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Introduction

Photo d'une installation de plancher chauffant

Le plancher chauffant est un système de chauffage via le sol d'une pièce, ou d'un bâtiment complet. Le plus souvent hydraulique (installation de tuyau) ou électrique (résistances), il peut être employé grâce à différentes sources d'énergie thermique telles que les chaudières gaz ou les pompes à chaleur par exemple. Ce paradigme technologique prend naissance dans l'Antiquité en Occident, et également à la même période en Corée, où cette technologie a perduré depuis pour s'imposer comme une technique de chauffage majoritaire dans ce pays. Il a évolué au fil des ans et des découvertes scientifiques pour se développer aujourd'hui dans les pays tempérés tels que la France. On peut alors se demander quelle a été la trajectoire de cette technologie en Occident, et pourquoi ?

Apparition du plancher chauffant

Tradition Asiatique

Des origines antiques

Malgré une croyance populaire occidentale, les premiers systèmes de planchers chauffants ne viennent pas de la Rome antique et de ses thermes, mais d’Asie. Certaines fouilles archéologiques en Chine laissent penser que dès 10 000 ans avant JC, des pierres étaient chauffées: il s’agit du “kang”, qui signifie “sécher”. Ces installations ont été interprétées comme servant de lit chauffant. La notion de confort domestique, et thermique serait donc déjà présente à l’époque.

De nombreuses excavations ont permis d’observer différentes améliorations de ce système au cours des millénaires. On a pu donc constater que les peuplades du nord-est de la Mandchourie (Chine)  préféraient des systèmes chauffants hors du sol tandis que les autres privilégient ceux proches du sols.

Le ondol : la technique coréenne

Le système historique du ondol

On ne peut parler de chauffage au sol avec exactitude qu’aux alentours de 500 avant JC (on parle parfois de 1000 ou plus avant JC mais l’évolution de cette technologie la rend difficilement définissable), avec le système de l”Ondol” (ou “gudeul”) en Corée. En effet, ce système est celui qui répond le mieux aux critères de chauffage au sol : une grande partie,ou l’intégralité, de la surface de la chambre est chauffée par un réseau d’air chauffé à l'aide d'une cheminée. À l’époque, cette dernière se trouvait dans la pièce à vivre et servait aussi aux tâches ménagères, à la cuisine.

Ce système, en forme de L ou de I, a été partagé dans toute la péninsule Coréenne, dans les classes moyennes ou aisées. Puisque la Corée et le Japon étant proches géographiquement, on suppose que ce dernier a pu bénéficier de cette technique coréenne. Dès le XVe siècle, la majorité des habitations de Corée étaient équipées d’un ondol. Il a été adapté aux différentes régions climatiques: dans la partie nord du pays, où l’hiver est très rude, la cheminée a été gardée dans la pièce à vivre. Dans la partie sud, plus chaude, elle a été déplacée à l’extérieur des habitations car la nourriture chauffait trop en intérieur et laissait de mauvaises odeurs. Le ondol a alors été équipé sur toute la surface de la pièce.

La trace de cette technique dans la société coréenne et asiatique

Durant la dynastie Chosun (1392 à 1910), le ondol a été largement répandu dans toute la Corée et a fortement influencé l’art de vivre Coréen, et plus largement Asiatique. En effet, la présence des ondols et des kangs dans les logements a permis de développer toute une culture relative au sol. Un sol chaud invite à dormir près du sol (couches plates plutôt que matelas), à avoir un mobilier bas (manger par terre) et à enlever ses chaussures en rentrant. Pour des occidentaux, encore aujourd'hui, ce geste peut être interprété comme une volonté de ne pas salir la pièce, pourtant il vient simplement d’un confort pour les pieds. Pour que le plancher soit encore plus chaud, on pouvait parfois le recouvrir d’une couverture appelée ibul. Lorsque la famille était de retour dans la demeure, tout le monde pouvait se glisser sous le ibul pour se réchauffer ensemble, ce qui illustre par la tradition les liens familiaux. Le ondol a donc eu une place importante dans la société, et par conséquent il a été une source d'inspiration pour des artistes.

On peut citer le patrimoine culturel conservé en Corée et lié à la technique du ondol : notamment de nombreux témoignages littéraires datant de l'époque médiévale, par exemple celui de Yi Kyu-Bo(1168-1241) faisant allusion à l'ondol dans un poème de remerciements à ses hôtes : "À la froide saison de l’hiver, je me suis couché sur le  kudˇul (synonyme de ondol) gelé / Le froid m’a saisi par surprise, me glaçant jusqu’aux os / Heureusement, des branches sèches rassemblées en fagot Allumé / les flammes montent en fleurs de feu / Comme une douce chaleur printanière s’est diffusée… /"

Ces premières sources écrites nous montrent que l'ondol a une grande importance dans la culture coréenne depuis toujours, ce qui peut expliquer pourquoi cette technique a été conservée depuis ses origines antiques jusqu'à l'ère moderne.

Convergence moderne du ondol

En 1953, la guerre de Corée laisse le pays en déséquilibre, le gouvernement prend alors des mesures collectives pour l'ensemble du pays. Afin de limiter la déforestation, le gouvernement impose l’installation d’ondols modernisés, fonctionnant au charbon. Cela permit de réduire fortement les pertes en chaleur grâce à une structure préfabriquée en béton. Cependant, de nombreux cas d’intoxications par inhalation des fumées passant à travers des fissures poussèrent les autorités à changer de politique dans les années 1970. Le système moderne de l’ondol par circulation d’eau chaude a donc été installé à ce moment et s’est rapidement répandu grâce à la demande suivant l’essor économique et immobilier du pays. Ce système moderne ne proviendrait pas de Corée, mais des États-Unis où l'architecte Frank Lloyd Wright l'aurait mis au point au début du XXe siècle, totalement inspiré par le ondol traditionnel. En 2017, 67% de la consommation d'énergie sud-coréenne reposait sur des énergies fossiles carbonées, laissant penser que les ondols modernes sont alimentés par ces ressources.

Il est intéressant de voir que certaines entreprises ont, à la même période, tenté d’importer le chauffage par radiateur en Corée, dans une optique d’occidentalisation et de “modernisation”. Pourtant le public l’a rejeté car ce système n'apporte pas le même confort au niveau du sol que l’ondol. Le mode de vie millénaire coréen a donc supplanté le système occidental.

Aujourd'hui, environs 95% des bâtiments en Corée et 85% dans la partie nord de la Chine sont équipés d'un système de chauffage au sol, et une croissance est observée au Japon. Ces chiffres peuvent être vus comme la suite logique d'une longue histoire entre les populations de ces régions d'Asie et une technique de chauffage ancestrale et efficace.

Épisode Occidental

Photo d'un système de chauffage par hypocauste datant de l'occupation de la Gaule par les romains. Site archéologique de St-Romain-en-Gal.

Le terme hypocauste provient du grec "hupokauston" qui signifie "brûler dessous" et du terme latin "hypocaustum" signifiant "chauffé en dessous" ou "par le dessous". En effet, les hypocaustes sont des systèmes de chauffage pouvant s'apparenter au chauffage au sol moderne. Le principe repose sur la circulation d'air chaud sous différentes pièces grâce à des sortes de galeries et qui chauffe les pièces par le dessous.

Les grecs utilisaient les hypocaustes à partir du IV^e siècle avant J.C. A Syracuse, des fouilles ont révélé des vestiges de pièces chauffées par des canalisations datant du IV^e siècle avant J.C.. On connaît également un autre exemple dans les thermes du nord-est à Epidaure. Les premiers hypocaustes romains semble dater du premier siècle avant J.C. à Olympie puis également à Zevgolatio près de Corinthe quelques siècles plus tard. Tous ces thermes présentent des similitudes dues aux habitudes culturels des romains et de leur quotidien. On peut donner de nombreux exemples de villes dans tout l’Empire Romain qui utilisaient cette technique pour chauffer ses thermes ; c'était un système très répandu. On trouve également des variantes des hypocaustes en Syrie ou en Afghanistan et dans quelques autres pays. Il ne semble pas que cette technologie ait été développée sous influence Ondol, en raison de l'éloignement géographique, immense pour l'époque, entre ces 2 régions du monde.

Fonctionnement de l'hypocauste

Photo des thermes de Saint-Romain-En-Gal où nous pouvons voir les briques de l'Hypocauste et une entrée d'air.

Les pièces étaient surélevé de 60 cm environ sur des pilastres (piles de carreaux de terre cuite) et elles étaient arrondies pour faciliter le mouvement en tourbillon de l’air chaud. L’hypocauste était recouvert de plaques de terre cuite qui reposaient sur les pilastres et était recouvert d’un ciment très fin. Ainsi les foyers étaient alimentés par des hommes (les fourniers) qui portaient le bois et qui gardaient en permanence une flamme vive. Le four était également construit en brique, il permettait de chauffer l’air qui circulait dans l’hypocauste et cela permettait de chauffer les salles par le sol. L’hypocauste recevait l’air froid du dehors et il était ensuite chauffé et les fumées s’échappaient par une cheminée. Les cheminées étaient placées stratégiquement dans les coins de chaque salle pour évacuer les fumées. L'air chaud circulait également grâce à des ouvertures dans les murs pour que la chaleur puisse se répandre dans la pièce. Au cours du temps des foyers ont été ajoutés au fur et à mesure pour renforcer le chauffage. Plus tard, au début du troisième siècle, des canaux de briques munis d’évents latéraux ont été construits permettant de conduire l’air chauffé par les foyers vers le centre des différentes pièces. Une pièce était plus chaude quand elle se trouvait proche d’un foyer et on régulait la température en alimentant plus ou moins les foyers. Dans le cas du site de Saint-Romain-en-Gal, ce système permettait même de chauffer une petite piscine se trouvant dans le caldarium grâce à un foyer central construit au début du troisième siècle.

Utilisation des hypocaustes romains

Nous pouvons comprendre le fonctionnement de cette ancienne technique grâce à différentes fouilles archéologiques réalisées en France et par exemple à Saint-Romain-en-Gal dans la région du Rhône. Ces termes appartiennent à la ville de Vienne. Les fouilles montrent un site dont la construction a débuté au I^er siècle après J.C.. Les thermes romains étaient composés de plusieurs salles montées sur hypocauste qui étaient donc chauffées grâce à de l'air chaud qui circulaient sous les salles. En fonction des endroits il y avait plusieurs salles froides et plusieurs salles chaudes. Les salles chaudes ont pour nom "tepidarium" et "caldarium". Dans le cas de Saint-Romain-en-Gal, entre la fin du premier siècle et le deuxième siècle après J.C., une pièce sur hypocauste est construite et ressemble à une étuve "laconicum". A Saint-Romain-en-Gal, le système de chauffage par hypocauste a fini par être utilisé par les particuliers car cette méthode était particulièrement efficace. Cette amélioration est la plus moderne concernant le confort des villas “à la romaine”, elle fut réalisée dans les dernières années de la période de la pax romana. Nous trouvions ce type de chauffage en Europe à partir du premier siècle avant J.C.. Ensuite il a disparu en Europe à la fin de l’empire romain d’occident. Ce système de chauffage semble avoir disparu au profit du chauffage central dans les habitations, en effet les habitations ou les châteaux au Moyen Âge utilisaient des cheminées. Nous pouvons émettre l'hypothèse que ce système semble avoir disparu par rapport à un problème de coût ou de moyens. Il semble étonnant que la technique puisse avoir disparu car à la même époque on réalisait des constructions très raffinées et compliquées (comme dans les cathédrales par exemple). Cette disparition de cette technique peut être également liée à une perte de l'habitude d'aller à des bains publics pour se laver et donc il n'y aurait plus ce besoin de chauffer des pièces comme dans les thermes romains et grecs.

Schéma de l'organisation des thermes de Saint-Romain-en-Gal

Le développement du plancher chauffant

Redécouverte occidentale

Évolution en Occident

Du 12 au 17e siècle, les feux ouverts étaient le mode de chauffage le plus utilisé en Europe, moyen orient et Amérique du Nord. Différentes techniques propres à chaque région amenèrent à la mise au point au 18e siècle du poêle dit « poêle de Franklin » qui est rapidement devenu le principal système de chauffage dans les habitations.

A la même époque, on retrouve des traces écrites de différentes réapparitions du chauffage au sol, souvent éloignées de plusieurs dizaines d’années et sans lien direct entre elles. On sait par exemple que des serres étaient chauffées par conduit d’eau chaude sous le sol au 17e siècle ou que Sir John Stone avait doté la Bank of England d’un chauffage par conduits d’eau chaude dans les murs et dans les sols dès 1790. Cette installation témoigne des avancées du 18e et du 19e en termes de chauffage par canalisations d’eau chaude. C’est à cette époque que John Leslie comprit le rôle du rayonnement dans la transmission de chaleur ; Benjamin Thompson quant à lui détermina les conductivités thermiques de certains matériaux isolants et mis au point l’isolation par double vitrage.

Toute la technique moderne du chauffage par circulation d’eau chaude s’est développée au 19e siècle, avec les premiers brevets qui ont théorisé ces systèmes. La maîtrise des canalisations d’eau et de la diffusion de chaleur a permis une meilleure appréhension du chauffage au sol lorsque celui-ci a été réintroduit dans certains logements. Cependant la cheminée classique était un système bien implanté et pratique d'utilisation à l'époque, ce qui a pu dissuader de chercher à remplacer ce système par d'autres plus couteux et moins adaptés au mode de vie.

Jusqu’au 20e siècle, on trouve différents exemples de bâtiments avec un système de chauffage au sol. Cependant les techniques sont très souvent différentes les unes des autres et ont plutôt valeur d’expérimentation que de technologie fixée et employée à grande échelle. En revanche aux États-Unis l’évolution du chauffage au sol suit une direction plus facilement identifiable. Benjamin Franklin est souvent considéré comme le précurseur du chauffage au sol en Amérique du Nord. Dès le 18e siècle, il avait étudié différentes technologies asiatiques et françaises pour mettre au point son poêle. Il a donc été intrigué par les systèmes de chauffage au sol présents en Chine et Corée notamment et par les différents exemples présents à l’époque en Europe. Il a cherché à améliorer un système de récupération de fumées qui passaient ensuite sous un sol, sans pour autant que celui ne soit utilisé.

Durant la guerre civile aux États-Unis (1861-1865) les tentes d’infirmeries ont été équipées d’un système de chauffage rudimentaire. L’air chaud et les fumées d’un feu enfoui étaient conduits dans une tranchée traversant la tente puis évacués dans une cheminée construite à partir d’un empilement de bidons. La tranchée était recouverte de dalles qui diffusaient la chaleur dans toute la tente, permettant de maintenir les blessés dans un confort thermique relatif. Cette technique de chauffage de dalle rappelle le kang, utilisé depuis des millénaires en Chine. Bien qu’il n’y ai pas de sources fiables prouvant une telle hypothèse, certaines spéculations mènent à croire que ce sont les migrants chinois venus s’installer en Californie peu avant la guerre qui auraient partagé ce système.

Au début du 20e siècle, le chauffage européen était bien modernisé et le chauffage au sol avait acquis une petite renommée grâce à certains bâtiments publics, sans pour autant être très utilisé. L’architecte Américain Frank Lloyd Wright, passionné d’architecture asiatique, a beaucoup étudié le système de chauffage japonais (tiré de celui employé en Corée) et a popularisé le chauffage au sol d’abord aux États-Unis, puis en Europe. Ses deux projets les plus connus ayant bénéficié intégralement de ce chauffage sont le Johnson Wax Building (inauguré en 1937) et la résidence Jacobs.

Il faut attendre la fin de la Seconde Guerre Mondiale pour voir le premier usage à grande échelle de chauffage au sol : 2000 foyers sont construits avec un système de transmission par tuyaux de cuivre. Le projet étant considéré comme une réussite, des milliers d’autres logements sont construits selon cette technique et le Canada suit ce projet dans les années 1960. Cependant aujourd’hui la part de logements équipés d’un système de chauffage au sol aux États-Unis et au Canada ne dépasse pas 5%. Nous n'avons pu trouver de sources expliquant cette rupture entre débuts prometteurs et situation actuelle peu développée. Une hypothèse serait les forts écarts de richesse en Amérique du Nord qui empêcherait une bonne partie de la population d'envisager ce système de chauffage qui demande un certain investissement. Sans beaucoup de demandes, le marché du plancher chauffant pourrait ne pas s'être réellement développé aux États-Unis.

Si dès 1933, des expériences sur l’éthylène à haute pression permettent la découverte du polyéthylène, il faut attendre 1965 pour que Thomas Engel dépose un brevet sur ses processus de stabilisation et qu’une commercialisation à grande échelle soit lancée. Le développement du chauffage au sol en Occident va de pair avec celui de ces plastiques, alors que le système hydraulique prédomine toujours en Corée.  À partir des années 2000 on considère que ce système de chauffage a réellement sa place sur le marché européen, notamment grâce aux systèmes de bâtiments thermoactifs (chauffage et rafraîchissement) lancés dans les années 1990.

Influence possible du ondol

Le système de chauffage au sol Coréen, sans avoir été importé directement en Europe au XXe siècle, pourrait avoir influencé la conception du système occidental. Cette hypothèse se justifie par différents points mais aucune source ne permet de la valider ou non. Au XIXe siècle, des liens entre l’Occident et l’Extrême Orient, se créent.

Le premier lien est commercial : des négociants hollandais, puis anglo-saxons font affaire à Séoul, mais cela arrive tardivement, puisque, c'est seulement en 1876 que la Corée s'ouvre aux étrangers, avec le traité de Ganghwa (ou traité d'amitié Japon-Corée), qui permet d'abord aux japonais de faire commerce à nouveau avec la Corée (après une période d'arrêt due au mesures prises par le régent de l'époque, Daewongun), puis au reste du monde de venir faire affaire en Corée. Cela pourrait donc expliquer certaines correspondances entre ondol et innovations de chauffage au sol en Occident, mais l'on peut également se dire, en raison de l'ouverture tardive de la Corée sur le monde, que le chauffage au sol n'est pas directement une importation depuis la Corée vers l'occident, ou alors, possiblement une importation d'un système semblable utilisé dans d'autres pays d'Asie ayant été sous influence coréenne par le passé.

Le deuxième est religieux : la Corée cherche à se réinventer spirituellement et philosophiquement et trouve dans le culte chrétien le modèle qu’elle recherche, sans pourtant avoir été visité par des missionnaires jésuites comme en Chine ou au Japon.

Le troisième est culturel : l’Orientalisme bat son plein en Europe, et tout un fantasme autour des cultures allant du Maghreb au Japon se développe. Cette fascination est alimentée par les nouvelles routes commerciales, permettant la publication de carnets de voyages de commerçants, puis d’écrivains se précipitant vers cette source d’inspiration. La Corée a donc été décrite aux Européens de l’époques à travers ces récits. En Angleterre, les écrivains John Green, William Robert Broughton, Basil Hall, et John M’Leod parle du pays comme « l’une des nations les plus civilisées du monde ». Les scientifiques se sont donc penchés sur les technologies de cette civilisation exotique et avancée. Les ondols, jusqu’alors jugés trop chauds et trop désagréables par les commerçants Hollandais, deviennent un sujet de recherche pour certains scientifiques ou techniciens curieux. On peut citer Benjamin Franklin et Frank Lloyd Wright qui ont tous deux cherchés à étudier ce système particulier de plancher chauffant et à l’adapter aux goûts en matière de confort thermique occidental.

Les ondols auraient donc pu influencer les redécouvertes de systèmes de plancher chauffant en occident à travers un partage de cultures, lui-même amplifié par les goûts des Européens pour les cultures exotiques. Par la suite, durant la Révolution Industrielle et la mondialisation, ces deux pôles ont pu interagir et échanger différentes innovations qui ont amené aux systèmes actuels de chauffage au sol dans le monde.

