2014 - Energie Plus Le Site

Choisir le système de ventilation : critères généraux

La qualité d’air intérieur dépend notamment de :

L’air extérieur ;
le mobilier et matériel de bureau ;
les produits et matériaux de construction ;
la ventilation ;
le comportement des usagers.

Les normes recommandent une ventilation de base permanente ayant pour but d’évacuer les odeurs, l’humidité et les éventuelles substances nocives. Pour ce faire, différents systèmes de ventilation existent.

Aperçu des normes

En région wallonne, depuis le 1er mai 2010, tous les bâtiments neufs et assimilés doivent répondre à des exigences particulières. Les bâtiments non résidentiels (hors habitation et appartement) doivent respecter l’Annexe C3 de la PEB (elle-même basée sur la norme européenne EN 13 779 (Ventilation dans les bâtiments non résidentiels – Spécifications des performances pour les systèmes de ventilation et de climatisation). Celle-ci impose une qualité d’air au moins égale à la catégorie INT 3 (débit minimum de 22 m³ par heure et par personne).

De plus, elle impose un taux d’occupation minimum (m² par personne) à prendre en compte pour le dimensionnement en fonction de l’usage de la pièce.

Pour déterminer le débit d’air neuf minimal à assurer dans chaque local, il faut donc multiplier le taux d’occupation (de conception ou minimum imposé) par le débit de ventilation (INT 3 minimum).

De plus, il faut respecter un débit de conception minimal pour les sanitaires : 25m³/h par WC ou urinoir ou 15m²/h par m² de surface si le nombre de WC n’est pas connu lors du dimensionnement.

Pour les hôpitaux, selon la norme NF S90-351, dans les zones à risques 1, c’est-à-dire concrètement sans risque d’aérobiocontamination (hospitalisation sans risque d’infection, certaines consultations, radiologie, ergothérapie, …), la ventilation se traite, en principe, sans exigence particulière en terme de filtration et de pression.

Dans les autres locaux (médico-techniques par exemple), la ventilation est organisée dans le même local où l’on retrouve à la fois des bouches de pulsion et d’extraction.

Typologie des systèmes de ventilation

Différentes dénominations sont utilisées pour caractériser des systèmes de ventilation.

Relativement au flux d’air, on distingue ventilation hygiénique et intensive sur base du débit:

Ventilation hygiénique, ou « de base » : il s’agit de la ventilation minimale nécessaire pour garantir une qualité de l’air suffisante, pour réduire la concentration des odeurs et de l’humidité. Elle requiert des débits d’air limités, appliqués de manière permanente. Ordre de grandeur : <1 renouvellement horaire de l’air.
Ventilation intensive : ventilation temporaire à grand débit (ordre de grandeur : >4 renouvellements horaires de l’air) nécessaire uniquement dans des circonstances plus ou moins exceptionnelles, comme lors d’activités générant une production élevée de substances nocives ou d’humidité (travaux de peinture, de nettoyage, certains loisirs,…), lors de chaleur persistante ou d’ensoleillement intensif qui provoque une surchauffe, ou lors d’une occupation extraordinaire, par exemple une fête, un nombre de fumeurs élevé, …

On distingue également infiltrations et ventilation sur base du caractère volontaire ou fortuit du mouvement d’air :

Infiltration : mouvement d’air involontaire et incontrôlé au travers des faiblesses de l’enveloppe d’un bâtiment
Ventilation : mouvement d’air volontaire et partiellement ou totalement contrôlé au travers de dispositifs spécifiques

Dans le logement, la norme NBN D50-001 parle de systèmes A, B, C ou D selon que l’amenée et/ou l’évacuation d’air est naturelle ou mécanique. Bien qu’exclusivement réservée aux logement, ces appellations sont parfois généralisées aux systèmes mis en œuvre dans les bâtiments tertiaires. Nous parlerons ici plus largement de :

ventilation naturelle lorsque l’ensemble du mouvement d’air se fait sans recours à des ventilateur
ventilation simple flux lorsque la pulsion ou l’extraction d’air est assurée par un ventilateur
ventilation double flux lorsque la pulsion et l’extraction sont assurées par des ventilateurs.

Les ventilations double flux peuvent ou non intégrer une récupération de chaleur sur l’air extrait.

Enfin, on parlera de ventilation hybride lorsqu’elle recours aux principe de la ventilation naturelle mais prévoit ponctuellement le support de ventilateurs et d’éléments réseaux de ventilation mécanique. Typiquement, il s’agit d’une ventilation naturelle dans laquelle un ventilateur d’appoint vient renforcer le tirage lorsque les forces naturelles font défaut.

Le premier choix à réaliser est donc, pour faire simple, entre une ventilation naturelle ou mécanique simple ou double flux. en conception neuve ou rénovation, c’est très souvent une ventilation mécanique qui sera choisie. Se posent alors deux autres questions :

faut-il créer un réseau de ventilation unique desservant tout le bâtiment (système de ventilation centralisé) ou distinguer les équipements de chaque local ou groupe de locaux (système de ventilation décentralisé) ?
A-t-on intérêt à utiliser ce système de ventilation pour traiter l’air neuf et/ou climatiser le local?

Concevoir	Pour départager les ventilation naturelles et mécaniques, cliquez ici !
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Posted By : Sylvie 16 Sep, 2014

Repérer les fuites de fluides frigorigènes

Les fluides frigorigènes ont un impact non négligeable sur l’environnement. Les réglementations outre le fait d’interdire l’utilisation de certains fluides imposent le contrôle de l’étanchéité des installations.

Pour le repérage des fuites, on retrouve principalement deux méthodes :

la méthode directe ;
la méthode indirecte.

Méthode directe

Détecteur de fuite.

Détecteur de fuite R22, R134A… Cette méthode consiste en l’utilisation d’un détecteur de fuite manuel placé devant chaque source potentielle de fuite. Dans les installations existantes, une fuite est souvent difficile à détecter :

En détente directe (le fluide frigorigène alimente directement les évaporateurs des meubles frigorifiques, des chambres froides, des ateliers de boucherie, …), les conduites passent régulièrement dans des faux-plafonds, des gaines techniques, … difficiles d’accès.
Pour les installations à boucle secondaire par fluide caloporteur (le fluide frigorigène alimente les évaporateurs « utiles » via un fluide caloporteur comme l’eau glycolée, le CO₂, …), les fuites potentielles sont circonscrites au local technique; ce qui en soi, simplifie la détection d’une fuite éventuelle.

L’idéal est de faire appel dans n’importe quel cas à des frigoristes spécialisés.

Méthode indirecte

Cette méthode se base sur une estimation des pertes relatives annuelles. Elle peut être mise en œuvre par le maître d’ouvrage ou par la société de maintenance sur base de relevés effectués sur le circuit frigorifique par du personnel qualifié (prise de pression, monitoring permanent, …).

En fonction des impositions réglementaires, il est nécessaire, suivant la charge frigorifique, de comptabiliser les relevés intermédiaires imposés.

Posted By : Sylvie 16 Sep, 2014

Fluides frigorigènes [Chauffage – PAC]

L’impact environnemental

Depuis quelques décennies, l’impact des fluides frigorigènes sur l’environnement est devenu un enjeu majeur. En effet, de par la présence de fuites au niveau du circuit frigorifique, la responsabilité de ces fluides dans la destruction de la couche d’ozone et l’augmentation de l’effet de serre n’est plus à démontrer.

Trou d’ozone au pôle sud.

Que ce soit en conception, en rénovation ou même en maintenance, les fuites de fluides sont donc à éviter. Elles dépendent essentiellement de la qualité :

du choix et de la mise en œuvre des équipements (soudures et connexions des conduites de distribution par exemple);
de l’optimisation du cycle frigorifique;
de la maintenance;
…

En France, en 1997, une étude a montré que le taux de fuites annuelles pouvait atteindre 30 % de la quantité totale en poids (ou en masse) de fluides frigorigènes présent dans les installations frigorifiques des grandes surfaces (Réf.: Zéro fuite – Limitation des émissions de fluides frigorigènes, D. Clodic, Pyc Éditions, 1997).

Depuis lors, les réglementations se sont attaquées à ces problèmes :

Suite au protocole de Montréal (1987) les fluides frigorigènes CFC (chlorofluorocarbures, principaux responsables de la destruction de la couche d’ozone) ont été définitivement abandonnés et remplacés progressivement par les HCFC.

Les réglementations européennes 2037/2000, 842/2006 et 517/2014 ont notamment imposé :
- l’interdiction d’utilisation des HCFC à fort impact sur l’effet de serre (GWP ou global Warming Potential);
- le remplacement progressif des HFC à haut GWP;
- le confinement des installations frigorifiques permettant de réduire la quantité de fluide frigorigène;
- des contrôles réguliers d’étanchéité des installations;
- …

Indices d’impact

Pour établir l’impact des fluides frigorigènes sur la couche d’ozone et l’effet de serre, trois indices principaux ont été définis :

ODP : Ozone Depletion Potential;
GWP : Global Warning Potential;
TEWI : Total Equivalent Warning Impact.

ODP (Ozone Depletion Potential)

C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’appauvrissement de la couche d’ozone. On calcule la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir soit R11 ou R12 qui ont un ODP = 1.

GWP (Global Warning Potential)

C’est un indice qui caractérise la participation de la molécule à l’effet de serre. On calcul la valeur de cet indice par rapport à une molécule de référence, à savoir le CO₂, et pour des durées bien déterminées (20, 100, 500 ans). Le CO2 à un GWP = 1.

TEWI (Total Equivalent Warning Impact)

Le TEWI est un concept permettant de valoriser le réchauffement planétaire (global warming) durant la vie opérationnelle d’un système de réfrigération par exemple, utilisant un fluide frigorigène déterminé en tenant compte de l’effet direct dû aux émissions de fluide frigorigène et à l’effet indirect dû à l’énergie requise pour faire fonctionner le système.

À titre indicatif, il est donné par la formule :

TEWI = (GWP x L x n) + (GWP x m[1-C]) + n x E x β

Où :

GWP : global warming potential;
L : émissions annuelles de fluide en kg;
n : durée de vie du système en années;
m : charge en fluide frigorigène en kg;
C : facteur de récupération / recyclage compris entre 0 et 1;
E : consommation annuelle d’énergie en kWh;
β : émission de CO2 en kg / kWh.

Voici, pour chaque fluide frigorigène, le Ozone Depletion Potential (potentiel de destruction de la couche d’ozone) et le Global Warming Potential (potentiel de participation au réchauffement climatique) sur 100 ans :

		ODP	GWP₁₀₀
R717	Amoniac	0	0
R744	CO₂	0	1
R290	Propane	0	20
R32	HFC, fluide pur	0	675
R134a	HFC, fluide pur	0	1 430
R407C	HFC, mélange	0	1 800
R22	HCFC	0,05	1 810
R410A	HFC, mélange	0	2 100
R427A	HFC, mélange	0	2 100
R417A	HFC, mélange	0	2 300
R422D	HFC, mélange	0	2 700
R125	HFC, fluide pur	0	3 500
R404A	HFC, mélange	0	3 900
R12	CFC	0,82	10 900

Source : 4ème rapport de l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).

Les fluides frigorigènes fluorés

Fluides frigorigènes fluorés

Les fluides frigorigènes fluorés sont en grande partie responsables de la destruction de la couche d’ozone et contribuent à augmenter l’effet de serre. Les interactions entre les deux phénomènes sont réelles mais d’une grande complexité.

On en distingue plusieurs types :

CFC;
HCFC;
HFC.

CFC (chlorofluorocarbures) (interdits de production depuis janvier 1995)

Ce sont des molécules composées de carbone, de chlore et de fluor. Elles sont stables; ce qui leur permet d’atteindre la stratosphère sans trop de problèmes. À ce stade, en se transformant elles contribuent à la destruction de la couche d’ozone.

R-11	Groupes centrifuges « basse pression ».
R-12	Essentiellement froid domestique et climatisation automobile, mais aussi dans les groupes refroidisseurs d’eau centrifuges.
R-13	Rares utilisations en froid très basse température.
R-14	Rares utilisations en froid très basse température.
R-113	Abandonné avant son interdiction.
R-114	Pompes à chaleur et climatisation de sous-marin.
R-115	Fluide pas utilisé seul, mais dans le R-502, mélange azéotropique très utilisé en froid commercial basse température.

HCFC (hydrochlorofluorocarbures) (utilisation interdite au Ier Janvier 2015)

Ce sont des molécules composées de carbone, de chlore, de fluor et d’hydrogène. Elles sont moins stables que les CFC et détruisent l’ozone dans une moindre mesure. Elles sont appelées substances de transition.

R-22	Fluide frigorigène le plus souvent utilisé, aussi bien en froid industriel qu’en climatisation.
R-123	Remplace le R-11 dans les groupes centrifuges.
R-124	Essentiellement utilisé dans certains mélanges.

HFC (hydrofluorocarbures) (utilisation réduite progressivement jusqu’en 2030)

Ce sont des molécules composées de carbone, de fluor et d’hydrogène. Elles ne contiennent pas de chlore et donc ne participent pas à la destruction de la couche d’ozone. Par contre, les HFC présentent un Global Warming Potential (contribution à l’effet de serre) sur 100 ans élevé.

R-134a

(Solkane)

Fluide frigorigène qui a remplacé le R-12 en froid domestique et en climatisation automobile.

En application « chauffage », il présente l’avantage de faire fonctionner les pompes à chaleur à haute température (généralement jusqu’à 65 °C) et à relativement basse pression. Son utilisation est compatible avec une production d’eau chaude pour radiateurs en lieu et place d’une chaudière.

C’est également un composant majeur de la plupart des mélanges de remplacement.

R-125

N’est jamais utilisé pur en raison de sa pression critique trop faible (66°C). Il entre dans la composition de nombreux mélanges compte tenu de son pouvoir « extincteur ».

R-32,
R-152a
R-143a

Inflammables et donc utilisés uniquement en mélange avec d’autres composants qui « neutralisent » leur inflammabilité.

Mélange de fluides frigorigènes

On peut les classer en fonction du type de composants fluorés qu’ils contiennent.
Ils se distinguent également par le fait que certains mélanges sont :

Zéotropes : au cours d’un changement d’état (condensation, évaporation), leur température varie.

Azéotropes : ils se comportent comme des corps purs, sans variation de température lors du changement d’état.

Il va de soi que les frigoristes apprécient cette propriété d’azéotropie pour le fonctionnement de la machine frigorifique.

Le R407C (R134a : 52 % + R125 : 25 % + R32 : 23 %)

Le R407C est un fluide non azéotrope (il est composé de plusieurs fluides) afin d’obtenir sa température de changement d’état.

Ce fluide frigorigène présente les particularités suivantes :

Il est ininflammable.

Lors des changements de phase, la température « glisse » d’environ 5 K car les températures d’évaporation et de condensation des fluides frigorigènes qui le constituent sont différentes. Ceci rend les réglages plus difficiles et impose des échangeurs à contre-courant pour tirer le meilleur parti de ce fluide.

En cas de micro-fuite, le composé ayant les molécules les plus volatiles s’échappe préférentiellement. Il en résulte un fluide frigorigène déséquilibré. Il est dès lors nécessaire de vider entièrement l’installation avant de la recharger, le gaz retiré étant recyclé.

Les pressions sont moindres avec ce fluide frigorigène.

Il est moins performant que le R410A …

Le R410A (R32 : 50 % + R125 : 50 %)

Le R410A présente de meilleures qualités thermodynamiques que le R407C et le R22. D’autre part, l’étanchéité des installations est plus élevée avec le R410A, les pertes de pression sont donc faibles et les vitesses de fonctionnement peuvent être élevées. Les composants sont dès lors plus compacts.

Le R410A est cependant toxique ! De plus, il se comporte comme un réfrigérant mono-moléculaire lorsqu’il change de phase : le passage d’un état à un autre se produit à température quasiment constante (le glissement de température est négligeable). On ne doit donc pas vider complètement l’installation avant de la recharger.Pour terminer, les pressions de fonctionnement sont 60 % plus élevées que dans le cas du R22. Ceci limite donc son utilisation aux températures de condensation moyennes : maximum 45 °C.

Le R404A (R143a : 52 % + R125 : 44 % + R134a : 4 %)

Le R404A présente des caractéristiques communes avec le R410A (il se comporte aussi comme un fluide quasi-azéotropique) mais sa pression de fonctionnement est plus basse. Sa particularité est de ne pas beaucoup s’échauffer pendant la compression. La température des vapeurs surchauffées en sortie de compresseur reste donc modérée, ce qui convient parfaitement à la mise en œuvre des PAC fluide/fluide.

Les fluides à bas « effet de serre »

Ils sont considérés comme moins inquiétants pour l’environnement, car à la fois sans action sur l’ozone stratosphérique et d’un faible impact sur l’effet de serre.

Ils présentent tous des inconvénients, soit au niveau sécurité, soit au niveau thermodynamique.

L’ammoniac (NH3) ou R-717

L’ammoniac présente de nombreux avantages en tant que fluide frigorigène :

Impact environnemental nul (ODP et GWP100 nuls);
très bon coefficient de transfert de chaleur;
efficacité énergétique élevée (au moins aussi bonne que le R22, meilleure dans certaines conditions);
le gaz ammoniac est plus léger que l’air;
faibles pertes de charge;
fuites aisément détectables;
faible prix de revient et faibles frais d’entretien des installations;
très difficilement inflammable, limite d’explosion élevée et petits champs d’explosion;
chimiquement stable;
aisément absorbable dans l’eau;
pas très sensible à l’humidité dans le circuit;
naturel donc biodégradable;
grâce à sa haute température critique, il permet de réaliser des températures de condensation très élevées et de concevoir des PAC à haute température.

Les COP obtenus avec ce fluide frigorigène peuvent être équivalents à ceux obtenus avec des HFC.

L’ammoniac est par contre toxique (mais pas cumulativement dans le temps) et irritable. Il peut être explosif dans des cas exceptionnels (les limites inférieure et supérieure d’inflammabilité doivent être très proches l’une de l’autre). Il sera également explosif dans des locaux non aérés où il se crée un mélange d’air, d’azote et d’ammoniac. Les locaux doivent donc absolument être ventilés et le passage de l’air doit également être totalement libre. De plus, le NH3 corrode facilement le cuivre et ses alliages ainsi que le zinc. Les installateurs sont donc obligés d’utiliser de l’acier. Pour terminer, l’ammoniac n’étant pas miscible et soluble dans les huiles minérales, il faut prévoir un séparateur d’huile après le compresseur.

Les installations à l’ammoniac l’utilisent liquide et sa quantité est réduite : la quantité de gaz perdu par fuites est donc faible.

Il est à l’heure actuelle principalement utilisé dans le froid industriel.

Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a

Il s’agit essentiellement du propane (R-290), du butane (R-600) et de l’isobutane (R-600a).

Ces fluides organiques présentent de bonnes propriétés thermodynamiques, mais sont dangereux par leur inflammabilité. Le monde du froid s’est toujours méfié de ces fluides, même s’ils sont réapparus récemment dans des réfrigérateurs et des mousses isolantes. Leur utilisation future paraît peu probable en climatisation, vu le coût de la mise en sécurité aussi bien mécanique qu’électrique. En PAC, on l’utilise donc dans des quantités les plus faibles possible (maximum 3 kg pour les applications résidentielles), de préférence à l’extérieur des bâtiments.

Le dioxyde de carbone (CO₂) ou R-744

Fluide inorganique, non toxique, non inflammable, mais moins performant au niveau thermodynamique. Son usage implique des pressions élevées et des compresseurs spéciaux.

Il possède cependant de bonnes qualités en application PAC pour le chauffage ou l’eau chaude sanitaire. Il est peu coûteux, et sa récupération et son recyclage sont simples à mettre en œuvre.

Actuellement, les spécialistes s’y intéressent à nouveau de par :

son faible impact sur l’environnement (ODP = 0, GWP = 1);
son faible volume massique entraînant des installations à faible volume (fuites réduites);
…

Il a la particularité de posséder une température critique basse à 31 °C pour une pression de 73,6 bar.

À noter que l’utilisation de ce type de réfrigérant entraîne aussi des contraintes non négligeables telles que la nécessité de travailler :

à des pressions élevées (80 voire plus de 100 bar);
en transcritique qui demande une maîtrise de la condensation en phase gazeuse (gaz cooler);

L’eau (H2O)

Fluide inorganique, bien entendu sans toxicité. Même si sa grande enthalpie de vaporisation est intéressante, il ne se prête pas à la production de froid sous 0°C. Il est peu adapté au cycle à compression et ses applications sont rares.

Synthèse

Frigorigène	Fluide naturel	ODP3	GWP (100ans) valeurs IPCC 3	GWP (100ans) valeurs WMO 4	Temp. critique (°C)	Pression critique (MPa)	Inflammabilité	Toxicité	Coût relatif	Puissance volumétrique
R290 (HC) CH₃CH₂CH₃	Oui	0	20	20	96,7	4,25	Oui	Non	0,3	1,4
R717 (Ammoniac NH₃)	Oui	0	<1	<1	132,3	11,27	Oui	Oui	0,2	1,6
R 744 (CO₂)	Oui	0	1	1	31,1	7,38	Non	Non	0,1	8,4
R718 (H₂O)	Oui	0	0

Caractéristiques environnementales des fluides frigorigènes naturels.

Nomenclature

Les fluides frigorigènes sont soumis à une nomenclature qui se veut internationale. L’ASHRAE, une des plus utilisées, désigne les fluides frigorigènes par la lettre R associée à 2,3 ou 4 chiffre + une lettre (R134a par exemple).

Le tableau ci-dessous montre la méthode de désignation des fluides réfrigérants :

R-WXYZ§
Nomenclature	Appellation courante	R12	R134a	R1270
Nomenclature	Appellation pour la détermination de la formule	R-0012	R-0134a	R-1270
CFC
W = Nombre d’insaturation Carbone = Carbone (C=C)	C=C (double liaison)	0	0	1
X = nombre de Carbone -1	nombre d’atomes de Carbone C = X + 1	1	2	3
Y = nombre de Hydrogène +1	nombre d’atomes d’Hydrogène H = Y – 1	0	2	6
Z = nombre de Fluor	nombre d’atomes de Fluor F = Z	2	4	0
R401A	nombre d’atomes de Chlore Cl*	2	0	0
Formule chimique		C Cl₂F₂	C₂H₂F₄	CH₃ CH=CH₂
Si § = A-E => symétrie Si § = a-b => asymétrie (avec a moins asymétrique que b)	symétrie de la molécule	symétrique	asymétrique	symétrique

Calcul du nombre d’atomes de chlore : Pour les molécules saturées (w = 0), Le nombre d’atomes de chlore s’obtient à partir de la formule suivante : Cl = 2.(C = 1) – H – F.

Posted By : Sylvie 15 Sep, 2014

Comparer les performances des fluides frigorigènes

Principes

Les différents fluides frigorigènes ne sont pas égaux devant le froid. Certains ont une meilleure efficacité frigorifique que d’autres; c’est pourquoi il est important d’évaluer leurs différences.

Coefficient de performance instantané COP

Cycle frigorifique classique.

L’effet frigorifique ou COP est défini par la relation suivante :

COP = Puissance frigorifique / Puissance électrique absorbée

Où :

Puissance frigorifique : puissance utile à l’évaporateur [kW_f];
Puissance électrique absorbée : puissance électrique par le compresseur [kW_e].

Production frigorifique spécifique

Le type de fluide frigorigène influence le COP. La recherche d’un fluide frigorigène à forte production frigorifique par volume de gaz aspiré au niveau du compresseur est primordiale. Un fluide frigorigène est d’autant plus performant que sa chaleur latente d’ébullition (ou d’évaporation) à l’évaporateur et un faible volume spécifique des vapeurs à l’aspiration.

La production par m³ de fluide aspiré sous forme de gaz au compresseur est donnée par la relation suivante :

Production frigorifique spécifique = Chaleur latente d’ébullition / Volume spécifique des vapeurs à l’aspiration

[kJ/m³]

Où :

La chaleur latente d’ébullition est exprimée en kJ/kg ;
Et le volume spécifique des vapeurs en m³/kg.

Cette production frigorique par m³ de gaz aspiré est donc inversement proportionnelle à la cylindrée des compresseurs et donc de leurs coûts. Il en résulte que les quantités de fluides frigorigènes, pour une même puissance frigorifique, peuvent être plus importantes d’un type à l’autre de fluide.

Comparaison

L’exercice consiste à comparer plusieurs fluides frigorigènes entre eux afin de déterminer leur production frigorifique spécifique et leur COP.

Pour ce faire, on se propose d’étudier, à travers d’un exemple et succinctement, les fluides suivants :

Le R22 ou fluide pur HCFC encore présent dans beaucoup d’installations existantes à faible ODP (ODP = 0,055) mais à GWP important (GWP = 1700) ;

Le R404A ou mélange de HCFC majoritairement utilisé dans les nouvelles installations de froid commercial sans impact sur la couche d’ozone (ODP = 0) mais à GWP important (GWP = 3260) ;

Le R507 ou autre mélange de HFC utilisé régulièrement dans les nouvelles installations.

