Analyse de la flexibilité des usages électriques résidentiels

Chauffage électrique

Le chauffage électrique  (pompes à chaleur inclues) représente un quart de la consommation  totale  électrique résidentielle et ce secteur est un des gros responsables de la pointe saisonnière pendant  l’hiver,  où  la  sensibilité  du  système  électrique  approche  les  2 300  MW/°C  [RTE,  2011],  i.e.  pour  chaque  réduction  d’un  degré  Celsius  de  la  température  extérieure,  il  faut  injecter  dans  le  réseau  électrique 2 300 MW. De plus, actuellement les systèmes de chauffage électrique sont présents dans  7 millions de logements principaux, pour un totale d’environ 25 millions, ce qui représente 9% de la  consommation nationale d’électricité [EDF, 2005].  Pour comprendre les modes d’opération et de régulation des différents systèmes de chauffage, nous  allons  présenter  la  description  du  fonctionnement  des  principaux  équipements  et  puis  faire  une  analyse sur les caractéristiques d’usage et sur les évolutions technologiques. 

Description des systèmes de chauffage

Le système le plus répandu dans les logements résidentiels français est le chauffage électrique à effet  Joule. Cependant il existe plusieurs  types d’émetteurs. Une description des différents émetteurs est  faite  ci‐dessous.  Les  pompes  à  chaleur  sont  aussi  décrites  car  ces  systèmes  sont  de  plus  en  plus  vendus et leur développement est renforcé par les nouvelles réglementations thermiques. 

 Convecteur électrique

Le  principe  de  cet  appareil  est :  faire  entrer  l’air  froid  en  bas  et  ensuite  le  chauffer  avec  une  résistance électrique  (Figure 1‐4). Finalement l’air va sortir par la partie supérieure du convecteur  (« Grille  à  ailettes »  ‐  Figure  1‐1).  La  lecture  de  la  température  de  l’air  se  fait  par  une  sonde  et  le  contrôle  de  la  température  est  fait  par  un  thermostat  soit  mécanique  (Bïlame,  bulbe,  tension  de  vapeur)  soit  par  un  thermostat  électronique  (PI  ou  PID).  Les  appareils  plus  récents  sont,  presque  tous, équipés de thermostats électroniques.  La  partie  radiative  d’un  convecteur  électrique  est  d’environ  de  5  à  10 %  (part    arrière  comprise)  [Bézian et al., 1997]. Le poids maximal de ses systèmes peut aller jusqu’à 8 kg.   L’utilisateur  pourra  ajuster la  température  de la  pièce  en modifiant  soit la  position  du  thermostat  dans le boîtier, soit en modifiant le mode de fonctionnement. Les modes de fonctionnement existants  généralement sont :   • Confort : Programme utilisé pendant les heures d’occupation ;  • Eco :  Programme  utilisé  pendant  les  heures  d’inoccupation,  soit  2‐4  °C  de  moins  que  la  fonction confort ;  • Hors‐gel :  Programme  où  le  thermostat  est  modifié  pour  une  température  de  consigne  d’environ 7°C ;  • Arrêt : le chauffage est éteint.  Chaque équipement peut chauffer efficacement des pièces de 15‐20 m² où le plafond n’est pas  très  haut.  A  cause  de  leur  forte  émission  de  chaleur  par  convection  ces  systèmes  entrainent    une  plus  grande  stratification  que les autres  systèmes, i.e. la  température  augmente avec la  hauteur jusqu’à  1.2°C par mètre dans les bâtiment anciens et 0.5°C dans les bâtiment bien isolés [Bézian et al., 1997].  Les puissances de chauffage vont généralement de 750 jusqu’à 2000 Watt.   Ces  équipements  peuvent  aussi  être  contrôlés  par  une  unité  centrale  ou  ils  peuvent  avoir  programmation  hebdomadaire  embraquée.  La  communication  avec  l’unité  centrale  est  faite  normalement par fil pilote (courant porteur) ou par wifi.   

