Chauffage solaire - bois - gaz pour une villa
et autres mesures d'économies d'énergies


François Bommier     Pibrac 31

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Mon projet a poursuivi deux buts : réduire le recours aux énergies fossiles et en particulier l'énergie nucléaire, réduire la production de CO2.
Ce projet a déjà fait l'objet d'un compte rendu pour APPER, mais les évolutions m'ont motivé pour faire un deuxième compte rendu. Celui-ci reprend tout le projet à partir du début.

La maison





200m² habitable + grand sous-sol
Une maison construite en 1986, proche du standard promotélec, achetée en 1997. Elle est équipée alors d'un chauffage électrique par convecteurs et d'un chauffe-eau électrique. Nous l'avons équipée dès 1997 d'une installation au gaz naturel pour le chauffage et l'eau chaude sanitaire. Son assez bon niveau d'isolation nous permet alors de consommer 18000kwh/an de gaz ce qui correspond à 90kwh/m²/an pour les usages de chauffage, eau chaude et cuisine.
Dans notre région (à proximité de Toulouse), le besoin en chauffage de la maison s'étend en général sur 6 mois, de la fin octobre au début avril.

Les travaux

Nous avons envisagé plusieurs travaux dont nous avons comparé l'efficacité. Ceci est synthétisé dans un tableau.




Le choix des travaux à faire a été fait en considérant l'efficacité mais pas seulement, puisque la justification du projet n'est pas que économique. Il s'agit plutôt de faire le plus d'économie d'énergie et le moins d'émission de carbone possible à partir d'une somme limitée. D'autres critères sont aussi pris en compte. Par exemple l'isolation du toit de la chambre sud a été fait au moment de la pose des capteurs photovoltaïques sur ce même toit afin d'éviter d'avoir à démonter ces capteurs plus tard.
On constate que ré isoler une partie de la maison déjà isolée est rarement intéressant. On gagne dans les parties « oubliées » comme le haut du mur du salon (les 60cm les plus hauts n'avaient pas été isolés).
Le gain de certains travaux est difficile à évaluer. Par exemple, la porte d'entrée ayant vrillée, il y avait des fuites d'air.
L'installation de la chaudière de salon à bois (aussi appelée poêle bouilleur) ne fait pas faire d'économie importante dans le cas où on achète le bois. L'économie ne justifie pas l'investissement. Cependant, c'est un recours à une énergie renouvelable. C'est aussi un gros confort de se tenir devant la chaudière de salon qui se trouve dans la salle de séjour. Son effet de rayonnement de chaleur est très agréable dans une maison qui par ailleurs est chauffée à une température modérée (18,5° à 19,5°). Elle remplace une cheminée à foyer ouvert qui fonctionnait mal (mauvais tirage).

L'installation de chauffage dans son ensemble

Le chantier le plus important a donc porté sur l'installation de chauffage. Il y a 3 chaudières : une chaudière solaire utilisée au maximum de ce qu'elle peut donner. Une chaudière de salon à bois utilisée en fonction de la température dans le salon (les radiateurs du salon sont habituellement fermés) et une chaudière à gaz qui assure le complément.



Le diagramme n'est pas complet, il montre le principe. Il manque le vase d'expansion, le pot de désembouage et de nombreuses vannes d'arrêt ou de sécurité. Les 3 chaudières sont montées en série. Le by-pass de la chaudière solaire est commandé par un simple thermostat qui compare les températures du fluide de retour  (en amont) et la température du stock de chaleur. Le circulateur de la chaudière à bois est commandé par un thermostat, il y a un doigt de gant prévu dans la chaudière pour la sonde de température. Allumage pour 55°, extinction pour 50° (il faut le désactiver l'été). La vanne thermo est réglée sur 60°. C'est le réglage préconisé par le fabricant. Le fonctionnement de la chaudière à bois est assez sensible à cette température, si l'on règle la vanne à une température plus basse de 5°C, le feu a tendance à s'éteindre.
La production d'eau chaude sanitaire peut être faite par n'importe laquelle des 3 chaudières. La commande de chauffage de l'ECS par la chaudière solaire s'active lorsque le stock de chaleur solaire dépasse de 6°C la température de l'ECS. Cela arrive surtout en été. Sinon, cela se fait par la chaudière à gaz sur un seuil bas de température de l'ECS. La chaudière à bois y contribue si par hasard elle est allumée au bon moment.
En plus, l'ECS est préchauffée dans le stock de chaleur solaire.
L'eau des salles de bain n'est chauffée qu'à 45°C par un mélange entre l'eau préchauffée au solaire seul et l'eau du ballon ECS. Cette amélioration tardive, réalisée en 2014, permet que cette eau « tiède » bénéficie de l'énergie solaire en plus forte proportion. Cette amélioration est très significative, cela diminue le recours à la chaudière à gaz.
En hiver, le circulateur de chauffage tourne presque en permanence. Le jeu des vannes de by-pass permet de n'activer la chaudière à gaz que lorsque la température de la maison passe en dessous de la température d'ambiance mini (thermostat d'ambiance) ou pour produire de l'ECS. La vanne by-pass de la chaudière solaire évite de réchauffer le stock par une énergie non solaire.
Je n'ai pas monté de réservoir tampon pour accumuler la chaleur de la chaudière à bois (ou chaudière de salon). La capacité des radiateurs de la maison est suffisante pour transmettre toute la chaleur de la chaudière à bois quelle que soit la vigueur du feu. Je suis parti du principe que si on a besoin de faire du feu, c'est qu'il y a besoin de chauffage. L'inertie thermique de la maison fait le reste. A l'usage, on n'a jamais eu trop de chaleur dans les autres pièces, le principe semble validé.

