauffage des locaux avec ceux du chauffage de l’eau chaude sanitaire. Ces systèmes sont moins courants aux États-Unis. Dans ce cas, l’eau chauffée dans un système hermétique traverse un échangeur de chaleur dans un réservoir d’eau chaude ou un ballon d’eau chaude où elle chauffe l’eau provenant de l’alimentation régulière en eau potable pour être utilisée aux robinets ou aux appareils tels que les machines à laver ou lave-vaisselle.

Les systèmes de planchers chauffants à eau chaude par rayonnement utilisent une chaudière ou un chauffage à distance pour chauffer l’eau et une pompe pour faire circuler l’eau chaude dans des tuyaux en plastique installés dans une dalle de béton. Les tuyaux, encastrés dans le plancher, transportent de l’eau chaude qui conduit la chaleur à la surface du plancher, où elle diffuse de l’énergie thermique dans la pièce située au-dessus. Les systèmes de chauffage hydronique sont également utilisés avec des solutions antigel dans les systèmes de fonte de la glace et de la neige pour les trottoirs, les stationnements et les rues. Ils sont plus couramment utilisés dans les projets de planchers chauffants radiants commerciaux et pour l’ensemble de la maison, tandis que les systèmes de chauffage radiant électrique sont plus couramment utilisés dans les petites applications de  » chauffage ponctuel « .

Chauffage à la vapeur

Un système de chauffage à vapeur profite de la chaleur latente élevée qui se dégage lorsque la vapeur se condense en eau liquide. Dans un système de chauffage à vapeur, chaque pièce est équipée d’un radiateur relié à une source de vapeur basse pression (une chaudière). La vapeur qui entre dans le radiateur se condense et abandonne sa chaleur latente pour retourner à l’eau liquide. Le radiateur chauffe à son tour l’air de la pièce et fournit une certaine chaleur radiante directe. L’eau de condensation retourne à la chaudière par gravité ou à l’aide d’une pompe. Certains systèmes n’utilisent qu’un seul tuyau pour le retour combiné de vapeur et de condensat. Comme l’air emprisonné empêche une circulation adéquate, ces systèmes sont munis de vannes d’aération pour permettre la purge de l’air. Dans les bâtiments domestiques et les petits bâtiments commerciaux, la vapeur est produite à une pression relativement basse, inférieure à 200 kPa (15 psig).

Les systèmes de chauffage à vapeur sont rarement installés dans les nouvelles constructions résidentielles unifamiliales en raison du coût de l’installation de la tuyauterie. Les tuyaux doivent être soigneusement inclinés pour éviter le blocage du condensat emprisonné. Comparativement à d’autres méthodes de chauffage, il est plus difficile de contrôler le rendement d’un système à vapeur. Cependant, la vapeur peut être envoyée, par exemple, entre les bâtiments d’un campus pour permettre l’utilisation d’une chaudière centrale efficace et d’un combustible peu coûteux. Les bâtiments de grande hauteur profitent de la faible densité de vapeur pour éviter la pression excessive nécessaire pour faire circuler l’eau chaude d’une chaudière montée au sous-sol. Dans les systèmes industriels, la vapeur industrielle utilisée pour la production d’électricité ou à d’autres fins peut également être utilisée pour le chauffage des locaux. La vapeur pour les systèmes de chauffage peut également être obtenue à partir de chaudières à récupération de chaleur utilisant de la chaleur perdue provenant de procédés industriels.

Chauffages électriques

Le chauffage électrique ou à résistance convertit l’électricité directement en chaleur. La chaleur électrique est souvent plus chère que la chaleur produite par les appareils de combustion comme le gaz naturel, le propane et le mazout. La chaleur par résistance électrique peut être fournie par des plinthes chauffantes, des appareils de chauffage d’appoint, des appareils de chauffage par rayonnement, des appareils de chauffage, des appareils de chauffage mural ou des systèmes à accumulation thermique.

