Recherche:Pastech/243-2 Plancher chauffant

A la fois discret et confortable, le plancher chauffant, également appelé chauffage au sol, est une alternative aux radiateurs de plus en plus envisagée notamment dans les constructions neuves.

Si celui-ci semble être, au premier abord, une technique moderne, son histoire vieille de plusieurs milliers d’années témoigne de l’influence des cultures et des spécificités géographiques sur l’évolution des techniques.

Cette technologie se décline aujourd’hui sous plusieurs formes (PRE, plancher à accumulation, etc.) toutes soumises à de nombreuses normes. Combiné aux bonnes technologies, le plancher chauffant peut s’avérer très avantageux aussi bien d’un point de vue économique qu’écologique. Par conséquent, ce type de système s’inscrit dans le paradigme de la transition énergétique.

Histoire

Les premières apparitions du plancher chauffant en Antiquité

Premières apparitions en Asie

L’histoire du plancher chauffant commence en Asie il y a plusieurs milliers d’années. Des vestiges correspondant aux premiers systèmes de plancher chauffant ont été découverts lors de fouilles archéologiques en Chine et en Corée. Selon les archéologues, le développement du processus utilisé pour cuire la terre pourrait-être à l’origine de la naissance des premiers systèmes de plancher chauffant.

Parmi les premières formes de plancher chauffant, on compte trois principaux systèmes :

·        Le Kang ;

·        Le Dikang ;

·        L’Ondol.

Le Kang fut majoritairement utilisé dans la partie nord de la Chine ancienne. Ce système n’est pas réellement un plancher, mais une surface chauffée surélevée ayant traditionnellement la forme d’un U ou d’un lit. Les Kangs pouvaient occuper jusqu’à la moitié de la pièce dans laquelle ils se trouvaient. Ils étaient utilisés comme zone de repos la nuit et comme espace de vie et de travail la journée.

Un Kang qui s’étend sur toute une pièce est appelé Dikang.

Le Dikang fut le choix de prédilection dans la Mandchourie du Nord-Est. En fonction du combustible utilisé pour le chauffage, le Dikang était équipé ou non d’une cheminée. Les gaz chauds et fumées issus de la combustion s’infiltraient dans les conduits creusés sous la pièce, dans la maçonnerie ou la terre, et par lesquels la chaleur était transmise au plancher. Le plancher rayonnait ensuite cette chaleur vers les occupants et la pièce.

Le penchant d’une population pour le Dikang plutôt que pour le Kang traduit une préférence culturelle : celle de s’asseoir sur le sol plutôt que sur un meuble.

Fourneaux d'Ondol situés à l'extérieur et en contrebas de l'habitation

L'Ondol est une architecture traditionnelle coréenne composée de deux éléments principaux, un fourneau et une série de conduits.  L'Ondol tire sa chaleur de l’air chaud et des fumées du fourneau de la cuisine. Celle-ci était située en contrebas de l’habitation, le long d’un mur extérieur. Ainsi, un trou dans le fourneau permettait à l’air chaud de s'engouffrer dans des conduits sous le sol de la pièce avant d’être évacué par une cheminée. En passant par les conduits, l’air chauffait des pierres plates qui transmettaient la chaleur, qu’elles avaient reçu, par rayonnement.

Si l’Ondol et le Kang ont un fonctionnement similaire, le Kang diffère de l'Ondol en ce sens qu'il désigne spécifiquement une structure surélevée. L'Ondol coréen, en revanche, est un passage chauffant situé sous le plancher de toute la pièce. L’utilisation de l’Ondol a donné naissance à un style de vie et à certaines pratiques culturelles. On peut citer par exemple le fait d'enlever ses chaussure à l'intérieur de l'habitation et d'utiliser le sol pour s'asseoir et/ou pour dormir.

Évolution de ces systèmes :

Entre le IVème siècle av. J.-C. et le XIème siècle après J-C, l ’Ondol, aussi appelé Gudeul, fut d’abord développé par des classes pauvres des régions du nord de la péninsule coréenne. Il fut ensuite adopté dans des zones plus chaudes et plus au sud. Entre 700 et 1100 après J-C, des classes plus riches se l'approprièrent , ce qui conduisit à l'apparition de formes plus sophistiquées de Gudeul.

Au début du développement de l’Ondol, le foyer était situé à l’intérieur de l’habitation. Son utilisation était double, il servait à la cuisine et au chauffage. Cependant, en été, dans les régions les plus chaudes, cette solution entraîna des surchauffes de l’habitat. Par conséquent, entre 1000 et 1200 av. J.-C., le foyer fut déplacé à l’extérieur de l’habitat. Dans les régions les plus froides, au nord de la Corée par exemple, le foyer de l’Ondol resta à l’intérieur de l’habitation.

Premières apparitions en Europe

Représentation schématique d'un hypocauste

Au IV^ème siècle av. J.-C., un système de chauffage par le sol, aujourd’hui connu sous le nom d’Hypocauste, fut développé en Europe. Ce système était composé d’un fourneau et d’un sol surélevé au moyen de piliers ou murets. Les piliers, de section carrée, quelquefois cylindrique, étaient généralement faits de brique et plus rarement de pierre réfractaire. L’air chaud et les fumées issus du fourneau circulaient sous le sol des salles à chauffer. Les fumées étaient évacuées par des cavités dans les murs.

Les premières traces écrites mentionnant ce type de système ne remontent qu’au I^er siècle av. J.-C. Cette période s’accorde avec l’apparition et le développement de l’Hypocauste en Rome Antique qui y aurait été initialement introduit par Caius Sergius Orata. A cette époque, l’utilisation de variantes du système d’Hypocauste était largement répandue au Moyen-Orient, en particulier en Afghanistan et en Syrie.

Contrairement aux systèmes en Corée, en Chine et dans certaines régions du Japon qui continuèrent d'évoluer, l'utilisation du chauffage par le sol en Europe hiberna pendant de nombreux siècles.

Fin de l'Antiquité, Moyen Âge et Renaissance

Asie

De gauche à droite : les Trois Royaumes vers 576, Silla unifié à la fin du VIIe siècle, Royaume de Goryeo vers 1359

Des fouilles réalisées sur l’un des trois territoires qui divisaient la Corée, Silla, pendant la période des Trois Royaumes de -57 à 668, n’ont pas permis de retrouver d’Ondol datant de cette époque. De même, aucun Ondol n'a été retrouvé sur tout le territoire unifié de la Corée, appelé alors Silla unifié, de 668 à 935. Ce principe de chauffage ne semble donc pas avoir été utilisé pendant de nombreux siècles dans certaines régions de la Corée, puis dans toute la Corée réunifiée.

Il se peut aussi que des événements aient conduit à la disparition des Ondols datant de cette époque, tel qu’un projet d’architecture visant à détruire puis reconstruire de nouvelles maisons, par exemple, faisant ainsi disparaître tous les Ondols construits auparavant. D'autre part, la période du I^er siècle av. J.-C. au VII^e siècle est marquée par les nombreuses invasions des différents royaumes sur leurs voisins. Une possibilité serait que les Ondols aient disparu suite à des pillages voire des ravages des maisons dans les royaumes envahis.

Des fouilles permettent de trouver à nouveau des Ondols datant du début du royaume de Goryeo, de 918 à 1392, qui est une période d'accalmie politique durant ces 2 siècles. Cette période est marquée par un développement économique et dans le domaine des arts. L’Ondol chauffe cette fois toute la surface du sol.

En l’an 1000, le principe de l’Ondol évolue et s’améliore en Corée, alors réunifiée.

Ce système de chauffage continue à être utilisé tout au long de l’histoire de la Corée.

Bassin méditerranéen

L’Hypocauste est plutôt utilisé autour du bassin méditerranéen pour chauffer les bains publics et les habitations.

• Nouveaux systèmes de chauffage dans les habitations en Europe

Cheminée au Moyen Âge

Le chauffage par le sol dans les habitations disparaît presque totalement en Europe vers l’an 500. L’utilisation directe du feu, puis plus tard des cheminées, est privilégiée. Cela mène à un certain mode de vie : on se réunit près de cette source de chaleur, et de lumière.

Le Moyen Âge représente une période intéressante à étudier. Nous savions que l’Hypocauste, système plutôt simple, a fait ses preuves, et chauffe correctement les habitations. Or au Moyen Âge, il est bien connu que tout le monde avait froid (paysans et Roi), les systèmes de chauffage à l’époque ne chauffaient pas suffisamment, alors pourquoi ne pas utiliser l’Hypocauste ? Ils avaient pourtant un grand savoir-faire puisqu’ils étaient capables de construire des châteaux et des machines de guerre, tandis que l’Hypocauste reste un système assez simple. Quelques hypothèses :

Températures de l'hémisphère nord depuis 2000 ans : mises en évidence du "réchauffement climatique médiéval" et du "petit âge glaciaire".

- de nombreuses connaissances se perdent au fil des années. Il se peut que le savoir-faire autour de l'Hypocauste ait été perdu par les architectes pendant le Moyen Âge, on ne l'aurait retrouvé que grâce aux fouilles archéologiques réalisées beaucoup plus tard.

- un nouveau modèle architectural apparaît, et celui-ci pourrait rendre l’Hypocauste inefficace : les villas romaines de l’Antiquité semblent basses, et construites uniquement en rez-de-chaussée; tandis que les bâtisses du Moyen Âge ont des plafonds plus hauts, de plus grands volumes, et plusieurs étages. Enfin, le type de pierre semble être différent.

