décembre 2011 - Energie Plus Le Site

Compter l’énergie thermique

Principe

La mesure de l’énergie calorique nécessite le placement :

D’un compteur de passage d’eau chaude de manière à mesurer le débit. Ce débitmètre peut être « invasif » (il s’insère dans le circuit hydraulique), ou « non invasif » (à ultrason) qui ne nécessite pas de coupure du circuit hydraulique.

De deux sondes de température (au niveau du départ et du retour de la production de chaleur).

D’un intégrateur avec une connexion éventuelle vers une gestion technique centralisée (GTC).

Le placement d’un compteur d’énergie dans une installation existante n’est pas toujours aisé pour diverses raisons :

D’une part, l’interruption du système de chauffage pour insérer un compteur de passage ne peut, dans certains cas, se réaliser qu’en dehors de la période de chauffe.

Principe de comptage (source : MeterBuy).

Calcul de l’énergie

Le comptage de chaleur et/ou du froid ou la détermination de l’énergie calorifique se base sur la formule suivante :

Énergie = Volume [m³] x (T_aller – T_retour) [K] x K [kWh/(m³.K)]

Où :

K = coefficient d‘enthalpie (fonction de la température et de la pression du liquide caloporteur) (capacité thermique volumique).

Par exemple : pour une pression de 8 bars, une température d’eau de départ de t_départ = 70 °C et une température de retour de t_retour = 30 °C le coefficient K est de 1.1566 kWh/(m³K)

Composants d’un système de comptage d’énergie thermique

Débimètre d’eau

Les compteurs peuvent être de type « mécanique ». Simplement, une hélice tourne lorsqu’il y a un débit de passage. On retrouve principalement des compteurs :

> à hélice à axe horizontal ;

Hélice à axe horizontal.

> à hélice à axe vertical ;

Hélice à axe vertical.

Compteur à ultrason

Système ultrasonique.

Ce type de compteur fonctionne suivant le principe de la mesure aux ultrasons. Le débit est mesuré avec une très grande précision en comparant les temps de parcours des signaux à ultrasons dans le sens de l’écoulement et à contre-courant tout en tenant compte de la variabilité thermique. Pour les auditeurs (mesures ponctuelles), des compteurs de passage « non invasifs » permettent de mesurer les débits sans devoir « couper » les tuyaux. Néanmoins, ce genre d’appareil peut engendrer des erreurs de mesure assez importantes, si les sonotrodes sont mal couplées à la tuyauterie et/ou les caractéristiques de la tuyauterie sont inexactes (mauvais diamètre ou épaisseur de paroi, encrassement des parois internes, …).

Il est de plus, nécessaire de disposer, pour les compteurs ultrasoniques, de portion droite au niveau du circuit hydraulique sous peine de fausser l’acquisition du débit (perturbation de la mesure par des interférences dues aux coudes par exemple).

Sonde de température

Les sondes de température sont en général des PT100 ou PT500.

Calculateur-intégrateur (électronique de comptage)

Le calculateur-intégrateur de comptage permet, sur base des informations fournies par les débimètres (m³/h ou litre/s) et les sondes de température, de calculer les puissances (kW) et l’énergie thermiques (kWh).

Compteurs d’énergie thermique compacts

Des compteurs d’énergie compacts peuvent être utilisés afin d’assurer la répartition des charges dans un immeuble composé d’espaces locatifs de faible surface. Ces compteurs intègrent dans un même ensemble le débitmètre, les sondes de températures et le calculateur. Ils existent tant avec une technologie de mesure mécanique que par ultrasons.

Compteur statique à ultrasons.

Compteur compact.

Interfaçage avec une gestion technique centralisée

Ce type de compteur peut-être interfacé, via des réseaux de communication, à une Gestion Technique Centralisée (GTC) et ce afin d’exploiter les mesures à distance. L’interfaçage est réalisé suivant des protocoles connus comme :

M-Bus ;
Modbus ;
LON ;
BACnet ;
…

Norme et classes de précision

Les compteurs doivent impérativement répondre à la norme EN 1434-1 (classe de précision). Ils devront aussi avoir la conformité MID (Measuring Instruments Directive).

Un problème d’inconfort thermique ou lumineux ? N’hésitez pas à tester notre nouvel outil de diagnostic afin de trouver la solution à votre problématique.

Posted By : Sylvie 20 Déc, 2011

Régulation d’un ensemble chaudière/cogénérateur

Régulation d’ensemble

Ordre de priorité

Monotone de chaleur.

En supposant que l’étude donne un dimensionnement de la puissance du cogénérateur de l’ordre de 40 % de la puissance totale nécessaire au bâtiment, il ne pourra moduler qu’entre une valeur de 24 à 40 % de la puissance totale. Sous les 24 % de puissance, si la cogénération est mise en tête de cascade, elle va commencer à « pomper » avec pour effet d’accentuer son vieillissement prématuré, car elle ne supporte pas les séquences répétées marche/arrêt.

Zone 1

En réalité, pour un besoin inférieur à 24 % de la puissance totale, ce sont les autres chaudières qui doivent être en « tête » de cascade. Si la chaufferie est équipée d’une chaudière à condensation, pour autant qu’elle soit dans de bonnes conditions de condensation, c’est elle qui doit assurer le besoin de chaleur. Avec sa capacité à moduler de 10 % à 100 % de son taux de charge, avec un excellent rendement à faible charge, la chaudière à condensation est tout indiquée.

Zone 2

Dans la plage de 24 à 40 % de la puissance totale nécessaire, la cogénération doit fonctionner en priorité. Une régulation mal réglée peut être à l’origine de l’arrêt prolongé ou du « pompage » de la cogénération ; ce qui n’est pas le but recherché.

Zone 3

Pendant les périodes de grands froids, la cogénération ne sera pas suffisante pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment considéré. Il sera nécessaire de lui adjoindre une chaudière afin de lui donner le « coup de pouce sauveur ». Cette opération est délicate en fonction du type de chaudière qui vient faire l’appoint. Un développement trop important de puissance de la part de la chaudière peut faire en sorte que la cogénération s’arrête voire pire qu’elle commence à « pomper » (marche/arrêt intempestifs à faible charge). Pour cette plage de fonctionnement, il sera nécessaire, si possible, de piloter les chaudières en puissance de manière à éviter de démarrer :

une chaudière classique avec brûleur à 2 allures en grande flamme ;
une chaudière plus récente avec brûleur modulant à 100 % de taux de charge.

Exemple

Situation avant :

un besoin thermique maximum de 600 kW ;
deux chaudières classiques HR de 300 kW chacune.

La configuration suivante est envisagée :

Une des deux chaudières est remplacée par une chaudière à condensation sans réduction de puissance par rapport à l’ancienne chaufferie. La chaudière à condensation peut moduler de 10 à 100 % de sa puissance nominale.
Une cogénération de 200 kW thermique équipée d’un ballon tampon est sélectionnée par l’étude de faisabilité. La cogénération peut moduler de 60 à 100 % de sa puissance thermique nominale.

Le graphique suivant donne un aperçu d’un type de régulation réalisable :

Cette régulation intelligente tente de maintenir les différents équipements de production de chaleur à leur meilleure efficacité énergétique optimale, à savoir :

De 0 à 24 % du besoin de chaleur : la chaudière à condensation module de 5 à 24 % du besoin total de chaleur (soit 10 à 48 % de son taux de charge). Dans cette plage, le rendement de la chaudière peut atteindre au mieux de l’ordre de 107 % sur PCI.
De 24 à 40 % du besoin de chaleur : la cogénération module de 60 à 100 % de son taux de charge.
De 40 à 90 % du besoin de chaleur : la cogénération est à 100 % de sa charge soit à son meilleur rendement (cogénération de qualité) et la chaudière à condensation module de 10 % à 100 % de son taux de charge.
De 90 à 100 % du besoin de chaleur : la cogénération et la chaudière à condensation restent à 100 % de leur taux de charge tandis que la chaudière existante donne le complément de chaleur pendant quelques heures par an, ce qui n’affecte que très peu le rendement saisonnier de l’ensemble des deux chaudières.

On notera ici toute l’importance du ballon tampon qui permet :

De réduire la puissance thermique de la cogénération.
D’éviter les cycles courts ou le pompage de la cogénération. De cette manière, on prolonge aussi la durée de vie de la cogénération sachant qu’elle est, non seulement liés au nombre d’heures de fonctionnement, mais aussi au nombre de démarrages.

Comment assurer la régulation d’ensemble ?

En réalité, la régulation ne doit pas être une « usine à gaz ».

Ce qui nous intéresse ici, sur base d’un ensemble d’équipements de production de chaleur, c’est de « sélectionner le bon équipement au bon moment » en partant toujours de l’idée de choisir l’équipement qui donnera la meilleure performance énergétique à l’ensemble.

Voici un type de régulation d’ensemble qui pourrait être proposé.

Schéma de régulation ensemble chaudière(s)/cogénération.
Source Vadémécum : réussir l’intégration de l’hydraulique et de la régulation d’une cogénération dans une chaufferie, facilitateur cogénération 2014.

Chaque unité de production de chaleur ayant sa propre régulation interne, la complexité réelle de la régulation reste interne aux unités. Une régulation d’ensemble cohérente doit de plus être assurée de manière à ce que les équipements communiquent un minimum entre eux.

Il est donc nécessaire qu’un des régulateurs des chaudières puisse superviser le cogénérateur. Le superviseur peut par exemple être le régulateur d’une nouvelle chaudière à condensation.

Pour en savoir plus, le facilitateur Cogénération pour la Wallonie a publié un vadémécum « Réussir l’intégration de l’hydraulique et de la régulation d’une cogénération dans une chaufferie ». Il est disponible ici.

Techniques

Pour plus de renseignements sur la régulation des chaudières.

Régulation interne de la cogénération

Le nombre d’heures de fonctionnement et le nombre de démarrages de la cogénération associée à un ballon tampon peut être influencé par la régulation :

du taux de charge du cogénérateur par rapport à sa puissance thermique nominale et au besoin de chaleur total ;
du taux de charge du ballon tampon.

Taux de charge du cogénérateur

La régulation interne du cogénérateur peut être réalisée selon le rapport entre le besoin instantané de chaleur (en kWth) et la puissance thermique nominale de la cogénération en dessous duquel la cogénération reste à l’arrêt. Pratiquement, cette régulation s’exprime par sa capacité à gérer la modulation de puissance de la cogénération. Une cogénération classique peut en général avoir une modulation de puissance entre 60 et 100 %.

Exemple

Soit :

une cogénération de 300 kW thermique ;
un rapport : besoin de chaleur/puissance nominale de la cogénération de 60 %.

A l’instant t, la cogénération est à l’arrêt. La cogénération redémarrera lorsque le besoin thermique sera de 300 x 0.6 = 180 kW.

Sur base de différentes simulations effectuées avec CogenSim, on peut montrer l’influence de ce type de régulation.

Les hypothèses sont les suivantes :

Les profils de chaleur et d’électricité sont ceux donnés par défaut dans CogenSim.
Plage de modulation de la cogénération : 100 à 60 %.
Le taux de charge maximum du ballon en dessous duquel la cogénération module dans sa plage de modulation : 60 %.
Le taux de charge minimum du ballon à partir duquel la cogénération redémarre : 40 %.

Dans les simulations on fait varier le rapport besoin thermique/puissance cogénérateur, soit 60 et 90.

	Temps de fonctionnement (heures/an)								Nombre de démarrages annuel
Taux de charge du cogénérateur (%)	0-39	40-49	50-59	60-69	70-79	80-89	90-99	100	Nombre de démarrages annuel
Besoin/puissance cogénération
60%				1261	169	479	387	5714	21
90%				653	77	470	387	5709	1

On constate que :

Cette régulation permet de « grappiller » quelques heures de fonctionnement lorsqu’on dispose d’une cogénération qui peut démarrer à un taux de charge de 60 %.
Attention, cependant, que le nombre de démarrage augmente légèrement lorsqu’on passe de 90 à 60 %, ce qui sollicite le cogénérateur en accélérant son vieillissement.

Taux de charge du ballon

En dessous d’une certaine valeur de taux de charge maximum, la cogénération module en puissance. Plus ce taux de charge maximum est élevé, plus la cogénération commence à « pomper » (marche/ arrêt important). Ce qui nuit naturellement à longévité du cogénérateur.

Exemple

Les simulations sont de nouveau effectuées avec CogenSim.

Les hypothèses sont les suivantes :

La puissance thermique du cogénérateur : 300 kW thermiques.
La plage de modulation de la cogénération : 100 à 60 %.
Le rapport besoin de chaleur/puissance cogénérateur en dessous duquel la cogénération module en puissance : 60 %.
Le taux de charge minimum du ballon à partir duquel la cogénération redémarre : 40 %.

Dans les simulations on fait varier le taux de charge maximum du ballon en dessous duquel la cogénération module dans sa plage de modulation, soit 60 et 90 %.

	Temps de fonctionnement (heures/an)								Nombre de démarrages par an
Taux de charge du cogénérateur (%)	0-39	40-49	50-59	60-69	70-79	80-89	90-99	100	Nombre de démarrages par an
Taux de charge max du ballon à partir duquel la cogénération module (100 à 60 %)
60%				1261	169	479	387	5714	21
90%				789	117	464	338	6158	593

On constate que choisir un taux de charge maximum du ballon pas trop élevé (autour des 60 %) permet :

D’augmenter le nombre d’heures de fonctionnement du cogénérateur. En fait, la cogénération module beaucoup rapidement sa puissance par rapport aux besoins de chaleur au travers du ballon en « épousant » mieux le profil du besoin.
De réduire le nombre de démarrages de manière draconienne, ce qui allonge la durée de vie du cogénérateur.

Régulation individuelle des chaudières par rapport à la cogénération

Lorsqu’une ou plusieurs chaudières existantes sont en appoint de la cogénération, les régulations individuelles de chaque chaudière doivent être adaptées par rapport au cogénérateur. Souvent, on observera que lorsque le besoin de chaleur devient supérieur à la puissance thermique des cogénérateurs, on démarre une chaudière d’appoint sans modulation de puissance au niveau du brûleur. Le « boost » de puissance de la chaudière va tout de suite « affoler » la régulation du cogénérateur qui risque de s’arrêter rapidement. Il en résulte un risque non négligeable de « pompage » de la cogénération altérant ainsi :

la rentabilité de la cogénération ;
la durée de vie de la cogénération tout en augmentant le risque de panne.

