la climatisation 1° faut-il climatiser ? formation responsable energie
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La climatisation
1° Faut-il climatiser ?
Formation Responsable Energie
Déperditions :
• Mur de façade : 0,4 W/m²K * 8 m² * (20-0) K + 1,5 W/m²K * 4 m² * (20-0) K = 184 W• Toiture : 0,3 W/m²K * 20 m² * (20-0) K = 120 W
TOTAL : = 304 W
Bilan thermique d‘hiver :
Exemple :bureau pour 2 personnes (4m x 5m x 3m)
surface au sol de 20 m², un jour ensoleillé, avec 0°C extérieur :
Apports :
• soleil fen. : 200 W/m² * 4 m² = 800 W
• 2 ordinateurs : = 260 W• Eclairage : = 200 W• 2 occupants : = 140 W
TOTAL : = 1400 W
Réflexion : en isolant nos bâtiments, n'avons-nous pas déplacé le problème de l’hiver vers l’été ?...
Comparons la consommation de deux immeubles de bureaux-type :- avec le mode constructif de 1960 - le même mais avec une enveloppe de l’an 2000
Exprimons leur consommation annuelle en fonction de la température extérieure :
Mais …. Consommation = Puissance x Temps
Consommation
T° extérieure
-10° 0° 10° 20° 30°
Puissance ?
A chaque T° ext. correspond
une Puissance de chauffage
ou de refroidissement.
Exemple pour une paroi :
Temps ?
( La T°ext. dépasse 24°C durant 150 h/an, soit 2 % du temps…)
A chaque T° ext. correspond un nombre d’heures durant l’année. Exemple pour Uccle :
Conclusion 1 : augmentation de la demande de refroidissement … mais surtout pour une T° extérieure comprise entre 15 et 24°C !
Consommation :
Bâtiment initial
0
100
200
300
400
500
600 équipement
éclairage
ventilos-convecteurs des locaux
ventilateurs de pulsion
préparation de l'air : énergie latente
préparation de l'air : énergie sensible
refroidissement des locaux
chauffage des locaux
Consommation du bâtiment
Consommation en énergie primaire
Coût de la consommation
Les consommateurs électriques sont amplifiés par le coût du kWh électrique :
kWh/m²/an
5
10
15
20
25
€/m²/an
Nécessité de développer une stratégie globale !
C’est d’abord la composition architecturale (vitrages, …), puis c’est l’équipement intérieur (bureautique, éclairage, … ), … qui créent la demande !
Pas de façades totalement vitrées,
Attention à la coupole horizontale, à l’atrium, …
Apports solaires par ciel serein
en fonction de l’orientation.
?
1° Conception de l'enveloppe ?
Une enveloppe double peau est une réponse coûteuse à un problème thermique que l’architecte a lui-même créé : la boîte de verre !
?
Oui à ce judicieux équilibre de lumière et de chaleur, …
et à la forte inertie intérieure !
Usage des protections solaires…
Ecrans plats
Contrôle de l’éclairement
2° Apports internes "light"
Refroidissement direct.
Conclusion : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° extérieure < 24°C,... le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir.
• Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling
• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle" = slab cooling
• Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule
Refroidissement indirect.
Stratégie 1 : Le refroidissement direct par l'air
1.1 Free-cooling unilatéral
Un ratio minimum de 4% d’ouverture par rapport à la surface au sol est nécessaire.
1.1 Free-cooling
unilatéral
1.2 Free-cooling transversal
Cette fois, c’est le vent qui est le moteur.Un ratio de 2% d’ouverture par rapport à la surface au sol suffit.
Exemple : PROBE – CSTC Limelette
Exemple : PROBE – CSTC Limelette
Protection solaire
Grilles de mai à septembre
0
5
10
15
20
2524
Jul
y
25 J
uly
26 J
uly
27 J
uly
28 J
uly
5 A
ug
6 A
ug
7 A
ug
8 A
ug
9 A
ug
10 A
ug
11 A
ug
12 A
ug
13 A
ug
14 A
ug
15 A
ug
16 A
ug
17 A
ug
18 A
ug
air
chan
ge p
er h
our
(h-1
)
cross ventilation single-sided, turn position single-sided, tumble position infiltration
Exemple : PROBE – CSTC Limelette
Une façade « perméable » à l’air ?