- les températures très basses atteintes en Europe du Nord auraient pu rendre l'Hypocauste complètement inefficace. En effet, il y a eu une période dite de “petit âge glaciaire” entre le XIVème et le XIXème siècle en Europe. En revanche, il y a eu une période de “réchauffement climatique médiéval”, cela n’explique donc pas totalement la disparition des chauffages par Hypocauste au Moyen Âge.

• Disparition progressive des bains publics en Europe

Bains publics d'Aix-la-Chapelle, fin du XVIIème siècle

Il y a de moins en moins de bains publics en Europe, pour plusieurs raisons :

- Au IVème siècle, les bains privés apparaissent, ils sont réservés aux plus riches. On voit alors apparaître le concept de pudeur, et une diminution de la vie publique.

- Au XIVème siècle, la religion, dont le pouvoir augmente, fait pression pour faire fermer les bains publics. Ceux-ci seraient des lieux de débauches, ils favoriseraient la propagation de maladies, et seraient outrageusement chers.

Afrique du Nord

On retrouve dès le Ier siècle des thermes fonctionnant avec le principe de l’Hypocauste. On en retrouve presque uniquement au Maroc. Yvon Thébert, historien, archéologue, rédacteur d’une thèse d’Etat sur les Hypocaustes en l’Afrique du Nord, ne tire pas de conclusion hâtive. Probablement que les Hypocaustes étaient peu utilisés dans les autres pays nord-africains, tels que la Tunisie et l’Algérie, mais il se peut aussi qu’il y en ait eu puis qu’ils aient été détruits, ne permettant donc pas aux archéologues d'en retrouver, des siècles plus tard.

Au Ier siècle, quelques thermes de petite taille sont retrouvés au Maroc. Au IIème siècle, les thermes s’agrandissent. Au IIIème siècle, l’Afrique du Nord est en pleine prospérité, c’est l'Âge d’Or des thermes. À partir du Vème siècle, la construction des thermes décroît, et dès le IXème siècle, plus aucun édifice balnéaire n’est construit.

Plancher chauffant du XVIIIème siècle à nos jours

Asie

Corée

Dans les années 1950, la guerre de Corée cause une pénurie de bois. Par conséquent, les populations commencent à utiliser charbon ou fuel dans les Ondols, cela les rend nettement plus dangereux et crée de nombreux morts, dus aux fumées. Ainsi, depuis 1975, les Coréens privilégient le système de chauffage par rayonnement à eau chaude. En effet, non seulement cela élimine les risques liés aux gaz toxiques, mais représente également une amélioration en termes de confort thermique, permet un entretien plus aisé, et possède une plus grande efficacité énergétique.

Même si aujourd'hui il est rare de trouver des habitations équipées d'Ondols traditionnels, la majorité des bâtiments reste équipée d'un système de chauffage par le sol, notamment ceux par circulation d'eau chaude. Cela peut notamment s’expliquer par le climat : un été chaud et humide, et un hiver froid et sec (jusqu'à -30°C) et par l’architecture des habitations. En effet, la plupart des maisons sont construites de plein-pied, avec un plancher surélevé pour éviter l'humidité, ce qui permet une installation facile de ce système de chauffage. De plus, la coutume de dormir sur le sol favorise l'utilisation d'un plancher chauffant.

Les Occidentaux, ayant testé ce système de chauffage lors de voyage en Corée, ont pour la plupart un avis très divergent des habitants. Quand ces derniers apprécient la chaleur diffusée, les premiers se plaignent d'une chaleur trop importante, qui les empêchent de dormir. Ils ont une sensation de suffocation, et au petit matin qu'ils se sont asséchés durant la nuit.

Au début des années 1970, des entreprises de construction essayent de mettre en place les systèmes de radiateur dans les nouveaux bâtiments afin de promouvoir un mode de vie à l'occidental. En effet, à l'époque celui-ci est vu comme moderne et pratique. Cependant, les habitants ont l'habitude d'avoir un sol chaud, ce qui n'est pas le cas avec des radiateurs, et par conséquent ces derniers sont rapidement remplacés pour revenir aux systèmes de chauffage traditionnels coréens.

En Corée, 95% des bâtiments sont équipés de planchers chauffants et chaque année, environ 60 millions de m² de chauffage au sol sont posés.

Chine

Depuis les années 2000, le chauffage au sol s’est progressivement diffusé en Chine. Tout comme en Corée, cela peut s'expliquer par le climat. Il existe 5 zones climatiques en Chine : froid intense, froid, été chaud et hiver froid, tempéré et été chaud et hiver chaud. Les 3 dernières zones, qui se situent au Sud du fleuve Yangtze, n’ont pas besoin de chauffage pendant l’hiver mais dans les régions méridionales et les autres zones, on observe une vaste diffusion du chauffage au sol. Le long du fleuve, l'hiver est froid et humide, ce qui provoquera sûrement une croissance du nombre chauffage au sol installé afin d'améliorer le confort thermique en hiver.

Plusieurs millions d'habitations utilisent des Kangs traditionnels. Tous les rénover avec les nouveaux systèmes seraient trop cher, c'est pourquoi l'objectif est plutôt d’augmenter l'efficacité énergétique du Kang, en l'élevant par exemple (s'il se situe au sol, la température moyenne est inférieure à 10°C pendant 70% du temps d'utilisation, contre une température moyenne supérieure à 16°C s'il est surélevé).

Pékin est le plus grand marché de chauffage au sol en Chine. De plus, dans certaines villes de la province de Hubei, entre 70% et 80% des nouveaux bâtiments sont équipés de ce système. Dans le Nord de la Chine, 85% des bâtiments disposent d'un chauffage par le sol.

Reste de l'Asie

On remarque dans les pays ayant un hiver avec un froid extrême, tels que la Russie ou le Kazakhstan, une nette augmentation de ce type de chauffage au sol. On observe également une forte croissance dans l'utilisation de systèmes de chauffage au sol.

Europe

La première construction ayant un système de plancher chauffant connue est la Banque d’Angleterre. En 1790, Sir John Soane fait installer un système de chauffage utilisant des tuyaux, ressemblant fortement à un Hypocauste.

C'est seulement en 1908 que le chauffage par rayonnement commence à être introduit sous forme commerciale. Le professeur Arthur H. Barker découvre que placer des petites conduites d'eau chaude dans du plâtre ou du béton donne de bons résultats en matière de chauffage et par conséquent, s'avère être un système très efficace. Il développe la première conception aujourd'hui connue comme le chauffage par panneaux rayonnants. Cette méthode de chauffage par le sol est, par exemple, utilisée dans la cathédrale de Liverpool.

Dans les années 1930, Oscar Faber utilise des conduites d'eau chaude afin de chauffer de grands bâtiments par rayonnement. Il rénova notamment le système de chauffage de la Banque d'Angleterre en encastrant des tuyaux de cuivre dans les sols en béton, et permit ainsi de refroidir l'édifice en été, et le chauffer en hiver.

En France, en 1960, le plancher chauffant connait un réel succès, puisque celui-ci est très abordable. Cependant, il est abandonné dans les années suivantes. En effet, la technique n'étant pas assez développée, les déperditions sont trop importantes, faisant perdre à ce système de chauffage ses avantages économiques. De plus, les mauvaises répartitions des masses chaudes (la température de surface pouvant aller jusqu’à 40°C) causent des problèmes de circulation sanguine. En 1980, le planchers chauffant dit à basse température fait son arrivée sur le marché, utilisant désormais des tubes en matériaux de synthèse (comme le PER) au lieu de l'acier.

Aujourd'hui, même si les problèmes sanguins ne sont plus d'actualité, notamment grâce aux progrès de la technique et à la loi qui impose un maximum de 28°C au sol, ces questions concernant la circulation sanguine restent des préjugés très forts, et dissuadent certains habitants de faire poser ce système de chauffage.

États-Unis

Au XVIIIème siècle, l'inventeur américain Benjamin Franklin étudie les planchers par rayonnement en Asie et les technologies françaises. Il s'intéresse notamment à l'utilisation et la circulation des fumées et met ainsi au point son invention "Les cheminées Franklin".

Durant la guerre de Sécession (1861-1865), un système de chauffage au sol, appelé California Plan, était utilisé pour chauffer les hôpitaux militaires. Cette technique consistait à creuser une tranchée passant dans toute la longueur de la tente. A l’extérieur était construite une « cheminée » composée de barils, dont les joints et crevasses étaient comblés avec de l’argile, et de l’autre laissait la fumée s’évacuer. Un feu était allumé dans la tranchée, et à l’intérieur de la tente, des plaques de tôle recouvraient la tranchée et permettait ainsi de garder la chaleur. Cette utilisation ressemble fortement aux anciennes méthodes utilisées en Asie. Une explication plausible pourrait être l'immigration chinoise au niveau de la côte Ouest. En effet, l'arrivée massive des Chinois par le port de San Francisco a apporté en Californie de nouvelles traditions et pratiques utilisées en Chine.

En 1909 dans l’État de l'Indiana, une école est construite avec un système de tuyaux transportant de la vapeur, ceux-ci étant placés entre la solive et la couche de bois habituelle. Frank Lloyd Wright, un architecte américain, effectue plusieurs voyages en Asie, notamment au Japon, à partir de 1905. Il s'inspire de l'oncologie et utilise ainsi des tuyaux remplis de vapeur traversant le sol des maisons pour les chauffer à partir de 1934. Il fait également installer ce système dans les immeubles, comme par exemple celui de la Johnson Wax.