Le parcours français

Après la seconde guerre mondiale en Europe, et notamment en France, un grand besoin de reconstruction rapide s’est fait sentir, et avec lui un besoin en chauffage. Les fabricants de radiateurs de l’époque ne pouvant pas répondre à toute la demande, ils décidèrent d’intégrer un émetteur simplifié intégré au sol de certains logements afin de compléter l’afflux de chaleur. Ce système consistait à peu de choses près aux systèmes de canalisation d’eau chaude. C’est de cette manière que le chauffage au sol moderne a fait son entrée en France. L'architecte Le Corbusier a lui aussi contribué à cette introduction.

Le mix énergétique des bâtiments dans le pays n’étant pas encore très développé à cette époque, ce système consommait beaucoup pour un rendement assez instable. Le dimensionnement des serpentins au sol n’était pas encore effectué par le calcul, et donc les émissions de chaleur résultantes étaient souvent insuffisantes ou excessives. Étant installés par les fabricants de radiateurs en supplément, ces planchers chauffants fonctionnaient à peu de choses près comme des radiateurs traditionnels. L'eau chaude qui circulait dans le sol chauffait le plancher, qui chauffait ensuite l'air de la pièce par convection. Ce principe était problématique car l'air chaud s'accumulait au plafond et pour que toute la pièce soit assez chaude il fallait une température de sol supérieur à 30°C, ce qui crée des douleurs aux jambes. Des pertes importantes d'énergie avaient aussi lieu à cause de ponts thermiques (zone souvent mal isolé thermiquement qui laisse s’échapper les calories). Les premiers essais n’étant donc pas concluants, cette idée fut mise de côté dans les années 1960. On peut aussi supposer que le système ne s'accordait pas facilement aux logements déjà existants, comme les immeubles Haussmanniens par exemple. Dans ce genre de bâtiments, il est toujours plus simple d'installer des canalisations pour des radiateurs, qui rappellent la traditionnelle cheminée, que de retravailler tout le plancher pour un chauffage qui a tout à prouver.

Vers 1975, l’apparition de canalisation en matériaux de synthèse permettant de transporter des fluides chauds amène de nouvelles possibilités. Le chauffage par rayonnement est alors plus utilisé, et il permet de moins consommer d'énergie et de pallier certains des précédents problèmes. Une régulation des systèmes permet de mettre en place des systèmes plus fiables et plus pertinents. L’arrêté du 23 juin 1978 fixe la température de surface des sols à 28°C (température théorique de la voute plantaire) pour les chauffages intégrés, le premier Avis Technique pour les systèmes de canalisation en matériau de synthèse pour l’eau chaude paraît en 1979 et le développement du système est fait grâce à une reconnaissance par le DTU 65.8 paru en 1990. La législation et les règles ont évolué en même temps que les innovations et les nouvelles connaissances, jusqu’à aujourd’hui. Une nouvelle régulation, à l’échelle européenne cette fois ci, paraît en 1998 avec le NF EN 1264 qui traite des normes des chapes désolidarisées isolées. Celle-ci permet d’étendre un peu plus ces systèmes en Occident.

Aujourd'hui, le plancher chauffant a sa place sur le marché du chauffage français. Les professionnels l'envisagent comme une option sérieuse lors de la construction d'un nouveau bâtiment et ce système s'étend donc au fur et à mesure dans les habitations. Les logements déjà existants, peu compatibles, les coûts d'installation et la culture du radiateur bien implantée semblent être maintenant les principaux freins à l'expansion du secteur en France.

Architecture : prescripteurs

Le plancher chauffant attire beaucoup les architectes en recherche d'espace et de neutralité. Installé sous le revêtement du sol, il permet de libérer les murs des radiateurs habituels. A cela s'ajoute un confort thermique par cet apport constant et uniforme de chaleur, un confort qui s'est amélioré au cours des années par l'évolution des technologies. Les architectes ont ramené le plancher chauffant de leurs voyages pour le développer dans leur pays d'origine. Bien que peu efficace et durable en premier lieu, ce système a été promu dans divers endroits du globe par des architectes de différentes nationalités.

En Amérique

Levittown

William Levitt, un promoteur immobilier américain du 20e siècle, a conçu et construit avec l’aide de son frère Alfred Levitt la première majeure banlieue américaine. Cette banlieue située dans l’état de New York fut construite à la suite de la deuxième guerre mondiale pour accueillir les familles des vétérans. Pour répondre à la forte demande immobilière de l'époque, Levitt & Sons a suivi les chaînes de montage de Henry Ford construisant ainsi une maison toutes les deux heures. Chacune de ses maisons étaient équipées de plancher chauffant en raison de l’air plus propre qu’il prodiguait, son esthétisme et le peu de poussières qu’il entraînait. Le système hydraulique était équipé d’une chaudière « pas plus haute qu’une machine à laver » qui chauffait l’eau circulant dans des tuyau en cuivre sous une dalle de béton. Ce système a été conçu par le vice président de l’entreprise Irwin Jalonack. Il a pu être installé dans toutes ces maisons grâce au décret du conseil municipal de la ville d’Hempstead autorisant l’installation d’un chauffage par radiation et de ne pas avoir de cave.

Cette installation est une première démonstration d'installation majeur de plancher chauffant dans des maisons adressées à une population de classe moyenne qui se veulent modernes et fonctionnelles.

Ce système avait néanmoins de nombreux défauts. La dalle n’était pas isolée par le dessous. Ainsi, les sols étaient suffisamment chaud pour que des tulipes poussent en février aux abords de la maison. Il y avait aussi de nombreuses fuites de liquide dans les sols car les matériaux n’étaient pas suffisamment adaptés pour résister à la casse et à la rouille. Les habitants de la ville abandonnaient ainsi leur système de chauffage au bout de 15 à 20 ans pour des radiateurs.

Maisons Usoniennes

Frank Lloyd Wright est un architecte qui a beaucoup participé au développement du plancher chauffant dans le monde. Par exemple, à la même époque que la banlieue Levittown, ce célèbre architecte américain, a cherché à concevoir des maisons d’architecte économiquement abordables : les maisons usoniennes. Il souhaitait que ses maisons soient fonctionnelles et en harmonie avec la nature. Dans cet objectif, Il y a installé des planchers chauffants hydrauliques pour permettre de libérer les espaces. Or, le système perdait toujours beaucoup de chaleur et les tuyaux ne tenaient pas très longtemps. Aujourd’hui, de nombreux propriétaires de maisons au style usonien réadaptent l’ancien système avec les techniques actuelles.

Centres commerciaux

Beaucoup de centres commerciaux se sont équipés aux États-Unis de plancher chauffant pour réduire l’occupation des équipements matériels comme les grosses ventilations que l'on peut voir sur les plafonds des commerces habituels. Ces systèmes restent cependant très chers à installer sur d'aussi grande surface.

En Chine

Dans les pays tropicaux, les planchers rafraichissants apparaissent peu à peu comme un moyen de remplacer la climatisation souvent bruyante et peu esthétique. Par exemple, nous retrouvons la Pearl River Tower qui se dit être la tour la plus respectueuse de l’environnement, étant néanmoins le siège d’une entreprise de tabac. Située en Chine, dans la province de Guangzhou, elle a été construite dans le but de minimiser son utilisation énergétique avec l’installation de panneaux solaires, d’éoliennes ainsi que de plancher rafraîchissant. A l’aide d’air refroidi diffusé dans les étages et de "métal rafraichissant", de l'air frais est injecté par le sol, refroidi par des matériaux en métal, et l'air chaud récupéré dans le plafond.Cette utilisation reste cependant à nuancer avec l'utilisation, souvent trop forte, dans ces pays de la climatisation. Peut-être que le plancher chauffant est plus écoresponsable, mais pour avoir un moindre impact environnementale, il doit être utilisé plus faiblement.

En France

En France, la mauvaise isolation des bâtiments à longtemps été un frein au développement du plancher chauffant. Dans l'objectifs de répondre à l'augmentation rapide de la population dans les années 1950, l'Etat a commandé 3 unités d'habitation au célèbre architecte français Le Corbusier. Ces oeuvres sont de gros immeubles permettant d'accueillir des habitations, des commerces, des rues, un théâtre, une école pour créer une véritable ville verticale. Il avait prévu d'installer du plancher chauffant dans l'intégralité de l'immeuble. Or, son installation coutait cher et ils ont été alors uniquement installés dans les unités commandées, non pas par l'Etat, mais pas par des particuliers comme celle de Firminy. Le chauffage au sol fonctionnait souvent un peu trop fort, mais ce système a attiré Le Corbusier pour sa capacité à se fondre dans l'appartement. Cet architecte est connu pour des espaces très fonctionnels, un plancher chauffant répondait à ce souhait pour le peu de place qu'il prenait.

Bien qu'il est eu un essort incroyable en Corée et dans les pays asiatiques, le plancher chauffant a mis beaucoup de temps à correspondre aux habitudes occidentales. Dans toutes ces oeuvres architecturales, les architectes tentent de changer de faire évoluer le mode de ie vers des espaces plus fonctionelset moins brut, des changements pas toujours appréciés par les occupants (trop chaud, trop compliqué à régler).

Développement géographique

Dans le monde, on prévoit une croissance de 6% du marché du plancher chauffant pour la période de 2019 à 2023. La croissance dans ce domaine est mené principalement par les pays d’Asie. Les premiers à investir dans cette technologie est l’Inde, la Chine et le Japon. On compte également des pays émergents tels que la Malaisie, le Vietnam, la Thaïlande et l’Indonésie. Ils investissent dans les nouvelles technologies pour la construction des bâtiments. Ils utilisent notamment les planchers chauffants. En Corée, ce système de chauffage est le plus commun, il est utilisé dans la plupart des bâtiments résidentiels. Ce type de chauffage a toujours été plus présent en Asie à cause du climat comme nous l'avons précisé dans la partie historique. En France, en fonction des années, la croissance du marché des matériaux pour plancher chauffant ou la croissance du marché des planchers chauffants oscille entre 5% et 7% en fonction des années. Les planchers chauffants sont principalement vendus et installés sur des maisons moyennes et haut de gamme individuelles. Le marché du plancher chauffant est moins développé en France et moins connus des français car nous avons plus développé le système de radiateurs due à un mode de vie différent. Aujourd'hui il se développe de plus en plus car il semble plus rentable dans des bâtiments mieux isolés. Il semble également de plus en plus se développer en France grâce aux planchers chauffants réversibles qui permettraient de remplacer les radiateurs mais aussi les climatisations dans les habitations.

L’Europe était leader dans ce marché en 2018, les second était l’Amérique du Nord puis vient les APAC et l’Amérique du sud. Les Européens étaient leader dans ce secteur sûrement à cause de la volonté de réduire les émissions de gaz à effet de serre. De plus, contrairement à la France, l'Espagne ou l'Allemagne développe le plancher chauffant dans des habitats collectifs comme dans des écoles par exemple car on gère l'installation du plancher chauffant "par zones". Nous pouvons ainsi penser que la France n'a développé le plancher chauffant presque seulement dans les habitations individuelles car il coûte cher d'installation. Si nous voulions en mettre dans les écoles ou d'autres lieux publics cela coûteraient peut-être trop chers. De plus, on en utilise souvent dans les habitations individuelles car elles sont neuves, certains lieux publics récents en sont pourvus également.

Des études sont également en cours pour importer du chauffage au sol à Marrakech pour des utilisations sur des hammams. On a testé également différents systèmes dans le nord de chypre ainsi qu’en Algérie. Ces contrés importent beaucoup d’énergie et c’est pour cela qu’utiliser des planchers chauffants à base d'énergie solaire serait intéressant.

Il existe différents exemples de nouveautés et d’études sur les planchers chauffants dans le monde entier. Nous allons parler de quelques exemples même si nous pourrions en trouver beaucoup plus. Au Danemark, un lotissement complet du nom de Juulsbjergparken compte 88 appartements complètement équipé d’un chauffage au sol rafraîchissant. En Angleterre,fut récemment construit un bâtiment luxueux connu sous le nom « Moonstone Project » , il est situé près de Cheltenham. Ce bâtiment se veut écologique et durable et l'entrepreneur John Croft a choisi pour cette bâtisse ultra-moderne un plancher chauffant-rafraîchissant Schlüter-BEKOTEC-THERM, il a été recouvert complètement de dalles en pierre naturelle. L'entrepreneur se vante du fait qu’il répond aux normes écologiques les plus stricts. Cette maison est dite à “énergie positive”, elle produit plus d’énergie qu’elle n’en consomme. On peut ajouter également que le système de chauffage est couplé à une isolation du bâtiment remarquable d’où son efficacité. Ensuite, nous pouvons étudier un cas en Turquie ou une étude très profonde a cherché la rentabilité et le confort thermique dans un lieu religieux. On peut donc évoquer l'étude réalisée dans la mosquée de Izmir en Turquie. Elle a été construite en 1905 avec une superficie de 300 m2. L’étude avait pour but de déterminer si le chauffage au sol était utile dans un bâtiment de cette architecture spécifique. Le problème était que suivant le modèle de Fanger, ce bâtiment ne respectait pas le confort thermique de ce modèle. De 2014 à 2015, on a fait des mesures d’humidité et de température afin de pouvoir répondre au confort thermique au premier étage de cette mosquée. Dans ce bâtiment, on a estimé que pour avoir le meilleur confort thermique il fallait poser un chauffage au sol électrique qui marche continuellement de 10h à 22h et qui est éteint le reste du temps. La température de la mosquée est réglé sur 22 degrés pour qu’on se sente au mieux . Pendant toute l’année on a relevé que la température variait entre 4,89°C au minimum et 35,94°C au maximum. Il existe selon le modèle précédent des limites de confort thermique, on estime que pour certaines températures, nous sommes en dessous du confort thermique, dans cette mosquée, nous avons estimé que la limite a été dépassée en décembre 2014 (744 heures) Décembre 2014 (744 heures), janvier 2015 (744 heures) et Mars 2015 (744 heures) les autres mois d’inconfort sont novembre 2014 février 2015 et avril 2015. Les relevés d’humidité de l’air donnaient les mêmes résultats d’inconfort thermique pour ces mois-ci. Après l’utilisation du chauffage ou sol on passe à 446 heures d’inconfort thermique en Janvier, les autres mois ont également beaucoup diminué en nombre d’heures. Pour résumer les résultats de l'étude, il a été calculé que l’utilisation du chauffage au sol permettait de diminuer de 54,74 % le nombre d’heures d’inconfort thermique sur l’année. Ils avaient surement également choisi le chauffage au sol pour ne pas contrarier l’aspect historique de la mosquée.

Nous notons également que sur le marché des planchers chauffants, sans avoir de chiffres exactes (car varie beaucoup en fonction des différentes sources) on compte une croissance de la vente de plancher chauffant réversibles. Ce type de chauffage permet également de rafraîchir un lieu à moindre coût quand il y a de fortes chaleurs. Ce système serait donc adapté avec le changement climatique qui compte des augmentations de température en été et de basses températures en hiver. Cependant ce système coûte beaucoup plus cher à installer, seulement les personnes aisées peuvent donc se l'offrir. Dans le futur, il serait intéressant d'étudier la différence de rentabilité d'un chauffage au sol réversible et d'un système de radiateurs couplé à une climatisation par exemple. Pour l'instant, il semble que les planchers chauffants réversibles ont un coût d'utilisation bien inférieur à des radiateurs et une climatisation, cependant ils sont plus chers à installer et doivent être couplés à des types spécifiques de pompes à chaleur.

Les planchers chauffant modernes (de 1990 à aujourd'hui)

Technique du plancher chauffant

Les deux types de plancher chauffant : caractéristiques et principe de fonctionnement

Les planchers chauffant sont des systèmes assurant l'émission de chaleur au niveau du sol et dans le milieu ambiant par divers processus : convection, conduction et rayonnement. Ces deux modes de chauffage ont pour particularité de garantir une température homogène et confortable (28°C) sur toute la surface du plancher mais aussi une température d'air ambiant agréable (de l'ordre de 19°C) afin de procurer un excellent confort thermique aux usagers.

On distingue deux types de Planchers Chauffants basse Température (PCBT) qui sont utilisés dans les installations modernes : les planchers chauffants électrique et hydraulique.

Les planchers chauffant électriques

Il s'agit des premiers systèmes de chauffage au sol apparus durant la période après guerre car leur principe de fonctionnement reste simple. En effet, le transfert de chaleur est assuré par un réseau de tubes métalliques placés sous la chape et reliés au disjoncteur de l'habitat qui une fois mis sous tension électrique, se comportent comme des résistances dissipant la chaleur dans le sol par effet Joule.

Parmi ces planchers chauffants, il existe une autre distinction qui est faite et qui permet d'identifier les Planchers Rayonnants / Radiatifs Électriques (PRE) et les planchers chauffants électriques à accumulation ou planchers mixtes.

Les Planchers Rayonnant / Radiatifs Électriques :

Ces dispositifs de chauffage sont dits rayonnant car ils produisent et émettent la chaleur directement à partir du câble électrique mis sous tension: ils restituent donc la chaleur à partir du sol. Les PRE assurent donc un transfert rapide et homogène de la chaleur vers la surface du sol, garantissant un confort thermique presque immédiat. Ensuite, les transferts thermiques assurant le chauffage de l'air ambiant se font simplement par rayonnement et convection de la chaleur dans les pièces du bâtiment.

Les planchers chauffant électriques à accumulation ou planchers mixtes :

Ce type de plancher chauffant a pour particularité de combiner deux systèmes de chauffages classiques : un chauffage au sol et un ou plusieurs dispositifs de chauffage d'appoint tels que des radiateurs, des plinthes ou des plafonds chauffant. Ces derniers permettent de prendre le relais ou d'assister le chauffage au sol en hiver, période durant laquelle les besoins énergétiques sont conséquents.

De plus, le plancher chauffant à accumulation possède une forte inertie thermique responsable d'une accumulation de la chaleur sous le sol pendant de longues heures. Ce processus étant lent, il permet d'initier le fonctionnement du système de chauffage au sol pendant la nuit. L'utilisateur profite donc des heures creuses pour faire des économies d'énergie avant que le plancher chauffant ne restitue progressivement la chaleur au sol du fait de son inertie élevée, garantissant par là-même un confort thermique satisfaisant et constant durant toute la journée. Cependant, c'est cette lenteur des transferts thermiques à travers les couches du sol qui justifie également le couplage du plancher chauffant à accumulation avec des systèmes de chauffage d'appoint qui assurent un chauffage rapide de l'air ambiant.

Les planchers chauffant hydrauliques

Ces dispositifs sont équipés d'un générateur thermodynamique (chaudière ou pompe à chaleur) chargé de chauffer un fluide caloporteur (généralement de l'eau) qui est ensuite dirigé par un collecteur dans un réseau de tuyaux situé sous la chape du bâtiment. Le fluide cède alors de la chaleur au sol et permet de le porter jusqu'à 28°C lorsque la température d'eau dépasse les 40°C. Les planchers chauffants hydrauliques peuvent également fonctionner en mode rafraîchissement en été s'ils sont équipés d'une pompe à chaleur (PAC) réversible : on parle alors de planchers chauffants rafraîchissants.

Ce mode de chauffage au sol est davantage répandu aujourd'hui que les systèmes électriques, notamment en France, et ce pour plusieurs raisons :

1. Le couplage avec un générateur thermodynamique assure un très bon rendement global de l'installation. En effet, les utilisateurs disposent aujourd'hui d'un large choix de systèmes de chauffage d'eau disposant d'un excellent rendement thermodynamique : autour de 100 % pour les différents types de chaudières tandis que les PAC ont un COA (Coefficient d'Amplification) de 3 ou 4 généralement.
2. Un développement poussé au niveau de la recherche de nouveaux matériaux de synthèse (PER, polymères, PU) à partir des années 1990 permettant de respecter les Réglementations Thermiques et de fournir un confort thermique toujours plus satisfaisant en plus de faciliter l'installation du plancher chauffant et d'améliorer son rendement.
3. La possibilité d'inverser le processus thermodynamique pour refroidir le sol en été et garantir un confort thermique toute l'année.
4. Il s'agit donc du mode de chauffage par le sol qui a initié la réintroduction des planchers chauffants dans les foyers français au début des années 1990 pour devenir le mode de chauffage par le sol le plus répandu en France.