L'installation de chauffage solaire



L'orientation des capteurs a été optimisée pour assurer une production maximale en hiver, en période de chauffage. (chauffage de mi octobre à mi avril)
Le plan des capteurs est orienté à 59°/ horizontale.



Pour permettre une auto-vidange plus facile, les capteurs son installés légèrement en travers de la ligne de plus grande pente de la toiture. La pente des capteurs est de 5cm/m. Ainsi, l'orientation des capteurs pointe presque au sud, de quelques degrés vers l'ouest sur une toiture plein sud.
Le dimensionnement d'ensemble est de 20m² de capteurs pour 2000l d'eau de stock de chaleur et 200m² de surface d'habitation à chauffer. Dans une version antérieure de mon installation, le stock était de 2600l pour la même surface de capteurs. La montée en température était moins rapide et le résultat était un peu décevant. Par exemple, après plusieurs jours de nuage, une journée ensoleillée ne suffisait pas pour avoir de l'eau chaude. Avec le dimensionnement actuel, cela devient possible plus souvent. Depuis l'installation de la chaudière à bois, une partie de la maison est chauffée exclusivement au bois et donc la surface d'habitation à chauffer par le chauffage solaire est plus réduite.
La chaudière solaire a un montage auto-vidangeable. Le repiquage de l'évent dans le stock de chaleur solaire permet une faible évaporation (environ un litre/semaine). Le commutateur de la pompe du circuit primaire (Gründfoss UPS 25-120) a été modifié pour permettre une commande des vitesses 1 et 3 par la régulation.





La vitesse 3 est enclenchée à chaque démarrage pendant 150 secondes pour l'amorçage, puis c'est la vitesse 1. La vitesse 3 se ré enclenche lorsque la température des capteurs dépasse de 12°C la température du stock de chaleur (sécurité en cas de désamorçage). C'est la température au bas du stock de chaleur qui est utilisée pour la commande du circulateur du circuit primaire.
J'ai choisi le circulateur Gründfoss car la pression d'entrée mini est de 0,5m d'eau (1,6 m dans mon installation) le modèle UPS 25-120 permet de monter l'eau à 12m en phase d'amorçage. Avec ce type de pompe, il n'est pas nécessaire d'en monter 2 en série pour l'amorçage. Est-ce le meilleur choix ? Je n'en sais rien, mais celui-ci fonctionne. La modification du commutateur manuel pour le rendre automatique n'est pas tout à fait évidente. La commutation de vitesse pendant la marche génère une assez grosse étincelle qui fatigue le relais à la longue. Pour changer de vitesse, la commande passe d'abord à l'arrêt, puis, après une courte pause de 0,3s, la commande repasse sur marche avec la nouvelle vitesse. De cette façon, il y a beaucoup moins d'étincelles. Les relais sont de la marque Finder, du type « 40.61 », un type adapté à la commande de moteur électrique de 350w.

Les risques :









Vue les températures plutôt faibles des fluides manipulés, l'absence de concentration d'énergie, le chauffage solaire est probablement celui qui présente le moins de risques. Un des points délicats est celui de l'installation des capteurs en toiture. Ils ne doivent pas dégrader l'étanchéité du bâtiment ni risquer de s'envoler par grand vent.
Des crochets de toiture ont été réalisés par un professionnel, sur mesure, en acier inox.
Des capteurs plans de faible dimension ont été préférés pour leur faible prise au vent et leur faible hauteur permet un bras de levier des forces aérodynamiques plus faible. Ils ont été fournis par la centrale d'achat APPER, ils sont du type LM1240 peints.
Les supports sont réalisés en profilés d'aluminium de 3mm d'épaisseur (profilés plats, L et U). Visserie inox de 6mm.

