Version du 26 mars 2009 à 17:39

Historique

L’émission de chaleur intégrée à l’habitat n’est pas nouvelle et constitue une alternative intéressante autant pour les concepteurs que pour les utilisateurs. En effet, le mode de chauffage par rayonnement remonte à l’époque romaine, l’étude des vestiges nous permet d’ailleurs de retrouver les premières traces de ce type de chauffage dès le début du IVe siècle avant J.C. A cette époque, les thermes et les villas les plus luxueuses disposaient déjà d’un mode de chauffage par le sol qui fonctionnait sur le principe d’Hypocauste (un puissant foyer de combustion situé à l’extérieur du bâtiment réchauffait de l’air ou de l’eau qui était ensuite destiné à circuler sous le sol des salles à chauffer). Pourtant dès la chute de l’empire romain, ce système de chauffage disparaît quasi totalement puisque seuls les coréens ont conservé ce système de chauffage pour les palais royaux et les maisons traditionnelles.

Ce n’est qu’autour des années 60 que le plancher chauffant est remis « au goût du jour », soit près de 15 siècles après sa désaffection. A l’époque, le plancher chauffant bien que très séduisant en terme de coût de mise en œuvre, n’était pas un système suffisamment étudié et maîtrisé : les maisons ne sont pas suffisamment isolées, l’espacement entre les tuyauteries est trop important et la température d’eau comprise entre 50 et 70°C sans système de régulation entraîne des températures de surfaces de sol bien supérieures à 30°C. Les usagers se plaignent au niveau des jambes d’inconfort, responsable d’une mauvaise circulation sanguine (jambes lourdes, phlébites, varices…).

De plus le plancher chauffant dans sa première configuration occasionnait des problèmes de convection d’air dans la mesure où l’air se réchauffait de manière trop importante au niveau de sol et stagnait ensuite au niveau des plafonds, générant des maux de tête, allergies…. Le plancher chauffant connaît alors une très mauvaise notoriété et retombe dans l’oubli.

La révolution apparaît finalement dans le milieu des années 1980 avec l’apparition du plancher chauffant basse température. Constitué d’un sol à forte inertie, un système de régulation équilibre la circulation du fluide caloporteur (eau ou frigorigène). Les circuits uniformément répartis et associés à un système de régulation apportent ainsi une température constante sur toute la surface que l’on limitera à 28°C (température théorique de la voûte plantaire humaine). On peut aussi imaginer une solution tout électrique en associant au plancher, un système de résistance électrique. Le système Hypocauste était aussi utilisé pour chauffer les parois des bâtiments, et de la même manière, le système du plancher chauffant peut s’adapter au mur. On parle alors dans ce cas de mur chauffant ou radiant.

Démarche

L'idée ici est donc de développer un système à caractère environnemental de part sa fabrication et son utilisation (respect de la norme HQE), fonctionnant à des régimes de températures faibles pour permettre une économie énergétique et pouvant être couplé à un système de production lié aux énergies renouvelables (solaire thermique, chaudière au bois, géothermie, aérothermie).

Le but est ainsi de mettre en œuvre des murs radiant, qui sont donc des murs avec un circuit de chauffage à l'intérieur, fonctionnant sur le principe du plancher chauffant mais avec des avantages supplémentaires contenus de la configuration verticale.

Principe de fonctionnement

Les murs chauffant sont donc composés de divers tubes à l’intérieur duquel circule un fluide chaud qui au contact de l’environnement va céder sa chaleur. Le fluide froid va donc rejoindre un organe lui permettant de reprendre de la chaleur (chaudière classique, panneaux solaires alimentant un ballon…) et le cycle recommence continuellement. Ce système utilise un principe de transfert thermique bien connu qu’est le rayonnement. En effet, on sait par définition que l'énergie échangée entre deux corps dépendra des grandeurs suivantes :

-la différence de température entre les deux corps,

-la puissance d'émission du corps le plus chaud,

-les surfaces des corps en vis-à-vis,

-la distance entre les deux corps,

-le coefficient d'absorption totale du corps le plus froid,

-la transparence du milieu qui sépare les deux corps.