Panneau Rayonnant

Il existe deux types de systèmes rayonnants : Ouverts et Fermés.   Systèmes Ouverts :  Ce  type  de  chauffage  est  constitué  par  un  corps  de  chauffe  et  par  une  grille  alvéolée, pour protection, et il libère une grande partie de la chaleur par rayonnement (environ 40%  selon  [Bézian  et al.,  1997]).  Selon  la  norme  NFC  79‐251  la  température  de  la  grille  ne  doit  pas  dépasser 90°C.  Figure 1­5 – Panneau rayonnant ouvert [Modèle Tatou – Catalogue Atlantic] Chapitre 1. Potentiel d’action sur la demande électrique résidentielle David da Silva 15  Systèmes Fermés : Le chauffage est constitué par résistances thermiques que ne sont pas visibles, i.e.  les  résistances  sont  enfermés  dans l’enveloppe  de l’équipement.  La  norme NFC  79‐251  définit  que  l’écart de  température entre la surface extérieure et la  température ambiante ne doit pas dépasser  70°C.  Leur  inertie  (masse  totale  se  trouve  entre  7  et  20  Kg)  est  un  petit  peu  plus  supérieure  aux  systèmes par convection.  Figure 1­6 ­ Panneau rayonnant Fermé [Modèle Shangaï 2 – Catalogue Atlantic] Chaque appareil a un limiteur pour ne laisser pas la  température de la surface dépasser les limites  fixées  par  la  norme  NFC  79‐251.  Le  contrôle  de  la  température  est  fait  avec  par  un  thermostat  (électronique  ou  mécanique)  avec  une  sonde  que  peut  être  positionnée  à  l’arrière  (dehors)  de  l’équipement ou en bas de l’appareil comme montré dans les Figures 1‐5 et 1‐6. L’utilisateur  peut  réguler  la  consigne  en  modifiant  soit  le  mode  de  fonctionnement  (Confort,  Eco,  Hors‐gel), soit la position du thermostat dans le boîtier de l’appareil. 

 Régulateurs centraux des chauffages électriques (convecteurs et radiateurs)

Les  systèmes  centraux  (contrôle  des  différents  chauffages  à  partir  d’un  seul  appareil)  commercialisées  aujourd’hui  ont  une  large  variété.  Ces  appareils  peuvent  communiquer  avec  les  différents équipements de chauffage par divers modes :  • Fil pilote  • Courant Porteur  • Radio Fréquence  Dans les contrôleurs centraux utilisés dans les systèmes avec chaudière et réseaux d’eau,  la chaleur  dégagée  est  généralement  fonction  de  la  température  d’une  seule  pièce  ou  de  la  température  extérieure.  Les  contrôleurs  centraux  des  chauffages  électriques  dans  le  marchée  donnent  directement  à  chaque  appareil  de  chauffage  la  « consigne »  à  utiliser.  Ce  signal  correspond  à  la  consigne du thermostat implémenté dans l’appareil (position du thermostat décrit dans les sections  précédentes).   La programmation des chauffages est normalement faite, avec un pas d’une heure, pour les 7 jours de  la semaine selon les besoins de l’utilisateur. Le mode d’opération de ces contrôleurs peut être décidé  à partir d’une action directe sur la boîte de commande.   Les  principaux  fabricants  de  chauffages électriques  offrent aussi la possibilité d’une installation de  délesteurs ampérométriques pour le chauffage ambiant et de l’eau chaude sanitaire. Sa  fonction est  de  couper le  chauffage  et/ou l’ECS  quand la  puissance  souscrite  est  dépassée mais aussi ajuster le  fonctionnement  de  ces  systèmes  en  fonction  du  type  de  tarif  choisi  (Option  H.C/H.P  ou  Tempo  –  EDF).

Chauffage à accumulation

Ces systèmes de chauffage permettent de stocker des grandes quantités d’énergie du fait qu’ils sont  constitués par des briques réfractaires de haute densité ou du granit broyé ou  de la lave…  Ces matériaux permettent de stocker la chaleur dans les heures où le tarif électrique est bas (heures  creuses)  et  n’ont  pas  besoin  d’être  chauffés  pendant  les  heures  pleines,  en  même  temps  qu’ils  continuent à libérer de la chaleur.   Il existe deux types de radiateurs par accumulation : statique compensé et dynamique (Figure 1‐7).  Figure 1­7 ­ Chauffage électrique par accumulation dynamique [Modèle Airelec Accutop série 2 – Catalogue Atlantic] Chapitre 1. Potentiel d’action sur la demande électrique résidentielle David da Silva 17  • Appareil de chauffage à accumulation statique Ces  appareils  accumulent  la  chaleur  pendant  les  heures  creuses  et  le  dégagement  de  chaleur  est  uniquement statique (rayonnement), non réglable. Cette à dire que il n’existe pas de contrôle sur la  quantité de chaleur libéré par rayonnement pendant la journée.  • Appareil de chauffage à accumulation dynamique Dans ce type d’appareils, on a aussi un dégagement de chaleur par rayonnement mais on a aussi un  ventilateur qui est installé dans la partie inférieure. Ce ventilateur permet un meilleur contrôle de la  température de la pièce par diffusion de l’air. L’air froid entre en bas et après le ventilateur, à vitesse  variable,  force  l’air  à  passer  dans  le  noyau  accumulateur  et  ensuite  l’air  chauffé  est  libéré  dans  la  pièce.  La  position  de  la  sonde  du  thermostat  est  généralement  comme  dans  le  cas  des  panneaux  rayonnants, i.e. la sonde est positionnée à l’arrière (dehors) de l’équipement ou en bas de l’appareil  comme montré dans les Figures 1‐5 et 1‐6. L’utilisateur pourra réguler la consigne du thermostat et le bouton marche /arrêt du ventilateur.   