Immanquablement, la chaudière d’appoint devra démarrer, pour les anciens modèles en petite flamme et pour les modèles récents au minimum de la plage de modulation (à 10 % pour une chaudière à condensation par exemple).

Posted By : Sylvie 20 Déc, 2011

Choisir une PAC en fonction de la performance de l’enveloppe

Stratégie de chauffage et de refroidissement

Lorsque la performance de l’enveloppe d’un bâtiment augmente, pour une même surface nette ou un même volume de bâtiment, la quantité d’énergie nécessaire au chauffage devient faible.

« On peut passer d’une valeur de 200 kWh/m².an à 15 kWh/m².an lorsqu’on tend vers un bâtiment passif ! ».

Source : PMP (Plateforme Maison Passive).

De même, la puissance à mettre à disposition pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment se voit réduite de manière significative.

« Les puissances mises en jeu pour combattre les déperditions au travers des parois et par ventilation et pour assurer la relance en cas d’intermittence (ou ralenti nocturne), passent de l’ordre de 70 W/m³ à 20 W/m³ voire moins encore ! ».

Le renforcement de l’isolation et de l’étanchéité d’un bâtiment interagit donc sur la puissance du système de chauffage. À première vue, pour autant que les fabricants de systèmes de chauffage puissent proposer des équipements de faible puissance, il n’y a pas de restriction quant au choix de tel ou tel type de système de chauffage par rapport à la puissance.

Cependant, si le concepteur n’y prend pas garde, l’isolation d’un bâtiment n’engendre pas seulement que des réductions des besoins de chauffage. Il risque de générer aussi une augmentation des besoins de rafraichissement. D’un point de vue énergétique, si c’est le cas, il est primordial de produire du froid gratuitement ou à peu près !

La manière de produire le plus écologiquement du froid dans notre bonne Belgique est de faire appel au « free cooling » par ventilation naturelle. Ce n’est pas toujours possible !

En effet :

Le confort, dans certains cas, ne peut pas être assuré en permanence. On image difficilement qu’une chambre d’isolé dans un hôpital, de surcroit occupée la nuit, puisse être ventilée naturellement.

Certains maîtres d’ouvrage ne voient pas d’un bon œil de laisser des fenêtres ouvertes la nuit par souci de sécurité (même grillagée).

Les coûts d’une automatisation des systèmes d’ouvertures risquent d’être importants.

La régulation des systèmes d’ouverture n’est pas toujours évidente.

Le choix du « géocooling » comme moyen de refroidissement naturel s’impose donc. Cela tombe bien puisqu’avec le même système, on pourra produire du chaud par « géothermie » et du froid par « géocooling ». En effet, par le choix d’une pompe à chaleur géothermique eau/eau, réversible ou pas suivant le besoin de froid, on peut envisager la stratégie suivante :

En hiver, la chaleur sera « pompée » du sol par la pompe à chaleur en travaillant en mode « chaud », le sol se refroidissant par la même occasion.

En été, le froid accumulé en hiver sera extrait du même sol soit par la pompe à chaleur travaillant en mode froid, soit par 2 pompes de circulation permettant de travailler de manière satisfaisante au niveau énergétique (c’est la seule consommation des pompes qui permet de refroidir le bâtiment).

Cependant, le choix de la géothermie, comme source froide pour des bâtiments à forte isolation, est dépendant aussi de l’équilibre entre les besoins de chaud et de froid de l’immeuble.
Un bâtiment en demande de chaleur :

Qui nécessite peu de besoins de froid sous forme de « géocooling », ne permettra pas de recharger le sol en chaleur en été. Il s’en suivra, dans certains cas, d’un appauvrissement de la capacité du sol à fournir de la chaleur. Dans certaines études (simulation PileSim), on remarque qu’après 15 à 20 ans, la température du sol reste très basse. Dans ces conditions, l’énergie du sol sera plus difficilement exploitable. Si c’est possible, le refroidissement pourra être pris en charge par un système de « free-cooling » de nuit sur l’air par exemple.

Équilibré par la même demande en refroidissement permettrait de pérenniser la source froide.

En pratique, un équilibre 50/50 entre les besoins de chaud et de froid permettra de garantir une géothermie optimale à long terme.

Influence sur le choix du type de source froide et son dimensionnement

Pour une même emprise au sol, un bâtiment tertiaire dont l’enveloppe est performante est moins gourmand en besoin de chauffage qu’un bâtiment de type « passoire ». Par conséquent, il « pompera » moins d’énergie à la source froide.

Source froide : l’air ou aérothermie

L’air est en quantité « infinie » autour du bâtiment ; ce qui signifie que l’influence du niveau d’isolation du bâtiment sur le choix de l’air comme source froide reste faible. Bien que ! Si on pousse le raisonnement à l’absurde, une concentration de bâtiments peu isolés dont le choix de leur système de chauffage se porterait sur une PAC air/eau par exemple, contribuerait à créer un micro climat plus froid qu’il ne serait si les bâtiments étaient peu isolés.

Donc, la performance de l’enveloppe du bâtiment influence l’air comme source froide, mais il faut pousser le raisonnement très loin !

Pour un bâtiment bien isolé, la taille de l’évaporateur pourra être plus petite. Attention toutefois que les évaporateurs sont une source de nuisance sonore dont il faudra tenir compte.

Source froide : le sol ou géothermie

Le sol est une ressource limitée en quantité et en temps. Pour des bâtiments peu « déperditifs », la géothermie peut être intéressante dans le sens où, pour une même empreinte au sol du bâtiment, plus celui-ci est isolé :

Moins il sera gourmand en puissance disponible et plus petite sera l’installation de géothermie.
Plus grande sera la disponibilité d’énergie dans le sol.

Influence de la performance du bâtiment sur la source froide géothermique.

L’augmentation de la performance de l’enveloppe d’un bâtiment permet de mieux exploiter un même volume de sol, c’est vrai ! Mais il est nécessaire de tenir compte comme décrit ci-avant de l’équilibre entre les besoins de chaleur et les besoins de refroidissement.

Une fois n’est pas coutume, c’est la source froide qui risque de conditionner le niveau d’isolation de l’enveloppe du bâtiment !

En effet :

Une enveloppe de bâtiment très performante entraine un déséquilibre entre les besoins Chaud/froid en faveur du besoin de froid : la source froide risque de se réchauffer au cours des années. Il s’ensuit une interrogation au niveau de l’écologique, de l’autorisation d’exploiter le sol, …

Une enveloppe de bâtiment peu performante inverse la tendance : la source froide se refroidit.

Il n’est donc pas dit, avec une technologie comme la géothermie, que le renforcement à outrance de la performance de l’enveloppe du bâtiment soit l’idéal. Comme tout est une question de compromis, dans ce cas particulier, on ne visera pas nécessairement le passif voire mieux. Mais c’est du cas par cas !

Un bureau d’étude spécialisé permettra, par simulation thermique dynamique, de trouver le réel équilibre pour optimiser l’exploitation de la géothermie. On en tiendra compte dès l’avant projet du bâtiment.

Source froide : l’eau ou hydrothermie

Tout comme le sol, l’eau comme source froide (hydrothermie) est une ressource limitée qui dépend, entre autres, du débit de renouvellement du volume d’eau pris comme source froide (plan d’eau, …). Le fait de rendre les bâtiments performants permettra de disposer d’une source froide de taille plus petite (le lac de Genval plutôt que l’Eau d’heure par exemple). Cependant, s’il existe un besoin de refroidissement du bâtiment, l’eau devra être en mesure d’absorber la chaleur extraite du bâtiment par le système de pompe à chaleur réversible. Ceci implique qu’en été :

le débit de renouvellement de la source froide soit suffisant ;
les réglementations en vigueur permettent un rejet de chaleur à température plus élevée que la température moyenne de la source froide.

Influence sur le choix du type de source chaude et son dimensionnement

Régime de température

Les émetteurs à eau

Pour une même volumétrie des locaux dans un bâtiment bien isolé, la puissance d’émission nécessaire sera plus faible. On pourra donc prévoir un régime de température plus faible, et par conséquent la performance énergétique de la PAC associée pourra être améliorée (de l’ordre de 3 % par °C de température de gagné).

Exemple

On considère que la température de l’eau au niveau du condenseur se situe entre 35 et 45 °C pour – 8 °C extérieur dans le cas d’un bâtiment K45. Si on décide d’opter pour la conception d’un bâtiment plus performant (basse énergie ou passif), on pourrait avantageusement passer à des températures de condensation entre 25 et 30°C, soit un gain théorique de l’ordre de 30 % des consommations énergétiques.

Les émetteurs à air

Tout dépend du type d’émetteur :

En détente directe sur l’air hygiénique, les températures de condensation risque de devoir être aussi hautes que pour un bâtiment non isolé sachant que c’est de l’air externe que l’on réchauffe. Dans ce cas, le niveau de performance de l’enveloppe du bâtiment ne joue pas.

Pour des ventilo-convecteur à eau, cela revient au même que pour les radiateurs classiques : les températures de condensation seront sensiblement les mêmes (entre 25 et 30 °C par – 8 °C extérieur).

Inertie de l’émetteur

Dans un bâtiment dont l’enveloppe est performante, la faible inertie de l’émetteur est primordiale. En effet, en mi-saison, la surchauffe risque d’être dommageable si l’inertie de l’émetteur est importante. En effet, en cas de nuit froide, la dalle se chargera pour anticiper la journée qui suit. Malheureusement, le stockage de chaleur risque de ne servir à rien si les apports solaires pendant la journée sont élevés. La combinaison des apports solaires au travers des parois vitrées et des apports internes générés par la dalle de sol chauffante ne peuvent être évacués. Il s’ensuit une surchauffe importante des locaux.

Pour pallier à ce problème, on pense, par exemple, au plancher chauffant qui doit nécessairement être à faible inertie. L’émetteur dynamique à faible inertie, comme montré ci-dessous, permet de bien répondre aux besoins de réactivité d’un bâtiment performant. Tout dépendra naturellement du type de revêtement qui sera placé en finition au-dessus du plancher chauffant. Un matériau thermiquement isolant impliquera une augmentation de la température de l’eau de l’émetteur entrainant une dégradation de la performance de la pompe à chaleur. On rappelle qu’une augmentation de 1 °C de la température de condensation de la PAC entraine une dégradation de sa performance de l’ordre de 3 %.

Source Opal-système.

Influence sur le choix du type de compresseur

Les bâtiments qui présentent un niveau d’isolation important permettront le choix de pompe à chaleur de puissance raisonnable dans une gamme plus élargie. Au point que pour certains bâtiments tertiaires de petite taille, on pourrait même envisager d’étendre la gamme aux pompes à chaleur domestiques.

Quand on est en présence d’un bâtiment performant, le système de chauffage, quel qu’il soit, doit être très réactif à la relance et pouvoir moduler sur une plage de puissance large. On considère que la plage de variation de puissance des PAC (taux de charge) peut raisonnablement varier entre 30 et 100 %. L’idéal est donc de choisir des pompes à chaleur avec compresseur à vitesse variable (technologie INVERTER).

Posted By : Sylvie 20 Déc, 2011

Concevoir une installation de cogénération avec une ou des chaudières à condensation

Besoins thermiques et électriques d’un bâtiment moderne

Besoins thermiques

La conception des bâtiments modernes n’a plus rien à voir avec nos chères constructions « passoires ». La venue de la PEB bouleverse nos habitudes de constructions ; cela va dans le sens où les besoins thermiques diminuent fortement.

Les profils de chaleur évoluent aussi ! Il suffit d’analyser deux monotones de chaleur pour s’en convaincre. On se réfère à deux bâtiments de volume différent, mais ayant le même besoin de puissance de chauffe :

l’un, de grand volume est bien isolé et d’étanchéité correcte ;
l’autre de volume moyen est de type « passoire ».

Les monotones de chaleur sont représentées ci-dessous :

Bâtiment type passoire.

Bâtiment performant.

Le besoin de chaleur en puissance est représenté par la courbe et en énergie par l’aire sous la courbe. Les surfaces de couleur matérialisent le besoin de chaleur qui pourrait être pris en charge par une unité de cogénération. En comparant les deux aires de couleur, on se rend compte que :

Pour une même puissance de dimensionnement de cogénération, la prise en charge du besoin de chaleur par la cogénération dans un bâtiment énergétiquement performant est beaucoup plus faible.

Pour un même investissement, la production de chaleur et, par conséquent, d’électricité est moindre.

Il s’en suit qu’à puissance de cogénération égale, on observe une diminution de la rentabilité énergétique, environnementale et financière.
A méditer !

Comment déterminer les besoins de chaleur ?

Partir d’une feuille blanche pour envisager l’association d’une cogénération et de chaudières à condensation n’est pas nécessairement plus aisé qu’en rénovation. En effet, les profils de consommations de chaleur ne sont pas connus. Dès lors, il est impératif de déterminer ces profils de manière précise. Les simulations thermiques dynamiques peuvent aider le concepteur à établir ces besoins de chaleur en fonction :

des caractéristiques du bâtiment (volumétrie, orientation, composition des parois, inertie accessible, …) ;

des types et scénarios d’occupation (horaires, nombre de personnes, …) déterminant les consignes de température, les apports internes, … ;

du climat dans lequel le bâtiment se trouve (température, humidité, ensoleillement, vent, …) permettant d’évaluer les échanges thermiques du bâtiment avec l’extérieur, les apports solaires au travers des baies vitrées, …) ;

Pour réaliser ce genre d’étude, il faut s’adresser à un bureau d’étude spécialisé qui établira un profil de besoins tel que celui exposé ci-après :

Profil de besoin de chaleur et de refroidissement en fonction de la température externe
(simulation type TRNSYS).

Profil annuel des besoins de chaleur et de refroidissement
(simulation type TRNSYS).

Comment déterminer les besoins d’électricité ?

