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première version décembre 2006
dernière mise à jour
04 janvier 2011

Le chauffage et la climatisation

préambule
les enjeux
solaire
les capteurs solaires
bois
oui mais
biomasse
des exemples encourageants
géothermie
ne pas se tromper
Préambule
Le chauffage représente un problème énergétique majeur puisqu'il correspond à plus d'un tiers de la consommation énergétique de l'humanité avec des variations géographiques très importantes, ainsi dans certaines régions chaudes c'est l'aspect climatisation (au sens refroidissement) des logements qui va être privilégié, dans d'autres telles la France c'est l'aspect chauffage qui reste majoritaire, tandis qu'aux Etats Unis les deux aspects sont mis en oeuvre conduisant à une dépense énergétique gigantesque.
Actuellement deux procédés sont exploités principalement le chauffage à l'aide de combustible fossile (fuel principalement mais aussi gaz naturel) et le chauffage électrique. Tous deux vont disparaitre, du moins sous leur forme actuelle, au cours des prochaines décennies pour cause de disparition des sources d'approvisionnement en pétrole, gaz et uranium. Le chauffage électrique se maintiendra dès lors qu'on disposera de sources renouvelables d'électricité délocalisées (photovoltaïque, éolienne) et qu'on aura isolé très correctement les bâtiments (cf maison passive bioclimatique pour comprendre l'ensemble des techniques d'isolation à mettre en oeuvre, l'utilisation totalement gratuite du soleil et les astuces favorisant la climatisation hiver comme été) pour réduire d'un facteur supérieur à 5 (en moyenne par rapport à la situation de 2007) la consommation, ce qui va nécessiter des travaux absolument gigantesques (surtout pour les logements anciens) dans les prochaines années. L'objectif est en effet de réduire la consommation énergétique des logements à moins de 50kWh/an et par m2. Insistons sur le fait que l'augmentation prohibitive des coûts des moyens de chauffage couramment utilisés actuellement va de facto imposer aux utilisateurs ces travaux s'ils veulent continuer à bénéficier d'une température agréable dans leurs logements, il n'y a plus d'alternative. Les chaudières de chauffage central pourront être remplacées par des chaudières utilisant le bois ou la biomasse, mais ne seront économiquement utilisables que si les besoins en chauffage sont effectivement réduits TRES fortement.

Nous allons essayer d'examiner les différentes pistes possibles de chauffage écologiquement acceptable en n'oubliant jamais qu'aucune solution ne peut être universelle dans l'état actuel de nos connaissances et que les gurus, férus de l'une ou de l'autre, sont le plus souvent des irresponsables n'ayant pas réfléchi à l'ensemble de la problématique.
Le chauffage solaire direct
L'énergie solaire est de loin celle qui semble la plus "renouvelable", en fait le mot est très mal choisi. Il se trouve simplement qu'on peut compter sur le soleil pour assurer sensiblement le même service gratuit pendant encore quelques milliards d'années, ce qui à l'échelle d'une vie humaine est effectivement une très très longue période. Et compte tenu de l'imbécilité des humains qui finiront bien par s'entretuer tous dans une guerre nucléaire (ou pire) bien avant que notre étoile nous laisse tomber, on peut donc considérer que le soleil est quasi inusable!

Le rayonnement solaire nous apporte directement de la chaleur, c'est donc a priori le moyen optimal de se chauffer. La difficulté provient du fait que nous n'en bénéficions pas 24h par jour, mais seulement dans la journée et que ça dépend en outre de l'heure, de la date dans l'année et de la situation géographique et de l'ennuagement instantané. Certains sont donc plus privilégiés que d'autres.

Nous nous placerons donc du point de vue d'un français moyen, habitant de surcroît en Normandie. Comment récupérer et stocker l'énergie solaire? Actuellement nous savons réaliser des capteurs, soit à air, soit à eau, qui vont récupérer, généralement sur le toit des bâtiments, l'énergie solaire et la rediffuser à l'intérieur du bâtiment soit via le circuit d'eau chaude, soit via le circuit d'aération contrôlée et/ou un plancher chauffant. On peut stocker une partie de cette énergie en exploitant un principe voisin de ce qu'on appelle le puits provençal inversé et la récupérer en phase nocturne, voire même en phase journalière non ensoleillée. Mais il ne faut pas rêver, ce ne peut être suffisant pour, en permanence, se passer d'un chauffage d'appoint qui devra donc exploiter une autre source d'énergie renouvelable.