Après la Seconde Guerre Mondiale, environ 2000 maisons du quartier de Levittown sont équipées de tuyaux de cuivre intégrés dans une dalle de béton afin de les chauffer.

Aujourd'hui, on estime que seulement 5% des bâtiments aux États-Unis utilisent un système de chauffage au sol. On remarque cependant que lorsque les propriétaires sont directement impliqués dans le choix de la méthode de chauffage de leur maison, ce chiffre est compris entre 10 et 12%. On note également que le nombre de demandes de mise en place de ce type de système a augmenté de 36% entre 2005 et 2010.

Techniques actuelles

Depuis les années 1960, deux technologies sont mises en avant : le plancher chauffant électrique et le plancher chauffant par fluide caloporteur. L’installation est intégrée au sol, recouvrant tout la superficie à chauffer. C’est une technologie qui présente des avantages économiques, écologiques, et de confort importants.

Ce type d’installation implique des travaux importants. Bien qu’il soit possible de l’adapter à des édifices anciens (rénovation lourde), l’installation de plancher chauffant est plus répandue dans les constructions neuves.

Structure et principe de fonctionnement

Systèmes à faible inertie

Plancher rayonnant électrique (PRE)

Le plancher chauffant rayonnant électrique (PRE) repose sur l’installation d’un câble chauffant (une résistance) dans le sol. Il est commercialisé sous deux formes : soit en couronnes (l'élément chauffant est livré en bobine), soit en trames (un treillis préfabriqué en usine supporte l'élément chauffant).

Ce système est principalement déployé sous forme de trames lors d’une rénovation. Il est ensuite recouvert d’une fine chape de béton et d’un revêtement de sol adapté. Il est conçu pour minimiser l’inertie thermique des couches supérieures et favoriser une chauffe rapide. Dans ce but, la masse surfacique du revêtement ne doit pas dépasser 160 kg/m² et les résistances se trouvent donc proche (environ 5 cm) du revêtement supérieur.

Ce système permet une mise en place relativement simple et rapide. Il présente comme avantages une émission rapide de chaleur et un faible temps de régulation thermique. Cependant, le chauffage rayonnant électrique est cher à l’usage. Sa faible inertie implique de le laisser allumé sur de longues périodes.

Systèmes à forte inertie

Le plancher chauffant à accumulation vise à maximiser son inertie. La chape de béton le recouvrant est épaisse. La mise en chauffe du système est plus lente et sa régulation plus difficile. Ce dispositif permet le stockage de la chaleur sur de longues durées et une restitution progressive à la pièce. Des sources d’appoint doivent être mises en place afin de garantir un confort de vie acceptable.

Plancher électrique à accumulation

Son installation est sensiblement la même que pour un PRE à la différence que la chape de béton est plus épaisse, afin d'accumuler l’énergie thermique produite par les résistances.

Ce système est souvent mis en marche de nuit afin de bénéficier d’une énergie électrique moins chère, la chaleur étant restituée durant toute la journée.

Plancher chauffant à fluide caloporteur

Plancher avec fluide caloporteur

Le plancher chauffant à eau est un plancher à accumulation diffusant l’énergie thermique via un réseau de tuyaux en circuit fermé. La tuyauterie est relié à un système de chauffe et à un thermostat.

Ce dispositif offre la possibilité d’utiliser grande quantité de dispositifs de chauffe du fluide :

• dispositifs électriques
• chaudières à combustion (fioul, déchets, charbon, bois, gaz...)
• pompe à chaleur
• géothermie de faible ou forte profondeur
• capteurs solaires thermiques

L’utilisation d’une pompe à chaleur réversible peut permettre d’utiliser le circuit d’eau comme source de fraîcheur.

Pour éviter la présence de boue dans les circuits d'eau du plancher, il est nécessaire d'y ajouter un additif et de le surveiller régulièrement.

En cas de coupure d'électricité, le circulateur d'eau n'est plus activé. Il n'y a plus de chauffage.

Détaille des couches d'un plancher chauffant

Structure générale d'un plancher chauffant

Pour toutes les technologies présentées ci-dessus l’installation reste plus ou moins identique. De bas en haut, on peut la décrire comme suit :

• Une dalle servant de support. Elle doit être de niveau.
• Une couche isolante : ce matériau doit être incompressible et avoir une résistance thermique adéquate.
• Des bandes périphériques permettant d’assurer la continuité de l’isolation sur tout le périmètre de la pièce, y compris aux points singuliers.
• Le composant chauffant (tuyau pour l’eau ou résistance électrique)
• La chape humide ou chape sèche, l’épaisseur varie en fonction du système et de l’inertie souhaitée.
• Le revêtement : tout type de revêtement ayant une résistance thermique inférieure à 0.15 m².K/W  peut être mis en place (carrelage, parquet, stratifié, sols souples, lino, moquette, vinyle...) mais doivent également respecter la norme NF 1264-4 (norme sur les résistances thermiques).

Analyse thermique et énergétique

Rendement d'un plancher chauffant

Estimer le rendement d’un plancher chauffant de manière globale est particulièrement complexe. En effet, il existe une grande variété de systèmes chacun doté de caractéristiques différentes : au sein des deux grandes catégories que forment le plancher radiatif électrique et le plancher avec fluide caloporteur, les méthodes d’implémentation, le dimensionnement, les matériaux sont divers.

De plus, l’analyse énergétique d’un système de plancher chauffant ne peut être réduite au seul système de transfert de chaleur du sol à la pièce de manière pertinente. Dans le cas du plancher électrique, le rendement global d’une installation de chauffage au sol dépend fortement de la source d’énergie électrique. Dans celui d’un plancher hydraulique, il est lié au système choisi pour chauffer l’eau.

Il ressort néanmoins d’un certain nombre d’études réalisées en comparant des systèmes de chauffage au sol à d’autres modes de chauffage, que les rendements énergétiques et éxergétiques d’installations de plancher chauffant sont plutôt meilleurs que la moyenne des systèmes de chauffage. Ces résultats expliquent en partie l’accroissement de l’intérêt, pour les systèmes de chauffage à basse température de manière générale, dans la construction de bâtiments basse consommation.

Particularité thermiques et énergétiques

Si établir des conclusions générales sur le rendement d’un plancher chauffant semble difficile, on peut tout de même s’intéresser à ce qui le différencie des autres systèmes de chauffage d’un point de vue thermique et énergétique. En effet, de par son principe même, le plancher chauffant a des caractéristiques très différentes d’autres systèmes de chauffage pour la conversion d’énergie et le confort.

Pertes par le sol

Dans le cas d’un plancher chauffant, qu’il soit électrique ou hydraulique, l’élément chauffant est positionné entre l’extérieur (terre, vide sanitaire, sous-sol…) et l’intérieur de la maison. Il transmet donc de la chaleur à l’air intérieur, mais aussi à l’extérieur. Nous avons tenté d’estimer ces pertes par un calcul basé sur un certain nombre d’approximations (annexe), et le résultat est de l’ordre de 20%. Cela reflète particulièrement l’importance de l’isolation du sol pour ce type de système de chauffage. En effet, l’isolation et le matériau de couverture du plancher chauffant sont les paramètres qui influent le plus sur son efficacité.

Surface d'échange

Du point de vue des transferts thermiques, deux caractéristiques sont remarquables.

D’abord, le plancher chauffant présente une très grande surface d’échange avec l’air de la pièce à chauffer. Les transferts de chaleur s’effectuent à travers toute la surface du sol et non seulement en un point précis de la pièce comme avec un radiateur. Puisque la surface d’échange est bien plus grande, il n’est pas nécessaire de chauffer autant un plancher chauffant qu’un radiateur : pour transmettre la même quantité d’énergie sous forme chaleur avec une surface importante, la source de chaleur peut avoir une température plus basse que pour une surface d’échange plus faible.

En prenant l’exemple d’une pièce de l’une de nos maisons, nous avons essayé d’estimer approximativement cette différence (voir le calcul en annexe). On s’aperçoit que la surface d’échange entre l’air de la pièce et les radiateurs qui la chauffent est de l’ordre de 10 m² pour une surface au sol de 40 m², qui serait la surface d’échange thermique entre l’air et un plancher chauffant. La différence qui en résulte est significative : la température d’un sol chauffant serait de l’ordre de 23 °C pour chauffer cette pièce à la même température que des radiateurs à une température de 60 °C.

De plus, cette grande surface d’échange permet d’augmenter la quantité de chaleur transmise par rayonnement. En effet, la plupart des systèmes de chauffage utilisent principalement la convection comme mode de transfert de chaleur : un radiateur transmet peu d’énergie par rayonnement aux objets de la pièce. Le fait de pouvoir transmettre de la chaleur par convection et rayonnement à la fois permet encore de réduire la température de chauffe du plancher.

Limiter la température du système de chauffage possède un certain nombre d’intérêts. Cela permet d’abord un meilleur confort et peut être particulièrement intéressant pour les systèmes de chauffage hydrauliques. De par cette faible température, il est possible d’utiliser des méthodes de chauffage peu coûteuses en énergie non renouvelable et en argent, comme la géothermie ou le rayonnement solaire. Les systèmes de chauffage à basse température peuvent aussi être couplés de manière très intéressante à une pompe à chaleur.

Confort thermique

Le plancher chauffant présente un certain nombre d’avantages de confort par rapport à d’autres systèmes de chauffage.