Les murs radiant appliquent donc ce phénomène de rayonnement. Dès 0° Kelvin, les ondes infrarouges se propagent de l'élément le plus chaud (fluide chaud) vers l'élément le plus froid (la pièce à chauffer et ses occupants), ils mettent en vibration les atomes des différents corps rencontrés qui les absorbe et élèvent donc leurs températures. C’est donc une différence notable qui existe entre les murs radiants et les chauffages traditionnels qui utilisent le chauffage par convection. Ce système tout comme le plancher chauffant est intéressant dans la mesure où il utilise une basse température de fonctionnement ce qui permet de réduire l’énergie nécessaire.

Pourquoi vouloir une basse température ? Tout d’abord parce que cela limite les pertes dans la chaudière et éventuellement dans les tuyaux. Par exemple dans le cas du solaire thermique, plus l’eau est tiède et plus on peut en produire. En effet, une installation qui produit 1kWh d’eau à 50° en produirait quasiment le double à 30° c'est-à-dire que vous vous chaufferez pendant 1 heure avec un radiateur ou pendant 2 heures avec un mur/plancher chauffant.

Pour se représenter le principe de fonctionnement des ondes infrarouges de manière concrète, on peut imaginer la situation suivante : Nous sommes en pleine montagne, et alors que la température extérieure affiche -5°C, nous ressentons un bien-être, voire une douce chaleur. Le responsable est le soleil ou plutôt le rayonnement du soleil qui chauffe notre corps, démontrant ainsi le caractère déterminant de la propagation de la chaleur par rayonnement face à la température ambiante. La paroi régulée à une certaine température (32°C en moyenne pour une température d’eau de près de 38°C) va donc chauffer l’ensemble des occupants et les objets de la pièce en émettant des ondes infrarouges (émises par tous les corps) dans toutes les directions. Il est donc indéniable que le chauffage par rayonnement offre une meilleure qualité de chauffage et un bien-être renforcé pour les habitants comparé aux systèmes classiques de chauffage par convection.

Une autre étude intéressante réalisée aux Etats-Unis à l’université du Massachusetts (M.I.T.) nous apporte d’autres éléments importants permettant de confirmer cette affirmation. En effet les murs radiants permettent d’avoir une température de paroi toujours supérieure à l’air ambiant. Dans le cadre de cette étude, il a été démontré qu’en maintenant les parois froides, les occupants ressentaient toujours le froid alors que la température de la pièce atteignait les 48°C. A l’inverse, lorsque les parois étaient chauffées, les occupants se plaignaient encore de la chaleur alors que la température ambiante était d’à peine 10°C. Cette expérience nous permet donc de constater le rôle déterminant de la température des parois dans la sensation de confort. Puisque lorsque les parois sont froides, l’individu dépense et perd de l’énergie en tentant de réduire l’écart de température avec la paroi. Ce système de parois rayonnantes est donc d’autant plus intéressant lorsqu’il s’agit de parois extérieures, puisque les murs extérieurs sont les plus froids.

Schéma global de l'installation

Fichier:Mur radian.PNG

Mise en œuvre et fonctionnement

Les murs radiants peuvent être réalisés de manières diverses et variées via plusieurs sources d’énergie. Circuit de résistance électrique ou réseau d’eau chaude, ils pourront être fixés sur un mur existant ou insérés dans un nouveau mur prévu à cet effet. La technique retenue dans cet article est celle nécessitant la construction d’un nouveau mur à l’aide de brique de terre crue ou cuite.

L’exemple des briques de terre crue ou cuite

Il existe différentes méthodes pour la mise en œuvre de ces murs radiant. Etudions tout d’abord le travail de M. Colzani qui développe depuis une vingtaine le travail de la terre et notamment la terre crue. Le système de murs radiants proposé par Monsieur Colzani n’est pas nouveau en tant que tel, puisque que comme nous l’avons vu plus haut, les romains en maîtrisaient déjà le principe. L’évolution technique réside en fait dans la singularité des composants et plus particulièrement des trois briques mise à disposition. La première est une brique de terre crue filée de nom Helioterre. Celle-ci possède sur l’une de ses faces une rainure prévue pour y adjoindre un tube de 16 mm de diamètre maximum. Matériau lourd au plus faible coût énergétique en termes de processus de fabrication (aucune source d’énergie autre que mécanique demandée, un homme seul peut la fabriquer), la brique de terre crue compressée est un matériau sain qui apporte une inertie thermique importante (chaleur massique de 2000 J/kg.K). Les deux autres quasiment identiques (fabrication en terre cuite par four à granulés de bois) dans leur conception correspondent dans leurs usages au patrimoine existant (bâtiment à forte ou moyenne inertie). La première est conçue pour un usage mural (3 rainures pour un pas minimum de 10) et la seconde de type planelle pour les planchers chauffants (2 rainures). Ce sont les briques Ceratherm.