Dans un puits canadien (ou provençal) traditionnel on pompe l'air extérieur via un tube de PVC et le fait passer dans le sol à 2m de profondeur pour bénéficier de la température quasi-constante du sol pour soit refroidir, soit préchauffer l'air, selon la période. Je préconise un complément figuré en bleu sur le schéma : il s'agit d'un réservoir de 15 m3 dans lequel le tuyau va serpenter sur une très grande longueur. Ce réservoir est isolé extérieurement et rempli d'un matériau bon conducteur de la chaleur (l'idéal c'est un mélange de cailloux et d'un liquide chimiquement neutre comme le glycol) qui va accumuler une partie de la chaleur dans la journée et la restituer la nuit dès que l'air extérieur sera plus frais. On peut perfectionner le dispositif en introduisant un second tuyau qui évacuera l'air vicié provenant de la maison (plutôt que de le rejeter en haut comme sur ce schéma) en améliorant le rendement du dispositif (double échangeur de chaleur). Un système encore plus sophistiqué comprendra plusieurs circuits et un système de vannes pilotées automatiquement pour dériver l'air dans l'un ou l'autre circuit selon qu'il conviendra de chauffer ou refroidir la maison ou le dispositif de stockage.
Chauffage au bois
D'aucuns préconisent ce mode de chauffage sous l'appellation fallacieuse d'énergie renouvelable. Ce mode de chauffage ne peut être généralisé. Il est intéressant si vous êtes en maison individuelle à la campagne, mais la quantité de bois nécessaire pour chauffer votre logement pose des problèmes de stockage incompatibles avec une maison ou un appartement de ville (sauf cas de chauffage urbain ce qui n'existe que dans les quartiers neufs ne l'oublions pas). En effet là où vous utilisez un mètre cube de fuel stocké dans un réservoir adapté, il vous faudra 5 ou 6 stères de bois (quelle que soit sa présentation) impliquant manipulation, aire de stockage et bien sûr cendres. S'il m'est aisé d'utiliser les cendres de ma cheminée, relativement peu exploitée, dans mon jardin, je serai infiniment plus géné pour les évacuer si j'habitais au centre de Rouen.

Le rendement de votre appareil de chauffage dépend beaucoup des caractéristiques du combustible. Hêtre ou épicéa, bois sec ou humide, tout cela joue dans les performances et l'encrassement de votre chaudière ou de votre cheminée avec insert. Les feuillus tendres et les résineux brûlent trop vite, tandis que les bois trop humides fournissent sensiblement moins de calories et polluent plus.

Le second problème qu'il ne faut pas sousestimer est celui de la repousse des arbres. Un arbre met plusieurs dizaines d'années pour fournir assez de bois pour justifier son abattage et, si le chauffage au bois se généralisait, un rapide calcul montre qu'au bout d'une dizaine d'années il y aurait pénurie de bois et que le coût de ce mode de chauffage deviendrait alors exorbitant. Aujourd'hui le chauffage au bois n'est pas trop utilisé et il est donc possible de trouver du bois à prix raisonnable et tout particulièrement des déchets de bois que des industriels avisés transforment en granulés bien adaptés aux chaudières modernes. Actuellement environ 500 chaufferies collectives et 1000 chaufferies industrielles fonctionnent aux granulés et déchets de bois en France (en fait avec environ 80% de déchets provenant souvent de bois importés et 20% de bois de chauffage provenant plus vraisemblablement des forêts françaises). Les granulés sont commercialisés en sacs de 15 kg et fournissent environ l'équivalent de 4800kWh/h par tonne. Un simple calcul montre que si vous avez un logement de 100m2 mal isolé et nécessitant annuellement l'équivalent de 250kWh/m2 (situation moyenne française évaluée en 2007 et pratiquement inchangée en 2013) il vous faudra donc plus de 5 tonnes de granulés par an... soit sensiblement 350 sacs de 15kg! ou si vous utilisez des bûches convenablement sèchées 17.5 stères, mais cela vous coûtera plus de moitié moins cher que le fioul (tarif mars 2013).

On assiste cependant à une augmentation très sensible de cette consommation et, si la tendance se confirme, d'ici moins de 10 ans la consommation dépassera la capacité de renouvellement de la forêt? Souhaite-t-on réellement déforester la France, après avoir détruit les forêts indonésiennes et/ou amazoniennes sachant que la forêt joue un rôle important dans la limitation du réchauffement climatique? Le bon sens nous indique donc que ce mode de chauffage ne peut-être qu'un procédé adapté pour certains mais non généralisable contrairement à ce qu'affirment certaines agences officielles et bien sûr nombres d'industriels flairant un marché juteux. Donc le bois oui, mais à la condition qu'on se limite à la récupération intelligente des déchets de l'industrie du bois et qu'on n'oublie pas de replanter systématiquement. Rappelons nous l'Histoire de France. A l'époque de la Gaule la forêt couvrait plus de 90% du territoire. Le chauffage se faisait uniquement au bois et il y avait 6 fois moins d'habitants qu'aujourd'hui...la forêt disparut peu à peu et Colbert du lancer un plan de reforestation. Au 19ème siècle la forêt recommença à se développer parce que l'exploitation du charbon vint progressivement remplacer le bois dans les chaudières. Pendant la dernière guerre la forêt décrut à nouveau rapidement. Donc il faut être prudent. Ce n'est pas la panacée.