Motoriser les ouvertures?
1.3 Free-cooling par tirage thermique
1.3 Free-cooling par tirage thermique
… avec extraction assistée par ventilateur
Exemple : IVEG
Des cheminées de ventilation naturelle
Exemple : IVEG
Faux-plafond partiel
--> Circulation d’air au dessus et en dessous du faux plafond
Isolation renforcée
Protections solaires efficaces
Exemple : IVEG
10
15
20
25
30
35
Sun, 18-06 Mon, 19-06 Tue, 20-06 Wed, 21-06 Thu, 22-06 Fri, 23-06
T_2A07 T_1A15 T_0A03 OUTSIDE
Refroidissement direct.
Rappel : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° ext. < 24°C, le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir.
• Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling
• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle = slab cooling
• Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule
Refroidissement indirect.
Refroidissement par eau (slab cooling) : principe
Chargement de la dalle en journée et déchargement la nuit
Refroidissement naturel de nuit+ groupe frigorifique d'appoint durant la canicule
… l'eau sort de la sonde à 10°C
Alternative : pompe à chaleur sur sonde géothermique en hiver et circulation d’eau froide en été :
Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en
oeuvre 1
Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en
oeuvre 2
Tuyaux placés au centre de la dalle.
Refroidissement par eau (slab cooling) : mise en
oeuvre 3
Refroidissement par eau (slab cooling) : puissances émises
Dalle de béton de 30 cm, recouverte d'un tapis de 1,5 cm ( = 0,15).
Mode refroidissement : T° départ d'eau = 16°C T° retour d'eau = 20°C T° ambiante = 26°C (!)
Puissance froid : 57 W37 W/m² vers le bas et 20 W/m² vers le haut(<> plafonds froids : 80 W/m²...)
Mode chauffage : T° départ d'eau = 28°C T° ambiante = 20°C
Puissance chaud : 40 W22 W/m² vers le bas et 18 W/m² vers le haut
Relevés de température intérieure (vert), extérieure (gris) et température du point de rosée de l'ambiance (rose).
Refroidissement par eau (slab cooling) : résultats
Refroidissement direct.
Rappel : si l’essentiel de la demande énergétique de froid se produit pour une T° ext. < 24°C, le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir.
• Stratégie 1 : perméabilité variable de l’enveloppe = free-cooling
• Stratégie 2 : circulation d'eau froide dans les planchers, eau refroidie "de manière naturelle = slab cooling
• Stratégie 3 : intégration d’air frais extérieur dans la climatisation, conçue pour ne donner qu’un complément frigorifique en période de canicule
Refroidissement indirect.
Exemple : école passive du Biéreau qui aurait une machine frigo en + !
En résumé :
1.Isoler ? oui, mais le bâtiment doit pouvoir s’auto-refroidir en été.
2.L’enveloppe ne doit pas générer des charges thermiques de plus de 50… 60 W/m²
3.Trois stratégies de refroidissement naturel : 1. l’air par les fenêtres, 2. l’eau dans le cœur de béton,
3. l’air neuf au sein de la climatisation.
LES ACTIVITÉS :• Accompagnement de l’esquisse et de l’avant-projet• Simulations thermiques et de l'éclairage naturel, évaluations
économiques• Audits dans la perspective d'une rénovation du bâtiment• Accompagnement du projet : plans, cahiers des charges, dossiers
de demandes de permis et d’appels d’offres• Accompagnement lors de l’exécution• Participation à la mise en route du bâtiment, formation des
gestionnaires et information des occupants• Suivi du bâtiment pendant l'occupation
Conseils et études en architecture durable
La climatisation
2° Son fonctionnement
Formation Responsable Energie
Vous avez dit : "climatisation ?..
."