Hypothèses :

Puissance frigorifique utile nécessaire : P_frigorifique = 100 kW;
Température de condensation = 40°C;
Température d’évaporation ou d’ébullition -10°C;
Sous-refroidissement = 5°C;
Surchauffe = 5°C;
rendement du compresseur η_comp = 0,85;
rendement du moteur électrique η_{moteur_élec} = 0,85;
pas de pertes de charge ni d’échange thermique au niveau des conduites;

Cycle théorique :

R22

En fonction des hypothèses prises, on peut établir le graphique suivant qui permet de déterminer les valeurs :

d’enthalpie au niveau de l’évaporateur : soit Δh_évaporateur = 405 – 244 = 161 kJ/kg;

énergie théorique de compression : soit Δh_compression = 443 – 405 = 38 kJ/kg;

de volume massique à l’aspiration : soit V_{massique_aspiration} = 0,067 m³/kg.

Calculs :

Pour une puissance frigorifique demandée de 100 kW, le débit massique de R22 est de :

débit_massique = P_fr / h_évaporateur [kg/s]

débit_massique = 100 [kJ/kg] / 161 [kW] = 0,62 kg/s ou 2 236 kg/h

Le volume réel à aspirer par le compresseur est de :

Volume_réel = débit_massique * volume_{massique_aspiration}

Volume_réel = 0,62 [kg/s] / 0,067 [m³/kg] = 0,04 m³/s

soit en une heure un volume aspiré au niveau du compresseur de 0,04 x 3 600 = 150 m³/h

Le rendement volumétrique du compresseur est de :

η_Volume = 1 – (0,05 x τ)

Où :

τ = HP / BP (en pression absolue)

η_Volume = 1 – (0,05 x HP / BP)

η_Volume = 1 – (0,05 x 15,3 / 3,55) = 0,78

Le débit théorique nécessaire est de :

Débit_compresseur = Volume_réel / η_Volume

Débit_compresseur = 150 / 0,78

Débit_compresseur = 190 m³/h

La puissance électrique du moteur du compresseur est de :

P_{electr_absorbée} = débit_massique x Δh_compression x (1 / ( η_comp x η_{moteur_elec} x η_Volume))

P_{electr_absorbée} = 0,62 x 38 x (1 / (0,85 x 0,85 x 0,785))

P_{electr_absorbée} = 41 kW

Enfin, la performance énergétique (ou effet frigorifique) de la machine est de :

COP = P_frigorifique / P_{electr_absorbée}

COP = 100 / 41 = 2,4

R404A

Comme pour le R22, avec les mêmes hypothèses, on effectue les calculs amenant à déterminer le COP de l’installation. Le tout est consigné dans le tableau de synthèse ci-dessous.

R507

Comme pour le R22, avec les mêmes hypothèses, on effectue les calculs amenant à déterminer le COP de l’installation. Le tout est consigné dans le tableau de synthèse ci-dessous.

Synthèse

Pour les 3 fluides étudiés ci-dessus, on établit un tableau synthétique qui nous permet une comparaison des principales caractéristiques et performances des fluides réfrigérants :

Caractéristiques et performances des fluides frigorigènes	R22	R404A	R507
Haute pression [bar]	15	18,2	18,8
Basse pression [bar]	3,6	4,3	4,5
Taux de compression (τ = HP / BP)	4,3	4,2	4,2
Rendement volumétrique η_Volume	0,78	0,79	0,79
Température de fin de compression [°C]	70	50	53
Volume spécifique à l’aspiration du compresseur [m³/kg]	0,067	0,048	0,046
Débit massique du fluide réfrigérant [kg/s]	0,62	0,85	0,88
Volume réellement aspiré [m³/s]	0,04	0,04	0,04
Volume théorique [m³/h]	191	185,3	185,5
Puissance électrique [kW]	41	39	50
COP	2,4	2,6	2
Diminution des performances	– 8 %		– 23 %

Conclusion

Les fluides frigorigènes étudiés présentent beaucoup de similitudes. On voit néanmoins que le COP du R404A est meilleur; ce qui signifie que dans des conditions idéales et identiques (en régime permanent et stable par exemple), pour une période de temps identique, la consommation d’une machine :

au R22 est 8 % plus élevée;
au R507 est 23 % plus élevée.

Posted By : Sylvie 11 Sep, 2014

Caractéristiques thermiques des sols

Type de roche	Conductivité thermique λ (W/mK)			Capacité thermique volumétrique ρC (MJ/m³K)
	min	valeur typique	max
Roches magmatiques
Basalte	1.3	1.7	2.3	2.3 – 2.6
Diorite	2.0	2.6	2.9	2.9
Gabbro	1.7	1.9	2.5	2.6
Granit	2.1	3.4	4.1	2.1 – 3.0
Péridotite	3.8	4.0	5.3	2.7
Rhyolithe	3.1	3.3	3.4	2.1
Roches métamorphiques
Gneiss	1.9	2.9	4.0	1.8 – 2.4
Marbre	1.3	2.1	3.1	2.0
Métaquartzite	env. 5.8			2.1
Mécaschistes	1.5	2.0	3.1	2.2
Schistes argileux	1.5	2.1	2.1	2.2 – 2.5
Roches sédimentaires
Calcaire	2.5	2.8	4.0	2.1 – 2.4
Marne	1.5	2.1	3.5	2.2 – 2.3
Quartzite	3.6	6.0	6.6	2.1 – 2.2
Sel	5.3	5.4	6.4	1.2
Grès	1.3	2.3	5.1	1.6 – 2.8
Roches argileuses limoneuses	1.1	2.2	3.5	2.1 – 2.4
Roches non consolidées
Gravier sec	0.4	0.4	0.5	1.4 – 1.6
Gravier saturé d’eau	env. 1.8			env. 2.4
Moraine	1.0	2.0	2.5	1.5 – 2.5
Sable sec	0.3	0.4	0.8	1.3 – 1.6
Sable saturé d’eau	1.7	2.4	5.0	2.2 – 2.9
Argile/limon sec	0.4	0.5	1.0	1.5 – 1.6
Argile/limon saturé d’eau	0.9	1.7	2.3	1.6 – 3.4
Tourbe	0.2	0.4	0.7	0.5 – 3.8
Autres substances
Bentonite	0.5	0.6	0.8	env. 3.9
Béton	0.9	1.6	2.0	env. 1.8
Glace (-10°C)	2.32			1.87
Plastique (PE)	0.39			–
Air (0-20°C, sec)	0.02			0.0012
Acier	60			3.12
Eau (+10°C)	0.58			4.19

Posted By : Sylvie 9 Sep, 2014

Choisir le CO2 comme fluide réfrigérant ou caloporteur

Image par défaut pour la partie Concevoir

Le grand retour du CO₂ ?

Le CO₂ (R 744) revient à la charge ses derniers temps comme fluide frigorigène. Autrefois remplacé par les CFC, HCFC, HFC, il doit son retour :

À son faible impact sur l’environnement (ODP = 0, GWP = 1) par rapport aux autres fluides frigorigènes utilisés actuellement (jusqu’à 3 800 fois moins d’impact sur l’environnement que les HFC).
À l’avancée des technologies dans le domaine de la réfrigération et de la climatisation. En effet, le problème du confinement des gaz sous haute pression semble partiellement résolu grâce, et c’est paradoxal, à la maîtrise de la climatisation dans les véhicules avec la nécessité de trouver :
- un fluide réfrigérant propre;
- un faible volume massique permettant des installations compactes (faible poids des équipements et volume réduit de fluide frigorigène);
- …

Les avantages et inconvénients de l’utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène sont les suivants :

Avantages	Inconvénients
pas d’action sur l’ozone (ODP = 0); peu d’impact direct sur l’effet de serre (GWP = 1) sachant par exemple que le R404A a un GWP de 3 800; fluide naturel et largement disponible; ininflammable (utilisation comme gaz dans les extincteurs); non corrosif, compatible avec tous les matériaux; non toxique; alimentaire (notamment nos voisins hollandais l’utilise dans la conservation des repas dans les hôpitaux); production frigorifique volumétrique élevée, permettant à l’heure actuelle des compresseurs de faible cylindrée et des circuits à faible quantité de fluide; miscible à l’huile des compresseurs; peu descendre jusqu’à -54°C; taux de compression faible par rapport aux autres réfrigérants (COP intéressant); …	il forme des acides avec l’eau et du carbonate d’ammonium (corrosif) avec l’ammoniac; les pressions de service sont très importantes (80, 100 bar voire plus); les équipements des circuits et de sécurité, dus à la pression, doivent être performants (coûts importants); la mise en œuvre de tels circuits n’est pas encore bien maîtrisée; à la mise en route, la déshydratation des circuits doit être encore plus poussée. en cas d’arrêt prolongé, des dégazages à l’atmosphère doivent être opérés, nécessitant une recharge ultérieure; …

Avantages

Inconvénients

pas d’action sur l’ozone (ODP = 0);
peu d’impact direct sur l’effet de serre (GWP = 1) sachant par exemple que le R404A a un GWP de 3 800;
fluide naturel et largement disponible;
ininflammable (utilisation comme gaz dans les extincteurs);
non corrosif, compatible avec tous les matériaux;
non toxique;
alimentaire (notamment nos voisins hollandais l’utilise dans la conservation des repas dans les hôpitaux);
production frigorifique volumétrique élevée, permettant à l’heure actuelle des compresseurs de faible cylindrée et des circuits à faible quantité de fluide;
miscible à l’huile des compresseurs;
peu descendre jusqu’à -54°C;
taux de compression faible par rapport aux autres réfrigérants (COP intéressant);
…

il forme des acides avec l’eau et du carbonate d’ammonium (corrosif) avec l’ammoniac;
les pressions de service sont très importantes (80, 100 bar voire plus);
les équipements des circuits et de sécurité, dus à la pression, doivent être performants (coûts importants);
la mise en œuvre de tels circuits n’est pas encore bien maîtrisée;
à la mise en route, la déshydratation des circuits doit être encore plus poussée.
en cas d’arrêt prolongé, des dégazages à l’atmosphère doivent être opérés, nécessitant une recharge ultérieure;
…

Utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène : Cas pratique

Actuellement, un supermarché GB à Aywaille teste un système de réfrigération-chauffage combiné où :

les sources froides sont :
- les meubles frigorifiques;
- échangeur air/CO₂ (« évaporateur de toiture);
- échangeur eau nappe souterraine/CO₂;
et les sources chaudes sont :
- échangeur CO₂/air (« gaz cooler »de toiture);
- les circuits à basse température tels que le chauffage au sol, la centrale de traitement d’air et les rideaux d’air;
- les circuits à haute température pour l’eau chaude sanitaire.

L’intérêt de ce système est de combiner des besoins :

de froid au niveau des meubles frigorifiques. En effet, le nombre impressionnant de meubles frigorifiques ouverts et fermés pour ce type de supermarché nécessite une puissance frigorifique de 300 kW (positif) et 40 kW (négatif);
de chaud classiques d’une puissance de l’ordre de 540 kW.

avec une seule machine, à savoir une pompe à chaleur.

Les résultats du monitoring ne sont pas encore connus mais devraient permettre d’y voir plus clair sur une technologie qui a le vent en poupe.

Comparaison CO₂ – R134a

À titre d’exemple, on compare les performances théoriques de deux fluides réfrigérants comme le CO₂et le R134a.

Les hypothèses de travail sont les suivantes :

la phase de refroidissement du CO₂ est dans la zone « transcritique » (refroidissement au dessus du point critique : 31°C, 73,6 bar);
la température d’évaporation est de -10°C dans les deux cas (application classique de froid positif);
la température de condensation pour le R134a est de 30°C (la température ou pression de condensation est flottante en fonction du climat externe);
la température de fin de refroidissement pour le « gaz cooler » est de 30°C aussi.

Dans le diagramme (log p, h), on superpose les deux cycles frigorifiques :

Les avantages et inconvénients du cycle CO2 au niveau thermodynamique sont :

Avantages	Inconvénients
L’efficacité énergétique en production de froid est relativement bonne si on maîtrise la phase de refroidissement (au « gaz cooler ») au niveau de la température. Pour une température de condensation flottante atteignant les 30°C, l’EFF du compresseur est de l’ordre de h₁/h₂ = 3,8; Les températures à l’entrée du « gaz cooler » ou d’un échangeur quelconque, peuvent atteindre des valeurs de l’ordre de 80°C, ce qui est intéressant pour des applications classiques de chauffage par pompe à chaleur; L’efficacité énergétique en production de chaleur peut être très bonne dans la mesure où l’installation puisse tenir des pressions importantes (de l’ordre de 90 bar), ce qui représente quand même une prouesse technologique, mais accessible actuellement. Le COP pourrait atteindre des valeurs de h₃/h₂= 5; …	Que ce soit en chaud comme en froid, les valeurs de EFF et COP restent en dessous des valeurs obtenues pour le R134A dans les mêmes conditions, soit une EFF h₄/h₅ de 5 et un COP h₆/h₅ de 6.

Avantages

Inconvénients

L’efficacité énergétique en production de froid est relativement bonne si on maîtrise la phase de refroidissement (au « gaz cooler ») au niveau de la température. Pour une température de condensation flottante atteignant les 30°C, l’EFF du compresseur est de l’ordre de h₁/h₂ = 3,8;
Les températures à l’entrée du « gaz cooler » ou d’un échangeur quelconque, peuvent atteindre des valeurs de l’ordre de 80°C, ce qui est intéressant pour des applications classiques de chauffage par pompe à chaleur;
L’efficacité énergétique en production de chaleur peut être très bonne dans la mesure où l’installation puisse tenir des pressions importantes (de l’ordre de 90 bar), ce qui représente quand même une prouesse technologique, mais accessible actuellement. Le COP pourrait atteindre des valeurs de h₃/h₂= 5;
…

Que ce soit en chaud comme en froid, les valeurs de EFF et COP restent en dessous des valeurs obtenues pour le R134A dans les mêmes conditions, soit une EFF h₄/h₅ de 5 et un COP h₆/h₅ de 6.

Les avantages et inconvénients du cycle R134a au niveau thermodynamique sont :

Avantages	Inconvénients
pour une installation bien régulée (détendeur électronique, variateur de vitesse des compresseurs, …, les performances des compresseurs tant en chaud qu’en froid sont meilleures que celles pour le cycle CO₂(COP = 6, EFF = 5).	Les températures de condensation sont plus faibles que celle du cycle CO₂. Ce qui signifie que ce type de fluide ne peut être utilité pour des applications de chauffage haute température combiné au froid alimentaire.

Avantages

Inconvénients

pour une installation bien régulée (détendeur électronique, variateur de vitesse des compresseurs, …, les performances des compresseurs tant en chaud qu’en froid sont meilleures que celles pour le cycle CO₂(COP = 6, EFF = 5).

Les températures de condensation sont plus faibles que celle du cycle CO₂. Ce qui signifie que ce type de fluide ne peut être utilité pour des applications de chauffage haute température combiné au froid alimentaire.

Intérêt du CO₂ ?

L’intérêt de l’utilisation du CO₂ comme fluide réfrigérant, est avant tout lié à un choix par rapport à l’environnement. En effet, on pointera principalement :

le faible impact sur la couche d’ozone et l’effet de serre de part sa composition:
la plus faible quantité de fluide utilisé de part son volume massique faible (en cas de fuite, la quantité rejetée est faible);
la disponibilité de ce fluide dans la nature (piège à CO₂ réalisable);
…

De plus, dans le cas où l’on considère qu’il faut combiner le besoin de chaleur à haute température (80-90°C) avec celui de froid et ce afin d’éviter de choisir une chaudière et un groupe de réfrigération pour la partie froid alimentaire, une installation de pompe à chaleur au CO₂ peut être intéressante.

Toutefois en conception, pour autant que :

l’enveloppe soit bien isolée;
la ventilation hygiénique soit régulée en fonction de l’occupation;
les entrées soit bien étudiées afin de réduire les pertes énergétiques aux accès (courant d’air par exemple);
la quantité de meubles frigorifiques dans les commerces ouverts soit limitée;
…

Il n’y a pas de raison valable d’investir dans une installation coûteuse telle que celle au CO₂ car la nécessité d’atteindre des températures d’eau chaude de 80-90°C n’est plus nécessaire. Autant alors investir dans une pompe à chaleur classique dont le condenseur fonctionne à des températures avoisinant les 45°C.

Conclusion

L’utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène est probablement une piste à suivre de très près.

Il est important, en conception, avant de choisir le réfrigérant qui va naturellement conditionner tout le choix des équipements, de déterminer si le projet s’inscrit dans une démarche énergétique et durable globale. Auquel cas, il faut limiter au maximum :

Les déperditions de l’enveloppe par l’isolation thermique des parois, la limitation des pertes par ventilation et infiltration, …
Les apports internes positifs ou négatifs tels que l’éclairage intensif, les meubles frigorifiques ouverts, …, par le choix de luminaires performants, de meubles frigorifiques fermés, apport de lumière naturelle contrôlé (sheds par exemple), …
Les apports externes tels que les apports solaires par l’orientation du bâtiment, les ombrages, …
…

En fonction de l’objectif fixé au niveau de l’esquisse du bâtiment, lors du projet on pourra déterminer l’intérêt ou pas d’investir dans un fluide réfrigérant tel que le CO₂.

Posted By : Sylvie 5 Août, 2014

Projet ECOFFICE

Description du bâtiment

Situé dans le parc industriel de Nivelles Nord, cet immeuble de 3 500 m² appelé « Écoffice » s’inscrit dans un projet de recherche soutenu par la Région wallonne et visant à optimaliser les techniques de construction.

L’objectif de ce projet de recherche est la réalisation d’un projet pilote de bâtiment tertiaire passif dont le coût de la construction ne dépasserait pas celui de bureaux normaux.
Le projet est certifié « maison passive » et « Breeam ».

Stratégie énergétique et technique

Une description complète du projet est donnée sur le site www.ecoffice-building.be. Les principales mesures sont une isolation et étanchéité thermique conforme au standard maison passive : U_mur = 0.17 W/m²K, triples vitrages U_g = 0.6 W/m²K etc. L’inertie thermique est valorisée par le choix de faux plafonds partiels sous forme d’ilots. Des protections solaires extérieures automatisées de type lamelles permettent le compromis entre lumière naturelle et protection face aux surchauffes. Notons également une installation d’éclairage artificiel particulièrement performante, puisqu’elle respecte les normes d’éclairement avec une puissance moyenne installée de seulement 6 W/m² dans les open spaces et 8 W/m² dans les bureaux individuels.

Au niveau des techniques, les choix principaux sont un découplage du chauffage et de la ventilation mécanique, un découplage des réseaux de ventilation des espaces de bureau et de réunion et un surdimensionnement des réseaux de ventilation hygiénique pour permettre le rafraichissement. Plus en détail :

Le chauffage des 3 500 m² est assuré par une chaudière gaz à condensation de 100 kW alimentant des convecteurs en façade et une batterie de chauffe pour l’air neuf. Une courbe de chauffe règle la température de départ de la chaudière et des différents circuits par étage et demi plateau. Des vannes thermostatiques permettent l’adaptation locale. L’objectif est d’amener une neutralisation de l’air pulsé et un réglage fin par les convecteurs locaux.
La ventilation hygiénique est assurée par un réseau mécanique équilibré avec récupération de chaleur sensible et latente par une roue hygroscopique. Un bypass est prévu si le bâtiment n’est pas en demande de chaleur. Une batterie de préchauffage participe au chauffage. La reprise d’air se fait au travers du faux plafond, utilisé comme plénum pour limiter les pertes de charge.
Deux réseaux de ventilation sont prévus, l’un pour les espaces du bureau, l’autre pour ceux de réunion. Ce découplage facilite la gestion des débits et régule la température en fonction d’horaire et de besoins spécifiques à des différents locaux. Les deux réseaux sont surdimensionnés par rapport aux stricts besoins hygiéniques : d’un facteur 2 pour les bureaux et 4 dans les salles de réunion. Ce surdimensionnement permet une augmentation des débits d’air et le rafraîchissement en été, et un fonctionnement à faible perte de charge, et donc faible consommation d’énergie, en hiver, grâce à une régulation à pression.

Une machine frigorifique à compression alimente des batteries de refroidissement au niveau des groupes de pulsion. En été, la gestion privilégie la modulation de la température de pulsion d’air sur l’augmentation du débit, pour éviter la surconsommation des ventilateurs.

Évaluation par les occupants

Comme tout bâtiment, Écoffice subit une période de rodage dans les premiers mois d’utilisation. Les principales plaintes des occupants concernaient :

l’ergonomie des éléments de contrôle des stores et luminaires ;
des plaintes locales de courant d’air venant du réseau de ventilation, liées au dysfonctionnement d’une boite VAV ;
une impression d’air confiné le matin, liée à un horaire d’enclenchement trop tardif de la ventilation hygiénique ;
une impression de trop grande chaleur en été, non pas du fait d’une surchauffe due au soleil ou aux gains internes, mais à l’arrivée des occupants le matin, du fait d’une absence de free cooling la nuit. L’installation de ventilation ne remplissait pas son rôle de décharge nocturne de la chaleur, pour des raisons de zones mortes trop réduites et d’empiètement de différentes consignes au niveau de la régulation.

Globalement, les premiers mois montrent que la volonté de conserver des techniques simples, mais optimisées a entraîné une complication des aspects liés à la gestion. Trop de consignes, de courbes glissantes, de règles parallèles ont rendu la compréhension du comportement réel du bâtiment complexe, et les ajustements délicats. Une fois ces ajustements réalisés par contre, le bâtiment présentant un comportement proche des attentes des concepteurs, tant pour la consommation d’énergie que pour le confort thermique.

Monitorings

Les performances sont publiées sur le site du projet www.ecoffice-building.be.

A la fin de l’année 2014 les relevés pour la période du 01 avril 2013 au 30 septembre 2014 ont été comparés avec les résultats des modèles de calcul ENERGY PLUS, PHPP et PEB.

En ce qui concerne les besoins nets de chaleur, l’écart entre la réalité constatée (corrigée en fonction des degrés-jours) et le modèle théorique PHPP n’est que de 5 %.
Les consommations d’eau chaude sont faibles et constantes en toutes saisons. Elles représentent 3.5 % des demandes totales de chaleur.
La différence entre la demande des différents postes et la quantité de chaleur fournie par la chaudière est de 9 %. Cette quantité représente les pertes de distribution.

La plus grande partie (87%) de la chaleur dédiée au chauffage des locaux est amenée au niveau des convecteurs, le solde au niveau des groupes de pulsion. La demande de chaleur est linéairement corrélée aux degrés-jours.

Demande en énergie des différents postes
La consommation des ventilateurs est conforme aux hypothèses faites lors de la construction du modèle ENERGY PLUS. La ventilation des bureaux augmente en été à cause du fonctionnement « free cooling ». La consommation électrique augmente entre 2013 et 2014. Cette dérive est probablement due à un encrassement des filtres compensé par une augmentation de la vitesse des ventilateurs. Entre avril 2013 et mars 2014 (12 mois) la consommation totale a été de 3.65 kWh/m²an contre une consommation attendue de 3 kWh/m²an.
La consommation électrique liée à l’éclairage artificiel est de 9 kWh/m²an. Elle suit un profil saisonnier cohérent avec les simulations. La distribution est stable entre les circuits. La consommation est influencée par une occupation incomplète du bâtiment et par des variations dans la durée d’utilisation (weekend).

Les températures mesurées aux bouches de reprise sont conformes aux attentes sauf dans certains locaux pour les températures moyennes glissantes extérieures les plus basses. Dans ces locaux on constate une tendance vers des températures trop basses en hiver. Aucun dépassement à la hausse n’a été constaté au-delà de la zone de confort I. Cela n’exclut pas la possibilité d’inconforts locaux.

Intervenants

Ce projet a associé différents partenaires disposant chacun de connaissances et de compétences spécifiques. Le projet Écoffice implique la mise en commun de l’expertise de chacun de ces intervenants. Les différents partenaires du projet sont :

Thomas & Piron S.A.
Bureau d’architecture A2M sprl
Centre Scientifique et Technique de la Construction
Architecture & Climat de l’Université catholique de Louvain
Cofely Services S.A., groupe Suez
Holcim (Belgique) S.A.

Posted By : olivier 3 Juil, 2014

Grandes familles de systèmes de refroidissement

Présentation des grandes familles

Souvent on distingue 3 grandes familles de systèmes de climatisation en fonction du mode de transport de l’énergie frigorifique. Le rafraîchissement des locaux peut se faire :

Par l’intermédiaire d’un réseau d’air,
par l’intermédiaire d’un réseau d’eau froide ou d’eau glacée,
par contact direct entre l’air à refroidir et l’évaporateur de la machine frigorifique (« détente directe »).

Famille 1 : les installations centralisées « tout air »

Puisque de l’air hygiénique doit de toute façon être apporté aux occupants, la première idée consiste à profiter du réseau de distribution d’air pour fournir la chaleur ou le froid demandés par les locaux.

Mais pour un bureau le débit d’air hygiénique entraîne un renouvellement du volume d’air du local :

Exemple.

1 personne demande 30 m³/h d’apport d’air neuf. Il occupe 10 m², sur une hauteur de 3 m, soit 30 m³. Le ratio « débit/volume occupé » est de 1 [1/h].

Par contre le transport de la chaleur et du froid entraîne des débits d’air nettement plus importants : on atteint des débits correspondant à 4 … 10 renouvellements du local, chaque heure, …

Exemple.

Les apports internes et les apports solaires génèrent une puissance de 100 W/m². Pour les 10 m² de l’occupant, cela crée un besoin frigorifique de 1 000 W. Supposons que l’ambiance est à 24 °C et l’air frais apporté à 14 °C, l’écart de soufflage sera de 24 – 14 = 10 K.
Le débit nécessaire sera de : 1 000 W / (0,34 Wh/m³.K x 10 K) = 294 m³/h
C’est un débit d’air 10 x plus élevé que le débit hygiénique !