Le sol est tiède et non froid, ce qui plus confortable. Comme le plancher chauffe moins par convection que des radiateurs classiques, il génère moins de mouvements d’air. Cela représente en soi un avantage et permet aussi d’améliorer la qualité de l’air intérieur en réduisant la quantité de particules en suspension.

La répartition de chaleur est aussi plus uniforme dans une pièce équipée d’un chauffage par le sol à basse température que dans une pièce équipée de radiateurs. Le plancher chauffant chauffe uniformément tout le sol de la pièce à une température assez basse alors qu’un radiateur chauffe fortement l’air qui l’entoure et beaucoup moins le reste de la pièce. De plus, dans le cas d’une pièce chauffée par le sol, la température varie beaucoup moins avec la hauteur qu’à proximité d’un radiateur. Cela représente aussi un avantage puisqu’une forte différence verticale de température de l’air est une source d’inconfort thermique.

Le confort thermique peut être mesuré grâce à deux indices : le PMV (predicted mean vote) ou vote moyen prévisible, et le PPD (predicted percentage dissatisfied) ou pourcentage prévisible d’insatisfaits.

L’indice PMV se base sur le bilan thermique du corps humain et permet de prédire la valeur moyenne des votes d’un grand groupe de personnes exprimant leur confort thermique sur une échelle à 7 niveaux : de froid (-3) à chaud (+3). Un indice PMV proche de 0 (neutre) indique une sensation thermique neutre. D’après une étude théorique menée en 2012 comparant plusieurs systèmes de chauffage, le plancher chauffant est celui qui donne la sensation thermique la plus neutre et la plus uniforme sur la surface de la pièce. En particulier, la comparaison entre un chauffage par radiateurs et un plancher chauffant donne les résultats suivants :

Quelle que soit la position dans la pièce, la sensation fournie par le plancher chauffant est plus neutre que celle fournie par des radiateurs.

L’indice PPD permet quant à lui de prédire le pourcentage de personnes insatisfaites thermiquement (susceptibles d’avoir trop chaud ou trop froid) dans un grand groupe de personnes. Il est calculé à partir du PMV. Selon la même étude, ce pourcentage est plus faible pour le plancher chauffant que pour les autres systèmes étudiés quelle que soit la position dans la pièce.

On peut noter que près du radiateur, le nombre de personnes en situation d'inconfort thermique est presque identique pour un radiateur ou un plancher chauffant, mais que dès lors que l'on s'éloigne du radiateur, le plancher chauffant est beaucoup plus confortable. Cela illustre bien l'intérêt de ce système : un chauffage très uniforme.

De manière générale, les systèmes de chauffage à basse température sont souvent jugés plus confortables que les systèmes conventionnels. D'après une étude conduite en Hollande en 1999 sur plus de 400 foyers équipés de systèmes de chauffage à basse température, le plancher chauffant fournissait une sensation thermique plaisante à plus 75% des utilisateurs et représentait une amélioration par rapport à un système de chauffage à haute température selon plus de 70% des gens.

Intérêt du couplage avec certains systèmes de chauffage de l’eau pour les planchers hydrauliques

Pompe à chaleur

Le COP d’une pompe à chaleur pour le chauffage peut s’exprimer comme suit :

$COP={\frac {T_{chaud}}{T_{chaud}-T_{froid}}}$

Le COP peut donc être plus élevé pour une installation qui ne nécessite d’élever la température du fluide que faiblement. Pour avoir un ordre d’idée, on peut essayer de calculer le COP d’une pompe à chaleur en fonctionnement réversible, lorsqu’elle est utilisée pour chauffer une eau à 60°C pour un système de radiateurs ou à 30°C pour un plancher chauffant. En prenant une température extérieure (correspondant à la source froide) de 5°C, on aurait :

$COP_{radiateur}={\frac {T_{radiateur}}{T_{radiateur}-T_{ext}}}={\frac {273+60}{60-5}}=6$

et

$COP_{plancher}={\frac {T_{plancher}}{T_{plancher}-T_{ext}}}={\frac {273+30}{30-5}}=12$

Bien sûr, ces valeurs correspondent à un fonctionnement réversible, ce qui n’est pas réaliste, mais montrent clairement l’intérêt du couplage d’une pompe à chaleur à un système de chauffage basse température. En réalité, un plancher chauffant couplé à une pompe à chaleur possède un excellent COP, qui peut dépasser 4 pour la PAC et 3 pour le système PAC/plancher chauffant dans son ensemble.

Le fait de chauffer l’eau à basse température permet aussi de favoriser la condensation du fluide et donc de récupérer plus d’énergie thermique : le fluide en se liquéfiant libère de la chaleur puisque ce changement d’état est une transformation exothermique.

L’utilisation d’une pompe à chaleur réversible permet aussi d’implémenter des systèmes de sol chauffant-rafraichissant : en hiver, la PAC extrait de la chaleur de l’air extérieur pour la transmettre au fluide et chauffer la maison ; en été, elle extrait de la chaleur du fluide circulant dans le sol pour refroidir l’habitation.

Le cas du plancher chauffant solaire

Le plancher chauffant solaire est un plancher hydraulique reposant sur un système de chauffe de l’eau par le rayonnement solaire : des panneaux solaires thermiques sont chargés de capter l’énergie transmise par le soleil à l’eau circulant dans le plancher. Son intérêt par rapport à un plancher utilisant la géothermie est qu’il peut être mis en place dans n’importe quelle région.

Les planchers chauffants solaires sont principalement déployés sous forme de Plancher Solaire Direct (PSD). Le PSD est constitué d'un tube, noyé dans une dalle de béton (plancher chauffant à accumulation), dans lequel le fluide, en circulant, transmet la chaleur à la dalle. Il n'y a pas d'échangeur entre le plancher chauffant et les capteurs thermiques. Supprimer l’échangeur permet d’augmenter la chaleur transmise à l'intérieur du bâtiment, de limiter les pertes et ainsi augmente le rendement des capteurs solaires.

Le plancher solaire direct permet de couvrir une large partie des besoins en chauffage de l’habitation, mais un chauffage d’appoint reste nécessaire. En moyenne, la chaleur captée par les panneaux thermiques permet de couvrir 50 à 70% des besoins en chauffage. Cette proportion varie fortement en fonction du type de bâtiment et de son isolation. Pour un bâtiment basse consommation, bien isolé, elle peut atteindre 95% alors qu’elle ne dépasse pas 50% pour des bâtiments plus anciens. Le reste doit être produit par un autre système : soit un système secondaire de chauffe de l’eau pour le plancher, soit un système de chauffage différencié (avec des radiateurs par exemple). La nécessité d’un chauffage d’appoint est le principal frein au développement de ce systèmes.

La couverture des besoins par l’énergie solaire varie beaucoup en fonction des lieux et des périodes de l’année. De manière générale, la période estivale est celle où le rayonnement solaire est le mieux capté, mais c’est aussi celle qui nécessite le moins de chauffage.  La chaleur fournie par les capteurs sert alors principalement pour l’eau chaude sanitaire. Sur les périodes plus fraîches avec un fort ensoleillement (début et fin de l’hiver), la couverture des besoins par le solaire peut atteindre 100%. En fonction du lieu d’implantation, la production utile des capteurs solaires est très variable : en haute montagne par exemple, elle est élevée puisque les besoins en chauffage sont importants toute l’année et que l’ensoleillement est fort. L’ensoleillement varie aussi au cours de la journée, ce qui influe sur la température du fluide circulant dans le sol. Pour éviter les variations fortes et fréquentes de température dans l’habitation, on vise d’abord à maximiser l’inertie thermique du sol et une partie de l’eau chauffée pendant la journée peut être stockée pour être ensuite utilisée pour le chauffage de nuit.

Analyse de cycle de vie

Il est intéressant d'étudier le cycle de vie complet d'un système tel que le PSD qui est souvent considéré comme écologique par rapport à d'autres systèmes de chauffage. Une ACV confrontant un système solaire combiné (SSC) composé d’un capteur de 12 m² et une chaudière à gaz, chacun alimentant un plancher chauffant et l’eau chaude sanitaire, donne les résultats suivants :

Pour un TJ d’énergie fournie,

• Un SSC  émet  4 fois moins de gaz a effet de serre qu’un chauffage au gaz.

• Un SSC nécessite  3.5 fois moins d’énergie pour fonctionner (fabrication et usage) qu’un chauffage au gaz.

• Un SSC implique 12 fois plus de déchet qu’une installation au gaz : issus des panneaux solaires thermiques  et du ballon d’eau chaude principalement.

• Un SSC à une consommation d’eau 3.5 fois plus élevé qu’un chauffage au gaz.

• Un SSC contribue 1.5 fois plus à l’acidification des océans et à l’eutrophisation des eaux qu’un chauffage au gaz (usage de cuivre plus important, qui se retrouve en fin de vie dans les eaux).

Ces résultats montrent que le SSC avec un PSD offre un réel avantage en termes d'émission de GES et de consommation d’énergie. En revanche, les quantités de déchets et l’impacte sur les eaux sont plus importants, puisqu'il s'agit d'un système comprenant certains composants complexes.

D’autre part, la fabrication d'un système collectif engendre moins d'impacts que la fabrication d'un système individuel. Le temps de retour énergétique est environ de 1.6 ans pour l'installation collective, et de 5.6 ans pour l'installation individuelle. Le dispositif collectif profite de l'effet d’échelle de l’installation et permet de maximiser la captation et l’usage de l’énergie thermique.