Enfin un argument qui est totalement omis par les promoteurs du bois, c'est que le bois en se consumant dégage une quantité importante de gaz carbonique (et d'autres éléments chimiques polluants) qui participe à l'effet de serre. Or il faut absolument réduire de moitié la production de gaz à effet de serre d'ici une douzaine d'années, donc le chauffage au bois n'est pas la meilleure solution pour y arriver.
La biomasse
L'énergie qui nous parvient du soleil sous forme photothermique est pour partie transformée en "biomasse" par les plantes lors de la photosynthèse. Cette biomasse végétale est constituée des feuilles, des fleurs, des tiges, des racines de la plante.

La troisième voie proposée consiste donc à utiliser les déchets végétaux non comme combustibles directs mais comme sources de méthane par fermentation anaérobie contrôlée. Cette voie est très intéressante car elle ne crée pas fondamentalement de déséquilibre nouveau. En effet la plus grande partie des déchets végétaux se transforme naturellement selon un processus lent de fermentation en compost et méthane. Le compost s'intègre donc tout aussi naturellement (c'est à dire sans l'intervention de l'homme) dans/sur le sol, tandis que le méthane se dégage dans l'air et participe lui aussi in fine à l'effet de serre.

Notons que les plantes, au cours de leur croissance, absorbent du CO2 et donc globalement n'augmentent pas l'effet de serre. Donc gérer cette fermentation dans des bacs fermés afin de récupérer le méthane et de l'utiliser comme combustible pour le chauffage ne modifie pas sensiblement le résultat final mais apporte un gain non négligeable à l'homme. C'est une solution à privilégier absolument pour les agriculteurs d'une part (exploitation du fumier principalement des bovins mais aussi des porcs. Notons à ce propos que si l'on avait géré intelligemment les déjections porcines en Bretagne, d'une part les nappes phréatiques seraient moins polluées et d'autre part il n'y aurait pas invasion du littoral par des algues toxiques) et au niveau des collectivités d'autre part avec les ordures ménagères (à condition de favoriser la généralisation du tri sélectif ) et les déchets végétaux (tonte des pelouses...). Rappelons que le méthane est un gaz à effet de serre sensiblement plus nocif que le gaz carbonique. Donc récupérer le méthane, qui de toute façon sera produit, pour le brûler se traduira donc plutôt par une diminution de l'effet de serre, c'est donc une voie très bénéfique.

Notons que cette voie commence à se développer dans les pays sub-sahéliens, non pour assurer le chauffage, inutile dans ces régions, mais pour assurer la cuisson des aliments ce qui limite la recherche de bois et in fine la déforestation, tandis qu'en France même une poignée d'agriculteurs ont commencé à s'équiper en digesteurs pour la production de biogaz. A titre d'exemple citons un agriculteur suisse du canton de Vaud (à Puidoux) qui dispose d'un digesteur de 400m3 avec gazomètre intégré pour stocker le biogaz et produit 207000m3 de biogaz par an ce qui lui permet à la fois de produire de la chaleur (équivalent à 770000kWh/an) et 452000kWh/an d'électricité, de quoi alimenter quasiment tout le village.
la géothermie
Sous cette appellation on englobe plusieurs notions différentes, d'une part, ce que les géologues dénomment depuis toujours géothermie c'est à dire la chaleur de la terre et dont l'exploitation concerne le chauffage via des sources d'eau chaude qui proviennent de la profondeur de la terre et parfois, par le biais de failles remontent jusqu'à la surface. C'est par exemple le cas à Chaudes Aigues où depuis les romains un réseau de chauffage urbain est alimenté par une telle source. Mais depuis quelques années on parle aussi de géothermie basse énergie voire très basse énergie utilisant des aquifères à 30°C ou moins relativement faciles à atteindre.