Une fois érigé le mur en brique, on insère les tubes de P.E.R. (Polyéthylène Réticulé haute densité) destinés à recevoir un fluide caloporteur, de l’eau en général. Cette eau va ainsi transmettre sa chaleur aux briques qui cèdent ensuite cette énergie accumulée par rayonnement. Selon les besoins de l’habitation, on pourra mettre en place les tubes avec un pas de 10 ou 20 cm. Ensuite, plusieurs possibilités de finitions sont possibles pour ces produits: un enduit de terre crue coloré pour retrouver les propriétés de la terre ou alors un enduit de type chaux ou plâtre coloré. Bien-sûr, pour les plus … il sera tout à fait possible d’y accoler de simple plaque de plâtre en veillant à apporter une grande prudence pour leur installation en évitant de percer les tubes P.E.R. avec les vis. Le tout permettra ainsi de faire disparaître toutes traces liées à la présence des tubes.

Fichier:Ecole de Damiatte.JPG Pour des raisons d’économie d’énergie, il faudra bien évidemment veiller à isoler au préalable les murs extérieurs et en particulier ceux où seront mis en place les briques.

Construction classique et exemples

Il existe, hormis l’utilisation de la terre crue, la possibilité d’utiliser un procédé plus classique notamment pour la rénovation et les personnes souhaitant utiliser leur mur actuel. A la place de la terre crue on peut en effet utiliser un matériau plus classique tel le béton ou le plâtre dans la mesure où il permet de stocker de la chaleur mais surtout de transporter de la chaleur entre le tuyau et la surface utile. Pour un descriptif complet de la mise en œuvre couplé à un chauffage solaire, vous pouvez consulter les liens ci-dessous. http://amet.pierre.free.fr/beaujard/beaujard.html http://amet.pierre.free.fr/yvesgern/MursChauffants/MursChauffantsWeb.htm

Dimensionnement : principe

Pour déterminer la surface de mur chauffant à appliquer chez vous, le fabricant préconise de suivre les étapes de conception suivantes: 1. Déterminer avec exactitude vos besoins en chauffage (pièce par pièce en fonction de l’isolation et du volume à chauffer) 2. En déduire la surface de mur à installer 3. Choisir l’emplacement des murs radiants dans vos pièces 4. Prévoir un système de régulation de la même manière que pour un plancher

La température de la paroi n’étant pas soumise à des limites physiologiques telles que pour le plancher chauffant (28° C), la température de l’eau de chauffage pourra aller de 25 à 45°C. Selon les configurations du réseau (température et vitesse de l’eau, pas des tubes…), on peut s’attendre selon le fabricant à une densité de puissance du mur entre 94 à 188 W/m².

Pour vous donnez un ordre d’idée, on considère une surface approximative à mettre en œuvre telle que pour 2 m² au sol il faut 1 m² de mur chauffant, ce calcul de surface étant réalisé pour un bâtiment respectant la RT2005 (dixit le fabricant). Il est néanmoins conseillé de faire appel à ingénieur thermicien pour le dimensionnement de votre installation.

Rayonnement et convection : comparaisons de ces deux principes

Parois rayonnantes : avantages et inconvénients

Tout à fait appropriée au régime de fonctionnement des systèmes alternatifs (panneaux solaires thermiques, géothermie, aérothermie…), par une température de consigne de l’eau aux alentours de 40°C, cette technique permet d’économiser de l’ordre de 20 à 30% d’énergie en comparaison avec les radiateurs classiques. Nous l’avons introduit plus haut, le chauffage par parois rayonnantes apparaît à l’heure actuelle comme le système de chauffage le plus abouti en termes de bien-être et d’autant plus dans la configuration terre crue. En effet, la brique de terre crue, matériau lourd, souple et poreux joue un rôle important dans l’isolation phonique et acoustique des locaux équipés de ce système. Enfin, les systèmes de parois rayonnantes se démarquent des autres techniques par leur capacité à emmagasiner la chaleur. L’inertie thermique des bâtiments étant indispensable au bon fonctionnement de l’installation, le système apporte aux bâtiments un confort sur le long terme limitant de ce fait, les variations de températures.

