Activites de recherche et formation doctorale

3.1.2 : Les émetteurs de chaleur : les apports du GREC

Les premiers résultats obtenus dans le domaine de « l’efficacité énergétique des bâtiments », pour employer le terme consacré actuel, ont permis de départager le comportement des émetteurs de chaleur localisés (convecteurs, radiateurs…) ou non (planchers ou plafonds chauffants). Non seulement on a pu synthétiser de façon claire et consensuelle les qualités et défauts des différents types d’émission, mais on a aussi étudié l’impact de leur position dans une pièce, et mis au point un critère de confort universel, en régime dynamique, adapté à l’environnement de simulation.

Ce critère a été conçu et défini précisément par le CSTB dans le cadre du GREC et a été adopté depuis par plusieurs centres de recherche, dont ceux de Gaz de France.
L’ensemble des résultats obtenus a été consigné dans un ouvrage de librairie [L1], paru aux Presses de l’Ecole des Mines, dont j’ai coordonné la rédaction et rédigé la plupart des chapitres. 5 thèses, dont 2 à l’Ecole des Mines de Paris, ont été soutenues dans le cadre du Groupe de Recherche.
Les résultats principaux sont résumés dans le tableau ci-dessous. Dans le cadre de ces travaux, en plus de la coordination générale du groupe de recherche, j’ai participé activement à la définition de la méthode, et à la synthèse des résultats obtenus

Figure 24 : tableau des recommandations d’utilisation des émetteurs de chaleur
Un certain nombre de conclusions issues de ces travaux ont permis de rectifier quelques idées reçues sur les mérites respectifs des différents émetteurs de chaleur.
On pensait que le convecteur électrique était de loin le moins confortable et le plus consommateur d’entre eux. En fait, tous les émetteurs localisés (radiateur, convecteur, panneaux radiants) ont à peu près les mêmes performances, qui sont globalement 10 % inférieures à celles des émetteurs répartis (plancher chauffant et plafond rayonnant).
Le plafond rayonnant était réputé moins bon que le plancher chauffant : nous avons démontré que leurs performances étaient équivalentes.
Le plancher chauffant (basse température) était considéré comme universellement le meilleur de tous les émetteurs. On s’est aperçu qu’il était le moins bon de tous, en terme de consommation énergétique, dans les rez-de-chaussée de maisons individuelles.
Enfin, nous nous sommes dotés d’un critère de quantification du confort thermique compatible avec les régimes dynamiques et la précision de nos calculs.


Figure 25 : quantification du confort thermique généré par un radiateur basse température en allège avec une fenêtre en double vitrage
Le critère GRES, qui est une évolution des critères de FANGER en régime dynamique, est basé sur 4 notes (100 voulant dire 100 % d’insatisfaits).
La note G (pour Global) caractérise l’hétérogénéité des températures dans les différentes zones de la pièce : la valeur minimale est 5 (5% de personnes ne sont jamais satisfaites), et l’écart à la consigne est pénalisé par une loi exponentielle, tant pour les valeurs froides que trop chaudes. Sur la figure, on peut lire, dans 4 cercles (2 pour la position assise, 2 pour la position debout), et pour les hétérogénéités froides et chaudes, la valeur moyenne et les valeurs extrêmes obtenues au cours d’une séquence de simulation. Les résultats obtenus sont excellents pour ce type d’émetteur, équipé d’une régulation performante.
Les 4 groupes de valeurs suivants correspondent à la note R, pour asymétrie de rayonnement (asymétrie horizontale ou verticale) : on intègre le rayonnement issu de 2 demies sphères, au centre de la pièce. Là aussi, on fait le calcul pour 2 positions (assis et debout). Ces écarts sont ensuite traduits en termes d’inconfort, avec une base 0. Dans le cas représenté ici, c’est l’asymétrie horizontale en position assise qui est légèrement moins bonne que les autres. Par contre, nous avons pu noter, pour d’autres émetteurs, des écarts entraînant parfois des notes supérieures à 20.
La note suivante, présentée sur une verticale, présente l’écart tête pieds, noté E. Ce critère pénalise les émetteurs qui stratifient la température de l’air dans la zone « utile ». Ce n’est pas le cas pour cet émetteur.
La dernière note, S, pour température de sol, est la plus mauvaise pour ce type d’émetteur, et en règle générale pour tous les émetteurs localisés : le sol est un peu froid par rapport aux normes de confort. Cette note est bien meilleure pour les émetteurs répartis, planchers ou plafonds chauffants. C’est d’ailleurs sur cette note que ces émetteurs se détachent le plus.
Le GREC a donc obtenu des résultats très importants, qui ont permis de mieux comprendre les transferts thermiques dans une pièce chauffée, ainsi que leur couplage avec différents types d’émetteurs de chaleur. Il a permis de passer de calculs en régime statique à des calculs en régime dynamique, bien plus réalistes quant à leurs prévisions.
Les conclusions de ces travaux ont aussi influencé directement les pratiques en cours :

• 
  Gaz de France a préconisé un abandon de la position en allège des radiateurs, économisant en moyenne un tiers de la longueur des tuyaux d’alimentation en eau chaude ;
  
• 
  Les radiateurs à haute température (80 °C en entrée) ont rapidement été évincés du marché par des radiateurs dits basse température (60 °C) ou « chaleur douce », plus confortable et plus économes ;
  
• 
  Les panneaux radiants, promis par le marketing à un bel avenir ont vu leur part de marché baisser au profit des convecteurs frontaux, moins chers et aussi performants…
  

En conclusion de cette partie, j’ai eu la chance de coordonner cette expérience unique, pour laquelle tous les acteurs de la recherche française du domaine ont travaillé de concert, sous les regards attentifs de l’ensemble de la profession.

Cela m’a aussi permis de mener en parallèle d’autres recherches dans le domaine, et de développer notre propre plate-forme logicielle, avec trois partenaires industriels privilégiés : IMRA Europe, Electricité de France et Gaz de France.