Aspects économiques et historiques

En France, le PSD a été mis en avant comme un système de chauffage durable et peu coûteux à l’utilisation, dès le démarrage de la filière solaire thermique qui a suivi le choc pétrolier de 1973. Différents systèmes de chauffage solaire thermique ont été développés, souvent en association avec la production d’eau chaude sanitaire. On parle alors de systèmes solaires combinés (SSC). Les premiers systèmes développés, dits à hydroaccumulation, possèdent un grand volume de stockage d’eau chaude qui permet de récupérer la chaleur captée et inutilisée pendant la journée. Cependant, ils se sont révélés assez peu efficaces, avec des performances médiocres et des pertes thermiques élevées à moins d’utiliser des ballons de stockage très sophistiqués. Cela a conduit à une remise en cause du principe de l’hydroaccumulation, au début des années 1980 et à la simplification des schémas hydrauliques utilisés à cette époque, débouchant sur le développement du PSD.

Des plans nationaux ont été mis en place pour favoriser l’utilisation de SSC, c’est-à-dire permettant à la fois le chauffage de l’habitation par des méthodes à basse température et la production d’eau chaude sanitaire. Entre 2000 et 2006, le Plan Soleil (ou Hélios 2006) permettait de recevoir une aide pour l’installation individuelle ou collective de systèmes solaires thermiques (aussi bien pour le chauffage que pour l’eau chaude sanitaire). Ce plan prévoyait aussi l’installation de 1500 planchers solaires directs.

D’après le ministère de la transition écologique et solidaire, dans les cinq dernières années, la structuration du marché et l’optimisation des systèmes ont permis de diminuer de 20 a 25% le coût du matériel, qui reste néanmoins élevé. La filière du solaire thermique pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire accuse cependant une baisse au cours des dernières années. Si la réglementation thermique (RT 2012) qui intègre une obligation d’utilisation des énergies renouvelables en maison individuelle y est favorable, le solaire thermique est en concurrence avec certains équipements dont le coût d’installation est moindre et qui remplissent également les critères de cette réglementation. Sur le marché du neuf collectif et tertiaire, l’absence d’obligation d’énergies renouvelables dans la RT 2012 pour les logements collectifs n’accélère pas le développement de ces systèmes.

Un certain nombre d’habitations bioclimatiques sont conçues avec un plancher chauffant solaire comme principal système de chauffage, puisqu’il permet de réduire fortement la consommation d’énergie. L’utilisation de ces systèmes en milieu rural a aussi été étudiée, notamment en Algérie, car ils permettent un chauffage relativement efficace sans qu’un apport d’électricité ou de carburant (gaz, bois ou fioul) soit nécessaire.

Cependant, on peut s’interroger sur la réelle pertinence du déploiement de ces systèmes sur le long terme. En effet, on se focalise aujourd’hui sur la conception de bâtiments hyper-isolés, réduisant les pertes et maximisant les apports passifs. Dans ce type de construction, la nécessité d’apports en chauffage est réduite et se concentre sur les mois les plus froids et les moins ensoleillés, particulièrement défavorables au plancher solaire puisque le facteur limitant l’utilisation de l’énergie solaire est alors la disponibilité de la ressource elle-même.

Tableau comparatif

Comparaison entre un chauffage par radiateurs classique et un plancher chauffant

Critère	Chauffage par radiateurs	PRE	Plancher chauffant à accumulation (électrique ou hydraulique)
Confort
Répartition de la chaleur	Température peu uniforme	Température uniforme, faible gradient thermique
Température du sol	Sol froid	Sol tiède (18-23°C)
Qualité de l'air	Convection : mouvements d’air et brassage de poussière dans la pièce	Peu de mouvements d’air, peu de poussière
Utilisation	Cycle de chauffe rapide	Cycle de chauffe rapide	Cycle de chauffe long, période de chauffe de nuit (électricité moins chère)
Coût
Installation	50- 100 €/m²	40-50 €/m² + isolation du sol éventuelle	70-100 €/m² + isolation du sol + chape
Usage	Très différent selon les technologies	0,1765 € TTC / kwh en France (mai 2020)	Diminution des coûts par un couplage avec PAC/chauffage solaire de l’eau
Temps de vie	10-40 ans selon les types de radiateur	50 ans	50 ans
Propriétés thermiques
Pertes	surface moindre perte d’énergie transmise faible.	Pertes par le sol
Mode de transfert de chaleur	Convection	Convection et rayonnement
Surface d'échange	Faible	Grande
Température de chauffe	50-90°C pour un radiateur a eau	Température du sol : 18-23°C	Température du sol : 18-23°C Température du fluide : 30°C
Contraintes
Installation		Bâtiments neufs ou rénovation	Bâtiments neufs principalement Isolation du sol
Chauffage d'appoint		Nécessaire dans les petites pièces (surface d’échange trop faible)	Nécessaire
Occupation de l'espace et esthétique	Occupe de la place, visible	Ne prend pas de place dans la pièce, invisible
Impact environnemental	Dépend de la source d’énergie électrique	Dépend de la source d’énergie électrique	Possibilité couplage avec PAC/chauffage solaire de l’eau (fluide à basse température)

Sécurité et normes

Nous avons étudié différents systèmes de chauffage au sol, ayant chacun ses caractéristiques et ne répondant bien évidemment pas aux mêmes problématiques. Pour la pose et l’utilisation d’un plancher, il faut s’assurer de respecter des règles de construction, d’installation, de sécurité … On peut séparer la réglementation thermique, qui est plus générale et s’applique sur un bâtiment entier, des normes correspondantes aux différents composants qui sont plus spécifiques.

En France, les installations doivent respecter la réglementation NF P qui définit les normes de construction et d’installation des bâtiments, et NF C qui définit celles des installations électriques. Cette normalisation est gérée par l’Association Française de NORmalisation (AFNOR), qui peut aussi utiliser les normes présentes au niveau européen (NF EN) ou mondial (NF ISO). Une installation de chauffage au sol est donc dirigée par un Cahier de Prescription Technique (CPT) du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) qui répertorie toutes les normes à respecter.

Réglementation Thermique

Depuis quelques années, en France, l’état veut favoriser les constructions avec un bon rendement énergétique notamment avec la mise en place des normes thermiques des bâtiments. La Régulation Thermique de 2007 s’applique pour les travaux de rénovation, et impose soit une performance minimale d’un élément nouveau (pour les petits travaux), soit une performance globale du bâtiment (pour les grosses rénovations).

Pour ce qui est des constructions neuves, l’état français et le grenelle de l’environnement ont mis en place la RT2012, qui s’applique à tous les bâtiments construits à partir de l’année 2013. Cette norme se compose de 3 grands axes :

• L’efficacité énergétique du bâtiment doit être supérieur à un coefficient appelé Bbiomax (Besoin Bioclimatique conventionnel). Cet indicateur de performance est calculé à partir des besoins liés au chauffage, à l’éclairage et à la climatisation.
• La consommation maximale d’énergie primaire doit être inférieur à un CEPmax (coefficient maximal de Consommation d’Energie Primaire) qui vaut en moyenne 50kWhEP/(m².an), et qui dépend des régions.
• L’exigence d’un confort d’été, qui s’exprime par le TIC (Température Intérieure Conventionnelle) que ne doit pas dépasser l’intérieur du bâtiment en période de forte chaleur.

Enfin, pour assurer un confort thermique mais aussi éviter les problèmes de santé, la température du sol doit être inférieure à 28°C. Ces normes s’appliquent pour toutes les constructions et donc doivent être respectés avec tous les types de planchers chauffants. Avant de décider d’installer un plancher chauffant, il convient donc de faire une estimation thermique des déperditions du bâtiment, tout d’abord pour vérifier que le bâtiment est bien conforme à la réglementation thermique, mais aussi car il pourra aider au choix des caractéristiques du plancher par la suite.

Planchers électriques

Parmi les différents types de planchers électriques (les PRE et les planchers à accumulation), on trouve des caractéristiques communes bien que leur fonctionnement soit différent. Pour les planchers à accumulation, il faut se référer au Document Technique Unifié (DTU) 65.7. Pour les PRE, toutes les normes à respecter sont répertoriées dans le Cahier des Prescriptions Techniques communes du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment n°3606.

On peut y trouver notamment des puissance surfaciques et linéiques maximales des composants électriques chauffants avec un plancher électrique dans le tableau suivant :

Puissance surfacique délivrée par les éléments chauffants (W/m²)	Puissance linéique (pl) du câble chauffant (W/m)
85	13<pl<18
90	10<pl<13
95	pl<10

Ces valeurs sont importantes pour vérifier si l'installation d'un plancher est judicieuse au vu d'une analyse thermique du bâtiment. En effet, le plancher doit pouvoir fournir assez d'énergie sans dépasser des valeurs maximales de puissances surfaciques. Pour un calcul préalable, on utilise la formule suivante :

$P_{s}\times S>1,2\times D$

avec Ps la puissance surfacique en W/M², S la surface équipable du plancher chauffant en m², et D la somme des déperditions thermique du bâtiment en W.

Planchers à eau

Les planchers à eau sont eux aussi régis par un document qui encadre leur mise en œuvre : le Document Technique Unifié (DTU) 65.14 qui contient toutes les normes des différents composants qu’on peut trouver avec un chauffage hydraulique par le sol. Le CSTB a aussi édité le CTP n°3164, plus spécifique, pour les planchers chauffants rafraîchissants. Ils fonctionnent à basse température, le fluide ne doit donc jamais dépasser le seuil de 50°C, même en conditions hivernales.