Les Planchers Chauffant Solaires (PCS) :

Le principe des PCS repose sur l'utilisation de panneaux solaires dans lesquels circule le fluide caloporteur. Celui-ci est alors porté à haute température (70°C) par le rayonnement solaire puis acheminé jusqu’au réseau de chauffage de l'installation. Il s’agit donc d’un plancher chauffant hydraulique qui utilise comme source de chaleur principale le rayonnement solaire.

Parmi ces PCS, on retrouve principalement des systèmes nommés PSD (Plancher Solaire Direct). Ils ont été mis au point dans une démarche écologique et présentent de nombreux avantages s’ils sont utilisés dans des conditions optimales d’ensoleillement et de temps d’exposition. Les PSD ont été conçus de tel sorte que le fluide caloporteur ne soit pas stocké dans un ballon ou bien ne transite pas par un échangeur afin de limiter les pertes de chaleur dans le circuit, ce qui en fait des systèmes à haut rendement capables de restituer sur une surface de 100 $m^{2}$ de PCBT autant de chaleur que 7000 L d’eau contenues dans un ballon d’eau chaude. Ces planchers chauffants intéressent notamment beaucoup les chercheurs algériens souhaitant exploiter le potentiel solaire du pays.

Structure d'un plancher chauffant

L'architecture d'un plancher chauffant n'a que très peu varié depuis sa réintroduction dans les ménages pendant la période après-guerre, si ce n'est dans l'ajout ou la suppression de couches et de bandes isolantes. La structure des installations a davantage évolué sur le plan des appareils et composants externes au plancher dont l'objectif est de permettre son fonctionnement optimal. De même, ces appareils reposent toujours sur le même principe, seules leurs performances, leur durabilité et leur coût évoluant vraiment d'un modèle à l'autre.

Architecture de la dalle chauffante

Schéma : Coupe simplifiée d'une installation de plancher chauffant (électrique ou hydraulique) dans un habitat. Les propriétés et caractéristiques des éléments représentés seront détaillées dans les parties suivantes.

L'architecture d'un plancher chauffant, qu'il soit hydraulique ou électrique, est similaire et constituée des mêmes types de couches.

En partant de bas en haut, on a :

1. Un sol dressé et compacté : il s'agit des fondations en béton sur lesquelles le plancher repose.
2. Une dalle isolante : elle permet de limiter au maximum les transferts de chaleur vers le bas qui ne participe pas au chauffage du sol. On peut utiliser soit des dalles isolantes dites à plots (seulement pour les PCBT hydrauliques), disposant d'encoches rigides permettant d'y insérer facilement les tubes ; ou des dalles planes, percées de trous dans lesquels on vient mettre des agrafes en U afin de maintenir les tubes chauffant en place.
3. Les tubes chauffant : pour les PCBT électriques, il s'agit de tubes métalliques en acier ; pour les PCBT hydrauliques, ce sont des tubes flexibles en matériaux de synthèse.
4. Une chape sèche ou fluide. D'après les normes en vigueur (RT 2012), celle-ci doit être coulée par un artisan qualifié. Les chapes les plus courantes sont les chapes fluides en ciment / plâtre (hémihydrate de calcium) et les chapes fluides anhydrites (anhydrite de calcium) : elles sont chargées de transférer la chaleur vers le haut et doivent donc être d'excellents conducteurs thermiques.
5. Un revêtement de sol : il peut être constitué de deux à trois couches minces. Le plus souvent, le plancher chauffant est installé sous un carrelage qui est maintenu par une fine couche de mortier et selon les cas d'un primaire d'accrochage. Cependant, le revêtement de sol peut aussi être un parquet que l'on fixe au sol grâce à une colle parquet en polymères.
6. Sur les bords, une isolation périphérique et un joint élastique doivent être installés entre les couches du planchers chauffants et la cloison pour éviter les pertes de chaleur par via des ponts thermiques et assurer l'étanchéité parfaite de l'installation sur toute sa surface en plus d'absorber la dilatation de la chape sous l'effet de la chaleur. En effet, la jonction plancher - mur et le changement de géométrie des couches au niveau de l'interface plinthe - revêtement de sol constituent des ponts thermiques dont il est indispensable de se soustraire pour assurer une continuité de la barrière isolante.

La superposition des différentes couches d'isolants et de conducteurs permet donc de garantir une très bonne isolation limitant les pertes de chaleur tout en dirigeant efficacement le flux thermique vers la surface du plancher : le choix des matériaux adéquats devient donc primordial dans la conception d'un plancher chauffant.

Composants et appareils constitutifs d'un plancher chauffant

L'installation d'un plancher chauffant constitue toujours un investissement conséquent pour l'usager car en plus de devoir se procurer les matériaux nécessaires à la construction de la dalle chauffante, il doit se munir de plusieurs composants et appareils électroniques ou thermodynamiques. En particulier, l'installation d'un chauffage au sol hydraulique requiert un grand nombre de dispositifs chargés du chauffage, de la régulation de la température ou encore du stockage du fluide caloporteur.

Planchers chauffant électriques

Évidemment, ce mode de chauffage au sol est raccordé au disjoncteur du bâtiment. De plus, l'installation doit être équipée d'une sonde de température ainsi que de plusieurs thermostats d'ambiance électriques ou électromécaniques (un par pièce) qui sont raccordés au disjoncteur. En ce qui concerne les planchers chauffants électriques à accumulation, il est indispensable de soutenir le système grâce à un ou plusieurs chauffages d'appoint : radiateur classique, poêle, plinthes ou plafond chauffant.

Planchers chauffants hydrauliques

Choix du générateur thermodynamique :
Pour chauffer l'eau circulant dans les tubes, l'usager doit se procurer un générateur thermodynamique Haute ou Basse Température HT ou BT. Pour cela, plusieurs choix s'offrent à lui :

Les chaudières :

Tout type de chaudière est adaptée pour assurer le fonctionnement d’un chauffage au sol. Il faut juste qu’elle soit assez puissante et que le système de régulation de la température de l’eau soit adaptée.

Les chaudières classiques et à bois font parfaitement l’affaire du fait de leur rendement initial déjà très élevé (de l’ordre de 90 %), mais les chaudières à condensation et à cogénération peuvent constituer des investissements plus intéressants sur le long terme.En effet, la particularité de la chaudière à condensation est de récupérer la chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau issue de la combustion du combustible (gaz, fioul, biomasse) pour chauffer les eaux chaudes sanitaires. Les rendements de chaudière à condensation sont alors souvent de l’ordre de 100 % et assurent un approvisionnement suffisant en eau chaude à tout le réseau de chauffage central d’un habitat (individuel ou collectif) en plus de consommer moins d’énergie qu’une chaudière classique. Par exemple, sous une pression P de 1 bar et pour une température T autour de 298 K (pour les chaudières HT, la température peut dépasser les 65°C), on récupère une chaleur latente de vaporisation de 44,0 kJ par mole d'eau condensée.

De même, les chaudière à cogénération (à “micro-cogénération” et à “électrogènes”) sont des machines dont le rendement s’évalue à 107 % car elles produisent de l’électricité en plus de chauffer le réseau d’eau qui alimente le plancher chauffant.

Enfin, l’avantage des PCBT hydrauliques est que leur fonctionnement global n’influe pas sur le rendement des chaudières, donc elles s’imposent comme des solutions viables pour permettre le chauffage du fluide caloporteur. Le principal frein à l’utilisation de ces chaudières est le coût de ce type d’installation : de 5000 à 12000 euros pour une chaudière classique dans un habitat individuel, les coûts peuvent s’élever jusqu'à 30000 euros pour assurer le chauffage de logements collectifs.

Les Pompes à chaleur (PAC) :

Les PAC sont des machines thermiques qui prennent de la chaleur à une source froide (l’air extérieur par exemple) pour la transférer vers une source chaude, en l’occurrence dans notre cas l’eau circulant dans les tubes chauffant du plancher hydraulique.

Schéma thermodynamique d'une Pompe à Chaleur. La convention du banquier s'applique au système σ que constitue le fluide caloporteur de la PAC et qui est soumis à un cycle thermodynamique.

En fonctionnement réversible, on peut montrer que :

$COP_{r}={-Q_{1} \over W_{r}}={T_{1} \over T_{1}-T_{2}}$

Le fonctionnement réel de la machine étant irréversible, on en déduit que le COP et donc le COA réel (COA = COP - 1) de cette machine thermique est inférieur à ${T_{1} \over T_{1}-T_{2}}$

On remarque donc que le COP augmente lorsque la température de la source froide diminue. La PAC présente un avantage supplémentaire lorsqu'elle est couplée à un Plancher Chauffant Basse Température. En effet, la température de l’eau en sortie du circuit de chauffage est assez faible, ce qui privilégie le processus thermodynamique de la condensation de l'eau, processus exothermique améliorant de manière significative le rendement de tout générateur à condensation tel que la PAC. Pour une pompe à chaleur, le coefficient de performance reste donc assez élevé et varie généralement entre 3 et 4.

Dans le cadre de l’étude de l’utilisation d’une PAC avec un PCBT, le plus intéressant est d'étudier principalement deux catégories parmi ces machines thermiques : les PAC aérothermiques air / eau et eau / eau, et les PAC géothermiques.

Les PAC aérothermiques air / eau chauffent l’eau du circuit en prélevant de la chaleur à l’air extérieur. Elles ont un très bon coefficient de performance (COP = 4) mais présentent des limites lorsque la température de l’air descend en-dessous des 0°C puisqu’il faut leur fournir davantage d’électricité pour récupérer la chaleur de l’air froid. Ainsi, dans les régions où les températures hivernales sont négatives, une PAC seule ne suffit pas pour approvisionner en continu le plancher chauffant en eau chaude : la PAC s’installe alors en relève d’une chaudière pour compenser les pertes d'énergie en hiver.

Il existe aussi des PAC eau / eau qui reposent sur le même principe que les PAC air / air mais qui utilisent comme source froide l'eau prélevée dans les nappes phréatiques.

Les PAC géothermiques quant à elles sont davantage utilisées dans le cadre de l’installation de plancher chauffant et rafraîchissant. Elles bénéficient d’un bon COP ainsi que de l’avantage d’avoir des performances constantes sur l’ensemble de l’année en plus de fournir la possibilité de refroidir l’eau du circuit lors des périodes chaudes. Ce refroidissement est permis par une association de la PAC avec un réseau géothermique qui constitue la source chaude pour laquelle on va prélever de la chaleur à l’eau du circuit (source froide) et ainsi la refroidir. Toutefois, il s’agit là d’un investissement conséquent dont l’utilisation reste avant tout consacrée au chauffage puisque les planchers rafraîchissants restent moins performants que les climatiseurs sur le marché.

Pour les Planchers Chauffant Solaires :

Les PCS étant avant tout des chauffages au sol basés sur le principe des PCBT hydrauliques, la plupart des appareils et composants nécessaires à leur installation leur sont communes, hormis ceux par lesquels le fluide est censé transiter après la phase de chauffage, en l'occurrence le ballon d'eau chaude chargé du stockage pour les Planchers Solaires Directs. A cela s'ajoute bien sûr les panneaux solaires dont surface de captage pour un habitat individuel est environ de l’ordre d’1/10ème de la surface de la dalle chauffante, soit en général 10 à 25 $m^{2}$.

Cependant, les PCS ne permettent pas de couvrir l’ensemble des besoins en chauffage d'une maison (seulement 50 à 60 %), notamment en hiver. C’est pourquoi il est indispensable de le coupler à une autre source d’énergie : bois, fioul, gaz, électricité. Ainsi, il peut être utilisé en relève d'une chaudière ou bien en complément de radiateurs classiques.

Autres composants et appareils :

De même que pour les systèmes électriques, les planchers chauffants hydrauliques nécessitent des sondes de température ainsi que des consoles de commandes de la température de chauffage permettant une régulation correcte de la température de l'eau : thermostat d'ambiance et / ou panneau de commande de la chaudière ou de la PAC.

Les habitations chauffées sont aussi équipées d'un collecteur par pièce. Cet appareil est chargé de collecter et de diriger le fluide caloporteur entrant vers le réseau d'eau chaude et celui sortant en bout de circuit vers le générateur thermodynamique pour y être réchauffé. Le collecteur peut être connecté jusqu'à 10 circuits d'eau chaude différents, le maximum n'étant pas recommandé pour éviter la surchauffe : dans ce cas il est alors conseillé d'installer deux collecteurs dans la pièce.

Un autre composant indispensable pour ce type d'installation est le ballon tampon. Il s'agit d'un ballon utilisé pour stocker de l'énergie sous forme d'eau chaude en complément d'une chaudière à bois ou d'un chauffage solaire ou bien au contraire pour récupérer le surplus de chaleur produit par l'installation. Il représente un investissement conséquent mais permet d'économiser beaucoup d'énergie en plus de soutenir les générateurs thermodynamiques dans leur fonctionnement en limitant leur durée d'utilisation.

Enfin, les systèmes de chauffage au sol hydrauliques ayant recourt soit à une PAC, soit à une chaudière, il est conseillé de les équiper d'une vanne trois voies mélangeuses (vanne en forme de T) facilitant la régulation de la température de l'eau en phase de Mélange (2 entrées et 1 sortie) ou de Répartition (1 entrée et 2 sorties). Dans le cas d'un PCBT hydraulique suivant des lois de régulation précises, le commandement de la vanne se fait de manière motorisée et est souvent automatique.

Le choix des matériaux : influence sur les performances et sur la consommation d'énergie

Le choix des matériaux à utiliser pour transférer la chaleur depuis les émetteurs de chaleur vers la surface du plancher permettent de limiter les pertes thermiques dans le sol et de rendre les transferts thermiques plus efficaces. De plus, ces transferts thermiques s'effectuent selon divers divers processus physiques : rayonnement + convection à l'interface sol - air du plancher chauffant et conduction + convection dans la chape, ce qui influe sur les choix des matériaux des différentes couches du sol. On souligne ainsi l'importance particulière des couches constitutives des planchers chauffant, où la conduction est prédominante dans les transferts de chaleur.

On définit alors plusieurs grandeurs nécessaires à la compréhension des choix des matériaux :

• Le flux de chaleur émis, qui s'exprime par $\varphi [W/m^{2}]={\phi \over S}=-\lambda grad(T)$ avec φ la densité de flux thermique) et λ la conductivité thermique de conduction : Φ dirigé vers la surface isotherme de plus basse température, c'est-à-dire le sol de l'habitat.
• Conductivité thermique de conduction $\lambda [W/m/K]$ : caractéristique propre au matériau évaluant son comportement lors d'un transfert de chaleur par conduction. Ainsi, plus λ est grand, moins il y aura de pertes thermiques et donc meilleur sera le transfert thermique par conduction.
• La résistance thermique de conduction $R[K/W]={e \over (\lambda S)}$ avec e l'épaisseur de la couche et S sa surface. R caractérise la résistance au transfert de chaleur par conduction d'une couche (e,S). On note $R'[m^{2}.K/W]=RS={e \over \lambda }$ la résistance thermique par surface unitaire : il s'agit de celle utilisée en construction.
• Diffusivité thermique $a[m^{2}/s]={\lambda \over (\rho C)}$, avec ρ la masse volumique et C la capacité thermique massique : a caractérise la capacité d'un matériau à diffuser de la chaleur.
• Coefficient d'échange thermique $h$ $[W/m^{2}/K]$, caractérisant l'intensité de l'échange convectif entre la paroi du plancher chauffant (surface de contact avec les pieds des usagers) et l'air ambiant de la pièce.

Isolation

Une très bonne isolation thermique est indispensable dans le cas d’un plancher chauffant afin d’éviter des pertes de chaleur trop importantes par le bas du plancher. Effectivement, comme évoqué précédemment (cf. 3.2.3.), l'isolation des bâtiments, notamment en France, fût l'un des points déterminants dans l'abandon des planchers chauffant à la fin des années 1960. Dans les bâtiments mal isolés, les effets positifs des transferts de chaleur par le sol ne faisaient absolument pas sentir, ce qui rendait le système presque inutile et beaucoup moins pertinent à utiliser qu'un radiateur classique par exemple, dont les pertes de chaleur liés à une mauvaise isolation étaient bien moindres puisque les transferts thermiques avec la pièce sont très localisés.

Ainsi, sous le système qui apporte de la chaleur au plancher (grille de résistances électriques ou tuyaux contenant le fluide caloporteur), le principe est de placer des matériaux possédant une conductivité thermique de conduction λ [W/m/K] très faible et donc une résistance thermique de conduction assez élevée puisque le transfert de chaleur à travers le plancher solide se fait principalement par conduction.

Choix des isolants sous la chape : plusieurs solutions d’isolation sont envisageables pour l'aménagement d'un plancher chauffant basse température :

• Dalles isolantes à plots : constituées de polystyrène (λ vaut 0,04 W/m/K pour du polystyrène expansé) dont la résistance thermique peut varier entre 0,5 et 2,1 $m^{2}.K/W$ en fonction de l’épaisseur de la dalle, ce qui représente un pouvoir isolant faible. Avantage de ces dalles : solution économique pour la main d’œuvre car facilitant la pose des tubes en plus de limiter la quantité de chape fluide à couler.

• Dalles isolantes planes : pour ces dalles, R' > 5 $m^{2}.K/W$, ce qui représente un pouvoir isolant fort qui facilite le respect des exigences d’isolation des constructions neuves à basse consommation.  

De plus, ces isolants thermiques se trouvant sous la chape, il doivent être capables de supporter des charges et donc des compressions importantes : classe de compressibilité I ou II pour une seule couche d’isolant utilisée.

De manière générale, pour tout type de plancher chauffant, on utilise les isolants suivants :

• Polystyrène expansé = PSE (forme la plus connue du polystyrène) : λ = 0,04 W/m/K, excellente résistance mécanique et hydrophobe. Le PSE est issu de la pétrochimie par polymérisation du styrène. Il est facilement recyclable par granulation, dissolution ou reprécipitation ; il s'agit cependant d'un recyclage partiel.
• Certaines dalles isolantes peuvent aussi être faites en polystyrène extrudé (PSX).
• Mousse de polyuréthane (sous forme de mousse rigide) : λ = 0,025 W/m/K, isolant thermique légèrement plus performant que le polystyrène. Dans le secteur de l’isolation, le polyuréthane s’utilise sous forme de panneaux isolants (PU) qui permettent une très bonne isolation thermique avec une faible épaisseur de matériau. De plus, ces panneaux possèdent une bonne résistance à la compression.

Ponts thermiques :

Il faut aussi installer des isolants au niveau des bords du plancher (plinthes et joints élastiques) et entre les couches du PCBT et le mur adjacent afin d’assurer une étanchéité parfaite sur toute sa surface. En effet, l'utilisation d’isolants périphériques permet d’éviter les ponts thermiques tout en absorbant la dilatation de la chape sous l’effet de la chaleur.

Pont thermique entre un plancher bas et un mur, en l’absence d’isolant périphérique chargé d’assurer la continuité de la barrière isolante au niveau de la jonction plancher bas - mur

De manière générale, ces bandes périphériques sont constituées de polymères de type polyuréthane voire polyéthylène.

Les bandes de rive peuvent aussi être fabriquées à partir de matière naturelles comme le liège. En effet, ce matériau est souvent utilisé pour ses qualités d'isolant thermique (conductivité thermique faible de l'ordre de 0,04 W/m/K) et est de plus en plus employé dans l'édification de maisons à basse consommation énergétique car il permet de limiter grandement les pertes d'énergie tout en utilisant des épaisseurs bien moindres de matériaux. A titre de comparaison, une épaisseur d'un cm de liège offre la même résistance au passage de la chaleur que 12 cm de briques creuses ou 38 cm de béton. Dans le cadre de son utilisation en tant qu'isolant thermique, l'écorce de liège récupérée est d'abord traitée avant d'être broyée puis compressée pour former des panneaux isolant compactes, légers et peu épais.