Le réseau d’air devient alors fort encombrant !

Aussi, la consommation électrique des ventilateurs peut devenir très élevée : dans les anciennes installations (installées il y a 30 ans), le coût de l’énergie électrique des ventilateurs peut atteindre 50 % du coût total de l’énergie consommée par le conditionnement d’air de tout l’immeuble !

De plus, en « tout air neuf », le coût de fonctionnement de l’installation est très élevé puisque le chauffage est assuré, en plein hiver, par de l’air extérieur qu’il faut réchauffer à grands frais.

Exemple.

Pour apporter 1,5 kW de chaleur au local, un apport de 3,5 kW est demandé au caisson de traitement d’air : 2 kW pour porter l’air de 6° à 22 °C, puis 1,5 kW pour l’amener à 40 °C.

La température de 6 °C correspond à la température moyenne de l’air extérieur.

Pour diminuer les coûts d’exploitation d’une installation « tout air », une bonne partie de cet air doit être recyclé.

Exemple.

60 m³/h sont conservés pour l’apport d’air hygiénique et 210 m³/h extraits des bureaux à 22 °C sont recyclés. La puissance de chauffe redescend à 1,9 kW :

Cette solution est plus économique, mais on reproche alors au système les risques de contamination que peut entraîner ce recyclage, … qui mélange l’air provenant de tous les locaux !

Pour limiter les coûts énergétiques sans risque de contamination, on place alors un récupérateur de chaleur sur l’air extrait.

Exemple.

Autrefois à la mode à toutes les sauces, on réserve généralement les centrales « tout air » aux locaux où les besoins en air neuf sont très importants, c’est à dire des locaux à grande densité d’occupation : des salles de réunion, des salles de conférences, … Un autre cas de figure est celui des bâtiments où les besoins de refroidissement sont faibles et bien maitrisés (par des superficies vitrées réduites, des protections solaires extérieures,…)

Dans ces cas, le débit de ventilation hygiénique se rapproche du débit thermique nécessaire …

De plus, la technique du « débit d’air variable » permet aujourd’hui de limiter le coût du transport de l’air et surtout d’adapter le débit en fonction des besoins de chaud ou de froid nécessaire.

Gros avantage du « tout air » sur le plan énergétique : pour les locaux qui doivent être refroidis en mi-saison et éventuellement même en hiver, de l’air frais extérieur gratuit est disponible. On parle alors de « free cooling mécanique ».

Famille 2 : les installations décentralisées « sur boucles d’eau »

Ici, les fonctions sont séparées :

L’air neuf hygiénique est traité en centrale, puis apporté dans les locaux au moyen d’un réseau de conduits.
La chaleur et le froid sont apportés vers des unités de traitement terminales situées dans les locaux, via une boucle d’eau chaude et une boucle d’eau froide ou d’eau glacée.

Comme unités terminales, on retrouve les ventilo-convecteurs, les pompes à chaleur sur boucle d’eau, les plafonds rafraîchissants, …
Trois problèmes sont résolus

Seul de l’air neuf est véhiculé, limitant ainsi le risque hygiénique lié au recyclage partiel de l’air vicié (en quelque sorte, il s’agit d’une ventilation « double flux », améliorée par un traitement central en température et humidité).
L’encombrement est limité puisque l’eau transporte de la chaleur (ou du froid) avec 3 000 fois moins de volume que l’air. De simples tuyauteries suffisent. En rénovation de bâtiments, on évite ainsi le percement des parois pour insérer des gainages d’air de grandes dimensions…
Le transport de la puissance frigorifique ou calorifique se fait par l’eau, au moyen d’une pompe dont la consommation sera nettement moins consommatrice que le ventilateur correspondant au système « tout air ».

Cette séparation entre la ventilation et l’apport thermique au local est de plus un gage de bonne régulation.

Le mode de régulation de la température peut se faire local par local et est très accessible à l’utilisateur, ce qui est un confort apprécié. Une liaison par bus de communication des différentes unités terminales est possible, ce qui permet une régulation et une gestion globale de qualité par la GTC (Gestion Technique Centralisée).

Famille 3 : les appareils travaillant en « détente directe »

On retrouve dans cette famille les climatiseurs, armoires de climatisation, roof-top,… mais ces appareils ne peuvent résoudre qu’un problème de climatisation limité à un ou quelques locaux : la climatisation d’une salle informatique, d’une cafétéria, d’un hall d’atelier, … par exemple. On les retrouve dans des bâtiments qui ne sont pas munis de production centrale de froid, dans des ajouts de locaux ou dans les cas où il faut assurer en secours du froid pour une fonction vitale (ex : central téléphonique).

La consommation spécifique de ces appareils est plus élevée que dans une unité terminale d’une installation centralisée (ventilo-convecteurs, par exemple), suite au fait qu’ils travaillent avec une température d’évaporation très basse, entraînant une consommation parasite par déshumidification exagérée de l’air. Par contre, ils ne demandent pas le maintien de réseaux d’eau froide durant tout l’été et la mi-saison, ce qui est appréciable.

Un seul type de système peut climatiser l’ensemble d’un immeuble de bureaux, c’est le système dit « à Débit Réfrigérant Variable » (ou DRV). Il est souvent connu par les appellations VRV ou VRF, selon les constructeurs. Sa particularité est de véhiculer du fluide frigorigène dans les différents locaux et d’alimenter directement des échangeurs situés en allège ou en faux plafond. Suivant les besoins du local, l’échangeur peut fonctionner en mode froid (il est l’évaporateur de la machine frigorifique) ou en mode chaud (il est le condenseur de celle-ci). À noter le faible encombrement qu’il entraîne, puisqu’aucune chaufferie n’est ici nécessaire.

Il n’utilise aucun fluide intermédiaire (air ou eau). De là, le terme d’appareil à « détente directe » : l’échangeur « froid » est parcouru directement par le fluide frigorigène. Cette caractéristique est performante au niveau énergétique puisque le coût du transport de l’énergie frigorifique est évité. De plus, les systèmes à fluide réfrigérant variable permettent de récupérer la chaleur entre les zones chaudes et les zones froides du bâtiment.

Comme dans les systèmes air-eau, le mode de régulation de la température se fait local par local et est très accessible à l’utilisateur (généralement une télécommande).

Le problème du traitement de l’air hygiénique subsiste : il n’existe pas de chaudière ou de groupe frigorifique disponibles en centrale pour préparer l’air hygiénique. Des solutions décentralisées sont possibles avec un moindre confort.

Concevoir

Pour plus de détails, on peut consulter le choix d’un système à débit de réfrigérant variable.

Les solutions les plus courantes

La solution « standard » : le ventilo-convecteur

Partons du système le plus utilisé pour un immeuble de bureaux : le ventilo-convecteur sur une boucle d’eau froide et une boucle d’eau chaude (système appelé « ventilo-4 tubes »).Il a pour avantages :
- une très grande souplesse de réaction face aux variations de charges,
- un faible encombrement,
- une possibilité d’accepter des charges différentes d’un local par rapport à un autre,
- une séparation entre l’apport d’air frais hygiénique et l’apport thermique, ce qui supprime tout recyclage de l’air hors du local,
- un prix d’investissement limité grâce à un équipement fabriqué en grande série.On sera attentif à la qualité lors de sélection du matériel et lors de la réalisation de la distribution d’air neuf (confort thermique et acoustique).
Si le bâtiment est très homogène dans ses besoins (« quand c’est l’hiver, c’est l’hiver pour tous les locaux ») on se contentera d’un « système à 2 tubes », moins coûteux : un seul réseau de tuyauterie véhicule alternativement de l’eau chaude en hiver et de l’eau froide en été. Mais cette solution devient de plus en plus difficile à appliquer : l’enveloppe du bâtiment étant de mieux en mieux isolée, certains locaux plus chargés en apports internes seront demandeurs de froid, même en hiver.
En rénovation, pour vaincre des charges d’équipements devenues inconfortables, on peut greffer une installation 2 tubes froids (« Hydrosplit »), sur la production de chauffage existante.

Le plafond froid

La technique des plafonds froids apporte un confort thermique et acoustique inégalé (moyennant un éventuel supplément de prix) : le froid est apporté par rayonnement au-dessus de la tête des occupants et aucun ventilateur ne vient perturber l’ambiance. Mais la puissance de refroidissement des plafonds est limitée. Cette technique ne s’appliquera dès lors qu’avec des bâtiments dont la conception limite les apports solaires : bâtiments avec ombre portée, stores extérieurs, stores intérieurs combinés à des vitrages performants,…
Le plafond froid sera d’ailleurs facilement intégré lors de la rénovation d’un bâtiment existant dont les charges sont légères et qui dispose déjà d’une installation de chauffage.
On pourra utiliser des poutres froides complémentaires si la puissance frigorifique souhaitée n’est pas atteinte, mais au détriment du confort aéraulique comme souvent dans les solutions dynamiques (risque de courants d’air froid).
Reste le problème de l’apport de chaleur en hiver. En construction nouvelle, si le bâtiment est bien isolé, la demande de chaleur en hiver est limitée.
Il est envisageable d’apporter cette chaleur :
- soit en alimentant en eau chaude les plafonds situés près des façades (près des baies vitrées),
- soit via un circuit de radiateurs complémentaire,
- soit grâce à des batteries terminales placées sur le conduit de ventilation hygiénique (si le débit de celui-ci est suffisant).

La solution spécifique pour les locaux à forte occupation : la centrale « tout air » à débit variable (VAV)

Le problème se pose tout autrement si une présence humaine nombreuse est prévue. Alors que l’on prévoit 12 m² par personne dans un bureau individuel ou 8 m²/pers dans un bureau paysager, ce ratio descend à 2 à 4 m²/pers dans une salle de réunion, voire 1 à 2 m²/pers dans une salle de conférence. Puisque chaque personne nécessite 30 m³/h, un réseau d’air neuf important sera nécessaire. On pense dès lors à profiter de ce réseau pour apporter les calories et frigories requises.
Un bilan s’impose :

Si le bâtiment présente des besoins limités (bien isolé du froid extérieur et bien protégé des apports solaires), le débit d’air hygiénique élevé pourra apporter les besoins thermiques. On parle d’un système « tout air ».

Exemple.
Soit un local de réunion assez dense : 2 m²/pers.
Réalisons le bilan des apports :éclairage : 12 W/m²
personnes : 80 W pour 2 m² = 40 W/m²
total : 52 W/m² Réalisons le bilan du refroidissement par le débit d’air hygiénique : débit : 30 m³/h/pers pour 2 m² = 15 m³/h/m²
puissance de refroidissement : 15 m³/h/m² x 0,34 Wh/m³K x 8 K = 41 W/m²

On voit qu’en poussant un peu le débit d’air, on peut facilement vaincre les 52 W/m² de chaleur.

Dans le cas où le local est soumis à des apports solaires supplémentaires, les débits nécessaires pour les besoins thermiques dépasseront de loin le débit d’air hygiénique, l’encombrement sera très important, un recyclage de l’air devra être organisé… Le système « tout air » devient inadapté.

Vu le coût d’exploitation du transport par air (coût de fonctionnement des ventilateurs), un système d’adaptation du débit d’air aux besoins réels sera prévu (système VAV, Volume d’Air Variable). Le débit maximal ne sera pulsé que dans les situations extrêmes. Mais ce système est coûteux et la mise au point de sa régulation est plus délicate.

Un grand avantage pourtant de ce système « tout air » est de pouvoir profiter d’un refroidissement gratuit par de l’air extérieur en mi-saison (free cooling diurne).

Un outsider possible pour certains bâtiments : le DRV, Débit de Réfrigérant Variable

Quelques réflexions peuvent se faire :

Le souci de modularité dans la construction des bâtiments nouveaux entraîne faux plafond, cloisons légères, … Cette caractéristique de construction sans inertie, alliée à la présence généralisée de moquette au sol, entraîne une très grande variabilité des besoins dans le temps : il faut réchauffer le bâtiment au matin, mais le fonctionnement de la bureautique et le premier rayon de soleil entraîne un besoin de refroidissement à midi !
Les bâtiments nouveaux sont parfois confrontés à des besoins simultanés de chaud et de froid :
- exemple 1 : en hiver, chauffage des locaux en périphérie et refroidissement du cœur du bâtiment,
- exemple 2 : en mi-saison, au matin, chauffage des locaux à l’Ouest et refroidissement des locaux à l’Est déjà soumis au rayonnement solaire,
- exemple 3 : chauffage de l’air hygiénique et refroidissement des locaux.
  Il est dommage de voir simultanément des chaudières fonctionner, ne fut-ce que pour préchauffer l’air hygiénique, et des condenseurs évacuer dans l’air extérieur la chaleur excédentaire des locaux refroidis…
Pourquoi passer par un fluide intermédiaire (eau ou air) et ne pas travailler directement avec le fluide frigorigène qui peut apporter chaleur ou refroidissement par simple inversion du cycle ?

Par ailleurs, la technique du « fluide réfrigérant variable » semble performante pour des locaux dont les besoins sont très variables entre eux et dans le temps. Par exemple, en hiver, un échangeur dans le faux plafond devient évaporateur lorsqu’il est placé dans un local central et condenseur lorsqu’il est dans un local en façade. Et ce même échangeur bascule en évaporateur en été.

Reste le problème d’apport de l’air neuf hygiénique et le contrôle du taux d’humidité en hiver. Ce système ne le prévoit pas.
Il faut alors :

Soit prévoir un caisson de préparation de l’air indépendant, mais on ne dispose pas de source de chaleur puisque pas de chaudière…
Soit intégrer l’air neuf dans les échangeurs intérieurs et laisser à l’unité terminale le soin de préparer la température adéquate, mais on ne gère pas le problème de l’humidité de l’air des locaux.

Un avantage de ce type d’installation : c’est une solution « tout électrique », ce qui simplifie et accélère la construction. On veillera cependant à en limiter la puissance électrique (gestion de la pointe de puissance par délestage ou par stockage de froid la nuit).

Quel que soit le système choisi…

C’est très souvent la qualité du projet qui fait la différence :

dimensionnement correct (absence de courant d’air, limitation du bruit,…),
finesse de la régulation des équipements,
performance des moyens de gestion qui pilotent le tout.

Ce sont les 10 % de budget supplémentaire qui feront souvent la performance globale…

Posted By : Sylvie 9 Avr, 2014

Choisir l’emplacement des émetteurs de refroidissement

Le confort lié à la distribution de l’air et de la chaleur

L’emplacement de l’unité intérieure conditionne fortement le confort des occupants. La difficulté est renforcée par le fait que le confort doit être assuré autant en mode « chauffage » qu’en mode « refroidissement ». Les mouvements de l’air dans les locaux sont conditionnés par la disposition des bouches de soufflage et de reprise par rapport à l’emplacement des occupants. Notons que certaines cassettes plafonnières régulent automatiquement la direction du flux suivant le mode fonctionnement chaud ou froid.

Le dimensionnement doit alors faire apparaître que la zone d’occupation du local n’est pas perturbée par le jet d’air.

La zone d’occupation du local est limitée dans les recommandations EUROVENT.

En pratique, la vitesse résiduelle du jet d’air dans la zone d’occupation devrait se situer entre 0,15 et 0,2 m/s. Si elle atteint 0,25 m/s, il y aura inconfort des occupants.

Disposition en allège

Si l’emplacement est en allège, la stratification de la température de l’air est limitée et le rayonnement froid du vitrage en hiver est diminué.

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Cette disposition impose qu’en mode « refroidissement », personne ne se trouve à proximité immédiate de la bouche de soufflage.

On rencontre deux cas de figure : soit l’échangeur est placé « complet » avec son habillage, soit il est « nu » et intégré dans un caisson en allège. La première solution apporte beaucoup de garanties de qualité, car le fabricant a testé son matériel et peut en garantir les performances. Mais l’architecte préfère de loin la deuxième formule, pour l’esthétique globale du local et pour la possibilité de dissimuler câbles et tuyauteries dans l’allège ! Les problèmes qui se posent alors sont liés à l’interface entre l’échangeur et la grille du caisson : des remous modifient les jets d’air et créent un inconfort acoustique. Il est donc important soit de remonter l’échangeur pour qu’il affleure la grille, soit de prévoir un manchon de raccord entre ventilo et grille.

De même, on évitera les tablettes, rideaux, … qui peuvent entraver une diffusion correcte de l’air.

Exemple de ventilo-convecteur en allège.

Disposition en faux plafond

Paradoxalement, c’est lorsque soufflage et reprise sont proches l’un de l’autre que le brassage de l’air du local est le meilleur. Mais cette distribution horizontale de l’air peut poser beaucoup de difficultés, surtout si l’on souhaite faire varier le débit d’air. Le choix de la grille sera déterminant. On adopte généralement des grilles linéaires ou des grilles à rouleaux dont on recherche l‘effet Coanda le long du plafond. Mais à faible vitesse, la veine d’air risque de se décoller du plafond et de faire retomber un air trop froid sur les occupants.

En faux plafond, il est sans doute préférable d’imposer une vitesse constante (en l’imposant à la régulation centrale). Ce qui n’est acoustiquement et énergétiquement pas optimal. Permettre à l’occupant de modifier la vitesse de distribution de l’air sous-entend de reporter la commande sur une paroi du local, ce qui est coûteux à l’investissement.

Certains appareils modifient le jet en fonction de la température de l’air soufflé.
À noter enfin que lorsque l’échangeur est placé en faux plafond, on aura tendance a insérer l’apport d’air neuf dans le plénum constitué par ce faux plafond. L’échangeur aspire un mélange d’air du local et d’air neuf. Or, l’air neuf devant être pulsé en permanence, il faudra toujours maintenir une vitesse minimale à l’échangeur.

Disposition en faux plafond avec gainages de distribution

C’est un appareil dont le raccordement est prévu via des gaines de distribution vers différentes grilles de pulsion. Cela améliore le confort (meilleure diffusion de l’air, diminution du bruit, …).

Mais les pertes de charge sont plus élevées et la consommation électrique du ventilateur augmente, tout particulièrement si les gaines de distribution d’air sont longues et terminées par des bouches linéaires.

Disposition au plafond, en apparent ou en imposte

Ce n’est pas idéal au niveau confort thermique. En mode « froid » et à basse vitesse, le jet risque de tomber et de provoquer une sensation d’inconfort désagréable. Ce risque est renforcé si la température de la boucle d’eau glacée est choisie très basse lors du dimensionnement (régime 7° – 12°C, par exemple, plutôt que 12° – 17°C). On peut diminuer cet effet, lors du dimensionnement de l’équipement, en calculant le ventilo sur base de la vitesse moyenne et en recherchant à valoriser à ce moment l‘effet Coanda.

Disposition en faux plancher


La distribution et l’émission peut également être disposée dans le faux plancher.

Disposition dans un local technique indépendant

Pour l’organisation de la maintenance, il peut être plus aisé de disposer toutes les unités terminales dans un local technique, et de les relier chacune à son local par une gaine spécifique.

On parle alors de Module de traitement d’air, qui peut être vu comme un ventilo-convecteur délocalisé.

Coupe à l’intérieur du module de traitement d’air.

En aval, ils sont alimentés en air neuf prétraité, en eau glacée et éventuellement en eau chaude.

En amont, ces caissons sont prolongés par des gaines pour alimenter les diffuseurs d’air dans les locaux (ces diffuseurs assurent aussi bien la pulsion que la reprise).

Le principe de fonctionnement est donc fort proche de celui des ventilo-convecteurs. Mais en plus, il apporte une flexibilité totale s’adaptant très bien aux bâtiments modulaires dont on voudrait pouvoir modifier les cloisons ultérieurement.

Le coût d’installation fort élevé entraîne le besoin d’une évaluation de la rentabilité de ce système sur le long terme.


Un module de traitement d’air traite un local.	Vue du local technique où sont rassemblés les MTA d’un étage, par exemple.

L’évacuation des condensats

La température d’évaporation (en mode froid) d’un système DRV ou d’un climatiseur est inférieure à la température de rosée de l’eau contenue dans l’air, il y a alors condensation sur les ailettes. Des condensats apparaissent également sur les échangeurs à eau glacée des ventilo-convecteurs ou poutres froides.

Ces condensats doivent être évacués. En fonction de l’emplacement de l’appareil, ceci pourra s’effectuer par écoulement naturel ou au moyen d’une pompe de relevage. Celle-ci, si elles ne sont pas intégrées dans la cassette peuvent engendrer du bruit. Dans la mesure du possible, il faut essayer de ne pas sacrifier le confort pour faciliter l’évacuation.

A priori, l’évacuation pour un appareil en plafond dispose de plus de pentes qu’en allège, mais la présence de poutres perpendiculaires au chemin probable d’évacuation peut rendre les choses plus difficiles…

Exemple du DRV : Les condensats sont extraits de l’air ambiant lors du fonctionnement de l’échangeur en mode « froid ». Ainsi, lorsque l’appareil détecte une humidité trop importante dans le local, il descend la température du fluide frigorigène sous le point de rosée de l’ambiance. La distance entre ailettes étant de 2 mm, le bypass factor est très faible. L’air du local condense et ressort à 95… 98 % d’humidité relative.

D’après un constructeur :

la consommation de l’appareil est de 85 % en chaleur sensible en mode refroidissement (et donc 15 % pour la déshumidification),
elle descend à 50 % en chaleur sensible lors d’un fonctionnement en mode déshumidification.

La technique de la température variable fait qu’il est possible de faire varier la proportion entre chaleur sensible et latente dans le traitement de l’air en mode froid.

La facilité de maintenance

Il ne faut pas non plus oublier que le ventilo doit s’intégrer dans l’esthétique générale du local et que sa facilité d’accès déterminera en partie son coût d’entretien et le coût du service après-vente.

Il est certain que les appareils en allège sont de ce point de vue nettement préférable à ceux en faux plafond.

On sera attentif à ce que les appareils en faux plafond disposent d’une ouverture prévue par le dessous (point surtout critique pour les appareils gainables). Certains appareils sont pourvus de filtres autonettoyants facilitant ainsi l’entretien.

Synthèse

Avantages	Configurations	Inconvénients
distribution optimale de l’air, bruit réduit, faux plafond mis à profit, multiplicité des combinaisons.		risque de court-circuit de l’air pulsé et repris, difficulté de respecter le confort à vitesse réduite.
distribution optimale de l’air, bruit réduit, faux plafond mis à profit.		difficulté d’évacuation des condensats (nécessité d’une pente), difficulté de respecter le confort à vitesse réduite.
fonctionnement correct en chauffage et refroidissement.		risque de court-circuit si vitesse de soufflage trop faible, encombrement au sol, difficulté d’évacuation des condensats (nécessité d’une pente).
fonctionnement correct en chauffage et refroidissement.		risque de court-circuit si vitesse de soufflage trop faible esthétique difficulté d’évacuation des condensats (nécessité d’une pente).

Pour en savoir plus :

Techniques	Le ventilo-convecteur
Techniques	L’éjecto-convecteur
Techniques	La poutre froide
Techniques	Le climatiseur de local
Techniques	Le système DRV

Posted By : Sylvie 3 Fév, 2014

Système de refroidissement [Concevoir l’avant projet ]

Stratégie de choix

Un système technique, notamment de refroidissement, ne devrait pas se choisir uniquement sur base de critères technologiques et économiques, même s’ils sont essentiels. Le choix doit intégrer toute la complexité du bâtiment, son programme, ses besoins énergétiques de chaud et de froid, son site, son occupation,…

Pour s’y retrouver, il est nécessaire de se donner une stratégie. Un exemple de stratégie de choix peut être d’identifier des groupes de critères jugés prioritaires sur base desquels faire une première sélection peut s’effectuer. Par exemple, dans une approche orientée vers la performance énergétique, on mettra en avant les critères liés :

Aux propriétés thermiques et constructives du projet :
Quelle est l’inertie du bâtiment ? Quelles sont les puissances demandées et les besoins d’énergie en chaud et en froid, en fonction des charges internes et solaires, des performances de l’enveloppe ? Quels sont les débits d’air hygiéniques ? Quelle est la modularité envisagée (possibilité de modifier fréquemment les cloisons) ?
Aux ressources énergétiques disponibles sur le site :
Dans notre climat, un bâtiment peut être rafraîchi la plus grande partie de l’été en ventilant naturellement le bâtiment par de l’air extérieur. Si le site est trop bruyant ou pollué, une ventilation mécanique adaptée utilisée en mode free cooling sera également efficace. L’air extérieur peut en outre être rafraichi par des aménagements paysagers (parcs, bassins) ou technologiques (humidification). Si l’air extérieur reste malgré tout chaud la journée, la température nocturne tombe suffisamment pour permettre de décharger la chaleur accumulée à l’intérieur. Si l’air extérieur n’est pas valorisable sur le site du projet, peut-être une ressource hydrique l’est-elle (sans aller jusqu’à solliciter la nappe phréatique, un étang par exemple constitue une masse d’eau fraiche impressionnante) ? La capacité thermique du sol peut également être sollicitée, si sa composition permet des forages à un coût raisonnable.
Au profil de l’occupant :
Selon qu’il souhaite ou non avoir un rôle actif dans la conduite du bâtiment, les choix techniques ne seront pas les mêmes. Est-il disposé à ouvrir ses fenêtres en été ? Les choix dépendront également des profils d’occupation : sont-ils stables ou variables ? Enfin, les attentes de confort sont un critère majeur : les occupants exigent-ils une température constante réglable selon leurs envies, ou sont-ils prêts à accepter une évolution raisonnable, mais moins maîtrisée des conditions intérieures ?