Exemple pour le local de 30 m³, un jour de canicule :
• soleil fen. : 300 W/m² * 2 m² = 600 W• soleil murs :10 W/m² * 10 m² = 100 W• Ordinateur : = 130 W• Eclairage : = 100 W• Occupant : = 70 W
TOTAL : = 1.000 W
Bilan thermique d'été :
Conclusions du bilan thermique :
1° puissance max de refroidissement = 1000 W pour 10 m²,
soit 100 W/m²
2° Soleil = 70 % des apports de chaleur !
Ne pourrait-on refroidir le local avec l'air hygiénique pulsé à 15°C ?
Hélas, non... Puissance = débit x c x T° = 3 m³/h.m² x 0,34 Wh/m³.K x (25-15) K = 10 W/m², soit 10% des besoins maximum de froid...
Souvent, une véritable climatisation est nécessaire.
On rencontre beaucoup de systèmes de climatisation différents.
Ils peuvent être regroupés en 3 familles :
1 : la climatisation "tout air" 2 : la climatisation "air + eau" 3 : la climatisation "directe"
Passons-les en revue :
Première famille : la climatisation "Tout Air"
De l'air est traité dans un gros groupe de préparation d'airet distribué dans tous les locaux.
Problème 1 :Pour atteindre les 100 W/m², il faut pulser 10 fois plus d'air à 15°Cque d'air hygiénique ! ... attention aux courants d'air froid...
Première famille : la climatisation "Tout Air"
Problème 2 :Pour économiser l'énergie, 90% de l'air sera de l'air recyclé et 10% sera de l'air neuf.
Première famille : la climatisation "Tout Air"
Problème 3 :La consommation des ventilateurs est très élevée aussi :
Ordre de grandeur :
Si l’énergie transportée = 100, le ventilateur = 20 ! Energie... qui sera convertie en chaleur !!!
Première famille : la climatisation "Tout Air"
Avantage : la climatisation "tout air" permet le "free cooling" du bâtiment.
Avec 1 kWh dans les ventilateurs, on peut créer 3,3 kWh de froid via l'air frais extérieur "gratuit", surtout la nuit.
Première famille : la climatisation "Tout Air"
Application 1 :on rencontre la climatisation "tout air" à Débit d'Air Constant (DAC) dans les cafeterias, salles de conférence, ... (car de toute façon, beaucoup d'air hygiénique y est requis).
Première famille : la climatisation "Tout Air"
Application 2 :on rencontre la climatisation "tout air" à Débit d'Air Variable (DAV)dans les locaux borgnes ou enterrés, les salles de réunions, ...
Première famille : la climatisation "Tout Air"
Nouvelle idée !
Séparons les problèmes : - un conduit d'air apportera seulement l'air hygiénique- le chaud et le froid seront apportés par de l'eau, eau chaude (60°C) ou eau glacée (6°C).
La famille des climatisations "air + eau" était née !
Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 1 : le ventilo-convecteur
Un ventilateur souffle sur 2 échangeurs, alimentés en eau chaude ou en eau glacée.
Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 2 : le plafond froid
De l'eau à 16° refroidit le faux-plafond, un radiateur chauffe en façade.
"frais à la tête, chaud aux pieds"
pas de ventilateur, donc pas de bruit , pas de courant d'air,
système "air + eau" donc régulation de T° par local
pas de condensation dans le local moins de risque bactériologique
Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Deuxième famille : la climatisation "Air + Eau" Exemple 3 : la poutre froide
poutre statique
poutre dynamique
Des échangeurs de froid sont directement intégrés sous ou dans le plafond.
> Climatisation par poutres-froides dynamiques
poutre statique Attention aux coulées d’air froid…
poutre dynamique L’air "colle" au plafond (par effet dit Coanda)
Encore une nouvelle idée !
Lorsque le besoin de refroidissement est limité à quelques locaux, un climatiseur est installé : pas de fluide intermédiaire (air,eau), c'est une petite machine frigorifique qui travaille en direct.
Dans le local, un "évaporateur" fait du froid. A l'extérieur, un "condenseur" libère la chaleur.
La famille de la climatisation "directe" était née !