Certifications pour les isolants thermiques :

Par exemple, la société Knauf (multinationale allemande dont une partie de l’activité est basée sur la fabrique et la distribution d’isolants thermiques) s’est vu attribuée la certification ACERMI (Association pour la CERtification des Matériaux Isolants) qui valide en usine et en laboratoire les caractéristiques des isolants conçus et fabriqués en termes de pouvoir isolant et de résistance mécanique à la traction et à la compression notamment.

Chape

La chape constitue une couche possédant plusieurs rôles primordiaux déterminant les performances des planchers chauffants :

1. Son épaisseur en moyenne plus importante que les autres couches (au minimum 25 mm dans certains cas) lui confère un rôle important dans le transfert de la chaleur depuis les tubes chauffants qu'elle enrobe vers le sol de la pièce. Ce transfert thermique doit être efficace, d'où l'emploi de matériaux possédant une très bonne conductivité thermique.
2. L'épaisseur de la chape détermine également une caractéristique importante des planchers chauffant et difficile à maîtriser : leur inertie thermique, c'est-à-dire leur temps de réponse suite à un changement de régime de température. En plus de jouer sur l'épaisseur de la couche, il faut donc aussi choisir un composé adéquat pour obtenir une chape de masse volumique adaptée à l'inertie souhaitée pour l'installation, car le temps de réponse $\tau$ du système est proportionnel à la masse volumique $\rho$ du matériau.

Il existe ainsi plusieurs types de chape selon les matériaux employés et donc plusieurs procédés de fabrication et de pose :

• Le béton d'enrobage : il s'agit de superposer deux couches de bétons (bonne conductivité thermique : λ = 1,28 W/m/K à 20°C). La première, appelée béton d'enrobage, repose sur la dalle isolante et a une épaisseur d'au moins 20 mm. La seconde couche est une dalle désolidarisée édifiée sur le béton d'enrobage : c'est sur cette dalle que sera placé le revêtement de sol. Afin de limiter l'inertie thermique de l'installation, la masse au mètre carré du plancher chauffant ne doit pas excéder les 160 kg.
• Le mortier de scellement : c'est un composé comprenant majoritairement un liant hydraulique qu'est le ciment, de masse volumique variant entre 250 et 300 $kg/m^{3}$. L'épaisseur de la couche vaut environ 5 cm.
• La chape fluide : il s'agit de la technique la plus onéreuse mais c'est aussi le procédé le plus réalisé par les entreprises spécialisées dans le secteur de nos jours et le plus recommandé en termes de performances et de confort. On distingue principalement deux types de chapes fluides : chape anhydrite et chape ciment.

Fiches techniques (non exhaustives) et comparaisons des chapes anhydrite et ciment

Propriétés	Chape anhydrite	Chape ciment
Composition	Sulfate de calcium ${\ce {CaSO_4}}$ + sable + liant hydraulique + adjuvant (activateur et fixateur) Certaines chapes sont fibrées pour accroître la surface d'échange de chaleur avec les tubes chauffant et le sol	Mortier (ciment Portland, CEM I, 95 % de Clinker) + sable fin + adjuvant (plastifiant et fluidifiant) (+ produit de cure)
Grandeurs physiques	Les normes françaises imposent $\lambda \geq 1,2$ $W/m/K$. Aujourd'hui, certaines de ces chapes atteignent les 2,2 à 2,6 W/m/K. Par exemple, une étude menée par le CSBT (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) a permis de montrer que les chapes RADDIFLUIDE T (anhydrite, base plâtre) présentaient une conductivité thermique de conduction de l'ordre de 2,6 W/m/K, assurant ainsi des excellentes performances thermiques pour l'aménagement de plancher chauffant. Faible inertie : temps de réaction court permettant une régulation rapide de la température de chauffe. Grande résistance mécanique à la compression.	Les normes françaises imposent $\lambda \geq 1,2$ $W/m/K$. Les meilleures chapes fluides ciment conçues aujourd'hui présentent un λ thermique de 2,3 W/m/K : c'est par exemple le cas des chapes CIMFLUIDE. Inertie élevée : le ciment possède une masse volumique d'au moins 250 $kg/m^{3}$, donc il présente une inertie plus élevée que la chape anhydrite et réagira plus lentement aux consignes de changement de température.
Caractéristiques Techniques	Chape autolissante et autonivelante : facilite grandement la pose en évitant le lissage à la taloche et la mise à niveau à la règle.	Chape autonivelante.
Inconvénients	Temps de séchage très long en comparaison avec une chape ciment (2 semaines) : une semaine par cm d'épaisseur jusqu'à 4 semaines et deux semaines par cm au-delà. Apparition de laitance à la surface des chapes après séchage : couche pulvérulente (qui a la consistance de la poussière), peu résistante et empêchant le bon accrochage du revêtement de sol sur la chape. Il faut donc poncer la surface de la chape pour éliminer cette couche résiduelle et avoir une surface lisse.	Légèrement moins performante qu'une chape anhydrite. Nécessité d'utiliser un produit de cure pour traiter la chape ciment qui est sensible à la dessiccation : phénomène de desséchage du ciment lié à l'évaporation progressive de l'eau sous l'effet de la chaleur et qui entraîne la formation prématurée de fissures dans la dalle. Ce produit de cure est généralement composé d'un solvant organique appelé véhicule, d'un liant (résine ou polymère) et de charges minérales comme le dioxyde de titane ${\ce {TiO_2}}$. De nos jours, la plupart des produits de cure disponibles en phase aqueuse (pulvérisation sur la surface de la chape) sont biodégradables.
Type de plancher chauffant	Recommandée pour les PCBT hydrauliques.	PCBT hydrauliques et électriques

Enfin, dans la catégorie des chapes anhydrites, on retrouve des chapes constituées d'hémihydrate de calcium ${\ce {CaSO_4.1/2H2O}}$ qui est une forme de plâtre présentant des propriétés physiques similaires au sulfate de calcium telle qu'une conductivité thermique élevée de l'ordre de 2,1 W/m/K mais ayant pour inconvénient d'être moins résistant à la compression mécanique.

Revêtement de sol

En ce qui concerne le revêtement de sol, il ne doit pas ralentir la diffusion de la chaleur vers le haut, donc sa résistance thermique totale doit être faible : $R'(revetement)\leq 0,15$ $m^{2}.K/W$, ce qui implique par exemple une épaisseur de carrelage ne devant excéder les 8 mm (car R' est proportionnelle à e). Ainsi, le plancher chauffant est davantage réactif aux consignes de température car un revêtement de sol peut résistif lui confère une inertie thermique plus faible.

En France, les recommandations techniques souscrites par les normes en vigueur indiquent même une valeur de $0,09$ $m^{2}.K/W$ pour les revêtements de sol.

Voici quelques exemples de revêtements compatibles avec le plancher chauffant basse température et leur résistance thermique surfacique de conduction que l'on peut trouver dans la littérature :

Tableau donnant la résistance thermique surfacique de conduction de certains revêtements de sol

Revêtement de sol	R' [$m^{2}.K/W$]
Carrelage	Entre 0,015 et 0,04
Lino PVC	0,06
Parquet collé	Entre 0,08 et 0,014
Moquette collée	Entre 0,08 et 0,015

Inertie thermique

Définition de l’inertie thermique (d’après Quillet (1948)) : propriété qu’ont les corps de ne pouvoir modifier d’eux-mêmes l’état de mouvement ou de repos dans lequel ils se trouvent. On la définit aussi par : caractère d'un matériau capable d'accumuler de l'énergie calorifique lors d'un rapport de chaleur, pour la restituer ensuite dans un délai plus ou moins long. L'inertie thermique d'un matériau est un général proportionnel à sa conductivité thermique, plus une maçonnerie est lourde et épaisse plus son inertie thermique est élevée.

L’inertie thermique est donc une notion permettant de caractériser la résistance d’un matériau à un changement d’état ou de régime, c’est-à-dire son temps de réponse suite à la rupture de son équilibre thermique via un phénomène dynamique tel qu’un changement de température. Ainsi, pour quantifier ce temps de réponse, on calcule un temps caractéristique qui est lié au déphasage thermique et qui s’exprime par : $\tau ={e^{2} \over a}$. Ainsi, l’inertie thermique, c’est-à-dire le temps caractéristique de réponse, est d’autant plus élevée que la couche de matériau à traverser a une épaisseur e importante, ce qui est logique car cela implique que la chaleur doit être diffusée à travers davantage de matière. Au contraire, si le matériau est un bon conducteur thermique, il diffusera plus facilement la chaleur et le temps de réponse du revêtement sera proportionnellement plus faible.

Dans ces aspects sur les formules théoriques, on trouve les bases de l’inertie thermique dans l’optimisation du fonctionnement d’un plancher chauffant. En effet, un PCBT possédant une inertie thermique élevée possède un temps de réponse souvent très long suite à une consigne de changement de température : cela peut alors prendre plus de 12h pour qu’un PCBT atteigne sa température de chauffe maximale. Une première solution pour palier à ce problème et réduire l’inertie thermique du plancher serait de diminuer au maximum l’épaisseur des couches de matériaux à traverser et ainsi diminuer $\tau$. En particulier, il est recommandé de ne pas dépasser un certain seuil pour les épaisseurs de revêtements de sol : par exemple, il est préférable de ne pas poser du carrelage dont l’épaisseur excède 8 mm. Cependant, une inertie thermique élevée présente l’avantage de garantir un confort thermique optimal car le sol emmagasine la chaleur pendant longtemps, maintenant alors la température du sol constante et uniforme sur toute sa surface, même lors des changements de consigne de température. L’enjeu réside donc dans l’adoption d’une solution permettant à la fois de stocker suffisamment de chaleur pendant un temps relativement long pour éviter les sensations d’inconfort thermique et à la fois d’avoir un système qui puisse réagir rapidement en cas de changement brutal de la température extérieure.

Pour cela, plusieurs solutions sont envisageables :

• Compléter l’installation avec un petit poêle ou des radiateurs fixes. Cette solution reste tout de même peu enviable car elle implique un investissement supplémentaire et rentre en contradiction avec les motivations poussant à installer un chauffage au sol.
• Utiliser une sonde de température extérieure permettant d’anticiper les changements brutaux de température ⇒ Couplage avec un thermostat pour permettre à l’installation de réagir avant que la température extérieure ne change.
• Investir dans un plancher chauffant sec qui ont particularité d’avoir les tubes transportant le fluide caloporteur immergés dans des rainures de panneaux isolants sur lesquels on pose une plaque (ciment cellulose, ...) puis le revêtement de sol. L’épaisseur d’un PC sec est donc comprise entre 30 mm et 60 mm tandis que les PCBT traditionnels ont une épaisseur 2 à 3 trois fois plus élevée. L’on réduit donc le temps caractéristique du plancher d’un facteur environ égal à 4 voire 9 puisque $\tau$ est proportionnel au carré de l’épaisseur des couches de matériaux. Le plancher chauffant sec monte donc beaucoup plus vite en température : 15 minutes peuvent suffire pour gagner 1°C ou 30 minutes pour baisser en température.

Tubes chauffants

Les tubes qui chauffent les planchers chauffants hydrauliques doivent avoir une excellente conductivité thermique afin de transmettre le plus efficacement et le plus rapidement possible la chaleur transportée par le fluide caloporteur à la chape qui les entourent. C'est pourquoi, comme en plomberie, trois matériaux sont principalement employés dans la fabrication des tubes des planchers chauffant hydrauliques :

• Le Cuivre : le cuivre est depuis très longtemps utilisé pour la fabrication de tuyaux du fait de son caractère étanche et de son excellente conductivité thermique, de l'ordre de 386,0 W/m/K à température ambiante, ce qui est bien meilleur que la plupart des autres métaux. Le coût des tuyaux en cuivre reste tout de même très élevé. De plus, la nécessité de souder les tuyaux entre eux ou de les raccorder avec des bagues pour assurer une étanchéité parfaite rend l'installation plus difficile et donc encore plus coûteuse pour la plupart des usagers qui doivent alors faire appel à un professionnel maîtrisant le savoir-faire tel qu'un plombier. Bien que systématiquement utilisé pour la fabrication des planchers chauffants hydrauliques au début des années 1990, le cuivre fut rapidement supplanté par des matériaux de synthèse (PER et PB-1), plus faciles à installer et permettant un meilleur contrôle du flux thermique du fait de leur résistance thermique plus faible : il est plus compliqué de gérer ce flux thermique et de respecter les normes de température imposées en 1978 avec du cuivre car sa conductivité thermique est tellement élevée que le transfert de chaleur à travers la paroi des tuyaux est bien trop rapide et efficace. On le voit néanmoins réapparaître dans quelques installations de chauffage au sol aujourd'hui, mais avec du recul, on se rend compte que ce n'est pas le matériau le plus adapté à des planchers chauffant basse température. En effet, son emploi est plus adéquat dans des systèmes atteignant des températures très élevées (de l'ordre de plusieurs centaines de °C) profitant de sa résistance aux chaleurs extrêmes sans subir de dégradation.
• Le Polyéthylène Réticulé (PER) : dérivé du Polyéthylène (PE), c'est un plastique inerte de conductivité thermique égale à 0,4 W/m/K. Bien que très inférieure à la conductivité thermique du cuivre, cette propriété du PER présente l'avantage de retarder la baisse de température du fluide caloporteur car celui-ci cède moins rapidement de la chaleur à la chape. Ainsi, le chauffage de la chape est plus lent et progressif (caractère davantage réversible permettant de limiter les pertes thermiques lors des transferts de chaleur) en plus de procurer au système une inertie plus élevée, assurent un chauffage constant et uniforme sur une longue durée. Le PER est souple et facilement flexible, ce qui le rend facile à installer, d'autant plus que les dalles isolantes (planes et à plots) de nos jours sont conçues de sorte à pouvoir plier et fixer les tubes dessus : l'installation de tubes en PER est donc simple et facile en plus d'être peu coûteuse. Le PER étant issu de l'industrie pétrochimique, donc son recyclage n'est que partiel et n'est pas garantie d'un fonctionnement effectif sur le long terme (plusieurs dizaines d'années) en plus de présenter une dilatation thermique élevée. Toutefois, il reste surement le meilleur choix de matériau pour les tubes chauffant d'un PCBT hydraulique.
• Le Polybutène-1 (PB-1) : Le PB-1 est un thermoplastique de la même famille que le PE. Il possède donc des propriétés similaires à celles du PER. Contrairement à ce dernier, il présente toutefois l'avantage d'être plus flexible, ce qui facilite encore davantage la pose et limite le nombre de raccords mécaniques à utiliser pour réduire le coût d'installation. Comme le PER, la stabilité dans le temps du PB-1 est estimée à 50 ans, bien que les chercheurs n'ont pas encore le recul nécessaire pour le confirmer. Le Polybutène-1 possède une conductivité thermique inférieure à celle du PER (λ = 0,22 W/m/K) ayant pour effet d'augmenter légèrement l'inertie totale du système. Ce matériau constitue une alternative au cuivre aussi pertinente que le PER. Il est aussi utilisé en Europe et en Asie pour les installations de planchers chauffant mais possède une très mauvaise image aux États-Unis où son emploi dans les tuyauteries sous pression entre les années 1960 et 1990 a posé problème car les raccords plastiques utilisés faisaient apparaître des défauts importants dans beaucoup de réseaux de transport d'eau ; il n'a cependant jamais été ciblé de plaintes en Europe ou en Asie.

Régulation de la température de chauffe

La régulation des planchers chauffants est l'un des enjeux principaux du secteur du chauffage au sol car c'est ce processus qui va influencer beaucoup de paramètres inhérents au système : anticipation des changements de température extérieure, modification de la température de chauffe, choix des composants, dimensionnement du plancher chauffant, performances et longévité de l'installation. C'est un processus qui doit donc être maîtrisé et amélioré pour s'assurer du bon fonctionnement du chauffage au sol et d'un bon retour sur investissement sur le long terme.

Régulation des Planchers Chauffant et Rafraîchissant Basse Température

De manière générale pour les planchers chauffant hydrauliques réversibles, l’eau est portée entre 35 et 40°C en mode chauffage afin de ne pas dépasser les limites de température imposées par les normes en vigueur : 28°C pour le sol et 19°C pour l’air ambiant. Quant au mode rafraîchissement, la température de l’eau est comprise entre 18 et 22°C selon le climat de la région où se situe l’habitat afin d’éviter la condensation au niveau du plancher.

Régulation en mode chauffage :

Elle est basée sur ce que l’on appelle une loi d’eau, c’est-à-dire une droite $T(eau)=f(T(ext))$ donnant l’évolution de la température à laquelle l’eau doit être portée en fonction de la température extérieure (= rigueur climatique) : plus la température extérieure est faible, plus la température de l’eau devra être élevée.

Exemple d'une loi d'eau pour plancher chauffant hydraulique : représente la température à laquelle l'eau en entrée du circuit doit être portée en fonction de la température du milieu extérieur au bâtiment.

Cette loi d’eau permet d’assurer la stabilité de la régulation de la température d’eau pour ainsi optimiser le rendement tout en maintenant des conditions de confort idéales : le paramètre déterminant dans la loi d’eau est donc la pente de la droite. Le générateur thermodynamique couplé avec le plancher chauffant (PAC réversible air / eau ou eau / eau) doit donc être équipé obligatoirement de deux capteurs : une sonde mesurant la température de l’eau de chauffage et l’autre mesurant la température extérieure.

De manière générale, pour un plancher chauffant, la loi d’eau est fonction d'un grand nombre de paramètres. En notant $T(emc)$ et $T(emf)$ les températures de l'eau respectivement en entrée et en sortie du circuit, on obtient les lois suivantes. En voici une liste non exhaustive mais assez fournie pour montrer l'étendue de ces paramètres. On note $T(emc)$ et $T(emf)$ les températures de l'eau respectivement en entrée et en sortie du circuit :

• $T(emc,base)$ le régime de température choisi en fonction du type d'émetteur de chaleur. Par exemple, pour un PCBT, on choisira ${T(emc,base) \over T(emf,base)}={40 \over 35}$ (T en °C)

• $T(int)$ la température ambiante de consigne fixée entre 19 et 21°C sut toute la saison de chauffe.

• $T(nc)$ la température de non chauffage. Elle dépend des apports de chaleur gratuits dont bénéficie l'habitat : apports de chaleur solaires ou internes. Lorsque ceux-ci contribuent à une élévation de 2°C en moyenne de la température ambiante, $T(nc)$ est fixée à 18°C alors que lorsque ceux-ci contribuent à élever la température de 3 à 6°C en moyenne, $T(nc)$ peut être comprise entre 14 et 17°C.

• $T(base)$ est la température de dimensionnement pour le plancher chauffant dont la valeur dépend de la zone géographique et est donnée par la Réglementation Thermique en vigueur en France : la RT2012. Cette température de base est par définition : " la température extérieure journalière qui, en moyenne, n'est dépassée vers le bas que pendant un seul jour pas an ". Par exemple, à Strasbourg, $T(base)$ vaut -15°C.

La régulation de la température par la loi d’eau se fait généralement de manière automatique grâce aux sondes et à la loi d’eau.

La température du fluide caloporteur peut aussi être régulée par un thermostat d’ambiance : c’est une régulation par asservissement qui permet de corriger un écart entre la température d’ambiance souhaitée et la température extérieure en ordonnant une action au générateur thermodynamique. Ainsi, le thermostat d’ambiance impose un fonctionnement intermittent modélisable de manière idéale par :

Régulation intermittente de la température de chauffe par un thermostat d'ambiance

Avec $T(actif)$ la durée d’activité (c'est-à-dire de chauffe) du système et $T$ la période du cycle : on définit alors le rapport cyclique $\alpha ={T(actif) \over T}$. Comme $\theta (moy)=\alpha \times \theta (max)$ on cherche à faire tendre $\alpha$ vers 1 pour que $\theta (max)$ tende vers $\theta (moy)$, car lorsque $\theta (max)$ est trop élevée, les performances du générateurs thermodynamiques se dégradent.