Une fois que l’on s’est donné une liste de critères principaux, il faut faire l’inventaire des choix possibles, et s’orienter vers celui qui offre la meilleure performance énergétique. Cette première sélection doit ensuite être discutée sur base des autres critères : impact financier, contraintes d’entretien, risque de nuisance acoustique, etc.

Posted By : olivier 3 Fév, 2014

Choisir une production de froid « alternative » (freechilling, refroidissement adiabatique, géothermie, climatisation solaire)

Quand opter pour un freechilling ?

Le free-chilling consiste à refroidir l’eau glacée de l’installation frigorifique par « contact » avec l’air extérieur lorsque la température de celui-ci est suffisamment basse.

Qu’est-ce qu’une installation adaptée au free-chilling ?

Au départ, il faut que des besoins de froid soient prévus en hiver.
L’intérêt est augmenté si les échangeurs des unités terminales qui seront choisis travaillent à « haute » température : ce sera le cas de plafonds froids (régime 15-17 °C), de poutres froides ou de ventilos-convecteurs surdimensionnés pour travailler au régime 12-17 °C ou 14-19 °C,… À noter qu’un tel dimensionnement diminue les pertes du réseau et la consommation liées à la condensation de la vapeur d’eau contenue dans l’air des ambiances, ce qui amplifie l’économie d’énergie.

Si l’installation demande une puissance de refroidissement faible en mi-saison ou en hiver (de l’ordre de 50 W/m²), on pourrait faire travailler les plafonds froids au régime 17 ° – 19 °C, ce qui permet un refroidissement par l’air extérieur tant que la température de l’air est inférieure à 14 °C. On peut alors imaginer une modulation de la température de consigne de l’eau des plafonds froids en fonction de la température extérieure.

Enfin, le projet se présente très favorablement si un condenseur à eau est prévu : on pourra utiliser la tour de refroidissement pour refroidir l’eau glacée directement par l’air extérieur. Dans la tour, grâce à l’évaporation partielle de l’eau, la température de l’air extérieur sera encore diminuée. Ainsi, de l’air à 15 °C et 70 % HR permet de créer de l’eau de refroidissement à 12 ° (limite basse théorique appelée température « bulbe humide »). Malheureusement, un échangeur sera nécessaire entre le circuit de la tour (eau glycolée) et le circuit d’eau glacée du bâtiment. Une partie de l’avantage est donc perdu…

Le problème du gel…

De l’eau glacée refroidie par l’air extérieur pose le problème du gel dans la tour. La solution la plus courante est l’addition de glycol, mais :

le glycol coûte cher,
le glycol diminue les capacités d’échange thermique et augmente la densité du liquide, ce qui entraîne une augmentation de puissance des pompes,
en général, on limite le circuit glycol au dernier tronçon en contact avec l’extérieur (l’eau de la boucle d’eau glacée n’est pas glycolée car, en cas de vidange, c’est l’entièreté du circuit qui est à remplacer),
un échangeur supplémentaire doit alors être prévu, entraînant une consommation électrique liée à sa perte de charge et un écart de température qui diminue la période de fonctionnement du free-chilling…
Attention lorsque l’on rajoute de l’eau ultérieurement…

Il est aussi possible de placer des cordons chauffants (mais peut-on protéger totalement ainsi une tour ?) ou de prévoir un circuit de chauffage spécifique qui se met en place en période de gel, mais on risque de manger le bénéfice !

Le free-chilling : une solution miracle pour toutes les installations ?

Certainement pas. De nombreuses contraintes apparaissent.

Quelques exemples :

Lorsque l’installation travaille à charge partielle, il y a intérêt à ce que la température moyenne de l’eau « glacée » soit la plus élevée possible pour favoriser l’échange avec l’air extérieur. On appliquera donc une régulation des échangeurs par débit variable pour augmenter l’écart de température entre départ et retour.

Une tour de 300 kW pèse 3 à 4 tonnes et une tour de 1 000 kW pèse 9 à 12 tonnes, ce qui génère parfois des frais d’adaptation du génie civil.

Adapter cette technique nécessite donc toujours une étude particulière (cadastre des énergies de froids prévues avec leur niveau de température, répartition été/hiver, …) pour apprécier la rentabilité.

Mais il est en tous cas impératif d’y penser lors d’une nouvelle installation !

Quand opter pour un refroidissement adiabatique

Le refroidissement adiabatique permet de rafraîchir de l’air en centrale par humidification. Cet air humide et frais est ensuite utilisé directement dans l’ambiance ou indirectement par un échangeur de chaleur.

Ce système basé sur des équipements existants (groupe de ventilation, tour de refroidissement) apporte un rafraichissement naturel bienvenu lorsque des techniques plus « lourdes » (fenêtres motorisées, etc.) ne peuvent être mises en œuvre. Il peut également servir d’appoint à ces techniques passives lorsque celles-ci ne suffisent plus à assurer le confort.

Le refroidissement adiabatique a cependant une efficacité limitée à trois niveaux,

comme tout système de transfert thermique basé sur l’air, la faible capacité calorifique de l’air bride la puissance disponible. Des débits d’air importants sont nécessaires pour que le refroidissement soit réellement sensible.

La température minimale à laquelle l’air peut être abaissé est la température de bulbe humide, qui correspond à la saturation. Cette température est plus élevée que celle obtenue par une machine frigorifique « classique ».

Le système ne fonctionne que lorsque l’air que l’on souhaite humidifier est suffisamment sec que pour présenter un potentiel de rafraichissement intéressant. Si c’est de l’air intérieur, le refroidissement adiabatique sera plus pertinent dans des locaux faiblement occupés (moins de dégagement d’humidité dans l’ambiance). Si c’est de l’air extérieur, le système ne sera pas très efficace les jours chauds et humides.

La figure ci-dessous montre, heure par heure, les conditions climatiques d’Uccle, et la zone de conditions T° et Humidité favorable à un système évaporatif direct. A l’évidence, notre climat humide n’est pas le plus favorable pour cette technique.

Elle n’est pas pour autant à dédaigner complètement. Considérons par exemple un air extérieur à 22 °c et 60 % d’humidité relative, une condition qui n’a rien d’exceptionnel en été. Pour peu qu’il y ait un peu de soleil, beaucoup de bâtiments seront en demande de refroidissement. Par humidification, cet air peut être abaissé jusqu’à environ 17 °C. Ce gain de 5 °C, sur un débit d’air hygiénique d’environ 3 m³/(hm²) dans des bureaux représente 5 W/m² de puissance frigorifique. C’est presque équivalent à la chaleur dégagée par les occupants (70 W/personne, 10 à 15 m²/personne). C’est peu, mais non négligeable.

Quand donc opter pour ce type de système ?

Dans notre climat, un refroidissement adiabatique direct est limité par l’humidité extérieure, et surtout d’une efficacité très variable en fonction de la météo. On évitera donc de se fier uniquement sur eux pour traiter une ambiance. Par contre, sa simplicité fait qu’il trouvera presque toujours une place en complément de stratégies de refroidissement sur boucle d’eau.

Les systèmes indirects, basés sur l’humidification de l’air extrait, seront pertinents lorsque l’air extrait peut être fortement refroidi. Pour cela, il faut qu’il ne soit ni trop chaud, ni trop humide. La condition « pas trop chaud » fait penser à des locaux disposant déjà d’un système de refroidissement par boucle d’eau. On est alors sur de plafonner à 24-25 °C. La condition « pas trop humide » se rencontre lorsque la surchauffe du local est liée à des gains solaires et internes sans dégagement d’humidité. Autrement dit dans les locaux dont l’occupation humaine est relativement limitée. Problème : dans ces cas-là, le débit d’air a tendance à l’être aussi, ce qui limite la puissance disponible. Faut-il surdimensionner le réseau de ventilation ? C’est un calcul économique à réaliser au cas par cas.

En conclusion, le refroidissement adiabatique apparait chez nous comme un appoint intéressant à d’autres systèmes plus que comme une technique autonome de refroidissement.

Et si on reformulait les objectifs de la conception des bâtiments de façon à atteindre un niveau de maîtrise des charges thermiques au point de rendre cet appoint suffisant ?

Techniques	Pour en savoir plus sur le refroidissement adiabatique, cliquez ici !
Concevoir	Pour en savoir plus sur la façon de valoriser la physique de l’air humide, cliquez ici !

Quand opter pour une climatisation solaire ?

La climatisation solaire est une technique basée sur l’utilisation de machines frigorifiques à ab/adsorption ou de roues dessicantes. L’énergie solaire sert alors de source de chaleur pour régénérer le sorbant.

Dans le cas des machines frigorifiques à adsorbtion, la possibilité d’utiliser le soleil pour cet usage est limité par la demande d’une température d’eau minimale qui se situe entre 70 et 95°C en fonction du couple solvant-réfigérant. Dans les roues dessicante, cette température est également supérieure à 70°C. Pour atteindre cette température, l’emploi de capteurs performants est indispensable (sélectifs, sous vide, à faible concentration), ce qui induit un coût d’investissement assez important.

Il faut aussi tenir compte de ce que, en l’absence de soleil, si les besoins de froid sont toujours présents, une autre source de chaleur doit prendre le relais. L’intérêt de la machine frigorifique à absorption couplée avec des capteurs solaires doit donc être évalué sur base d’une moyenne annuelle, en tenant compte des heures d’ensoleillement exploitables. Cette évaluation dépend de nombreuses valeurs à estimer :

rendement de la chaudière ;
rendement de la machine frigorifique à absorption ou des différents échangeurs de la roue dessicante ;
proportion de la demande de froid qu’on peut produire avec l’énergie solaire (X) qui dépend du nombre d’heures d’ensoleillement exploitables ;
rendement moyen de la production électrique en centrale ;
COP de la machine frigorifique à compression.

Avec les hypothèses prises dans le schéma ci-dessus, le bilan au niveau de la consommation d’énergie primaire est favorable au système de refroidissement solaire si au moins 51 % de la demande de froid peut être satisfaite par l’énergie solaire. Pour évaluer la rentabilité économique du système, il faudrait tenir compte des prix de l’énergie et des coûts d’investissement.

Est-il envisageable d’atteindre ce ratio ? A priori non : dans notre climat peu ensoleillé, les surchauffes sont en grande partie liées aux dégagements intérieurs de chaleur. Encore plus si le bâtiment est équipé de protections solaires.

Faisons l’exercice inverse : pour que la climatisation solaire soit pertinente, il faudrait que :

Les locaux soient peu sujets à des gains internes : des grands espaces peu occupés.

Les locaux soient sujets à une surchauffe au moment où le soleil brille : donc des espaces qui présentent une faible inertie thermique.

Les locaux disposent d’une stratégie alternative lorsque cette surchauffe apparait pour un ensoleillement moyen (en mi-saison, quand la température dans le capteur ne sera pas suffisante) : locaux que l’on peut ventiler intensivement en été.

Cela pourrait nous faire penser à des espaces d’exposition, pour autant que l’éclairage artificiel n’y représente pas une charge trop importante, ou à des atriums. On le voit, la climatisation solaire doit, chez nous, être considérée comme un produit de ‘niche’, pour lequel une étude technico-économique détaillée est indispensable.

Techniques	Pour en savoir plus sur les machines frigorifiques à ad/absorption
Techniques	Pour en savoir plus sur les roues dessicantes

Quand opter pour un geocooling ?

Le geocooling est une technique de valorisation de la fraicheur du sol grâce à un réseau véhiculant un fluide caloporteur. En principe, le champ d’application du geocooling est large. Tout bâtiment qui présente un besoin de froid pourrait théoriquement en bénéficier, quitte à compléter cette source d’un appoint par une machine frigorifique plus traditionnelle.
Les limites d’utilisation du geocooling seront :

Réglementaires : les forages doivent faire l’objet d’une demande de permis unique en Région Wallonne, pour laquelle il faut fournir notamment une coupe géologique probable du puits avec profondeur estimée de la nappe aquifère, la description des méthodes de forage et les équipements du puits avec coupe technique, un rapport technique sur la nature de la nappe aquifère éventuelle et un plan de situation des puits. Le sens de cette demande de permis est bien évidemment d’éviter tout risque de pollution d’une nappe aquifère, ce qui peut limiter le développement de cette technologie dans certaines zones sensibles.

Technologiques : Décharger d’année en année une quantité d’énergie dans le sol mène à son échauffement progressif. Il en découle une perte de performance liée à des moindres écarts de température entre le sol, la boucle d’eau et le bâtiment. On privilégiera donc le geocooling dans les situations où le sol est également utilisé comme source de chaleur en hiver (géothermie), t en particulier lorsque les besoins de chauffage et de refroidissement du bâtiment sont dans une certaine proportion. Puisqu’en géothermie l’énergie utile (la demande de chaud) = l’énergie extraite du sol + l’énergie consommée au compresseur de la pompe à chaleur, alors qu’en geocooling, l’énergie utile (la demande de froid) = l’énergie injectée dans le sol, on déduit que le geocooling sera particulièrement pertinent lorsque la demande de froid = la demande de chaud / (1-(1/COP_pac)). Autrement dit, si on considère qu’une pompe à chaleur à un COP de l’ordre de 4, il faut que les besoins de froid soient environ 133 % des besoins de chaleur.

Simulation de la température d’un sol dont on retire du froid chaque été. Après 240 mois (20 ans), la température moyenne a grimpé de 3°C, rendant difficile la production d’eau froide à destination du système de climatisation du bâtiment.

Économiques : La pertinence économie qu’un geocooling dépend de la nature du sol et de l’équilibre entre besoins de chaleur et de froid. Pour ce qui est de la nature du sol, il est évident qu’un forage dans une roche demandera un investissement plus important qu’un forage dans du sable. Certains sols offrent également une plus grande diffusivité thermique, ce qui améliore leur rôle de tampon thermique. Un test de réponse thermique (TRT) permet de chiffrer la qualité d’un sol relativement à des applications thermiques. L’équilibre chaud-froid dans les proportions discutées au point précédent permet de limiter le recours à des technologies d’appoint (chaudière ou machine frigorifique à compression) pour valoriser au maximum l’investissement fait au niveau du forage.

Pour illustrer tout cela, voici un exemple de bilan réalisé pour un bâtiment de bureaux (source : MATRIciel sa). Il s’agit de la comparaison entre la géothermie/geocooling et des installations de production traditionnelles, pour plusieurs combinaisons d’enveloppe (coefficient de déperdition des murs de 0,2 à 0,4 W/m²K et facteur solaire des vitrages de 22 à 39 %). Certaines combinaisons ne sont pas possibles si on désire installer une géothermie, car elles entraînent un trop grand déséquilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement et donc une mauvaise dynamique du sol d’une saison à l’autre. Dans ces cas, la stabilité de la température du sol à long terme n’est pas garantie. Globalement, lorsqu’elle est possible, la valorisation du sol permet une division par 2 des émissions de CO₂ et une économie d’un tiers de l’énergie primaire liée au chauffage et refroidissement. Mais, on constate que la combinaison qui minimise la consommation d’énergie primaire pour des techniques traditionnelles ne permettait pas, pour ce cas-là, d’opter pour le geocooling ! Même si cela peut paraître paradoxal, il est alors préférable d’aller un peu moins loin dans la réduction des besoins (de froid dans ce cas-ci) pour rendre possible l’investissement dans une technique qui minimisera l’impact global du bâtiment.

Techniques

Pour en savoir plus sur les techniques de geocooling, cliquez ici !

Influence du régime de température

Le régime de température d’un système de climatisation influence directement la quantité d’énergie produite en valorisant la fraicheur de l’environnement. À titre d’exemple, le tableau suivant reprend les gains énergétiques potentiels par free-chilling et par géocooling qui ont été simulés en fonction du régime de température, pour un bâtiment de bureaux nécessitant 302 MWh de besoin en froid.

	Géocooling
Régime	09°C-14°C	15°C-17°C	17°C-19°C
Gain énergétique potentiel	33%	66%	75%
	Free-chilling
Régime	09°C-14°C	15°C-17°C	17°C-19°C
Gain énergétique potentiel	0.5%	8.6%	15.5%

Le géocooling consiste à refroidir directement l’eau avec le sol, la température du sol doit donc être inférieure à la température de départ de l’eau. Dans cette exemple, le choix d’un régime 17-19 °C au lieu de 9 °C – 14 °C permet bénéficier de 2 fois plus d’énergie gratuite et d’ainsi couvrir 75 % des besoins en froid du bâtiment !

Pour un régime de température de 9 °C – 14 °C, l’utilisation d’énergie gratuite de l’air est quasi nulle (0.5 % de la consommation annuelle). Dans cet exemple, l’augmentation du régime de température de 2 °C (17-19 au lieu de 15-17) permet d’utiliser 1.8 fois plus d’énergie gratuite.

En outre, un régime plus élevé diminue fortement le risque de condensation et peut permettre de se passer de la déshumidification de l’air. Il est dès lors possible d’utiliser des émetteurs de types plafond froid.

Posted By : olivier 30 Jan, 2014

Géothermie et géocooling [Climatisation]

Principe

À l’état naturel, le sous-sol garde une température constante de l’ordre de 10 … 12 °C à partir d’une profondeur d’une dizaine de m.

On peut donc logiquement imaginer que celui-ci puisse servir de source naturelle de froid. Il suffirait qu’un réseau véhiculant un fluide caloporteur le parcoure pour produire de l’eau à température adéquate pour refroidir un bâtiment.

On appelle cela du « géocooling ».

De même, une température de 10 .. 12 °C plus élevée et plus stable que la température extérieure hivernale est une température intéressante pour servir de source froide à une pompe à chaleur, en l’occurrence sol/eau, pour chauffer le bâtiment en hiver.

On parle alors de « géothermie ».

Refroidissement en été et chauffage en hiver vont d’ailleurs souvent de pair. En effet, si en été on extrait du « froid » du sol, ce dernier se réchauffe progressivement. Si cette opération se répète d’année en année, sans autre perturbation, le sol verra sa température moyenne augmenter jusqu’à ne plus être exploitable.

Dès lors pour éviter ce phénomène, il s’agit de régénérer le sol chaque hiver en extrayant la chaleur accumulée en été grâce à une pompe à chaleur.

On parle alors de « STOCKAGE GEOTHERMIQUE » : la chaleur du bâtiment est transférée dans le sol en été quand elle est gênante pour être utilisée en hiver quand elle est nécessaire.

Technologie des sondes géothermiques

Les systèmes fermés et ouverts

On parle de système fermé si un fluide caloporteur circule dans le sol dans un circuit fermé.

On retrouve principalement 3 types de systèmes fermés : les forages ou sondes géothermiques, les pieux géothermiques et les nappes horizontales.

3 types d’échangeur géothermique : les pieux, les sondes et les nappes.

Source : Rehau.

On parle de système ouvert lorsque c’est l’eau de la nappe phréatique ou du lit d’une rivière qui est pompée pour échanger sa chaleur avec le bâtiment et réintroduite en aval du sens d’écoulement souterrain.

Forages géothermiques

Dans ce cas les « échangeurs géothermiques » ou « sondes géothermiques » sont pour la plupart constitués de forages verticaux (diam 150 mm) d’une profondeur de 50 à 400 m (souvent 100 .. 150 m). Chaque forage contient des conduites, le plus souvent en polyéthylène (DN 32) disposées en double U et enrobées d’un coulis de ciment/bentonite (le « grout ») assurant la protection mécanique tout en permettant une certaine souplesse indispensable pour résister aux mouvements de sol.

Source : REHAU.

L’ensemble des forages forme ainsi un champ de sondes espacées entre elles de 6 à 10 m, pour limiter les interférences thermiques. Les sondes sont raccordées entre elles via des collecteurs, en série ou en parallèle ou un mix des deux.

Le champ de sondes peut être disposé à côté du bâtiment ou même sous le bâtiment (par exemple en ville).

Variantes : Sondes coaxiales en acier

Les forages géothermiques présentent une série de contraintes comme :

la nécessité d’espace pour effectuer les forages;
la gestion du forage au travers de couches de sous-sol parfois hétérogènes;
la nécessité de maximiser l’échange de chaleur tout en garantissant la tenue mécanique des sondes,
…

Cela conduit les fabricants à proposer des alternatives aux sondes traditionnelles en « double U ».

Il existe ainsi des sondes coaxiales : l’eau en provenance du bâtiment circule dans la périphérie de la sonde et revient par le cœur pour délivrer son énergie au bâtiment.

Exemple de sonde coaxiale en PE : le fabricant annonce que les performances d’une sonde de dimension 63 mm / 40 mm
correspondent à une sonde géothermique double U de dia. 32 mm.

Source : www.hakagerodur.ch

Pour encore augmenter l’échange thermique avec le sol les sondes peuvent être réalisées en acier (avec protection cathodique) ou en inox, sans enrobage : le tube périphérique est en métal et le tube intérieur en PE.

L’augmentation du transfert de chaleur, permet alors réduire le nombre de forages et la longueur des sondes. Ainsi des tests de réponse thermique montrent qu’en moyenne, les sondes coaxiales en inox ont une résistance thermique 2 fois moindre qu’une sonde avec doubles U en PE. Cela permettrait une puissance d’extraction de 10 à 20 % supérieure.

Exemple de sondes en acier, à visser (longueur de 3 m).

Source : Thermo-pieux.

Exemple de sonde en inox introduite par forage ou « vibro-fonçage ». La profondeur peut atteindre une centaine de mètres.

Source : geo-green.

La technologie des sondes coaxiales ouvre la porte à des installations avec des forages en étoile au départ d’un point d’entrée unique dans des lieux où l’accès pour des forages parallèles espacés n’est pas possible (par exemple, une cour intérieure dans un site existant).

Forages en « étoile » : on parle dans la littérature de « racines géothermiques ».

Pieux géothermiques

Une alternative aux forages consiste à intégrer les échangeurs géothermiques aux pieux de structure d’un bâtiment. Cela se justifie parce que ceux-ci sont souvent nécessaires dans des sous-sols humides, sous-sols favorables aussi à la géothermie.

On justifie cette technique par un souci de rationaliser les techniques en les combinant. Cependant, la pratique ne prouve pas que les coûts soient inférieurs par rapport à des installations distinctes. La mise en œuvre des pieux se complique également. La gestion de l’installation doit également interdire que les pieux de fondation ne gèlent en mode de chauffage hivernal.

Exemples de réalisation : La crèche de l’île aux oiseaux, ville de Mons : 16 pieux géothermiques de 10 m.

La crèche de l’ile aux oiseaux de Mons.

Aéroport de Zurich : 350 pieux géothermiques de 30 m de profondeur.

Nappes horizontales

La géothermie se décline également sous la forme de nappes de tuyaux déployés horizontalement à faible profondeur (0,6 à 1,2 m).

Le système est peu applicable dans le secteur tertiaire. En effet,

Il demande une surface de terrain très importante : de 28 à 100 m²/kW de puissance de chauffage nécessaire.

En hiver, elle peut conduire à un refroidissement excessif du sol préjudiciable à la végétation.

L’utilisation en refroidissement n’est guère possible, la température du sol étant fortement soumise à l’environnement extérieur.

Alternative pour les bâtiments de taille réduite : les sondes de faible profondeur.

Pour les petits projets, pour lesquels un forage n’est pas autorisé et où les systèmes horizontaux ne disposent pas de surface suffisante, certains fabricants proposent des sondes de petite taille constituées d’un échangeur spiralé. Ce système permet notamment de limiter l’influence que peut avoir la géothermie sur la couche de sol où se développe la végétation.

Source : SANA FONDATIONS sprl.

Cas particulier : le puits canadien

Le puits canadien ou puits provençal constitue une forme de géothermie puisque l’air neuf de ventilation est prétraité (chauffé ou refroidi) par son passage dans le sol.

Techniques

Pour en savoir plus sur le puits canadien.

Schémas de principe

Traditionnellement, on retrouve 2 types de schéma de principe, selon que le froid est produit par échange direct avec le sol soit par la pompe à chaleur réversible utilisant le sol comme source chaude. Une troisième configuration se retrouve lorsqu’on puise directement l’eau de la nappe phréatique.

Free cooling direct

En été : le froid est produit par échange direct avec le sol et distribué via un échangeur vers les unités terminales. Le géocooling est ainsi mis en œuvre moyennant uniquement la consommation de pompes. Si on compare cette consommation à l’énergie frigorifique produite, on calcule un ESEER équivalent du système de l’ordre de …12…, voire plus en fonction des dimensionnements des équipements. Souvent une machine de production de froid vient en appoint pour satisfaire les demandes de pointes ou pour alimenter des utilisateurs demandant des températures d’eau plus basses (comme les groupes de traitement d’air).

En hiver, le sol sert de source froide à une pompe à chaleur sol/eau. Le coefficient de performance saisonnier obtenu varie entre 4,5 et 5,5. Une chaudière est utilisée en appoint pour couvrir les pointes de puissance par grands froids. Généralement, le système est dimensionné pour que la PAC couvre environ 70 % du besoin de chaud grâce à environ 30 % de la puissance totale nécessaire.

Recharge du sol par pompe à chaleur réversible

La pompe à chaleur sol/eau est réversible. En été, elle fonctionne comme un groupe de production d’eau glacée en utilisant le sol pour évacuer la chaleur de son condenseur régénérant ainsi ce dernier.

L’avantage d’un tel système est de mieux gérer la recharge du sol et peut-être de pouvoir se passer d’un groupe de froid d’appoint et d’un échangeur intermédiaire. L’investissement est donc moindre.