Troisième famille : la climatisation "directe" Exemple 1 : le climatiseur
L'"évaporateur" fait du froid.
Le "condenseur" évacue la chaleur.
Astuce : un climatiseur est réversible et peut travailler en "pompe à chaleur". D'où la possibilité de faire à souhait du chaud et du froid. C'est la climatisation DRV (Débit de Réfrigérant Variable).
Troisième famille : la climatisation "directe" Exemple 2 : le réseau DRV
Qu’en penser ? Grande souplesse, performance… mais fluide frigorigène dans les plafonds et dépendance de la marque pour la maintenance…
Fonctionnement en "équilibré"
Fonctionnement de la machine frigorifique ?
Partons du climatiseur
Evaporateur à l'intérieur
Condenseur à l'extérieur
Reprenons le climatiseur :
L'esthétique en prend parfois un fameux coup !
Application : le réfrigérateur dans la cuisine
Application : l'armoire de climatisation dans la salle informatique
La climatisation
3° Améliorer une installation existante
Formation Responsable Energie
• Ratio :
débit d’air neuf pulsé / nombre de personnes effectiv. présentes ?
à ramener à 30 m³/h/pers. en modifiant le rapport des poulies
Chauffer 1.000m³/h/saison de chauffe demande 1.000 litres de fuel (horaire de bureau : 10h/j 5j/7)
Amélioration 1 : Réduire le taux d’air neuf
> Climatisation par poutres-froides dynamiques ?
Attention : les puissances frigorifiques des plafonds et poutres froides sont faibles;---> tendance à augmenter le débit d'air neuf ... très consommateur en hiver !
Amélioration 1 : Réduire le taux d’air neuf
Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité
Ne pas humidifier au dessus de 40% Ne pas déshumidifier en dessous de 65 %
Humidificateur à pulvérisation
Humidificateur à vapeur
Deux comportements thermiques différents :
• Traditionnellement, régulation des laveurs d'air par "point de rosée" :
Exemple : voici l'évolution pour une consigne de point de rosée de 14°C, une température de soufflage de 32°C et une consigne ambiante de 22°C
Solutions : • Dans un premier temps, il importe d'abaisser la température de
rosée en hiver et de la relever en été. Cela peut s'imaginer manuellement ou automatiquement par la régulation.
• Le fonctionnement de l’humidificateur sera asservi à une sonde d’humidité ambiante ou située dans la gaine de reprise commune.
• Imposer un arrêt total de l'humidification au-dessus d'un seuil de température extérieure : 8°C, par exemple.
• ...
>>> Voir détails dans Energie+
1° Amélioration de la régulation par point de rosée !
Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité
2° Limiter l'énergie de déshumidification
Solution : la batterie froide sera régulée en fonction de la température ambiante uniquement (et non pour la déshumidification).
Rem : sauf dans les cas où une déshumidification s'impose (les locaux climatisés par plafonds froids ou poutres froides, et les salles où le maintien de conditions d'ambiance strictes est nécessaire).
Amélioration 2 : Adapter les consignes d'humidité
Amélioration 3 : Adapter les consignes de température Si production de chaud et de froid, prévoir une zone neutre !
Non Oui
Amélioration 4 : En mi-saison, abaisser au maximum la température de pulsion de l’air hygiénique
Si T°ext 15°C,
Si batterie de froid en marche,
Si Air pulsé à 20°C,
destruction d'énergie entre chaud et froid !
Amélioration 5 : augmenter la performance de la machine frigorifique
Extrait d’un catalogue de fabricant :
Extrait d’un catalogue de fabricant :
1°C en plus à l'évaporateur, c'est 3 % de consommation en moins.
1°C en moins au condenseur, c'est 3 % de consommation en moins.
Amélioration 5 :
augmenter la performance de la machine frigorifique
- augmenter la température d’évaporation
Application :
Choisir le refroidissement à haute température :• plafonds froids, poutres froides• ventilo-convecteurs dimensionnés
au régime 12-16°C au lieu de 6-11°C
• T° évaporateur adaptée en fonction de la saison
Exemple :
les plafonds froids dans les locaux de bureaux
En mi-saison, les plafonds froids peuvent travailler à haute température d’eau (entrée à 17°C et sortie à 19°C).