Même si l’épaisseur des murs augmente, la disparition des émetteurs d’origine permet de réaliser un gain d’espace non négligeable.

Cependant certains avantages des parois rayonnantes peuvent aussi devenir des inconvénients. L’inertie thermique en est d’ailleurs le principal exemple. En effet, le temps nécessaire pour atteindre le régime de fonctionnement est assez long (près de quatre heures dans le cas d’un plancher chauffant). Aussi, lors de temps variable tel que l’arrivée de l’été par exemple, les besoins de l’individu peuvent être très variables d’une heure à l’autre. Pour cette raison, il est fortement déconseillé de limiter aux parois rayonnantes le chauffage des locaux occupés de façon intermittente. Il est donc souhaitable de diversifier les sources de chaleur, par exemple une cheminée ou un poêle apporte presque instantanément de la chaleur quand c’est nécessaire. Il serait sans doute intéressant d’imaginer un système d’intelligence artificielle régulant les régimes de fonctionnement en fonction des prévisions météo, afin de prévoir à l’avance les besoins des occupants. Fichier:Briques Helioterre.JPG

Plancher chauffant ou mur radiant

Pourtant beaucoup moins développés à l’heure actuelle, il apparaît que les murs radiants seraient plus intéressants en termes de confort. En termes de répartition de chauffage tout d’abord puisque les murs radiants chauffent par rayonnement à hauteur de 90% contre 70% pour le plancher. Cette diffusion provient du fait que dans le cas du mur, la convection reste confinée à la couche située à 15 cm de la paroi. Le brassage de l’air est donc moindre (peu de poussière en mouvement et taux d’hygrométrie relativement élevé contre la paroi) alors que pour le plancher chauffant, les mouvements sont concentrés au centre de la pièce. Ensuite au niveau de la position du rayonnement, le mur radiant possède un profil de température horizontal avec une décroissance verticale identique alors qu’au niveau du plancher les rayonnements sont verticaux ce qui est moins efficace en terme de confort. Cette répartition plus importante permet également d’utiliser moins de surface chauffante avec les murs radiants tout en assurant une bonne étanchéité de la température. Dans la pratique, une pièce de 40 mètres carrés au sol nécessitera 20 mètres carrés de mur chauffant.

Pour palier aux problèmes précédents d’inertie contraignante, l’utilisation pour les cloisons de la brique Ceratherm® en terre cuite peut être une alternative puisque plus légères et moins importantes en terme de chaleur spécifique et donc d’inertie thermique.

D’une manière générale la mise en place de ces murs étant plus complexe pour les cuisines et les salles de bain (humidité, surface des murs limitée…), les planchers chauffants seront préconisés.

En termes de coût pour l’achat des briques uniquement, il faudra compter aux alentours de 110 euros au mètre carré pour un mur en briques de terre crue Hélioterre et 60 euros pour la version brique de terre cuite Ceratherm cloison. Vous trouverez la liste des négociants sur le site du fabricant : http://www.tellus-developpement-durable.com/

Notes et références

Ouvrages

- DUBOIS PETROFF, Marie-Pierre ; Une maison plus saine. Paris: Charles MASSIN, 2005. 96p. (Recette d’architecte) - DE RIEDMATTEN, Eric; XXIème siècle Les innovations qui vont changer notre vie. Paris : l’Archipel, 2005, p. 113

Articles de périodiques

- GARRIGUES, Benoît ; Le solaire grimpe aux murs. Systèmes solaires. Mai 2001, n° 143, p. 24-26

- DELAIGUE, Elisabeth ; La terre crue comme hier… Maisons & travaux. Mars 2004, n°177, p. 76-90

- SAINT-JOURS, Yvan, et PUJOL, Ivan ; Le summum du chauffage conventionnel. La maison écologique. déc.-jan. 2003, p. 14-21

Thèses

- ENDRAVADAN, Mala ; Régulation des systèmes de chauffage et de climatisation basée sur la sensation thermique humaine : impact sur la consommation d'énergie dans les bâtiments. Toulouse 3 : 2006. 2006TOU30003 (France)