Pour déterminer les besoins d’électricité, il existe des ratios relativement fiables. Une difficulté majeure dans l’établissement d’un profil de besoins électriques est d’imaginer les scénarios de commande et de régulation des équipements électriques. On donne comme exemple les variations des consommations électriques :

des luminaires en fonction de l’apport de lumière naturelle et d l’occupation ;
des ventilateurs de ventilation hygiéniques en fonction de la qualité de l’air ;
des ascenseurs en fonction du trafic ;
des process éventuels en fonction du « taux de charge » de la chaîne de production ;
des groupes de climatisations en fonction du climat et des apports internes ;
…

Besoin d’électricité.

Profil de besoin électrique reconstitué à partir d’un scénario théorique.

Intérêt énergétique, environnemental et financier de l’association

Pour rappel, que ce soit en amélioration ou en conception, la cogénération est juste là pour produire un maximum d’énergie thermique et électrique locale sur base d’un profil de chaleur. L’appoint en chauffage, comme des chaudières à condensation, n’est là que pour :

prendre le relais en mi-saison lorsqu’on décide de ne pas faire fonctionner la cogénération ;
donner un « coup de pouce » en termes de puissance pendant les périodes froides ;
palier à une défectuosité de la cogénération.

Scénario de départ

Le gestionnaire d’un parc immobilier a décidé, pour son nouveau bâtiment de placer deux chaudières à condensation.

Mais aurait-il un intérêt à investir dans une cogénération ?

Avant de se lancer dans une entreprise de combinaison d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières à condensation, il est impératif de savoir s’il existe un intérêt énergétique, environnemental et financier réel à les associer. En d’autres termes :

> Vaut-il mieux se contenter :

de placer uniquement des chaudières à condensation et d’optimiser l’installation tant au niveau hydraulique qu’au niveau de la régulation du système de chauffage, et ce dans le but d’optimiser uniquement le rendement saisonnier de la chaufferie ?

ou de continuer à « importer » de l’électricité à partir du réseau ?

> Ou faut-il viser directement l’association des chaudières avec un cogénérateur en considérant que sur site :

la cogénération consomme plus de combustible pour chauffer le bâtiment et produire de l’électricité en local ?

les chaudières consomment un solde de combustible lorsque la cogénération ne « tourne pas » ?

le réseau fournit le solde de besoin d’électricité ?

Dans ce qui suit on tente d’y répondre par l’exploitation du logiciel d’étude de pertinence de cogénération de la Région Wallonne CogenSim (version 3.11 ; 2011) :

Simulation

Le postula de départ est qu’une étude de faisabilité d’installation d’une cogénération a montré une rentabilité énergétique, environnementale et financière valable.

En partant du principe qu’une cogénération est dimensionnée pour produire la base d’un profil de besoin de chaleur, le solde étant fourni par une chaudière à condensation, plus cette chaudière sera performante, plus importante sera la réduction des consommations énergétiques pour fournir ce solde.

Une manière d’y arriver est de simuler une cogénération associée à une chaudière dont le rendement saisonnier évolue de 80 à 100 %.

Evaluer

Pour plus de renseignements sur le calcul de rentabilité de l’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières à condensation.

Il y a t-il un intérêt réel d’association ?

En préliminaire, il faut toutefois faire remarquer que le cas présenté ci-dessus est très favorable à l’investissement dans une cogénération. En effet, les profils des besoins de chaleur et d’électricité se complètent bien. Tous les projets ne sont pas toujours aussi heureux ! Par exemple, lorsque le besoin de chaleur est faible par rapport à la demande d’électricité, l’investissement dans une cogénération n’est pas toujours rentable. A voir donc au cas par cas !

Cogénération

Pour plus de renseignements sur les cogénérateurs.

Niveau énergétique

En partant du principe, que pour les profils de chaleur et d’électricité établis pour le projet considéré, l’étude précise de faisabilité du placement d’une cogénération est envisageable énergétiquement, environnementalement et financièrement parlant, l’association d’une ou de plusieurs chaudières à condensation est un plus énergétique comme le montre le graphique suivant :

Évolution des consommations en énergie primaire.

Niveau environnemental

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est liée aux consommations en énergie primaire. Dans le cas étudié dans la note de calcul, la réduction des émissions de CO₂ est effective même pour une cogénération au gaz et sera d’autant meilleure que le rendement des chaudières d’appoint sera élevé. On privilégiera donc les chaudières à condensation. Le bilan environnemental sera naturellement influencé par le type de combustible utilisé par la cogénération. En effet, le nombre de certificats verts octroyés (CV) sera d’autant plus important que le combustible sera renouvelable (bois, huile végétale, …).

Niveau financier

Quant au bilan financier, il est en général lié aux éléments principaux suivants :

aux coûts imputés aux consommations des différents combustibles et aux frais de maintenance ;
à l’investissement :
- dans l’installation de la cogénération et de la (des) chaudière(s) ;
- dans la modification du circuit hydraulique primaire ;
- dans l’adaptation de la régulation de la cascade cogénération/chaudière(s) ;
à l’octroi des primes et des certificats verts (CV) ;
à l’autoconsommation maximale de l’électricité produite par la cogénération (réduction de la facture électrique) ;
à la revente résiduelle d’électricité. Attention, qu’au global, il ne peut pas devenir producteur d’électricité.

Le bilan financier est très variable. La rentabilité de la cogénération provient du gain engendré sur la facture électrique et les CV. Le premier gain est très important d’où l’intérêt d’autoconsommer un maximum de l’électricité produite par la cogénération pour maximiser la rentabilité de l’installation.

Aspect hydraulique et de régulation

Condition de cohabitation

Ici, on part du principe que le bâtiment qui sera construit est un bâtiment énergétiquement performant répondant au moins aux exigences PEB.

Pour qu’une cogénération puisse cohabiter avec une ou plusieurs chaudières à condensation, il faut en même temps alimenter :

la chaudière à condensation avec un retour en chaufferie le plus froid possible (pour le gaz < 55 °C) ;

le cogénérateur avec un retour, dont la température, n’est pas inférieur à 60 °C mais pas supérieur à 70 °C. Même, la température d’eau de la plupart des moteurs n’excède pas plus de 65 °C.

C’est à ce niveau que les aspects de conception des circuits hydrauliques et de la régulation ainsi que la disposition des équipements, les uns par rapport aux autres, prennent toute leur importance.

On rappelle ici que la cogénération est en tête de cascade. Ce qui signifie que, si l’étude de faisabilité de la cogénération a été réalisée correctement, pendant 4 000-5 000 heures sur la saison de chauffe, elle doit fonctionner seule ou en parallèle avec la ou les chaudières.

Aspect hydraulique

Température de retour

On part du principe « qui peut le plus peut le moins » ; ce qui signifie qu’un retour froid des circuits secondaires peut être réchauffé et pas l’inverse !

C’est donc bien un retour le plus froid possible qui garantit une cohabitation harmonieuse de la cogénération et de la ou des chaudières à condensation !

Le retour froid en chaufferie est surtout conditionné par le mélange ou pas des retours des circuits secondaires dont les régimes de températures peuvent être totalement différents.

Ces régimes sont déterminés en fonction :

De la charge thermique par déperdition au travers des parois et par in/exfiltration ainsi que la charge thermique par ventilation hygiénique des différents locaux du bâtiment. Par exemple, pour un bâtiment dont la performance de l’enveloppe est élevée (isolation des parois, remplacement de châssis à simple vitrage par des châssis à double vitrage à basse émissivité, placement de récupérateur de chaleur sur un système de ventilation à double flux, …), les régimes de températures pourraient être les suivants :
- pour les circuits statiques, un régime 70-50 °C ;
- pour les planchers chauffants, un régime 35-25 °C.
- pour les batteries chaudes des systèmes de ventilation double flux avec récupérateur, un régime 45-35 °C.

De la présence ou pas d’un circuit d’ECS. On pourrait très bien envisager, pour une production d’ECS semi-instantanée, un régime 70-45 °C.

Configuration de collecteur

Suivant la température de retour des différents circuits secondaires, ceux-ci seront combinés ou pas au niveau du collecteur principal.

Un seul collecteur de retour (régime ECS : 70-45 °C).

Collecteur de retour haute et basse température (régime de température 70-60 °C).

Concevoir

Pour plus de renseignements sur la conception correcte des circuits de distribution.

Techniques

Pour plus de renseignements sur les circuits hydrauliques associés à une chaudière à condensation.

Configuration des équipements de production

En conception, pour optimiser énergétiquement l’association d’un cogénérateur avec une ou plusieurs chaudières à condensation, le nombre de configurations hydrauliques des équipements de production est assez limité de par la complexité des projets.

La configuration hydraulique du circuit primaire est en général tributaire :

de la cohérence entre les régimes de températures des circuits secondaires ;
de l’évolution ou pas du nombre de circuits secondaires : le projet est-il prévu en plusieurs phases ou pas ?
et du type de chaudières disponibles sur le marché en fonction de la puissance. On envisagera, par exemple :
- une chaudière à condensation avec un seul ou deux retours (échangeurs haute température et à condensation en série ou les deux échangeurs en parallèle) ;
- une chaudière à grand ou faible volume d’eau ;
- une chaudière nécessitant un débit minimum ou pas ;
- une chaudière traditionnelle nécessitant un retour chaud (minimum de 60°C pour éviter la condensation dans l’échangeur).

Différentes configurations sont proposées par les fabricants. A quelques variantes près, elles se ressemblent. On considère ici, à titre d’exemple, trois associations caractéristiques de chaudières de différents types avec un cogénérateur. À noter que certains constructeurs de chaudières proposent maintenant des solutions complètes d’association de chaudières avec cogénérateur pilotée par une même régulation. En conception, il est intéressant d’opter pour une solution complète du même constructeur sachant qu’il est très important que la régulation porte sur l’ensemble de la chaufferie, y compris la cogénération.

Il est bien entendu que la règle de prudence est toujours d’application sachant que chaque projet est un cas particulier. Le responsable du projet fera toujours appel à un bureau d’étude spécialisé capable de maîtriser non seulement les techniques liées aux cogénérateurs, mais aussi celles faisant appel aux chaudières.

Exemple 1 : Deux chaudières à condensation et un cogénérateur à huile végétale

Source : Sibelga.

Quelques explications :

Les circulateurs des circuits secondaires assurent la circulation du fluide caloporteur tant au primaire qu’au secondaire.

Le ballon tampon du cogénérateur est hydrauliquement en tête du retour. Vu que l’objectif premier est de maximiser le nombre d’heures de fonctionnement du cogénérateur, le ballon tampon est le « fournisseur prioritaire » des besoins de chaleur.

Tant que la puissance du cogénérateur est suffisante, il est le seul producteur primaire de chaleur.

Une fois que le besoin de chaleur dépasse la puissance du cogénérateur, l’appoint est donné par la première chaudière à condensation. La vanne 3 voies permet l’irrigation du retour chaud tandis que la vanne 2 voies celle du retour froid. Ces deux vannes travaillent en tout ou rien et sont commandées par la régulation de la chaudière qui est en demande de production de chaleur.

Lorsque le besoin de chaleur devient très important, la seconde chaudière à condensation peut donner le solde de chaleur.

Exemple 2 : Une chaudière traditionnelle, une chaudière à condensation et un cogénérateur

Source : Sibelga.

Quelques explications :

Les circulateurs des circuits secondaires assurent toujours la circulation du fluide caloporteur tant au primaire qu’au secondaire.

Le ballon tampon du cogénérateur est aussi hydrauliquement en tête de retour.

Tant que la puissance du cogénérateur est suffisante, il est le seul producteur primaire de chaleur.

Une fois que le besoin de chaleur dépasse la puissance du cogénérateur, l’appoint est donné par la chaudière à condensation. En fonction de l’ouverture des vannes de réglable 2 voies AK et 3 voies UV, l’appoint de la chaudière se répartit entre les échangeurs à haute et basse température de manière à favoriser au maximum la condensation.

Durant les périodes de grand froid, la chaudière traditionnelle peut aussi donner un « coup de pouce » par la modulation de la vanne 3 voies SK.

Exemple 3 : une chaudière à condensation à un seul retour et un cogénérateur

Source : Sibelga.

Quelques explications :

Les fabricants proposent de plus en plus des chaudières à condensation à un seul retour.

Dans ce cas-ci, lorsque la cogénération ne peut plus assurer les besoins de chaleur, la régulation centrale « libère » la chaudière à condensation en ouvrant la vanne 3 voies qui lui est associée. Cette vanne tout ou rien permet le passage du débit total dans la chaudière à condensation.

Aspect de régulation globale

Outre la régulation individuelle des équipements qui doit être optimale, la globalisation de la régulation tant au niveau de la cascade des chaudières que de la cogénération est primordiale. Dans des projets de conception, l’occasion est rêvée d’assurer cette globalisation, à savoir qu’il est nécessaire de considérer :

Les chaudières à condensation et le cogénérateur avec leur propre régulation « interne » .
La supervision d’ensemble de tous les équipements de manière à bien orchestrer l’ensemble de la cascade avec toujours comme objectif :
- de privilégier le fonctionnement de la cogénération ;
- de favoriser la condensation des chaudières lorsque celles-ci fonctionnent.

Pour bien réguler l’ensemble de l’association chaudières classiques/chaudières à condensation/cogénérateur, on considérera l’ordre de priorité suivant :

Chaudière à condensation pour les faibles besoins d’été par exemple. C’est intéressant de faire fonctionner la chaudière à condensation à faible charge sachant que dans une plage de module de 10 à 50 % voire 60 %, ce type de chaudière est très performant au niveau énergétique (zone 1).

Cogénérateur un maximum de temps durant la saison de chauffe. Pendant cette période, il module entre 60 et 100 % de sa puissance thermique nominale. Suivant le profil de besoin, la quantité de démarrages du cogénérateur peut être limitée, « ce qui lui sauve la vie ! » (zone 2).

Cogénérateur travaillant à 100 % de son taux de charge et chaudière à condensation modulant de 10 à 100 %. À noter toutefois que pour quelques heures par an, la seconde chaudière peut donner un appoint (zone 3).