De la même façon que pour les planchers électriques, on y trouve un une puissance surfacique maximale, de 116 W/m², qui va servir à dimensionner l’installation. De plus, on y trouve aussi des vitesses d’écoulement du fluide minimales de 0,75 m/s et maximales de 1 m/s pour réguler le flux thermique mais aussi éviter les bruits parasites de fonctionnement.

Sol et recouvrement

On retrouve pour le recouvrement des chauffages au sol des propriétés réglementaires comme l’incompressibilité du matériau, son épaisseur ou encore sa résistance thermique qui doivent être conformes à certaines normes. Ces valeurs dépendent de plusieurs facteurs, comme le type de chauffage et le matériau de recouvrement, et sont décrites au cas par cas dans les documents de référence cités précédemment. De plus, indépendamment des autres éléments du plancher, chaque composant doit respecter la norme NF EN 1264-4.

Labels et certifications

Lors de l’installation d’un chauffage au sol, l’utilisateur peut faire appel à des entreprises qui pourront fournir des labels sur la construction. Les labels et certifications permettent d’une part de vérifier la qualité de l’installation, mais aussi d’assurer la conformité aux normes du bâtiment. Par exemple, le label ACERMI permet de vérifier l’isolation d’un bâtiment. Plus spécifiquement aux chauffages au sol, le syndicat Cochebat a créé le label CERTITHERM qui témoigne de la qualité de l’installation et de la performance énergétique du plancher chauffant rafraîchissant. Enfin, à l’échelle du bâtiment complet, l’association Qualitel propose des certifications comme NF Habitat et NF Habitat HQE qui attestent, à des degrés différents, la qualité totale d’un logement en prenant en compte la qualité de vie, le respect de l’environnement et la performance énergétique.

Autres applications du plancher chauffant

Comme nous l'avons vu précédemment, les avantages principaux du plancher chauffant sont le confort thermique, son adaptabilité avec différents systèmes de chauffage de l'eau (ce qui peut potentiellement être un avantage écologique), et parfois les intérêts économiques. C'est pourquoi il est utilisé principalement dans les habitations, ou dans des salles de vie humaine. Mais un sol chaud peut bénéficier à d'autres utilisations que le confort des femmes et des hommes.

Horticulture et jardinage

Il arrive que des plantes de décoration intérieure dans un bâtiment ne supportent pas le chauffage par le sol et meurent prématurément. Bien que certaines plantes "domestiques" peuvent ne pas supporter un chauffage au sol, d'autres sont beaucoup plus adaptées par cet apport de chaleur venant du plancher. En effet, certaines cultures ont besoin d’un climat bien précis, notamment en horticulture (floriculture, pépinières, maraîchage, arboriculture, …), et la pose d’un plancher chauffant permet de réguler aisément la température dans le but de créer des microclimats propices à certaines plantes. Les systèmes de chauffage du sol sont utilisés notamment dans les serres, où ils permettent de compléter la chaleur provenant du soleil lorsque celle-ci est trop faible. Pour cela, les horticulteurs peuvent avoir recours aux systèmes de chauffage classiques, c'est à dire qui sont utilisés dans les habitations, qu'ils placent en dessous du sol de la serre. Mais ces systèmes sont coûteux et demandent des travaux préalables, ils sont d'autant plus rentables que la surface est grande. Pour les petites exploitations, et les potagers de jardin, il existe aussi de simples câbles électriques chauffants, disponibles dans le commerce, qui se branchent sur une prise de courant 220V. Il suffit ensuite de placer dans le substrat (un mélange de terres utilisées en jardinage), et le câble peut maintenir des températures d'une dizaine de degrés pour éviter le gel en hiver par exemple.

Élevage d'animaux

Il est intéressant aussi d’utiliser un système de chauffage par le sol hydraulique pour l’élevage d’animaux, qui auront un meilleur confort avec un sol chaud. De plus, le plancher est pratique car il peut s’adapter à différents types de production d’énergie (comme la PAC, la chaudière à gaz …), mais peut aussi être relié à des unités de méthanisation ou encore récupérer la chaleur d’un compost ; ces systèmes de production d’énergie sont beaucoup utilisés dans le milieu agricole pour compléter les besoins de chaleur et limiter la consommation d’énergie publique (gaz, électricité, fioul ...). Il peut être installé sur des élevages d’escargots, de lapins, ou encore pour certaines zones spécifiques d'une ferme (maternités par exemple) mais est le plus largement utilisé en aviculture.

En effet, on retrouve l'avantage d'une chaleur bien répartie, homogène, et un meilleur confort thermiques sur des surfaces bien plus grandes qu'une habitation, de l'ordre de quelques milliers de mètres carrés qui abritent les animaux. Il permet en plus de faire des économies de litières pour les volailles, qui dorment à même le sol, et qui auront besoin d’une couche de paille significativement moins épaisse (estimées à 500g/m² au lieu de 5kg/m²), ainsi que de réguler facilement la température en fonction des besoins des animaux (par exemple des poussins auront besoin de plus de chaleur que des poules adultes). Bien que l'investissement soit coûteux, les avantages d'un chauffage au sol sur les conditions de vie des bêtes, sont nombreux. D'après une étude récente, cela réduit l'humidité de la litière et l'ammoniac, entraînant une réduction des maladies cardiovasculaires, de l'ascite, des problèmes aux jambes comme la pérose, des dermatites du coussinet plantaire et de la saleté des plumes. Le plancher chauffant est par conséquent lié à une mortalité plus faible, et une prise de poids plus importante de la volaille, c'est pourquoi il est adapté à l'aviculture, même si il a l'inconvénient de générer plus de poussières.

Stations d'épuration

Les unités d’assainissement des eaux usées rejettent des boues d’épuration à la fin du cycle de traitement de l’eau. Ces boues peuvent être valorisées pour l’agriculture ou la récupération d’énergie, mais cela nécessite un traitement supplémentaire avant être réutilisées. En effet, ces boues doivent être déshydratées et séchées afin d’obtenir de meilleures propriétés dans leur but d’être valorisées. Le séchage permet une augmentation significative de la siccité de la boue grâce à l’évaporation de l’eau, ce qui réduit leur volume, les réduit en poudre ou granulés et donc diminue également le coût de stockage et de transport. De plus, ce procédé limite les odeurs néfastes, donne des meilleures propriétés pour l’épandage agricole, mais aussi augmente le Pouvoir Calorifique Inférieur des boues d’un facteur 10 au moins ce qui permet de récupérer plus d’énergie lors de leur combustion.

Un procédé naturel de séchage des boues existe, c’est le séchage solaire. Les boues sont étalées sur une grande surface dans une serre, et chauffées grâce à la chaleur du soleil. De la même manière que les plants d’horticulture, un plancher chauffant à fluide caloporteur peut être installé pour compléter les manques énergétiques et augmenter l’efficacité du procédé grâce à un chauffage plus constant, et un séchage par conduction qui s’ajoute au séchage par convection de l’air chaud. Les serres munies d’un plancher chauffant ont un apport d’énergie supplémentaire, la capacité d’évaporation de la serre s’en trouve largement augmentée. La surface de la serre est par conséquent bien plus petite et réduite par un facteur 2 environ.

De plus, le fluide peut être chauffé en récupérant la chaleur du soleil à l’aide des panneaux solaires, mais aussi avec un système qui concentre une partie du rayonnement solaire vers un réservoir d’eau. Mais pour le séchage de boues d’épuration, il peut être aussi avantageux de récupérer les calories des effluents, les eaux traitées par la station. Cela limite encore plus l’impact environnemental du chauffage de la serre. L’utilisation de ce type de chauffage complémentaire créé néanmoins quelques contraintes : les boues doivent être écoulées plus rapidement, et avoir une petite épaisseur (20 cm environ).

Enfin, pour terminer le cycle, les boues sont réutilisées comme fertilisants agricole, notamment en épandage et en compost, ou comme combustible énergétique pouvant être incinéré, gazéifié ou encore pyrolysé, en fonction de leur siccité.

Potentiels de développement, évolutions récentes

Entre 1980 et 2015, la recherche sur les systèmes de plancher chauffant s’est intensifiée. Elle se concentre principalement dans les régions où  il est fortement utilisé : l’Asie (Chine, Corée et Japon en particulier), l’Europe de l’Ouest et du nord, et l’Amérique du Nord. Aujourd’hui, elle s’intéresse à optimiser la régulation des systèmes de chauffage sol, à concevoir des systèmes plus fins et faciles à installer lors de rénovations et aux matériaux utilisés pour la chape et l’isolation.

Un certain nombre d’études traite en particulier des matériaux à changement de phase (MCP) qui sont des éléments de stockage de chaleur latente lors du processus de fusion. Ces matériaux possèdent une importante capacité de stockage d'énergie et la faculté de maintenir une température constante tout en absorbant ou restituant la chaleur.  La restitution de la chaleur a lieu pendant la solidification du matériau. La captation, pendant la fusion.

Ces matériaux  fondent et se solidifient dans une large plage de températures, ce qui les rend attrayants pour diverses applications, allant du stockage de chaleur et de fraîcheur dans les bâtiments à l'entreposage thermique dans les satellites, ainsi que les vêtements de protection

Dans le cas du plancher chauffant, ils peuvent être encapsulés dans des billes de plastique de l’ordre du micromètre. On peut ensuite les mélanger au béton, ce qui permet de maximiser les zone de transfert thermique. Il a été montré qu’une chape fabriquée de cette manière restitue la chaleur emmagasinée jusqu’à deux fois plus longtemps qu’une chape classique. Cependant, le temps de chauffe est aussi plus long.