En contrepartie, alors que l’on peut toujours parler de stockage géothermique, il ne s’agit plus réellement de géocooling naturel puisqu’il est nécessaire de faire fonctionner une machine thermodynamique pour extraire le « froid » du sol. Le bilan énergétique global est donc moins favorable.

Systèmes ouverts

Si la nappe phréatique se situe près de la surface du sol, on peut envisager de puiser directement l’eau dans cette dernière plutôt que de la parcourir avec un échangeur et un fluide caloporteur. On parle de système ouvert. Dans ce cas, l’eau de la nappe sert par l’intermédiaire d’un échangeur :

En mode chauffage, de source froide à une pompe à chaleur.
En mode refroidissement, de source de froid directe pour une boucle d’eau.

L’eau puisée est ensuite réinjectée dans la nappe à une certaine distance créant ainsi 2 zones dans la nappe phréatique à températures différentes, l’eau passant de l’une à l’autre en fonction de la saison :

En hiver une zone se refroidit par l’eau réinjectée après échange avec la pompe à chaleur.
En été l’eau est pompée en sens inverse de cette zone et réinjectée plus chaude dans la zone de puisage hivernal.

Étant donné les mouvements dans les nappes phréatiques et en fonction de la distance entre les zones chaude et froide, l’influence d’un éventuel déséquilibre entre les besoins de chauffage et de refroidissement est nettement moindre dans le cas d’un système ouvert par rapport à un système fermé.

En outre, il est également possible de produire du chaud et du froid en même temps dans le bâtiment. En effet, si nécessaire, l’eau pompée de la nappe peut être dirigée à la fois vers la pompe à chaleur et vers l’échangeur de géocooling ou vers un échangeur commun entre les productions de chaud et de froid.

Exemples d’installations

Le schéma ci-dessous est proposé par un constructeur allemand. Il permet le chauffage par pompe à chaleur, le refroidissement libre par un échangeur vers les sondes géothermiques, éventuellement assisté par le fonctionnement réversible de la pompe à chaleur.

Le schéma ci-après, plus complet, permet un fonctionnement mixte en mi-saison : une chaudière alimente la zone périphérique en chaleur, alors que simultanément, la zone centrale est refroidie par l’échangeur dans le sol via la pompe à chaleur. Attention cependant à la destruction d’énergie qui pénalise l’intérêt énergétique de ce système.

Unités terminales associées

Les performances de la pompe à chaleur et du géocooling sont fortement dépendantes du régime de température des unités terminales :

Plus la température de l’eau de distribution est basse en saison de chauffe (température max de l’ordre 50 .. 55 °C), meilleur sera le rendement de la PAC et plus elle est élevée en été (température min de l’ordre de 15 .. 17 °C) plus grande sera la quantité d’énergie extractible directement du sol.

On doit donc choisir des unités terminales compatibles avec ces températures :

Plafonds refroidissants ou ilots rayonnants
- avantages : peu d’inertie thermique et donc rendement de régulation élevé, contrôle facile de la température ambiante, réversible chaud/froid;
- inconvénients : puissance plus limitée (plafonds).

Exemple d’îlot rayonnant.

(Source : Interalu).

Dalles actives
- avantages : stockage de nuit et donc limitation de la puissance à installer;
- inconvénients : inertie thermique importante et donc contrôle difficile de la température et rendement de régulation dégradé. Peu de flexibilité spatiale et difficulté d’utilisation en chauffage (nécessité d’un second système). Absence de faux plafond (gestion des techniques et de l’acoustique).

Convecteurs surdimensionnés

Étude d’un projet de géothermie

Un projet de géothermie consiste à mettre en corrélation le comportement thermique du bâtiment et celui du sous-sol. Tout cela se passe de façon dynamique : les besoins varient, le sol se charge, se décharge, échange avec son voisinage tout cela sur une échelle de temps quotidienne, mais aussi saisonnière. Cela justifie l’utilisation d’outils de simulation thermique dynamique prenant en compte la variabilité des besoins, des échanges et l’inertie du système.

Étapes de l’étude d’un projet de géothermie :

Définir les besoins par simulations dynamiques en évaluant différentes variantes de manière à trouver le bon équilibre entre le besoin de chaud et de refroidissement du bâtiment (niveau d’isolation, type de vitrage, protections solaires, …).

Besoins simulés de chauffage et de refroidissement d’un bâtiment, h par h ou 1/4h par 1/4 h.

Connaître la nature du sol par études géologique et hydrogéologique pour préévaluer les caractéristiques physiques et thermiques du sous-sol et pour évaluer les éventuels risques liés aux forages (présence de nappes phréatiques, de couche argileuse, de quartzites, …). Cela permet de prédéfinir la pertinence et la configuration des forages (par exemple, leur longueur minimale et maximale en fonction des couches de sous-sol susceptibles d’être rencontrées).

Pour exemple, voici quelques données moyennes :

Caractéristiques du sol	Puissance spécifique d »extraction
	Sur 1 800 heures de fonctionnement	Sur 2 400 heures de fonctionnement
Valeurs indicatives générales
Sous-sol de mauvaise qualité (sédiment sec) (λ < 1,5 W/m²K)	25 W/m	20 W/m
Sous-sol rocheux normal et sédiment saturé en eau (λ < 1,5 – 3.0 W/m²K)	60 W/m	50 W/m
Roche compacte à conductibilité thermique élevée (λ < 3,0 W/m²K)	84 W/m84 W/m	70 W/m
Minéraux respectif
Gravier et sable secs	< 25 W/m	<20 W/m
Gravier et sable aquifères	65 – 80	55 – 65 W/m W/m
Dans le cas de fort courant des eaux souterraines dans le gravier ou le sable et d’installations uniques	80 – 100	80 – 100 W/m
Argile et glaise humides	35 – 50 W/m W/m	30 – 40 W/m
Calcaire (massif)	55 – 70 W/m	45 – 60 W/m
Grès	65 – 80 W/m	55 – 65 W/m
Roche magmatique acide (par ex. granit)	65 – 85 W/m	55 – 70 W/m
Roche magmatique basique (par ex. basalte)	40 – 65 W/m	35 – 55 W/m
Gneiss	70 – 85 W/m	60 – 70 W/m

Puissances traditionnelles extractibles.

Source Rehau.

Effectuer un test de réponse thermique (« TRT »). Il s’agit de réaliser un forage en taille réelle et de le soumettre à une sollicitation thermique pour pouvoir calculer la conductibilité et la capacité thermique du sol et la résistance thermique des sondes, en moyenne sur toute la longueur de la sonde. Cette sonde test pourra ensuite être valorisée dans le champ de sondes final.

Source : Group Verbeke.

Dimensionner le champ de sondes au moyen d’un logiciel de simulation dynamique du sous-sol : simulation du comportement du sol compte tenu des besoins du bâtiment (heure par heure) et des caractéristiques thermiques des sondes prévues et du sol (définies par le TRT) ; optimalisation de la puissance de la PAC, du nombre et de la profondeur des sondes en s’assurant de l’équilibre à long terme de la température du sol.

Dimensionnement de l’échangeur de sol

Pour le dimensionnement des collecteurs de sol, des réfrigérateurs de plaques de fond ou de réservoirs de fondations, il est possible de consulter la DIN ISO EN 13370 « Transmission de chaleur par le procédé de calcul terrestre ».

L’objet de cette norme est l’examen du transfert de la chaleur en tenant compte des paramètres (tuyaux, isolation, masse géométrique du bâtiment, etc.) et de la conduite d’exploitation. La ligne directrice VDI 4640 « Utilisation thermique du sous-sol » convient pour l’évaluation du rendement (puissance) d’un chauffage. De plus, elle fournit des indices de planification concernant les permissions et les conditions additionnelles liées à l’environnement, mais (à notre connaissance en octobre 2003) elle n’aurait pas encore été adaptée sous l’aspect « été » du réfrigérateur.

D’après la norme DIN ISO EN 13370 (traduction non officielle !), les tableaux suivants donnent une vue d’ensemble sur les capacités d’extraction des collecteurs de chaleur et des sondes géothermiques (capacité des pompes de chaleur jusqu’à max. 30 kW) :

> S’il s’agit de collecteurs situés à côté du bâtiment (en W/m²) :

	Puissance d’extraction thermique en W/m²
Sous-sol	Exploitation 1 800 h / saison	Exploitation 2 400 h / saison
Sol sec, non cohérent	10	8
Humide, cohérent	20…30	16…24
Sable, gravier, imbibés d’eau	40	32

> S’il s’agit de sondes géothermiques (en W/m courant) :

	Puissance d’extraction thermique en W/m²
Sous-sol	Exploitation 1 800 h / saison	Exploitation 2 400 h / saison
Sédiments secs et peu conducteurs (Lambda < 1,5 W/m.K)	25	20
Roche, sédiments imbibés d’eau (Lambda > 1,5 … 3 W/m.K)	60	50
Roche dure très conductrice (Lambda > 3 W/m.K)	84	70

L’adaptation des calculs détaillés est de plus indiquée dans les cas suivants :

Modification des heures de services des pompes à chaleur par rapport aux hypothèses de base;
plus grande nécessité de chaleur pour la préparation d’eau chaude;
effet régénérateur du sol suite à un apport de chaleur par réfrigération de locaux ou à un rechargement thermique solaire;
grande influence des eaux souterraines (nappe phréatique).

Les valeurs de référence pour les capacités d’extraction de chaleur en hiver ne sont pas directement applicables à l’activité en été. Différentes causes sont à la base des écarts entre les capacités d’extraction et d’incorporation :

Lors du fonctionnement en hiver, une couche de glace se forme autour de la sonde ou des tuyaux, et influence favorablement la transmission thermique par conduction. En été, le sol peut au contraire sécher davantage, ce qui est défavorable.

Les couches terrestres proches du sol sont soumises à de si fortes influences climatiques qu’il faudrait parler non pas d’éléments de construction thermiques, mais plutôt d’éléments de construction solaires thermiques dans le cas de collecteurs de terre classiques non bâtis.

Pour l’évaluation de la capacité de sondes géothermiques et de pieux d’énergie dans le processus de réfrigération, un constructeur conseille :

Vu les raisons énoncées précédemment, de mettre les capacités d’incorporation (été) égales à 70 % des capacités d’extraction de chaleur énoncées dans la VDI 4640.

De valoriser si possible l’existence d’une nappe souterraine, qui suite à l’humidification des couches terrestres en dessous des fondations, améliore la conductibilité thermique. Il en résultera également des capacités de réfrigération plus constantes.

Une distance de pose entre les tuyaux ne dépassant pas 15 cm.

Des phases de régénération (suite à l’arrêt du système en journée ou suite à une réduction de la nécessité de froid (journées fraîches d’été)) qui améliorent la capacité de rendement.

Aspect réglementaire lié à la réalisation du projet

(Rédaction : 2014)

En région wallonne

En Wallonie, tout projet de réalisation de puits destiné à la géothermie doit faire l’objet d’un permis unique : Permis d’environnement (installations classées, conditions intégrales et sectorielles) + Permis d’urbanisme.

Selon l’Arrêté du Gouvernement wallon du 4/7/2002, annexe I, les systèmes géothermiques fermés sont classés dans la rubrique 45.12.01 : « Forage et équipement de puits destinés au stockage des déchets nucléaires ou destinés à recevoir des sondes géothermiques », classe de permis 2.

D’autres rubriques existent pour classer les systèmes ouverts en fonction des techniques de puisage et de rejet d’eau souterraine utilisé.

Les forages d’essais (TRT) et de l’installation définitive doivent faire l’objet d’une demande de permis propre comprenant :

Le formulaire général de demande de permis d’environnement et de permis unique – Annexe I.
Le formulaire relatif aux forages – Annexe XVIII (rubrique 45.12.01) ou le formulaire relatif aux prises d’eau – Annexe III (rubrique 41.00.03.02).

Le formulaire XVIII doit notamment comprendre :

Une coupe géologique probable du puits avec profondeur estimée de la nappe aquifère;
la description des méthodes de forage et les équipements du puits avec coupe technique;
un rapport technique sur la nature de la nappe aquifère éventuelle;
un plan de situation des puits.

Chronologiquement, étant donné les délais d’obtention, il est souvent difficile d’attendre les résultats du TRT et le dimensionnement final du champ de sondes avant l’introduction de la demande de permis pour ce dernier. De même, étant donné que le choix de l’enveloppe du bâtiment et l’équilibre géothermique sont intimement liés, il apparaît difficile de dissocier chronologiquement les demandes de permis pour le bâtiment neuf, le TRT et le champ de sondes. Dans ces différents cas, la pratique veut que les permis soient introduits en parallèle en mentionnant les hypothèses de prédimensionnement effectués.

En région bruxelloise

Il n’existe actuellement pas de législation spécifique à la géothermie en RBC. Les systèmes géothermiques sont néanmoins presque toujours composés d’installations classées soumises à déclaration ou à permis d’environnement.

Dans le cas de systèmes géothermiques fermés, les installations classées concernées sont les suivantes :

Pompe à chaleur < 10 kWelec et < 3 kg de substance appauvrissant la couche d’ozone : Installation non classé et donc non soumise à autorisation (rubrique 132).
Pompe à chaleur > 10 kWelec mais < 100 kWelec ou > 3 kg de substance appauvrissant la couche d’ozone : Installation classée de classe 3 et donc soumise à déclaration (rubrique 132).
Pompe à chaleur > 100 kWelec : Installation classée de classe 2 et donc soumise à Permis d’Environnement (rubrique 132).
Pompes électriques > à 100 kVA (rubrique 55).

Les forages ne sont, eux, pas classés.

Dans le cas de systèmes géothermiques ouverts, les captages d’eau souterraine sont des installations classées de classe 2 ou de classe 1B (rubrique 62) et sont donc soumis à Permis d’Environnement. En plus comme pour les captages d’eau « classiques », les systèmes géothermiques ouverts sont soumis à une « autorisation de pompage » de la part de l’IBGE.

De plus la réglementation urbanistique (COBAT) stipule que les forages géothermiques sont soumis à rapport d’incidence. Il semblerait donc que les systèmes géothermiques sont soumis à Permis d’Urbanisme (PU). Dans la pratique, il semblerait néanmoins que les systèmes géothermiques ne fassent pas l’objet d’une demande de PU à part entière. Il est donc conseillé de se renseigner auprès du service urbanisme de la commune concernée pour savoir si un PU est nécessaire.

La demande de permis d’environnement doit comprendre une série de renseignements.

Pour les systèmes géothermiques fermés (sondes verticales) :

Le cadre du projet de géothermique (industrie, tertiaire, logements collectifs, privés, ….

Le profil géologique et hydrogéologique de la zone où sont prévus les forages (et plus particulièrement déterminer les aquifères qui seront traversés par les forages) :
- soit sur base du profil géologique et hydrogéologique obtenu à partir d’un forage réalisé sur le site (ou à proximité immédiate du site);
- soit, en l’absence de forage, sur base des données cartographiques – carte géologique, géotechnique de Bruxelles, …- , via la base de données DOV (Databank Ondergrond Vlaanderen) ou via consultation des archives du service géologique de Belgique.

Il y a lieu de motiver la profondeur des sondes envisagée sur base de ce profil.

La technique de forage prévue pour le placement des sondes.

La description technique de l’installation géothermique :
- puissance électrique de la pompe à chaleur (PAC) et rendement;
- nombre de puits ou forage prévus + nombre de sondes verticales prévues;
- profondeur des sondes;
- type de sondes (simple boucle en U, double boucle en U, coaxiale, autre);
- type de matériaux utilisés pour les sondes et les différentes connexions;
- systèmes prévus pour isoler les sondes (ou les groupes de sondes) en cas de fuite (vannes d’isolement, …);
- fluide caloporteur prévu dans les sondes;
- surface prévue pour l’implantation des sondes (et surface disponible si différente);
- matériaux de remplissage sont prévus pour le scellement des trous de forages (espace interstitiel).
- …
Le plan reprenant de manière claire l’emplacement des installations (PAC et champ de sondes).

La description détaillée (schéma de fonctionnement y compris le mode opératoire de la régulation) du système HVAC complet du bâtiment et l’intégration de l’installation de géothermie dans cet ensemble.

L’évaluation des besoins énergétiques :
- la demande en chaud du bâtiment (kWh/an);
- la demande en froid du bâtiment (kWh/an);
- la puissance de pointe en chaud du bâtiment (kW);
- la puissance de pointe en froid du bâtiment (kW);
- l’énergie (chaud) soutirée au sol (kWh/an);
- l’énergie (froid) soutirée au sol (kWh/an);
- % de la demande en chaud couvert par la géothermie;
- % de la demande en froid couvert par la géothermie.

Dans la mesure du possible, un (des) graphique(s) (histogramme) reprenant les besoins mensuels du bâtiment en froid et en chaud sur un an et distinguant la part produite par la géothermie de la part produite par les systèmes complémentaires (système de production de chaud et froid classiques) sera fourni.

Dans le cas ou un test de réponse thermique (TRT) a été réalisé : les conclusions du test.

La comparaison du gain énergétique du système proposé par rapport à l’utilisation d’une chaudière à condensation (réduction d’énergie primaire (%)).

L’évaluation du déséquilibre thermique du sous-sol et l’évolution de la performance de la PAC sur 20 ans en tenant compte de ce déséquilibre thermique.

Quant au rapport d’incidences, il doit également évaluer les nuisances et impacts environnementaux liés au système géothermique ainsi que les mesures prises pour éviter, supprimer ou réduire les nuisances répertoriées. (Ex : test de mise sous pression des bouclages, mise en place d’un système de détection de fuites, étanchéité des puits,…).

Pour les systèmes géothermiques ouverts :

Le type de système géothermique prévu : captage/réinjection réversible (stockage chaud froid) ou captage réinjection non réversible.

La description technique de l’installation géothermique :
- nombre de puits de pompage et de réinjection prévus ;
- profondeur des puits (+ facteurs ayant servi à la détermination de la profondeur) ;
- zone de filtre (crépine) ;
- distance séparant les puits de captage et de réinjection ;
- type de compteurs et nombre de compteurs prévus (+ emplacement) ;
- puissance électrique de la pompe à chaleur (PAC) et son rendement ;
- liquide utilisé dans le circuit secondaire ;
- type d’échangeur – circuit primaire / circuit secondaire (double parois, simple paroi, …) ;
- Éventuel système de détection de fuite dans le circuit secondaire.
- plan reprenant l’emplacement de la PAC, des différents puits de captage et de réinjection.

La description détaillée (schéma de fonctionnement y compris le mode opératoire de la régulation) du système HVAC complet du bâtiment et l’intégration de l’installation de géothermie dans cet ensemble.

Le profil géologique et hydrogéologique des zones de captage et de réinjection (et plus particulièrement déterminer l’aquifère ou les aquifères qui seront traversés par les forages) :
- soit sur base du profil géologique et hydrogéologique obtenu à partir d’un forage réalisé sur le site (ou à proximité immédiate du site);
- soit, en l’absence de forage, sur base des données cartographiques – carte géologique, géotechnique de Bruxelles, …- , via la base de données DOV (Databank Ondergrond Vlaanderen) ou via consultation des archives du service géologique de Belgique.

Le débit maximum capté (m³/h, m³/j), le volume total capté par an ou par saison (m³) et si la totalité de l’eau captée est réinjectée dans la nappe. Si l’eau souterraine est utilisée à d’autres fins que la géothermie, il y a également lieu de préciser les utilisations alternatives et le débit capté (m³/j).

La température de réinjection maximale prévue.

Le dossier doit comporter une évaluation de :
- la demande en chaud du bâtiment (kWh/an);
- (la demande en froid du bâtiment (kWh/an)), si utilisation des puits pour refroidir;
- la puissance de pointe en chaud du bâtiment (kW);
- (la puissance de pointe en froid du bâtiment (kW)) → Si utilisation des puits pour refroidir;
- l’énergie (chaud) soutirée de la nappe (kWh/an);
- (l’énergie (froid) soutirée de la nappe (kWh/an)), si utilisation des puits pour refroidir;
- % de la demande en chaud couvert par la géothermie;
- (% de la demande en froid couvert par la géothermie), si utilisation des puits pour refroidir.

Le gain énergétique du système proposé par rapport à l’utilisation d’une chaudière à condensation (réduction d’énergie primaire (%)) doit également être évalué.

Le rapport d’incidence doit évaluer le déséquilibre thermique de l’aquifère et l’évolution de la performance de la PAC sur 20 ans en tenant compte du déséquilibre thermique.

Le rapport d’incidence doit évaluer la possibilité technique de mettre en place le système géothermique sur le site.

Le rapport d’incidence doit enfin évaluer l’impact et les nuisances du système géothermique et notamment :
- l’impact éventuel du projet sur des captages voisins (impact hydraulique);
- l’impact éventuel du projet sur la stabilité des constructions voisine;
- le risque d’inondation au niveau des puits de réinjection et des constructions voisine;
- l’impact thermique éventuel du système sur les eaux souterraines.

Ainsi que les mesures particulières de protection du sol et des eaux souterraines prévues (Rehaussement du puits, étanchéité des puits de forages, mesures prévues pour éviter la connexion éventuelle d’aquifères différents, mesures prévues pour éviter une contamination de l’eau pompée et réinjectée dans la nappe (type d’échangeur utilisé, système de détection de fuite, surpression du circuit secondaire (eau pompée) par rapport au circuit primaire (de la PAC), …)).

Posted By : Sylvie 30 Jan, 2014

Analyser les besoins thermiques en fonction du climat

Évolution des besoins selon les saisons

Dès le stade de l’avant-projet, le profil thermique du bâtiment doit être évalué. Une analyse logique, intégrant les spécificités du programme (grand dégagement de chaleur intérieur ou non, large ouverture solaire ou non), permet déjà une première analyse. L’organigramme ci-dessous présente un canevas général pour aider à réaliser cet exercice : au départ des 3 saisons qui caractérisent notre climat, les priorités différentes de conception architecturale et technique sont mises en évidence.

En période de chauffe, soit lorsque la température en journée est inférieure au point d’équilibre du bâtiment et qu’il y a peu de soleil, il convient de minimiser à la fois le besoin et la consommation de chauffage. Minimiser le besoin fait appel aux techniques passives d’isolation, compacité, etc. et aux techniques actives de récupération de chaleur et de modulation des débits d’air. Minimiser la consommation passe par le choix d’émetteurs base température et de mode de production efficace.

En mi-saison, soit lorsque la température extérieure diurne est entre le point d’équilibre du bâtiment et la température de confort, lorsqu’il y a peu de soleil, il est prioritaire de valoriser les sources gratuites de chaleur : gains solaires, même limités, et gains internes. Le transfert d’énergie au sein du bâtiment, par les réseaux de ventilation ou VRV est alors pertinent. En période ensoleillée, c’est la maîtrise des charges solaires qui devient prédominante, pour limiter les surchauffes précoces : gestion des stores et free cooling.

En été, soit lorsque la température extérieure diurne atteint ou dépasse la température de confort, auquel cas l’ajout des charges internes et solaires crée un besoin de refroidissement, c’est la température nocturne qui deviendra le pivot de la stratégie. Si cette température est basse, la combinaison d’inertie thermique et de free cooling permet de retarder ou d’éviter le recours au refroidissement mécanique. Le dimensionnement et la gestion des réseaux de ventilation est centrale. Le choix de techniques de top cooling est également important. Si la température nocturne reste élevée (canicules), on peut partir de l’a priori qu’un refroidissement mécanique est nécessaire. On veillera alors à maximiser son efficacité, par le choix des températures d’émission et des modes de dissipation de la chaleur (géocooling par exemple).

Simulation numérique

Une fois une première analyse logique et qualitative réalisée, et après une première itération sur l’architecture et les choix de techniques, une simulation numérique du comportement thermique du projet est à envisager. Les logiciels dits de STD (simulation thermique dynamique) les plus souvent utilisés en Wallonie sont EnergyPlus et Trnsys. Une telle simulation :

Fera apparaître les besoins de chaleur et de refroidissement du bâtiment.
Évaluera la part de simultanéité de besoins de chaud et de froid dans des locaux différents.
Informera de la valeur de la température extérieure au moment où la demande de refroidissement apparaît.
…

Exemple de profil pour un immeuble de bureaux-type, avec locaux de réunion et salle de conférence (l’énergie frigorifique demandée alors que la température est inférieure à 10°C provient du local informatique) :

Cette analyse peut permettre :

De préciser les options de l’avant-projet.
De prendre en compte le fait qu’une zone demande un refroidissement alors que sa voisine demande du chauffage.
De quantifier l’énergie de refroidissement demandée alors que … c’est l’hiver dehors ! (possibilité de free-chilling).
D’orienter le choix du système de refroidissement (naturel ou mécanique, à Débit de Réfrigérant Variable,…).
De grouper des locaux avec des charges importantes.

Découvrez 3 exemples de bâtiment dont les besoins thermiques ont été intégrés dés l’avant-projet : école passive de Louvain-la-Neuve (premier bilan), école passive de Louvain-la-Neuve (proposition d’équipements), et le projet ECOFFICE.

Posted By : olivier 30 Jan, 2014

Refroidissement adiabatique

Principe de base

Le principe est le suivant : si de l’air chaud et sec traverse un filet d’eau, il en provoque l’évaporation. La chaleur nécessaire à la vaporisation d’eau étant extraite de l’air. Celui-ci se refroidit.

Par exemple, de l’air à 20°C, 30 % HR traversant un nuage d’eau voit sa température atteindre 12°C en se chargeant d’humidité.

Le refroidissement adiabatique peut-être

direct : si l’air humidifié soit directement pulsé dans l’ambiance;
indirect : si de l’air pulsé ou un réseau d’eau est refroidi par échange avec l’air qui aura été humidifié.