Lorsqu'on descend vers le centre de la terre la température augmente sensiblement de 3°C environ tous les 100 mètres, en fait ceci n'est qu'une approximation car la nature du sous-sol intervient. Ce qui nous intéresse ici c'est que les nappes aquifères profondes vont donc être à des températures d'autant plus élevées qu'elles sont profondes. Ainsi lorsqu'il s'agit de nappes à 100°C ou plus il va être nécessaire de réaliser des forages de grande profondeur pour les atteindre ce qui relève des technologies pétrolières et n'est pas à la portée de tout le monde. Par contre on trouve dans certaines régions des nappes relativement proches de la surface à des températures plus modérées, mais cependant exploitables. Ces nappes sont en fait alimentées via une (ou des) failles par d'autres nappes beaucoup plus profondes et donc à température normalement élevée. On pourra donc récupérer de l'eau à température supérieure à l'ambiante par pompage et ainsi récupérer de précieuses calories, mais il faut bien comprendre que l'on devra, d'une part, remplacer l'eau pompée sinon au bout de peu de temps la nappe sera épuisée puisqu'il ne s'agit quand même pas de nappes très proches de la surface qui se reconstitueraient rapidement avec l'eau de pluie et, d'autre part, il faut être bien conscient qu'on remplace de l'eau chaude par de l'eau froide et qu'il lui faudra un certain temps pour être à nouveau revenue à la température initiale car les échanges thermiques sont des phénomènes naturellement lents. On notera sur la figure ci-dessus que les couches géologiques imperméables sont de très bons isolants thermiques et que le réchauffement de la zone aquifère exploitable se fait donc essentiellement via la faille par laquelle la nappe de grande profondeur communique avec celle de moyenne profondeur et, dans la mesure où cette nappe profonde est sous pression, la réalimente aussi en eau. On voit que la nappe que l'on exploite va donc être maintenue à son niveau si les précipitations, ce que l'on réinjecte et ce qui vient du plus profond compensent exactement ce que l'on pompe. Mais l'eau de ruissellement provenant des précipitations peut fort bien provenir de plusieurs centaines de km et mettre plusieurs années à atteindre la nappe (avec les aléas climatiques) et la nappe de grande profondeur est limitée en volume et n'est sans doute pas réalimentée depuis l'ère secondaire. Tout ceci pour bien faire comprendre que la géothermie ce n'est pas non plus la panacée (contrairement à ce qu'on peut lire sur certains sites web) et que si l'on pompe trop on aboutira comme pour le pétrole à l'épuisement rapide du gisement de calories.

En France nous avons un très grand gisement exploitable dans le bassin parisien et d'autres plus petits en particulier dans le massif central
la géothermie individuelle dite très basse énergie
Depuis quelques années on commence à exploiter l'énergie du sous-sol de manière assez astucieuse en extrapolant le concept du puits provençal et en lui adjoignant un échangeur de chaleur sophistiqué (pompe à chaleur). L'idée est simple il suffit d'enterrer à une certaine profondeur un tuyau plus ou moins souple (généralement en polyéthylène) de très grande longueur (au moins cinquante mètres, mais souvent beaucoup plus) étalé en boucle, dans lequel circule un fluide antigel qui va donc récupérer la chaleur du sol et la transmettre à l'échangeur de la pompe à chaleur qui elle alimentera le système de chauffage de la maison. Rappelons qu'en première approximation une pompe à chaleur est une forme particulière de réfrigérateur qui va refroidir le liquide du circuit enterré en rejetant dans l'habitation les calories récupérées. Le rendement est effectivement d'autant plus élevé que le liquide du circuit enterré est plus chaud.

L'investissement peut-être rentable sur une longue période, tout dépend de l'importance de l'investissement de terrassement qu'il faudra réaliser. Selon la nature du sol, pour obtenir un résultat satisfaisant, il faudra enterrer le dispositif plus ou moins profondément (entre 1 et 2 m généralement). Il faut aussi tenir compte de l'ensoleillement hivernal, des basses températures atteintes localement et de la fréquence et de l'intensité des pluies pour optimiser la profondeur du dispositif. Mon expérience de la microclimatologie m'amène a être très prudent vis à vis de ce genre de réalisation dont le principe est très séduisant, mais dont la mise en oeuvre effective (ou efficace) demande une réelle compétence et une analyse sérieuse des statistiques climatologiques locales ce qui ne semble pas toujours réalisé par les soit-disant professionnels qui proposent ce genre de dispositifs (selon plusieurs témoignages qui m'ont été transmis en Haute Normandie en 2007). J'ai cependant un proche voisin qui vient de coupler ce dispositif à sa piscine, dans quelques années on pourra dire quelle en est l'efficacité et la rentabilité.

Précisons enfin qu'en utilisant une pompe à chaleur dite réversible on pourra obtenir un effet de climatisation en été, mais le coût de l'investissement et la consommation d'électricité seront plus importants.
Conclusion
Ainsi qu'on l'a montré dans ce court résumé plusieurs solutions sont envisageables pour obtenir un complément de chauffage économique, peu polluant et durable. Aucune ne peut prétendre à l'universalité et l'on peut même envisager de les combiner sur un site donné. Le seul conseil réaliste que l'on puisse donner c'est donc, avant de s'engager dans une voie, de bien réfléchir, de consulter plusieurs vrais professionnels et de tenter de rencontrer d'autres utilisateurs ayant déjà testé localement la solution qui vous intéresse.