Techniques

Pour plus de renseignements sur la régulation de l’association chaudières classiques/chaudière à condensation/ cogénérateur.

Posted By : Sylvie 20 Déc, 2011

Dimensionner une installation de chauffage : principes généraux

Dimensionnement de la production de chaleur

Le principe du dimensionnement

Durant la saison de chauffe, deux besoins de chauffe apparaissent :

Un transfert de chaleur s’effectue de l’ambiance intérieure chaude vers l’extérieur plus froid, au travers des parois.

De l’air hygiénique entre dans le bâtiment « neuf et froid »,… et sort « vicié et chaud ».

Ces pertes de chaleur sont appelées les déperditions du bâtiment.

Le but de l’installation de chauffage est de compenser ces déperditions pour maintenir la température intérieure constante. Dimensionner les systèmes de chauffage, c’est calculer la puissance utile nécessaire pour y parvenir lors des conditions extrêmes : lorsque la température extérieure est minimale, qu’il n’y a pas de soleil et que les apports internes sont nuls.

Les déperditions du bâtiment doivent être calculées suivant la norme NBN B 62-003. (nouvelle norme NBN EN 12831 : 2003).

Toutefois, le Cahier des Charges 105 de la Régie des Bâtiments (1990) ne prend en compte que la moitié des déperditions par infiltration calculées pour chaque local. En effet, celles-ci ne se manifestent jamais simultanément : selon la direction du vent, une façade est en surpression et la façade opposée est en dépression. Conséquence, seule une partie du bâtiment (environ la moitié) voit son air renouvelé par de l’air extérieur, l’autre se voit traversé par cet air déjà préchauffé.

Actuellement, la réglementation impose l’organisation d’une ventilation permanente :

S’il s’agit d’une ventilation permanente organisée naturellement, une règle similaire peut être d’application : les débits qui entrent dans les locaux munis d’orifice d’alimentation sont les mêmes que ceux qui sont évacués par les locaux en dépression, après passage dans les couloirs (« le même air est utilisé 2 fois »). Si bien que le taux de renouvellement d’air moyen β peut être pris égal à 0,5.

Si l’installation est mécanique, c’est l’entièreté du débit d’air neuf hygiénique qui doit être pris en compte.

Attention à la température extérieure de référence !

La température extérieure extrême pour laquelle il faut dimensionner l’installation est mentionnée dans la norme NBN B 62-003 (nouvelle norme NBN EN 12831 :2003), pour chaque commune de Belgique. Cette température, appelée « température de base », correspond à la « température extérieure moyenne journalière qui, en moyenne, n’est dépassée vers le bas que pendant un seul jour par an ».

C’est cette température qui doit servir de référence et non l' »impression » du chauffagiste qui pense qu’il fait souvent plus froid dans sa région, ou qui veut à tout prix que le confort soit garanti en cas de gel à – 20 °C comme on en rencontre tous les 30 ans.

En fait, un bâtiment a de l’inertie et ses besoins de chauffage sont sensibles à la T°moyenne jour/nuit. D’ailleurs, lorsque la température de – 10 °C est choisie, il s’agit d’une moyenne entre les extrémis jour et nuit. En fait, dimensionner pour « – 10 °C », c’est en réalité dimensionner pour – 15 °C la nuit et – 5 °C le jour, par exemple. Donc une installation calculée pour – 10 °C « tiendra » pour – 15 °C la nuit.

Températures extérieures minimales de base, en Belgique.

Faut-il surdimensionner la production de chaleur pour permettre l’intermittence ?

Lorsque l’on pratique un chauffage discontinu (coupure nocturne, de week-end, …), la relance de l’installation demande une surpuissance par rapport au fonctionnement continu. Cette surpuissance sera surtout fonction de l’inertie thermique du bâtiment (la masse des matériaux) qu’il faudra réchauffer. Et l’isolation renforcée des bâtiments récents augmente l’importance relative de la puissance de relance par rapport à la puissance des déperditions en régime permanent.

La norme NBN B62-003 (nouvelle norme NBN EN 12831 :2003) estime qu’il faut tenir compte de cette surpuissance dans le dimensionnement de la production de chaleur. Mais le calcul (emprunté à la norme allemande DIN 4701) est assez complexe et peut générer des surpuissances « exagérées » (selon « rapport n°1 » du CSTC).

Par contre, le cahier des charges type 105 de la Régie des Bâtiments, et nous penchons plutôt dans ce sens, préconise de choisir la puissance de la production correspondant aux déperditions du bâtiment et de dimensionner les émetteurs de chaleur à un régime de température d’eau inférieur à celui du générateur. Par exemple, en régime 80°/60° pour les émetteurs, si la production de chaleur est dimensionnée pour un régime de 90°/70°.

Durant la saison de chauffe

Cette méthode donne lieu à un surdimensionnement des émetteurs de 27 % en moyenne, ce qui est une surcapacité suffisante dans la plupart des situations de l’année, sachant que la production de chaleur est de toute façon surdimensionnée 364 jours par an !

En fait, sur la saison de chauffe, toute installation possède une surpuissance moyenne de 100 %. En effet, la température extérieure moyenne d’une saison de chauffe est de l’ordre de 6 °C (5 °C en Ardenne) et la température extérieure de base prise en compte pour le dimensionnement est en moyenne de – 10 °C. La différence de température entre intérieur et extérieur à vaincre est donc en moyenne de 20 °C – 5 °C = 15 °C, alors que l’installation a été dimensionnée pour une différence de 20 °C – (- 10 °C) = 30 °C, soit 2 fois plus.

Lors de la situation la plus critique

Il reste la situation la plus critique : on peut imaginer, par exemple, que le chauffage est coupé entre Noël et Nouvel An, que le bâtiment est seulement maintenu à 14 °C et qu’il gèle à – 10 °C le jour de la reprise…

Le surdimensionnement des émetteurs ne sera pas utile si la production de chaleur ne l’est pas.
Mais plusieurs critères vont renforcer la puissance de chauffe effective :

Lors de la sélection de la production de chaleur, la norme NBN D30-001 (1991) propose la répartition de puissance suivante :

Puissance calculée Q_tot [kW]	Nombre minimum de production de chaleur	Puissance utile de la production de chaleur
Puissance calculée Q_tot [kW]	Nombre minimum de production de chaleur	Production de chaleur 1	Production de chaleur 2	Production de chaleur 3
< 200	1	1,1 x Q_tot	–	–
200 kW < .. < 600	2	0,6 x Q_tot	0,6 x Q_tot	–
> 600	3	0,33 x Q_tot	0,33 x Q_tot	0,5 x Q_tot
> 600	3	0,39 x Q_tot	0,39 x Q_tot	0,39 x Q_tot
de facto, la puissance de la (des) production (s) de chaleur sera surdimensionnée de 10 à 20 %,

Lors des calculs, des marges de sécurité sont prises sur la définition des caractéristiques thermiques des matériaux qui composent les parois.

La production de chaleur choisie dans un catalogue de fournisseur aura une puissance supérieure à la valeur calculée.

La ventilation mécanique des bâtiments doit être mise à l’arrêt en période d’inoccupation, et donc aussi pendant la relance. La ventilation mécanique représentant de l’ordre de 50 % de la puissance de chauffe d’un bâtiment bien isolé, c’est autant de puissance de relance qui se dégage. Si l’installation de ventilation est naturelle, une fermeture soit des grilles d’entrée d’air, soit des cheminées de sortie d’air est recommandée pour limiter les déperditions en période d’inoccupation. S’il s’agit d’un ancien bâtiment sans système de ventilation, portes et fenêtres resteront fermées durant la relance.

La régulation par optimisation relancera suffisamment tôt le chauffage, quitte par période exceptionnelle de gel intense, à ce que l’installation fonctionne en régime continu sans interruption.

Dès l’arrivée des occupants, des apports internes (éclairage, bureautique, …) viendront renforcer l’apport des corps de chauffe.

Les périodes de froid intense sont accompagnées de ciel serein et donc de soleil, permettant un éventuel complément de chauffe en milieu de matinée.

Et finalement, faudrait-il vraiment surdimensionner toute une installation pour une situation exceptionnelle pouvant nuire très temporairement à notre confort ?

Faut-il tenir compte des pertes de distribution ?

Non, le dimensionnement ne doit pas tenir compte des pertes dans le réseau de distribution. En effet, celles-ci sont en partie récupérées par le bâtiment et, lorsque les conduites parcourent des zones non chauffées, leur degré d’isolation est suffisant pour rendre les pertes négligeables.

Comment vérifier que le dimensionnement a été effectué correctement ?

Déperditions au travers des parois et pertes par ventilation

C’est le bureau d’études ou l’installateur qui doit effectuer le dimensionnement, c’est-à-dire calculer les déperditions du bâtiment suivant la norme NBN B62-003 (nouvelle norme NBN EN 12831 :2003). Pour cela, il a besoin de connaître :

La surface et la composition de toutes les parois qui entourent le volume chauffé du bâtiment : murs extérieurs, murs intérieurs en contact avec des locaux non chauffés, portes et fenêtres, planchers sur sol, sur cave, sur vide ventilé, toiture ou plafond sous grenier non chauffé, coupoles, …

Les températures de consigne de chacune des zones intérieures (la norme donne des valeurs indicatives à prévoir en fonction du type de local).

Ce qui signifie que si ces données n’ont pas été demandées, le dimensionnement n’a pas été réalisé selon les règles.

À titre de contrôle, on peut se faire une idée de la puissance à installer en utilisant le tableau suivant (attention, ce tableau ne peut être utilisé pour dimensionner, mais bien pour vérifier un calcul !) :

Puissance spécifique à installer [W/m³] pour une température intérieure de consigne de 19 °C, une température extérieure de base de – 8 °C et un taux de renouvellement d’air de 0,7 vol/h
Compacité du bâtiment (Volume chauffé / Surface déperditive) [m]	Niveau global d’isolation
	K35	K45	K70	K150
0,5	23,9	31,6	46,3	67,6
1	16,7	19,4	26,6	47,3
1,5	14,7	17	22,6	40,6
2	13,9	15,9	21,0	37,2
3	13,5	15,2	20,2	33,8
4	–	–	16,8	32,1

K35 = bâtiment basse énergie ;
K45 = bâtiment bien isolé (construire avec l’énergie) ;
K70 = bâtiment isolé des années 80 ;
K150 = bâtiment ancien et non isolé.

On se rend compte que l’on atteint qu’exceptionnellement une puissance de 60 W/m³. Ce ne sera que pour un petit bâtiment très peu compact (fort étalé et présentant beaucoup de recoins) et extrêmement mal isolé.

Calculs	Pour adapter ces valeurs à votre situation et contrôler le dimensionnement de votre nouvelle chaudière.
Cahier des charges	Dimensionnement de la production de chaleur. Puissance de la production combinée de chauffage et d’eau chaude sanitaire.

Puissance de relance

A la puissance nécessaire pour vaincre les déperditions au travers des parois et les pertes par ventilation, il faut adjoindre la puissance de relance en cas d’intermittence ou de ralenti nocturne. Comme le montre le tableau suivant (extrait de la norme NBN EN 12831), la puissance de relance dépend principalement :

De l’inertie du bâtiment ;
De la chute prévue de la température intérieure lors du ralenti ;
Du temps de relance toléré pour atteindre le confort.

Temps de relance pour une durée maximale de ralenti de nuit de 12 heures	f_rh W/m²
	Chute prévue de la température intérieure lors du ralenti
	2K			3K			4K
	Inertie du bâtiment
	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte	faible	moyenne	forte
1 2 3 4	18 9 6 4	23 16 13 11	25 22 18 16	27 18 11 6	30 20 16 13	27 23 18 16	36 22 18 11	27 24 18 16	31 25 18 16

L’addition des puissances dues aux déperditions des parois et des pertes par ventilations avec la puissance de relance détermine la puissance totale à prévoir pour le système de production de chaleur.

Influence de la performance de l’enveloppe du bâtiment

Facteurs d’influence

Le dimensionnement d’une installation de chauffage dépend donc :

de la charge thermique due aux déperditions au travers des parois ;
de la charge thermique due à la ventilation et aux in/exfiltrations ;
de la puissance de relance nécessaire en cas d’intermittence.

Au travers de différents exemples repris ci-dessous, on se propose d’étudier l’influence de l’amélioration de la performance de l’enveloppe d’un bâtiment.

Exemple 1

Soit un immeuble de bureau modélisé avec les caractéristiques suivantes :

Composé d’un sous-sol enterré sur la moitié de la surface au sol, d’un RDC + 2 ;
Empreinte au sol de 980 m² ;
3 411 m² de surface nette totale ;
10 233 m³ de volume intérieur ;
La hauteur sous plafond est de 2,5 m ;
Le bâtiment est équipé d’un système de ventilation double flux avec un récupérateur de chaleur de rendement thermique de 70 % ;
Le taux de renouvellement est de 1 vol/h ;
Le rendement moyen du récupérateur de chaleur sur l’air hygiénique est de 70 % ;
La compacité volumique du bâtiment (V/At) est de 3.3 ;
L’inertie du bâtiment est moyenne.

Sur base de la norme de dimensionnement NBN EN 12831 : 2003, on calcule les charges thermiques par transmission (déperditions des parois) et par renouvellement d’air, ainsi que la puissance de relance, et ce en fonction de l’évolution de la performance de l’enveloppe. On entend par performance de l’enveloppe, la prise en compte du niveau d’isolation des parois externes et de l’étanchéité du bâtiment. Une image parlante (mais à prendre avec des pincettes) est la valeur K du bâtiment.

Les hypothèses suivantes sont prises :

La température extérieure de dimensionnement est de – 8 °C ;
La température interne est de 20 °C ;
La moyenne de la température externe est de 8 °C ;
Le temps de relance est de 3 heures ;
En fonction de la performance de l’enveloppe, les hypothèses suivantes sont prises :

Niveau de performance de l’enveloppe	Taux de renouvellement n50 (h^-1)	Rendement thermique du récupérateur (%)	U moyen du bâtiment (W.m-2.K^–
K70	5	–	1.2
K45	2,5	70	0.8
K30	2	70	0.5
K19	0,6	70	0.3

Remarque : de manière tout à fait arbitraire, on considère que le bâtiment de type K70, à l’époque, n’était pas équipé d’un récupérateur de chaleur.