Le stock de chaleur



Le stock de chaleur est réalisé par 2 cuves Sotralenz de 1000l chacune. J'ai choisi 2 petites cuves plutôt qu'une grosse car la porte d'accès au local était trop petite pour une plus grosse cuve. Une seule cuve de 2000l aurait été moins chère et plus simple à équiper. 6 serpentins en cuivre permettent les échanges de chaleur : 2 serpentins pour le préchauffage de l'ECS, et 4 pour le circuit de chauffage. Les serpentins sont montés en parallèle pour minimiser les pertes de charge.
Le tout est isolé avec 20cm de laine de chanvre, un peu plus sur le dessus. Les performances de cette isolation sont un peu décevantes, en été lorsque le stock atteint les 60°C, la perte de température est de l'ordre de 4°C par 24h, j'aurais préféré moins.
J'ai limité la température maximum du stock à 70°C. De sorte qu'il n'est pas nécessaire de limiter la température de l'eau chaude sanitaire produite.



Les serpentins sont réalisés à partir de couronnes de tube de cuivre recuit 12-14 de 25m de long, sans soudure immergée. Ces dimensions donnent environ 1m² de surface d'échange pour chaque serpentin. Dans ces conditions, chaque serpentin permet d'échanger entre 0,5 et 1kw pour chaque degré d'écart entre la température des deux fluides (extrapolation faite à partir de documents commerciaux d'échangeurs similaires).



Pour les réaliser j'ai utilisé une cintreuse pour les trois courbes de faible rayon du tube. Le serpentin lui-même est bobiné autour d'un gabarit en bois. Ensuite les spires sont entrelacées de 3 fils électriques pour maintenir leur espacement d'environ 1,5cm. L'ensemble de l'opération prend moins d'une heure par serpentin.
Le diamètre des serpentins, environ 30cm leur permet d'être introduits par l'ouverture de 40cm en haut des citernes.
Pour éviter de faire de la brasure au chalumeau au raz des citernes en plastique, tous les raccords des serpentins sont faits en « collets-battus ».

La chaudière à bois



La chaudière de salon à bois, marque ORANIER, modèle polar-aqua, se présente comme un poêle à bois mais elle est équipée d'un échangeur à eau ainsi qu'un circuit de refroidissement de sécurité commandé par une vanne thermique. Le circuit de sécurité est connecté au réseau d'eau froide. L'eau qui en sort est rejetée (ce circuit de sécurité n'est pas représenté sur le schéma de l'installation). Il ne s'est déclenché qu'une fois. C'était au premier feu de la deuxième saison de chauffe, je n'avais pas pris soin de dégommer le circulateur après 6 mois d'arrêt.
Elle est alimentée en air extérieur par un tube dédié (option) ce qui permet de ne pas avoir d'ouverture de la pièce sur l'extérieur autre que la VMC.
La documentation de la chaudière indique que 35% de la chaleur est transmise à la pièce où elle se trouve (convection et rayonnement) et 65% est transmise à l'eau pour le chauffage des autres pièces de la maison. Je constate à peu près cette performance dans le cas où le feu est vif. Lorsque le feu est moins fort, la proportion de chaleur transmise à l'eau diminue plus vite que celle transmise à la pièce où elle se trouve. Je recommande vivement d'utiliser ce type de chaudière avec un feu vif d'autant plus que dans ces conditions, l'émission de fumée est minimum (presque invisible) et il semble que la chaudière et son conduit ne s'encrassent pas. C'est aussi la recommandation du constructeur.

Les économies d'électricité



Les économies d'électricité listées dans le tableau se montent à 880kwh/an, ce qui, multiplié par 2,58 (facteur retenu dans les bilans type DPE) représente 2270kwh/an équivalent pétrole. Pensez-y, c'est plus facile et moins cher à faire qu'un chauffage solaire (je ne regrette pas d'avoir fait les deux).

La régulation

L'ensemble est commandé par une électronique construite autour d'un micro-contrôleur ATMEGA 324. Je ne détaille pas ici cette électronique car elle n'est pas dans un état de finalisation qui me permet de l'expliquer complètement et il lui manque à présent quelques fonctionnalités basiques. Mon projet pour la prochaine étape de ce chantier est de remplacer cette électronique par un ou plusieurs modules ARDUINO qui offrent des fonctionnalités équivalentes et des fonctionnalités supplémentaires qui seront bien utiles pour finir.