Refroidissement indirect de l’air pulsé

Il existe des échangeurs à plaques dans lequel l’air vicié est refroidi par humidification. Un tel système permet d’exploiter le « pouvoir refroidissant » de l’humidification adiabatique, tout en évitant le problème de l’humidification de l’air neuf.

Photo d’une centrale de refroidissement adiabatique.

L’air vicié et l’air neuf passent dans un double échangeur à plaques. Dans l’échangeur, l’air vicié est humidifié. On combine donc deux phénomènes dans l’échangeur : le refroidissement adiabatique de l’air vicié et le refroidissement au contact avec l’air neuf. Remarquons les volets de by-pass (sur l’air neuf et l’air vicié) permettant une régulation de la puissance échangée.

Actuellement, nous manquons de données neutres pour juger des performances et de l’intérêt énergétique d’un tel équipement. Il semblerait que si l’humidification de l’air vicié est effectuée avant l’échangeur, le refroidissement complémentaire qui en résulte ne soit pas suffisant pour augmenter significativement l’énergie récupérée en période de climatisation. C’est apparemment l’intégration de l’humidificateur dans l’échangeur, qui augmenterait les performances du système. En effet, dans ce cas, l’eau s’évapore dans l’échangeur et refroidit aussi bien celui-ci que l’air vicié. Le fabricant de ce matériel annonce, dans les meilleures conditions, un refroidissement de l’air neuf de 10 °C.

En hiver, avec l’arrêt de l’humidification, on retrouve le fonctionnement d’un groupe « traditionnel » avec échangeur à plaques.

Refroidissement indirect d’un réseau d’eau

Il existe d’autres modes de refroidissement exploitant le principe de l’évaporation de l’eau, notamment associés à des machines frigorifiques avec possibilité de free chilling via aérorefroidisseur ou tour de refroidissement.

Photo d’un refroidisseur adiabatique.

Dans ce processus, quel que soit le mode d’humidification, le principe est toujours le même : les molécules d’eau passent progressivement à l’état de vapeur, provoquant ainsi par évaporation une diminution de la température d’air.

Son efficacité sera accrue si la surface de l’eau est grande, si le débit d’air à la surface de l’eau est important et si la température de l’air est élevée.

Enfin, il est indispensable d’assurer un contrôle et une maintenance très rigoureux des équipements, car :

les surfaces humides présentent un terrain favorable au développement des micro-organismes;
l’évaporation provoque des dépôts consécutifs à la cristallisation (sels minéraux, carbonates);
la ventilation de l’air favorise les dépôts de poussière.

Avantages et inconvénients

La solution simple permettant un refroidissement naturel en exploitant des équipements existants : groupe de ventilation, tour de refroidissement, …

Mais le pouvoir rafraîchissant est limité.
- Le refroidissement de l’air est d’autant plus grand que le climat est chaud et sec (un tel système est donc inutile dans les régions où le climat est tropical, c’est-à-dire que l’air chaud est déjà chargé en humidité excessive. Chez nous, on se retrouve entre les deux …
- Le refroidissement de l’eau ne sera lui possible que pour des températures extérieures typiques de la mi-saison, voire de nuit.

On parle donc bien de rafraîchissement et non de climatisation au sens de la fourniture d’une puissance de froid suffisante quels que soient les besoins.
Le dispositif ne peut être régulé avec précision, car il dépend de l’hygrométrie extérieure. Il est d’autant plus efficace que le climat est chaud et sec.
La consommation en eau non négligeable, nécessite qu’elle soit de bonne qualité pour éviter l’entartrage des tuyauteries, ainsi que les problèmes de légionelles. Pour éviter ce désagrément, un traitement d‘eau est nécessaire. Évidemment, l’utilisation de l’eau de pluie réduit l’impact sur la consommation en eau potable, mais nécessite la garantie du fabricant quant à la résistance de ses équipements.

Régulation

Les éléments qui constituent l’installation : filtres, surpresseur, pressostats de sécurité, pompe, électrovanne, rampes avec buses, échangeur, vannes de purge.

La régulation du refroidissement adiabatique repose principalement sur le contrôle des débits d’air et d’eau.

La régulation pour la ventilation d’air peut être de deux types :

Régulation par étage

Des étages de ventilation s’enclenchent les uns après les autres. Lorsque 100 % de la ventilation est en fonctionnement et que la température extérieure est supérieure à la valeur de consigne d’enclenchement de la brumisation haute pression, une électrovanne s’ouvre et un surpresseur se met en route.

Régulation par variations de fréquence

La variation de vitesse régulera jusqu’à ce que 100 % du débit de ventilation soit en fonctionnement (à 50 Hz l’électrovanne de la rampe s’ouvre et le système adiabatique fonctionne).

La régulation pour le débit d’eau projeté

Un brouillard d’eau efficace offre la plus grande surface d’échange possible avec l’air.
Cette surface d’échange est d’autant plus grande que le nombre de microgouttelettes pulvérisées est important. Pour obtenir un brouillard de qualité, l’eau est donc mise sous forte pression (100 bar) et accumule ainsi, une énergie importante. Le débit d’eau de brumisation est calculé précisément afin d’apporter à l’air la juste quantité d’eau.

Posted By : olivier 30 Jan, 2014

Roue dessicante

Principe de fonctionnement

Les dispositifs à dessiccation (DEC : Desiccant Evaporative Cooling) sont des systèmes de déshydratation ou de refroidissement de l’air, utilisant de l’eau et une source de chaleur.

Ce procédé repose sur le principe physique suivant : l’évaporation de la vapeur d’eau dans l’air sec réduit la température et augmente l’humidité absolue de l’air.

La dessiccation exploite un double échange de frigories et d’humidité entre les flux d’air entrant (air de process) et sortant (air de régénération) d’un bâtiment. Cette circulation d’air est généralement assurée par une centrale de traitement d’air.

Schéma de fonctionnement d’une centrale d’air à roue dessicante.

Représentation de l’évolution de l’air dans un diagramme de l’air humide.

(1>2) L’air extérieur ou air pulsé (aussi appelé « air de process ») est aspiré au travers d’un filtre, puis traverse la « roue dessicante » ou « roue à dessiccation ». Cet échangeur rotatif contient un produit de sorption solide. Ce dernier absorbe la vapeur d’eau de l’air extérieur par adsorption. L’air extérieur est ainsi déshumidifié et en contreparti, voit sa température augmenter.

(2>3) L’air extérieur est alors refroidi par échange de chaleur avec l’air intérieur extrait ou simplement l’air extrait (aussi appelé « air de régénération »). Cet échange se fait au travers d’un échangeur de chaleur rotatif (non hygroscopique).

(6>7) Pour augmenter l’échange de chaleur et donc le refroidissement de l’air pulsé, on rafraîchit au préalable l’air extrait en l’humidifiant jusqu’à saturation. On abaisse ainsi le plus possible sa température, et on bénéficie au maximum du potentiel de refroidissement dans l’échangeur.

(7>8) en passant au travers de l’échangeur de chaleur, l’air extrait se voit donc réchauffé.

(8>9) Pour pouvoir fonctionner en continu, la roue dessicante doit être régénérée c’est-à-dire que l’humidité doit être évacuée du matériau adsorbant. Pour cela la portion de roue contenant l’humidité doit croiser le flux d’air extrait qui aura été préalablement réchauffé pour atteindre une température suffisante pour vaporiser les molécules d’eau retenues dans les pores de la roue.

(9>10) Enfin l’air chaud traverse et régénère la roue dessicante pour lui permettre de poursuivre le processus continu de déshumidification. Finalement, l’air rejeté, à l’aide d’un ventilateur, sort plus haute en température et plus chargé en humidité que l’air extérieur.

(3>5) L’air pulsé peut encore être arrosé d’eau au travers d’un humidificateur. L’eau va absorber les calories restantes dans l’air avant que celui-ci soit propulsé dans le bâtiment à refroidir par un ventilateur. Cette alternative permet de refroidir l’air pulsé mais pas de le déshumidifier. Pour ce faire, il est alors nécessaire de remplacer cet humidificateur par une batterie froide.

(4>5): Ce système est dit réversible, car il peut aussi bien être utilisé en refroidissement qu’en chauffage. En hiver, cela correspond à un mode de fonctionnement normal de réchauffement par système centralisé à air, en utilisant la roue de sorption comme récupérateur de chaleur, tout en complément des apports de la chaleur solaire. La présence d’une batterie chaude permet ainsi la régulation de température de chauffe en hiver.

Résumé du comportement de l’air illustré par le diagramme de l’air humide :

En théorie, dans le diagramme de l’air humide, l’évolution de l’air dans la roue dessicante se fait selon une courbe isenthalpique pour l’air soufflé et pour l’air repris (1>2 et 9>10).
Dans l’échangeur et dans le régénérateur (batterie chaude, apports solaires, …), les transferts de chaleur se font à humidité absolue constante (2>3, 7>8 et 8>9).
Entre l’air pulsé et l’air repris par la centrale de traitement, l’air subit les apports dus au local (personnes, lampes, ordinateurs, …) et voit sa température augmenter (5>6).
La combinaison de ces différentes évolutions permet d’obtenir un point de soufflage compatible avec le rafraîchissement du bâtiment.

Aspects technologiques

La roue à dessiccation – principe d’adsorption

La sorption est un phénomène physique qui consiste à fixer les molécules d’un élément à une surface généralement granulée et poreuse. Les matériaux dessicants attirent l’eau en formant à leur surface une zone à faible pression de vapeur.
La vapeur de l’air, ayant une pression plus élevée, se déplace de l’air vers la surface du matériau ce qui garantit une déshumidification de l’air.

Photo technologie roue dessicante rotative.

Schéma d’une roue à dessiccation avec section de purge
(séparation amont/aval).

La déshumidification s’effectue soit à travers un dispositif sur lequel est posé un matériau dessicant (on parle alors de « déshydratation en phase solide »), soit dans des échangeurs dans lesquels est pulvérisée une solution dessicante (« déshydratation en phase liquide »).

La sorption peut donc prendre place entre un gaz et un solide, auquel cas on parle d’adsorption, soit entre un gaz et un liquide, il s’agit dans ce cas du phénomène d’absorption. Raison pour laquelle les roues dessicantes sont appelées également des déshydrateurs à adsorption.

Photo d’un déshydrateur à adsorption de la marque « Ventsys » fonctionnant selon le principe de la roue dessicante.

Actuellement les sorbants les plus utilisés sont le SiO2 (Silica-gel), LiCl (Chlorure de Lithium), Al2O3 (Alumine activée) et le LiBr (Bromure de Lithium).
Ces substances sont imprégnées sur une roue rotative en céramique à structure en nids d’abeilles.
Lorsque le matériau devient saturé, la roue continue à tourner lentement et la partie exempte d’humidité est régénérée par chauffage, au départ d’une source de chaleur disponible.

L’échangeur rotatif non hygroscopique

Un échangeur non hygroscopique est une roue à rotation lente, métallique à structure en nids d’abeilles à travers laquelle passent deux flux d’air de sens opposés produisant un échange sensible entre eux (humidité absolue constante).

L’avantage de ce type d’échangeur c’est qu’il a une perte de charge faible en comparaison de son efficacité, de plus il présente peu d’encombrement.

Pour éviter les fuites de l’air entre les sections de soufflage et de retour, il est préférable d’avoir une section de purge séparant les deux sections et d’avoir les ventilateurs en aval de l’échangeur.

Intérêts du procédé

L’intérêt environnemental de la roue dessicante se marque si la source de chaleur utilisée est de type renouvelable. Elle peut donc fonctionner avec des capteurs solaires thermiques (on parle alors de climatisation solaire), avec un réseau de chaleur urbain alimenté en permanence en été de manière renouvelable (biomasse, géothermie profonde (> 1 500 m), etc.), ou encore en valorisant des rejets thermiques de process industriel par exemple.
L’utilisation de capteurs solaires comme source de chaleur possède comme principal avantage de pouvoir amener le plus de froid lorsqu’il fait le plus chaud. Ce système est d’autant plus intéressant que les apports solaires sont grands, et trouve donc en toute logique son intérêt en période estivale.
Dans ces situations et afin de garantir une utilisation prolongée, par exemple lors des périodes non ensoleillées, il est également envisageable de stocker de la chaleur emmagasinée en journée dans des ballons tampons.
Remarque : Afin d’assurer le bon fonctionnement du processus d’adsorption, il est nécessaire que la source de chaleur puisse fournir une température suffisante à la batterie de régénération. Cette température est d’environ 70 °C quand le climat extérieur est de 25 °C et 75 % HR.
Remarque : une autre solution, conduisant à un coût d’investissement plus faible, utilise directement l’énergie solaire de régénération par le biais de capteurs à air (et non-circulation à eau), du fait que le réfrigérant est en contact direct avec l’atmosphère.

Schéma présentant le système à roue dessiccante couplé à une installation chauffage solaire.

L’utilisation d’eau comme fluide réfrigérant rend ces systèmes totalement inoffensifs pour l’environnement.
Les humidificateurs peuvent être alimentés via l’eau de pluie ou grâce à l’eau de ville. Dans ce dernier cas, il s’agit de consommation d’eau potable dont il convient d’évaluer l’ampleur économique et environnementale.
La compression du fluide caloporteur est thermique, avec absence de mouvements mécaniques, ce qui augmente leur durée de vie et réduit leur bruit. Cependant une maintenance soignée est obligatoire.
La qualité de l’air intérieur est améliorée par l’effet bactéricide des matériaux adsorbants.
Ce mode de climatisation ne suffit pas pour assurer une bonne rentabilité économique, en effet le coût d’investissement pour ce genre d’installation encombrante est souvent onéreux. Le coût spécifique [€ /(m³/h)] des centrales de traitement d’air reste trop élevé pour de petits débits. Ces systèmes tout air neuf ne sont pas adaptés pour tous les bâtiments.

Remarque : le coût spécifique va de 8 €/(m³/h) pour une centrale de traitement de 20 000 m³/h jusqu’à 16 €/(m³/h) pour une centrale de traitement de 5 000 m³/h (coût brut source fournisseur). À titre de comparaison, le coût spécifique pour une centrale de traitement d’air à roue hygroscopique va de 3.5 €/(m³/h) pour une centrale de 20 000 m³/h jusqu’à 8 €/(m³/h) pour une centrale de 5 000 m³/h.

Dans le cas d’utilisation de panneaux solaires comme source de chaleur, la production frigorifique varie évidemment avec les apports solaires, le dispositif ne peut fonctionner qu’en journée. Il est cependant envisageable de stocker de la chaleur emmagasinée en journée dans des ballons tampons afin d’utiliser le dispositif pendant les périodes non ensoleillées. On ne dispose donc pas d’une véritable climatisation en ce sens que la puissance de froid peut ne pas être suffisante. On parle donc plutôt de « rafraîchissement ». Si l’on souhaite réellement disposer d’une puissance de froid suffisante quels que soient les besoins, il convient de surdimensionner le système de ventilation et de recourir à une source de chaleur d’appoint bien souvent fossile ou électrique. Dans ce cas, le bilan environnemental du système peut s’effondrer.
La complexité d’une installation réside dans la régulation des multiples circulations de fluides avec une source thermique peut-être variable et discontinue (apports solaires). Ainsi le bon fonctionnement du système peut s’avérer délicat à garantir sur la durée. Il faut optimiser le refroidissement et la régulation, éviter les pertes thermiques et les pertes de fluides, limiter la consommation électrique, éviter la surchauffe en période estivale, se protéger contre le gel.
Le système est peu performant dans les climats chauds et humides.
En hiver, il n’est pas possible de récupérer une grande part de l’énergie latente (humidité) telle que dans le cas d’un système à roue hygroscopique. Dès lors, le besoin d’énergie pour l’humidification est plus élevé.

Bilan énergétique

Évaluation statique de l’intérêt énergétique :
Comparaison entre un système de traitement d’air à roue hygroscopique et un système de traitement d’air à roue dessicante.

Exemple en hiver

Air repris à une température de 20°C et une humidité absolue de 6 g/kg
Air extérieur à une température de 5°C et une humidité absolue de 3 g/kg
Air pulsé après la roue à :
- une température de 16.25°C et une humidité absolue de 5.25 g/kg dans le cas de la roue hygroscopique. Pour l’amener à 20°C et 6 g/kg, il faut donc l’équivalent de 5 kJ/kg d’énergie (chaud) et 0.75 g/kg d’air.
- une température de 16.25°C et une humidité absolue de 3 g/kg dans le cas de la roue dessicante. Pour l’amener à 20°C et 6 g/kg, il faut donc l’équivalent de 11 kJ/kg d’énergie (chaud) et 3 g/kg d’air.

Pour un même mode de production d’énergie, le système à roue dessicante ne peut jamais être plus intéressant que le système à roue hygroscopique. Il nécessite plus d’eau pour humidifier l’air et plus d’énergie pour compenser le rafraichissement dû à cet apport d’eau dans l’air.

Exemple en été

Air repris à une température de 25°C et une humidité absolue de 13 g/kg
Air extérieur à une température de 23°C et une humidité absolue de 15 g/kg
Pour une pulsion à une température de 16°C et une humidité absolue de 11 g/kg (point de pulsion de l’air dans le cas d’une climatisation par plafonds froids en régime 17-20°C), il faut :
- l’équivalent de 17 kJ/kg d’énergie (froid) dans le cas de la roue hygroscopique.
- l’équivalent de 32 kJ/kg d’énergie (chaud), 2 kJ/kg d’énergie (froid) et 11.5 g/kg d’air dans le cas de la roue dessicante.

Si on considère que l’énergie de refroidissement dans le cas de la roue hygroscopique est produite avec les caractéristiques suivantes :

0.781 kWh d’énergie primaire / kWh d’énergie utile
0.123 kg de CO² / kWh d’énergie utile
0.043 € / kWh d’énergie utile

(facteurs de conversion : ESEER machine frigo de 3,2 ; 0,395 kg CO₂/kWhélectrique ; 2,5 kWhprimaire/kWhélectrique ; 0,14€/kWhélectrique).

Il faut donc que l’énergie de régénération (chaud) dans le cas de la roue dessicante ait au minimum les caractéristiques suivantes pour être intéressante en été :

0.36 kWh d’énergie primaire / kWh d’énergie utile
0.058 kg de CO² / kWh d’énergie utile
0.021 € / kWh d’énergie utile

On peut noter qu’un réseau urbain alimenté en biomasse répond à peine à ces critères, sans compter qu’il faudrait en plus compenser les consommations supplémentaires en hiver et la consommation d’eau des humidificateurs !

De ce fait, si on la compare à un groupe de ventilation avec roue de récupération hygroscopique, le bilan énergétique de la roue dessicante ne semble intéressant que dans très peu de cas où l’on peut considérer que la chaleur est entièrement d’origine renouvelable ou récupérée et l’eau de l’eau de pluie.
La performance d’une installation dessicante dépend :

De l’efficacité de l’échangeur rotatif : choix de la roue utilisée.
De la température de régénération : ce paramètre est utilisé afin de modifier la puissance froide délivrée par la centrale en mode desiccant cooling.
Des débits de ventilation : la variation du débit engendre une variation de la puissance froide, mais également une variation du rendement d’échange dans les roues. C’est pourquoi il est nécessaire d’utiliser le système dans la plage de débit pour lequel il est dimensionné.
De l’efficacité de l’humidificateur: sa modification permet de contrôler la température et l’humidité de l’air de soufflage. Cela peut être utile en cas d’humidité relative intérieure inconfortable.

Domaines d’utilisation

Les dispositifs à dessiccation apportent une solution bien adaptée dans les régions où les apports latents sont limités et sont particulièrement efficaces en climat assez sec.
En effet, le seul problème provient des régions trop humides, où la roue n’est pas suffisante pour déshydrater l’air ambiant, car elle nécessite une température de régénération élevée, ce qui augmente la consommation du système en énergie primaire.
Les systèmes à dessiccation sont utilisés pour produire directement de l’air frais (déshumidification de l’air), et non pas pour refroidir l’eau de la boucle de refroidissement comme dans le cas des machines frigorifiques classiques. Une telle installation n’est donc pas envisageable pour rechercher de grands refroidissements. Ces dispositifs peuvent souffler de l’air à une température d’environ 10°C de moins que la température extérieure (suivant les débits d’air choisis).

Photo d’une installation DEC : desiccant evaporative cooling.

Ce procédé est plus spécialement applicable aux bâtiments neufs ou en réhabilitation lorsqu’une source thermique à faible coût est disponible pour régénérer l’adsorbant.
Enfin, les systèmes dessicants peuvent être valorisés dans les bâtiments ayant un objectif de bilan « Zéro énergie » dans lesquels une déshumidification de l’air est d’office nécessaire (utilisation de plafonds froids, d’îlots rayonnants). Pour ce faire, il est nécessaire de supprimer l’humidificateur adiabatique sur le chemin de l’air neuf.

Nouvelle technologie : les Lits dessicants liquide – (LDC : Liquid dessicant cooling)

Une technique développée, toute nouvelle sur le marché, utilise pour la dessiccation de l’air un sorbant liquide : une solution eau/bromure ou chlorure de lithium.
Par rapport à un système à dessiccation utilisant un sorbant solide, ce type de système présente plusieurs avantages :

un plus fort taux de déshumidification pour le même niveau de température;
une possibilité d’un haut niveau de stockage énergétique sous la forme de solution concentrée.

Posted By : olivier 30 Jan, 2014

Ventilation intensive mécanique d’été

Principe

La ventilation intensive d’été, souvent appelée « free cooling » consiste à refroidir un bâtiment par ventilation en utilisant l’énergie gratuite de l’air extérieur lorsque celui-ci présente une température inférieure à la température intérieure :

En hiver, de l’air frais extérieur peut alimenter, en journée, les zones à rafraîchir sans nécessiter l’enclenchement des groupes frigorifiques.
En été, une ventilation nocturne peut décharger le bâtiment de la chaleur accumulée en journée

Selon le moment de la journée, on parle de free cooling de jour ou de nuit :

Le free cooling diurne consiste à surventiler les locaux avec de l’air extérieur plus frais que l’air intérieur. La capacité frigorifique de l’air extérieur étant faible, de grands débits d’air sont nécessaires.
Le free cooling nocturne consiste à rafraîchir les bâtiments la nuit grâce à de l’air extérieur. On parle de « décharge nocturne » du bâtiment puisqu’il évacue toute la chaleur excédentaire accumulée en journée.

On distingue une ventilation intensive naturelle ou mécanique, selon que le mouvement d’air soit généré par des forces naturelles (poussée d’Archimède ou force du vent) ou par un ventilateur.
Il faut également distinguer le débit d’air neuf hygiénique, du débit d’air de rafraîchissement d’un local :

La ventilation hygiénique ou permanente assure la qualité de l’air. Elle vise globalement les 30 m³/h d’air neuf nécessaires par personne (RGPT). Dans un bureau, cela entraîne un renouvellement horaire de 1 x par heure, puisque chaque occupant occupe +/- 10 m² au sol, et donc un volume de 30 m³.

Grille d’apport d’air hygiénique naturel … ou réseau d’air pulsé.

Le refroidissement naturel d’un local (ou free cooling) sous-entend un taux de renouvellement important de l’air du local. Dans des systèmes naturels (ouverture de fenêtre), on parle de 4/heure comme base de dimensionnement, 8 renouvellements/heure sont couramment rencontrés. Dans un système mécanique par contre on se limitera à environ 2 renouvellements horaire pour éviter un surdimensionnement exagéré des réseaux de distribution de l’air.

Un refroidissement gratuit ?

La conception d’un réseau de ventilation mécanique intensive n’est pas différente de celle d’un réseau de ventilation hygiénique mécanique (double flux) ou d’un système de climatisation « tout air« .

Souvent, c’est même un système de refroidissement « tout air » qui permettra d’organiser une ventilation intensive mécanique lorsque ce système est utilisé sans recyclage, récupération de chaleur ou traitement de l’air.

Cependant, vu l’importance des débits d’air à mettre en œuvre, le concepteur sera particulièrement attentif à limiter les pertes de charges du réseau, par un dimensionnement généreux des conduites, et la limitation des pertes de charges ponctuelles (filtres, groupes, organes divers). Le choix de l’efficacité énergétique du ventilateur sera également déterminant.

Oui mais… surdimensionner un réseau de ventilation mécanique, ce n’est pas un refroidissement gratuit, puisque la consommation électrique des ventilateurs est proportionnelle au débit : brasser plus d’air coute plus cher. En effet :

Cons_él = (q_v / 3 600) x Δ_p x t / η_vent

où,

Consél = consommation énergétique du transport de l’air [Wh/an]
q_v = débit d’air [m³/h]
3 600 = 3 600 secondes par heure [s/h]
Δ_p = perte de charge (pulsion + extraction) [pa]
t = durée de fonctionnement [h/an]
η_vent = rendement total du système de ventilation (moyenne entre pulsion et extraction).

En fait, on peut obtenir un refroidissement gratuit si le coût du grand déplacement d’air en été est compensé par une réduction de ce coût en hiver. Cette réduction est possible grâce à la modulation du débit. En période de chauffe, seul le débit hygiénique est nécessaire, et non plus la pleine capacité de l’installation. Or, une réduction du débit dans un réseau donné entraîné une réduction proportionnellement plus importante des pertes de charges. Débit d’air et perte de charge sont en effet liés par une relation de type :

p₁ / p₂= (n₁ / n₂)² = (q₁ / q₂)²

où,

q = débit volume (m³/h)
n = vitesse de rotation (tr/min)
p = gain de pression (Pa)

Faire une économie sur les ventilateurs en hiver n’est possible que si le réseau de ventilation est dimensionné sur les débit d’air « maximal » souhaité en free cooling, et non sur le débit hygiénique. Mettre en œuvre une ventilation intensive mécanique ‘URE’, ce n’est donc pas forcer un grand débit d’air en augmentant la vitesse au-delà des plages de fonctionnement ‘normales’.