Les appareils de chauffage électrique font habituellement partie d’un ventilo-convecteur qui fait partie d’un climatiseur central. Ils font circuler la chaleur en soufflant de l’air à travers l’élément chauffant qui est fourni au four par des conduits de retour d’air. Les soufflantes des fours électriques déplacent l’air sur une à cinq bobines de résistance ou éléments qui sont habituellement d’une puissance nominale de cinq kilowatts. Les éléments chauffants s’activent un à la fois pour éviter de surcharger le système électrique. La surchauffe est évitée par un interrupteur de sécurité appelé régulateur de fin de course ou interrupteur de fin de course. Ce contrôleur de limite peut arrêter la fournaise si le ventilateur tombe en panne ou si quelque chose bloque le débit d’air. L’air chauffé est ensuite renvoyé dans la maison par des conduits d’alimentation.

Dans les applications commerciales de plus grande envergure, le chauffage central est assuré par un appareil de traitement de l’air qui incorpore des composants semblables à ceux d’un appareil de chauffage, mais à plus grande échelle.

Un four de données utilise des ordinateurs pour convertir l’électricité en chaleur tout en traitant simultanément les données.

Pompes à chaleur

Dans les climats doux, une thermopompe à air peut être utilisée pour climatiser le bâtiment par temps chaud et pour réchauffer le bâtiment en utilisant la chaleur extraite de l’air extérieur par temps froid. Les thermopompes à air ne sont généralement pas économiques pour des températures extérieures bien inférieures au point de congélation. Dans les climats plus froids, les pompes à chaleur géothermiques peuvent être utilisées pour extraire la chaleur du sol. Pour des raisons d’économie, ces systèmes sont conçus pour des températures hivernales moyennes basses et utilisent le chauffage d’appoint dans des conditions de températures extrêmement basses. L’avantage de la pompe à chaleur est qu’elle réduit l’énergie achetée nécessaire au chauffage du bâtiment ; souvent, les systèmes géothermiques fournissent également de l’eau chaude sanitaire. Même dans les endroits où les combustibles fossiles fournissent le plus d’électricité, un système géothermique peut compenser la production de gaz à effet de serre puisque la majeure partie de la chaleur est fournie par l’environnement environnant, avec seulement 15 à 30 % de la consommation électrique.

Aspects environnementaux

Du point de vue de l’efficacité énergétique, une quantité considérable de chaleur est perdue ou gaspillée si une seule pièce a besoin d’être chauffée, car le chauffage central a des pertes de distribution et (dans le cas des systèmes à air pulsé en particulier) peut chauffer certaines pièces inoccupées sans besoin. Dans les bâtiments qui ont besoin d’un chauffage isolé, on peut envisager des systèmes non centraux tels que des appareils de chauffage individuels, des cheminées ou d’autres appareils. Sinon, les architectes peuvent concevoir de nouveaux bâtiments qui peuvent pratiquement éliminer le besoin de chauffage, comme ceux construits selon la norme de la maison passive.

Cependant, si un bâtiment a besoin d’un chauffage complet, le chauffage central à combustion peut offrir une solution plus écologique que le chauffage par résistance électrique. Cela s’applique lorsque l’électricité provient d’une centrale à combustible fossile, avec jusqu’à 60 % de l’énergie perdue dans le combustible (à moins qu’il ne soit utilisé pour le chauffage urbain) et environ 6 % en pertes de transport. En Suède, il existe des propositions visant à éliminer progressivement le chauffage électrique direct pour cette raison (voir l’élimination progressive du pétrole en Suède). Les sources nucléaires, éoliennes, solaires et hydroélectriques réduisent ce facteur.

Par contre, les systèmes de chauffage central à eau chaude peuvent utiliser de l’eau chauffée à l’intérieur ou à proximité du bâtiment à l’aide de chaudières à condensation à haut rendement, de biocarburants ou de chauffage urbain. Le chauffage par le sol humide s’est avéré idéal. Ceci offre la possibilité d’une conversion relativement facile à l’avenir pour l’utilisation de technologies en développement telles que les pompes à chaleur et les systèmes solaires combinés, offrant ainsi également une protection contre l’avenir.

Les efficacités typiques pour le chauffage central (mesurées à l’achat d’énergie par le client) sont : 65 à 97 % pour le chauffage au gaz, 80 à 89 % pour le chauffage au mazout et 45 à 60 % pour le chauffage au charbon.

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