Approche économique

Jeux d'acteurs

Acteurs	Enjeux	Stratégies
Il s'agit d'organisations au sens large (Etats, entreprises, associations, laboratoires,...) qui sont potentiellement impactées par le système technique	Ce que notre système technique risque de faire gagner ou perdre à ces acteurs	Quelle(s) stratégie(s) développent ces acteurs pour satisfaire leurs enjeux (gagner le plus possible ou perdre le moins possible)
Utilisateurs	confort thermique plus cher à l‘achat économies d’énergie marqueur écologique pour ceux qui veulent s'afficher « verts » (bien que dépendant réellement du système de chauffe de l’eau associé)	passer au plancher chauffant pour ceux dont l'usage, le budget, le lieu de résidence, ... le permettent. sans intérêt pour tous les autres, pour le moment…
Architectes prescripteurs	esthétique dégage de l’espace	recommander le plancher chauffant
Etat (français)	occasion de montrer qu'il soutient une technologie verte	mise en place d’une politique visant à réduire les émissions de CO2 : rénovation du parc immobilier favorisant la possibilité d’installer un plancher chauffant soutenir l’innovation en faveur du plancher chauffant (progrès dans l’isolation, les chapes de plancher -temps de chauffe réduit- , et les sources de chaleur)
Constructeurs de dalles de béton thermoactives	peu de réelle compétition, mis en place principalement dans le tertiaire doivent être mises en place pendant le gros œuvre, impossible pour les bâtiments anciens	continuer d’innover dans l’utilisation de l’inertie du béton innover dans les matériaux
Fournisseurs de matières premières et de matériel de fabrication	diversification de la demande	spécialisation
Installateurs Artisans Acteurs locaux	Ceux qui sont capables de répondre aux nouveaux besoins induits par la production de planchers chauffants (installateurs traditionnels ayant diversifié leur offre ou nouveaux entrants)	se former pour être habilité
Entreprises	celles de distribution d’énergie et d’eau qui sont généralement également celles de production et de stockage (Roth, Multibeton, Comap, Uponor) celles pour la régulation thermique (Thermozyklus)	création de syndicat (Cochebat) visant à développer les plans qualitatifs, normatifs et la stratégie de communication, et atteindre les objectifs marketing
Entreprises de normalisations/certifications	assurer à l’acheteur/utilisateur une qualité et un rendement minimal de son plancher assurer sécurité et respect des normes	mise en place de certifications (ACERMI, Certhitherm) (Plus de détails ici)

Marché du plancher chauffant

Le plus grand marché mondial du chauffage au sol est l’Europe, avec notamment des entreprises qui vendent des planchers chauffant au Royaume Uni (Solfex, Rayotee, Incognito Heat…), dans les pays scandinaves (Danfoss, Uponor), ou encore en France (Nexans). L’Allemagne est aussi présente dans ce commerce européen avec des entreprises qui vendent produits annexes, comme des thermostats spéciaux plancher chauffants (Bosh et Siemens par exemple). Ensuite, les États-Unis (Honeywell, Pentair, …) et quelques pays asiatiques (Japon, Chine, Corée du sud) ont une part importante dans le marché des planchers chauffants dit « classique », mais se distinguent par d’autres systèmes moins pointus, qui s’apparentent plus à des installations traditionnelles comme les Kangs ou les Ondols. On trouve également quelques entreprises présentes dans d’autres pays riches (Amérique du Nord, Australie...) et dans quelques pays en développement (Brésil, Inde).

Quant au prix d’une installation, cela peut être très variable en fonction de la surface de plancher à recouvrir par le chauffage. Cependant, on note que les chauffages électriques sont généralement moins coûteux que les chauffages à fluide caloporteur. En moyenne pour une surface d’environ 20 m², il faut compter aux alentours de 50€/m² pour l’achat et pose d’un plancher chauffant électrique, et de 70 à 100 €/m² pour un plancher à eau, voire même jusqu’à 120€/m² pour des planchers chauffants rafraîchissants. De plus, le coût des révisions et d’entretien de l’installation est quasiment nul pour le chauffages électrique, et de l’ordre de 100€ par an pour le chauffage à eau.

Architecture

INSA

Lors de la construction de L’INSA Lyon en 1957, les résidences et certains bâtiments (ceux du FIMI - Formation Initiale aux Métiers d'Ingénieur - et Blaise Pascal 501/502) furent équipés de plancher chauffant. Les bâtiments Louis Néel et Blaise Pascal présentent encore ce système au bout de 65 ans de vie. L’inconfort y est important car le réseau est neutralisé par endroits. Le bâtiment Louis Néel est équipé d’un plafond chauffant très peu efficace.

Aujourd’hui ces installations ont été remplacées par un chauffage «central» par radiateurs. Dans le cas de Louis Néel, les vieux radiateurs en fonte de d’Alembert ont été récupéré suite à sa rénovation. L’enveloppe étant traitée il y a besoin de moins de radiateurs. Les radiateurs en fonte de d’Alembert ont 65 ans mais sont encore fonctionnels (les vannes thermostatiques ont été changées).

Lors de l’installation, les principaux arguments ont été la rapidité de mise en œuvre, le gain de place (pas de radiateurs), la performance et le confort apporté par le système.

Les limites de ces installations :

• A l’époque le réseau d’eau chaude était trop chaud. Un inconfort important est causé par une différence de température trop importante entre les pieds et la tête : jambes lourdes, sensation de froid quand lorsque on travaille contre la fenêtre extérieure et de chaud lorsqu’on dort.
• Les tuyaux étaient en acier noir, sensible à la rouille et à la colmatation calcaire. Les fuites causées furent difficiles à localiser.
• Il n’y avait pas de réseau par façade avec une régulation différente en fonction de l’orientation. La chauffe était uniforme.
• Impossibilité ou difficulté de percer les dalles pour des modifications ultérieures des bâtiments sans risquer de détériorer le système hydraulique.

Autres édifices

Le plancher chauffant est utilisé pour des édifices autres que des lieux de vie. De manière générale, le chauffage de grands bâtiments industriels et agricoles semble avantageux. Le confort thermique des personnes qui se déplacent dans de telles zones est garanti par l'augmentation de la température de surface due au transfert de chaleur. Avec un plancher chauffant, la chaleur est localisée dans l’espace : elle reste près du sol. La température sur la surface chauffée peut être jusqu'à six fois supérieure à celle de l'environnement environnant. Un chauffage classique conventionnels est particulièrement désavantageux en raison du long temps de chauffage et de la nécessité de surchauffer les parties supérieures de l'espace du bâtiment.

À l’instar bâtiments industriels, des lieux de cultes, généralement dotés de grandes surfaces, ont opté pour l’installation d’un plancher chauffant. [2]

On retrouve le plancher chauffant dans plusieurs bâtiments connus partout dans le monde. On peut par exemple citer l'immeuble de la Johnson Wax, la banque d'Angleterre, ou encore la cathédrale de Liverpool et celle de Westminster. Les maisons usoniennes, désignées par Frank Lloyd Wright durant la première partie du 20^ème siècle, sont majoritairement équipées de plancher chauffant. La Tour de la Rivière des Perles ( comprenant 69 étages), construite en 2011 à Guangzhou, en Chine en est également équipée.

Annexes

Annexe 1 : Calculs de rendement

Nous souhaitons comparer un chauffage par radiateurs à un plancher chauffant pour avoir une idée de leurs caractéristiques respectives. Nous allons donc voir comment un système de radiateurs ou un plancher chauffant permet de chauffer une pièce. Prenons l'exemple du salon de la maison d'un des membres de notre groupe :

Il a une surface $S=42.84~m^{2}$ et il est chauffé à 19°C alors que la température à l'extérieur est de 12°C par deux radiateurs à eau:

• un radiateur de $78\times 72\times 10~cm$, fait de 4 plaques de métal parallèles donc une surface frontale $S_{f1}=0.78\times 0.72=0.56~m^{2}$ et une surface d'échange de chaleur avec l'air $S_{1}=0.78\times 0.72\times 4\times 2=4.49~m^{2}$
• un radiateur de $78\times 80\times 10~cm$, fait de 4 plaques de métal parallèles donc une surface frontale $S_{f2}=0.78\times 0.80=0.62~m^{2}$ et une surface d'échange de chaleur avec l'air $S_{2}=0.78\times 0.80\times 4\times 2=4.99~m^{2}$

La surface d'échange totale des radiateurs avec l'air est donc environ $S_{rad}=S_{1}+S_{2}=4.49+4.99=9.48~m^{2}$ et leur surface frontale $S_{f,rad}=S_{f1}+S_{f2}=0.56+0.62=1.18~m^{2}$.

La surface d'échange d'un plancher chauffant avec l'air serait la surface de la pièce $S=42.84~m^{2}$.

Chauffage par convection

Les radiateurs et le sol transmettent de la chaleur par convection de la même manière, seule la surface d'échange et la température à laquelle ils sont chauffés change.