Illustrons cela par un exemple : Soit un immeuble de bureaux de 5000m² demandant 10000 m³/h de ventilation hygiénique.

Scénario 1 : un réseau de ventilation dimensionné sur base des besoins hygiéniques présente une perte de charge globale de 900 Pa. Il fonctionne 12 h/jour, 5 jours par semaines, 52 semaines par an, soit 3 120 heures. Si le rendement du ventilateur est de 60 %, la consommation électrique sera :

Cons_él = (10 000 / 3 600) x 900 x 3 120 / 0.6 =13 000 kWh ou 2.6 kWh/m²

Scénario 2 : Le réseau est dimensionné pour pouvoir assurer le double du débit d’air hygiénique avec une perte de charge inchangée de 900 Pa. Il s’agit bien d’un surdimensionnement, et non du forçage d’un réseau de moindre capacité. Lorsqu’il ne fournit que l’air hygiénique (soit 50% de sa capacité), la perte de charge est réduite à 50%^2=25% de sa valeur nominale, soit 225 Pa. En supposant que, sur les 3120 heures de fonctionnement, le groupe fonctionne X heures en mode hygiénique est 3120-X heures en mode « free cooling », la consommation d’électricité totale sur l’année sera :

Cons_él = (10 000 / 3 600) x 225 x X / 0.6 +(20 000 / 3 600) x 900 x (3 120-X) / 0.6

Cons_él = 650 kW implique que X=1 783 heures

Dans cet exemple, le dédoublement de la capacité du réseau de ventilation pour un même niveau de perte de charge permet de libérer 3120-1783=1337 heures sur l’année de free cooling réellement gratuit.

En fait, le pourcentage du temps où le free cooling est gratuit dépend uniquement du facteur de surdimensionnement entre le débit hygiénique et le débit de conception du réseau de ventilation :

Dans cette figure, le % temps FC est la fraction maximale du temps d’utilisation qui peut être utilisé en mode free cooling sans induire de surconsommation d’électricité. Le ratio de surventilation est alors le rapport entre la quantité totale d’air pulsé sur l’année et la quantité correspondant au seul débit hygiénique.

Il n’est cependant pas toujours possible de surdimensionner un réseau de ventilation. On peut alors être tenté de forcer le débit, en augmentant la vitesse dans le réseau. Il s’en suit une augmentation de la consommation du ventilateur, qui peut être comparée au coût d’une installation de refroidissement traditionnelle.

Reprenons notre exemple avec le scénario 1 :

Dans ce bâtiment, extraire un kWh avec une machine frigorifique d’une efficacité EER de 3 aurait coûté :

Conso_machine frigo= 1/3 = 0.33 kWh_elec = 333 Wh

Dans ce réseau, brasser de l’air au débit hygiénique nous coûte

Puis_él = (1 / 3 600) x 900 x 1 / 0.6 =0.41 W/m³/h

Doubler le débit d’air dans ce réseau fait passer les pertes de charges de 900 Pa à 3 600. Le coût du kWh pulsé dans ces conditions est de

Puisél = (1 / 3 600) x 3 600 x 1 / 0.6 =1.67 W/m3/h

Or, extraire 1 kWh thermique dans un bâtiment à 25°C nécessite au minimum, si l’air extérieur est à 15 °C :

Débit = 1 000 Wh / [0.34 (Wh/m³K) * (25 °C-15 °C)] = 294 m³ d’air

On voit clairement que la surventilation par forçage du débit est, dans ce cas-ci, moins intéressante que le recours à une machine frigorifique, puisqu’il nous coutera au minimum 294 m³*1.67 W/(m³/h) = 490 Wh, là où la machine frigorifique ne demanderait que 333 Wh.

Réglementation

Pour en savoir plus sur la performance énergétique des ventilateurs, norme : EN13779 sur la ventilation des bâtiments non résidentiels.

Pertes de charge du réseau

La ventilation intensive implique de grands débit d’air. Lorsqu’elle est mécanique, on prévoira souvent entre 1.5 et 3 renouvellements horaires. Pas plus pour limiter les surdimensionnements. Or, la consommation électrique du ventilateur doit rester sous contrôle. Ces deux exigences ne peuvent se combiner que dans des réseaux à « basse pression ».

Puissance absorbée, débit et rendement du ventilateur sont liés par l’expression :

P [W] = q_V [m³/s] * H_m/η

où :

P = puissance absorbée au moteur du ventilateur [W]
q_V = débit nominal à travers le ventilateur en [m³.s-1]
H_m est la hauteur manométrique [Pa]
η est le rendement nominal [-]

Théorie

Pour en savoir plus, le rendement d’un système de ventilation

En considérant un rendement moyen du ventilateur de l’ordre de 60%, on peut se donner une perte de charge maximale des réseaux de ventilation :

EN13779 :

Catégorie	Puissance spécifique en W/m³.s	Perte de charge maximale
SFP 1	< 500	< 300 Pa
SFP 2	500 – 750	300 – 450 Pa
SFP 3	750 – 1 250	450 – 750 Pa
SFP 4	1 250 – 2 000	750 – 1 200 Pa
SFP 5	> 2 000	> 1 200 Pa

Par exemples, la recherche d’une consommation spécifique inférieure à 1 200 W/(m3/s) implique des pertes de charge inférieures à :

H_m/η < P / q_V [W.m^-3.s] < 1 200

Hm < 1 200 * 0.6 = 720 Pa

C’est là une valeur raisonnablement facile à respecter… mais mieux vaut vérifier quand même !

Posted By : Sylvie 30 Jan, 2014

Norme NBN EN 15251:2007 : Critères d’ambiance intérieure

Généralités

Constatant que la qualité des ambiances est liée à la santé et à la productivité des occupants, et que proposer des performances énergétiques non liées à des critères relatifs à l’ambiance intérieure est dénué de sens, cette norme spécifie la manière dont les critères de conception peuvent être établis et utilisés pour le dimensionnement des systèmes. Elle propose des données d’entrée pour les méthodes de calcul énergétique des bâtiments et pour l’évaluation à long terme de l’ambiance intérieure, ainsi que les paramètres de l’ambiance intérieure utiles pour le contrôle et l’affichage, comme le recommande la Directive Performance Energétique des Bâtiments.

Cette norme s’applique aux bâtiments non industriels pour lesquels les critères d’ambiance intérieure sont déterminés par l’occupation humaine et dont l’ambiance intérieure n’est pas notablement influencée par une production ou par des procédés. La norme est ainsi applicable aux types de bâtiments suivants : maisons individuelles, immeubles d’habitation, bureaux, bâtiments d’enseignement, hôpitaux, hôtels et restaurants, installations sportives, bâtiments de service pour le commerce de gros et de détail. Elle spécifie la manière dont les différentes catégories de critères d’ambiance intérieure peuvent être utilisées, mais n’impose pas les critères à utiliser. Ceci relève de spécifications nationales ou contractuelles. La norme se contente de définir des catégories selon la logique ci-dessous :

Catégorie	Explication
I	Niveau élevé attendu qui est recommandé pour les espaces occupés par des personnes très sensibles et fragiles avec des exigences spécifiques comme des personnes handicapées, malades, de très jeunes enfants et des personnes âgées.
II	Niveau normal attendu qu’il convient d’utiliser pour les bâtiments neufs et les rénovations.
III	Niveau modéré acceptable attendu qui peut être utilisé dans les bâtiments existants.
IV	Valeurs en dehors des critères des catégories ci-dessus. Il convient que cette catégorie soit acceptée seulement pour une partie restreinte de l’année.

Cette norme ne prend pas en compte les critères relatifs aux facteurs d’inconfort locaux comme les courants d’air, l’asymétrie de la température de rayonnement, les gradients verticaux de température d’air et les températures de surface au sol. Pour des détails sur ces éléments, voir notamment la norme NBN EN ISO 7730.

Les liens de cette norme avec les autres normes relevant de la directive européenne sur la Performance énergétique des Bâtiments sont décrits dans l’organigramme ci-dessous.

Dimensionnement des systèmes de chauffage et de climatisation

Pour les valeurs de base de calcul des ambiances thermiques, la norme distingue les bâtiments chauffés et rafraîchis des bâtiments non climatisés.

Pour les bâtiments chauffés et rafraîchis, elle recommande l’utilisation des indicateurs de confort PMV-PPD définis par l’EN ISO 7730, et propose dans le tableau A2 leur traduction en objectifs de température opérative pour des conditions d’activité, d’habillement, d’humidité et de vitesse d’air type.

Exemples de températures intérieures de base recommandées pour la conception des bâtiments et des systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation
Type de bâtiment ou d’espace	Catégorie	Température opérative °C
Type de bâtiment ou d’espace	Catégorie	Minimum pour le chauffage (saison hivernale), ~ 1,0 clo	Maximum pour le rafraîchissement (saison estivale), ~ 0,5 clo
Bâtiments d’habitation : pièces de séjour (chambres, séjour, cuisine, etc.) Sédentaire ∼ 1,2 met	I	21	25,5
	II	20	26
	III	18	27
Bâtiments d’habitation : autres espaces (rangements, circulations, etc.) Station debout – marche ∼ 1,6 met	I	18
	II	16
	III	14
Bureau individuel (fermé ou ouvert), salle de réunion, auditorium, cafétéria/restaurant, salle de classe) Sédentaire ∼ 1,2 met	I	21	25,5
	II	20	26
	III	19	27
École maternelle Station debout – marche ∼ 1,4 met	I	19	24,5
	II	17,5	25,5
	III	16,5	26
Grand magasin Station debout – marche ∼ 1,6 met	I	17,5	24
	II	16	25
	III	15	26

Pour les bâtiments non climatisés, la norme précise que les valeurs de dimensionnement de chauffage sont inchangées, mais que celles de refroidissement (inutiles vu l’absence de climatisation…) doivent être utilisées pour déterminer les périodes d’inconfort dans le bâtiment. La norme permet pour cela soit l’utilisation des valeurs déduites de l’approche PMV-PPD, soit l’utilisation d’autres valeurs de température opérative (qu’elle décrit en annexe A2) tenant compte d’une modification des attentes de confort (théorie du confort adaptatif) en fonction d’une température extérieure de référence. Cette température de référence est définie comme θ_rm= (1 – ) θ_ed-1 + .θ_rm-1, avec θ_ed-1 la température extérieure journalière moyenne la veille et θ_rm la température moyenne glissante du jour.

Qualité de l’air intérieur

Dans les bâtiments non résidentiels, la norme précise que les débits de ventilation exigés pour la qualité de l’air sont les mêmes en toute saison. Ils dépendent de l’occupation, des activités à l’intérieur (p. ex. tabagisme, cuisine, nettoyage, lavage …), des procédés (tels la photocopie dans les bureaux, les expériences de chimie dans les écoles, etc.) et des émissions générées par les matériaux du bâtiment ainsi que par l’ameublement. En Wallonie, les débits à prévoir par local selon son affectation, sa surface et son occupation sont précisés dans la réglementation PEB.

Dans les bâtiments résidentiels, elle précise que les débits de ventilation requis doivent être spécifiés sous forme de taux horaire global de renouvellement d’air, et/ou de débits d’air neuf extérieurs et/ou d’air extrait exigé (salles de bains, toilettes et cuisines) ou doivent être donnés sous forme d’un taux global requis de renouvellement d’air. En Belgique, la norme D50-001 a opté pour une formulation sous forme de débits d’air neuf minimums par local selon son affectation.

La norme indique en annexe B2 des valeurs de base à utiliser en l’absence de réglementation locale (ici, régionale). Vu l’existence des réglementations PEB, ces valeurs n’ont pas lieu d’être considérées en Wallonie.

En outre, l’annexe C propose des valeurs seuils d’émissions permettant d’identifier des « matériaux peu polluants » ou « très peu polluants ». Un bâtiment est peu polluant si la majorité des matériaux sont peu polluants. Un bâtiment est très peu polluant si tous les matériaux sont très peu polluants et s’il n’y a jamais eu de fumeur et que fumer est interdit.

	Seuil « peu polluant »	Seuil « très peu polluant »
Émission des composés organiques volatiles (TVOC)	< 0,2 mg/m²h	< 0,1 mg/m²h
Émission de formaldéhyde inférieure	< 0,05 mg/m²h	< 0,02 mg/m²h
Émission d’ammoniaque inférieure	< 0,03 mg/m²h	< 0,01 mg/m²h
Émission de composés cancérogènes (IARC)	< 0,005 mg/m²h	< 0,002 mg/m²h
Matériau inodore	insatisfaction due à l’odeur inférieure à 15 %	insatisfaction due à l’odeur inférieure à 10 %

L’humidité

La norme précise que, sauf cas particulier (musées, monuments historiques, églises), une humidification ou déshumidification de l’air n’est généralement pas nécessaire pour assurer le confort, mais précise que des taux d’humidité durablement élevés ou très bas peuvent provoquer gênes et dégâts. Le traitement de l’humidité peut également avoir un impact énergétique important.

La norme pose donc que l’humidification ou la déshumidification de l’air des locaux n’est généralement pas exigée, mais si on y a recours il convient d’éviter toute humidification et déshumidification excessive. Dès lors, elle propose des valeurs de référence en annexe B3.

Critères recommandés pour l’humidité en présence de dispositifs d’humidification ou de déshumidification
Type de bâtiment/espace	Catégorie	Humidité relative de conception pour la déshumidification, en %	Humidité relative de conception pour l’humidification, en %
Espaces dans lesquels les critères d’humidité sont liés à l’occupation humaine. Des espaces particuliers (musées, églises etc.) peuvent nécessiter d’autres limites.	I	50	30
	II	60	25
	III	70	20
	IV	> 70	< 20

L’éclairage

La norme se limite à faire référence à la l’EN 12464-1 et à la l’EN 12193 qui définissent les éclairements requis selon les tâches et à la norme EN 15193 pour ce qui concerne la pénétration de lumière naturelle.

Le bruit

La norme propose des valeurs de référence applicables lorsqu’il n’y a pas de norme nationale. Or, une telle norme existe en Belgique : la NBN S 01-401. Les valeurs proposées par la EN 15251 ne sont donc pas d’application.

Paramètres pour le calcul énergétique

La norme précise que les valeurs précisées en dimensionnement des systèmes de chauffage, de refroidissement et de traitement de l’humidité doivent également être utilisées pour les calculs énergétiques sur base saisonnière ou mensuelle. Pour les calculs dynamiques (horaires) par contre, c’est une valeur cible qui doit être visée, à savoir le point médian de plages de valeurs, mais en considérant une possibilité de fluctuation des conditions intérieures du fait de l’algorithme de régulation.

Plages de température pour le calcul horaire de l’énergie de chauffage et de rafraîchissement dans trois catégories d’ambiance intérieure
Type de bâtiment ou d’espace	Catégorie	Plage de température pour le chauffage, °C Vêture ∼ 1,0 clo	Plage de température pour le rafraîchissement, °C Vêture ∼ 0,5 clo
Bâtiments d’habitation, pièces de séjour (chambres, séjours, etc.) Activité sédentaire ~1,2 met	I	21,0 – 25,0	23,5 – 25,5
	II	20,0 – 25,0	23,0 – 26,0
	III	18,0 – 25,0	22,0 – 27,0
Bâtiments d’habitations, autres locaux (cuisines, rangements, etc.) Station debout, marche ~1,5 met	I	18,0 – 25,0
	II	16,0 – 25,0
	III	14,0 – 25,0
Bureaux et locaux à activité similaire (bureaux individuels ou paysagés, salles de réunion, auditoriums, cafétérias, restaurants, salles de classe) Activité sédentaire ~1,2 met	I	21,0 – 23,0	23,5 – 25,5
	II	20,0 – 24,0	23,0 – 26,0
	III	19,0 – 25,0	22,0 – 27,0
Écoles maternelles Station debout, marche ~1,4 met	I	19,0 – 21,0	22,5 – 24,5
	II	17,5 – 22,5	21,5 – 25,5
	III	16,5 – 23,5	21,0 – 26,0
Grands magasins Station debout, marche ~1,6 met	I	17,5 – 20,5	22,0 – 24,0
	II	16,0 – 22,0	21,0 – 25,0
	III	15,0 – 23,0	20,0 – 26,0

Un dépassement de ces plages peut être autorisé. En cas de dépassement de la température vers le haut, la surchauffe doit être estimée sur base d’une des méthodes proposées en annexe 8.

Pour le calcul énergétique, la ventilation doit être supposée en fonctionnement à son débit de dimensionnement pendant la période d’occupation, sauf système à débit d’air variable. En dehors de ces périodes, l’annexe B4 précise que dans les locaux non résidentiels un débit d’air neuf équivalent à 2 volumes d’air de l’espace ventilé doit être fourni dans l’espace avant l’occupation de celui-ci (par exemple, si le débit de ventilation est de 2 vol/h, la ventilation démarre une heure avant l’occupation). Les infiltrations peuvent être calculées comme faisant partie de cette ventilation. Une ventilation continue à faible débit peut également être choisie, sur base d’au minimum 0,1 à 0,2 l/(s.m²) dans les locaux non résidentiels et 0,05 à 0,1 l/(s.m²) dans les logements.

Même logique pour l’éclairage, où les valeurs de dimensionnement sont à considérer, ainsi que la possibilité de combinaison entre éclairage naturel et artificiel. La norme attire l’attention sur l’inconfort de type éblouissement qui peut avoir une influence sur l’emploi des contrôles automatiques et des protections solaires.

Évaluation et classification de l’ambiance intérieure

La norme précise qu’une ambiance intérieure peut être évaluée sur base d’indicateurs liés à la conception, sur des mesures ou sur des calculs.

Les indicateurs liés à la conception sont les valeurs précisées plus haut ayant trait à la thermique d’hiver et d’été, à la qualité de l’air, à l’humidité, à l’éclairage et à l’acoustique.

Les indicateurs calculés sur base de simulations doivent m’être conformément aux normes prEN 15265 et prEN 15255. Quatre méthodes d’évaluation sont décrites :

Indicateurs simples : Le bâtiment satisfait les critères d’une catégorie donnée si des pièces représentatives de 95 % du volume du bâtiment satisfont les critères de la catégorie retenue.
Critères horaires : cette méthode décrite en annexe F cherche à évaluer le nombre d’heures effectif ou en % de temps pendant lequel le critère est respecté ou non.
Critère des degrés-heures : cette méthode, décrite en annexe F, permet d’évaluer le dépassement des limites de température hautes ou basses en saison chaude ou froide. Ce calcul cherche à pondérer la durée du dépassement de la plage cible par l’ampleur wf (°C) de ce dépassement. En pratique, chaque heure de dépassement est multipliée par l’écart en degré entre la condition observée et la limite de la plage de valeur acceptable.
Critère de confort thermique global (PMV pondéré) : cette méthode, décrite en annexe F, reprend le principe de la méthode des degrés-jours, sauf qu’ici les heures comptabilisées sont celles mettant en évidence un dépassement des plages de confort exprimées en PMV. Le facteur de pondération wf (PPD) est ici égal au rapport entre le PPD constaté et le PPD limite correspondant à la plage de confort.

Exemples de facteurs de pondération basés sur la différence de température ou sur le PPD pour des bâtiments climatisés (en chaud ou froid) pour une plage de confort de 23 à 26 °C, correspondant à un travail sédentaire (1,2 met) et à des vêtements d’été légers (0,5 clo).
Température °C		PPD %	Facteurs de pondération
Température °C		PPD %	wf (°C)	wf (PPD)
Froid	20	47	3	4,7
	21	31	2	3,1
	22	19	1	1,9
Neutre	23	10	0	0
	24	< 10	0	0
	25	< 10	0	0
	26	10	0	0
Chaud	27	19	1	1,9
	28	31	2	3,1
	29	47	3	4,7

Les indicateurs mesurés évaluent des écarts par rapport aux critères choisis, sous forme par exemple d’un nombre acceptable d’heures en dehors des critères basés sur une évaluation annuelle (100 à 150 h). En l’absence de critères nationaux, l’annexe G propose des valeurs d’écarts admissibles. Les mesures doivent être réalisées dans des pièces représentatives, dans différentes zones et orientations, avec des charges différentes, pendant des périodes d’utilisation représentatives. Les points de mesure d’ambiance thermique et les instruments de mesure doivent être conformes à l’EN ISO 7726 (EN 12599). Pour l’éclairement, la procédure de vérification décrite à l’Article 6 de l’EN 12464-1:2002 doit être suivie. La section 9 de la norme complète ces exigences en précisant des conditions de mesurage plus détaillées.

Exemples d’écarts correspondant à 3 % et 5 % du temps
3 %/5 % d’une période	Journalière minutes	Hebdomadaire heures	Mensuelle heures	Annuelle heures
Heures de travail	15/24	1/2	5/9	61/108
Heures totales	43/72	5/9	22/36	259/432

La réaction subjective directe des occupants peut également être utilisée pour l’évaluation globale de l’ambiance intérieure. Des évaluations quotidiennes, hebdomadaires et mensuelles sous forme de questionnaires peuvent être utilisées pour l’acceptation générale de l’ambiance intérieure, la sensation thermique, la qualité de l’air perçue. Des méthodes recommandées et des questionnaires sont donnés à l’Annexe H pour l’enregistrement des réactions subjectives.

évaluations sous forme de questionnaires.

La norme précise enfin que l’information relative à l’ambiance intérieure du bâtiment doit être incluse dans le certificat énergétique du bâtiment (Article 7 de la DPEB) pour permettre l’évaluation de la performance totale du bâtiment. En raison des nombreux paramètres et de la connaissance insuffisante sur les influences des paramètres de l’ambiance intérieure qui interagissent, il est recommandé de réaliser une classification globale basée sur l’ambiance thermique uniquement et sur la qualité de l’air intérieur. il est recommandé qu’une « empreinte » résumant le confort soit donnée séparément pour des conditions thermiques et pour des conditions de qualité d’air intérieur. Ceci peut être présenté sous la forme de pourcentage de temps (températures, débits de ventilation ou concentrations de CO₂) pendant lequel l’ambiance intérieure se situe dans les différentes catégories (I, II, II et IV). Des exemples sont donnés à l’Annexe I.

Posted By : olivier 30 Jan, 2014

Choisir un système de ventilation intensive (free cooling)

Ventilation intensive mécanique ou naturelle ?

On peut envisager un système de ventilation intensive entièrement mécanique. La consommation électrique des ventilateurs risque cependant de compenser l’économie réaliser sur la machine frigorifique. Sans parler de l’encombrement des conduites. Ce type de système est équivalent à une climatisation « tout air » de type VAV qui valoriserait au maximum l’air extérieur non traité.

Concevoir

Pour plus d’infos techniques sur la conception des systèmes VAV

Selon les situations, les ventilations mécaniques et naturelles présentent chacune des avantages et/ou des inconvénients :

Coût d’investissement

Le free cooling, de jour comme de nuit, nécessite des débits de ventilation relativement importants. L’ installation de ventilation doit donc être dimensionnée pour gérer ces débits (conduits, ventilateurs, bouches, ….).

Si le bâtiment est déjà équipé d’un système de climatisation tout air ou si les débits de ventilation hygiénique sont importants (du fait de l’occupation, dans des salles de conférence, des auditoires, par exemple), un réseau mécanique ne représente peut-être pas un surcoût.

Par contre, lorsque la ventilation hygiénique est limitée, la possibilité d’organiser un free cooling mécanique entraîne un surdimensionnement, donc un surcoût important de l’installation.

Dans le cas d’une ventilation naturelle, si la réalisation d’un réseau de ventilation mécanique important est évitée, l’investissement pour organiser une ventilation naturelle n’est néanmoins pas nul. Des éléments particuliers doivent être prévus pour amener l’air dans le bâtiment sans risque d’effraction (grilles, fenêtres automatisées,…), éventuellement pour lui permettre de circuler (grilles de transfert, portes coupe-feu,…) et pour l’extraire (grilles d’extraction, cheminées,…).

Coût de fonctionnement

En ventilation naturelle, le transport de l’air s’effectue naturellement grâce aux différences de pression et/ou de température de l’air autour du bâtiment. Dans les systèmes de ventilation par effet de cheminée, un ventilateur d’extraction est parfois installé pour pourvoir au transport de l’air dans de mauvaises conditions climatiques. Pratiquement, ces ventilateurs sont peu ou pas utilisés.

En ventilation mécanique, le fonctionnement des ventilateurs pour le transport de l’air nécessite une énergie électrique non négligeable.

Par exemple, une étude réalisée sur un bâtiment du Sud de la France montre que la consommation des ventilateurs actionnés la nuit était similaire à la consommation des groupes frigorifiques en relance au matin en absence de free cooling (ceux-ci bénéficiant de l’efficacité frigorifique qui produit 2 à 3 kWh de froid pour 1 kWh au compresseur…).

Confort

En free cooling diurne naturel, l’amenée d’air frais directement dans les locaux peut se révéler inconfortable. Des solutions peuvent néanmoins être trouvées pour éviter cet inconfort, comme le montrent les trois exemples suivants réalisés dans des bâtiments anglais.

Exemples.