Le graphique suivant donne une idée de l’évolution de la puissance de chauffe en fonction du niveau d’isolation du bâtiment.

Image de la performance de l’enveloppe.

Lorsque le niveau d’isolation augmente :

Les charges thermiques par transmission diminuent. En d’autres termes, le U_moyen du bâtiment (W/m².K) s’améliore de par l’augmentation de l’épaisseur d’isolant dans les parois externes.

Les charges thermiques par ventilation et infiltration diminuent sachant que :
- Celles par ventilation du système de ventilation hygiénique restent constantes. En effet, on considère que les débits ne sont pas changés. Dans le cas du bâtiment K70, le système de ventilation n’étant pas équipé d’un récupérateur (courant sur les vieilles installations), la charge thermique augmente de 70 %.
- Celles par infiltration diminuent. Effectivement, lorsqu’on améliore le niveau d’isolation, on peut considérer qu’un soin particulier doit être pris à réduire aussi le niveau d’infiltration.

Concernant la puissance de relance :
- En absolu, elle diminue. En effet, par la pratique de l’intermittence ou de l’abaissement de la consigne de température de nuit, le bâtiment se refroidit. Plus l’enveloppe du bâtiment est performante, moins la chute de température interne sera conséquente et plus facile sera la relance.
- En relatif, par rapport aux autres charges thermiques, elle augmente comme le montre les diagrammes ci-dessous :

Exemple 2

En décidant de réduire l’inertie du bâtiment (plancher et plafond en bois par exemple), l’influence de la puissance de relance sur la puissance totale de dimensionnement se réduit comme le montre le graphique suivant.

Image de la performance de l’enveloppe.

Exemple 3

A l’inverse, quand l’auteur de projet décide de renforcer l’inertie du bâtiment (plancher et plafond en béton), l’influence de la puissance de relance sur la puissance totale de dimensionnement augmente comme le montre le graphique suivant.

Image de la performance de l’enveloppe.

En résumé

L’augmentation de la performance énergétique de l’enveloppe :

En absolu, s’accompagne d’une réduction de la puissance de dimensionnement du système de chauffage. En effet :

Les déperditions au travers des parois sont réduites de par l’isolation croissante.
Le taux d’in/exfiltrations diminue. En d’autres termes, l’étanchéité du bâtiment s’améliore.
En cas d’intermittence, la puissance de relance diminue :
- Pour un bâtiment à faible isolation, la coupure du chauffage en période nocturne ou le WE peut engendrer des variations de température entre le début et la fin de la coupure de l’ordre de 4 K.
- Pour un bâtiment à forte isolation, toute autre chose restant égale (par exemple l’inertie), l’intermittence ou le ralenti nocturne provoque une réduction de la température interne limitée. Sur une période de 12 heures, on pourrait observer une chute de température de l’ordre de 2 K par exemple.

En relatif, met en évidence une augmentation significative de la part de puissance prise en charge pour la relance. Ce qui signifie, qu’au cours d’une journée un bâtiment bien isolé :

Demandera tôt le matin une puissance de relance proche de la puissance nominale du système de chauffage, et ce pendant un temps relativement court.
- Lorsque le bâtiment sera occupé, nécessitera une puissance très faible pour contrecarrer les déperditions relativement faibles pendant un temps plus long.

Posted By : Sylvie 20 Déc, 2011

Moderniser une chaufferie existante en associant une chaudière à condensation et un cogénérateur

Intérêt énergétique, environnemental et financier

Pour rappel, que ce soit en rénovation ou en conception, la cogénération est juste là pour produire un maximum d’énergie thermique et électrique locale sur base d’un profil de chaleur. L’appoint en chauffage, via des chaudières à condensation par exemple, n’est là que pour :

Donner un « coup de pouce » en termes de puissance pendant les périodes froides ;
Prendre le relai en mi-saison lorsqu’on décide de ne pas faire fonctionner la cogénération ;
Palier à une défectuosité de la cogénération.

Scénario de départ

Le gestionnaire d’un parc immobilier décide de remplacer une des deux chaudières d’un bâtiment. Il pense naturellement à une chaudière à condensation. Mais aurait-il un intérêt à investir aussi dans une cogénération ?

Avant de se lancer dans une entreprise d’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières à condensation, il est impératif de savoir s’il existe un intérêt énergétique, environnemental et financier réel à les associer. En d’autres termes :
Vaut-il mieux se contenter :

De remplacer les anciennes chaudières par des chaudières à condensation et d’optimiser l’installation tant au niveau hydraulique qu’au niveau de la régulation du système de chauffage, et ce dans le but d’optimiser uniquement le rendement saisonnier de la chaufferie ?
De continuer à « importer » de l’électricité à partir du réseau ??

Ou faut-il viser directement l’association des chaudières avec un cogénérateur en considérant que sur site :

La cogénération consomme plus de combustible pour chauffer le bâtiment et produire de l’électricité en local ?
Les chaudières consomment un solde de combustible lorsque la cogénération ne « tourne pas » ?
Le réseau fournit le solde de besoin d’électricité ?

En se lançant dans l’aventure de la cogénération, il faut bien être conscient qu’un cogénérateur doit tourner un maximum de temps et la ou les chaudières classiques ou à condensation doivent être considérées comme un appoint à la cogénération.

Dans ce qui suit, on tente d’y répondre par l’utilisation du logiciel d’étude de pertinence de cogénération de la Région Wallonne CogenSim (version 3.11 ; 2011) :

Simulation

Le postula de départ est qu’une étude de faisabilité d’installation d’une cogénération a démontré un intérêt énergétique, environnemental et financier intéressant.

On utilisera CogenSim comme logiciel de simulation. Comme point de départ les données suivantes sont nécessaires :

Le profil de chaleur est mesuré sur place pendant au moins 2 semaines complètes.
Le profil électrique obtenu sur base d’une analyse pertinente des enregistrements :
- réalisés sur site et synchronisés avec l’analyse thermique ;
- donnés par le fournisseur d’électricité.

Profil de puissance électrique quart horaire, profil électrique mensuel.

Profil de puissance électrique quart horaire, profil électrique hebdomadaire.

En partant du principe qu’une cogénération est dimensionnée pour assurer la base du profil de besoins de chaleur, le solde étant fourni par une chaudière, plus cette chaudière sera performante, plus importante sera la réduction des consommations énergétiques pour fournir ce solde.

Calculs

Pour plus de renseignements sur le calcul de rentabilité de l’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières à condensation.

Une manière d’y arriver est de simuler une cogénération associée à une chaudière dont le rendement saisonnier évolue de 80 à 99 %.

Y a-t-il un intérêt réel d’association ?

En préliminaire, il faut toutefois faire remarquer que le cas simulé dans la note de calcul est très favorable à l’investissement dans une cogénération. En effet, les profits des besoins de chaleur et d’électricité se complètent bien. Tous les projets ne sont pas toujours aussi favorables ! Par exemple, lorsque le besoin de chaleur est faible par rapport à la demande d’électricité, l’investissement dans une cogénération n’est pas toujours rentable.

A voir donc au cas par cas !

Concevoir

Pour plus de renseignements sur les cogénérateurs

Niveau énergétique

En partant du principe :

que pour les profils de chaleur et d’électricité mesurés précisément, l’étude précise de faisabilité du placement d’une cogénération est intéressante énergétiquement, environnementalement et financièrement parlant ;
que le remplacement d’au moins une chaudière existante est acquis ;

l’association d’une ou de plusieurs chaudières à condensation au cogénérateur est un plus énergétique comme le montre le graphique suivant :

Évolution des consommations en énergie primaire.

Niveau environnemental

La réduction des émissions de gaz à effet de serre est liée à la différence des consommations en énergie primaire de la nouvelle chaudière et du cogénérateur par rapport à celles de l’ancienne chaudière et de la centrale électrique. Dans le cas étudié dans la note de calcul , la réduction des émissions de CO₂ est effective même pour une cogénération au gaz et sera d’autant meilleure que le rendement des chaudières d’appoint sera élevé. On privilégiera donc les chaudières à condensation. Le bilan environnemental sera naturellement influencé par le type de combustible utilisé par la cogénération. En effet, le nombre de certificats verts octroyés (CV) sera d’autant plus important que le combustible sera renouvelable (bois, huile végétale, …).

Niveau financier

Quant au bilan financier, il est en général lié aux éléments principaux suivants :

aux coûts imputés aux consommations des différents combustibles et aux frais de maintenance ;
à l’investissement :
- dans l’installation de la cogénération et de la (des) chaudière(s) ;
- dans la modification du circuit hydraulique primaire ;
- dans l’adaptation de la régulation de la cascade cogénération/chaudière(s) ;
à l’octroi des primes et des certificats verts (CV) ;
à l’autoconsommation maximale de l’électricité produite par la cogénération (réduction de la facture électrique) ;
à la revente résiduelle d’électricité. Attention à ne pas devenir producteur d’électricité.

Le bilan financier est très variable. La rentabilité de la cogénération provient du gain engendré sur la facture électrique et les CV. Le premier gain est très important d’où l’importance d’auto consommer un maximum l’électricité produite par la cogénération pour maximiser la rentabilité de l’installation.

Aspect hydraulique et de régulation

Condition de cohabitation

On rappelle ici que la cogénération est maître dans l’association cogérateur(s)/chaudière(s). Ce qui signifie que, si l’étude de faisabilité de la cogénération a été réalisée correctement, elle doit fonctionner pendant une partie non négligeable de la saison de chauffe (un ordre de grandeur de 4 à 5 000 heures est courant pour une rentabilité acceptable). Tout dépend naturellement du profil de chaleur du bâtiment considéré. La cohabitation n’est effective que lorsque le besoin de chaleur est supérieur à la puissance de la cogénération.

Pour qu’une cogénération puisse cohabiter avec une ou plusieurs chaudières à condensation, il faut en même temps alimenter :

La chaudière à condensation avec un retour en chaufferie le plus froid possible (pour le gaz < 55 °C) ;
Le cogénérateur avec un retour dont la température n’est pas inférieure à 60 °C.

C’est à ce niveau que les aspects d’adaptation des circuits hydrauliques et de la régulation ainsi que la disposition des équipements de production, les uns par rapport aux autres, prennent toute leur importance.

Avant d’entamer un projet de grand « chambardement » au niveau de la chaufferie, il faut d’abord savoir si, en fonction des différents besoins de chaleur, on peut ramener un retour d’eau « froid » au niveau de la chaufferie. Pour être franc, c’est important, mais pas fondamental ! En effet, que la chaudière à condensation condense ou pas, en général son rendement est meilleur que celui d’une chaudière classique (les échangeurs des chaudières à condensation sont surdimensionnés). Mais il serait quand même dommage d’investir dans une technologie pointue pour ne pas ou peu l’exploiter !

Le retour froid en chaufferie est, entre autres, conditionné par le régime de température des émetteurs. Ce régime est déterminé en fonction de la charge thermique par déperdition au travers des parois et par in/exfiltration ainsi que la charge thermique par ventilation hygiénique des différents locaux du bâtiment :

> Pour un « bâtiment passoire », les besoins thermiques sont importants. Pour les contrecarrer, il est nécessaire de produire de la chaleur à haute température (régime 90-70 °C). En période froide, un retour à 70 °C ne permettra pas à la chaudière de condenser pleinement.

> Pour un bâtiment dont la performance de l’enveloppe a été améliorée (isolation des parois, remplacement de châssis à simple vitrage par des châssis à double vitrage à basse émissivité, placement de récupérateur de chaleur sur un système de ventilation à double flux, …), les régimes de température pourront avantageusement être revus à la baisse (régime 80-60 °C ou encore 70-50 °C).

Aspect hydraulique

Température de retour

Lorsqu’on peut envisager un retour froid au niveau de la chaufferie, il est souvent nécessaire de modifier le circuit (hydraulique des chaudières et de la distribution primaire). Vannes à 4 voies, bypass, …

En première approximation, on pourrait dire que si l’hydraulique permet de faire cohabiter une chaudière à condensation avec une chaudière classique à plus haute température, il n’y a pas de raison pour qu’elle ne puisse pas cohabiter avec une cogénération. En effet, les chaudières classiques et les cogénérations nécessitent un retour d’environ 60 °C minimum, et ce pour éviter justement la condensation des fumées de combustion qui leur est néfaste. À noter qu’une température de retour de 70 °C est un maximum.

Exemple de configuration hydraulique

L’exemple repris ici est une configuration parmi d’autres. En rénovation, c’est quasi du cas par cas. Il sera toujours nécessaire de faire appel à un bureau d’étude spécialisé maîtrisant à la fois les techniques liées à la cogénération et aux chaudières qu’elles soient traditionnelles ou à condensation.

Dans les chaufferies existantes d’un certain âge, on retrouve régulièrement la même configuration :

Deux chaudières traditionnelles à brûleur à deux allures travaillant sur sonde de température d’eau chaude de départ. Pour les chaudières plus récentes, elles pourraient être équipées d’un bruleur modulant piloté par une courbe de chauffe tout en prenant soin de ne pas atteindre la température de condensation dans l’échangeur.
Le collecteur est bouclé.
Deux pompes primaires en parallèle assurent le débit nominal.

Chaufferie existante : chaudières classiques.

Remplacement d’une chaudière existante par une chaudière à condensation et placement d’une cogénération.

En rénovation, on décide de remplacer une des chaudières traditionnelles par une chaudière à condensation. De plus, on décide d’y adjoindre une unité de cogénération.
Les modifications à apporter à l’hydraulique sont les suivantes :

L’hydraulique de la chaudière traditionnelle est modifiée : il est nécessaire de lui assurer un débit et une température de retour minimum. Une vanne 3 voies-mélangeuse et un circulateur permettent d’y arriver.