Les radiateurs transmettent par convection à l'air de la pièce un flux thermique :

${\begin{aligned}\Phi _{rad,conv}=h_{conv}\times S_{rad}\times (T_{radiateur}-T_{piece})\end{aligned}}$

La température des radiateurs est d'environ 50°C. En prenant $h_{conv}=5~W\cdot m^{-2}\cdot K^{-1}$ (approximation grossière) on a donc

${\begin{aligned}\Phi _{rad,conv}&=5\times 9.48\times (50-19)\\\Phi _{rad,conv}&=1470~W\end{aligned}}$

Un plancher chauffant transmettrait quant à lui par convection à l'air de la pièce un flux thermique :

${\begin{aligned}\Phi _{plancher,conv}=h_{conv}\times S\times (T_{sol}-T_{piece})\end{aligned}}$

Pour transmettre autant de chaleur à l'air de la pièce avec un plancher chauffant qu'avec les radiateurs, il faudrait

${\begin{aligned}\Phi _{plancher,conv}&=\Phi _{rad,conv}\\h_{conv}\times S\times (T_{sol}-T_{piece})&=\Phi _{rad,conv}\\T_{sol}&={\frac {\Phi _{rad,conv}}{h_{conv}\times S}}+T_{piece}\\T_{sol}&={\frac {1470}{5\times 42.84}}+19\\T_{sol}&=25.9~^{\circ }C\end{aligned}}$

On a donc besoin de chauffer beaucoup moins le plancher chauffant qu'un radiateur.

Chauffage par rayonnement

Le plancher chauffant comme les radiateurs transmettent aussi de la chaleur par rayonnement, mais puisque la surface d'un plancher chauffant est bien plus importante que celle d'un radiateur, nous recevons plus de chaleur par rayonnement d'un plancher chauffant que d'un radiateur (le rayonnement ne transmettant pas de chaleur à l'air mais aux murs, aux objets et aux personnes qui sont dans la pièce).

En faisant l'hypothèse que le flux de chaleur que l'on reçoit par rayonnement est proportionnel à la surface frontale du système de chauffage, on a en prenant $h_{rad}=5~W\cdot m^{-2}\cdot K^{-1}$ (approximation grossière)

${\begin{aligned}\Phi _{plancher,rad}&=h_{rad}\times S\times (T_{sol}-T_{piece})\\\Phi _{plancher,rad}&=5\times 42.84\times (25.9-19)\\\Phi _{plancher,rad}&=1470~W\end{aligned}}$

et

${\begin{aligned}\Phi _{rad,rad}&=h_{rad}\times S_{f,rad}\times (T_{sol}-T_{piece})\\\Phi _{rad,rad}&=5\times 1.18\times (50-19)\\\Phi _{rad,rad}&=183~W\\\end{aligned}}$

Soit

${\begin{aligned}\Phi _{plancher,rad}&=8\times \Phi _{rad,rad}\\\end{aligned}}$

On reçoit bien plus de chaleur par rayonnement d'un plancher chauffant que d'un radiateur !

On peut essayer de revoir la température nécessaire pour que le plancher chauffant fournisse autant de chaleur à la pièce que les radiateurs : on veut

${\begin{aligned}\Phi _{plancher,rad}+\Phi _{plancher,conv}&=\Phi _{rad,rad}+\Phi _{rad,conv}\\h_{rad}\times S\times (T_{sol}-T_{piece})+h_{conv}\times S\times (T_{sol}-T_{piece})&=183+1470\\(h_{rad}+h_{conv})\times S\times (T_{sol}-T_{piece})&=1653\\T_{sol}&={\frac {1653}{(h_{rad}+h_{conv})\times S}}+T_{piece}\\T_{sol}&={\frac {1653}{(5+5)\times 42.84}}+19\\T_{sol}&=22.9~^{\circ }C\end{aligned}}$

Pertes dans le sol pour un plancher chauffant

Une partie de la chaleur émise par un système de chauffage par le sol est transmise au sol et donc perdue pour le chauffage de la maison.

On peut calculer le flux thermique transmis au sol par conduction par le plancher chauffant :

${\begin{aligned}\Phi _{sol,cond}&={\frac {\lambda _{isolant}}{e}}\times S\times (T_{sol}-T_{ext})\\\Phi _{sol,cond}&={\frac {0.04}{0.05}}\times 42.84\times (22.9-12)\\\Phi _{sol,cond}&=373~W\end{aligned}}$

Avec $\lambda _{isolant}$ la conductivité thermique de l'isolant utilisé (on prend 0.04) et $e$ son épaisseur (environ 5 cm pour la plupart des installations).

Par rapport au flux de chaleur fourni à l'air de la pièce (qui était environ 1470 W), la quantité de chaleur perdue dans le sol est plutôt importante (environ 1/5 de la chaleur fournie par le plancher chauffant est perdue dans le sol).

On en conclut que le rendement d'un sol chauffant dans ces conditions serait de l'ordre de 80% :

${\begin{aligned}\eta &={\frac {puissance~utile}{puissance~fournie}}\\\eta &={\frac {puissance~utile}{puissance~utile+puissance~perdue}}\\\eta &={\frac {\Phi _{plancher,conv}+\Phi _{plancher,rad}}{\Phi _{plancher,conv}+\Phi _{plancher,rad}+\Phi _{sol,cond}}}\\\eta &={\frac {1470}{1470+373}}\\\eta &=0.8\end{aligned}}$

Approximations

Ces calculs donnent un ordre d'idée du rendement d'un plancher chauffant et permettent d'avoir quelques éléments de comparaison avec un chauffage classique par radiateurs, mais ils sont reposent sur plusieurs hypothèses et approximations grossières :

• Un coefficient d'échange thermique par convection naturelle et par rayonnement de $5~W\cdot m^{-2}\cdot K^{-1}$ quelles que soient les conditions.
• Pour calculer les pertes vers le sol, on ne prend en compte que la résistance thermique de l'isolant en négligeant celles du sol lui-même et du milieu extérieur (sans les négliger, on obtiendrait des pertes par le sol plus élevées).
• Toujours pour le calcul des pertes par le sol, la température du sol est sous-estimée puisque le sol est en réalité plus chaud que l'air extérieur (on surestime donc les pertes).
• Lors d'un transfert par convection, la chaleur est transmise de la paroi à l'air alors que lors d'un transfert par rayonnement, elle est transmise d'une paroi à une autre. On suppose donc que la température des murs de la pièce est égale à celle de l'air qu'elle contient.

Conclusions

Finalement, les conclusions que nous pouvons tirer de ces calculs sont les suivantes :

• On reçoit beaucoup plus de chaleur par rayonnement d'un sol chauffant que de radiateurs
• Un sol chauffant a besoin d'être bien moins chaud qu'un radiateur puisqu'il émet plus de chaleur par rayonnement et offre une plus grande surface d'échange
• Les pertes par le sol d'une installation de plancher chauffant peuvent être relativement élevées (de l'ordre de 20% de la chaleur produite)
• Le rendement d'un sol chauffant serait de l'ordre de 80%

Encore une fois, ces calculs basés sur un grand nombre de simplifications et d'hypothèses nous permettent seulement d'avoir un ordre d'idée et de mieux comprendre les intérêts du plancher chauffant.

Sources

- Robert Bean, Bjarne W.Olesen, Kwang Woo Kim. History of Radiant Heating & Cooling Systems Part 1. ASHRAE Journal [en ligne], Janvier 2010, pp. 40-47. Disponible sur : <http://www.healthyheating.com/History_of_Radiant_Heating_and_Cooling/History_of_Radiant_Heating_and_Cooling_Part_1.pdf>. Consulté le 20/03/2020.

-Bean, Robert & Olesen, Bjarne & Kim, Kwang-Woo. (2010). Part 2 History of Radiant Heating & Cooling Systems. ASHRAE Journal. 52. 50-55. Disponible sur <https://healthyheating.com/History_of_Radiant_Heating_and_Cooling/History_of_Radiant_Heating_and_Cooling_Part_2.pdf>. Consulté le 20/03/2020.

- « Ondol ». Wikipédia, 5 novembre 2019.Disponible sur <https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Ondol&oldid=164213079>. Consulté le 04/03/2020.

-Expert, Underfloor Heating. « The History of Underfloor Heating Systems ». Underfloor Heating. Expert, 22 octobre 2014. underfloorheatingexpert.com. Disponible sur : <https://underfloorheatingexpert.com/underfloor-heating-systems-history/>. Consulté le 04/03/2020.

-Géroudet, Noëlle. « A propos des thermes romains d’Afrique du Nord ». Histoire urbaine, vol. n° 9, no 1, Société française d’histoire urbaine, 2004, p. 145‑51. Disponible sur : <https://www-cairn-info.docelec.insa-lyon.fr/revue-histoire-urbaine-2004-1-page-145.htm >. Consulté le 27/02/2020.

-Thébert, Yvon. « Chapitre I. Thermes et histoire urbaine ». Thermes romains d’Afrique du Nord et leur contexte méditerranéen, Publications de l’École française de Rome, 2013, p. 405‑33. OpenEdition Books. Disponible sur : <http://books.openedition.org/efr/2182>. Consulté le 04/03/2020.

-The History of Underfloor Heating [en ligne], Thermo-Floor. Disponible sur : <http://www.thermo-floor.co.uk/history-of-underfloor-heating.html>.. Consulté le 19/02/2020.

-Consoglobe. Plancher Chauffant. Le chauffage écolo qui rayonne [en ligne]. Consoglobe, 6 décembre 2013. Disponible sur :

<https://www.consoglobe.com/plancher-chauffant-chauffage-ecolo-rayonne-3137-cg >. Consulté le 21/12/2019.

Auteurs

Milane Bourmaud

Grégoire Claus

Aurore Dumont-Gomez

Ninon Faure

Nicolas Lenganey

Nolwenn Revel

Aurore Wendling