Dans le centre administratif de l’entreprise Powergen, l’air, en hiver, est introduit par les fenêtres hautes, et guidé, grâce à la forme particulière du plafond vers le centre du bâtiment. Le mélange de l’air frais extérieur avec l’air ambiant se fait donc sans inconfort.

Photo centre administratif de l'entreprise Powergen.

Dans le bâtiment environnemental du BRE, l’air de ventilation des bureaux paysagers parcourt des conduits intégrés dans le plafond, à température ambiante, avant de pénétrer le local au niveau du plafond. Il est donc légèrement réchauffé.

Powergen, schéma explicatif.

Enfin, dans le Queen’s building de l’Université De Monfort, l’air extérieur est introduit dans les auditoires au travers d’un absorbant acoustique et d’une batterie de préchauffe.

À cela s’ajoute le risque de sous-refroidissement du local et donc d’inconfort le matin, à l’arrivée des occupants, si les amenées d’air ne sont pas automatisées et refermées au cours de la nuit, quand le bâtiment est suffisamment refroidi.

En ventilation mécanique, lorsque l’on souhaite bénéficier de la fraîcheur de l’air extérieur, mais que celui-ci est trop froid pour être pulsé tel quel, il serait paradoxal de recourir à une batterie de chauffe. Une récupération de chaleur sur l’air extrait est alors tout indiquée. Éventuellement, un recyclage partiel de l’air extrait peut être envisagé.

Un ventilateur en renfort du tirage naturel : vers des systèmes hybrides ?

Pour renforcer le tirage lorsqu’il est trop faible ou pour limiter l’encombrement des cheminées de tirage naturel, il est possible d’organiser une pulsion forcée d’air frais extérieur : un extracteur est placé sur le sommet de la cheminée. Ici également, la température intérieure va fluctuer entre 21 et 25°C durant la journée, puisque le bâtiment stocke son froid la nuit et se réchauffe le jour. Mais au moins une garantie est donnée sur la réelle circulation de l’air.

Schéma de fonctionnement de la ventilation hybride dans les classes (École Tanga).

Disposer d’une masse thermique accessible

Le but de la ventilation nocturne est de refroidir la masse thermique du bâtiment durant la nuit et de diminuer ainsi les surchauffes en journée.

Ce sont les matériaux lourds de construction (béton, carrelage, …) qui constituent la principale masse thermique d’un bâtiment. En journée, ceux-ci absorbent les apports instantanés de chaleur (ensoleillement, …). Cette chaleur est restituée ensuite avec un décalage temporel, ce qui atténue fortement les hausses de température diurne dans le bâtiment. On parle d’inertie thermique du bâtiment. Prenons l’exemple d’une voiture. Celle-ci n’a aucune masse thermique. Dès que le soleil luit, la température intérieure monte très vite. À l’inverse, dès que le soleil disparaît, la température intérieure chute.

Évolution dans le temps de l’apport de chaleur dû à l’ensoleillement dans un local
avec ou sans inertie thermique : comparaison entre la chaleur instantanée transmise au travers du vitrage et la chaleur restituée au local.

Le but de la ventilation nocturne est de décharger au maximum, durant la nuit, la chaleur accumulée dans les matériaux du bâtiment et de permettre une forte absorption de chaleur durant la journée.
Pour que ce phénomène d’accumulation / restitution de chaleur soit possible, il faut :

D’une part, favoriser l’utilisation de matériaux de construction lourds pour assurer l’accumulation.

D’autre part, garantir le contact entre ceux-ci et l’air frais de ventilation pour évacuer la chaleur accumulée.

À défaut de quoi, on ne refroidirait que l’air ambiant du bâtiment, qui se réchaufferait au premier rayon de soleil (comme cela se passe dans une voiture …). Concrètement :

Au niveau du sol, le carrelage est préférable à la moquette, au plancher ou au faux plancher qui isolent par rapport à la masse du sol. …). Le passage des réseaux hydrauliques, électriques,informatiques… s’en trouve contrarié.

Au niveau des murs, des murs intérieurs en maçonnerie lourde absorbent nettement plus de chaleur que les cloisons légères. Mais des cloisons lourdes peuvent aller à l’encontre de la flexibilité souhaitée par un promoteur immobilier par exemple.

Au niveau des plafonds, l’emploi de faux plafonds est déconseillé.

La surface d’absorption manquante au plafond peut être fournie par les portes absorbantes acoustiques des armoires.

Exemple.

Les bureaux du bâtiment environnemental du BRE, par exemple, ne présentent pas de faux plafonds. La surface du plafond a même été augmentée artificiellement en lui donnant une forme sinusoïdale. L’énergie thermique stockée par le plafond est ainsi augmentée.

Phot des plafonds du bâtiment environnemental du BRE.

Cependant, les faux plafonds offrent d’importants avantages (coût par rapport à la finition d’un plafond « lourd », intégration des installations techniques, …) et permettent notamment d’améliorer l’acoustique des locaux. Un compromis peut être trouvé entre la fonctionnalité du faux plafond et la perte de masse thermique qu’il engendre. Il s’agit de plafonds semi-fermés comportant des ouvertures qui assurent un contact entre l’air intérieur et la structure du bâtiment.

Faux plafonds semi-ouverts permettant la circulation de l’air de ventilation.

Dans le centre administratif de l’entreprise Powergen en Angleterre, une autre solution a été utilisée pour assurer le confort acoustique : les « ailes » des éléments techniques suspendus (regroupant luminaires, détecteurs incendies, etc.) sont des absorbants acoustiques. La forme elliptique des creux du plafond focalise les ondes sonores vers ces absorbants.

Théories

Pour plus d’informations sur l’évolution thermique d’un local type sans inertie, cliquez ici !

Gérer la fluctuation inévitable de la température intérieure

Choisir un rafraichissement par ventilation intensive sans appoint d’une machine frigorifique implique inévitablement des fluctuations de température dans le bâtiment.

En été, le bâtiment est un réservoir « tampon », qui est « vidé de sa chaleur » la nuit jusqu’à atteindre 21°C, et dont la température augmente progressivement en journée jusqu’à 25°C. S’il fait plus de 25°C à l’extérieur, l’occupant doit vivre dans son local sans ouvrir la fenêtre, et se baser sur le « capital froid » emmagasiné durant la nuit.

En outre, il ne faut pas sous-refroidir le bâtiment, pour ne pas créer d’inconfort lors de l’arrivée des occupants, le matin. Une régulation automatique du free cooling s’impose si les utilisateurs ne peuvent assurer la gestion manuelle.

Dans tous les cas, les fluctuations de température doivent rester dans les plages de confort tolérées par le maître d’ouvrage. Or, dans un bâtiment se basant sur un système de reoifridissement par ventilation, l’approche du confort n’est pas la même que dans un bâtiment climatisé. La norme NBN EN 15251 donne à ce titre des indications utiles.

Pour en savoir plus :

Théories	Le confort thermique.
Réglementations	La norme NBN EN 15251.

Posted By : olivier 29 Jan, 2014

Comparer le chauffage simple et la climatisation

Il est possible de comparer, pour un bâtiment donné, la consommation et le niveau de confort générés par différents niveaux d’équipements. Nous reprenons ci-dessous un extrait d’un vaste travail de simulation réalisé par l’ISSO aux Pays-Bas (les conditions de climat extérieur sont donc relativement comparables à ceux de nos régions).

Voici les hypothèses de travail :

La simulation porte sur un bureau de 4,1 m de façade sur 5,2 m de profondeur et 2,7 m de hauteur. Les consignes sont de 22°C en hiver et 24°C en été. L’inertie des parois est moyenne (sol en béton, pas de faux plafond, cloisons intérieures légères, soit 59 kg/m²). Les apports internes correspondent à l’éclairage et la présence d’une personne et de son PC par zone de 12 m² (35 W/m²). Le pourcentage de vitrage par rapport à la façade est de 50 %. Les murs extérieurs sont équipés de 8 cm d’isolant. Le bureau simulé est entouré d’autres bureaux dont les consignes sont similaires (pas d’échange avec les bureaux voisins). Des stores extérieurs limitent les apports solaires à 20 % de leur valeur lorsque ceux-ci dépassent 300 W/m². Le taux de renouvellement d’air est de 3/h pour les systèmes 2 et 4, et 4/h pour le système 3. Les pertes de charge du circuit de ventilation sont de 1 600 Pa. Un échangeur de chaleur est placé sur l’air de ventilation et son rendement est estimé à 75 %. Le coût de l’humidification est intégré.

Dans ce cas, en intégrant les rendements de production des équipements, les consommations annuelles sont [en kWh/m²] :

–	–	SUD	EST	OUEST	NORD
1	Radiateurs + ventilation naturelle	Chauffage : 78 Transport : 1 Inconfort : 370 h	Chauffage : 81 Transport : 1 Inconfort : 400 h	Chauffage : 81 Transport : 1 Inconfort : 450 h	Chauffage : 83 Transport : 1 Inconfort : 310 h
2	Radiateurs + ventilation mécanique double flux	Chauffage : 58 Transport : 22 Inconfort : 260 h	Chauffage : 59 Transport : 22 Inconfort : 280 h	Chauffage : 60 Transport : 22 Inconfort : 310 h	Chauffage : 61 Transport : 22 Inconfort : 230 h
3	Radiateurs + ventilation mécanique double flux + rafraîchissement* + free cooling de nuit**	Chauffage : 70 Refroidissement : 7 Transport : 30 Inconfort : 25 h	Chauffage : 72 Refroidissement : 7 Transport : 31 Inconfort : 45 h	Chauffage : 73 Refroidissement : 7 Transport : 31 Inconfort : 60 h	Chauffage : 74 Refroidissement : 7 Transport : 30 Inconfort : 20 h
4	Conditionnement d’air (installation 4 tubes avec éjecto-convecteurs)	Chauffage : 83 Refroidissement : 14 Transport : 29 Inconfort : 0 h	Chauffage : 83 Refroidissement : 13 Transport : 29 Inconfort : 0 h	Chauffage : 83 Refroidissement : 14 Transport : 29 Inconfort : 0 h	Chauffage : 83 Refroidissement : 11 Transport : 29 Inconfort : 0 h

*Par « rafraîchissement » en été, on entend ici une pulsion d’air « rafraîchit » correspondant à 4 renouvellements horaires :

refroidit à une température de 18 [°C], lorsque la température extérieure est < 23 [°C]
refroidit à une température de (T°_ext– 5°), lorsque la température extérieure est > 23 [°C]

**Par « free cooling de nuit », on entend ici une pulsion d’air extérieur de ventilation correspondant à 4 renouvellements horaires, si T°_ext< T°_int et si T°_int> 20 [°C].

La rubrique « transport » représente l’énergie des circulateurs et ventilateurs.

Par « inconfort », on entend le nombre d’heures durant la période de travail où le PMV (Vote Moyen Prédictif) des occupants serait > 0,5. Autrement dit, le nombre d’heures où l’on peut s’attendre à des plaintes du personnel… On considère que si ce nombre d’heures est inférieur à 100 heures par an, il s’agit d’une gêne temporaire tout à fait acceptable. Au-delà de 200 h/an, des mesures de refroidissement sont nécessaires pour garder un climat intérieur correct.

Les kWh de refroidissement sont ceux demandés au compresseur. Ils intègrent donc le COP de la machine frigorifique. Les besoins de froid du bâtiment seraient plus élevés.

Pour transcrire ceci en coût, on peut adopter les hypothèses suivantes

le kWh thermique (chauffage) revient à 6,22 c€, sur base d’un prix du fuel de 0,622 €/litre.
le kWh électrique (froid et transport) revient à 16 c€, puisque l’installation fonctionne en journée, 10 h sur 24, uniquement durant les jours ouvrables (251 jours par an)

Le tableau devient [en €/m² ] :

		SUD	EST	OUEST	NORD
1	Radiateurs + ventilation naturelle	Chauffage : 4,85 Transport : 0,16 Inconfort : 370 h	Chauffage : 5,04 Transport : 0,16 Inconfort : 400 h	Chauffage : 5,04 Transport : 0,16 Inconfort : 450 h	Chauffage : 5,16 Transport : 0,16 Inconfort : 310 h
2	Radiateurs + ventilation mécanique double flux	Chauffage : 3,61 Transport : 3,52 Inconfort : 260 h	Chauffage : 3,67 Transport : 3,52 Inconfort : 280 h	Chauffage : 3,73 Transport : 3,52 Inconfort : 310 h	Chauffage : 3,79 Transport : 3,52 Inconfort : 230 h
3	Radiateurs + ventilation mécanique double flux + rafraîchissement* + free cooling de nuit**	Chauffage : 4,35 Refroidissement : 1,12 Transport : 4,80 Inconfort : 25 h	Chauffage : 4,48 Refroidissement : 1,12 Transport : 4,80 Inconfort : 45 h	Chauffage : 4,54 Refroidissement : 1,12 Transport : 4,80 Inconfort : 60 h	Chauffage : 4,60 Refroidissement : 1,12 Transport : 4,80 Inconfort : 20 h
4	Conditionnement d’air (installation 4 tubes avec éjecto-convecteurs)	Chauffage : 5,16 Refroidissement : 2,24 Transport : 4,64 Inconfort : 0 h	Chauffage : 5,16 Refroidissement : 2,08 Transport : 4,64 Inconfort : 0 h	Chauffage : 5,16 Refroidissement : 2,24 Transport : 4,64 Inconfort : 0 h	Chauffage : 5,16 Refroidissement : 1,76 Transport : 4,64 Inconfort : 0 h

Si les coûts sont à présent globalisés et ramenés à une échelle de 100 pour la situation 1 (radiateurs et ventilation naturelle) :

		SUD	EST	OUEST	NORD
1	Radiateurs + ventilation naturelle	Coût : 100 Inconfort : 370 h/an	Coût : 104 Inconfort : 400 h/an	Coût : 104 Inconfort : 450 h/an	Coût : 105 Inconfort : 310 h/an
2	Radiateurs + ventilation mécanique double flux	Coût : 146 Inconfort : 260 h/an	Coût : 144 Inconfort : 280 h/an	Coût : 145 Inconfort : 310 h/an	Coût : 146 Inconfort : 230 h/an
3	Radiateurs + ventilation mécanique double flux + rafraîchissement* + free cooling de nuit**	Coût : 205 Inconfort : 25 h/an	Coût : 208 Inconfort : 45 h/an	Coût : 209 Inconfort : 60 h/an	Coût : 210 Inconfort : 20 h/an
4	Conditionnement d’air (installation 4 tubes avec éjecto-convecteurs)	Coût : 240 Inconfort : 0 h/an	Coût : 237 Inconfort : 0 h/an	Coût : 240 Inconfort : 0 h/an	Coût : 231 Inconfort : 0 h/an

Analyse des résultats

Dans les hypothèses prises pour la simulation, le coût d’exploitation global généré par le système de conditionnement d’air est évalué à 6,5 €/m²/an. Il est 4 fois plus onéreux que le système par simples radiateurs, mais ce dernier n’est plus acceptable dans un bureau aux standards de construction actuels, si des mesures particulières de limitation des charges ne sont pas prises.

Le coût du transport de l’air de ventilation et de climatisation est également un poste majeur dans le bilan financier. Mais les hypothèses de dimensionnement choisies par l’équipe de recherche sont particulièrement défavorables au transport (taux de renouvellement d’air élevé et pertes de charge du réseau élevées) et favorables au bilan thermique (échangeur de chaleur sur l’air extrait pour préchauffer l’air de ventilation en hiver, et stores pour limiter les apports solaires d’été). Il n’empêche que le coût du transport est un poste à ne pas négliger et que le choix du système de climatisation sera déterminant à ce niveau.

Dans d’autres simulations de cette étude, il apparaît que seuls les bâtiments dont la charge interne est limitée à 20 W/m² (ce qui correspond à une situation d’absence d’équipement bureautique), peuvent encore se passer d’un système de refroidissement. C’est le cas du secteur domestique, mais pas du secteur des bureaux…

Concevoir

Alors … la climatisation des bureaux, un mal nécessaire ?

Posted By : Sylvie 29 Jan, 2014

Confort au sens large

Le confort est défini comme « un état de satisfaction vis-à-vis de l’environnement perçu ».

Multiples dimensions du confort

La satisfaction vis-à-vis de l’environnement fait appel à toutes les dimensions physiques des ambiances, mais également à des aspects comportementaux et psychologiques.

Au niveau physique, ou physiologique, on distingue les conforts respiratoires, thermiques, acoustiques et visuels. Ces aspects sont généralement assez bien connus et de nombreuses normes définissent des seuils minimums et/ou maximums pour les grandeurs physiques concernées (éclairement, température, puissance acoustique, etc.). à noter que ces grandeurs ne sont pas nécessairement absolues : elles peuvent varier dans le temps. Ainsi, les plages de confort thermiques ne sont pas les mêmes en été et en hiver, du fait notamment d’adaptation physiologique (modification du rythme cardiaque et de la capacité de sudation).

Au niveau comportemental, c’est la capacité d’action de l’occupant dans le bâtiment qui est mise en évidence. Car les conditions intérieures et les attentes sont variables dans le temps : on accueillera plus favorablement un courant d’air en été qu’en mi-saison. Il est donc important que l’occupant ait une capacité d’action sur les organes de contrôle des systèmes du bâtiment, sur son activité et sur son habillement.

Au niveau psychologique, c’est surtout l’implication de l’occupant qui est mise en avant lorsque l’on parle d’énergie. Il ne suffit pas qu’il ait la capacité de contrôler son environnement si ces besoins physiologiques le demandent, il faut qu’il ait conscience de cette capacité. L’implication fait donc intervenir la compréhension du fonctionnement du bâtiment, la capacité d’anticiper les conséquences de ses actions sur l’ambiance et une compréhension du lien entre ses actions et leur impact énergétique. Par exemple, une personne avec une conscience environnementale élevée acceptera plus facilement une température relativement basse, si elle sait qu’elle contribue par-là à des économies d’énergie fossile.

Ces trois dimensions, physiologiques, comportementales et psychologiques sont fortement liées, comme le montre l’organigramme ci-dessous.

Notons pour mémoire qu’il existe encore d’autres dimensions à la sensation de bien-être dans un bâtiment, tels que le confort d’usage (est-ce que le bâtiment permet de déployer adéquatement l’activité pour laquelle il est conçu ?), le sentiment esthétique, un sentiment positif ou négatif lié à la nouveauté d’un bâtiment ou à la familiarité que l’on a avec, etc.

Dynamique du confort

La combinaison des différentes dimensions du confort (physiologique, comportementale, psychologique) implique que le bien-être dans un bâtiment n’est pas une notion facile à décrire. Ce bien-être non seulement sera différent pour chacun, mais également variable dans le temps, selon son âge, son sexe, son état de santé, et même son humeur.

Les premières approches scientifiques du confort, au milieu du XXe siècle, se sont focalisées sur les aspects physiologiques, en écartant volontairement tous les aspects comportementaux et psychologiques. Les chercheurs soumettaient des volontaires à des conditions contrôlées dans des chambres climatiques, sans leur permettre d’interaction avec l’ambiance, ni prendre en compte leur satisfaction globale. Cette pratique a permis d’avance rapidement dans l’étude de la dimension physiologique du confort, et d’établir, sur base de statistiques, des valeurs de référence à la base de la plupart des normes de confort utilisées aujourd’hui dans les bâtiments. On pense notamment aux indicateurs pmv (predicted mean vote) et ppd (percentage of people dissatisfied).

Mais cette méthode d’étude, que l’on peut dire statique, est par définition incapable d’intégrer les dimensions dynamiques du confort telles que les adaptations comportementales, la variabilité des états psychologiques, et même certaines adaptations physiologiques. On pense en particulier à :

L’adaptation comportementale : toutes les modifications conscientes ou inconscientes du comportement en réaction à une situation ressentie : modification de l’habillement, de la position, absorption de boissons chaudes ou froides, déplacement vers un autre endroit. Entre aussi en ligne de compte les adaptations technologiques (ouverture ou fermeture de fenêtres, l’enclenchement d’un chauffage) et culturelles : modification d’horaires, codes vestimentaires, etc.
L’anticipation : Avoir une capacité de prévoir quelques heures à l’avance des conditions d’ambiance à venir permet de s’y préparer et rend plus tolérant si ces conditions échappent aux plages de confort.
L’adaptation physiologique : après quelques jour d’exposition à une ambiance froide, la température de la peau et le niveau métabolique s’adaptent. En été, c’est la capacité de sudation et la vitesse du cœur qui se modifie.
Adaptation psychologique : il a été démontré par les psychologues que lorsque l’on a ou croit avoir le contrôle sur la source de l’inconfort, celui-ci est mieux vécu. À l’inverse, en l’absence de capacité de contrôle, on est généralement très peu tolérant face à des écarts de confort. En d’autres mots, ce que l’on fait nous-même peut être imparfait, mais lorsque l’on nous promet un service, on s’attend à ce qu’il soit irréprochable.

C’est pourquoi les chercheurs ont, dans les années 1990 et au début des années 2000, développé une autre méthode d’évaluation du confort dans les bâtiments. Il s’agit désormais d’enquêtes de terrain, d’interviews des occupants dans leur bâtiment, avec en parallèle un monitoring des conditions physiques de l’ambiance.

The statistical dependence of indoor thermal neutralities on climate.

Dépendant entre la température « neutre » intérieure exprimée par les occupants et les températures extérieures selon que le bâtiment soit chauffé et refroidi ou laissé sans contrôle climatique. Figure redessinée sur base de Gail S. Brager et Richard J. de Dear, Thermal adaptation in the built environment : a literature review, Energy and Buildings Volume 27, Issue 1, February 1998, Pages 83–96.

La principale découverte de cette approche, illustrée par la figure ci-dessus, est que, pour certains bâtiments, ceux qui s’apparentaient le plus aux chambres climatiques utilisées lors des premières recherches (façades hermétiques, peut de liberté laissée aux occupants de contrôler leur ambiance, codes vestimentaires stricts, etc.), les références de confort établies précédemment étaient valides. Elles reflétaient effectivement les plages de satisfaction des occupants. Mais pour d’autres bâtiments, ceux qui se basaient sur une ventilation naturelle, valorisaient la participation active des occupants au maintien du confort et leur laissaient une marge d’adaptation de leur activité ou habillement, les plages de confort théoriques se sont révélées trop étroites, si pas erronées. Toutes les enquêtes confirmaient le même fait : les plages de confort sont, dans une certaine mesure, dépendantes de la capacité d’adaptation des habitants. D’où l’idée de définir, pour ces bâtiments, des nouvelles plages de confort dites adaptatives. C’est l’objet notamment de la norme EN15251.

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.

Yearly Archives: 2014

Aperçu des normes

Typologie des systèmes de ventilation

Méthode directe

Méthode indirecte

L’impact environnemental

Indices d’impact

ODP (Ozone Depletion Potential)

GWP (Global Warning Potential)

TEWI (Total Equivalent Warning Impact)

Les fluides frigorigènes fluorés

Fluides frigorigènes fluorés

CFC (chlorofluorocarbures) (interdits de production depuis janvier 1995)

HCFC (hydrochlorofluorocarbures) (utilisation interdite au Ier Janvier 2015)

HFC (hydrofluorocarbures) (utilisation réduite progressivement jusqu’en 2030)

Mélange de fluides frigorigènes

Les fluides à bas « effet de serre »

L’ammoniac (NH3) ou R-717

Les hydrocarbures (HC) comme R-290 R-600a

Le dioxyde de carbone (CO2) ou R-744

L’eau (H2O)

Synthèse

Nomenclature

Principes

Coefficient de performance instantané COP

Production frigorifique spécifique

Comparaison

R22

R404A

R507

Synthèse

Conclusion

Le grand retour du CO2 ?

Utilisation du CO2 comme fluide frigorigène : Cas pratique

Comparaison CO2 – R134a

Intérêt du CO2 ?

Conclusion

Description du bâtiment

Stratégie énergétique et technique

Évaluation par les occupants

Monitorings

Intervenants

Présentation des grandes familles

Famille 1 : les installations centralisées « tout air »

Famille 2 : les installations décentralisées « sur boucles d’eau »

Famille 3 : les appareils travaillant en « détente directe »

Les solutions les plus courantes

La solution « standard » : le ventilo-convecteur

Le plafond froid

La solution spécifique pour les locaux à forte occupation : la centrale « tout air » à débit variable (VAV)

Un outsider possible pour certains bâtiments : le DRV, Débit de Réfrigérant Variable

Quel que soit le système choisi…

Le confort lié à la distribution de l’air et de la chaleur

Disposition en allège

Disposition en faux plafond

Disposition en faux plafond avec gainages de distribution

Disposition au plafond, en apparent ou en imposte

Disposition en faux plancher

Disposition dans un local technique indépendant

L’évacuation des condensats

La facilité de maintenance

Synthèse

Stratégie de choix

Quand opter pour un freechilling ?

Qu’est-ce qu’une installation adaptée au free-chilling ?

Le problème du gel…

Le free-chilling : une solution miracle pour toutes les installations ?

Quand opter pour un refroidissement adiabatique

Quand opter pour une climatisation solaire ?

Quand opter pour un geocooling ?

Influence du régime de température

Principe

Technologie des sondes géothermiques

Les systèmes fermés et ouverts

Forages géothermiques

Variantes : Sondes coaxiales en acier

Pieux géothermiques

Nappes horizontales

Cas particulier : le puits canadien

Schémas de principe

Le dioxyde de carbone (CO₂) ou R-744

Le grand retour du CO₂ ?

Utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène : Cas pratique

Comparaison CO₂ – R134a

Intérêt du CO₂ ?