Pompes à chaleur

Dans les pompes à chaleur (PAC) électriques à compression mécanique de vapeur, l’efficacité est très  variable avec la température de la source de chaleur et avec la température du circuit de chauffage.  Plus  l’écart  entre  les  températures  des  sources  est  important,  plus  l’écart  entre  les  températures  d’évaporation  et  de  condensation  sera  important.  Dans  ces  conditions,  le  taux  de  compression  augmente  également  et  par  conséquent,  plus grand  est le  ratio  de  pression,  plus le  compresseur  a  besoin d’énergie pour fournir la même puissance calorifique et donc plus le COP sera faible. Pour cela  ces équipements sont parfois utilisés avec des sources de chaleur qui permettent une  température  plus haute et stable (Figure 1‐8). Les pompes à chaleur à compression de vapeur ont une température maximale de chauffage de 55 à  65  °C  (seulement  quelques  machines),  pour  cela  les  radiateurs  utilisés  sont  normalement  surdimensionnés pour pouvoir libérer la quantité de chaleur demandée par la pièce. Les pompes à  chaleur  sont  préférablement  utilisées  avec  plafond  et  planchers  chauffants  avec  une  température  maximale de départ d’eau de 35 °C.  Il  y  a  plusieurs  types  de  PAC  en  fonction  des  sources  et  des  vecteurs  d’énergie  (l’air  ou l’eau). On  présente ci‐dessous la description pour les PAC Air/Eau, car ce  type de PAC représente la majorité  des modèles installés en France.  Une PAC Air/Eau peut être installée pour le chauffage (il existe des installations avec et sans ballon  de  stockage,  suivant  l’inertie  de  la  boucle  d’eau  du  système  de  chauffage)  ou  pour  le  chauffage  et  l’ECS (avec ballon de stockage). Elles sont moins chères que les autres  types de PAC sur l’eau, mais  elles  ont  un  COP  inférieur  à  cause  des  températures  plus  basses  de  la  source  de  chaleur  et  parce  qu’elles  ont  besoin  d’un  système  de  dégivrage  (parfois  ces  systèmes  sont  aussi    équipés  de  résistances électriques à effet Joule). Evaporateur Chauffage appoint échangeur échangeur Figure 1­9– Schéma d’une pompe à chaleur Air/Eau pour chauffage et la production d’ECS La  puissance  de  ces  PAC  est  dans  la  plupart  des  cas  dimensionnée,  pour  couvrir  les  besoins  de  chaleur  quand  la  température  extérieure  descend  jusqu’à  0  °C  (température  d’équilibre  –  température pour laquelle la pompe couvre encore l’ensemble des besoins). Pour des températures  plus  basses,  on  utilise  un  chauffage  d’appoint  avec  un  mode  de  fonctionnement  comme  décrit  ci‐ dessous.  Pour ces types de PAC, il existe 3 types principaux de fonctionnement possibles [H. Recknagel, 2005]:  ECS  Plancher Rayonnant   Pompe à Chaleur Stockage d’eau Chaude Eau froide   i. Fonctionnement monovalent :  la  PAC  est  dimensionnée  pour  couvrir  tous  les  besoins  de  chaleur.  Ce  type  de  fonctionnement  n’est  pas  utilisé  dans  les  climats  froids  car  le  coût  d’investissement serait trop élevé.  ii. Fonctionnement bivalent alternatif : les besoins énergétiques annuels se  repartissent 50/50  %  entre  le  chauffage  d’appoint  et  la  pompe  à  chaleur.  Les  deux  systèmes  ne  fonctionnent  jamais en même temps.   La puissance de la chaudière doit être dimensionnée pour les besoins calorifiques maximaux.  Celle de la PAC est dimensionnée pour couvrir environ la moitié de la puissance maximale.   iii. Fonctionnement bivalent parallèle :  Dans  ce  cas  les  besoins  énergétiques  annuels  sont  couverts à moins de 20 % par le chauffage d’appoint et le restant étant couvent par la PAC.  Les  puissances  choisies  restent  les  mêmes  que  dans  le  cas  précédent.  Comme  pour  les  températures inférieures au point d’équilibre les deux systèmes fonctionnent en parallèle, la  température  aller  de la  chaudière doit  être  bien  réglée avec la  pompe  de  chaleur.  Pour les  chaudières,  le  montage  se  fait  normalement  en  parallèle  car  c’est  la  façon  plus  efficace  de  tirer pleinement partie de la pompe de chaleur comme principal système chauffant.   La  température  de  la  boucle  d’eau  est  fixée  par  une  loi  d’eau,  en  fonction  de  la  température  extérieure. Les nouveaux  systèmes incluent aussi un  thermostat contrôlé par la  température d’une  pièce  de  référence.  La  régulation  locale  (dans  chaque  pièce)  est  assurée  par  des  vannes  thermostatiques.