D'accord, la puissance de refroidissement sera plus faible que si T°eau classique de 15-17°…
Mais en mi-saison, les besoins sont plus faibles…
1er gain : moins devoir déshumidifier l’air ambiant
2ème gain : la T° de l’air extérieur est faible, surtout la nuit, ce qui permet un refroidissement naturel de l’eau dans un aérorefroidisseur.
T °air =
14°C
Et pendant les périodes de chaleur, le complément est assuré par une machine frigorifique:
pose d’une machine frigorifique en parallèle avec l’aérorefroidisseur .
Autre exemple : le free-chilling
Au départ , une installation traditionnelle …
Evaporateur
11°Ceau glacée
6°C
Condenseura eau
Tour de refroidissement
Solution 3 : le free-chilling
… qui est refroidie par de l’air extérieur à moins de 3° C:
Machine frigorifique à l’arrêt
11°Ceau glacée
6°C
Tour de refroidissement
Et si l’émetteur travailleau régime 15°-17°, le free-chilling peut se mettre en place dès que la T° ext. descendsous les 12°C !
Application :
Favoriser le travail à basse température du condenseur :• larges surfaces de condenseur,• tour de refroidissement fermée avec pulvérisation d'eau,• détendeur électronique capable de travailler sous faible
différence de pression entre la HP et la BP.
- diminuer la température de condensation
Contrôle qualité de l’échange au condenseur :
Ecart T°condensation – T° eau sortie :
max 6 à 10 K
Condenseur à air Condenseur à eau
Ecart T°condensation – T° air entrée :
max 15 à 20 K
Eviter la recirculation de l’air autour de la tour de refroidissement.
Au départ : Sélectionner des compresseurs dont le COP ( = rendement ) est élevé selon le standard Eurovent.
Groupe de production d'eau glacée Exigé Conseillé
Refroidissement par air / Monobloc / Refroidissement seul 2,30 2,55
Refroidissement par air / Monobloc / Réversible 2,35 2,60
Condenseur à air à distance / Refroidissement seul 2,95 3,25
Refroidissement par eau / Monobloc / Refroidissement seul 3,50 4,00
Refroidissement par eau / Monobloc / Réversible
· application eau glacée 12°C / 7°C 3,40 3,70
· application eau glacée 23°C / 18°C (refroidissement de sols) 4,45 4,80
Amélioration 6 : Machine frigorifiqueavec rendement élevé !
Puis maintenir ce COP dans le temps...
Pas spécialiste ? Demander le maintien du "COP" à la société de maintenance !Au-delà d'une puissance frigorifique de 150 kW, le COP devrait pouvoir être suivi : • compteur d’électricité
sur l’alimentation de la machine• compteur d'énergie entre l’entrée
et la sortie du réseau d’eau glacée.
Résumé ?
• Pour un bâtiment neuf– Rechercher les moyens de limiter la charge thermique avant de
procéder à la climatisation– si on décide de climatiser malgré tout, avoir en tête une stratégie
en matière de climatisation des bâtiments qui valorise l'air extérieur.
• Pour une installation existante– Vérifier les postes les plus consommateurs :
• le débit d'air neuf
• les consignes de température et d'humidité
• les destructions entre chaud et froid
• le bon échange au condenseur de la machine frigorifique
Plus de détails ?• dimensionnement, pertes de charges, niveau d'isolation, ... :
Cahier des Charges Energie+ (80 pages en HVAC !)
www.energieplus-lesite.be
• exploitation énergétique des installations :
"Guide à l'exploitation URE" dans Energie+
• cahier des charges Maintenance URE
disponible sur le site de l'IBGE
Comment écrire tous les critères de qualité énergétiquedans un Cahier des Charges de maintenance ?
C’est déjà écrit ... et c’est dans la boîte !
105
Les outils «maintenance énergétique»
CONTENU
Merci de votre motivation ...
et toujours à l'écoute de vos suggestions !
J. Claessens [email protected]