L’idéal en termes de performance et de confort est de coupler les deux systèmes d’automatisation (loi d'eau et thermostat d'ambiance) car si la courbe de chauffe est initialement mal réglée lors du premier démarrage du système, le fonctionnement ne sera pas optimal et il y a des risques de surconsommation d’énergie mais aussi d’inconforts pour les usagers puisque les températures du sol et de l'air pourraient alors s'avérer soit trop faibles, soit trop élevées.

Régulation en mode rafraîchissement :

Le plancher chauffant rafraîchissant fonctionne avec une pompe à chaleur réversible éventuellement couplée avec un ballon d’eau chaude et une vanne trois voies mélangeuse, donc les techniques de régulation en mode rafraîchissement sont :

1. Tout ou rien sur une PAC : fixer la température d’eau du plancher au dessus des seuils critiques de températures de condensation et dès que cette température d’eau dépasse effectivement le seuil critique, le système est inversé (on coupe la régulation de la température) afin de revenir dans des conditions de température respectant les recommandations. Dès que cela est fait on inverse de nouveau la régulation (on la remet en fonctionnement rafraîchissement) afin de se replacer dans les conditions critiques. Dans le cas d’un fonctionnement en “Tout ou rien”, il est très recommandé d’installer un ballon tampon : il permet d’éviter les variation trop courtes de marche / arrêt de la PAC car un fonctionnement intermittent pareil abîmerait rapidement certains composants mécaniques de la PAC, en particulier le compresseur.
2. Action sur une vanne trois voies mélangeuse : Prendre en compte les paramètres influents sur le confort, le rendement et la régulation (température extérieure / intérieure, hygrométrie = humidité) afin d’optimiser le fonctionnement du système tout en évitant la condensation de l’eau sur le plancher.Les vannes mélangeuses peuvent être équipées de plusieurs options anti-condensation : un calculateur de température de rosée qui évalue la température de condensation de l’eau en fonction de la pression et de la température ambiantes ; un hygromètre chargé de relever l’humidité au niveau du sol ; une température limite de sol fixée par l’installateur en fonction de la zone géographique.

Le mode rafraîchissant présente toutefois des limites qu’il est indispensable de prendre en compte lors de la conception du PCBT et lors de son installation dans un bâtiment :

• Risque d’apparition de condensation en surface du plancher si la température d’eau est trop faible : par exemple en été en France, dans les régions tempérées la température du fluide doit être fixée à 18°C tandis que dans des zones plus chaudes (Sud-Est avec climat méditerranéen), il faut que l’eau soit portée à 22°C. On peut alors avoir apparition de condensation en surface qui peut entraîner des moisissures ou des risques de glissades sur le sol. Il est possible qu’apparaisse un phénomène de condensation en sous-face du revêtement de sol qui est encore plus problématique, car pouvant provoquer des fissures au niveau du revêtement et donc des déformations et des décollements des couches qui nuiraient au confort et à l’esthétique du bâtiment. Mais surtout, cela entraînerait la formation de poche d’air entre les couches de revêtements dont la présence nuirait grandement à l’efficacité du transfert de chaleur entre la dalle et le revêtement de sol. En effet, l’air est un mauvais conducteur thermique (dont la valeur varie entre 0.024 et 0.0262 W/m/K lorsque la température varie entre 0°C et 27°C) et donc un bon isolant thermique qui pourrait ralentir de manière non négligeable la diffusion de la chaleur par convection et conduction entre les différentes couches de matériaux si l’épaisseur des déformations devenait trop importante.
• La puissance en mode rafraîchissement s’avère souvent insuffisante dans les locaux à fortes charges thermiques. En effet, contrairement au mode chauffant permettant d’émettre un flux thermique allant jusqu’à 100 W/m2, le mode rafraîchissant ne permet d’absorber qu’au maximum une puissance de 40 W/m2 afin de maintenir la température du sol entre 19 et 22°C pour ainsi garantir le confort de l’usager et empêcher la condensation de l’eau sur le sol. Cet écart s’explique aussi par la différence de coefficient d’échange superficiel entre les deux modes : h = 7 W/m2/K pour le mode rafraîchissant contre 12.2 W/m2/K pour le mode chauffage.

La régulation des planchers chauffants hydrauliques est donc assez technique et dans la majorité des cas totalement automatisée pour assurer un fonctionnement optimal du système. C'est un facteur clé dans le confort thermique procuré par les PCBT sur lequel la recherche est très active, car malgré les avancées effectuées, le mode rafraîchissant reste bien moins performant et est davantage soumis à diverses problématiques gênantes que le mode chauffage.

Les Planchers Chauffant Basse Température et les autres systèmes de chauffage du bâtiment : étude comparative

Après avoir détaillé les aspects techniques relatifs au PCBT les plus importants, il est temps de voir dans quelle mesure ils permettent de comparer le mode de chauffage au sol avec d'autres systèmes de chauffage, en l'occurrence les radiateurs ou encore les poêles, les cheminées, les chaudières et les pompes à chaleur.

Performances et confort thermique

Pour pouvoir comparer ces différents types d'émetteurs de chaleur, le point à aborder en premier est la question du confort thermique procuré aux usagers.

Le Confort Thermique (CT) est une notion déterminante dans l'avis général vis-à-vis des PCBT par exemple : c'est en effet l'inconfort thermique avec $T(plancher)\geq 33$°C qu'ils provoquaient dans les années 1950-1960 qui leur a fait défaut et qui a conduit à leur brutale disparition des foyers français dans les années 1970 jusqu'en 1990 environ.

On le caractérise par l’équilibre thermodynamique s’établissant entre le corps humain (organisme homéotherme, c'est-à-dire dont le milieu interne garde une température constante telle que l'on puisse considérer que $T(peau)=cste=35$°C) et le milieu dans lequel il est plongé.

Schéma thermodynamique montrant les échanges thermiques ayant lieu entre le corps humain (homéotherme) et le milieu extérieur de température T(amb) : ce sont principalement ces échanges qui sont pris en compte dans les calculs concernant le confort thermique.

Donc $Q_{\sigma }=Q_{+}+Q_{-}$ et si $Q_{\sigma }=0$, alors le confort thermique de l’individu est atteint car il y a équilibre thermodynamique. Les échanges de chaleur $Q_{-}$ avec l’extérieur se font par conduction, convection, rayonnement mais aussi par sudation / évaporation. L’équilibre thermique et donc la température ressentie dépendent de l'activité, de la nature des vêtements (modification de la résistance thermique de surface R), mais aussi de la température du milieu ambiant.

À partir de ces échanges thermiques, les chercheurs déterminent quels sont les facteurs qui peuvent les influencer pour réduire les situations d'inconforts thermiques (chaud ou froid) dans les bâtiments. Certains modèles analytiques et adaptatifs ainsi que d'autres types de profils cherchent donc à identifier les critères du confort thermique afin de pouvoir les adapter au émetteurs de chauffage. C'est par exemple le cas de l'équipe du professeur FRANGER du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment (CSTB) qui a travaillé en collaboration avec le Groupe de Recherche sur les Émetteurs de Chaleur (GREC) afin d'établir une méthodologie expérimentale permettant d'évaluer l'inconfort thermique à travers un profil nommé UCRES :

U : Uniformité des températures opératives $\theta (rs)$

C : Courants d’air

R : Rayonnement dissymétrique dans la pièce

E : Écart de température entre la tête et les pieds (en position assise ou debout)

S : Sol chaud ou froid

À partir de ces 5 critères, un indice est calculé à partir du % d'insatisfaits parmi les individus soumis à des conditions thermiques particulières (à l'image des modèles de Fanger et de Gagge) et permet de qualifier l’ambiance thermique. Il prend en compte des paramètres importants que les concepteurs de systèmes de chauffage doivent considérer s'ils veulent garantir le meilleur confort thermique pour leurs clients :

• Température résultante sèche $\theta (rs)$ : cette température est un bon indicateur du CT car elle correspond à la moyenne arithmétique de la température d’air $\theta (a)$ et de la température radiante moyenne des parois de la pièce $\theta (rm)$. Ainsi, $\theta (rs)$ dépend de la position du corps dans la pièce car $\theta (rm)$ varie d’un point à un autre, d’où l’intérêt du chauffage par rayonnement (60 % de chauffage par rayonnement pour les PCBT contre 40 % pour les radiateurs) car dans des zones limitées on maintient $\theta (rm)$ tel que $\theta (rs)$ reste convenable malgré une température d’air $\theta (a)$ faible. La température résultante sèche (qu’on appelle plus communément température opérative) est donc un critère important du confort thermique qui permet d’approcher de manière simplifiée cette notion pour la thermique du bâtiment et notamment les PCBT et doit être prise en compte par le concepteur.
• Les gradients de température que l'émetteur de chaleur provoque dans la pièce et qui sont sources d'inconforts thermiques. Des zones dites " trains de chaleur " (alternance de chaud et de froid) peuvent apparaître lorsque les gradients de température sont trop marqués.
• L'humidité du milieu ambiant : une atmosphère trop sèche ou trop humide ne correspond pas à une situation thermique agréable.

Toutes ces notions permettent donc de comprendre les avantages et inconvénients des systèmes de chauffage vis-à-vis de la problématique du confort thermique.

On peut par exemple d'abord comparer les radiateurs (électriques ou à eau) avec le plancher chauffant.En effet, depuis l'arrêté ministériel de 1978 imposant une température de sol de 28°C pour les systèmes de chauffage par le sol, ces derniers procure un confort thermique d'une excellente qualité aux usagers. La température de sol 28°C est optimale pour le confort des pieds et des jambes et permet d’éviter les sensations de lourdeurs et de douleurs dans les jambes souvent ressenties par les usagers dans les années 1960-1970 durant lesquelles les planchers chauffaient le sol à 32-33°C. De plus, la température d'air maximale de 19°C imposée par les normes limite le phénomène de convection de la chaleur dans l’air ambiant de la pièce, ce qui permet de ne pas créer de gradient vertical de température de l’air dans la pièce tout en ne soulevant pas les poussières : comme évoqué précédemment, les trop fortes variations spatiales de la chaleur sont sources d'inconforts thermiques et c'est ce qui fait défaut aux radiateurs, surtout ceux équipés de convecteurs électriques. Ces derniers dessèchent rapidement l'atmosphère, entraînent des différences de températures entre le sol et le plafond provoquant par là-même des trains de chaleur et n'assurent pas une homogène répartition de la chaleur dans le volume habitable, alors que les PCBT ont pour particularité d'assurer une uniformité quasi parfaite des températures, que ce soit celle su sol ou celle de l'air. Cependant, on peut toutefois noter que l’homogénéité de la température du sol peut parfois déranger. C'est lié à la dimension psychologique du CT, un aspect non négligeable mais difficile à quantifier, et certaines personnes préfèrent se munir en plus d’un système agissant comme un point chaud (= poêle à bois, insert) dans la pièce pour avoir un repère de température plus élevée.

Schémas comparatifs montrant les gradients de température provoqués par deux systèmes de chauffage différents : le Plancher Chauffant Basse Température (schéma du haut) et le radiateur (schéma du bas). Cette représentation schématique permet de mettre en évidence l'uniformité des températures et des gradients dans une pièce équipée d'un chauffage au sol. La présence d'un radiateur crée quant à elle des différences spatiales et temporelles des températures très marquées au sein d'une même pièce, nuisant grandement au confort thermique des individus. Ces deux schémas montrent aussi l'un des avantages du chauffage au sol : la diffusion de la chaleur par rayonnement en plus des phénomènes de conduction et convection permet de créer plus facilement une ambiance thermique confortable pour les usagers. En clair, il suffit de porter le PCBT à 27 - 28°C alors que les radiateurs ont besoin d'atteindre 40°C pour porter l'air de la pièce à 20°C au maximum. La conduction se faisant principalement dans les couches du PCBT et la convection étant assez limitée, c'est donc le phénomène de rayonnement au niveau du sol qui rend les planchers chauffants aussi performants et intéressants.

D'ailleurs, ces paramètres influençant le confort thermique concernent aussi des systèmes tels que les cheminées / inserts et autres poêles à bois qui comme les radiateurs, émettent de la chaleur dans une zone restreinte de l'espace et provoquent un fort gradient de température qui les rend inférieurs aux PCBT dans le domaine du confort thermique. De plus, la mise en route de ces émetteurs de chaleur est rapide et ils atteignent facilement leur température maximale, tandis que l'inertie d'un plancher chauffant ne lui permet pas d'atteindre le régime quasi permanent avant plusieurs heures (en moyenne 10 h). D'un côté, cette caractéristique des PCBT est un atout qui assure une montée en température progressive et agréable, essentielle pour mettre en place une ambiance thermique uniforme au niveau du sol et dans l'air et garantir un excellent confort des usagers. D'un autre côté, le long temps de réponse des PCBT suite à une consigne de changement de température est dérangeant lorsque des changements brutaux de température extérieure n'ont pas été suffisamment anticipés à l'avance et qu'il faut attendre plus d'une demi-journée pour retrouver une habitation chauffée au maximum. Les jours de grand froid inattendus et spontanés sont d'ailleurs l'une des raisons pour lesquels de plus en plus de sondes et capteurs de température sont employés dans l'équipement des PCBT hydrauliques.

La comparaison peut également se faire au niveau du mode rafraîchissement des PCRBT car d'autres systèmes de refroidissement existent tels que les climatiseurs et PAC réversibles. Ces systèmes créent une excellente ambiance thermique. En particulier, les climatiseurs les plus formants bénéficient de la technologie Inverter, qui leur permet grâce à une régulation électronique poussée, de brasser l'air 6 à 8 fois par heure en général, afin de recycler l'air et d'assurer une excellente qualité d'air respirable.

De plus, les climatiseurs et PAC réversible bénéficient d'un très bon COP saisonnier avoisinant 4 et garantissant des très bonnes performances en mode chauffage et rafraîchissement, tandis que ce dernier mode constitue le point faible des PCRBT qu'il est nécessaire de consolider pour les prochaines années. Les canicules survenues durant les précédents étés en France par exemple (notamment en 2019) ont montré que les personnes investissaient de plus en plus dans des systèmes réversibles plus efficaces que le PCRBT et afin de pouvoir aussi profiter du chauffage en hiver. Les climatiseurs et PAC réversibles seules sont donc des concurrents importants pour les planchers chauffants dont le mode rafraîchissement est 2 fois moins performant que le mode chauffage en plus d'engendrer de la condensation sur le sol lorsque les températures deviennent trop élevées, ayant pour conséquences des inconforts thermiques au niveau des pieds et une augmentation de l'humidité qui peut s'avérer désagréable. Les climatiseurs font aussi preuve d'un temps de réponse très rapides de par leur capacité à brasser rapidement la totalité du volume d'air dans une pièce pour le remplacer par un air neuf, tandis que les PCBT présentent le désavantage d'être peu réactifs si le froid survient de manière imprévue.

Cependant, ces émetteurs / absorbeurs de chaud ne peuvent pas chauffer aussi efficacement le sol qu'un plancher chauffant mais bien que le recyclage régulier et rapide de l'air par les climatiseurs provoque des courants d'air sources d'inconforts thermiques, ils restent de alternatives parfaitement viables et tout aussi intéressantes que les PC(R)BT sur la question du confort thermique.

Enfin, on peut également évoqué l'existence des films carbone chauffantesou encore des rubans chauffants AHT qui constituent ce que l'on pourrait considérer comme des planchers chauffants électriques améliorés sur certains points. En effet, ces derniers fonctionnant à partir de convecteurs électriques qui vont diffuser l'énergie thermique dans le sol qui va ensuite rayonner cette chaleur dans l'air ambiant, ils restent légèrement moins efficaces que les tubes chauffants en polymères de synthèse employés dans les PCBT. Quant aux films carbone et aux rubans AHT, il exploitent le rayonnement infrarouge pour chauffer le sol, l'air étant un très mauvais conducteur de chaleur et participant bien moins que le rayonnement du sol au chauffage de la pièce. Ces solutions technologiques sont bien moins onéreuses et garantissent une uniformité des températures agréable pour l'usager et comparable aux planchers chauffants électriques conventionnels, mais ils ne recouvrent pas la totalité de la surface habitable (seulement 20 %), ce qui a tout de même pour effet de limiter cette homogénéité des températures à des zones plus restreintes et d'être très dépendant de la production de chaleur par les autres éléments de la pièce pour augmenter la température de l'air.

Pour conclure sur le confort thermique, les PC(R)BT figurent clairement parmi les émetteurs de chaleur à la meilleure qualité en termes d'ambiance thermique créée et de température de sol engendrée. Ils ne sont toutefois pas révolutionnaires puisque d'autres systèmes procurent des sensations thermiques comparables (excepté au niveau du sol) et que certaines de leurs caractéristiques peuvent s'avérer parfois sources d'inconforts thermiques, notamment leur faible inertie thermique et leurs limites en mode rafraîchissant.

Sur cet aspect, les PC(R)BT restent donc des solutions bien plus fiables que des radiateurs ou des cheminées, même s'il est possible de combiner ces différents modes de chauffage pour bénéficier d'un point chaud en plus d'une pièce chauffée presque uniformément. On y perdrai toutefois un avantage non négligeable du plancher chauffant : son esthétique. Effectivement, ce que les usagers apprécient dans le recours au plancher chauffant, c'est justement que le système est invisible à leur yeux puisque caché sous la chape et les revêtements de sol, contrairement à des radiateurs ou des poêles qui encombrent une partie de la pièce et limite la surface exploitable d'une ou plusieurs pièces. En particulier, les planchers chauffants électriques n'occupent pas plus de place que le sol et même si les PCBT hydrauliques présentent le même avantage, l'emploie des collecteurs dans chaque pièce oblige à aménager un petit placard pour ne pas que l'imposante pièce de plomberie soit visible.

Aspect économique : point de vue global et simplifié

Ensuite, intéressons-nous rapidement sur les coûts liés à l'installation et à l'usage de ces différents modes de chauffage.

En effet, il apparaît clairement que le chauffage au sol figure parmi les options les plus onéreuses puisque l'installation d'un plancher chauffant est difficile et requiert l'aide de nombreux experts du bâtiments. Ainsi, lorsqu'un particulier veut installer chez lui un PCBT hydraulique, davantage recommandé aujourd'hui par les professionnels du secteur, il doit investir dans le matériel nécessaire parmi lesquels on trouve les tubes chauffants, les différentes couches d'isolants, les revêtements de sol, les collecteurs d'eau du réseau de chauffage, un générateur thermodynamique (PAC ou chaudière) et des composants garantissant un bien meilleur fonctionnement du système tels qu'un ballon tampon ou une vanne 3 voies mélangeuses. En plus de ce premier investissement à hauteur de plusieurs milliers d'euros (rien qu'un générateur thermodynamique coûte au moins 1500 €), l'acquéreur doit aussi se charger d'engager un architecte pour dessiner des plans pour la maison qui intègre le plancher chauffant, des artisans qualifiés pour installer le réseau de tubes et couler une chape respectant les normes de la RT en vigueur et enfin une entreprise pour installer correctement le générateur thermodynamique et programmer la régulation de la température de chauffe de l'installation ainsi que son automatisation. Il s'agit donc d'une opération compliquée et importante lors du chantier qui nécessite obligatoirement le recours à des tierces pour ne pas avoir à craindre de dysfonctionnements qui entraîneraient la destruction du plancher.

De plus, comme un plancher chauffant est conçu pour tenir plusieurs décennies dans les meilleurs cas et que le système fait partie intégrante de l'habitat, le propriétaire doit assurer une maintenance continue de l'installation. La révision annuelle de la chaudière par un artisan chauffagiste certifié est obligatoire en France depuis l'arrêté du 15 septembre 2019 tandis que l'entretien annuel d'une PAC est fortement recommandé pour profiter pleinement de ses avantages sur une longue durée. Cela représente donc un coût annuel supplémentaire pour l'usager.