Le cogénérateur et son ballon tampon sont en tête de cascade. C’est lui qui fournit la chaleur en priorité via le ballon tampon en modulant de 60 à 100 % de sa puissance thermique. Certains constructeurs sont contre la modulation de puissance, car il est vrai qu’elle dégrade principalement le rendement électrique : on perd de l’ordre de 1 à 2 %. Cependant le fait d’essayer d’atteindre les 100 % en permanence risque de faire « pomper » la cogénération (marche/arrêt successifs) ; ce qui réduit la durée de vie de la cogénération. Sans rentrer dans les détails, on parvient à limiter cet effet par la présence d’un ballon tampon bien dimensionné et du contrôle de son taux de charge.
La chaudière à condensation est positionnée hydrauliquement pour amener un appoint à la cogénération si le besoin de chaleur dépasse la puissance nominale de la cogénération. La chaudière à condensation est équipée de deux retours permettant de différencier la haute et la basse température avant la dérivation vers l’ensemble ballon tampon/cogénérateur. La dérivation vers l’échangeur haute température passe d’abord vers l’installation de cogénération ; celle vers l’échangeur à condensation (basse température) est directe.
Le maintien des deux pompes primaires est inutile sachant que l’ancienne chaudière a maintenant son propre circulateur pour assurer la mise à température de son retour si nécessaire et que le ballon et la chaudière à condensation seront irrigués par les circulateurs secondaires. On notera toutefois que les circulateurs secondaires devront être remplacés de manière à adapter les débits et les hauteurs manométriques. Dans la même lignée, le bouclage sera supprimé. On restera toutefois attentif à ce que les circulateurs des circuits secondaires puissent assurer la prise en charge des pertes de charge du circuit primaire (collecteur principal, chaudière à condensation, …).
Attention que, dans le cas où le collecteur est éloigné, le bouclage de collecteur doit être maintenu, mais néanmoins « bridé » de manière à assurer, par un débit minimum, un maintien en température du collecteur. Il s’ensuit qu’une pompe à débit variable doit remplacer les deux pompes de circulation existantes.

Exemple de configuration hydraulique délicate

Le positionnement hydraulique de la cogénération par rapport aux chaudières a toute son importance. Sans y prendre garde, on peut vite arriver à des situations qui, après coup, deviennent ingérables tant au niveau de l’équilibrage hydraulique que de la régulation comme, par exemple, une cogénération qui se « repique » sur une réserve en bout du collecteur principal :

Remplacement d’une chaudière existante par une chaudière à condensation et placement d’une cogénération en bout de collecteur.

En rénovation l’installateur et le maître d’ouvrage seront tentés d’utiliser un départ/retour de réserve du collecteur pour installer la cogénération. En effet, cette configuration permet :

de s’en sortir à moindre coût au niveau de la modification de l’hydraulique de l’installation ;
de ne pas interrompre la production de chaleur. Par exemple lorsque les circuits de chauffage et d’ECS sont branchés sur le même collecteur et que l’ECS a un profil de puisage relativement continu (cas des hôpitaux).

Cette configuration est simple à mettre en œuvre, mais elle pose un certain nombre de problèmes difficiles à solutionner par la suite, à savoir :

des déséquilibres hydrauliques importants sont inévitables. On pourrait très bien se retrouver avec un « conflit » de production, les chaudières et certains circuits de distribution devenant émetteurs ou l’inverse ;
des problèmes de régulation de cascade comme par exemple le « pompage » de la cogénération.

Aspect régulation

La globalisation de la régulation tant au niveau de la cascade des chaudières que de la cogénération est primordiale. Dans des projets existants, on trouve trop souvent des cogénérateurs avec leur propre régulation qui viennent se « greffer » sur une cascade existante de chaudières, elles-mêmes avec leur propre système de régulation. Travailler avec un seul fabricant garantit la compatibilité.

Pour bien réguler l’ensemble de l’association chaudières classiques/chaudières à condensation/cogénérateur, on considérera l’ordre de priorité suivant :

Zone 1 : priorité à une chaudière à condensation pour les faibles besoins de mi-saison par exemple. C’est intéressant de faire fonctionner la chaudière à condensation à faible charge sachant que dans une plage de modulation de 10 à 50 % voire 60 %, ce type de chaudière est très performant au niveau énergétique.
Zone 2 : priorité au cogénérateur durant la saison de chauffe. Pendant cette période, il module entre 60 et 100 % de sa puissance thermique nominale. Suivant le profil de besoin, la quantité de démarrages peut être limitée, « ce qui lui sauve la vie ! » .
Zone 3 : le cogénérateur travaille à 100 % de son taux de charge et la chaudière à condensation module de 10 à 100 %. À noter toutefois que pour quelques heures par an, la seconde chaudière peut donner un appoint. = Zone 4.

Techniques

Pour plus de renseignements sur la régulation de l’association chaudières classiques/chaudière à condensation/ cogénérateur.

Posted By : Sylvie 20 Déc, 2011

Évaluer l’efficacité des chaudières en association avec une cogen

Évaluer l’efficacité énergétique primaire de l’association d’un cogénérateur avec une ou plusieurs chaudières

Rappel : intérêt de la cogénération

Au moment d’investir dans une cogénération, l’objectif du gestionnaire de bâtiments était de réduire sa facture énergétique et ses émissions de CO₂ tout en bénéficiant d’incitants financiers sous forme de prime et de certificats verts (CV).

Rappelons que l’intérêt de la cogénération est de couvrir un maximum de besoins de chaleur du bâtiment tout en produisant localement de l’électricité. En général, on s’accorde à dire qu’un seuil de l’ordre de 4 500 heures/an permet d’avoir une certaine rentabilité financière, mais cela dépend fortement du profil du bâtiment analysé. Une cogénération est toujours associée à un système de chauffage. En effet, on rappelle qu’une cogénération est placée au sein d’une installation de chauffage pour produire une base des besoins thermiques d’énergie thermique et électrique, mais pas pour fournir un appoint de puissance. De plus, c’est un équipement qui reste fragile par rapport aux cycles marche/arrêt fréquents. La plupart des chaufferies existantes, où une cogénération a été placée, sont équipées de chaudières d’ancienne génération. Cependant, on commence à rencontrer des chaufferies où le gestionnaire a fait le pas d’associer une cogénération à une, voire plusieurs chaudières à condensation.

Evaluer

Pour en savoir plus sur l’intérêt d’associer une cogénération à une ou plusieurs chaudières à condensation.

Efficacité énergétique primaire

Lorsqu’on parle de l’association d’une cogénération avec un ensemble de chaudières, le rendement saisonnier thermique d’une chaufferie n’a plus beaucoup de sens sachant :

Qu’un cogénérateur produit de la chaleur avec un rendement thermique très mauvais (de l’ordre de 55 %).

Qu’une ou plusieurs chaudières à condensation sont dotées d’un très bon rendement thermique (de l’ordre de 102 à 107 % par exemple).

Qu’une installation de cogénération produit en plus de l’électricité.

En comparant les rendements thermiques et en se focalisant uniquement au niveau de la couverture des besoins de chaleur de la chaufferie, on pourrait conclure qu’on n’a pas du tout intérêt à produire de la chaleur avec un module de cogénération. L’intérêt est naturellement au niveau de l’efficacité énergétique primaire.

Efficacité énergétique primaire.

Pour pouvoir donner une idée de l’efficacité énergétique primaire de l’ensemble de la chaufferie cogénérateur/chaudières, il est nécessaire, vu la production d’électricité par la cogénération) de « ramener » toutes les considérations énergétiques au niveau du bilan en énergie primaire. L’idée est de comparer les consommations primaires de l’ensemble cogénérateur/chaudières par rapport aux consommations de chaleur et d’électricité que l’on aurait eu en considérant :

Que toute la chaleur est produite avec des chaudières du même type que celles qui donnent l’appoint à la cogénération et ce avec un rendement saisonnier similaire.

Que l’électricité est « importée » entièrement du réseau électrique.

Pour réaliser ce comparatif, il est nécessaire d’effectuer des mesures.

Mesures

En principe, lors de l’acquisition d’une installation de cogénération, des compteurs ont dû être placés sur les différents équipements (selon la CWaPE) :

des compteurs de chaleur sur le circuit hydraulique du cogénérateur ;
un compteur électrique sur le réseau électrique du cogénérateur et ce afin de mesurer sa production électrique ;
des compteurs des consommations de combustible sur l’alimentation du cogénérateur et de chaque chaudière d’appoint.

Dans le cas contraire, il n’est pas trop tard pour en placer sachant que la gamme des compteurs de chaleur qui existe sur le marché est large et pour toutes les bourses (150 à 1 800 €).

Mesures

Pour en savoir plus sur la mesure de l’énergie thermique.

Compteurs de chaleur

En additionnant la mesure des compteurs de chaleur des chaudières d’appoint et du cogénérateur on peut reconstituer la consommation qu’auraient les mêmes chaudières d’appoint sans cogénérateur sur base de leur rendement saisonnier calculé comme suit :

η_chaudière = Σ Compteurs chaleur (kWhth) chaudières / Σ Consommation combustible (kWhth) chaudières

La consommation de chaleur qu’auraient produit les chaudières sans cogénérateur serait :

Consommation combustible (kWhth) chaudières sans cogen =
Σ Compteurs chaleur (kWhth) chaudières + Compteur chaleur cogen (kWhth) /
η_chaudière

Compteurs électriques

De la même manière que les compteurs de chaleur, en additionnant la mesure des compteurs électriques du cogénérateur et de l’appoint du réseau, on peut reconstituer la consommation de combustible qu’aurait eu la centrale électrique pour produire l’ensemble de l’électricité sans le cogénérateur.

Consommation combustible (kWhth) centrale électrique sans cogen =
Compteur électrique cogen (kWhélec) + Compteur électrique réseau (kWhélec) /
0.4 (selon la CWAPE )

Calcul de l’efficacité énergétique primaire

L’efficacité énergétique de l’association d’une cogénération et d’une ou de plusieurs chaudières se calcule comme suit :

(Consommation combustible (kWhth) centrale électrique + Σ Consommation combustible (kWhth) chaudières sans cogen) /
(Consommation combustible cogen + Σ Consommation combustible (kWhth) chaudières + Consommation combustible (kWhth) centrale électrique)

Attention que ce calcul donne un ordre de grandeur de l’efficacité énergétique primaire sachant que le rendement calculé sur base de la performance des chaudières d’appoint avec cogénérateur est sous-estimé. En effet, les chaudières d’appoint produisent de la chaleur dans des conditions moins favorables que si elles étaient seules. En présence d’un cogénérateur, il est plus difficile de valoriser les bonnes performances d’une chaudière à condensation par exemple (les températures de retour d’eau risquent d’être plus chaudes).

Comptabilité énergétique

Pour gérer ces calculs et ces mesures, il est impératif de mettre au point une comptabilité énergétique qui permettra pratiquement au jour le jour de voir l’évolution des consommations et, par conséquent, de déceler des anomalies de fonctionnement en chaufferie.

Gérer

Pour en savoir plus sur la comptabilité énergétique.

Déceler les dysfonctionnements de la cogénération et des chaudières

Constat : la cogénération fonctionne très peu d’heures !

Lorsque la cogénération fonctionne un nombre d’heures nettement inférieur à ce que l’étude de faisabilité de cogénération prévoyait, on s’en rend compte souvent trop tard lorsque la période de garantie est terminée. En effet, il faut régulièrement tabler sur un voire un an et demi pour pouvoir établir la rentabilité énergétique, environnementale et financière de l’ensemble de la chaufferie, en ce compris la cogénération. Malgré tout, un diagnostic doit être réalisé. En effet, le problème peut être mineur et facile à résoudre.

Voici quelques pistes de pré-diagnostic avant de faire appel à l’installateur initial ou à un bureau d’étude en audit énergétique.
On pointera principalement :

Les profils des besoins de chaleur et d’électricité sont différents de ceux imaginés lors de l’étude de faisabilité.

La régulation de chaque équipement et de l’ensemble de la cascade des équipements, à savoir :
- l’ordre de priorité de la cogénération par rapport à la ou les chaudières ;
- la régulation individuelle de la cogénération ;
- la régulation individuelle de chaque chaudière.

L’hydraulique de l’installation.

Évolution des profils des besoins

Le temps entre l’étude de faisabilité et la mise en service d’une installation de cogénération peut être important dans certains cas. En effet, pendant cette période, les profils des besoins de chaleur et d’électricité peuvent changer. Le gestionnaire de bâtiments peut très bien mener des actions URE, voire entreprendre des actions importantes :

d’isolation des parois, de la toiture, … ;
de remplacement de vitrage simple par des doubles vitrages à basse émissivité ;
de récupération de chaleur sur la ventilation hygiénique ;
de limitation des consommations d’eau chaude sanitaire ;
de réduction des consommations électriques sur l’éclairage, la bureautique, les moteurs de ventilation, … ;
…

C’est vrai que l’on (doit ?) peut tenir compte des actions URE dans les études de faisabilité ! Mais il reste difficile d’évaluer exactement dans quelle proportion les profils de consommations vont évoluer.

Toujours est-il que c’est une des causes possibles de manque de rentabilité énergétique de la cogénération. En effet, une diminution des besoins de chaleur fera en sorte que la cogénération s’arrêtera plus rapidement avec pour effet retardé de réduire le nombre d’heures de fonctionnement sur une année.

Pour pouvoir objectiver la part de réduction due aux actions URE, il est nécessaire d’avoir mis une comptabilité énergétique performante sur base des relevés des compteurs de chaleur et électriques.

Régulation et commande des équipements

Régulation de l’ensemble

Dans l’association d’une cogénération avec une ou plusieurs chaudières, l’objectif, comme on l’a déjà précisé, est que la cogénération fonctionne un maximum d’heures sur l’année. Elle devrait donc être « en tête » de cascade ! Attention toutefois qu’une cogénération ne peut, en général, moduler qu’entre 60 et 100 % de son taux de charge thermique. En dehors des périodes de fonctionnement de la cogénération dans sa zone de modulation en puissance, il est nécessaire d’assurer les besoins de chaleur par les chaudières.

Suivant le schéma ci-dessus on établit la logique de cascade suivante :

Zone 1
Pour un besoin inférieur à 24 % de la puissance totale, ce sont les autres chaudières qui doivent être en « tête » de cascade. Si la chaufferie est équipée d’une chaudière à condensation, pour autant qu’elle soit dans des bonnes conditions de condensation, c’est elle qui doit assurer le besoin de chaleur. Avec sa capacité à moduler de 10 % à 100 % de son taux de charge, avec un excellent rendement à faible charge, la chaudière à condensation est tout indiquée.