Les bilans



J'ai fait des relevés des compteurs de façon hebdomadaire à partir de janvier 2011, auparavant, ce sont des relevés mensuels. Les consommations quotidiennes sont donc des moyennes sur une semaine. La consommation d'électricité est en fait la différence entre l'électricité consommée et l'électricité vendue.
Les principaux évènements ont été indiqués sur le graphique.



La courbe verte représente la consommation d'énergie sur 365 jours glissants d'après les relevés des compteurs. Pour convertir l'énergie en « équivalent pétrole », l'énergie électrique est multipliée par 2,58. La courbe représente la somme des énergies, l'achat de gaz et d'électricité sont additionnés, la vente d'électricité est soustraite. En pointillé, on ajoute une estimation de l'énergie supplémentaire apportée par le bois (1500kwh/stère).
On constate que l'installation photo-voltaïque permet une production de 8000kwhep (équivalent pétrole), zone 1. L'installation de chauffage solaire environ 6000Kwh, zone 2 (rouge), et que la chaudière à bois a un rendement équivalent à la chaudière à gaz car la chaleur apportée par le bois compense celle économisée sur le gaz, zone 3 (jaune). Le gain en zone 4, un peu plus de 2000kwh, est lié à plusieurs causes : désembouage de la chaudière à gaz, introduction de l'eau tiède (45°C) pour les salles de bain, départ d'une personne de la maison. Enfin les économies d'électricité, en zone 5 (violette) apportent 2250kwh.



Ce diagramme représente l'origine des énergies consommées ou produites en un an pour la situation à chaque étape du projet.
Pour comparer en équivalent pétrole, la consommation sous forme électrique est multipliée par 2,58.
Etape 1 : équipement tout électrique. Le mix EDF implique une forte consommation d'énergie fossile principalement nucléaire.
Etape 2 : l'usage du gaz permet une forte réduction de la consommation électrique
Etape 3 : la chaudière solaire permet la diminution de la consommation de gaz
Etape 4 : la production d'électricité photovoltaïque vient compenser une partie des consommations
Etape 5 : le changement de fournisseur d'électricité (Enercoop) permet de ne plus recourir à de l'électricité d'origine fossile.
Etape 6 : l'utilisation du bois pour le chauffage permet de limiter la consommation de gaz. La consommation de gaz est compensée par la production d'électricité photovoltaïque permettant de ramener le bilan carbone à zéro. Si on met à part la consommation domestique (électroménager) la maison (chauffage, ECS et ventilation) rend au réseau (barre bleu clair) l'énergie qu'elle lui soutire (barre verte et une partie de la barre jaune).
Etape 7 : réduction des consommations électriques domestiques.



Dans ce diagramme de bilan financier, la courbe continue représente les dépenses cumulées réelles. Les pointillés sont des extrapolations des dépenses qui auraient été réalisées si les investissements n'avaient pas été effectués.
Le bilan tient compte des investissements, des dépenses d'énergies, abonnements compris, et des dépenses d'entretien (sauf remplacement prévisible de la chaudière à gaz, mais elle tient bon pour l'instant). Les prévisions supposent une augmentation du prix de l'énergie de 6%/an. Le tarif de l'électricité est le tarif réglementé jusqu'en 2010, celui d'Enercoop à partir de 2011.
Les économies réalisées grâce au chauffage au gaz ont permis de financer l'investissement du chauffage solaire. Le faible coût de ce dernier vient de l'auto-construction.
Les conditions très avantageuses d'un contrat de vente d'électricité d'origine photovoltaïque signé en décembre 2009 permettent l'amortissement de l'installation sur 7 ans.
L'investissement du chauffage au bois ne s'amortit pas par rapport au gaz qu'il permet d'économiser. Cependant, il apporte beaucoup de confort dans la salle de séjour.
Même si motivé pour d'autres raisons, le projet a un bilan financier pas trop mauvais.

Conclusion

L'ensemble de ce projet m'a beaucoup passionné. Il a aussi permis de réduire considérablement les consommations d'énergies de mon foyer ainsi que sa production de gaz carbonique. Tout ceci reste dans une enveloppe budgétaire raisonnable. Il reste à présent un peu de travail au niveau de la régulation pour la rendre plus utilisable par d'autres utilisateurs que moi-même.

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