Il apparaît donc clair que le plancher chauffant n'est pas accessible pour absolument tous les ménages avec son prix moyen au mètre carré de 50 €, soit un premier investissement à hauteur de 4000 à 6000 € en fonction de la surface recouvrable pour un PCBT hydraulique. Un plancher chauffant électrique revient moins cher car ne nécessitant pas de composants externes (générateur thermodynamique ou encore collecteurs et ballon tampon) pour fonctionner correctement. Cependant, le chauffage au sol est davantage rentable sur le long terme par rapport aux installations de type radiateurs ou chaudières.

D'abord, on peut s'intéresser à l'énergie électrique, dont la consommation moyenne dans les foyers français en 2019 s'est élevée à hauteur de 4 590 kWh, le prix du kWh fourni par EDF valant 0,1765 € TTC en 2019 : cela correspond par exemple à une facture annuelle de 831 € pour le client (pour une puissance de 6 kVA, option tarifaire base). Bien que le coût de l'électricité a augmenté ces dernières années, notamment en France, et que le chauffage représente de manière globale 2/3 des besoins en énergie d'une habitation, cette énergie reste toujours plus viable d'un point de vue économique puisque les prix du gaz, autre source d'énergie utilisée pour le chauffage, sont plus élevés (tarifs ENGIE variant autour de 100 à 110 € pour des offres de gaz naturel). Comme le coût des radiateurs s'élève à hauteur de 2000 € pour une installation de chauffage chez un particulier, les radiateurs utilisant des convecteurs électriques semblent donc figurer parmi les solutions les plus abordables en termes de prix d'achat et de coût annuel, contrairement aux installations de PCBT hydrauliques sont onéreuses et chers à l'entretien et à l'approvisionnement en énergie si le générateur thermodynamique est une chaudière gaz. Cependant, il faut nuancer les propos en remarquant que la plupart des installations de PCBT restent moins coûteuses sur le long terme. En effet, les installations de PCBT électriques ne demandant aucune maintenance et celles de PCBT hydrauliques fonctionnant avec une PAC ou une chaudière électrique, cogénération ou à bois sont certes coûteuses à installer, mais en contrepartie elles ont une longue durée de vie et bénéficient d'un très bon rendement global lié aux performances croissantes des générateurs thermodynamiques en plus de procurer un confort thermique presque inégalé aux usagers, là où l'efficacité des radiateurs ne leur permet pas de chauffer une pièce à plus de 20 °C sans monter en température au-delà de 40°C tout en créant des inconforts thermiques très marqués. De plus, les installations de PCBT hydrauliques nécessitant un générateur thermodynamique, elles assurent l'entièreté des besoins énergétiques liés au chauffage du maison : chauffage du sol et de l'air avec le chauffage au sol et chauffage des eau sanitaires qui peuvent être stockées dans un ballon-tampon. La différence entre ces installations de PCBT et celles de chaudières ou de PAC que l'on déjà dans de nombreux foyers est donc la présence ou non du plancher chauffant.

Quant aux installations de type cheminée, poêles ou inserts qui utilisent du bois, elles paraissent tout aussi être de bonnes alternatives puisque leur coût d'achat est faible comparativement aux autres émetteurs de chaleur (aux alentours de 1000 - 1500 € pour des installations classiques et au moins 2000 € pour les plus performantes sophistiquées) en plus de s'alimenter avec du bois dont le prix reste encore très abordable : la stère de hêtre, de chêne ou de cerisier (très bon bois pour le chauffage, bonne tenue dans la durée pour un chauffage long et efficace) est à 30 - 35 € en moyenne et celle de peuplier (bois plus commun et moins " noble " que les précédents mais suffisant pour chauffer une maison par des températures extérieures plus modérées en hiver) autour de 15 - 20 €. Quant aux granulés, les sacs de 15 kg de pellets peuvent facilement se trouver à 5 €, ce qui montre une fois de plus que les solutions que constituent les poêles, inserts, cheminées et autres foyers sont parmi les plus abordables du marché. Cependant, tout comme les radiateurs, ce ne sont pas les émetteurs de chaleur procurant les meilleures sensations de confort thermique en créant des gradients de température marqués et n'étant pleinement efficaces que dans des espaces très cloisonnés et parfaitement isolés. Néanmoins, l'on ressent rapidement la chaleur transmise et le prix reste très abordable, expliquant le fait que ce sont des modes de chauffage encore très employés dans les foyers, bien que soumis à diverses controverses.

Enfin, on peut évoquer le cas particulier des Planchers Chauffants Solaires dont l'investissement en composants externes est bien moindre qu'un PCBT hydraulique classique (absence de chaudière, de ballon-tampon ou de vannes 3 voies mélangeuses) mais nécessitant d'acheter une surface de panneaux solaires égales au dixième de la surface habitable chauffée et de les faire installer par un professionnel. De plus, l'irrégularité des performances des PSD liées aux conditions climatiques est un aléa qui limite leur efficacité et ne leur permet d'assurer en moyenne que 60 % des besoins en chauffage d'un foyer situé dans une région bénéficiant d'un bon ensoleillement (Sud de la France par exemple), d'où la nécessité de coupler ces installations avec des chaudières pour chauffer les eaux sanitaires. Le coût de l'installation sur le court terme reste donc élevé mais le caractère de l'énergie solaire et le fait de n'avoir réellement besoin de la chaudière que pendant le tiers de l'année limite fortement l'investissement financier annuel. Ainsi, si l'installation est correctement gérée, elle peut s'avérer rentable au bout de plusieurs années, si bien sûr les panneaux solaires n'ont pas besoin d'être changés jusque-là et que leur performances n'aient pas trop diminué après les deux premières années d'utilisation. Après réflexion, on comprend donc que les PCS présentent beaucoup de désavantages puisqu'ils doivent toujours être assistés ou en compléments d'une chaudière bois, fioul, électrique ou gaz en plus de ne pas procurer à l'installation globale un rendement constant et 'être fortement soumis à la détérioration et à la baisse rapide de performances. Cela reste donc une alternative vraiment viable dans des pays où les accès directs aux formes d'énergie les plus communes sur le marché sont plus limitées et/ou le potentiel énergétique solaire est plus intéressant : on pourrait citer l'Algérie notamment qui possède l'un des meilleurs parcs solaires au mode et qui ne demandent qu'à être exploité ou encore des pays du pourtour méditerranéen bénéficiant d'un excellent ensoleillement moyen le long de l'année, comme le Sud-Est de la France ou l'Andalousie en Espagne.

Ainsi, pour résumer sur cette comparaison simplifiée (une étude plus poussée est menée dans la partie 4.2. Economie du plancher chauffant) des émetteurs de chaleur, les solutions ne se valent pas toutes, que ce soit en ce qui concerne l'approvisionnement en énergie (principalement fioul, gaz naturel, électricité) ou le prix et l'efficacité des installations qui varient très fortement. Néanmoins, les PCBT ressortent comme figurant parmi les solutions les plus viables sur le long terme et procurant les meilleures sensations de confort thermique. Et malgré un coût financier peu abordable pour la majorité des potentiels usagers, c'est l'une des solutions les plus recommandées par les architectes et professionnels du chauffage lors de l'édification d'un nouveau bâtiment ou d'une nouvelle maison. D'ailleurs aujourd'hui en France, une maison sur deux qui est construite est équipée d'un Plancher Chauffant Basse Température, hydraulique en particulier.

Tableau comparatif du prix des différents types de chauffages différenciant le prix moyen d'installation et le coût moyen en utilisation

	Coût moyen (chiffres de 2018) en euros / MWh	Prix moyen de l'installation pour une maison de 100 m2 (le prix fluctue en fonction de l'appareillage)
Prix du chauffage au bois	De 30 à 70	1.500 à 6.000
Prix d'une PAC (Pompe à chaleur)	De 35 à 70	4.500 à 15.000
Prix d'un chauffage solaire	Energie Gratuite (Mais coût de fonctionnement limité)	3.000 à 15.000
Prix d'un chauffage électrique	144	2.000 à 5.000
Prix du chauffage au gaz	74	2.000 à 7.000
Prix du chauffage au fioul	90	3.000 à 7.000
Prix du chauffage au sol	96	4.000 à 16.000

Mix énergétique

La question du mix énergétique revient beaucoup lorsque l'on parle d'approvisionnement énergétique des bâtiments puisque des bons choix permettent de faire des économies d'énergie tout en ayant recours aux énergies renouvelables, solaire et éolien en particulier. En France, cette alternative est devenue de plus en plus envisagée après l'entrée en vigueur de la RT2012 qui interdit l'utilisation unique d'une chaudière pour assurer le chauffage d'un habitat par exemple, dans le but d'orienter la consommation vers d'autres formes d'énergie.

Sur cet aspect-ci, les PCBT s'inscrivent très bien dans cette dynamique de mix énergétique. On l'a par exemple déjà évoqué avec le cas des PCS qui permettent de chauffer l'eau grâce au rayonnement UV. Ces mêmes panneaux photovoltaïques peuvent aussi servir à l'approvisionnement en électricité de l'installation de chauffage central de la maison ; la chaudière ou la PAC par exemple. Cependant, le problème des aléas climatiques persiste et les panneaux ont une durée de vie limitée qui pousse à éventuellement envisager d'autres solutions.

Il est également possible d'avoir recours à l'éolien pour approvisionner son habitat en électricité en installant une petite éolienne dans son jardin. Il est même possible de coupler ce système avec des panneaux photovoltaïques. Mais malgré la possibilité de produire et de consommer sa propre électricité pour la stocker et ne pas se la faire racheter par EDF en cas de surconsommation (qui la revend ensuite plus cher), les installations énergétiques de ce type restent très difficilement rentables puisqu'elles requièrent un investissement financier important et restent des solutions limitées par leur rendement et leur coût.

Le champ des possibles en termes de mix énergétique pour les PC(R)BT est très comparable aux autres systèmes d'émission de chaleur puisqu'il est possible de coupler une chaudière et une PAC air - eau pour bénéficier de 10 à 20 % d'économie par rapport à une chaudière à condensation. Cette combinaison présente l'avantage d'être toujours pleinement fonctionnelle tout le long de l'année et qu'importe le climat extérieur : lorsque la température est modérée, c'est la PAC qui fonctionne tandis qu'en hiver, lorsque les températures avoisine les 0°C, c'est la chaudière qui prend le relais, la PAC voyant son rendement saisonnier baisser lorsque les températures baissent puisqu'il lui faut davantage d'énergie électrique pour extraire de la chaleur à la source froide. Ce couplage permet donc d'avoir une installation toujours très performante qui ne fonctionne jamais en sous-régime et qui ne gaspille pas inutilement de l'électricité. Le seul inconvénient d'une telle installation (sans le PC(R)BT) est son prix variant entre 7000 et 12000 €.

Aspect environnemental

Surdimensionnement des planchers chauffants

Il consiste à augmenter le flux de chaleur émis par le PCBT dans l'optique de monter plus vite en température et dépasser les limites de températures de sol et d'air imposées par les normes. Pour ne pas dépasser cette limite, la régulation du PCBT se fait en mode tout ou rien : si la température de l'air est supérieur à 19°C dans la pièce, le système est coupé ; lorsque la température de l'air est inférieur à 19°C, on relance le chauffage de sorte à ce que la température d'air oscille autour de 19°C. Il s'agit d'une technique encore répandue dans l'utilisation des PCBT et qui pose des soucis d'un point de vue de la consommation de ressources énergétiques à cause de la surconsommation d'électricité et matérielles. Le fonctionnement intermittent use plus vite le compresseur des PAC.

Le surdimensionnement des planchers chauffants a un mauvais impact environnemental et son utilisation encore aujourd'hui n'est certainement pas un bon point quant à la réputation de ce mode de chauffage dans notre société. Cela peut également expliquer le fait que cette technique soit encore peu démocratisée en France par exemple et de moins en moins répandue dans les habitats les plus récents.

Évaluation environnementale des matériaux utilisés

Les installations de planchers chauffants nécessitent beaucoup de matériels et donc de matériaux tous très spécifiques et indispensables au bon fonctionnement du système, en particulier pour les PCBT hydrauliques :

• Les tubes chauffants, par exemple, ont jusqu'à il y a une vingtaine d'années, été fabriqués en cuivre, métal très bon conducteur de la chaleur et présentant de nombreux autres propriétés exploitables pour le chauffage au sol. Bien que ce métal fasse parfois son retour dans ce secteur et qu'il présente des avantages, c'est un matériau soumis à une très forte demande dans de nombreux domaines techniques (réseaux électriques, plomberies, etc.) dont le recyclage est limité et dont les réserves mondiales baissent très rapidement, si bien que la production mondiale de cuivre, en plus d'être très énergivore, devrait bientôt entamer une courbe descendante (vers 2020 environ)

Production mondiale de Cuivre 1990 (d'après la page Wikipédia dédiée au Cuivre).

Les tubes chauffants sont à présents faits en polymères de synthèse tels que le PER ou le PB-1 qui sont issus de la pétrochimie. De par leur nature, ces matériaux sont difficilement recyclables, voire seulement partiellement dans la plupart des cas. En contrepartie, ils ont une durée de vie estimée à un demi-siècle, garantissant la longévité des installations de plancher chauffant, même si cela n'est pas encore confirmé expérimentalement étant donné que cela ne fait qu'une vingtaine d'années que ces matériaux ont été développés.

Les panneaux isolants en PU présentent les mêmes désavantages d'un point de vue écologiques, même s'il sont partiellement recyclables par regranulation, comme le polystyrène expansé.

• Il est aussi nécessaire d'évoquer un sujet soumis à débat vis-à-vis de certains appareils employés. Cela concerne les techniques de régulation de la température de chauffe des planchers chauffants. En effet, la partie dédiée à la régulation a mis en avant l'importance primordiale d'avoir la possibilité de réguler de manière très précise la température des planchers chauffants. Cependant, cela entraîne un recours de plus en plus important à l'appareillage électronique associé (thermostat, disjoncteur, sondes de température et autres capteurs) dont la fabrication nécessite d'aller chercher divers matériaux. En particulier, l'électronique se compose de nombreux métaux rares qu'il faut généralement importer depuis la Chine, premier et presque seul producteur de métaux rares dans le monde car concentrant près de 95 % de la production mondiale. Ces matériaux sont comme leur dénomination l'indiquent présents en quantité très limitée sur Terre et sont non recyclables en plus de nécessiter des moyens colossaux pour être localisés et extraits et donc dont la production rejette de grandes quantités de gaz à effet de serre et de particules polluantes dans l'atmosphère tout en ravageant des paysages et des écosystèmes à cause des gigantesques chantiers et sites miniers.

Emissions globale de carbone : la secteur de la cimenterie représente une part non négligeable du bilan mondial.

• Quant aux chapes, anhydrites ou ciments, elles sont faites à partir de matériaux issus de l'industrie du ciment qui figure parmi l'un des plus gros émetteurs de dioxyde de carbone et autres gaz à effets de serre puisque le ${\ce {CO_2(g)}}$ est l'un des principaux produits de la réaction chimique de combustion du calcaire ${\ce {CaCO_3(s)}}$et de l'argile (${\ce {SiO_2}}$ et ${\ce {Al_2O_3(s)}}$) en ciment ou en plâtre. C'est la décomposition du calcaire en chaux ${\ce {CaO(s)}}$ qui est responsable de 60 % des émissions de ${\ce {CO_2}}$ : ${\ce {CaCO_3(s) <=> CaO(s) + CO_2(g)}}$. De plus, afin d'éviter la contamination de la chape, notamment celle ciment, on utilise des produits de cure qui sont des liants ou solvants organiques sous forme aqueuse et qui sont pulvérisés sur la chape après qu'elle ait été posée. Bien que ces produits chimiques soient biodégradables, il se pose la question de l'étendue de leur caractère biodégradable et de leurs effets sur la qualité des eaux et donc sur la faune et la flore aquatique, d'autant plus que la plupart de ces composés contiennent du dioxyde de Titane ${\ce {TiO_2}}$, espèce dont de nombreuses recherches montrent qu'elle est dangereuse pour les êtres vivants, voire potentiellement cancérigène si présente dans l'organisme sous forme de micro ou nanoparticules. Néanmoins, comme la plupart des composants inhérents ou externes aux PCBT, la chape et les produits de traitement sont nécessaires à leur fonctionnement global, leurs performances et leur longévité.

Comparaison avec les autres émetteurs de chaleur

En effet, la thématique du chauffage des bâtiments constitue un enjeu énergétique important puisque la plupart des foyers sont en état de surconsommation d'énergie lorsqu'il s'agit de chauffer, les exigences de confort thermique des personnes ayant fortement évoluées vers une consommation excessive pour vivre dans une ambiance thermique toujours plus chaude et agréable.

Néanmoins, les PC(R)BT modernes représentent une avancée non négligeable vers une diminution de la consommation d'énergie. Comme évoqué dans la partie sur le confort thermique, ces systèmes comptent principalement sur le phénomène physique de rayonnement pour transmettre de la chaleur au milieu ambiant bien plus efficacement que par conduction, contrairement aux radiateurs qui sont moins efficaces et consomment 10 à 15 % plus d'énergie pour fonctionner à un régime moins stable et moins agréable d'un point de vue thermique.

Quant aux systèmes alimentés en bois (poêles, inserts, foyers, etc.), ils émettent du dioxyde de carbone et des particules fines dans l'atmosphère, certes, mais ces quantités restent limitées et au final leur bilan carbone est bien plus intéressant que la plupart des autres systèmes qui s'approvisionnent soit en électricité, soit en énergies fossiles (fioul, gaz naturel, etc.). Bien que le rendement de combustion d'un poêle ou d'une cheminée à combustion montante reste assez faible comparativement à la plupart des autres émetteurs de chaleur (de l'ordre de 50 %), il assurent un confort thermique de meilleure qualité que les radiateurs et souvent suffisant pour des surfaces habitables d'étendue moyenne ou faible.

Pour revenir aux PC(R)BT, on peut évoquer de nouveau les problématiques engendrées par l'automatisation de la régulation de la température de chauffe. Cet usage de plus en plus courant de la domotique inquiète car la multiplication des appareils automatisés et électroniques nécessaires au fonctionnement autonome des PC(R)BT entraîne une accumulation d'autant plus importante des données relatives à la régulation que ces appareils stockent, nuisant légèrement au bilan carbone dune installation de ce type. Cette inquiétude est d'autant plus marquée que près de 50 % des habitats équipés de PC(R)BT possèdent au moins un thermostat ou autre systèmes de régulation de la température par pièce, et donc autant de sondes de température en plus. Cependant, pour être vraiment efficace, la régulation automatisée est devenue un standard dans les installations de PC(R)BT et permet de composer avec la grande inertie thermique du chauffage au sol : ainsi, lorsqu'un changement de température extérieure s'opère, le système s'adapte et lorsque les usagers partent de leur maison la matin, ils lancent le programme automatisé qui s'occupe de faire monter en température le plancher de façon à ce qu'il atteigne son régime maximal en fin de journée, c'est-à-dire lorsque les usagers sont présents. Quand les usagers sont présents chez eux pendant toute une journée, ils peuvent au contraire lancer le programme dans la nuit et comme l'inertie du plancher est élevée, il n'est vraiment à température de chauffe qu'à partir du matin lorsque les propriétaires se lèvent et commencent leur journée. Bien que la régulation automatisée entraîne une production plus importante de données techniques, elle permet d'optimiser le rendement de l'installation et de composer avec l'inertie thermique du chauffage au sol pour le faire fonctionner de manière utiles et seulement pendant les périodes nécessaires afin d'économiser de l'énergie et limiter la durée de fonctionnement des composants externes, en l'occurrence la PAC ou la chaudière.

Économie du plancher chauffant en France

Le marché et les acteurs du plancher chauffant

Le marché du plancher chauffant s'adapte au fur et à mesure à la demande des ménages toujours dans un objectif d'économie d'énergie, l'atout majeur de ce système de chauffage. En effet, avec l'esthétisme et le confort thermique, le plancher chauffant s'impose comme un dispositif de chauffage très intéressant.