Zone 2
Dans la plage de 24 à 40 % de la puissance totale nécessaire, la cogénération doit fonctionner en permanence. Si ce n’est pas le cas, le premier réflexe est de regarder au niveau de la régulation propre à la cogénération.

Zone 3
Pendant les périodes de grands froids, la cogénération ne sera pas suffisante pour assurer les besoins de chaleur du bâtiment considéré. Il sera nécessaire de lui adjoindre une chaudière afin de lui donner le « coup de pouce sauveur ». Cette opération est délicate en fonction du type de chaudière qui vient faire l’appoint. Un développement trop important de puissance de la part de la chaudière peut faire en sorte que la cogénération s’arrête.

Techniques

Pour plus de renseignements sur la régulation de l’association chaudières classiques/chaudière à condensation/ cogénérateur.

Pour différents besoins de chaleur, on peut évaluer si la cascade est correcte. Naturellement, il est nécessaire de choisir correctement les périodes pendant lesquelles on peut évaluer le fonctionnement de la régulation générale. Pendant ces périodes, sur base de la logique de régulation de cascade et en la croisant avec le taux de charge des différents équipements, on peut évaluer la bonne régulation de l’ensemble :

En mi-saison et en début d’été, le régulateur général doit privilégier la ou les chaudières à condensation. Si le régulateur général affiche la valeur de puissance des chaudières, une bonne régulation donnera un taux de charge (Puissance affichée / Puissance nominale de la ou des chaudières) compris entre 10 et 24 % de la puissance totale.

En hiver, lorsque la température externe n’est pas trop froide, la cogénération doit fonctionner seule. Une régulation correcte donnera un taux de charge (Puissance affichée / Puissance nominale du cogénérateur) compris entre 24 et 40 % de la puissance totale.

En période très froide, le taux de charge du cogénérateur doit être de 100 % pendant de longue période de fonctionnement et le taux de charge d’une voire deux chaudières comprit entre 10 et 100 %.

Régulation interne de la cogénération

La régulation interne de la cogénération est assez complexe en soi. Sans rentrer dans les détails, on donne ici quelques pistes de réflexion. Le nombre d’heures de fonctionnement et le nombre de démarrages de la cogénération associée à un ballon tampon peut être influencé par la régulation :

Selon le rapport entre le besoin instantané de chaleur (en kWth) et la puissance nominale de la cogénération en dessous duquel la cogénération reste à l’arrêt. Pratiquement, cette régulation s’exprime par sa capacité à gérer la modulation de puissance thermique de la cogénération. Une cogénération classique peut en général avoir une modulation de puissance entre 60 et 100 %.

Du taux de charge du ballon associé. En dessous d’une certaine valeur de taux de charge maximum, la cogénération module en puissance. Plus ce taux de charge maximum est élevé, plus la cogénération commence à « pomper » (marche/arrêt important). Ce qui nuit naturellement à longévité du cogénérateur.

Des indicateurs de bon fonctionnement de l’ensemble ballon tampon/cogénérateur sont :

Un écart de température entre le bas et haut du ballon suffisant pour permettre une modulation de puissance de la cogénération (de l’ordre de 20 K), autrement dit, une bonne stratification du ballon.

Pour éviter le pompage de la cogénération :
- un différentiel suffisant entre la température donnée par la sonde du haut du ballon et la valeur de consigne de redémarrage de la cogénération (de l’ordre de 5 K) ;
- un différentiel suffisant entre la température donnée par la sonde du bas du ballon et la valeur d’arrêt de la cogénération (de l’ordre de 5 K) ;

En première approche, on pourrait conseiller aux gestionnaires, lorsque la cogénération fonctionne seule, (période pas trop froide), d’évaluer de manière régulière le temps de fonctionnement de la cogénération et surtout le nombre d’arrêts- redémarrages, de démarrage :

un nombre trop important de démarrages ;
un temps de fonctionnement court ;
une mauvaise stratification dans le ballon ;
…

devront décider les gestionnaires à faire appel soit à l’installateur, à la société de maintenance ou soit à un auditeur.

Régulation individuelle des chaudières d’appoint par rapport à la cogénération

la rentabilité de la cogénération ;
la durée de vie de la cogénération tout en augmentant le risque de panne.

Immanquablement, la chaudière d’appoint devra démarrer :

pour les anciens modèles en petite flamme ;
pour les modèles récents au minimum de la plage de modulation (à 10 % pour une chaudière à condensation par exemple).

Hydraulique de l’installation

Le regroupement des équipements de production de chaleur en amont du collecteur principal est primordial pour que le fonctionnement conjoint des chaudières et des cogénérateurs permette une optimisation énergétique de l’ensemble.

Une source de perturbation que l’on peut rencontrer sur des installations existantes est le placement d’une cogénération sur un départ/retour existant du collecteur. C’est en général la solution de facilité pour les raisons suivantes :

La modification hydraulique est réduite.

Il n’y a pas d’interruption dans le fonctionnement de l’installation de chauffage. Dans le cas où, par exemple, l’installation de chauffage doit produire en permanence de l’ECS. C’est le cas dans les hôpitaux où l’installation d’ECS n’a pas sa production propre. Ceci dit, il est toujours possible de trouver un compromis.

Les conséquences de cette configuration pourraient être les suivantes :

problème d’équilibrage des circuits;
difficulté de réguler correctement l’association des chaudières avec les cogénérateurs.

Dans ce cas de figure, il y aura lieu de reconsidérer l’hydraulique en faisant appel à un auditeur spécialisé.

Exemple de configuration délicate :

Le schéma ci-dessous montre que l’installation du cogénérateur s’est réalisée à postériori. Probablement parce qu’un départ/retour était disponible en bout de collecteur, le circuit de l’installation de cogénération a été placé à l’opposé de la production de chaleur des chaudières.

Exemple de configuration correcte :

On voit ci-dessous que le cogénérateur et les chaudières sont placés d’un même côté par rapport à la distribution de chaleur.

S’assurer que les retours sont froids

Lorsque la chaudière d’appoint est une chaudière à condensation, en période de grand froid la cogénération fonctionnera en même temps que la chaudière à condensation. L’hydraulique de l’installation a toute son importance dans le sens où le retour d’eau chaude vers la chaufferie doit être :

le plus froid possible pour favoriser la condensation de la chaudière à condensation ;

adapté aux spécifications de température de retour minimale exigées par le constructeur de cogénération.

On se retrouve ici dans le même cas de cohabitation que celui de chaudières classiques avec une chaudière à condensation, avec une différence de taille : c’est la cogénération qui doit fonctionner un maximum d’heure par an et accessoirement la chaudière à condensation qui doit condenser en support de la cogénération en période froide ou en remplacement de la cogénération lorsque celle-ci ne fonctionne pas.

Cependant, énergétiquement parlant, l’idéal est que l’hydraulique soit conçue pour favoriser à tout moment des retours froids quitte à le réchauffer par un by-pass au niveau des chaudières classiques et du cogénérateur. L’inverse ne fonctionne pas !

Ce cas de figure peut arriver lorsqu’une chaudière classique, faisant partie d’un ensemble chaudières classiques/cogénération a été remplacée par une chaudière à condensation sans modification de l’hydraulique. Dans cette configuration, il y a des chances pour que la chaudière à condensation en appoint de la cogénération ne puisse pas condenser.

On pointera principalement :

un collecteur bouclé ;
une bouteille casse-pression pas ou mal régulée;
…

Posted By : Sylvie 8 Déc, 2011

Isoler entre les éléments de structure d’un plancher inférieur [Améliorer]

Mesures préliminaires

Si le plancher présente des problèmes d’humidité, ceux-ci doivent d’abord être supprimés. En cas d’attaque par des insectes ou par des champignons, les parties atteintes doivent être enlevées et éliminées. Les parties saines et les nouvelles pièces doivent être traitées à l’aide de produits adaptés préventifs et curatifs si nécessaires. En effet, le fait de changer la composition du plancher entraîne une modification des conditions hygrothermiques des éléments. En outre, lorsque l’isolant et les finitions seront placés, il ne sera plus possible d’atteindre les parties cachées et il sera donc trop tard pour intervenir de manière économique.

Choix du système

> Le choix du système d’isolation par l’extérieur se fait en fonction des critères suivants :

la présence ou non d’une finition sur la face inférieure et l’accès à celle-ci ;
l’état des finitions existantes ;
les différentes possibilités ;
les performances énergétiques ;
le prix.

La finition sur la face inférieure

Lorsque la face inférieure du plancher est facilement accessible et qu’elle n’est pas recouverte d’une plaque de finition. L’accès est libre pour placer un isolant thermique. L’isolant devra être en panneaux suffisamment souple pour s’adapter à la forme des alvéoles et suffisamment compact pour pouvoir être fixé efficacement. Par le bas, la pose d’un isolant en vrac n’est pas possible. Après la pose des panneaux isolants, des plaques de finition peuvent être placées sur la face inférieure du plancher.

L’état des finitions existantes

En fonction de son état, on choisira la face à démonter (supérieure ou inférieure). Si les deux faces sont dans des états similaires, on comparera les coûts des interventions pour savoir laquelle sera démontée. Dans l’estimation du coût, il sera tenu compte des frais nécessités par la pose d’une barrière étanche à l’air.

Les différentes possibilités d’isolation à l’intérieur de la structure

Le freine-vapeur devra être mis en œuvre si nécessaire (à évaluer en fonction de la composition du plancher : nature et épaisseur des couches). Il est cependant toujours conseillé pour garantir l’étanchéité à l’air du plancher.

Les performances énergétiques

Il faut profiter de tout l’espace disponible pour y introduire l’épaisseur maximale possible d’isolant. Le coût de la main-d’œuvre est identique. Seule la quantité d’isolant augmente.

La structure en bois ne pouvant être supprimée, la transmission thermique est plus importante à l’endroit de celle-ci. Il en est tenu compte dans l’évaluation du coefficient de transmission thermique (équivalent) du plancher. Malgré cela, à cause de l’épaisseur importante généralement disponible pour l’isolant, des performances élevées peuvent être atteintes.

Le prix

« Le nerf de la guerre…! »
La fourniture et la pose de l’isolant lui-même sont peu couteux par rapport aux travaux annexes (démontage et remontage d’une des faces, réparation éventuelle de la structure, traitement du bois, pose d’une barrière d’étanchéité à l’air).

Choix de l’isolant

Type d’isolant

L’isolant est placé dans les espaces laissés libres par la structure. Ces espaces sont généralement de dimensions et formes irrégulières. L’isolant doit donc être suffisamment souple pour épouser ces irrégularités. On utilisera donc des matelas isolants en laine minérale ou en matériaux naturels ou, si c’est possible (cavités bien fermées dans le bas), les mêmes matériaux déposés en vrac ou insufflés.

La migration de vapeur à travers le plancher devra être régulées par la pose, du côté intérieur d’un freine-vapeur étanche à l’air adapté à la finition extérieure et au type d’isolant posé (hygroscopique ou non).

Épaisseur de l’isolant

Les épaisseurs d’isolant sont déterminées en fonction de l’espace disponible. Idéalement, celui-ci doit être totalement rempli.

Conseils de mise en œuvre

> On évitera toute cavité dans l’isolant afin de ne pas créer de zones froides, des courants internes de convection ou d’aggraver les fuites d’air en cas de défectuosité du freine-vapeur. Les panneaux isolants doivent donc être posés de manière parfaitement jointive et appliqués contre les éléments de structure et les faces.

Posted By : Sylvie 7 Déc, 2011

Isoler un plancher inférieur par le haut [Améliorer]

Mesures préliminaires

Si le plancher présente des problèmes d’humidité provenant des appuis ou du sol, l’isolant doit être étanche à l’eau. Un film étanche (eau et air) est placé sur l’isolant, en dessous de la surface circulable (chape avec finition).

Il faudra être attentif à ce que le traitement du plancher ne provoque pas l’apparition ou l’aggravation de problèmes d’humidité dans les murs en élévation au-dessus du plancher. Auquel cas la base des murs devra également être traitée (membrane étanche insérée ou injection d’un produit hydrofuge).

Choix du système

> Le choix du système d’isolation par l’intérieur se fait en fonction des critères suivant :

la possibilité d’alternative
les performances à atteindre
l’esthétique recherchée
les performances énergétiques
le prix

La possibilité d’alternative

Lorsque le plancher inférieur est posé sur le sol ou que sa face inférieure n’est pas accessible, la seule possibilité d’améliorer la résistance thermique de celui-ci est de l’isoler par le haut.

L’isolation éventuellement se limiter à la zone périphérique du plancher, le long des façades. (La résistance mécanique de la chape flottante devra être vérifiée en rive d’isolant).

Isolation périphérique horizontale.

Isolation périphérique verticale.

Les performances à atteindre

L’étanchéité à l’air du plancher doit être assurée. Cela ne pose pas de gros problème lorsque le support est en béton coulé sur place. Il suffit dans ce cas de traiter les raccords de la dalle du plancher avec les murs périphériques. Par contre, lorsqu’il s’agit d’un plancher léger à ossature et éléments assemblés une couche spéciale d’étanchéité à l’air doit être prévue. Elle fait en même temps office de pare-vapeur et doit être posée entre l’isolant et la plaque circulable.

L’esthétique recherchée

Toutes sortes de finitions de sol sont possibles. Elles peuvent être lourdes (chape + finition) ou légères (panneau fin ou planches + finition éventuelle).

La raideur de l’isolant devra être adaptée au type de finition. Des joints de mouvement devront être prévus dans la finition pour éviter la rupture de celle-ci.

Si l’isolant est trop souple et ne résiste pas à l’écrasement, des lambourdes seront placées pour porter la plaque circulable.

Les performances énergétiques

Parfois l’espace disponible pour poser l’isolant est limité (hauteur sous linteau des portes par exemple). Dans ce cas, l’isolant devra être le plus performant possible pour atteindre les valeurs souhaitées (λ le plus petit possible). Des isolants moins performants seront choisis lorsque la place disponible est suffisante et que d’autres de leurs caractéristiques sont intéressantes (étanchéité à l’eau, étanchéité à la vapeur, résistance à la compression, prix, caractère écologique, …).

Le prix

« Le nerf de la guerre…! »

L’isolation par le haut nécessite généralement la démolition du revêtement existant pour gagner de la hauteur disponible ou pour ne pas surcharger la dalle. Ce coût peut être important (enlèvement, évacuation, protections, réparation de la surface, nettoyage, …) Il est donc économiquement préférable, si possible, de poser la nouvelle isolation sur la finition existante.

Le coût de la finition dépendra des choix esthétiques et des performances attendues (résistance mécanique, résistance à l’eau, aspect, facilité d’entretien, …).

Plancher. Si l’isolant reste apparent, le coût des travaux dépendra principalement de la difficulté d’accès à la face inférieure du plancher (vide sanitaire de hauteur réduite).

Lorsque l’isolant est revêtu par une finition extérieure, le choix de cette finition (structure portante comprise) influencera fortement le coût des travaux.

Si on souhaite rendre les nœuds constructifs (appuis) conformes aux critères de la réglementation PEB en prolongeant de chemin de moindre résistance thermique, le coût des travaux annexe peut être considérable surtout si les appuis sont nombreux.

Choix de l’isolant

Type d’isolant

Les isolants mis en œuvre devront être adaptés aux contraintes spécifiques au projet (résistance à la compression, résistance à l’eau, …).

Lorsque le support est irrégulier, la pose d’un isolant en matelas souples ou projeté sur place est préférable pour épouser les défauts. Si l’isolant est rigide, il est nécessaire de régler le support avant de poser l’isolant.

Épaisseur de l’isolant

Les épaisseurs d’isolant sont calculées à partir des performances à atteindre.

Conseils de mise en œuvre

> Les panneaux isolants doivent être posés de manière parfaitement jointive et appliqués contre le plancher afin d’éviter les interruptions dans la couche isolante (= pont thermique).

> Il faut protéger et manipuler les panneaux isolants avec précautions pour éviter les écrasements, les déchirures, l’eau, la boue.

Détails d’exécution

L’isolation par le haut d’un plancher existant sera interrompue à chaque mur. À cet endroit le pont thermique est difficile à éviter. L’interposition d’un élément isolant entre le mur d’appui et la dalle est très difficile, voire impossible et de toute manière très coûteuse.

La présence éventuelle du sol sous la dalle réduit l’impact des ponts thermiques sauf à proximité des façades.
La finition du sol et des murs à proximité de ces ponts thermiques devra être capable de supporter une humidité importante éventuelle sans se détériorer.

Posted By : Sylvie 7 Déc, 2011

Isoler un plancher inférieur par le bas [Améliorer]

Mesures préliminaires

Si le plancher présente des problèmes d’humidité provenant des appuis, ceux-ci doivent d’abord être supprimés. Une barrière étanche horizontale doit être placée dans les murs d’appui humides, en dessous de la face inférieure du plancher. Si cette barrière est inexistante ou mal positionnée, il faut la créer. Pour ce faire, une membrane étanche peut être placée en démontant la maçonnerie par petits tronçons. Cette méthode est la plus efficace, mais difficile et délicate à réaliser. Aussi, on peut créer cette barrière en injectant des produits hydrofuges dans la masse du mur.
On doit ensuite laisser au plancher le temps de sécher.

Choix du système

> Le choix du système d’isolation par l’extérieur se fait en fonction des critères suivants :

les performances à atteindre ;
l’esthétique recherchée ;
les performances énergétiques ;
le prix.

Les performances à atteindre

Généralement la face extérieure des planchers est protégée de la pluie. On sera cependant attentif lorsque la plancher situé au-dessus de l’ambiance extérieure est raccordé au bas d’une façade. À cet endroit, un système doit être mis en œuvre pour éviter que les eaux de ruissellement atteignent le plafond (casse-goutte).

L’esthétique recherchée

Lorsque la face inférieure du plancher n’est pas visible, il est inutile de revêtir l’isolant d’une finition.

Lorsque le plancher se trouve au-dessus de l’ambiance extérieure, il sera recouvert d’une finition en harmonie avec l’aspect extérieur du bâtiment et qui résiste aux agressions extérieures mécaniques et atmosphériques.

Lorsque le plancher est en même temps le plafond d’un espace adjacent non chauffé ou d’une cave, l’isolant pourra, soit rester apparent si les panneaux sont suffisamment rigides, soit être revêtu d’une finition pour environnement intérieur (planchettes, panneau, plaques de plâtre, enduit, …).

Les performances énergétiques

L’enduit isolant est difficile à mettre en œuvre au plafond et nécessite des épaisseurs excessives pour atteindre le coefficient de transmission thermique U réglementaire.

Les systèmes avec panneaux rigides peuvent être continus s’ils ne sont pas recouverts d’une finition.

Un système avec structure (finition inférieure supportée par une structure) présente une isolation discontinue et donc moins efficace pour une même épaisseur d’isolant.

Une structure métallique est déconseillée, car elle engendre des ponts thermiques.

Le prix

« Le nerf de la guerre…! »

Si l’isolant reste apparent, le coût des travaux dépendra principalement de la difficulté d’accès à la face inférieure du plancher (vide sanitaire de hauteur réduite).

Lorsque l’isolant est revêtu par une finition extérieure, le choix de cette finition (structure portante comprise) influencera fortement le coût des travaux.

Choix de l’isolant

Type d’isolant

L’isolant est placé directement contre le plancher. Si l’isolant est souple, il épouse parfaitement la forme de son support même si celui-ci est un peu irrégulier. Si l’isolant est rigide, il est nécessaire de régler le support avant de poser l’isolant.

Un isolant perméable à l’air (laine minérale, par exemple) ne peut être choisi que si le support auquel il est fixé est lui-même étanche à l’air (plancher en béton, …).

Les produits minces réfléchissants (PMR), dont l’efficacité est beaucoup moins élevée que celle annoncée par les fabricants, sont à proscrire dans une isolation par l’extérieur puisqu’ils constituent un film pare-vapeur placé « du côté froid » du plancher, susceptible de provoquer une forte condensation sur la face interne (entre le plancher et l’isolant).

Épaisseur de l’isolant

Les épaisseurs d’isolant sont calculées à partir des performances à atteindre.

Conseils de mise en œuvre

> Les panneaux isolants doivent être posés de manière parfaitement jointive et appliqués contre le plancher afin d’éviter les interruptions dans la couche isolante (= pont thermique) et les courants de convection.

Courants de convection.

Remarque : le risque de courants de convection est encore plus important lorsqu’il y a une lame d’air ventilée entre l’isolant et le parement extérieur.

> Il faut protéger et manipuler les panneaux isolants avec précautions pour éviter les écrasements, les déchirures, l’eau, la boue.

Choix de la finition

Cette finition ne sera généralement appliquée que lorsque la face inférieure du plancher est visible (environnement extérieur, cave ou espace adjacent non chauffé. Elle présentera les caractéristiques suivantes :

perméable à la vapeur d’eau pour éviter la condensation interstitielle ;
bonne résistance mécanique surtout en cas d’agression possible ;
aspect esthétique adapté ;
…

Détails d’exécution

L’isolation d’un plancher existant par le bas sera interrompue à chaque appui du plancher. À cet endroit le pont thermique est difficile à éviter. L’interposition d’un élément isolant entre le mur d’appui et la dalle est très difficile, voire impossible et de toute manière très coûteux.

Il est toutefois possible de prolonger à certains endroits le chemin que doit parcourir la chaleur pour sortir du volume protégé. Cette intervention reste généralement visible, mais est esthétiquement acceptable dans les caves, garages, locaux secondaires et vides sanitaires.

Allongement du chemin de moindre résistance thermique

Posted By : Sylvie 7 Déc, 2011

Choisir la technique d’isolation d’un plancher

Les trois possibilités

Il existe trois moyens d’isoler un plancher existant. Ils ne sont pas applicables à tous les cas.

Isolation par le bas : L’isolant est fixé sur la face inférieure du plancher et éventuellement recouvert d’un parachèvement.
Isolation par le haut : L’isolant est posé sur le plancher et recouvert d’un revêtement devant permettre la circulation.
Isolation entre les éléments de structure du plancher : L’isolant est placé entre les éléments de structure entre la surface de circulation et le parachèvement inférieur.

>> Le choix de la technique d’isolation d’un plancher se fait en fonction des critères ci-dessous :

La possibilité technique

L’isolation par le bas ne sera pas possible si le plancher est posé directement sur le sol.

L’isolation dans la structure n’est possible que pour les planchers à ossature.

L’isolation par le haut nécessite la pose d’une nouvelle finition et l’enlèvement éventuel de la finition existante. L’encombrement de l’isolant devra être pris en compte (hauteurs sous linteaux de portes ou plafonds diminuées, présence éventuelle de marches, …).

La qualité hygrothermique recherchée

Quelle que soit la méthode d’amélioration utilisée, il est difficile d’éviter les ponts thermiques aux appuis du plancher sur les murs de fondation et aux appuis des murs en élévation sur le plancher. En effet, à ces endroits la couche isolante est interrompue. La prolongation du chemin de moindre résistance thermique ou surtout l’insertion d’un élément isolant entre le mur et le plancher sont difficiles à réaliser en rénovation.

L’isolation par le bas du plancher.

L’isolation par le bas du plancher permet d’utiliser l’inertie thermique de celui-ci. Cela engendre des variations moins rapides du climat intérieur des locaux. L’inertie permet de stocker de la chaleur et de limiter les surchauffes. L’isolation par le haut, limite la capacité d’inertie à celle de la couche située au-dessus de l’isolant. (Aire de foulée).

L’utilité réelle d’isoler

L’isolation d’une paroi ne se justifie que par les déperditions thermiques à travers celle-ci. Dans un immeuble neuf, toutes les parois de l’enveloppe du volume protégé doivent être isolées. Le niveau d’isolation à atteindre dépendra d’un optimum économique (et écologique) à atteindre.

En rénovation, des priorités doivent être établies dans le choix des parois à améliorer thermiquement. Lorsque le coût des travaux est élevé, lorsque la surface du plancher est grande et lorsque celui-ci est directement posé sur le sol (environnement extérieur favorable), il faut vérifier si l’amélioration de l’isolation sur toute la surface est financièrement, thermiquement et écologiquement utile. Une isolation périphérique, si elle est réalisable, est souvent suffisante. L’investissement des moyens disponibles dans le traitement des autres parois (murs, façades) est parfois préférable.

Lorsque le plancher inférieur est situé au-dessus de l’ambiance extérieure ou d’un espace adjacent (cave, vide sanitaire ou local) fortement ventilé et que la pose de l’isolant par-dessous est possible, l’amélioration thermique du plancher est totalement justifiée.

La présence ou la prévision d’un chauffage par le sol

Lorsque le plancher inférieur est muni d’un chauffage intégré (chauffage par le sol) les déperditions thermiques à travers celui-ci sont beaucoup plus importantes. En effet, la face intérieure du plancher est à une température plus élevée que l’ambiance intérieure (30 à 35 °C au lieu de 20 °C) et la déperdition thermique est directement proportionnelle à la différence de température entre l’intérieur et l’extérieur. Dans ce cas il est particulièrement recommandé d’améliorer l’isolation thermique du plancher. Dans ce cas, l’isolant ne peut évidemment être placé au-dessus du plancher chauffant.

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Principe

Calcul de l’énergie

Composants d’un système de comptage d’énergie thermique

Débimètre d’eau

Compteur à ultrason

Sonde de température

Calculateur-intégrateur (électronique de comptage)

Compteurs d’énergie thermique compacts

Interfaçage avec une gestion technique centralisée

Norme et classes de précision

Régulation d’ensemble

Ordre de priorité

Zone 1

Zone 2

Zone 3

Comment assurer la régulation d’ensemble ?

Régulation interne de la cogénération

Taux de charge du cogénérateur

Taux de charge du ballon

Régulation individuelle des chaudières par rapport à la cogénération

Stratégie de chauffage et de refroidissement

Influence sur le choix du type de source froide et son dimensionnement

Source froide : l’air ou aérothermie

Source froide : le sol ou géothermie

Source froide : l’eau ou hydrothermie

Influence sur le choix du type de source chaude et son dimensionnement

Régime de température

Les émetteurs à eau

Les émetteurs à air

Inertie de l’émetteur

Influence sur le choix du type de compresseur

Besoins thermiques et électriques d’un bâtiment moderne

Besoins thermiques

Comment déterminer les besoins de chaleur ?

Comment déterminer les besoins d’électricité ?

Intérêt énergétique, environnemental et financier de l’association

Scénario de départ

Simulation

Il y a t-il un intérêt réel d’association ?

Niveau énergétique

Niveau environnemental

Niveau financier

Aspect hydraulique et de régulation

Condition de cohabitation

Aspect hydraulique

Température de retour

Configuration de collecteur

Configuration des équipements de production

Exemple 1 : Deux chaudières à condensation et un cogénérateur à huile végétale

Exemple 2 : Une chaudière traditionnelle, une chaudière à condensation et un cogénérateur

Exemple 3 : une chaudière à condensation à un seul retour et un cogénérateur

Aspect de régulation globale

Dimensionnement de la production de chaleur

Le principe du dimensionnement

Attention à la température extérieure de référence !

Faut-il surdimensionner la production de chaleur pour permettre l’intermittence ?

Durant la saison de chauffe

Lors de la situation la plus critique

Faut-il tenir compte des pertes de distribution ?

Comment vérifier que le dimensionnement a été effectué correctement ?

Déperditions au travers des parois et pertes par ventilation

Puissance de relance

Influence de la performance de l’enveloppe du bâtiment

Facteurs d’influence

Exemple 1

Exemple 2

Exemple 3

En résumé

Intérêt énergétique, environnemental et financier

Scénario de départ

Simulation

Y a-t-il un intérêt réel d’association ?

Niveau énergétique

Niveau environnemental

Niveau financier

Aspect hydraulique et de régulation

Condition de cohabitation

Aspect hydraulique

Température de retour