Aujourd'hui, 45% des ménages français se chauffent au gaz pour son accessibilité économique mais son utilisation est contrainte par la proximité d'un réseau de gaz. En seconde place, 30% des français utilisent le chauffage électrique bien que cela soit l'énergie la plus cher à l'utilisation pour la grande proposition de systèmes sur le marché. Un plancher chauffant peut utiliser de l'eau, chauffée à l'aide d'une chaudière à gaz, à bois ou utiliser l'électricité.

Au niveau du système de chauffe, le plancher chauffant est directement concurrencé par le radiateur, principal système de chauffage des ménages en France. Plusieurs critères rentrent en jeu pour différencier ces systèmes. En s'intéressant à la distribution de chaleur ou à la rentabilité du système, le chauffage par rayonnement est beaucoup plus efficace que le chauffage par convection des radiateurs. Cependant, le radiateur apparaît comme un système plus simple et plus accessible à l'installation. Pour poser un radiateur électrique, il suffit d'avoir un accès à l'électricité et une place sur un mur. Poser un plancher chauffant c'est, pour un plancher hydraulique, installer un réseau de tuyaux et d'isolant sur ou sous le sol, ou, pour un plancher électrique, poser un système de résistances avec des isolants à un prix plus élevé. Le prix d'installation et d'achat d'un radiateur électrique est autour de 200€ alors que le prix d'achat et d'installation d'un plancher chauffant électrique est autour de 40€/m2 donc 800€ dans une pièce de 20m2. Un plancher chauffant devient plus rentable sur la durée, mais à l'installation, des radiateurs électriques vont être plus accessibles, réduisant considérablement l'échantillon de la population capable de s'offrir un plancher chauffant.

Une dizaine d'entreprises sont sur le marché de conception et fabrication de planchers chauffant en France, des entreprises également présentes à l'échelle européenne. Le marché du plancher chauffant est séparé en 2 parties distinctes lié à des technologies différentes : le plancher chauffant hydraulique et le plancher chauffant électrique.

Cas du plancher chauffant hydraulique

Le marché des planchers chauffants hydrauliques est en croissance depuis ses dernières années. En effet, une maison individuelle neuve sur deux choisie de s’équiper d’un PCRBT (Plancher Chauffant Rafraîchissant à Basse Température). En 2018, la progression des PCRBT a été de +5 % (+7,5 % au 1^er semestre 2018) sur le marché du chauffage qui a connu une évolution de +3 %. Cette progression sur le marché est due aux avantages suivants :

• 7 à 8% de gain de surface habitable (SHAB).
• entretien faible.
• 5 à 10% d’économies d’énergie avec un gain d’environ 10% de Cep (Coefficient d’énergie primaire).
• amélioration de la qualité de l’air intérieur : le système ne provoque aucun mouvement d’air.
• un système 2-en-1.
• facilité et rapidité à mettre en œuvre.

Cette technologie répond donc à de nombreuses demandes des clients et aux normes de l’État sur les Bâtiments Basse Consommation (BBC).

Les maisons individuelles constituent 80% de ce marché tandis que le tertiaire occupe 15% et le collectif 5%. Ces chiffres s’expliquent par le fait qu’il est plus compliqué et plus coûteux d’utiliser un PCRBT ou un PCBT sur de grandes surfaces.

Crée en 1984, le syndicat national des fabricants de composants et de systèmes intégrés de chauffage, rafraîchissement et sanitaires, nommée COCHEBAT est un acteur majeur du marché du plancher chauffant réversible. En effet, il représente 80% du marché français des surfaces chauffantes/rafraîchissantes par eau basse température et compte 13 entreprises adhérentes. En particulier, il incarne 77% des boucles de plancher chauffant vendues en France et 52% des dalles isolantes. Son rôle est d’assurer la performance de ses systèmes à l’utilisateur final en travaillant avec tous les acteurs nécessaires (fabricants et installateurs). Le syndicat diffuse aussi beaucoup d’information sur les systèmes de ses adhérents.

Pour se faire, COCHEBAT certifie des systèmes de chauffage via une marque de qualité intitulé CERTITHERM. Créée en 2011, elle comprend l’ensemble des systèmes dont la résistance thermique est comprise entre 0,75 et 5,5. Elle délivre un certificat de performance aux systèmes qui respectent les conditions des normes RT2020 et du label E+C- (Bâtiment à Énergie Positive et Réduction Carbone). Ainsi, la marque de qualité est un gage de la performance et de la sécurité des systèmes pour l’utilisateur mais aussi une preuve de qualité pour les distributeurs et installateurs. Plus récemment, les nouveaux certificats CERTITHERM comprennent désormais l’empreinte carbone du cycle de vie du PCRBT (1 m² = 21,6 kg eq.CO2) et une Fiche de Déclaration environnementale et sanitaire (FDES). De plus, le syndicat assure que toutes les vérifications des systèmes et des composants ainsi que tous les calculs thermiques sont réalisés et validés par un bureau d’étude extérieur (BBS SLAMA).

Comme vu dans les paragraphes précédents, les planchers chauffants hydrauliques ont connu de fortes critiques dans les années 1980 : peu efficace, peu fiable... Aujourd'hui, les entreprises veulent changer les a priori de l'opinion publique. C'est pourquoi, le marché des planchers chauffants hydrauliques s'est organisé autour du syndicat COCHEBAT. Ce regroupement d'entreprises permet un rayonnement plus important de la technologie. De plus, la marque de qualité CERTITHERM veut rassurer le client sur les performances du système de chauffage.

Zoom sur une entreprise : UPONOR

Uponor est un groupe mondial dont le siège social est situé en Finlande. En 1965, la première usine de plastique est construite et l’entreprise se lance dans ses premiers tubes en plastique à Nastola, Finlande. Aujourd’hui, le Groupe Uponor compte environ 3 800 employés dans 26 pays en Europe et en Amérique du Nord pour un chiffre d’affaires de 1 103,1 millions d'euros (2019).  Uponor s’est diversifié autour de 3 activités et propose des solutions de climat intérieur (chauffage, climatisation et ventilation), des solutions de plomberie et des solutions d'infrastructure.

En France, le groupe finlandais est membre du syndicats Cochebat et possède 36 certifications CERTITHERM. Très présent sur le marché des maisons neuves individuelles, le marché connait un élargissement avec notamment des systèmes pour le marché du collectif et du tertiaire (écoles…). La RE2020 pose de nouvelles contraintes au fabricant qui se tourne vers l’innovation pour créer des produits à faible inertie, plus réactif et plus économe. De plus, l’entreprise propose des systèmes variés adaptables. Par exemple, le dernier produit développé par Uponor est un panneau "tout en un" avec un diffuseur en aluminium préformé directement intégré à la plaque isolante. Il est facile à mettre en œuvre, léger et est plus fin que la plupart de ces concurrents. L’entreprise développe aussi un fort intérêt sur la réduction de l’empreinte carbone du cycle de vie du PCRBT avec des processus de fabrication plus écologique et des notions d’écoconception.

Cas des planchers chauffant électrique

Le marché plancher chauffant électrique connait une histoire différente que celle du plancher chauffant hydraulique. En effet, la RT2012 a stoppé la croissance de ce marché. La Règlementation Thermique impose 50KWh(ep)/an (ep= énergie primaire). Or, il est donc devenu difficile de respecter la RT2012 via un chauffage électrique car l’électricité a un coefficient de 2.58. Ceci signifie que pour qu’un utilisateur utilise 1KWh d’électricité (énergie finale), il faut produire 2,58 KWh (énergie primaire). Ce phénomène est dû aux pertes dans les lignes, aux rendements des transformateurs, aux mix énergétiques et à son rendement. Ainsi, la consommation d’une installation RT2012 en électricité est limitée à environ 20 KWh/an en énergie finale. Voilà pourquoi, le marché des systèmes de chauffage électriques a fortement diminué suite à cette réglementation.

Cette réglementation a été fortement critiquée par les défenseurs de l’électricité. L’électricité est une énergie qui produit peu de gaz à effet de serre du fait de sa production principale à partir du nucléaire en France. Ainsi, privilégier les énergies fossiles comme le gaz ou le pétrole productrices de gaz à effet de serre qui nécessite une importation semble peu logique malgré un coefficient d’énergie primaire sur énergie finale de 1.

Le marché des planchers chauffants électriques à l'inverse des PCBT hydrauliques ne s'organise pas en syndicat. C'est peut être aussi une explication sur le recul de ce marché. Les entreprises se concurrencent au lieu de s'unifier pour promouvoir leur technologie. Ainsi, les entreprises se partagent le marché. Certaines choisissent une stratégie Business to Dealer ou Business to Client, c'est à dire de la vente directe au client en passant par les enseignes de bricolage ou par leur site internet avec des pack prêt à installer. Tandis que d'autres choisissent de vendre leur produits à des installateurs afin de se garantir que le système soit installé par des professionnels et d'optimiser les performances.

Zoom sur une entreprise : WARMUP

Cependant, certaines entreprises ont continué à développer les planchers chauffants électriques. Warmup est une société britannique fondée en 1994 qui crée des commandes et des solutions de chauffage électrique par le sol. Warmup a vendu plus de 2 millions de systèmes dans plus de 70 pays à travers le monde. La société Warmup propose différentes solutions respectant cette réglementation avec une solution pour une application directement sous revêtement sur trame avec un pas de pose défini afin d’atteindre 85 W/m² (Warmup MAT) permettant d’avoir une très faible inertie augmentant la réactivité de chauffe. Et une autre solution est un procédé de mise en œuvre sous chape, livré en couronne ou en trame, cette solution permet d’avoir entre 65 et 85 W/m² afin de maintenir un confort de chape constant (forte inertie).

De plus, le plancher chauffant électrique trouve de nombreuses applications variées. Du fait de sa faible épaisseur, ce système de chauffage est souvent utilisé en rénovation. On trouve aussi des applications plus inédites comme l’installation de plancher chauffant dans un train historique : l’Orient Express. En effet, l’entreprise Warmup a installé dans les cabines de ce mythique train un plancher chauffant électrique pour les sols et même des murs chauffants pour les salles de bains des suites luxueuses. Cette technologie est aussi utilisée pour déneiger les routes et les toits avec l’utilisation de câbles chauffants. Elle permet de réduire les risques d’accident en améliorant les conditions de la chaussée et en prévenant les risques d’effondrement.

Normes

Le marché du plancher chauffant est régulé par un grand nombre de normes d'une part pour sécuriser son utilisation (réduire les risques pour la santé, volonté d'économie d'énergie) mais aussi pour favoriser les entreprises françaises et européennes sur le marché français. Chaque pays détient ses propres normes et réglementations en vigueur bien que les pays européens se rassemblent sur de nombreux points. Accentuer les normes permet d'écarter le marché chinois au profit du marché européen, éloigner les produit chinois moins cher à la fabrication qui peuvent englober tout le marché. Accentuer les réglementations permet de contraindre la fabrication des planchers chauffant et mettre en valeur les expertises françaises et/ou européennes.

Les réglementations thermiques RT sont renouvelées normalement tous les cinq ans mais, à cause de la difficulté de les mettre enplace, elles sont souvent déplacées. La réglementation thermique de 2020 imposant au nouveaux bâtiments d'être à énergie positive, a été d'ailleurs reportée. Ces réglementations fixent les consommations maximales d'énergie suite aux chocs pétroliers et à la hausse du coût des hydrocarbures qui bousculent ce marché.

• Les premières RT permettent de fixer la température de chauffe de l'eau circulant dans les planchers chauffants à une température de 50°C pour limiter la température en surface : "Les planchers chauffants doivent têe conçus et installés de façon que, dans les conditions de base, la température au contact des sols finis ne puisse dépasser 28°C en aucun point". Extrait de l'article 35, alinéa 2 RT 2005.
• RT2007 s'articule autour de de l'isolation des planchers afin de réduire la consommation énergétique : ​« Les planchers chauffants installés ou remplacés dont la face inférieure ne donne pas sur un local chauffé doivent être isolés à l’aide d’un matériau isolant dont la résistance thermique de la paroi, exprimée en m​2.K/W, doit être supérieure ou égale à 2 pour le chauffage électrique et à 1,25 pour les autre cas ».  - ADEME
• RT2012 fixe une consommation maximum d'énergie primaire à 50Whep/m2/an pour les ménages se qui contraint les fabricants de plancher chauffant à améliorer le rendement de leur système.
• RT2020 a pour but d'atteindre un bâtiment à énergie positive c'est à dire produire plus que ce que le bâtiment consomme, une réglementation déplacée à 2021. Son nom va passer de RT à RE pour réglementation environnementale.

Les NF DTU ou document technique unifié rassemble les décisions de la Commission générale de la Normalisation du bâtiment concernant l'installation ou la construction d'un système. Il se présentent comme un cahier des charges rassemblant les normes, les règles de calcul et les consignes d'installation du plancher chauffant en France.

L'Europe impose cependant des normes thermiques plus larges applicables à tous les pays de l'union européenne comme la CEN/TC 228 qui décrit des méthodes de calcul d'énergie dans un bâtiment.

Coût

Le coût d'un plancher chauffant dépend de la technologie choisie. En effet, les éléments constituants un plancher chauffant hydraulique et un plancher chauffant électrique sont différents et leur prix aussi.

Tableau comparatif des coûts d'installations par type de technologies de plancher chauffant utilisée

	Elements	Coût d'installation moyen en France
Plancher chauffant hydraulique	Collecteur	70€ à 100€/m² pour un PCBT 100€ à 120€/m² pour un PCRBT
	Isolant thermique
	Tube souples
	Chape
	Génératrice (PAC, chaudière...)
Plancher chauffant électrique	Isolant thermique	40€ à 50€/m²
	Câble chauffant
	Chape

Ces différences de coûts d'installations peuvent s'expliquer avec plusieurs raisons. En effet, un plancher chauffant hydraulique réversible PCRBT a un coût plus important qu'un PCBT car les pompes a chaleur (PAC) coûtent plus chères qu'une chaudière classique. De plus, l'installation d'un plancher chauffant électrique est plus rapide que celle d'un plancher chauffant hydraulique. Les liaisons hydrauliques à réaliser entre les collecteurs et la génératrice sont plus complexes qu'un branchement direct sur un circuit électrique dédié.

Comparaison du coût du plancher chauffant et de d'autres systèmes de chauffage

Nous pouvons observer sur les deux graphiques suivant la différence de coût entre un plancher chauffant électrique et un radiateur électrique dans une pièce de 20m2 et une pièce de 40m2. On voit que le plancher chauffant coûte plus cher juste après son installation mais au bout de quelques années les tendances s'inversent et il finit par coûter moins cher que des radiateurs électriques. Plus la pièce sera grande, plus il sera avantageux rapidement.

[[Fichier:Evolutions du coût de deux systèmes de chauffage au cous du temps - un plancher chauffant électrique et un radiateur électrique d'une puissance de 1 300 W dans une pièce de 40m2..png|vignette|centre|390px|Graphique décrivant l'évolution du prix d'un plancher chauffant électrique et de deux radiateurs électriques d'une puissance de 1 300 W dans une pièce de 40m2. (Utilisation 7 mois dans l'année)]]

[[Fichier:Comparaison du prix d'un plancher chauffant et d'un radiateur électrique d'une puissance de 1 300 W dans une pièce de 20m2.png|vignette|centre|402px|Graphique décrivant l'évolution du prix d'un plancher chauffant électrique et d'un radiateur d'une puissance de 1 300 W dans une pièce de 20m2. (Utilisation 7 mois dans l'année)]]

Utilisation industrielle: Les recherches dans le domaine de l'agriculture

Dans les années 1980 en France ou en Allemagne, et jusque dans les années 2000 dans d'autres pays comme l'Algérie par exemple, on trouve la trace de recherches menées sur l'utilisation du plancher chauffant dans le domaine de l'agriculture intensive, et plus particulièrement pour les cultures sous serres.

Les recherches en France à Saint-Laurent-des-Eaux

En France, de 1977 à 1981, de nombreuses expérimentations ont été réalisées dans les environs de la centrale nucléaire de Saint-Laurent-des-Eaux concernant l'impact du chauffage par le sol de cultures sous serres. L'idée générale est assez simple : utiliser les eaux de rejet d'une centrale nucléaire(20-40°c) pour chauffer les cultures sous serres, qui étaient à l'époque chauffée par air à 70-90°c. L'avantage majeur de ce type de système est d'utiliser les eaux normalement rejetées directement dans les fleuves et rivières aux alentours pour chauffer les cultures, et ainsi éviter de perdre l'énergie thermique associée, et avoir moins d'impact sur le réchauffement des fleuves à cause des centrales de ce type.

Les études réalisées par l'INRA ont mis en évidence de nombreux points clefs concernant les recherches sur ce domaine.

Tout d'abord, les chercheurs ont comparé 2 types de structures de chauffage au sol différentes : la technique dite du "paillage radiant", qui consiste à poser à même le sol des gaines plastiques dans lesquelles circulent les eaux de rejet, et la seconde technique, par tuyaux enterrés dans le sol, qui est très similaire à la technique domestique utilisée aujourd'hui. Cela a permis d'identifier les premiers avantages et inconvénients de ce type de système.

La première observation clef est l'impact de la profondeur des tuyaux sur l'efficacité du système. En effet, les chercheurs ont observé que le bénéfice du chauffage au sol sur les cultures (qui permettaient d'augmenter la rapidité de leur croissance) n'était plus assez intéressant si les tuyaux étaient enterrés à plus de 50 cm de profondeur. La technique du paillage radiant pouvait donc avoir son intérêt par rapport à la technique dite "domestique". Cependant, le fait d'avoir des gaines posées à même le sol réduit considérablement la surface cultivable et empêche les cultures à haute densité. De plus, l'impact de la profondeur des tuyaux ne s'arrête pas là, puisqu'une profondeur plus importante améliore la répartition de la chaleur dans le sol, qui doit être la plus homogène possible pour que la croissance des plantes soit la meilleure possible. On peut donc voir que cette première observation pose déjà des problèmes : il faut trouver un compromis efficace entre efficacité de chauffage et répartition homogène de la chaleur.

Une seconde observation cause également beaucoup de questionnements : il s'agit de la modification du microclimat des serres. En effet, le fait de chauffer directement le sol pour augmenter la productivité de la serre, et non plus de chauffer l'air, entraîne l'assèchement du sol en profondeur, et une augmentation importante du taux d'humidité dans les serres, ce qui modifie complètement le type de cultures adaptées à pousser dans cet environnement, qui entraîne également une surconsommation d'eau, pour éviter l'assèchement des cultures.

Enfin, l'inertie thermique du système est également à prendre en compte : il y a stockage et restitution de chaleur aux cultures via le sol. Cela présente l'avantage de protéger les cultures en cas de chute brutale de température et de modification extérieure brutale de l'environnement, mais cela rend également le système très difficile à réguler.

Pour tenter de pallier à ces problèmes d'inertie thermique, l'équipe de recherche de Saint-Laurent-des-Eaux a étudié le couplage d'un système de chauffage au sol avec un chauffage de l'air. En effet, le chauffage par l'air ayant une très faible inertie, il était intéressant d'étudier son utilisation en tant que régulateur du chauffage par le sol. Tout d'abord, il permet de répondre aux besoins d'une température constante optimale pour le développement des cultures, en apportant du chauffage de nuit, pour combler l'apport thermique de l'énergie solaire en journée.

La comparaison a été réalisée entre un système simple de chauffage à air et ce système couplé. Pour une même consigne de température interne à la serre, les chercheurs ont observé que : sur les mois d’hiver, le système de chauffage mixte a une meilleure efficacité énergétique, mais, dès que les mois de printemps et d’été arrivent, cet avantage est perdu, puisque les serres sont ouvertes dans la journée à partir de ces mois là (pour éviter justement une trop forte chaleur qui serait fatale aux cultures) et que la chaleur dissipée par le sol est en grande partie perdue, et donc, n’est plus utile pour réchauffer l’atmosphère de la serre, c’est le chauffage d’air qui prend seul le relais. (sur une expérimentation d'octobre à juin, on a consommé 27L de FOD/m^2 (fioul domestique/m^2) pour le chauffage couplé et 26 pour le chauffage à air). Il pourrait alors être intéressant d'utiliser le système de chauffage par le sol pour accélérer la croissance des cultures sur les mois d'hiver, et de cesser la circulation d'eau pendant les mois de printemps et d'été. Cela permettrait de réduire l'impact environnemental du chauffage à air durant les mois d'hiver.

On peut comparer l'idée générale du chauffage par le sol via eaux de rejets avec la technique des couches chaudes, employée en permaculture, et qui consiste à utiliser la chaleur dégagée par la fermentation du fumier frais pour obtenir un développement un peu plus précoce des cultures. Cependant, si l'on fait la comparaison du chauffage au sol avec cette technique employée en permaculture, une question se pose : quel est l'utilité d'une méthode peu avantageuse énergétiquement et nécessitant des installations lourdes de tuyaux enterrés dans le sol par rapport à une méthode beaucoup plus naturelle et écologique ? Ceci est une première piste pour expliquer le fait que l'on ne trouve pas de traces d'application de ces recherches à l'agriculture en France, et peu de recherches datant d'après les années 1980.

On peut également se pencher sur l'histoire plus spécifique à la centrale de Saint-Laurent-des-Eaux : le 13 mars 1980, le réacteur 2 de la centrale nucléaire de Saint-Laurent-des-Eaux a été gravement endommagé par la fusion de 20kg de dioxyde d’uranium, et rendu inutilisable pendant 3 ans et demi environ. Cet accident est classé de niveau 4 sur l’échelle INES, le plus grave que enregistré en France. Cela a potentiellement pu causer des problèmes pour les expériences, ou aurait pu causer l’arrêt des recherches, ou leur ralentissement, même si cela n'est toutefois qu'une hypothèse.

Les recherches en Algérie

On trouve des traces d’utilisation du chauffage au sol dans l’agriculture en Algérie, où le but était d’utiliser des sources de chaleur géothermique pour chauffer des serres agricoles. L’idée du chauffage de serres par différents moyens a commencé à se développer dans les années 1950 sur le modèle d’essais en Hollande, et en Belgique. Après des recherches sur ces systèmes, les puits d’eau chaude utilisés en Algérie jusqu’alors pour les besoins domestiques, furent utilisés pour le chauffage des serres à partir des années 1970. Cependant, le coût des énergies dites douces telles que la géothermie était tel que, malgré les optimisations telles que l’isolation des tuyaux transportant l’eau chaude, la méthode restait très peu rentable économiquement.

Cependant, cela prouve qu’une application réelle à l’agriculture a bien été mise en place, pendant qu’au même moment ou presque, la recherche française testait l’efficacité du système.

L’étude de Bouchekima en 2001 en Algérie teste 3 systèmes de chauffage au sol pour l’agriculture : le paillage radiant, l’Agrotherm PP25 (méthode de chauffage au sol développée par des chercheurs allemands dans les années 1980, avec des tuyaux présentant des anneaux, pour une meilleure répartition du débit d’eau dans les tuyaux, et une meilleure surface d’échange avec le sol qu’un tuyau classique) et les tuyaux enterrés en polyéthylène haute densité (méthode testée à Saint-Laurent-des-Eaux).

Les chercheurs observent alors des difficultés sur l’homogénéité du champ de températures (coïncidant avec les observations réalisées en France) ainsi que le fait que la chaleur de l’eau diminue avec la distance parcourue.

La forte augmentation de la température à la surface du sol par rapport à l’extérieur, d’après les observations, favorise la germination et le développement de la plante.

En Algérie, avec un fort ensoleillement, le chauffage de la serre est assurée de jour quasiment uniquement par l’énergie solaire, mais le chauffage de nuit est assuré par le système de chauffage au sol par géothermie.

L'équipe de recherche observe avec ce système un taux d’humidité dans l’air trop fort pour des plantes qui ne sont pas faites pour cela, et qui développent alors des maladies nuisant à leur bon développement. Mais, en couplant le système avec une aération de jour, le taux d’humidité de 75% est acceptable pour les plantes utilisées pour l’expérience.

Comme pour les études menées en France, les scientifiques algériens montrent que l’utilité de ce chauffage réside dans la période la plus froide de l’année, où ils observent un calibre de fruit beaucoup plus important dans leur serre chauffée(par technique équivalente au paillage radiant via tuyaux Agrotherm) que dans leur serre non chauffée, mais aussi un rendement beaucoup plus élevé : la production de tomates dans la serre chauffée est 4 fois plus élevée que dans la serre non chauffée.

L'article de recherche de Bouchekima a pour conclusion :  “L’augmentation du rendement de la serre chauffée, comparativement à la serre non chauffée, a été bien illustrée dans cette étude. Il serait donc fort utile de généraliser ce thème de recherche de grande importance sur le plan économique, en tenant compte de son impact sur l’environnement”. Cette étude a été menée en 2001. Que s’est il passé ensuite ? Les recherches en Algérie n’ont pas non plus l’air d’avoir encouragé à appliquer cette technique à l’agriculture algérienne, et ce malgré des résultats présentés comme très encourageants.

Cela peut être parce que l'on retrouve les mêmes problèmes d’inertie thermique que ceux mis en évidence en France, mais aussi ceux de la modification du microclimat sous la serre.

Mais également d'autres problèmes propres à la situation algérienne, et à la source thermique utilisée : les sources de chauffage d’eau par géothermie sont enfouis très profondément : les études en Algérie ont été réalisées avec comme source de chaleur un aquifère(nappe d'eau souterraine contenue dans un sol ou une roche réservoir originellement poreuse ou fissurée, et suffisamment perméable pour que l'eau puisse y circuler librement) géothermique situé à une profondeur de 2 000 m avec une température d’eau de 60 à 65°c. Les études réalisées en Algérie ne mentionnent pas l’impact écologique du forage pour aller récupérer cette eau en profondeur, de sa réalisation jusqu'à l’impact écologique à long terme du fait de vider les nappes phréatiques.

Ceci peut expliquer le manque de recherches et d’applications de cette méthode en Algérie, et la difficulté de trouver des documents actuels traitant de cette méthode.

Opinion publique

Outre la notion de confort thermique déjà évoquée dans la partie technique, il faut s'intéresser à ce que pensent réellement les usagers de ce mode de chauffage qui, bien que de plus en plus répandu en France, fait davantage parler de lui auprès des professionnels du chauffage que des consommateurs.

Santé

Concernant la santé, le plancher chauffant est soumis à des normes depuis un décret publié en 1978. En effet, depuis ce décret la température du sol ne doit pas dépasser les 28 degrés Celsius car au delà de cette température, les champs magnétiques de basses fréquences ont des risques de perturber le corps humain et entraîner ces effets secondaires indésirables :

- De l'insuffisance veineuse ( le sang stagne dans les jambes au lieu de remonter).

- Des sensations de jambes lourdes.

- La dilatation des veines, autrement dit, les varices, voire même d’engendrer des phlébites.

Cependant, en étudiant plus précisément ces anomalies selon les planchers chauffant, il a été prouvé que ces problèmes de santé survenaient majoritairement à cause des anciens planchers chauffants.

En effet avant 1970, les bâtiments étaient moins bien isolés et les tuyauteries de plancher chauffant pouvaient être très espacés. La chaleur diffusée dans le bâtiment n'était donc pas homogène et l'eau circulant dans les tuyaux pouvait osciller entre 50 et 70°C. Donc, la température au sol pouvait dépasser ces 28°C et atteindre plus de 30°C et ainsi déclencher des problèmes de santé.

Aujourd'hui, les planchers chauffants étant mieux installés, la chaleur répartie est beaucoup plus homogène et donc ces excès de températures sont moins fréquents. Les problèmes de santés cités précédemment sont donc rares et même remis en question.

Dans les vieux bâtiments, certaines personnes restent sceptiques par rapport au plancher chauffant et il y a beaucoup de question à ce sujet sur les forums dédiés aux bâtiments. Cependant, dans les bâtiments récents, on ne relève plus de problèmes de santé et on encourage souvent l'installation de planchers chauffants de par ces nombreux avantages citées précédemment.

Opinion et satisfaction par une étude statistique

Les résultats suivants sont obtenus grâce à une étude faite en interrogeant 548 clients. Ayant la particularité :

• D'être équipés d’un plancher chauffant électrique.

• Que celui-ci ait été utilisé pendant un hiver au moins.

• Qu’ils habitent en maison individuelle.

Ces gens interrogés sont majoritairement des ménages jeunes, les constructions datent généralement de 1991 à 1993 et la surface habitable est comprise entre 100 et 200 m².

Après le sondage quelques chiffres sont importants à noter :

Environ un tiers des gens ayant un plancher chauffant utilisent aussi en parallèle un autre système de chauffage (souvent des convecteurs en salle de séjour ou salle de bain) pour combler leurs besoins. De plus, au niveau de l'installation, dans 98% des cas, le plancher chauffant est installé lors de la construction de la maison.

Ces gens là avouent avoir choisi ce mode de chauffage avant tout pour le confort. De plus, moins d'une personne sur deux déclare avoir reçu des informations sur la façon d’utiliser le chauffage au sol par EDF, un électricien ou le constructeur. Néanmoins, lorsque les informations sont données, elles sont considérées comme satisfaisantes. Pour la régulation, les informations sont données par le graphique ci-après.

Graphique de la répartition des moyens de régulation du plancher chauffant par les personnes interrogées

En ce qui concerne la satisfaction les personnes interrogées notent 3 points forts :

• Son confort.

• Son esthétique et son aspect non encombrant.

• Sa praticité.

Un point faible :

• Le coût de fonctionnement.

Et 2 points controversés :

• Sa lenteur de mise en route.

• Sa performance.

Finalement, 88% des particuliers choisissent le même type de chauffage si le choix était à refaire (les 12% restant sont majoritairement gênés par le coût de fonctionnement).

En conclusion, le retour d’expérience reste largement positif, les gens sont satisfaits et le problème le plus important lié au plancher chauffant reste son coût de fonctionnement. Cette observation reste en accord avec nos hypothèses précédentes liées au prix d'installation et de fonctionnement du plancher chauffant dans les habitations individuelles. Le plancher chauffant semble être un bon moyen de chauffage mais toujours trop cher pour de nombreux particuliers.

Une inégalité sociale et économique face à l’installation

Beaucoup d'entreprises de plancher chauffant prônent les atouts économiques de leur système (faible température, durabilité) mais cela reste à nuancer par le prix important de leur installation. Par exemple, l'achat et l'installation d'un plancher chauffant électrique, qui est le plus simple d'installation car il se pose directement sur le sol, s'articule autour de 40-50 euros du m². Le coût d'achat et d'installation d'un radiateur est autour de 200 euro. Dans une pièce de 20 m², installer un radiateur est 4 fois moins cher. Les planchers chauffants hydrauliques sont plus économiques à la consommation, mais leur installation implique d'avoir des habitats neufs ou en grosse rénovation.

On observe ainsi que les personnes capables de s'offrir un tel système ne sont pas très nombreux. Dans les habitations neuves, le chauffage au sol est de toute façon compris dans le prix d'achat de la maison donc ça ne change peut-être pas grand chose au niveau du prix pour les particuliers quand ils achètent une maison. Cependant si on veut installer un nouveau système de chauffage lors d'une rénovation d'habitat, on risque de plus se poser la question de si on investit ou non dans ce type de système. Les personnes ayant peu de moyens ne pourront donc pas se permettre ce type d'achat même s'ils le préfèrent à un système de chauffage plus conventionnel.

Vers un changement de nos habitudes

L'utilisation d'un plancher chauffant amène à nous questionner face à nos habitudes de consommation car nous venons à nous demander quel système de chauffage est plus intéressant qu'un autre. Nous avons parlé d'économie, de confort thermique, de santé et de différence de culture. Le plancher chauffant semble s'être majoritairement bien installé en France mais il reste de nombreux problèmes sans solutions. Le coût reste un problème majeur mais face aux nombreux avantages du plancher chauffant beaucoup de personnes l'installe chez eux de part son confort et son plus léger impact sur l'environnement d'où la croissance du marché. Nous avons vu également que le marché des planchers chauffants réversibles est en pleine expansion en Europe. Cependant, nous pouvons nous demander si il arrivera réellement à s'installer en France. En effet, les particuliers ne voudront peut-être plus utiliser de climatisation car elles seront jugées mauvaises pour l'environnement. Mais un plancher chauffant réversible est-il vraiment la solution ? Ouvrir ses fenêtre en été pour avoir plus de fraicheur reste toujours plus respectueux de l'environnement qu'utiliser son plancher rafraichissant ou sa climatisation. Ils renonceront peut-être à un confort thermique proche d'une "perfection" avec une climatisation mais renonceront sûrement également à un plancher chauffant réversible hors de prix si ça ne fait qu'une différence de 4° Celsius en intérieur.

De plus, va-t-on préférer avoir un plancher chauffant connecté pour économiser de l'énergie ou manuel pour préserver les terres rares ?

Ainsi nous aurons peut-être besoin seulement de planchers chauffants simples même sans climatisation.

Annexes sur la notion de Confort Thermique (CT) : les modèles d'études appliqués dans le cas général et dans celui des bâtiments

Cette partie constitue une annexe visant à apporter des informations complémentaires à la notion de CT pour comprendre les autres paramètres influents sur le confort thermique, à la fois liés à l'individu et aux technologies employées dans les bâtiments. Cette annexe permet de mettre en avant la complexité des approches et de la prise en compte du CT dans le cadre de l'étude des émetteurs de chaleur dans les bâtiments.

Les modèles d'étude du CT

Les travaux portés sur la notion de confort thermique visent à étudier les conditions favorables à un bilan thermique global nul pour le système {corps humain}. Ainsi, dans le cadre de la thermique du bâtiment, deux approches sont effectuées : l’approche analytique, basée sur des modèles physiques et physiologiques théoriques permettant d’étudier les paramètres les plus évidents qui influent sur le confort thermique tels que les métabolismes humains (pour lesquels entrent en compte des grandeurs telles que la température interne, la température cutanée et la mouillure cutanée) ou les échanges de chaleur avec l’extérieur via les mécanismes physiques de conduction, convection, rayonnement et évaporation. Cette approche davantage statistique ne s’inscrit donc pas directement dans l’étude même du confort thermique dans un bâtiment et c’est pourquoi une seconde méthode dite adaptative est utilisée pour pouvoir représenter la réalité du confort thermique du bâtiment.

L'approche analytique

Modèle de Fanger : Modèle basé sur la détermination expérimentale de deux indices relatifs au confort thermique : PMV et PPD. Ces indices sont calculés par une approche statistique reposant sur les sensations de confort thermique éprouvées par des groupes d’individus placés dans des conditions thermiques particulières, dites homogènes et stationnaires : ambiance chaude ou froide, des courants d’air ou non (prendre en compte la vitesse de l’air); température du sol ; l’individu reste statique ou pratique une activité dans la pièce ; nature des vêtements portés…

Le modèle de Fanger est donc un modèle statique qui étudie des conditions stationnaires et qui détermine expérimentalement les conditions physiologiques (température cutanée et sudation) nécessaires au confort thermique dans chacune des configurations étudiées.

Les indices PMV et PPD permettant au modèle d’évaluer ces paramètres et sont définis par :

• PMV (Percentage Mean Vote) : il s’agit de la valeur moyenne prédite des votes d’un grand groupe de personnes sur l’échelle de sensation thermique de l’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating & Air-Conditioning Engineers). Le PMV caractérise donc une sensation thermique ressentie par un large groupe d’individus et peut être calculé à partir de divers paramètres importants que sont le métabolisme M [W/m2], l’isolement vestimentaire ou encore les paramètres climatiques tels que l'humidité, la vitesse d'air et la température d'air. Quant à l’isolation thermique procurée par les vêtements, on la quantifie par la chaleur apportée au système {corps humain} par les vêtements par unité de surface et par kelvin : l’unité correspondante est le clo telle que 1 clo = 0.155 W/m2/K.
• PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) : correspond au pourcentage d’individus insatisfaits dans les conditions thermiques homogènes et stationnaires étudiées, c’est-à-dire le pourcentage de personnes ayant ressenti une sensation d’inconfort thermique.
  

Correspondance entre PMV et PPD dans ds conditions expérimentales standards.

Pour un PMV nul (= ni chaud ni froid), on a seulement 5 % d’insatisfaits dans les mêmes conditions expérimentales, ce qui met en avant que malgré l’équilibre thermique atteint, d’autres paramètres non pris en compte par le modèle peuvent influer sur la sensation de confort thermique : la géométrie du bâtiment ou encore la dimension physiologique et psychologique du confort thermique.

Modèle de Gagge : Modélise le corps humain en deux compartiments concentriques représentant le centre du corps et la peau. C’est un modèle qui prend en compte des variables qui peuvent évoluer dans le temps : il s’agit donc d’un modèle analytique dynamique car il étudie des situations instationnaires.

L’approche de Gagge se base alors sur le calcul d’un indice qualifiant le confort thermique à partir de la température de la peau et de la mouillure cutanée : le SET = la température équivalente d’une enceinte isotherme à 50 % d’humidité relative, dans laquelle un sujet portant une vêture standard échangerait la même quantité de chaleur et aurait la même réponse physiologique que dans l’enceinte réelle dans laquelle il se trouve.

L'approche adaptative

Il s’agit d’une approche conçue pour aborder les questions relatives au confort thermique dans le secteur du bâtiment. Comme l’approche analytique, elle repose sur une méthode statistique permettant d’analyser des bases de données regroupant les mesures des grandeurs physiques de l’ambiance thermique et les ressentis des personnes soumises aux différentes conditions thermiques. Cependant, elle la complète via la prise en compte des caractéristiques physiques des bâtiments et installations thermiques pour pouvoir déterminer les facteurs du confort thermique in situ.

Les modèles établis prévoient des plages de confort plus large que les résultats de l’approche analytique car il prennent en compte, en plus des paramètres physiques et physiologiques, des paramètres liés au climat, à la région, au type de bâtiment ou encore psychologiques. Cela permet d’envisager que l’individu peut s’adapter plus facilement que prévu à une ambiance thermique qui peut tendre à évoluer dans un bâtiment et que par conséquent, il est plus aisé d’adapter les structures des bâtiments et les modes de chauffages pour satisfaire le confort thermique des individus car ce-dernier devient moins restrictif ⇒ plus de possibilités de situations de confort.

Beaucoup de chercheurs ont étudiés des modèles et établit des algorithmes en vue d’améliorer l’approche adaptative (en particulier NICOL et HUMPHREYS en 1998 avec leur publication ayant posé les bases de cette approche) car c’est encore l’approche analytique, moins complète, qui est utilisée pour l’écriture des normes (Exemple :  ISO 8996 [AFNOR, 1990] pour établir le bilan thermique entre l’être humain et l’ambiance extérieure) :

• Projet européen SCATS, de NICOL et McCartney ⇒ algorithme du contrôle adaptatif ACA

• Projet ASHRAE RP-884 de DEAR et BRAGER

Conclusion sur les deux approches du confort thermique

L’approche analytique présente des limites dans sa description de modèles réels et adaptés aux ambiances thermiques dans les bâtiments en plus de privilégier la climatisation active et donc la consommation excessive d'énergie, ce qui n’en fait pas une méthode respectueuse des exigences de développement durable et d'économie des ressources. C’est pourquoi de nombreux calculs se basent aujourd’hui sur la méthode adaptative qui présente des avantages à tous les niveaux et peut être utilisée à bon escient dans le cas de l'installation de PCBT dans les bâtiments.

Sources et références

« Plancher chauffant ». In Wikipédia, 25 mars 2020. https://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Plancher_chauffant&oldid=168803271.